非开挖钻井液处理剂的应用及技术浅析

　　摘要：非开挖钻井液发展很大程度上依赖于油田化学的发展，而钻井液处理剂，大部份是高分子聚合物。因此，研究高分子聚合物在钻井液中的应用十分重要，本文从高分子聚合物结构特征上说明了其在钻井液中的应用，并从机理上分析了它作为降滤失剂、稀释剂、提粘剂、页岩抑制剂的作用，结合国内外近年来研发的钻井液处理剂的情况，将钻井液处理剂应用在水平定向钻穿越施工中，最后笔者指出了钻井液处理剂的发展趋势。
　　关键词：非开挖钻井液，高分子聚合物，钻井液处理剂
　　1前言
　　非开挖技术的不断提高，以大吨位发展，使得所钻孔径和孔长都在不断增大增长，对钻井液要求越来越高。钻井液性能的好坏很大程度上决定了穿越钻井和回拖管道的成败。因此，人们常用“钻井液是钻井的血液”来形象地比喻其在钻井作业中的重要作用。而钻井液性能的好坏是靠处理剂来调节的。最早使用的钻井液处理剂是天然高分子化合物，例如丹宁、栲胶和无机物来处理钻井液。后来引进聚丙烯酰胺钻井液。现在又使用了阳离子、两性离子和正电胶钻井液等，这些都借用了化学学科特别是高分子化学的发展。钻井液处理剂材料更是和高分子化学密不可分。
　　当今非开挖大部分使用的钻井液处理剂的高分子聚合物。例如，增粘剂，使用羧甲基纤维素钠盐HV—CMC，乙烯基单体多元共聚物，为了降低滤失量，要用降滤失剂Na-CMC（羧甲基纤维素）、SMP（磺甲基酚醛树脂）、SLSP（磺化木质素磺甲基酚醛树脂缩合物），为了防止井塌，使用磺化沥青、钾褐煤、KCl-PHP；发展了耐温抗盐的正电胶PAC，国外钻液宝LiquidDrispacPolymer系列钻井液处理剂等。
　　显然，高分子聚合物在钻井液中的地位是重要的，在调整钻井液性能方面有着多方面的重要作用，因此，配制优质的钻井液必须要研究高分子聚合物。
　　2高分子聚合物作为钻井液处理剂特点
　　高分子钻井液处理剂主要包括三大类：天然高分子，半合成高分子和合成高分子。
　　天然高分子主要来源于植物或动物的提取物，半合成高分子材料由天然物质经化学改性而得。合成类高分子有聚合类和缩合类两种。高分子聚合物作为钻井液处理剂具有以下几个特点
　　（1）不同结构的聚合物在钻井液中起着不同的作用。作为钻井液处理剂的高分子化合物大都是线型的，如羧甲基纤维素，水解聚丙烯腈；也有稍带支链的，如含聚氧乙烯链较长的羟乙基纤维素。而体形高分子主要用作钻井液的堵漏材料。
　　当前钻井液体系主要采用水为连续相，因此所用的处理剂大部分是亲水性的高分子材料，在水中能溶解或溶胀而形成溶液或分散液。聚合物的亲水性，来自于其分子中含有的亲水基团。最常见的亲水基团是羧基、羟基、酰胺基、胺基、醚基等。这些基团不但使高分子具有亲水性从而很好的溶解或溶胀，便于配成优质的钻井液。而且这些基团的存在还使它具有许多宝贵的性能，如在钻井液中的提粘性、润滑性、分散性、絮凝性、降低失水性等。
　　（2）高分子的分子量可以控制，高到数千万，低到几百。分子量不同的聚合物在钻井液中性能相差很大，例如低分子量聚丙烯酰胺在钻井液中起分散作用，而高分子量聚丙烯酰胺却起提粘作用。
　　3高分子聚合物在钻井液中的分类
　　按照高分子聚合物在钻井液中所起的作用，通常分为降滤失剂、稀释剂、提粘剂、页岩抑制剂等
　　（1）降滤失剂
　　主要包括腐植酸类、纤维素类、淀粉类、树脂类天然高分子化合物及其衍生物、水解聚丙烯腈类、聚稀酸盐类合成高分子化合物及其改性产品等。
　　高分子降滤失剂在钻井液中通过吸附基吸附于粘土颗粒表面上；通过其水化基团使粘土颗粒表面上形成吸附溶剂化水膜，同时，提高了粘土颗粒的ζ电位，因而不仅增加了粘粒的聚结稳定性，而且使钻井液中的粘土细颗粒含量增加，以致形成致密的泥饼，使滤失量降低。
　　（2）稀释剂
　　粘土的分散和其它各种因素造成的污染往往引起钻井液的稠化，使钻井液的粘度和切力增高。高分子稀释剂的作用首先是通过吸附基如羟基吸附在粘土颗粒的边缘断键处，同时，其水化基团给粘土颗粒边缘带来吸附溶剂化水膜，使其边缘的水化膜增厚，ζ电位提高，斥力增大，从而削弱了粘粒间的边-面、边-边结合，削弱和拆散了粘土颗粒的空间网架结构，并放出大量自由水，致使钻井液的粘度和切力下降，达到稀释的目的。
