油气井工作液技术新进展

油气井工作液技术进展
摘要
随着石油勘探开发技术的不断发展，对钻井液提出了更高的要求。

国外一些公司相继研制并推广了聚合醇钻井液、正电胶钻井液、甲酸盐钻井液、稀硅酸盐钻井液和微泡钻井液等具有国际先进水平的水基防塌钻井液新体系，以及环保性能优良的第二代合成基钻井液和逆乳化钻井液新体系。

国内在生产中结合实际情况，借鉴国外新技术，逐步形成了两性离子聚合物钻井液、正电胶钻井液、硅酸盐钻井液、甲基葡萄糖苷钻井液、聚合醇钻井液等一系列新技术，并在逐步形成高难度的超高温和超高密度钻井液体系。

国内在钻井液整体水平上与国外的差距仍然很明显，特别是国内外在钻井液技术与管理方面存在的认识上的区别，主要表现在目的、设计理念、处理剂、实施过程、对泥浆工程师的要求、创新目标、环境保护等方面，这是制约国内钻井液整体水平和技术进步的主要问题。

通过分析得出
了一些认识，即：钻井液技术的发展依赖于新型钻井液处理剂的研制；对钻井液的维护不仅要注重过程控制，还要重视早期维护处理；提高钻井液的抑制性，确保钻井液的清洁有利于保护油气层；要通过“预防+巩固”的井壁稳定思路，进一步提高井壁稳定效果；钻井液无害化处理要从钻井液处理剂研制、生产以及钻井液设计、维护处理等全过程考虑。

建议今后钻井液技术工作要注重钻井液处理剂的超前研究，深入开展超高温和超高密度钻井液研究，加大油基钻井液的研究力度，通过认识上的提高来缩小国内在钻井液技术上与国外的差距。

关键词钻井液抑制性钻井液处理剂高温高压油基钻井液环境保护
1前言
近年来，随着石油勘探开发技术的不断发展，特别是深井、超深井及特殊工艺井钻探越来越多，对钻井液提出了更高的要求。

“安全、健康、高效”的钻井液技术，标志着钻井液技术研究和应用进入了一个全新的发展阶段。

围绕钻井液工程技术和“安全、健康、高效”这一发展主题，国外一些公司相继投入大量的人力和财力，以满足复杂条件的钻探技术油气层保护、油气测录井与评价、环保要求以及提高油气勘探开发综合效益等为目标，开展了大量基础理论和应用技术研究，取得了一系列的研究成果和应用技术。

如研制并推广了聚合醇钻井液、正电胶钻井液、甲酸盐钻井液、稀硅酸盐钻井液和微泡钻井液等具有国际先进水平的水基防塌钻井液新体系，以及环保性能优良的第二代合成基钻井液和逆乳化钻井液新体系。

这些研究在很大程度上体现出21 世纪钻井液技术发展的方向。

就国内来说，在实践经验的基础上，钻井液技术工作始终围绕钻井生产需要，把解决复杂问题、缩短完井周期作为努力方向。

特别是近年来，在深井、超深井钻井液方面取得了一系列新成果，解决了一系列生产难题。

在生产中结合国内实际，借鉴国外新技术，逐步形成了两性离子聚合物钻井液、正电胶钻井液、硅酸盐钻井液、甲基葡萄糖苷钻井液、聚合醇钻井液等一系列新技术，并在逐步形成高难度的超高温和超高密度钻井液体系，为我国钻井液技术的进一步发展奠定了基础。

在气体钻井方面，针对普光气田的需要，通过引进、消化、吸收，逐步完善了一套适合普光气田安全施工要求的气体钻井(包括雾化和泡沫)技术。

在防漏、堵漏方面，逐步建立了一套从找漏到堵漏，防堵结合的有效堵漏方法，并借助成像测井技术对井漏
特征、堵漏机理有了更清晰的认识，结合现场实际建立了行之有效的防漏、堵漏模拟评价实验装置，使室内评价更符合现场实际，逐步使堵漏一次成功率得到有效的提高，凝胶堵漏剂的研究与应用，使堵漏技术有了长足的进步。

在井壁稳定方面，引入了“多元协同”钻井液防塌理念，为了提高封堵和强化钻井液的抑制性，研制了一系列专用的抑制剂，形成了胺基防塌钻井液体系、聚合醇钻井液体系、正电胶钻井液体系等。

同时围绕环境保护的需要开展了有机盐钻井液、甲基葡萄糖苷钻井液和生物可降解钻井液的研究与应用，并围绕钻井废水和钻井液无害化开展了大量的卓有成效的工作，特别是普光气田的钻井废水和钻井液无害化处理，有效地保护了环境，保证了普光气田的勘探开发进度。

