高温水基钻井液研究及应用进展.pdf

第 59 卷 第 4 期2023 年 7 月地质与勘探GEOLOGY AND EXPLORATIONVol.59 No.4July，2023高温水基钻井液研究及应用进展徐 蒙1，2，3，王 璐1，2，3，王李昌1，2，3，隆 威1，2，3，郝 玉4（1.有色金属成矿预测与地质环境监测教育部重点实验室（中南大学），湖南长沙 410083；2.中南大学地球科学与信息物理学院，湖南长沙 410083；3.有色资源与地质灾害探查湖南省重点实验室，湖南长沙 410083；4.中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055）摘 要 向地球深部进军是我国必须要解决的战略性科技问题，深部钻探是精准探测地球深部的直接手段。随着探测地球深度的增加，深部钻探工程面临着更加复杂的高温高压钻进环境，对高温钻井液的性能提出了更高的要求。近年来，高温钻井液取得了快速发展，国外的高温钻井液抗温能力已超过260，而国内高温钻井液技术也在加速发展，目前仍以“三磺”、“聚磺”体系为主，抗高温能力在240左右。本文在对比国内外高温水基钻井液进展的基础上，分析总结了国内外主流高温处理剂及高温水基钻井液的种类、功能与工程应用情况，探讨了其在工程应用中存在的问题以及未来的技术发展方向等。提出了未来国内深部钻探高温钻井液面临的关键问题及优先发展方向，主要有研制与优化耐260以上高温的处理剂与钻井液体系、开发配套耐高温仪器与系统、控制经济成本以及保护生态环境等方面，将为我国未来实施的万米深地钻探工程奠定技术基础。关键词深部钻探 高温 钻井液处理剂 水基钻井液体系中图分类号TE254 文献标识码A 文章编号0495-5331(2023)04-0901-08Xu Meng，Wang Lu，Wang Lichang，Long Wei，Hao Yu.Research and application progress of high-temperature water-based drilling fluidJ.Geology and Exploration,2023,59(4):0901-0908.0 引言在钻井工程中，钻井液被称为“钻井的血液”，是钻探过程中不可或缺的部分。钻井液的各项性能直接关系着井下的安全与油气层保护问题，同时也影响着工作时的机械钻速以及经济效率。相较于普通井，深井有着更为复杂的孔内条件，对钻井液性能的要求更加苛刻（Gao，2022）。钻掘过程中钻孔的孔底温度随着钻井深度的增加而逐渐升高，根据国际通用概念，这一数值达到400（204）和500（260）时的钻井分别被称为超高温井和极高温井（Ahmad et al.，2014）。随着现代深部钻探工艺的不断提升，钻孔深度不断增加，而钻孔内的高温、超高温环境对钻井液的抗高温性能带来了巨大挑战。在向深部钻进的过程中会遇到各类复杂地层，将大幅增加原有钻井液作业的风险，此外，深部地层普遍存在不同程度的微裂缝（最小可达纳米级别），普通钻井液不能产生有效的封堵作用，从而会造成滤失量增加，严重时则会导致井壁失稳（Liu et al.，2021）。深井高温条件下，井筒内钻井液处理剂会产生高温交联、热降解、解吸附等问题，致使钻井液性能无法达到钻井设计要求（王中华，2009）。此外，深部地层中存在大量Na+、Ca2+、Mg2+等电解质，会侵入钻井液从而改变其性能，使得钻井工作无法顺利进行，影响钻井安全（胡郁乐等，2014）。因此，针对钻井液在高温环境下的各项性能问题，必须在研制各类高温处理剂的基础上，配制专门的高温钻井液，使其在深井高温条件下仍能保持良好的流变性、降滤失性、抗盐抗钙性、润滑性等基本性能（Dorman and Gyory，2006）。doi:10.12134/j.dzykt.2023.04.016收稿日期 2022-12-19；改回日期 2023-04-11；责任编辑 郝情情。