生物质合成树脂降滤失剂在储气库微泡钻井液体系中的应用

闫杰杰

中国石化中原石油工程有限公司钻井工程技术研究院，河南 濮阳 457001

在“碳中和、碳达峰”的背景下，绿色钻井显得尤为重要［1］。降滤失剂是钻井液重要的处理剂之一，它对稳定井壁、保护油气层起着很重要的作用［2］。随着环保要求的提升以及石油钻探地层的不断复杂、深井和超深井深部地层的高温环境影响，石油勘探开发对降滤失剂的要求也越来越高，要求降滤失剂兼具结构稳定、抗高温、绿色、易生物降解等性能［3］。树脂类降滤失剂因具备优良的结构稳定性和降滤失性被广泛采用，目前最常用的磺化酚醛树脂降滤失剂（SMP-Ⅱ）有较好的抗温抗盐降滤失效果，但其生产原料以石油炼化物质苯酚为主，产品降解性差，在一些环保要求比较高的地区，SMP-Ⅱ的应用已经受到限制［4-5］。

木质素是植物中含量仅次于纤维素的高分子聚合物，结构十分复杂，由苯丙烷基本结构单元组成，含有与苯酚相似的活性位点，可以替代苯酚合成磺化酚醛树脂［6］。为了提高木质素的应用性能，以生物酶解工艺处理木质素，得到高活性酶解木质素中间体，并以高活性酶解木质素中间体为原料合成兼具环保性能的生物质合成树脂降滤失剂（LDR），可以达到产品升级换代的目的。

储气库是保障国家能源安全战略的基础设施［7］。卫11 和文13 西封闭性较强，储层物性较好，可作为改建储气库的库址［8］，但其地层压力较小，易发生井漏。微泡钻井液有密度低、剪切稀释性好、微泡封堵作用强、防漏能力好等优点，适合在储气库使用［9-10］。本文通过卫11 储3 井和文13西储1井介绍LDR 在储气库微泡钻井液体系中的应用情况。

1 实验

1.1 主要原料与试剂

甲醛、苯酚、焦亚硫酸钠、无水硫酸钠、无水碳酸钠、氯化钙均为分析纯。膨润土、钻井液用评价土、磺化褐煤（SMC）、SMP-Ⅱ、甲基纤维素钠盐（LV-CMC）、稳泡剂（XC）、中分子磺酸盐聚合物、楠木粉、润滑剂均为工业品。高活性酶解木质素中间体由中国石化中原石油工程有限公司钻井工程技术研究院提供。

1.2 主要设备与仪器

FA1604 型电子天平，上海天平仪器厂；HEWT-1000型磁力搅拌电热套，巩义市予华仪器有限责任公司；YC-500 型喷雾干燥器，上海雅程仪器设备有限公司；GW300-PLC型变频高温滚子加热炉、SD-4 型中压失水仪、GGS42-2A 型高温高压失水仪、ZNN-D68型电动六速黏度计、GJSSB12K型变频高速搅拌机，青岛得顺电子机械有限公司。

1.3 合成方法

将高活性酶解木质素中间体、苯酚、甲醛按一定质量比加入带有回流冷凝管、温度计和搅拌装置的四口烧瓶中，搅拌混合均匀后加入一定质量的焦亚硫酸钠和无水亚硫酸钠，搅拌反应30 min（反应温度控制在75 ℃左右），然后慢慢升温至103 ℃，回流反应4 h，期间少量多次补加水以控制液体黏度。反应结束后，液体降温出料，经喷雾干燥即得LDR。

1.4 环保性能评价方法

按照《水溶性油田化学剂环境保护技术评价方法》（SY/T 6788—2020）的要求［11］，采用发光细菌生物毒性的评价方法测得半数效应浓度（EC50），进而评价产品的生物毒性。

1.5 基浆配制

向盛有350 mL 蒸馏水的高速搅拌杯中加入0.56 g 无水碳酸钠、14.00 g 膨润土和14.00 g 钻井液用评价土，搅拌期间中断两次并刮下容器壁上的黏附物，累计高速搅拌20 min。在（25±1） ℃下密闭养护24 h，即配制成基浆。

