孫金聲, 蔣官澄, 賀垠博, 史 赫,杜明亮, 董騰飛, 楊麗麗

(1.中國石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院有限公司,北京 102206; 2.中國石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院,山東青島 266580;3.油氣鉆完井技術(shù)國家工程研究中心,北京 102206; 4.中國石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)院,北京 102249;5.油氣資源與探測國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 102249)

作為鉆井工程“血液”的鉆井液,按照分散介質(zhì)種類可分為水基類、油基類和氣體類3大鉆井液,其中油基鉆井液是以白油、柴油、氣制油等為分散介質(zhì)的鉆井液[1-2]。雖然油基鉆井液不如水基鉆井液應(yīng)用廣泛,但相比之下具有更優(yōu)良的井壁穩(wěn)定性、抑制性、潤滑性、抗溫性與抗污染性,是非常規(guī)油氣井、復(fù)雜結(jié)構(gòu)井、深水與超深水井、高溫高壓深井、超深井等高難度井的首選。20世紀(jì)20年代,原油首次應(yīng)用于鉆井循環(huán)流體標(biāo)志著油基鉆井液正式登上歷史舞臺(tái)[3],之后油基鉆井液技術(shù)進(jìn)入科學(xué)發(fā)展階段,多種油基鉆井液處理劑與體系被研發(fā)出來,性能得到跨越式提升,為中國乃至全球油氣勘探開發(fā)做出了重要貢獻(xiàn)。筆者對油基鉆井液技術(shù)發(fā)展歷程進(jìn)行梳理和總結(jié),并深入分析油基鉆井液目前存在的問題與未來面臨的挑戰(zhàn),在此基礎(chǔ)上指出未來油基鉆井液的發(fā)展方向。

1 油基鉆井液發(fā)展歷程簡述

20世紀(jì)40年代,為解決原油鉆井液的濾失量大、配制成本高、溫度范圍僅限于100 ℃以內(nèi)等缺點(diǎn),發(fā)展了全油基鉆井液和油包水乳化鉆井液。全油基鉆井液中的水質(zhì)量分?jǐn)?shù)通常小于5%,具備一定的防塌、潤滑能力,可抗200 ℃高溫,但基礎(chǔ)油用量大、配制成本高昂且鉆速較低[4]。油包水乳化鉆井液中的水是必要成分,一般質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%～40%,最高可達(dá)60%。高含水量減少了基礎(chǔ)油的用量,降低了鉆井液的配制成本,并降低了鉆井施工過程中的著火風(fēng)險(xiǎn)[5]。

20世紀(jì)70年代,為解決油包水乳化鉆井液中水向地層中滲濾引發(fā)的井壁失穩(wěn)、儲(chǔ)層損害等問題,發(fā)展了平衡活度的油包水乳化鉆井液技術(shù)。該鉆井液使用含適量無機(jī)鹽(通常為CaCl2)的水作為內(nèi)相,將鉆井液中水的活度降至與地層水活度接近甚至相等,從而避免或減少了水向地層中的滲濾[6]。

上述油基鉆井液幾乎都含有大量氧化瀝青、有機(jī)褐煤等亞微米級(jí)親油膠質(zhì),控制濾失量的同時(shí)導(dǎo)致機(jī)械鉆速慢、鉆井成本高,且普遍存在油相對環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)大等難題。對此,1975年發(fā)展出了低膠質(zhì)油包水乳化鉆井液[7],其最大限度降低親油膠質(zhì)用量,以放寬濾失量為代價(jià)提高了機(jī)械鉆速。20世紀(jì)80年代,為滿足海洋等敏感區(qū)域的環(huán)保要求發(fā)展了低毒礦物油基鉆井液,該鉆井液使用毒性較低的礦物油(如白油)代替毒性較強(qiáng)的柴油作為基礎(chǔ)油,并配套使用其他低毒處理劑,大幅降低了對環(huán)境的危害,滿足了早期環(huán)保要求。隨后,英國、挪威等國的石油公司開始嘗試使用人工合成的環(huán)保氣制油代替?zhèn)鹘y(tǒng)基礎(chǔ)油,發(fā)展了合成基鉆井液[8],其重金屬離子含量低、無毒、可生物降解,具突出的環(huán)保性能,已規(guī)模應(yīng)用于海洋鉆井。

21世紀(jì)以來,油基鉆井液技術(shù)取得了進(jìn)一步發(fā)展。該階段的特色技術(shù)主要包括:針對處理劑高溫條件下失效難題,以新型抗高溫處理劑為核心發(fā)展的抗高溫油基鉆井液[9];針對固相含量過高引起沉降、流變性難調(diào)控、儲(chǔ)層損害等難題,以高密度有機(jī)鹽代替部分固體材料發(fā)展了低固相油基鉆井液[11];針對大量使用有機(jī)土導(dǎo)致機(jī)械鉆速慢、當(dāng)量循環(huán)密度(ECD)大及高溫稠化等難題,發(fā)展了低土相及無土相油基鉆井液[12];針對油相濾餅清除困難導(dǎo)致固井質(zhì)量差以及含油鉆屑脫油難等難題,以pH響應(yīng)型乳化劑為核心發(fā)展了可逆乳化鉆井液[13];針對深水大溫差條件下油基鉆井液ECD波動(dòng)劇烈、懸浮能力與流動(dòng)性不可兼顧等難題,發(fā)展了深水恒流變鉆井液[15]等,這些鉆井液的性能都較傳統(tǒng)油基鉆井液技術(shù)有明顯提高。

