强抑制性强润滑性仿油基钻井液研究进展

曾佳

(长江大学工程技术学院，湖北 荆州 434020)

在钻遇复杂地层时，井壁黏土层长时间与钻井液接触，极易引起黏土层吸水膨胀，导致卡钻、井壁坍塌等事故。油基钻井液具有超强的抑制性、抗污染性、耐温性和润滑性，但是钻井结束后引起的安全环保、含油钻屑处理等问题一直困扰着石油工作人员[1-7]。因此研究学者们尝试平衡油基钻井液的优缺点，在保障油基钻井液的基本性能前提下，开发出强抑制性强润滑性仿油基钻井液(以下简称POBM)。本文对一系列技术已经比较成熟的POBM展开综述，旨在了解各种POBM的作用机理，促进POBM体系的设计、改良，最大限度地实现高效、安全、环保钻井。

1 POBM及其作用机理

POBM这个概念最早出现在20世纪80年代，与通常所提的低毒钻井液、环保型钻井液、强抑制性钻井液不同的是，POBM特指抑制性、润滑性、流变性等综合性能媲美油基钻井液的一类钻井液[8-10]，简单来讲就是通过在水基钻井液中添加关键处理剂，形成的一种各项性能比拟油基钻井液的一种钻井液体系。

油基钻井液的发展历程始终贯穿有保护环境的因素，其中POBM综合性能赶超油基钻井液，更重要的是POBM不需要基础油作为连续相，能从根源上解决油基钻井液的生物毒性、环保、含油钻屑处理等问题[11]。陆地POBM比海上POBM早，另一方面海水环境及海上钻井平台限制了海上POBM的发展[12]，相关报道比较少。因此主要综述的是一系列技术已经比较成熟的陆地POBM。

1.1 聚合醇POBM

油田早期大都使用聚合醇钻井液代替油基钻井液，尤其在盐膏层和页岩地层中使用效果更佳，常用的聚合醇主要是聚乙二醇和聚乙烯二醇，其优异的抑制性和润滑性主要有两方面。

浊点效应：聚合醇作为非离子型表面活性剂具有浊点，其浊点为76 ℃。当聚合醇进入近井地带，聚合醇完全溶解于液相，增加钻井液的润滑性，降低近井地带摩擦阻力[13]。随着钻井垂深增加，地层温度逐渐升高，当地层温度超过76 ℃时，聚合醇由完全溶解状态转变为部分溶解状态，析出的聚合醇微粒吸附在黏土层表面的微孔中，封堵地层孔隙，从而抑制黏土水化膨胀。当钻井液返排回地面时，地面温度一般低于76 ℃，微粒聚合醇又会重新融入钻井液，既不会堵塞振动筛筛网，还能实现重复利用。

竞吸附作用：聚合醇容易与黏土形成氢键，超强稳定性氢键吸附在黏土颗粒表面，抢占了水的吸附面积，聚合醇与水形成一种竞争吸附关系，在很大程度上杜绝了水与黏土反应[14-15]。许多资料表明，当温度高于浊点时，附着在井壁的聚合醇浓度增加，竞吸附作用效果越明显。两者表现出协同效应，共同稳定井壁以及润滑钻具。

川西F38-P3、F38-P6两口页岩气井水平段地层是横向裂缝发育为主的泥页岩，主要产气层埋藏深、泥页岩稳定性差、对激动压力比较敏感。为了解决上述问题，冷朝君[16]采用2%聚合醇+5%搬土浆+0.5%NW-1+3%HA+2%FT-1+1%NPAN+0.2%包被剂+0.5%AP-1+0.3%PAC-HV强抑制性仿油基钻井液钻进。实钻情况表明两口井二开机械钻速超过6 m/h，动塑比均在0.2～0.5之间，滤失量<3 mL，塑性黏度不超过30 mPa·s，流变性比较规律容易调控。反排回井口的钻井液润滑系数在0.02～0.05之间，固相含量不超过20%，含砂量不超过1%，表明聚合醇钻井液抑制了泥页岩的稳定性差的问题，以及降低了钻进摩阻提高了机械钻速，应用效果良好。