1.6 钻井液性能测试

按照《石油天然气工业 钻井液现场测试》（GB/T 16783.1—2014）的要求［12］，测试样品浆的黏度及滤失量。

2 LDR性能评价

2.1 环保性能

目前国内对钻井液环保性能及毒性评价没有统一的标准或规范，但根据环保型钻井液不产生危险废物这一总的目标， 其环保指标及毒性最低应满足一般废物的要求。生物毒性指标是从整体上对处理剂或钻井液进行环保评价， 具有代表性［13］。LDR和SMP-Ⅱ的生物毒性EC50结果表明：LDR 的EC50为440 g/L，达到《水溶性油田化学剂环境保护技术要求》（SY/T 6787—2010）无毒（＞200 g/L）标准；SMP-Ⅱ的EC50为6.54 g/L，生物毒性等级为微毒。这表明LDR 生物可降解，具有良好的环保性能，满足环保型钻井液使用需求。

2.2 在微泡钻井液中的性能

分别以LDR 和SMP-Ⅱ为降滤失剂，配制了微泡钻井液。考察LDR 在微泡钻井液中的配伍性，并与SMP-Ⅱ做了对比，不同加量（质量分数）降滤失剂对应的试验结果如表1 所示，其中，钻井液配方为3%膨润土+降滤失剂（LDR 或SMP-Ⅱ）+0.15%XC+1.5%LV-CMC+0.5%中分子磺酸盐聚合物+1%楠木粉+2%润滑剂。

表1 LDR和SMP-Ⅱ在微泡钻井液中的性能

由表1 可知：随着LDR 或SMP-Ⅱ加量增加，钻井液FLAPI和FLHTHP均降低，钻井液黏度和切力均有所提高。当加量为3.0%时，LDR 表观黏度增加了28%，SMP-Ⅱ表观黏度增加了44%。通过对比可以看出，LDR 黏度效应较SMP-Ⅱ小，有利于控制微泡钻井液流变稳定性。

由表1 还可知：随着LDR 或SMP-Ⅱ加量增加，FLHTHP均降低，LDR加量为1.0%～2.0%时，钻井液FLHTHP降幅最高可达60%；而SMP-Ⅱ加量为1.0%～2.0%时钻井液FLHTHP降幅只有12%，进一步增加SMP-Ⅱ用量，降幅才有明显提高。综上表明，LDR 与微泡钻井液配伍性良好，利于控制流型，滤失量相同时，LDR加量比SMP-Ⅱ加量少。

3 LDR在储气库微泡钻井液中的应用

储气库地层压力系数较低时，可使用低密度的微泡钻井液。室内研究表明，LDR 在微泡钻井液中的配伍性良好，且用量少，降滤失效果明显，可在微泡钻井液中使用。

3.1 卫11储3井的应用评价

3.1.1 卫11储3井的概况

卫11 储3 井位于山东省莘县古云镇西池村，属于东濮凹陷中央隆起带北部卫城构造11 块。钻探的目的是为了建设卫11 储气库。目的层为沙三下，完钻层为沙三下，三开最大井斜37.99°。

3.1.2 三开钻井液性能要求

三开井段地层渗透性强且亏空严重，地层压力系数低至0.1～0.2，易发生渗漏及失返性漏失。本开次设计井斜20°，钻遇斜井段易形成岩屑床，起下钻具摩擦阻力和旋转钻具扭矩增加。泥岩井段井壁稳定性较差，以低密度钻进时，可能存在一定的应力失稳，造成缩径、井壁失稳掉块等复杂情况。因此，要求钻井液必须密度低，有良好的携岩能力、稳定井壁的能力、润滑性能，同时要求钻井液有较强的封堵及抑制性能。

3.1.3 三开钻井液维护与处理措施

针对上述钻井液技术难点，三开采用剪切稀释性好、微泡封堵作用强的微泡钻井液体系，设计钻井液密度为0.90～0.98 g/cm3，应用井段为2 619～2 840 m，预计井底温度为100～110 ℃。向微泡钻井液体系中加入LDR 可提高微泡钻井液护壁效果和抗温性能；适当加入抑制剂、润滑剂等可提高钻井液防塌和润滑性能。

3.1.4 卫11储3井的小试效果分析

入井现场实施前，进行小型现场试验。取现场井浆（2 619 m，密度为0.98 g/cm3），加入1.0%、1.5%和2.0%的LDR 或SMP-Ⅱ，在110 ℃下老化16 h，试验结果如表2所示。

表2 卫11储3井室内试验结果

由表2 可知：随着LDR 和SMP-Ⅱ的增加，钻井液的FLAPI和FLHTHP均下降，加入1.5%LDR 后的钻井液流变性基本不变，但FLHTHP明显降低，继续增加至2.0%，FLHTHP降低幅度较小。考虑到经济性，LDR 的最佳加量为1.5%。相比于SMP-Ⅱ，LDR加量增加对钻井液流变性影响较小；FLHTHP同为10.0 mL 时，LDR 比SMP-Ⅱ的加量少，因此LDR更适合应用于现场施工。

