Chất lỏng khoan: "Máu" của kỹ thuật khoan hiện đại và cuộc cách mạng trong công nghệ polyme

Trong lĩnh vực thăm dò và phát triển dầu khí, dung dịch khoan được gọi là "máu" của kỹ thuật khoan, phản ánh đúng vị trí cốt lõi của nó trong các hoạt động khoan. Dung dịch khoan, còn được gọi là bùn khoan, là một hệ thống chất lỏng tuần hoàn phức tạp bao gồm nước hoặc dầu, đất sét, tác nhân xử lý hóa học và nhiều chất phụ gia chức năng khác nhau. Nó thực hiện nhiều chức năng chính như phá vỡ lõi, mang theo các mảnh cắt, bôi trơn và làm mát mũi khoan, cân bằng áp suất thành tạo và bảo vệ độ ổn định của giếng khoan. Với việc mở rộng hoạt động thăm dò dầu khí sang các bể chứa sâu, phức tạp và không thông thường, công nghệ dung dịch khoan đang phải đối mặt với những thách thức và cơ hội chưa từng có, và các ứng dụng sáng tạo của vật liệu polyme đang dẫn đầu cuộc cách mạng công nghệ này.

Chất lỏng khoan truyền thống chủ yếu bao gồm một chất lỏng cơ bản (nước hoặc dầu), một chất tạo độ nhớt (như bentonit), một vật liệu tạo trọng lượng (như barit) và nhiều tác nhân xử lý hóa học khác nhau. Chất lỏng khoan gốc nước được sử dụng rộng rãi nhất vì chi phí thấp và thân thiện với môi trường, trong khi chất lỏng khoan gốc dầu hoạt động tốt trong các Giếng khó và phát triển khí đá phiến. Tuy nhiên, chất lỏng khoan thông thường thường không thể đối phó với các điều kiện làm việc phức tạp như nhiệt độ và áp suất cao, lớp muối nhão và bể chứa bị nứt, và dễ gặp phải các nút thắt kỹ thuật như độ nhớt ngoài tầm kiểm soát, mất lọc quá mức và mất ổn định giếng khoan. Tình hình này đã khiến các nhà khoa học tìm hiểu về vật liệu polyme, thông qua thiết kế phân tử để mang lại cho chất lỏng khoan hiệu suất vượt trội.

Polyacrylamide (PAM) là loại polymer tiêu biểu nhất được sử dụng trong dung dịch khoan. Các nhóm amide trên chuỗi phân tử có thể liên kết với các hạt đất sét thông qua liên kết hydro và cấu trúc chuỗi phân tử dài có thể tạo thành mạng lưới ba chiều trong dung dịch. Tính chất cấu trúc độc đáo này khiến nó thể hiện hiệu ứng ba chiều: khi được sử dụng làm chất làm nhớt, nồng độ PAM thấp có thể cải thiện đáng kể độ nhớt biểu kiến của dung dịch khoan và tăng cường khả năng mang đá; Là tác nhân khử lọc, các phân tử PAM có thể tạo thành lớp hấp phụ dày đặc trên bề mặt lỗ rỗng của thành tạo để kiểm soát hiệu quả sự xâm nhập của lọc. Khi được sử dụng làm chất ức chế đá phiến, các nhóm phân cực của PAM có thể trung hòa điện tích bề mặt của đất sét và ức chế sự giãn nở hydrat hóa. Hoạt động khoan nước sâu ở Vịnh Mexico của Hoa Kỳ đã chỉ ra rằng chất lỏng khoan được tối ưu hóa bằng PAM có thể làm tăng ROP hơn 20% và giảm sự giãn nở của lỗ xuống dưới 5%.

Sự đột phá của công nghệ polyme được thể hiện nhiều hơn ở việc cải thiện khả năng thích ứng với môi trường. Sự xuất hiện của polyme chịu nhiệt và chịu muối giải quyết vấn đề hỏng hóc của các tác nhân xử lý truyền thống trong môi trường nhiệt độ cao và muối cao. Ví dụ, copolymer AMPS với nhóm axit sulfonic có thể chịu được nhiệt độ cao trên 200℃ và điều kiện nước muối bão hòa; polyme lưỡng tính duy trì các đặc tính lưu biến ổn định trong lớp bột muối thông qua hiệu ứng hiệp đồng của các điện tích dương và âm. Trong ứng dụng của Giếng siêu sâu tại Lưu vực Tarim, Trung Quốc đã sử dụng thành công dung dịch khoan polyme liên kết kỵ nước tự phát triển thông qua nhiều bộ thành tạo muối phức tạp, tạo ra kỷ lục khoan trên bờ sâu nhất ở Châu Á. Các polyme phản ứng thông minh đưa công nghệ dung dịch khoan lên một tầm cao mới. Các vật liệu này có thể cảm nhận những thay đổi về môi trường như nhiệt độ giếng khoan, độ pH hoặc nồng độ CO2 và tự động điều chỉnh cấu hình phân tử để đạt được các hành vi thông minh như thay đổi độ nhớt và tự phục hồi.

Khai thác dầu khí phi truyền thống đã mở ra một chiến trường mới cho dung dịch khoan polyme. Trong quá trình khoan giếng ngang khí đá phiến, dung dịch khoan nhũ tương "nước trong dầu", bao gồm polyme tổng hợp và polyme biến tính tự nhiên, không chỉ đảm bảo độ ổn định của giếng khoan mà còn giảm thiểu thiệt hại cho bể chứa. Trong đá phiến Marcellus ở Hoa Kỳ, dung dịch khoan polyme được tối ưu hóa đã kéo dài chiều dài ngang lên hơn 3.000 mét và tăng sản lượng trên mỗi giếng lên 35%. Các polyme phân hủy sinh học, chẳng hạn như axit polyglutamic và các dẫn xuất chitosan, có thể bị phân hủy tự nhiên sau khi hoàn thành để tránh thiệt hại lâu dài cho vùng chứa.

Nhìn về tương lai, công nghệ polyme dung dịch khoan sẽ được phát triển theo hướng thiết kế chính xác phân tử, sửa đổi nano-composite và mô phỏng sinh học. Polyme gia cường graphene có thể cải thiện cả tính chất cơ học và độ dẫn nhiệt. Polyme tự phục hồi có thể tự động sửa chữa hư hỏng cấu trúc trong quá trình tuần hoàn dưới giếng. Công nghệ nano DNA thậm chí có thể cho phép kiểm soát hành vi "được lập trình" của dung dịch khoan. Những cải tiến này sẽ không chỉ phá vỡ các nút thắt kỹ thuật hiện tại trong hoạt động thăm dò sâu và dưới biển sâu, mà còn xác định lại vai trò của dung dịch khoan trong các lĩnh vực mới nổi như kích thích dầu khí và phát triển địa nhiệt.

Lịch sử công nghệ dung dịch khoan, ở một mức độ nào đó, là biên niên sử về sự đổi mới vật liệu polyme. Từ khi bắt đầu là polyme tự nhiên cho đến vật liệu composite thông minh ngày nay, polyme luôn là động lực chính thúc đẩy đột phá về hiệu suất của dung dịch khoan. Với sự phát triển của các nguồn tài nguyên dầu khí theo hướng "sâu hơn, xa hơn và khó hơn", dung dịch khoan như "máu" sẽ mang nhiều sứ mệnh hơn và công nghệ polyme sẽ tiếp tục truyền sức sống mới vào "máu" này và viết nên một chương rực rỡ hơn về kỹ thuật khoan hiện đại