蒋巍[17]为解决深水地层井壁稳定性差以及钻井液与海水配伍性差的问题，研制出一种海上聚合醇硅酸钠仿油基钻井液体系。配方为：现场海水+5.0%膨润土+5.0%碳酸钠+0.4%PAC+0.7%HA树脂+3.0%Na2SiO3+5.0%聚乙二醇。流变性测试结果表明，聚乙二醇的加入会使钻井液增稠，但是失水量有所减少，页岩滚动回收率有所增加，最大能达到88%的滚动回收率，泥饼致密且均匀，平均厚度约为0.5 mm。80 ℃条件下热滚16 h，测试钻井液浸泡后的页岩膨胀高度，数据显示页岩膨胀高度仅为0.44 mm。抗污染性能评价表明，0.2%，0.4%，0.6%，0.8%的CaCl2对钻井液流变性影响不大，钻井液沉降稳定性良好，比较适合海上平台钻井。

随着钻井深度加深，地层条件愈加复杂，单一主链的聚合醇POBM难以满足日益复杂的钻井工况需求[18]，因此研究学者们通过在聚合醇主链上引入不同功能性支链，例如聚醚醇、丙三醇、季戊四醇、胺基硅醇，制得多元聚合醇POBM。这些多元聚合醇POBM都已经实现了现场应用且效果显著，总的来说聚合醇POBM是目前使用效果比较优异的POBM体系。

1.2 甲基葡萄糖甙POBM

甲基葡萄糖甙(MEG)是聚糖类高分子物质，有两种同分异构体，都为环式单体。以MEG为主要添加剂的钻井液，具有良好的抑制黏土水化膨胀的性能。Teixeira[19]提出MEG分子进入地层后，四个亲水性羟基吸附在黏土表面，一个亲油性甲氧基指向外侧，可以在井壁上形成一层疏水性半透膜，抑制水分穿梭井壁，从而抑制黏土水化膨胀。Natsi等[20]也展开了MEG钻井液的研究，提出MEG分子中的羟基可以与水分子形成氢键，牢牢锁住黏土中的水分。最后，国内的梁燕[21]提出疏水性半透膜两侧存在渗透压，提高MEG溶液的浓度，抑制效果越好，进一步补充完善了MEG钻井液的作用机制。

Alef等[22]在墨西哥湾近海区域，水敏性页岩地层中采用MEG无机盐钻井液的现场试验，钻井液中MEG液相组分为：80.2%MEG+17.49%水+1.75%氯化钠+0.55%无机盐+0.01%乙酸。120 ℃ 条件下测其基本性能，测得MEG钻井液塑性黏度为17 cP、θ6读数为71 b/100 ft2，浆体稳定且流变性良好。HTHP为1.0 mL、井内无垮塌掉块、岩屑滚动回收率高、LC50值超过10 000 mg/L，表明MEG钻井液具有良好的滤失性和抑制性，且生物毒性低。

辽河油田进入油田开发中后期，已经开始采用水平井开采薄油层，为解决薄油层水平井安全快速钻进问题，王希芹[23]室内通过大量筛选实验总结出MEG仿油基钻井液经典配方：5%基浆+1%稀释剂+2%复合防塌剂+3%降滤失剂+2%润滑剂+15%～20%MEG+0.1%流型调节剂。通过对比MEG钻井液与两性离子钻井液、甲酸盐钻井液、聚硅氟钻井液、油基钻井液相同测试条件下的基础性能，发现MEG钻井液和油基钻井液流变性明显比其它钻井液优异，动切力是强抑制性甲酸盐钻井液的2倍。MEG钻井液渗透率恢复值比两性离子钻井液高出53.7%，抑制页岩水化能力与油基钻井液相当，但是润滑系数比油基钻井液高出25%，具有优异的抑制与润滑性能。

MEG虽然性能优良，但是基础加量高达20%，成本高昂。为此，Kim[24]向MEG钻井液体系中加入KCl增强其抑制能力，形成KCl-MEG仿油基钻井液。经过加量优选后，确定了MEG的最优加量为4%，该钻井液中岩心2，16 h后线性膨胀率分别为2.564 2%，2.854 3%，热滚16 h后岩屑回收率高达95.04%，与油基钻井液相比，稳定性好、抑制性高、润滑性能强，并且极大缩减了MEG的加量，降低了MEG仿油基体系的配制成本。