基金项目 国家自然科学基金项目（编号：52104112）、湖南省自然科学基金项目（编号：2021JJ30812、2023JJ20062）和湖南省自然资源厅科技计划项目（编号：20230101DZ，2022-24）联合资助。第一作者 徐 蒙（1981年-），男，2010年毕业于中南大学，地质工程专业，获博士学位，副教授，长期从事地质工程检测技术与仪器仪表方面研究。E-mail：。通讯作者 王李昌（1989年-），男，2022年毕业于中南大学，地质工程专业，获博士学位，讲师，长期从事深部钻探技术和干热岩方面研究。E-mail：。徐 蒙901地质与勘探2023 年目前，高温钻井液根据成分不同可分为高温油基钻井液和高温水基钻井液两种主要类型。油基钻井液在高温稳定性、降滤失性、润滑性等方面有着良好的表现，但原料获取难度大、经济成本高昂且严重污染环境等问题是油基钻井液的根本缺陷，这也是高温水基钻井液的优势所在，因此高温水基钻井液体系在世界范围内的使用也更为广泛（Weikey et al.，2018）。在深井205以上的超高温环境下，水基钻井液的抗温能力面临极大挑战，目前我国现有的高温水基钻井液抗温能力普遍在220左右，有少数深井使用的高温水基钻井液体系抗温能力可达到240，例如在松科2井五开井段使用的超高温水基钻井液，其抗温能力可达到240以上。在国际上，高温水基钻井液的抗温能力普遍可以达到240，但能够抵抗260及以上高温的水基钻井液及其相关研究较为罕见（Tehrani et al.，2007）。面对未来深井钻探向更深部挺进，目前钻井液体系的抗温能力将无法满足未来深井钻探的要求，因此亟需研制抗温能力更强的处理剂以及配套的高温水基钻井液体系。1 高温水基钻井液处理剂钻井液的成分包括水、配浆土、处理剂以及钻屑等部分，其中，处理剂是最重要的部分，不同类型的处理剂可以赋予钻井液不同的性能。钻井液在深部钻探中的关键技术，就是保持钻井液在高温条件下的流变性与滤失性（Mohamed et al.，2021）。因此，高温水基钻井液的研究重点就是对降滤失剂与稀释剂以及其他功能所需的抑制剂、防塌封堵剂和润滑剂等抗高温处理剂的研制。1.1 国外抗高温处理剂研究现状国外抗高温处理剂研究现状国外针对于高温水基钻井液技术的研究起步较早，研制出的抗高温处理剂也更为丰富多样。自1960年开始，国外首先研制出了一种铁铬盐降粘剂，抗温能力在 150170，且具有较好的抗污染性（Hille，1985）。1970年后，国外研制出了以磺化酚醛树脂（SMP）、磺化褐煤（SMC）、磺化丹宁（SMT）等新型合成聚合物为主要成分的抗高温处理剂，抗温能力在180204区间内（徐同台等，1991）。1985年，研究人员开始对2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AMPS）、丙烯酰胺（AM）、N-乙烯基吡咯烷酮（NVP）等单体的多元共聚化合物处理剂进行集中研究，并引入海泡石来提高处理剂的长期热稳定性（Giddings et al.，1985）。在此基础上，国外研究人员研制出了COP-1、COP-2、Mil-Temp、Pyro-Trol、KemSeal等抗高温能力强的处理剂（Caenn and Chillingar，1996）。近年来，纳米技术发展迅速，一些纳米材料在物化性质方面具有独特的优势，因此纳米材料与抗高温处理剂的结合成为当前研究的热点。在目前的研究中，适用于抗高温处理剂的纳米材料包括传统的无机纳米材料如纳米SiO2、纳米金属氧化物（如Al2O3、SnO2）、纳米碳材料以及新兴的聚合物纳米球、纳米复合材料等。这些纳米材料形成的处理剂在各项性能优于传统处理剂的同时，兼具无毒、可降解和绿色环保等特性（Parizad and Shahbazi，2016；Smith et al.，2018；罗源皓等，2022）。