2 關(guān)鍵技術(shù)難題與挑戰(zhàn)

近年來,油氣勘探開發(fā)進(jìn)一步向“老、非、低、深、極地”等難動(dòng)用油氣資源邁進(jìn),所面臨的地質(zhì)條件和地面條件越來越復(fù)雜[18](井底溫度大于300 ℃、最大溫差超過200 ℃、超低溫-40 ℃),對鉆井液的性能提出了更高的要求。油基鉆井液因其優(yōu)良的抗溫性、抗污染性、潤滑性、抑制與井壁穩(wěn)定性等是未來難動(dòng)用油氣勘探開發(fā)的首選鉆井液,但現(xiàn)有技術(shù)在防漏堵漏、井眼凈化、儲(chǔ)層保護(hù)、環(huán)境保護(hù)等方面已不能滿足上述更加苛刻的要求,油基鉆井液面臨著新一輪技術(shù)挑戰(zhàn)[19]。簡而言之,現(xiàn)有油基鉆井液理論、方法和技術(shù)已經(jīng)不能適應(yīng)新形勢需要?？蒲腥藛T必須追求理論、方法創(chuàng)新和關(guān)鍵技術(shù)突破,研發(fā)高性能油基鉆井液新材料與體系,提高油基鉆井液技術(shù)水平,有效實(shí)現(xiàn)難動(dòng)用油氣資源“安全、高效、經(jīng)濟(jì)、環(huán)?！笨碧介_發(fā)目標(biāo)。結(jié)合油基鉆井液技術(shù)現(xiàn)狀與未來發(fā)展要求,瞄準(zhǔn)如下13個(gè)亟需解決的關(guān)鍵技術(shù)難題進(jìn)行詳細(xì)論述,并提出潛在解決方案。

2.1 井眼強(qiáng)化型油基鉆井液技術(shù)

油基鉆井液的突出優(yōu)點(diǎn)是強(qiáng)抑制性和強(qiáng)井壁穩(wěn)定性,在頁巖油氣水平井鉆井中具有不可撼動(dòng)的地位,但在實(shí)際應(yīng)用過程中井壁失穩(wěn)、坍塌事故并沒有徹底避免,如在威遠(yuǎn)、長寧頁巖氣區(qū)塊鉆井中,截至2019年11月底因井壁坍塌、掉塊卡鉆等問題掩埋旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具共48串,造成了重大經(jīng)濟(jì)損失。未來隨著頁巖油氣勘探開發(fā)力度進(jìn)一步加大,因井壁失穩(wěn)、坍塌等事故造成的惡劣影響勢必更加嚴(yán)重。長期以來,對于井壁失穩(wěn)問題,研究人員仍采用“降低鉆井液引起井壁巖石的破壞作用,并篩選破壞作用較小的鉆井液體系”的思路,未對提高井壁巖石強(qiáng)度的方法和技術(shù)進(jìn)行研究,井壁垮塌問題未得到根本解決。目前油基鉆井液導(dǎo)致井壁坍塌機(jī)制仍不明確,一般認(rèn)為油基鉆井液幾乎不引起井壁巖石水化、分散等,所以重點(diǎn)應(yīng)是從封堵微納米孔縫、固化破碎巖石、改變巖石潤濕性等方面協(xié)同作用,解決油基鉆井液中井壁失穩(wěn)問題。其中固化破碎巖石的難點(diǎn)在于在油性的非極性環(huán)境中,難以形成氫鍵、離子鍵等非共價(jià)鍵,無法實(shí)現(xiàn)有效膠結(jié)井壁巖石,提高巖石內(nèi)聚力的目的。羅健生等[20]采用苯乙烯丙烯酸酯共聚物、磺化瀝青、油溶性碳酸鈣和納米二氧化硅等研制了一種油基鉆井液封堵劑,可有效地封堵微裂縫,減少孔隙壓力傳遞效應(yīng),維持井壁穩(wěn)定,現(xiàn)場應(yīng)用效果良好。倪曉驍、蔣官澄等[21]合成了一種既超疏水又超疏油的超雙疏納米流體SAN,該材料能將巖石孔喉表面潤濕性反轉(zhuǎn)為超雙疏潤濕,提高了巖石表面的自清潔特性,并且反轉(zhuǎn)毛細(xì)管附加壓力為阻止液相進(jìn)入孔喉的阻力,避免因液相進(jìn)入破壞孔喉結(jié)構(gòu),起到穩(wěn)定巖石強(qiáng)度的作用(圖1、2)。

圖1 SAN對巖心自然滲吸的影響

圖2 毛細(xì)管附加壓力

2.2 油基鉆井液防漏堵漏技術(shù)

