Буровые растворы: «кровь» современной буровой техники и революция в полимерных технологиях

В области разведки и разработки нефти и газа буровой раствор называют «кровью» буровой техники, что соответствующим образом отражает его основное положение в буровых работах. Буровой раствор, также известный как буровой шлам, представляет собой сложную циркулирующую систему жидкости, состоящую из воды или нефти, глины, химических обрабатывающих агентов и различных функциональных добавок. Он выполняет множество ключевых функций, таких как разрушение керна, перенос шлама, смазывание и охлаждение буровых долот, выравнивание пластового давления и защита устойчивости ствола скважины. С распространением разведки нефти и газа на глубокие, сложные и нетрадиционные резервуары технология буровых растворов сталкивается с беспрецедентными вызовами и возможностями, и инновационные применения полимерных материалов возглавляют эту технологическую революцию.

Традиционные буровые растворы в основном состоят из базовой жидкости (воды или масла), загустителя (например, бентонита), утяжелителя (например, барита) и различных химических агентов обработки. Буровые растворы на водной основе наиболее широко используются из-за их низкой стоимости и экологичности, в то время как буровые растворы на масляной основе хорошо работают в сложных скважинах и при разработке сланцевого газа. Однако обычный буровой раствор часто не может справиться со сложными рабочими условиями, такими как высокая температура и давление, слой соляной пасты и трещиноватый коллектор, и подвержен техническим узким местам, таким как неконтролируемая вязкость, чрезмерная фильтрационная потеря и нестабильность ствола скважины. Эта ситуация побудила ученых рассмотреть полимерные материалы, с помощью молекулярного дизайна, чтобы придать буровым растворам превосходную производительность.

Полиакриламид (ПАМ) является наиболее представительным полимером, используемым в буровом растворе. Амидные группы в молекулярной цепи могут быть связаны с частицами глины посредством водородных связей, а длинная структура молекулярной цепи может образовывать трехмерную сеть в растворе. Это уникальное структурное свойство позволяет ему демонстрировать тройной эффект: при использовании в качестве загустителя низкая концентрация ПАМ может значительно улучшить кажущуюся вязкость бурового раствора и повысить способность переносить породу; в качестве агента, снижающего фильтрат, молекулы ПАМ могут образовывать плотный адсорбционный слой на поверхности пор пласта для эффективного контроля проникновения фильтрата. При использовании в качестве ингибитора сланца полярные группы ПАМ могут нейтрализовать поверхностный заряд глины и ингибировать расширение гидратации. Глубоководное бурение в Мексиканском заливе США показало, что буровые растворы, оптимизированные с помощью ПАМ, могут увеличить скорость проходки более чем на 20% и снизить расширение ствола скважины до менее 5%.

Прорыв в области полимерных технологий в большей степени отражается в улучшении экологической адаптивности. Появление термо- и солеустойчивых полимеров решает проблему отказа традиционных агентов обработки в условиях высоких температур и высокой солености. Например, сополимеры AMPS с сульфокислотными группами могут выдерживать высокие температуры выше 200℃ и условия насыщенного рассола; цвиттерионные полимеры поддерживают стабильные реологические свойства в слое соляной пасты за счет синергетического эффекта положительных и отрицательных зарядов. При применении сверхглубоких скважин в Таримском бассейне Китай успешно использовал самостоятельно разработанный гидрофобный ассоциативный полимерный буровой раствор через несколько наборов сложных солевых образований, создав самый глубокий рекорд по наземному бурению в Азии. Интеллектуальные реагирующие полимеры выводят технологию буровых растворов на новые высоты. Эти материалы могут определять изменения окружающей среды, такие как температура в скважине, pH или концентрация CO2, и автоматически регулировать молекулярную конформацию для достижения интеллектуального поведения, такого как изменение вязкости и самовосстановление.

Нетрадиционная разработка нефти и газа открыла новое поле битвы для полимерных буровых растворов. При бурении горизонтальных скважин сланцевого газа эмульсионный буровой раствор «вода в масле», состоящий из синтетического полимера и натурального модифицированного полимера, не только обеспечивает устойчивость ствола скважины, но и минимизирует повреждение коллектора. В сланцевом месторождении Марцеллус в США оптимизированный полимерный буровой раствор увеличил боковую длину до более чем 3000 метров и увеличил добычу на скважину на 35%. Биоразлагаемые полимеры, такие как производные полиглутаминовой кислоты и хитозана, могут естественным образом разлагаться после завершения, чтобы избежать долгосрочного повреждения продуктивной зоны.

Заглядывая вперед в будущее, можно сказать, что технология полимеров для буровых растворов будет развиваться в направлении молекулярной точности проектирования, модификации нанокомпозитов и биомиметики. Графенармированные полимеры могут улучшить как механические свойства, так и теплопроводность. Самовосстанавливающийся полимер может автоматически восстанавливать структурные повреждения во время циркуляции в скважине. ДНК-нанотехнология может даже обеспечить «запрограммированный» контроль поведения буровых растворов. Эти инновации не только разрушат текущие технические узкие места в глубоководной и глубоководной разведке, но и переопределят роль буровых растворов в новых областях, таких как стимуляция добычи нефти и газа и разработка геотермальных ресурсов.

История технологии буровых растворов в некоторой степени является хроникой инноваций в области полимерных материалов. С момента своего зарождения в качестве природных полимеров до сегодняшних интеллектуальных композитов полимеры всегда были ключевым фактором прорывов в эффективности буровых растворов. С развитием нефтяных и газовых ресурсов в направлении «глубже, дальше и сложнее» буровой раствор как «кровь» будет выполнять больше миссий, а полимерная технология продолжит вливать новую жизненную силу в эту «кровь» и писать более блестящую главу современной буровой техники