2钻井液技术现状
纵观国内外钻井液技术的发展现状，新技术、新体系很多，正是由于一系列新体系和新技术的应用，在一定程度上促进了钻井液工艺技术的进步。

这里结合国内外钻井液实际情况及有关文献，就一些有代表性和突出特性的钻井液体系及相关技术进行简要介绍。

2.1
超高温高压水基钻井液近期超高温水基钻井液研究的关键是AMPS系列耐温抗盐聚合物的应用，以及抗温抗污染交联聚合物和水解稳定性强的聚合物类钻井液处理剂研制，同时还要考虑处理剂的长期稳定性和配伍性，通过引入海泡石可以提高体系的热稳定性。

在深井高温环境中，水基钻井液往往会增稠或胶凝甚至固化，导致钻井液流变性失控，严重影响深井钻井的安全与效率。

特别是高温高压环境使用的水基钻井液必须保证在密度大于1.9g/cm3、温度高于240℃的情况下稳定。

其关键是有效抑制黏土的高温分散作用，在有效加量范围内添加降滤失剂，以保持高密度钻井液的流变性。

国外一些公司根据抗高温水基钻井液需要，研制出以COP-1、COP-2、MIL-TEMP、PYRO-TROL、KEM-SEAL 等为代表的独具特色的抗高温处理剂产品，成功地应用于实践，取得了较好的效果，最高使用到井底温度272℃。

国内在超高温钻井液处理剂及钻井液体系研究方面也取得了长足进步，特别是水基钻井液处理剂，开发出以PAMS 为代表的磺酸盐聚合物以及适用于超高温钻井液的专用处理剂，如LP527、MP488、HTAMP 等，其性能接近国际先进水平。

在钻井液体系方面也取得了可喜的成绩，完成了一批超高温井的施工，如大庆油田在松辽盆地北部深层徐家围子部署的徐深22 井，设计井深5300m，完钻井深5320m，井底温度213℃；新疆油田在克拉玛依莫索湾背斜上所钻的莫深1 井，设计井深达7380m，井底温度超过200℃，钻井液密度达2.2g/cm3；胜利油田完成的胜科1 井，设计井深7000m，完钻井深7026m，测试井底温度也超过235℃；江苏油田在钻的徐闻X-3 井预计井底温度190℃。

2.2欠平衡钻井液
欠平衡钻井液技术是实施欠平衡钻井的关键技术之一，确保井底处于欠平衡状态是欠平衡钻井技术的核心。

国外在这方面应用较多的主要有气体、雾化、泡沫、充气泡沫钻井液等。

除气体及相关技术以外，今后国内应在泡沫和充气钻井液的基础上，开展超低密度钻井液研究。

2.2.1 气体钻井流体
气流体是指空气或天然气、氮气、二氧化碳、防腐剂及干燥剂等组成的循环流体。

气流体钻井的优点是可大幅度降低压差，大大提高机械钻速，延长钻头使用寿命；减少对敏感地层的损害，保护低压油气层；可安全钻穿易漏层。

其缺点是钻遇天然气层时易引起井下着火与爆炸，造成井下钻具破坏，所以气流体钻井选择气体类型很重要。

普光气田在
上部地层通过应用气体钻井，较之常规钻井液平均机械钻速提高3～8 倍，促进了该地区的
开发速度。

2.2.2 雾化钻井流体
雾化流体是空气、发泡剂、防腐剂和少量水混合组成的循环流体，其中空气是连续相，液体是非连续相，适于钻开出液量低于24m3/h 低压油气层。