井漏尤其是裂縫性地層井漏是制約油氣鉆井工程提質(zhì)增效的第一大技術(shù)難題[22]。井漏不僅導(dǎo)致鉆井液損失巨大,同時(shí)易引發(fā)井塌、卡鉆和井噴等復(fù)雜事故,大幅增加非生產(chǎn)時(shí)間,造成重大經(jīng)濟(jì)損失,據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),中石油、中石化、中海油、延長石油等因井漏導(dǎo)致年均直接經(jīng)濟(jì)損失超100億元[25]。而目前的防漏堵漏材料大多都是針對水基鉆井液研發(fā)的,缺少油基鉆井液專用堵漏材料,導(dǎo)致油基鉆井液一旦發(fā)生漏失,難以堵漏[28]。油基鉆井液防漏堵漏材料研發(fā)難度大,原因在于無法解決堵漏材料在油相中的分散性與在漏層駐留能力之間的矛盾:一方面,堵漏材料應(yīng)在油基鉆井液中具有良好分散性,因此一般含有大量親油基團(tuán);另一方面,油基鉆井液進(jìn)入漏層后會(huì)將巖石表面轉(zhuǎn)變?yōu)橛蜐裥?從而造成堵漏材料與油濕性的漏失壁面間結(jié)合力很弱,主要原因在于親油性的非極性環(huán)境中堵漏材料與漏失壁面間難以形成氫鍵、離子鍵等強(qiáng)非共價(jià)鍵或/與共價(jià)鍵,所以無法在漏層中“停得住”,更無法承壓。鄧正強(qiáng)、蔣官澄等[30]以丙烯酰胺(AM)和2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)為主要成分,制備了一種凝膠微球堵漏劑,在200 ℃以下具有較好封堵效果。孫金聲等[31]以乙烯基芳族嵌段共聚物、乙烯基苯交聯(lián)劑為主要成分,研發(fā)了一種適用于油基鉆井液的可控膨脹凝膠堵漏劑,并建立了“剛?cè)釁f(xié)同”復(fù)合橋接承壓堵漏技術(shù)。該油基堵漏體系抗溫200 ℃,對于縫寬小于5 mm裂縫的承壓封堵能力達(dá)到13 MPa;與國外同類油基堵漏體系(AmeriWest公司SUPE PLUG)相比,同等條件下抗溫能力提高20 ℃,承壓封堵能力提高了18%。2021年,“剛?cè)釁f(xié)同”復(fù)合橋接油基堵漏技術(shù)在長慶油田華H90-3井成功應(yīng)用,解決了長裸眼水平段多點(diǎn)漏失技術(shù)難題,水平段長度達(dá)到5 060 m,刷新亞洲陸上水平井最長水平段紀(jì)錄。

2.3 超高溫油基鉆井液技術(shù)

近些年來,隨著國內(nèi)外油氣資源勘探開發(fā)的不斷深入,深井、超深井?dāng)?shù)量逐漸增加,井底溫度上限也不斷刷新(如大慶松遼盆地古龍1井井深超6 300 m,井底溫度達(dá)260 ℃),鉆井液抗溫能力不足已成為限制深層油氣勘探開發(fā)的“卡脖子”技術(shù),是亟需解決的重大技術(shù)難題。在高溫條件甚至超高溫條件(大于260 ℃)下,造成油基鉆井液性能惡化的主要原因是關(guān)鍵處理劑(尤其是乳化劑)失效[32]。油基鉆井液的基礎(chǔ)是利用乳化劑形成相對穩(wěn)定的油包水乳狀液,該乳狀液本質(zhì)上屬于熱力學(xué)動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定體系,在高溫環(huán)境下,維持乳液穩(wěn)定會(huì)變得更加困難[33]。一方面,乳化劑在高溫條件下發(fā)生分解(如極性官能團(tuán)發(fā)生水解,非極性官能團(tuán)斷裂),造成鉆井液乳化穩(wěn)定性變差、性能惡化。另一方面,高溫造成部分乳化劑在油水界面發(fā)生解吸附,同時(shí)乳液液滴會(huì)發(fā)生劇烈的布朗運(yùn)動(dòng),使得油水界面膜變薄或者破裂,導(dǎo)致鉆井液破乳。對油基鉆井液來說,采用提高水基鉆井液處理劑抗溫性的方法的效果很有限,難以滿足未來300 ℃超高溫條件需求。綜合來說,超高溫油基鉆井液技術(shù)的關(guān)鍵在于抗高溫處理劑的研發(fā)。目前,蔣官澄等[35]以妥爾油脂肪酸和馬來酸酐為主要原料合成了一種油基鉆井液抗高溫主乳化劑 HT-MUL和輔乳化劑HT-WET,以此為核心構(gòu)建了一套抗高溫油基鉆井液體系,該體系在威204H5平臺(tái)頁巖氣開發(fā)井取得了成功試驗(yàn)并得到大規(guī)模推廣應(yīng)用。MI-SWACO公司以無胺基乳化劑為核心,結(jié)合高性能抗溫有機(jī)土、改性單寧混合型抗高溫降濾失劑、無胺基乳化劑等構(gòu)成了超高溫高壓油基鉆井液體系UHTHP[36],室內(nèi)評價(jià)結(jié)果表明,該體系可在300 ℃高溫下保持優(yōu)異的流變性、乳液穩(wěn)定性和濾失性,并在泰國成功應(yīng)用。

2.4 高溫高密度無土相油基鉆井液技術(shù)

