钻井液技术发展历史及未来趋势

钻井液技术发展历史及未来趋势

2014-08-14能源情报文/蔡利山中国石化石油工程技术研究院

钻井液技术的发展与钻井工程的技术需求不可分割，从20 世纪初始以自然造浆方式进行钻探作业到今天专业化多功能的钻井流体的广泛应用（各种钻井液体系的应用情况详见表1），时间经过了大约 1 个世纪。在此期间，钻井液工艺和材料一直在不断发展。由于理论与手段（甚或思维方式）的局限性，其发展过程可能会出现反复，发生技术革命的因素正在积累，但最终的突破点在哪里，目前仍显得扑朔迷离。

从表 1 可以看出三大特点：一是应用于特定环境下的特种钻井流体，如气基、泡沫、盐基流体等，这类技术自出现以后一直应用至今；二是效果稳定、操作简单的体系一直在沿用，如油基钻井液；三是具有持续技术传承的体系，如聚合物及其衍生体系，就目前的发展情况看，由于新材料研发因素的支撑，可能是最具生命力的一个领域。

从本质上讲，钻井液的功能实际上有两个：一是保持井壁稳定，以确保井眼在钻达设计深度之前，上部裸眼井段几何形状的变化不会影响正常的钻进作业；二是及时高效地将钻头破碎的岩屑携带至地面，以保持井筒清洁。除此之外的所有功能都是钻井液的衍生或附加功能，从钻井工程的性质看，保持已钻成井眼的稳定是第一位的，没有这一基础，与钻井工程有关的所有技术环节都无从谈起。鉴于此，围绕井壁稳定需求进行的技术探索从未停止过，相关研究多集中在钻井液体系、工艺材料、应力平衡技术以及能量变化对井壁稳定性影响的研究等方面。

1 钻井液体系的研究

这方面的研究一直是重点，且较为活跃。

1.1 钾基聚合物体系

为了尽可能发挥高价金属离子的化学抑制作用，在钻井液中常常同时加入KCl 和石灰（CaO），以利用Ca2＋稳定矿物晶格的能力，这种体系国外被称为钾钙基或钾石灰聚合物体系。

国内的高钙盐体系于2000 年前后开始投入现场应用，其特点是采用抗钙能力很强的聚合物助剂与CaCl2共同形成Ca2＋高于1000mg/L（滤液）的稳定钻井液体系。考虑到成本因素，现场维护时滤液中的Ca2＋通常保持在1200～1400mg/L，很少超过1600mg/L。此技术有效发挥了Ca2＋能够提高体系化学抑制能力的效率，极大地提高了钾钙基钻井液体系的化学防塌能力，可以认为是钻井液在防塌技术上的一个进步。

1.2 阳离子体系

随着化学抑制理论的不断发展，人们认识到阳离子基团在有序吸附排列于黏土矿物晶层的同时可以有效地将吸附水分子排挤出来，使黏土矿物产生去水化效应，亦即阳离子化以后的钻井液体系能够最大限度地发挥抑制防塌作用。国内在1987 年前后开始在现场试用阳离子钻井液体系（或者是以阳离子化的钻井液助剂对常规钻井液体系进行改造），1995 年以后，关于阳离子钻井液体系及其相关助剂的研究与现场应用案例明显增加。在对以往10 年阳离子钻井液技术研究与应用总结的基础上，殷平艺在1998 年首次提出了“新的钻井液研究必将以带有正电固相颗粒的阳离子钻井液体系为主体”的观点。但就总体效果看，这方面的研究没有突破性进展，但探索性的工作一直没有停止，直到现在仍可看到个别井使用阳离子体系的报道，但大多数时候是将阳离子助剂作为抑制剂或包被剂使用。

1.3 正电钻井液体系

2000 年以后，正电钻井液开始进入现场试用，这实际上是一种完全阳离子化的体系，其标志是体系（或滤液）的ξ 电位至少应大于0，考虑到正、负两种电荷中和效率极高，最终形成的正电钻井液的ξ 电位应不低于20mV，以便能够有足够多的正电荷用于支付以钻屑为主的负电性物质的消耗，如此方可投入现场试用。从部分井的现场应用情况看，正电体系实质上是阳离子化程度较高的阳离子体系，其ξ 电位一般不高于-20mV（传统水基钻井液的ξ 电位通常在-40～-30mV），这主要是因为现场条件下进入浆体的各种物质大多是负电性的，加之体系配伍的正电助剂不成熟，维护处理时仍以常规助剂为主，正电助剂反而成为辅助添加剂，导致正电体系在短时间内回归为常规体系。纵观钻井液化学抑制理论的发展历程，在防塌技术实践中，正电钻井液体系的研究原本是最有希望出现革命性突破的节点，但因理论的运用与现实发生了严重冲突，最终导致这种技术性的探索工作前景黯淡。

1.4 KCl—聚胺强抑制体系

这是一种以聚季胺为主的小分子（MW≤1000）型强抑制剂，从分子类型看，聚胺钻井液隶属于阳离子钻井液一族。由于该体系抑制能力很强，并且没有油基钻井液带来的环境问题，因此研究与现场应用非常迅速，国内从2007 年前后

开始投入项目研究，2011 年已经规模化推广应用。现场应用情况表明，聚醚胺类抑制剂与无机盐具有很好的协同配伍效应，例如聚醚胺与常规的KCl 体系配伍后能够极大提高化学防塌抑制能力，在比较理想的情况下其效果接近油基体系，这是单纯以提高体系K+含量无法做到的。

1.5 硅酸盐体系

硅酸盐体系具有与其他常见钻井液体系不同的防塌与抑制机理，现在比较公认的防塌机理有4种：

（1）通过硅酸盐与地层水中无机盐反应后产生的化学沉积物封堵地层微裂隙，并具有弥合破碎地层效应；

（2）与中性或弱酸性地层水相遇后产生胶凝物，并随着液柱压力进入到地层一定深度后凝结形成具有膜效应的封堵壳；

（3）高温下（T≥105℃）硅酸盐的硅醇基与黏土矿物的铝醇基发生缩合反

应产生胶结性物质，对破碎地层具有较好的黏接作用；

（4）与硅酸盐配伍的各种无机盐能够有效降低滤液的活度，降低或消除滤液进入地层的渗透压，使地层产生去水化过程改善其稳定性。硅酸盐钻井液早在20 世纪30 年代即投入现场使用，但因技术原因直到90 年代中期才在个别井应用成功。现场应用情况表明，该体系具有突出的井壁稳定能力，能够在复杂地层中以较低密度实现安全钻进。

1.6 其他体系

比较典型的如2000 年前后开始投入现场应用的有机盐体系，于20 世纪90 年代末期首先应用于中国西部地区，从推广应用情况看，有机盐主要被用于如下情况：①作为抑制剂或水活度控制剂使用；②作为无固相体系加重剂使用；

③用于储层保护体系的配制；④与其他盐共同作为复合盐使用。

在深井和复杂地层，有机盐一般被用于保持或提高体系的化学抑制能力。其他如聚合醇体系、MEG 仿油基体系等也均是首先基于提高体系防塌抑制能力目的而研制开发的，由此可以看出，钻井液体系井壁稳定能力的强弱是其是否具有进一步研究推广价值的基础。

2 钻井液工艺技术与材料的研究

2.1 工艺技术方面