3.1.5 卫11储3井的现场实施

在小型现场试验的基础上，配制微泡钻井液150 m3，加入1.5%LDR。施工过程中，无漏失、无阻卡，实现了安全高效钻进，钻井液性能数据如表3所示。

表3 卫11储3井钻井液性能数据

由表3 可知：LDR 在微泡钻井液体系中的配伍性好，FLAPI稳定在4.0 mL 左右，FLHTHP为8.0～11.0 mL，表明LDR可以很好地控制微泡钻井液的滤失量。

3.2 文13西储1井的应用评价

3.2.1 文13西储1井的概况

文13 西储1 井位于河南省濮阳县文留镇，属于东濮凹陷中央隆起带北部文留构造文13 西块。钻探的目的是为了建设文13 西储气库。目的层为沙三中，岩性为灰色泥岩和粉砂岩。完钻层为沙三中，四开井段3 118～3 206 m 进尺88 m，平均机械钻速11 m/h。

3.2.2 四开钻井液技术难点

文13 西储1 井四开井段地层亏空严重，地层压力系数低至0.2，泥岩地层井壁稳定性较差，部分井段存在高压层，易发生漏失；预计井底温度120～140 ℃，实钻裸眼段以泥岩为主，易高温造浆；目的层段会钻遇高压水层，形成水侵，造成钻井液性能不稳定，并形成上部低压与底部高压同层，防喷、防漏技术难度较大。因此，要求钻井液必须具有耐温、防漏、润滑减阻性能。

3.2.3 四开钻井液维护与处理措施

针对上述钻井液技术难点，四开采用微泡钻井液体系，设计钻井液密度为1.03～1.23 g/cm3，应用井段为3 140～3 245 m。加入LDR 提高微泡钻井液抗温性能；适当加入抑制剂、润滑剂等提高钻井液防塌和润滑性能。

3.2.4 文13西储1井的小试效果分析

入井现场实施前，进行小型现场试验。取现场井浆（3 118 m，1.04 g/cm3），分别加入1.5%、2.0%和2.5%的LDR 或SMP-Ⅱ，在130 ℃下老化16 h，试验结果如表4所示。

表4 文13西储1井室内试验结果

由表4 可知：LDR 加量为2.0%时，FLHTHP为10.0 mL；LDR 加量增加至2.5%时，FLHTHP为8.0 mL；而SMP-Ⅱ加量为2.5%时，FLHTHP为11.0 mL。通过对比可以看出，相同加量条件下，LDR 较SMP-Ⅱ控制滤失效果更好。从经济性角度出发，LDR在井浆中的最佳加量约为2.0%。

3.2.5 文13西储1井的现场实施

在小试基础上，以LDR 为降滤失剂（加量为2.0%）配制微泡钻井液160 m3，钻井液性能数据如表5 所示。通过对该区块所钻邻井资料分析，该区块泥岩高温易造浆，导致钻井液稠化，黏度增高，易发生缩径、卡钻等复杂情况，而该井微泡钻井液中加入2.5%LDR，能够增强体系的抗温性，有效控制FLHTHP，高机械钻速情况下（平均机械钻速11 m/h），钻进过程中无漏失、无阻卡，通井下套管一次成功，施工顺利。

表5 文13西储1井钻井液性能数据

由表5 可知：FLAPI为4.4～4.6 mL，FLHTHP为9.0～11.0 mL，具有良好的降滤失效果；塑性黏度为15.0～25.0 mPa·s，LDR 在微泡钻井液体系中的配伍性较好。

4 结论

1）LDR 以高活性酶解木质素为原料研制而成，生物可降解，环保优势突出，为实现绿色钻井提供支撑，具有广阔应用前景。

2）室内研究表明，LDR 在微泡钻井液体系中有良好的配伍性，黏度效应较好，表现出良好的降滤失效果。

3）在储气库的应用中表明，在微泡钻井液体系中加入LDR 后，卫11 储3 井FLAPI稳定在4.0 mL左右，FLHTHP为8.0～11.0 mL；文13 西储1 井FLAPI为4.4～4.6 mL，FLHTHP为9.0～11.0 mL，相同加量条件下，LDR较SMP-Ⅱ控制滤失效果更好。