有機(jī)土是由親水的膨潤土與季銨鹽類陽離子表面活性劑發(fā)生相互作用后制成的親油黏土,一直是油基鉆井液中不可或缺的增黏提切材料。然而大量使用有機(jī)土?xí)斐奢^高的當(dāng)量循環(huán)密度,容易引發(fā)井漏等復(fù)雜事故;機(jī)械鉆速偏低;高溫循環(huán)后會(huì)導(dǎo)致體系增稠,不利于流變性調(diào)控;高溫條件下因表面活性劑分解等原因,有機(jī)土片層所構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生崩解,造成高溫條件下井眼清潔和固相懸浮能力不足[37]。針對這一難題,研究人員發(fā)展出了無土相油基鉆井液技術(shù),該鉆井液與傳統(tǒng)油包水乳化鉆井液相比,采用提切劑代替有機(jī)土,具有獨(dú)特的“脆性凝膠”流變特性以及機(jī)械鉆速高、抗水侵性能強(qiáng)、濾餅薄、滲透率恢復(fù)值極高等優(yōu)點(diǎn)。目前大多數(shù)油基鉆井液用提切劑都為油溶性聚合物,這些提切劑的極性基團(tuán)在分子中所占比例較低,且連續(xù)相為非極性環(huán)境,所以油溶性聚合物膠凝能力較弱,不適用于高壓地層。因此提升提切劑的膠凝能力成為研發(fā)高溫高密度無土相油基鉆井液的關(guān)鍵。蔣官澄等[38]將胺基極性基團(tuán)接枝到脂肪酸衍生物主鏈上,形成了一種超分子提切劑HBL,可以通過氫鍵作用增強(qiáng)乳液中分散液滴之間的相互作用,形成凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),從而代替有機(jī)土實(shí)現(xiàn)油基鉆井液體系的增黏提切(圖3)。在此基礎(chǔ)上配合自研高性能抗高溫主輔乳化劑、聚合物降濾失劑、納米封堵劑等核心處理劑,形成一套抗溫240 ℃、密度達(dá)2.7 g/cm3的高溫高密度無土相油基鉆井液技術(shù),溫度和密度上限分別高于哈里伯頓30%和35%。該體系于2018年在新疆南緣齊古5井取得了成功試驗(yàn)并推廣應(yīng)用。之后Baroid公司也研發(fā)了環(huán)保型礦物油基無土相鉆井液體系INNOVERTTM,它是以液體石蠟油和精煉礦物油的混合物作為連續(xù)相,以油溶聚合物為增黏提切材料,在此基礎(chǔ)上形成抗溫達(dá)232 ℃的無土相油基鉆井液,可用于海洋、大陸架及陸地鉆井。

圖3 提切劑HBL及其作用機(jī)制

2.5 恒流變油基鉆井液技術(shù)

深水鉆進(jìn)過程中,鉆井液面臨諸多挑戰(zhàn),如泥線溫度低而井底溫度高、鉆井液流變性難于調(diào)控、重晶石沉降、當(dāng)量循環(huán)密度(ECD)變化大、容易引起井壁失穩(wěn)及井下漏失等復(fù)雜情況[39]。油基鉆井液具備優(yōu)良的抑制性和井壁穩(wěn)定性,但其流變性受溫度影響大,在深水低溫環(huán)境下會(huì)劇烈增稠,導(dǎo)致當(dāng)量循環(huán)密度大幅增加,在窄安全密度窗口井段易引發(fā)井漏、井塌事故[40]。因此弱化鉆井液黏度、切力對溫度的敏感性,使其流變參數(shù)在一定溫度范圍內(nèi)基本保持恒定是解決該難題的關(guān)鍵[41],從而發(fā)展了恒流變鉆井液技術(shù)。恒流變特性可通過兩種方式實(shí)現(xiàn):一是有機(jī)土顆粒的低溫弱增黏作用和溫敏性聚合物分子鏈的高溫伸展增黏作用相互配合,降低體系黏度、切力對溫度的敏感性;二是用有機(jī)土配合流型調(diào)節(jié)劑形成強(qiáng)度隨溫度改變而變化的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),降低體系黏度對溫度的敏感性[42]。綜合來說,深水恒流變合成基鉆井液技術(shù)發(fā)展比較成熟,而且進(jìn)行了廣泛應(yīng)用,但目前恒流變機(jī)制還沒有統(tǒng)一的理論解釋,需要進(jìn)一步研究,降低實(shí)現(xiàn)恒流變的難度、擴(kuò)大恒流變溫度范圍;目前研究恒流變的溫度下限約為4 ℃、溫度上限約為180 ℃,無法或難以實(shí)現(xiàn)特低溫或高溫條件下的恒流變特性,影響低溫高壓及高溫高壓條件下鉆井液流變性、沉降穩(wěn)定性等。蔣官澄等[43]建立一套密度為1.2 g/cm3的生物柴油基恒流變鉆井液體系,該體系環(huán)保性能優(yōu)良,可在2～90 ℃條件下保持恒流變性,并可抗5%的海水和10%的頁巖屑污染。中海油田服務(wù)股份有限公司(COSL)的FLAT-PRO[44]適用溫度范圍達(dá)到 3～180 ℃(表1),超越當(dāng)前國際同類技術(shù)。

表1 深水恒流變合成基鉆井液FLAT-PRO體系鉆井液性能

2.6 環(huán)保型高效能油基鉆井液技術(shù)