　　（3）高分子提粘剂
　　高分子处理剂由于分子量高，分子链具有一定的柔顺性等原因，可以显著地提高溶液的粘度。，高分子处理剂上带有许多亲水基团，这些亲水基上会吸附许多水分子，形成吸附水化膜，与高分子一起流动，从而使高分子流动时能量耗散增加，粘度升高。
　　高分子处理剂上的吸附基可以吸附在粘土颗粒上。一个高分子链上可以同时吸附多个粘土颗粒，一个粘土颗粒也可以吸附多个高分子链，这样就会形成网状结构。结构的形成不仅使粘度提高，而且使切力上升。
　　（5）高分子页岩抑制剂
　　高分子页岩抑制剂主要包括沥青类、腐植酸钾类、最近发展起来的阳离子聚合物类以及两性离子聚合物类处理剂等。
　　高分子抑制剂是通过吸附在页岩表面上起到抑制作用的。聚合物吸附在页岩表面上后，会产生一种固结作用和疏水作用，从而降低了页岩的表面水化作用。
　　除了上面介绍的四大类，钻井液处理剂还包括用于特殊用途的处理剂包括乳化剂、堵漏剂、缓蚀剂、润滑剂、絮凝、杀菌剂、泡沫剂、消泡剂等。
　　由于高分子聚合物的结构特征，一种处理剂在钻井液中可能同时具有几种剂的作用。比如说：有的降失水剂同时兼有增粘或降粘作用，絮凝剂同时兼有增粘剂作用等等。
　　4地层特征及实例应用
　　非开挖水平定向穿越井相对于深水井和油气井来主说，存在着地层浅，过路，过桥，过江，过河，地层松软，砂质粘土和流砂层多的特点。由于地层浅，成岩差，所以就存在孔壁不稳定，易坍塌，使得泥浆不能很好地将孔内钻屑携带出来，造成扩孔及管线回拖困难。
　　在钻遇大段砂层时，由于孔壁不稳定，失水量大，泥饼厚，钻井液中含砂快速增加，钻井液流动性差，携砂困难，不能全部将钻屑携带出来，钻屑沉淀在钻孔中形成钻屑床。
　　粘土层或某些粘土质页岩、泥岩，这类地层遇水易水化膨胀，常常造成泥包扩孔钻头，使得回拖力和旋转扭矩力增大。
　　从水平定向钻施工实际出发，针对不同地层高分子处理剂在施工中的应用。如武汉长江左汊定向钻穿越工程采用双管同孔穿越工艺，管线定向穿越1705.52m。既：Φ355.6×8.7mm主输油管与Φ121×8mm光缆管套管同时穿越。地质情况：细粉砂地层。钻井液中添加正电胶，FT-1防塌护壁剂。福建云鹿路穿越工程，穿越管道采用Φ406.4×9.5钢管，穿越长度1461米，地质情况：含泥中砂、砂质粘性土地层。钻井液中添加钻液宝，碱，降滤失剂，润滑剂。在定向穿越过程中，使用高分子处理剂的泥浆，钻孔稳定，回拖阻力小，回拖顺利。
　　5高分子钻井液处理剂的发展趋势
　　当前钻井液技术蓬勃发展，处理剂层出不穷，性能也逐步提高，但远远满足不了日益强劲的非开挖施工需要。综合国内外各种资料，钻井液处理剂应向抗盐性好、抗污染能力强的方向发展。同时由于环境压力与日俱增，来源广、污染性小的生物聚合物也重新受到人们的青睐。
　　（1）抗盐能力
　　随非开挖技术在沿海施工，对钻井液处理剂的抗盐性提出了严峻的挑战。淀粉和纤维素类衍生物结构存在醚键，抗盐能力较差，磺甲基化后的单宁和木质素再与二价或三价金属离子结合，可以提高其抗温、抗盐能力。是今后的发展方向。
　　（2）抗电解质污染能力
　　高分子处理剂在钻井液中起作用的共同途径是吸附于粘土颗粒上，给粘土颗粒带来厚的水化膜，提高ZETA电位，保护粘土颗粒免于碰撞而聚结。无机电解质的污染使有机处理剂发生去水化作用而减效或失效。要提高高分子处理剂的抗电解质污染的能力，则要求它们有很强的水化基团，分子中有高的负电荷分布密度。
　　同时钻井液及其处理剂无论从生产过程还是使用上，都不同程度的对环境造成破坏。随着环境忧患意识的增强和海洋钻井发展，处理剂的环境可接受能力日益受到人们重视。开发即能满足安全生产需要，又经济环保的钻井液处理剂是今后研究方向之一。生物聚合物来源天然，原料丰富，对环境污染小，正逐渐受到油田化学界的重新重视，如何提高它们的抗盐能力和稳定性是面临的主要问题。
　　参考文献
　　[1]夏俭英，钻井液有机处理剂，山东：石油大学出版社，1990
　　[2]赵福麟，油田化学，山东，石油大学出版社，1999
　　[3]鄢捷年，钻井液工艺学，山东，石油大学出版社，2000