钻井液在井底高温环境下的降滤失性能极其重要，降滤失剂的性能直接影响钻进效率，因此抗高温降滤失剂的研发一直是抗高温处理剂研究的重点。截至目前，结合各类文献以及现场应用，国外主要使用的抗高温降滤失剂如表1所示（Hilscher and Clements，1982；徐同台等，1991；任皓，1994；Patel，1998；张克勤等，2005；张克勤等，2007；单文军等，2018；Agwu et al.，2021；Gautam et al.，2022；谢辉等，2022）。在抗高温处理剂的研究方面，国外近年来大多数集中于多元共聚物，研究成果丰富并且在在实际工程现场中得到了广泛应用。而在高性能纳米材料的研究与应用方面，目前仍多集中于室内合成与评价过程（Gautam et al.，2022）。1.2 国内抗高温处理剂国内抗高温处理剂1970年起，国内成功应用了SMC、SMP和褐煤树脂（SPNH）等抗高温降滤失剂以及SMT、铁铬木质素磺酸盐（FCLS）、磺化烤胶（SMK）等抗高温降粘剂。随后在磺化类处理剂的基础上研制出磺化木质素类处理剂如磺化木质素磺甲基酚醛树脂（SLSP）等。1980年后，研究重点转移至多元共聚物处理剂，研制出了PAC-141等丙烯酸类抗高温滤失剂，同时改善了高温钻井液的降滤失与流变效果。自21世纪以来，以王中华为主的学者们开展了以AMPS为代表的丙磺酸类共聚物研究，合成出多种抗高温降滤失剂和降粘剂，如 P（AMPS-DEAM）（王中华，2010a）、P（AMPS-IPAM-AM）（王中华，2010b）等，形成了丙烯酰胺/2丙烯酰胺基2甲基丙磺酸三元共聚物（PAMS）为代表的磺酸盐聚合物系列产品如LP527、MP448、HTAMP等抗高温处理剂（王中华等，2000；王中华，2000），性能接近国际先进水平。AMPS的引入，使得处理剂的抗高温能力以及抑制性有了较大提高，但在结构方面与传统处理剂并无本质区别。相较于AMPS等粉状聚合物，乳液聚902徐 蒙等：高温水基钻井液研究及应用进展第 4 期合物性能的优异性逐渐显现出来（司西强等，2013）。甲基葡萄糖苷（MEG）钻井液开始逐渐受到重视，以MEG为主处理剂的钻井液除了在抗高温与抑制能力方面有了新的提高外，还拥有良好的动/静态携砂能力、抗污染及润滑能力，并且无毒、易降解，环保性能好（王彬等，2005）。随着近些年国家对环保问题的愈发重视，王中华等学者们开始对环保性好的高性能胺基抑制钻井液体系进行研究，并研制出了以胺基聚醚或聚醚胺（APE）为主的有机胺类处理剂（代秋实等，2015）。此外，新型的纳米材料处理剂也在近年来开始起步并逐渐发展。学者们选取各类可行材料进行纳米化处理，研制出了许多性能优于传统处理剂的高温纳米处理剂，这类材料往往具有加量少，对钻井液的各项性能改善幅度较大，绿色环保等特点，但大多数仍处于室内试验阶段。目前国内纳米材料研究的主要包括纳米SiO2聚合物、纳米Fe3+聚合物与纳米氧化石墨烯等。截止到目前，国内已研制出抗温性能较好、在工程项目中实际应用的高温降滤失剂，如表2所示（徐同台等，1991；王中华，1994；王中华，1998；杨小华和王中华，2007；单文军等，2018）。表2 国内主要降滤失剂概况Table 2 Overview of main fluid loss reducers in China名称SMCSMPSMTPNHOCL-JBSHK-ANCHSP-1AADMSSHMA主要成分磺化褐煤磺化酚醛树脂磺化单宁木质素磺酸钙AMPS、AA，AM、NVP磺甲基腐植酸钾SHK、AN丙烯腈磺化腐植酸钾、水解聚丙烯腈钠盐等AMPS、AM、MA、MDAAC苯乙烯、马来酸酐抗温能力（）230200200200200200200220230优点高温降滤失性能和稀释能力强，抗盐、抗钙能力强在盐水加重钻井液中降粘效果好，可以降低泥饼粘附系数，润滑性好抗钙能力强抗盐能力强滤钻井液失量较少，且可起流型调节剂的作用抗盐抗钙能力以及抑制性较好 抗盐能力与抑制性较好、防塌能力强高温高压滤失量较小，降滤失效率高加量少，抗盐抗钙能力较强2 高温水基钻井液体系国内外研究现状2.1 国外高温水基钻井液体系国外高温水基钻井液体系国外在抗240以上高温水基钻井液的技术已经十分成熟，具有体系齐全、产品系列化、可规模应用等特点。