近年來隨著全球超深水油氣勘探的不斷進(jìn)行,全球重大油氣發(fā)現(xiàn)的70%來自水深超過1 000 m的水域,而這些油氣資源幾乎都埋藏在國家一級(jí)海洋保護(hù)區(qū)內(nèi),這也對鉆井液的環(huán)保性能提出了更加嚴(yán)格的要求[45]。目前油基鉆井液一般用白油或氣制油作為基礎(chǔ)油,但白油仍存在芳烴含量較高,環(huán)境保護(hù)性差等問題;氣制油合成基鉆井液[46]盡管對環(huán)境的毒副作用較小,但也存在基礎(chǔ)油成本較高、乳化和提切困難、在高溫下容易稠化等問題,難以同時(shí)兼顧環(huán)保性和高效能。此外,油基鉆井液的性能不僅取決于基礎(chǔ)油,更取決于基礎(chǔ)油與有機(jī)土、乳化劑、降濾失劑等關(guān)鍵處理劑的協(xié)同作用[47],因此研發(fā)各類環(huán)保型基礎(chǔ)油的配套處理劑對于環(huán)保型高效能鉆井液是非常重要的。綜合來說,環(huán)保型高效能油基鉆井液技術(shù)的重點(diǎn)在于研發(fā)可徹底降解且降解產(chǎn)物無毒無害的基礎(chǔ)油以及對自然環(huán)境無污染、對生態(tài)系統(tǒng)無破壞的配套系列處理劑;技術(shù)難點(diǎn)主要在于,如何解決基礎(chǔ)油和處理劑既能在溫和的自然環(huán)境下可降解、無毒等環(huán)保性能,又能在高溫、高壓等嚴(yán)苛的地層條件下維持鉆井液性能穩(wěn)定的矛盾。目前,環(huán)保型基礎(chǔ)油的研究主要集中在地溝油、棕櫚油、菜籽油、大豆油等生物類柴油,蔣官澄等[43]優(yōu)選原材料制備成本低、環(huán)保性好的大豆油乙酯生物柴油作為基礎(chǔ)油(表2),配合改性有機(jī)土和環(huán)保型流型調(diào)節(jié)劑,研發(fā)出了環(huán)保性能優(yōu)良的生物柴油基鉆井液體系。相關(guān)處理劑的研發(fā)主要包括淀粉,纖維素、木質(zhì)素、腐殖酸等天然材料的改性以及與各類基礎(chǔ)油適配的相關(guān)處理劑,徐加放等[48]通過腐殖酸改性合成了一種棕櫚油基鉆井液降濾失劑FLA,表現(xiàn)出良好的降濾失效果,生物毒性評價(jià)結(jié)果表明, 棕櫚油基鉆井液對鹵蟲幼體的半致死濃度為35 520 mg/L, 符合一級(jí)海區(qū)和二級(jí)海區(qū)生物毒性要求。

表2 自制生物柴油與Escaid110的生物毒性

2.7 廢棄油基鉆井液無害化處理技術(shù)

鉆井廢棄物主要由廢棄鉆井液、含油鉆屑等組成。其中,廢棄鉆井液包含大量的基礎(chǔ)油、地層原油和各種化學(xué)處理劑以及重金屬類(如銅、汞、鎘、鋅、鉛、鋇等) 物質(zhì),具有高pH值、高COD(化學(xué)需氧量)、高含油量等特點(diǎn)[49];含油鉆屑中存在大量的油及各種烴類物質(zhì),鉆井液中的化學(xué)物質(zhì),直接排放會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。目前廢棄油基鉆井液、含油鉆屑的處理方法,可以概括為:回注法、填埋法、微生物修復(fù)法、熱蒸餾法、微波加熱、化學(xué)破乳法以及超臨界流體萃取法等[50](表3),其中微波加熱技術(shù)與焚燒或常規(guī)熱解等既定技術(shù)相比,具有更高的可持續(xù)性和有效性,超臨界流體萃取技術(shù)具有較好的萃取效果,除油率可超過98%。綜合來說,如何實(shí)現(xiàn)鉆井液無害化處理和油相資源回收是廢棄鉆井液處理的主要問題,評價(jià)主要指標(biāo)為廢棄物含油率、油相回收率和處理成本等。目前鉆屑的綜合利用主要集中在鋪路和作為建筑材料等方面,仍存在處理成本高、處理后的產(chǎn)品品質(zhì)低、不能高效利用廢棄鉆屑等缺點(diǎn)。廢棄物除油方面,謝水祥等[51]以新型清油劑和無害化處理藥劑為核心,形成了一套廢棄油基鉆井液資源回收與無害化處置技術(shù),其廢棄油回收率可達(dá) 90% 以上,現(xiàn)場應(yīng)用效果良好。董騰飛、蔣官澄等[52]首次將光催化技術(shù)引入到鉆井廢棄物處理中,合成了一種Bi/BiOBr0.5Cl0.5光催化材料,具有良好的光催化降解效率,對聚合物的COD去除率大于80%。

表3 廢棄油基鉆井液處理技術(shù)

2.8 提高固井質(zhì)量型油基鉆井液技術(shù)