1.3 聚胺POBM

氨基阳离子具有较强的稳定性和抑制性，因此聚胺钻井液是近年来POBM钻井液的研究热门[25]。一般在氢气与催化剂共同作用下，聚醚多元醇与液氨临氢胺化生成聚胺，重复单元为端氨基聚醚，在水溶液中，聚胺完全水溶但不水解[26]。随钻井液进入地层后，氨基阳离子极易嵌入黏土表层，吸附黏土表层静电黏土颗粒，降低黏土颗粒间斥力，缩短黏土颗粒间距，形成致密的空间网络结构，抑制水分子运移。另一方面，聚胺分子链上有疏水性C10～C20的烃基，当亲水性氨基嵌入地层后，疏水性烃基指向井筒内部，增强了井壁表面的疏水性，两者共同作用抑制黏土水化[27-29]。

Voitenko等[30]开发出一种强抑制性聚胺水基钻井液HIWBM，该钻井液主要由聚胺抑制剂、黄原胶增粘剂、聚阴离子纤维素降失水剂组成。配方简单，不受水源的限制，可以在淡水、海水、NaCl盐水中达到饱和状态。HIWBM已在墨西哥湾现场应用，与该地区原始使用的合成基钻井液相比，抑制性能优良，没有在钻具组合上发现泥球或者残留岩屑，表明钻出的岩屑封装性好，没有发生水化。96 h LC50值超过40 000 mg/L，完全没有毒性，可直接排放。并且该体系是直接由海水配制，无需废弃物处理设备，减少了作业船的体积，节约了成本，与旋转导向工具配合使用，复合钻进速度提高了85%。Pino[31]室内合成一种强抑制性聚胺抑制剂SD-A，该体系抑制水化作用强，100 min页岩膨胀率仅为3%，岩屑热滚回收率>95%；流动性高，动切力为31.0 Pa，动塑比为1.07，能够有效举升岩屑；极压润滑系数为0.095 05，润滑性能优良，各项性能接近油基钻井液。

以上单组分聚胺抑制体系POBM虽然各项性能接近油基钻井液，但是该体系的强抑制性部分归因于聚胺的高额加量，加量超过了5%。作为外掺处理剂，这种加量显然是不合理的。所以近几年来国内外诸多学者展开复合聚胺协同体系研究，以聚胺为主抑制剂，聚合醇、MEG、铝酸盐为辅抑制剂，研发出一系列低加量、低成本、超强抑制性的复合聚胺协同体系[32-34]。

Liu等[35]研制出聚胺加量为1%聚醇-聚胺POBM，使用页岩膨胀仪测其膨胀率，与不添加聚乙二醇的聚胺POBM相比，页岩膨胀率下降了24%，甲酸钾去离子水中测试岩屑回收率，岩屑回收率提高了3%，达到了99%的岩屑回收率。

Abbas等[36]以0.8%聚胺作为主抑制剂，5%MEG作为辅抑制剂和润滑剂，聚合物类降失水剂为主要材料，制备了聚胺-MEG仿油基钻井液体系，并在川西新页HF-1和HF-2井实现了现场应用。室内100 ℃条件下热滚16 h，测其基本性能，润滑系数为0.090 7，粘附系数为0.088 7，与油基钻井液相当。岩屑滚动回收率达到91.96%，将 MEG的加量降至3%，岩屑滚动回收率仍能达到90.38%，满足水平井对钻井液抑制性的要求。现场应用效果跟踪显示，新页的两口井钻过程中无掉块、无垮塌，井眼尺寸变化率小，没有出现长时间阻卡问题，返排出的钻井液漏流变性良好，泥饼薄且固相含量<5%，抑制性能与润滑性能足以媲美油基钻井液。

Yami[37]发现铝酸盐能够与页岩发生离子交换，生成的氢氧化铝沉淀堵塞页岩孔隙，阻止了钻井液中的游离水渗入地层，从而提高井壁稳定性。基于这一发现，Yami构筑了一套聚胺-铝酸盐仿油基钻井液体系，PPT试验曲线表明，该体系的成膜效率与渗透作用与OBM体系十分相似，可以满足硬脆性微裂缝页岩钻井需求，但是文中没有提及相关处理剂的掺加量，无法确定具体的体系组成。随后Martino[38]采取一系列的压力传递实验、硬度测试、耐崩性测试、防泥包测试、不同盐浓度下的回收率、毒性与渗透率恢复值，综合比较确定了聚胺-铝酸盐仿油基钻井液体系的经典配方，得出聚胺盐合适加量为2%～4%，加量越高，对层间游离水的束缚作用越强；铝酸盐合适加量为1%～2%，加量越高生成的沉淀越多，井壁表面越致密，井壁稳定性越高。