美国、加拿大、英国和前苏联等国家的高温钻井液技术在世界范围内处于领先地位，这些国家的基础设施与科技水平也为高温钻井液的发展提供了更好的条件（朱宽亮等，2009）。国外成功研制并在实际应用中取得良好效果的主要几类高表1 国外主要降滤失剂概况Table 1 Overview of fluid loss additives abroad名称TS-VALPCResinexHostadril14706TSFPolydrill（或HT-Polymer）COP-1、COP-2Pyro-Trol、KemSealDriscalCDP或TSDMil-Temp主要成分乙烯磺酸盐/乙烯酰胺共聚物褐煤和聚合物络合物SMP、SMC不详丙烯酸类共聚物磺化类聚合物AMPS、AM和AAM等AMPS、AM和NVP等不详丙烯酸钠和乙烯磺酸盐共聚物磺化苯乙烯-马来酸酐共聚物抗温能力（）204204230230232260260260260260400优点抗污染能力较强、现场应用效果好、成本低降滤失效果好，高温高压滤失量低于30 mL抗盐能力较强，可有效改善钻井液流变性抗盐抗钙能力较强，可有效改善钻井液流变性抗盐能力较强、抑制性较好抗钙镁等二价阳离子能力较强抗盐抗钙能力较强 处理剂加量少，润滑性较好抗盐抗钙能力较强，环保性好，不污染环境抗盐抗钙能力强，对钻井液的稀释作用较好显著提高钻井液热稳定性，可与FCLS复配改善钻井液性能，且可以克服CO2侵入等问题903地质与勘探2023 年温水基钻井液体系如表 3 所示（Clements et al.，1985；屠厚泽，1992；任皓，1994；王达等，1995；Lschen et al.，1996；张克勤等，2007；王建华等，2007）。表3 国外典型钻井液体系概况Table 3 Overview of typical drilling fluid systems abroad钻井液名称SIV钻井液体系高性能水基钻井液（HPWBM）体系TSD/TSF聚合物钻井液高温聚合物钻井液体系分散性褐煤-聚合物钻井液体系EHT抗高温无毒水基钻井液体系高温低密度聚合物钻井液体系木制磺酸盐泥浆D-HT/HOE体系配方150 L淡水+1.35 kg SIV+9.45 kg KCl+0.45 kg Na2CO3+0.95 kg Na2SO3+4.5 kg 超细碳酸钙+3.6 kg 三元共聚物降滤失剂+0.045 kg 消泡剂+4.5 kg粘土混合物+重晶石膨润土+NaOH+CaCl+聚丙烯酰胺+羧甲基纤维素+改性淀粉+铝酸盐络合物+可变形聚合物封堵剂+聚铵盐+快钻剂暂无（4%5%）膨润土+（0.2%0.3%）NaOH+0.2%PAC+0.56%褐煤钠盐+0.32%聚丙烯酸钠+0.24%丙烯酸-丙烯酰胺共聚物+0.04%木质素磺酸盐+0.56%改性褐煤树脂+重晶石PAC+褐煤-聚合物分散剂+聚合物降滤失剂+树脂降滤失剂+铬褐煤+天然沥青+低分子量聚合物解絮凝剂+阴离子型磺化聚合物降滤失剂+氯化钠等（0.86%3.50%）膨润土+NaOH+NaCl+（0.29%0.86%）纤维素增粘剂+（0.57%1.71%）合成聚合物高温降粘剂（15%25%）高岭土+（0.15%0.20%）丙烯酸类二元共聚物+（0.01%0.05%）磷酸钠+（1%3%）润滑剂+（1.5%2%）石墨（3%10%）膨润土+NaOH（调节pH值1011）+（3%4%）铁铬木素磺酸盐+（1%2%）铬褐煤+ThermaVis+G-500S3.60%膨润土+0.15%粘封剂+0.15%高温稳定剂（SSMA）+0.50%抗温剂+（1.00%1.50%）Pyrodrill-HT（原浆）+1.50%Hostadrill3188（原浆）抗温能力（）232233232210212.8215220210275应用暂无在墨西哥湾及美国大陆等地广泛应用应用于莫比尔湾地区某井，井底温度204美国Baroid公司研制，暂无相关应用密西西比海域成功钻进7178.04 