在油基鉆井液鉆井過程中,由于潤濕劑和乳化劑的共同作用,使井壁巖石和套管表面具有良好的親油性,而固井水泥漿是親水性工作液,兩者相容性差,造成固井過程中水泥漿頂替效率低并且無法有效清洗井壁和套管、濾餅難以清除、水泥環(huán)難以與第二界面形成良好膠結(jié),嚴(yán)重影響固井質(zhì)量[54]。為此研究人員在油基鉆井液濾餅解除技術(shù)、油基鉆井液固井清洗技術(shù)[55]、可逆乳化鉆井液技術(shù)等方面展開了大量研究,其中可逆乳化鉆井液可在油包水乳化鉆井液與水包油乳化鉆井液之間按需切換(圖4),兼顧油基鉆井液在鉆井階段的優(yōu)異性能和水基鉆井液在固完井階段的易清洗優(yōu)勢,可較好解決油基鉆井液固井質(zhì)量低,含油巖屑難處理等技術(shù)難題。目前可逆乳化鉆井液技術(shù)主要存在響應(yīng)速率較為緩慢、乳液穩(wěn)定性差、抗溫能力不強(qiáng)等缺點(diǎn),以及乳狀液轉(zhuǎn)變的機(jī)制和影響因素還有待深入研究。王國帥等[56]以1-溴代長鏈烷烴和二乙醇胺為原料,合成了一種pH響應(yīng)可逆轉(zhuǎn)乳化劑RE-HT,可逆乳化鉆井液的濾餅清除率達(dá)98.98%(表4),巖屑含油量低于1%,EC50為 2.05×105mg/L。任妍君等[57]通過室內(nèi)巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)、接觸角測量、紅外光譜分析研究了不同 pH 清洗條件下可逆乳化油基鉆井液對硅酸鹽巖潤濕性、滲透性的影響規(guī)律,提出了關(guān)于可逆乳化鉆井液儲(chǔ)集層損害特性和機(jī)制,以及“先酸后堿”的井眼清洗方法。MI-SWACO公司研發(fā)的可逆乳化油基鉆井液體系FAZEPRO,經(jīng)現(xiàn)場應(yīng)用顯示出良好的濾餅易被酸洗清除的優(yōu)勢,可有效提高固井質(zhì)量。

表4 常規(guī)油基鉆井液和可逆乳化鉆井液濾餅清除率

圖4 pH響應(yīng)型可逆乳化鉆井液相轉(zhuǎn)變機(jī)制[58]

2.9 油基鉆井液微細(xì)顆粒清除技術(shù)

鉆井過程中因鉆井液抑制與包被性差、重復(fù)破巖、固控不良等原因,其內(nèi)部劣質(zhì)黏土、巖屑微細(xì)顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)不斷增加,最高可達(dá)50%。這些微細(xì)顆粒處于納米—微米區(qū)間(幾百納米至幾十微米),會(huì)極大地增加鉆井液內(nèi)摩擦,造成塑性黏度大、濾餅厚、機(jī)械鉆速低等不良影響。水基鉆井液中常使用抑制劑抑制劣質(zhì)黏土水化分散,以及使用聚合物包被劑包覆、聚集細(xì)顆粒而增大尺寸至被固控設(shè)備篩除的方法清除劣質(zhì)固相,技術(shù)已十分成熟,但對油基鉆井液的劣質(zhì)固相清除一直難以實(shí)現(xiàn),導(dǎo)致常出現(xiàn)油基鉆井液“越用越稠”至報(bào)廢且廢棄后難以回收再利用難題,極大增加鉆井成本以及廢棄鉆井液排放量。綜合看,油基鉆井液劣質(zhì)固相清除的難點(diǎn)在于如何在油相環(huán)境中實(shí)現(xiàn)處理劑與已被充分乳化分散的劣質(zhì)固相間的強(qiáng)吸附力,即如何將劣質(zhì)固相“拉到一起”。目前,孫金聲團(tuán)隊(duì)率先研發(fā)了雙親性油溶性聚合物,實(shí)現(xiàn)了對油基鉆井液劣質(zhì)固相的高效且選擇性絮凝,廢棄鉆井液經(jīng)絮凝、離心處理后重新配制可達(dá)到接近新鉆井液的性能水平[59];景岷嘉等[60]使用雙十六烷基二甲基氯化銨絮凝油基鉆井液劣質(zhì)固相,經(jīng)振動(dòng)篩后最高可去除20%(圖5)。國外尚未見同類技術(shù)報(bào)道。

圖5 固相含量及固相清除率隨絮凝劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化

2.10 油基鉆井液井眼凈化技術(shù)

良好的懸浮和攜帶能力是防止固相沉降、保持井眼清潔,實(shí)現(xiàn)安全高效鉆井的前提[61]。根據(jù)“流體容易攜帶潤濕相固相,使其隨著潤濕相流體運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)”的原理,油基鉆井液更容易攜帶油濕性固相,而一般巖屑和重晶石顆粒表面屬于親水性,因此較之水基鉆井液,油基鉆井液的懸浮穩(wěn)定性與井眼凈化能力不足等問題更加突出。另外,油基鉆井液廣泛應(yīng)用于水平井、大斜度井等復(fù)雜結(jié)構(gòu)井,受其井型限制容易出現(xiàn)起下鉆遇阻、卡鉆等復(fù)雜事故,如在長段水平井施工中,巖屑在上返過程中趨向于沉向井壁下側(cè),易形成“巖屑床”。針對這一問題,一方面,通過添加潤濕劑來阻止重晶石、巖屑等親水性固相顆粒團(tuán)聚、聚沉,但往往會(huì)增加井壁巖石的親油性,增大地層巖石對油相的毛細(xì)管吸力,破壞井壁穩(wěn)定性以及造成儲(chǔ)層傷害。另一方面,可通過添加增黏提切材料(如有機(jī)土)增加油基鉆井液切力,但往往會(huì)大幅增加塑性黏度,造成鉆速降低、開泵困難、甚至可能會(huì)誘發(fā)地層漏失。綜合來看,油基鉆井液井眼凈化能力不足的關(guān)鍵在于無法兼顧“低塑性黏度和高切力”。黃賢斌等[62]合成了一種抗高溫油基鉆井液潤濕劑,可在200 ℃以下有效提高重晶石的潤濕性。孫金聲等[63]利用二聚脂肪酸與二乙醇胺反應(yīng),制備了一種適用于油基鉆井液的提切劑即低聚物RM,該提切劑通過氫鍵作用增強(qiáng)了乳液中液滴-液滴、液滴-顆粒、顆粒-顆粒之間的作用力,在鉆井液中構(gòu)建了由弱相互作用連接的三維網(wǎng)架結(jié)構(gòu),從而增強(qiáng)了乳液的凝膠結(jié)構(gòu),起到了提切和穩(wěn)定乳液的作用,該提切劑在不增加塑性黏度的情況下,有效提高油基鉆井液攜巖能力(表5)。