1.4 天然材料提取物POBM

在开发一系列化学合成添加剂的同时，研究学者们也对天然提取物添加剂展开了研究，试图寻求一种最低成本、最佳抑制性和润滑性的POBM体系。到目前为止，已经有一系列提取物用于POBM钻井液。

天然淀粉属于葡萄糖聚合物，类似于MEG本身就可以形成半透膜，而钾离子水化半径极小容易嵌入黏土层。基于钾离子镶嵌机理与淀粉成膜机理的协同作用，长江大学的许明标团队在酸性环境下利用引发剂催化水解淀粉，然后在其葡萄糖环上接枝共聚引入钾离子，制备了FK-1抑制剂[39]。性能评价表明FK-1与水基钻井液处理剂配伍性良好，配制的FK-1仿油基钻井液120 ℃、16 h岩屑回收率高达92.4%，线性膨胀率仅为2.564 2%，润滑系数为0.042 2。结合相关的流变失水性能表明，FK-1仿油基钻井液抑制性远优于聚胺钻井液、合成基钻井液、聚磺钻井液，润滑性能已经非常接近油基钻井液。

Aghil等[40]介绍了一种采用指甲花提取物Lawsone(主要成分为5-羟基-1，4-萘醌、没食子酸、葡萄糖和丹宁)配制的POBM，由于Lawsone中含有大量烯醇，烯醇中的羟基孤对电子与水分子中的氢相结合，在膨润土表面生成氢键，抑制了水分子自由通过膨润土表面，从而抑制膨润土水化。动态线性膨胀实验表明，82 ℃条件下浸泡72 h后，氯化钾溶液中的膨润土膨胀率约65%，Lawsone仅为58%。同时基于膨润土抑制性实验，Aghi还考察了不同浓度指甲花提取物对膨润土溶液的表观黏度、塑料黏度、屈服点和凝胶强度的影响，综合分析发现低含量Lawsone具有一种反絮凝作用，即通过扩散胶体离子双电层增加离子双电层厚度，减少Lawsone钻井液对膨润土颗粒的捕集，宏观上表现为降低钻井液摩擦阻力，提升钻井液的润滑性。

Mehdi[41]考察了红参根提取物Ginsenosides作为POBM添加剂的可行性，Ginsenosides是一种非离子型表面活性剂，外观呈棕色粉末状，可溶于酒精和水。主要提取自人参根茎，富含甾体皂苷或三萜皂苷，分子中富含亲水性羟基和疏水性甲基。水润湿角实验表明，少量红参根提取物钻井液就可以使粘土表面润湿反转，并且这种润湿反转能够长时间保持稳定，含量为0.01，0.02，0.03 g/mL的红参根提取物钻井液，能将页岩滚动回收率分别提升至 81.8%，88.7%，93.55%。机理分析上认为Ginsenosides强抑制性主要来源于吸附机理，非离子表面活性剂与黏土颗粒相结合形成疏水壳，显著降低黏土表面对水的吸附，另一部来源于Ginsenosides的亲水性部分与硅氧烷表面的氧原子相结合形成稳定的氢键，两者共同作用最终阻碍了水的吸附，从而提高了页岩的稳定性。

目前天然材料添加剂提取工艺比较繁杂、制备成本高，大都仅限于实验室室内研究，尚无大规模商业化应用，后续研究工作应主要聚焦于优化提取工艺、减少制备成本。但是天然提取物添加剂原材料来源广、价格低廉、无毒环保，是一种理想的钻井液添加剂，特别是经过提纯后的添加剂，综合性能甚至能够赶超化学合成的添加剂，这些原生优势促使其仍是一大研究热门。

2 结论与展望

在石油与天然气开采过程中，复杂井段面临的主要挑战是井壁稳定性，井壁稳定性又取决于井壁周围地层和钻井泥浆之间的物理和化学相互作用，因此选择合适的处理剂和开发有效的钻井液体系是钻井成功的关键。另一方面，在日益严格的环保政策要求下，油基钻井液必将被舍弃，但是技术革新需要一定的时间，在传统油基钻井液被舍弃、绿色环保钻井液技术尚未成熟之前，POBM是一种优良的过渡产物，目前POBM以聚胺复合体系为主，天然提取物POBM为主要发展方向，在保障基本性能的条件下，探寻更加经济、绿色的POBM钻井液体系是科研工作者努力的方向。