m埃克森公司研制，暂无相关应用俄罗斯科拉半岛SG-3井，井深12262 m，井底温度215日本“三岛”基地，深6300 m德国KTB科学钻探，井深9101 m，井底温度2802.2 国内高温水基钻井液体系国内高温水基钻井液体系与国外相比，我国深井钻探的研究起步较晚，但经过不断的技术革新和发展，我国在高温水基钻井液方面的技术已十分成熟。以中国石油天然气有限公司所研发的一系列钻井液体系为代表，形成了多种耐高温（200）水基钻井液体系，主要包括：（1）常规的“三磺”、“聚磺”水基钻井液体系；（2）以氨基、有机盐等体系为主的高性能水基钻井液体系；（3）由环保型处理剂构成的环保型水基钻井液体系。这些钻井液体系的抗温能力普遍在 180240，在性能以及应用方面与国外差距不大。国内的超深井主要有油气钻井、科学钻井等，其中油气钻井在新疆塔里木盆地分布较多。新疆塔里木盆地的石油与天然气储量非常丰富，埋藏深度普遍在6000 m以上，埋藏地层环境极为复杂。由于地温梯度的存在，储层所在区域具有很高的温度，深度在 60008000 m 以上储层的温度普遍在170200，深度在 8000 m 以上储层的温度可达200以上，这对钻井技术以及钻井液的性能要求更高（杨海军等，2020）。目前，中国石油塔里木油田公司平均每年完成6000 m以上超深井的数量为109口（汪海阁等，2021），其中以轮探1井为标志，该井于2019年完钻，完钻深度8882 m，为目前亚洲最深钻井。2023年5月1日，中国石化“深地一号”跃进3-3井在塔里木顺北油气田开钻，目标井深为9742 m，井底温度预计在 200以上。除油气钻井外，我国在2000 年后自主完成了诸如松科 2 井、胜科一井、CCSD-1井等一系列大陆科学钻探项目，井底温度均在200以上（刘畅等，2021；Wang et al.，2022）。这些都证明了我国深部钻探技术与国外的差距日渐缩小。我国部分具有代表性的超深井使用的钻井液体系详情如表4所示（万绪新等，2002；张和平等，2005；曾义金等，2005；程军等，2009；李公让等，2009；孙中伟等，2009；胡继良等，2012；徐栋等，2022）。904徐 蒙等：高温水基钻井液研究及应用进展第 4 期表4 国内典型钻井液体系概况Table 4 Overview of typical drilling fluid systems in China名称超高温钻井液有机盐聚胺水基钻井液超高温水基钻井液Duratherm体系轮东1井高温钻井液超高温聚胺有机盐钻井液莫深1井四开钻井液配方1.0%钠土+2.0%凹凸棒土+3%MGH2+1.5%AADS+2%SPNH+1.5%Soltex+2%JLX-T+3%KC1+2%甲酸钠+0.2%Na2SO3+重晶石300mL 清 水+0.3%Na2CO3+2%Visco1+30%Weigh2+2%IND30+2%Redu240+1%DSP1+3%HRFL+2%LU99+0.2%Na2SO34%膨 润 土+1%SDT-108+3%SD101+2%SD202+5%SDT-109+25%LQ10+1.2%SF260+0.5%QS2+0.2%LNW+3%白油主要成分为：Driscal D抗高温(260)聚合物降滤失剂+Desco单宁基产品+磺化沥青Soltex5.0%膨润土+4.0%WFT666+0.1%NaOH+0.1%Na2CO3+1.0%SP-80+1.0%MHR286D+1.0%YX-1+1.0%YX2水+4%增 黏 剂+2%Redu200+4%Redu240+0.2%包 被 