2.11 低密度油基鉆井液技術(shù)

在地層壓力系數(shù)低、微裂縫發(fā)育豐富、強(qiáng)水敏等地層鉆井過程,以及中后期老油田的修井作業(yè)中,常規(guī)油基鉆井液難以同時(shí)滿足低密度、封堵能力和抑制性等要求,容易出現(xiàn)嚴(yán)重漏失,地層坍塌等井下復(fù)雜問題,為此,發(fā)展出了低密度油基鉆井液技術(shù),即油基泡沫鉆井液技術(shù)。油基泡沫鉆井液是在連續(xù)相中加入發(fā)泡劑、穩(wěn)泡劑等處理劑,通過物理-化學(xué)作用形成具有一定粒徑和壁厚,內(nèi)部似氣囊,外部為保護(hù)性外殼,分散在連續(xù)相中形成穩(wěn)定的氣-液體系[64]。油基微泡內(nèi)部的表活劑膜是由黏性的水層包裹,外層為表面活性劑層[65](油基微泡基本結(jié)構(gòu)如圖6所示)。油基泡沫形成主要是由于發(fā)泡劑具有低表面能的疏油基和親油基,能降低油基液的表面張力,從而形成油基泡沫。與水基泡沫鉆井液相比,油基泡沫鉆井液因基礎(chǔ)油本身表面張力很低,繼續(xù)降低其表面張力難度遠(yuǎn)大于水基泡沫鉆井液。目前,雖然水基微泡沫體系的穩(wěn)泡劑等相關(guān)處理劑研究較為成熟,但對于油基微泡沫鉆井液處理劑研究較少,并且油基微泡沫鉆井液發(fā)泡劑的成本較高,一定程度上限制了油基泡沫鉆井液的應(yīng)用。綜合來看,油基泡沫鉆井液的難點(diǎn)主要在于油基泡沫鉆井液抗溫能力不足,膜強(qiáng)度低。楊鵬等[66]研制的油基可循環(huán)微泡沫鉆井液,抗溫可達(dá)到150 ℃、防塌抑制性強(qiáng),具有良好的應(yīng)用前景。

圖6 油基微泡基本結(jié)構(gòu)

2.12 低溫油基鉆井液技術(shù)

南極等極地地區(qū),蘊(yùn)藏著無數(shù)的科學(xué)之謎和豐富的資源。據(jù)估計(jì),目前南極地區(qū)石油儲(chǔ)量約為(7.95～15.90)×109 m3,天然氣儲(chǔ)量約為(3～5)×1012m3。鉆井液作為鉆井工程的“血液”,直接決定著極地鉆井的成功與否。因?yàn)闃O地地區(qū)地表平均氣溫低(-60～-50 ℃),地層復(fù)雜(自上而下分為雪層、冰層和巖層),地層溫度變化大(-55～-2 ℃)等特點(diǎn),對鉆井液的性能提出了巨大的挑戰(zhàn)。在南極等極地環(huán)境下鉆井,要求低溫鉆井液的凝固點(diǎn)不僅應(yīng)低于井眼中的最低溫度,而且應(yīng)低于鉆井棚(通常為儲(chǔ)存鉆井液的地方)外的空氣溫度,因此鉆井液的凝固點(diǎn)至少應(yīng)低于-55 ℃。此外因極地環(huán)境脆弱,承載能力低,生態(tài)系統(tǒng)敏感等特殊因素,要求低溫鉆井液具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性和優(yōu)異的環(huán)保特性(低溫鉆井液主要性能如表6 所示)。極地地區(qū)鉆井面臨的技術(shù)難題主要包括:在鉆遇雪層過程中,因雪層滲透性大,極易造成井漏、卡鉆等問題;冰層易發(fā)生蠕變,安全密度窗口窄,暖冰層易出現(xiàn)冰屑聚集卡鉆;冰下巖層鉆井過程中易出現(xiàn)凍土融化,造成井壁坍塌等[67]。目前低溫鉆井液經(jīng)過多年的發(fā)展取得了一定的進(jìn)展,研發(fā)了低溫石油基鉆井液、乙醇和乙二醇類鉆井液、酯類鉆井液和硅油類鉆井液,但總體來說,低溫鉆井液體系的構(gòu)建和性能調(diào)控方法尚處于起步階段,其配制與施工工藝等還未形成統(tǒng)一的規(guī)范。

表6 低溫鉆井液主要性能

2.13 低熒光或無熒光油基鉆井液技術(shù)