剂+70%Weigh+4%白沥青+3%聚合醇+2%降滤失剂+3%超细钙+0.1%NaOH+BaSO42%膨润土浆+2%高温保护剂+5%高温降滤失剂+5%SMP-2+3%SPNH+8%润滑降滤失剂+8%高温封堵剂+3%抑制性降滤失剂+8%KC1+3%润滑剂+0.3%FA367抗温能力（）240235200260200210180应用情况松科2井五开段，井底温度240以上碱探1井，完钻井深6343 m泌深1井，完钻井深6005 m，井底温度236胜科一井，井深7026 m，井底温度235轮东1井，井深7620 m，井底温度200昆1-1井，井深7310 m，井底温度210莫深1井四开井段，井深7500 m，井底温度1903 国内抗高温钻井液技术面临的问题及未来发展趋势3.1 面临的问题面临的问题国外高温钻井液技术已经比较成熟，针对现场需要，对钻井液抗高温能力的提升以及其它各项性能的不断优化是未来研究的方向。相较于国外，国内由于起步较晚，高温钻井液技术的研究与应用水平落后较多。尽管国内学者在近些年来开展了大量具体研究方面的工作，且部分研究成果达到国际先进水平，但多数都仅限于室内试验阶段，得到成功并广泛应用的技术占极少数，且国内高温钻井液总体仍存在抗温能力不足、缺乏专用处理剂、配套体系不够成熟以及相关周边研究不足等问题。综合国内外情况，我国在高温水基钻井液研究方面亟待加强攻关力度，对抗高温钻井液性能的进一步提升以及专用的高温处理剂的研制等开展对应的研究工作。3.2 未来发展趋势未来发展趋势（1）对高温钻井液抗高温等性能的提升主要包括耐260以上高温钻井液处理剂和配方的研制与优化、各种耐高温仪器的研制，重点针对高温条件下钻井液的流变性与降滤失性加以改善，进一步提高钻井液的抗温能力。（2）高温钻井液研制及使用经济成本的缩减通过不断深化研究以优化现有钻井液配方，减少处理剂用量等来降低经济成本，使得高温钻井液配方的研制以及使用的经济效益最大化的同时可以增加适用场景。（3）对高温钻井液环保问题的改善目前，主流钻井液大多仍在使用“三磺”、“聚磺”体系，然而磺化钻井液体系含有大量甲醛、苯酚等有毒化学物质，并且会在钻井过程中产生刺激性气味，产生的废料等物质会对环境造成严重污染。因此亟待研制出耐高温性能更好，又兼具更优异环保性能的高温钻井液体系，这也是目前高温高压钻井液研究的主流方向。4 结论（1）从 20世纪 40年代美国打出第一口超深井至今，国外针对深井、超深井研制了大量的高温水基钻井液处理剂和配方，具有体系齐全、产品系列化可规模应用等特点。随着时代的进步，高温水基钻井液体系的配方也在不断改良，耐高温能力不断提升，各种性能更加完善，目前国外高温水基钻井液体系的抗高温能力普遍可以超过240。（2）国内在高温水基钻井液方面由于起步较晚，相较于国外仍处于落后状态，但经过不断的技术革新和发展，我国在高温水基钻井液方面的技术已十分成熟。以中国石油天然气有限公司所研发的一系列钻井液体系为代表，形成了“三磺”、“聚磺”水基钻井液体系、高性能水基钻井液体系、环保型水基钻井液体系等多种高温水基钻井液体系。目前国内高温水基钻井液体系的抗高温能力普遍在180240范围内。（3）在高温水基钻井液的各类相关理论、材料905地质与勘探2023 年和仪器的研制等方面，国内需要开展大量研究工作，尤其是新型处理剂的研制与开发，是高温水基钻井液技术进步的关键所在，需要优先重视处理，为未来新阶段的科学钻探做好准备工作。ReferencesAgwu O E，Akpabio J U，Ekpenyong M E，Inyang U G，Asuquo D E，Eyoh I J，Adeoye O S.2021.A comprehensive review of laboratory，field and modelling studies on drilling mud rheology 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