熒光檢測是利用石油具有熒光性研發(fā)的一種尋找油氣顯示的方法,是石油勘探開發(fā)中初步尋找油氣顯示層段的最簡便、直觀的有效方法之一[68],但鉆井液處理劑的熒光會(huì)影響氣測錄井和常規(guī)熒光錄井的分析結(jié)果,增大發(fā)現(xiàn)油氣顯示和評價(jià)儲(chǔ)集層的難度。鉆井液處理劑具有熒光的主要原因是含有芳香烴和共軛烯烴或具備剛性結(jié)構(gòu)、平面結(jié)構(gòu)等電子共軛體系。鉆井液處理劑對油氣識(shí)別的影響主要為2個(gè)方面:處理劑本身具有熒光屬性,它直接對巖屑、井壁等產(chǎn)生污染,誤導(dǎo)熒光錄井對于油氣的現(xiàn)場識(shí)別;處理劑是原油制品,它不僅具備熒光屬性,同時(shí)具有烴類物質(zhì)屬性,在地化檢測中,也能表現(xiàn)出原油的部分地化特征,從而誤導(dǎo)現(xiàn)場對于原油性質(zhì)的判斷[69]。目前,由于對熒光機(jī)制的認(rèn)識(shí)存在不足之處,對于熒光檢測方法行業(yè)內(nèi)沒有形成較為統(tǒng)一的評價(jià)方法,導(dǎo)致評價(jià)結(jié)果差異性較大,也限制相關(guān)處理劑的研發(fā)。根據(jù)“相似相溶”原理,油基鉆井液處理劑大多含有芳香烴或共軛烯烴等結(jié)構(gòu),因此研發(fā)“絕對無熒光”處理劑的難度較大。

3 結(jié)論與建議

經(jīng)過幾十年的發(fā)展,中國油基鉆井液技術(shù)已基本滿足各種復(fù)雜條件下現(xiàn)代鉆井的需要,但面對“老、非、低、深、極地”等難動(dòng)用油氣資源的勘探開發(fā),現(xiàn)有技術(shù)仍存在一定差距,如超高溫油基鉆井液、環(huán)保型油基鉆井液、可逆乳化油基鉆井液、低溫油基鉆井液,仍不太成熟;在防漏堵漏、劣質(zhì)固相清除、鉆井廢棄物處理、低熒光處理劑的研發(fā)、油基泡沫鉆井液技術(shù)等方面,也存在許多不足。結(jié)合現(xiàn)場實(shí)踐可以看出,今后鉆井液的發(fā)展方向是圍繞“安全、高效、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、智能”鉆井的目標(biāo)要求,重點(diǎn)解決以下問題:如何解決油基鉆井液井壁穩(wěn)定與抗溫能力不足,如何解決油基鉆井液巖屑攜帶困難、井眼凈化不徹底等問題。為此建議從以下幾個(gè)方面開展研究:

(1)針對油基鉆井液井壁失穩(wěn)難題,建議研發(fā)適合油基鉆井液的“固壁劑”,提高巖石顆粒間內(nèi)聚力和井壁巖石強(qiáng)度,建立井眼強(qiáng)化型油基鉆井液體系。

(2)針對油基鉆井液井漏這一重大技術(shù)難題,研發(fā)油基鉆井液配套的系列防漏堵漏材料并建立油基鉆井液隨鉆、停鉆堵漏技術(shù)。

(3)針對油基鉆井液中劣質(zhì)固相難以清除這一難題,建議研發(fā)Gemini型油溶性聚合物等具特殊分子結(jié)構(gòu)的絮凝劑,增大絮凝效率并減弱對油基鉆井液乳化穩(wěn)定性的負(fù)面影響。

(4)針對油基鉆井液巖屑攜帶困難,井眼凈化不徹底這一難題,建議研發(fā)油基鉆井液用攜屑劑,提高固相懸浮穩(wěn)定性和井眼清潔度,輔助解決懸浮、攜帶與井眼凈化難題。

(5)針對油基鉆井液抗溫能力不足難題,研發(fā)抗極高溫度的乳化劑,大幅提高油基鉆井液的抗溫能力。

(6)開展生物質(zhì)合成基液和綠色油基鉆井液處理劑應(yīng)用研究。

(7)針對廢棄油基鉆井液無害化處理,建議采取光催化和微生物協(xié)同降解原理,在一定條件下,將廢棄油基鉆井液降解為對自然界動(dòng)植物有利的成分,從而促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)。

綜上,雖然中國油基鉆井液研究起步晚,整體水平與國外相比仍有一定差距,但在某些方面已達(dá)到國際先進(jìn)甚至領(lǐng)先水平,如劣質(zhì)固相清除技術(shù)、無土相油基鉆井液技術(shù)等。隨著鉆井地層情況逐漸變得異常復(fù)雜和環(huán)保要求異常苛刻,不僅國內(nèi)技術(shù)難以滿足要求、國外先進(jìn)油基鉆井液技術(shù)也“水土不服”,必須引入其他學(xué)科的前沿基礎(chǔ)理論,如仿生學(xué)、超分子化學(xué)、微生物學(xué)、人工智能、大數(shù)據(jù)等,發(fā)展具有“安全、高效、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、智能”特點(diǎn)的高效能油基鉆井液新理論和新技術(shù),實(shí)現(xiàn)從高性能向高效能的轉(zhuǎn)變、水基和油基鉆井液的優(yōu)點(diǎn)融為一體、油氣鉆井與環(huán)境保護(hù)的協(xié)調(diào)發(fā)展,并實(shí)現(xiàn)油基鉆井液技術(shù)向智能化發(fā)展的革命性進(jìn)步。