其优点类同于空气钻井，缺点是需要的空气量比空气钻井多20%～40%，否则井下不安全，且在超深井中易腐蚀钻具。

用空气/雾化在老井中进行欠平衡开窗侧钻，可以明显减少地层伤害。

如国外使用空气/雾化在下套管的直井中进行欠平衡开窗侧钻，在钻井过程中，由于套管被挤扁，未钻到设计井深提前完钻。

尽管如此，经对侧钻井段的裸眼流动测试，测得的产气量是原直井段综合产气量的10 倍，效果显著。

中原油田在普光气田进行气体钻井地层出水的情况下，成功地应用了雾化钻井，与钻井液方法相比机械钻速提高3～5 倍。

2.2.3 充气水基或油基钻井液体系
充气钻井液是将空气注入钻井液内来降低流体液柱压力，其密度最低可达到0.59g/cm3，钻井液和空气的混配比一般为10∶1。

用充气钻井液钻井时，环空速度要达到0.8～8.0m/s，地面正常工作压力为3.5～8.0MPa。

钻进过程中要注意空气的分离和防腐、防冲蚀等问题，要求有配套工艺和地面充气设备。

在加拿大阿尔伯达的Camrose 油藏，用充气钻井液钻成了一口水平井，水平段长548.64m。

该水平井完钻后经测试，其产量是该地区直井产量的2.5～6 倍。

国内这方面也有尝试。

2.2.4 泡沫钻井液
泡沫钻井液是气体介质分散在液体中，并配以发泡剂、稳泡剂或黏土形成的分散体系，常用于低压产层钻井。

常用泡沫钻井液一般为硬胶泡沫和稳定泡沫。

硬胶泡沫是气体、黏土、稳定剂和发泡剂配成的稳定性比较强的分散体系。

稳定泡沫是指空气(气体)、液体发泡剂和稳定剂配成的分散体系，它具有密度低、携岩能力强、对油层伤害小的特点。

国内外均成功使用，并取得较好效果。

如中原油田在元坝地区大井眼钻井中采用可循环泡沫钻井液，并通过采用自己研制的消泡器，有效地提高了钻井速
度，解决了大井眼携砂问题。

2.2.5 微泡钻井液
Aphron 钻井液(微泡钻井液)是针对开发枯竭地层的需要而研制的。

Aphron 钻井液最主要的特性是流变性及泡沫的存在，具有很高的剪切稀释性，表现出非常高的低剪切速率黏度以及低触变性。

钻井液中的表面活性剂将混入的空气转化为非常稳定的泡沫，即Aphrons，空气混入可使用常规钻井液混合设备完成。

与靠表面活性剂单分子层达到稳定效果的普通空气泡沫相比，Aphron 的外壳是由一种非常稳定的表面活性剂三层结构组成，内层为被黏性水层包裹着的表面活性剂薄膜，内层外是表面活性剂双层结构，该双层结构使Aphron 的这种结构具有稳定性和低渗透性，同时还具有一定的亲油性。

在北海等枯竭油层和低压地层的应用证明，在易漏失和易发生压差卡钻的低压层和多压力层系中，微泡钻井液是最佳体系。

微泡钻井液的特性能减轻钻井液侵入渗透性地层或微裂缝性地层。

2.3无黏土相盐水钻井液
采用无黏土盐水钻井液，可以消除人为加入的黏土矿物微粒造成的地层损害问题，有利于提高钻速，以盐类作为加重剂和抑制剂，可提高其防塌能力。

由于无黏土相钻井液没有固相，钻井液在环空流动阻力小，且流变性、润滑性和抑制性好，比较适合于小井眼和多分支井的钻井。

2.3.1 甲酸盐钻井液
采用甲酸盐(甲酸钠、甲酸钾和甲酸铯)作为密度调节剂的钻井液体系，密度最高达2.3g/cm3。

该体系主要由甲酸盐、AMPS 聚合物增黏剂和降失水剂组成，配方组成较为简单，具有油层保护性能好；抑制水化能力强，防塌效果好；循环流动摩阻压耗低，有利于提
高喷射钻井速度；甲酸盐可生物降解，环保性能好；腐蚀性小等优点。

且甲酸盐能提高与之配伍使用的聚合物抗温性，钻井完井液体系易于回收再利用。

2.3.2 新型CaCl2/Ca(NO3)2复合盐水无黏土相钻井液
该体系采用CaCl2和Ca(NO3)2代替CaBr2作为密度调节剂，可以使钻井液密度达到1.65g/cm3，结晶温度最低可调节为-50℃，适用于低温环境，同时也避免了溴化物对环境的污染问题。

该体系可用于易塌地层的钻探。

2.3.3 硫酸钾钻井液体系
以硫酸钾为加重剂和抑制剂，与聚合物类处理剂一起组成无固相硫酸钾钻井液体系，具有腐蚀性小、防塌效果较好等优点，对气层岩心的渗透率恢复值高达90%以上，同时消除了Cl-的不利影响。

2.3.4 磷酸氢二铵聚合物钻井液
采用磷酸氢二铵作为抑制剂，与聚合物类处理剂一起组成无固相磷酸氢二铵钻井液体系，具有pH 值低(7.8～8.5)、无腐蚀、电阻率大、抑制性强、防塌效果较好等特点，不仅有利于保护油气层，而且对环境无污染。

2.3.5 细目NaCl 或CaCO3
作为暂堵剂的盐水钻井液该体系由生物聚合物、淀粉、溶解的NaCl 及细
目NaCl 盐粒或CaCO3等组成，优点是具有良好的触变性，泥饼薄而致密，能有效地防止滤液和固相侵入，在钻井过程中形成的泥饼容易返排，易被酸、氧化剂及欠饱和盐水去除。

2.4环保钻井液
2.4.1 有机盐钻井液
有机盐钻井液是近年发展起来的一种新型无固相水基钻井液体系，是基于低碳原子(C1~C6) 碱金属有机酸盐(甲酸色、乙酸钾、柠檬酸钾、酒石酸钾)、有机酸铵盐(乙酸铵、柠檬酸铵、酒石酸铵)、有机酸季铵盐的钻井液完井液体系。

有机盐钻井液具有防塌抑制性能好、保护油气层、腐蚀性低、环保及可回收再利用的特点。

加之具有低固相、高密度的特性，有利于提高机械钻速。

目前，有机盐钻井液体系的优越性已得到世界石油工业界的认可和重视，在欧洲和美国已得到广泛应用，均取得很好的效果；在国内，有机盐钻井液先后在海上油田及塔里木油田进行了现场试验，使用效果明显。

2.4.2 甲基葡萄糖苷钻井液
甲基葡萄糖苷钻井液是国外20 世纪90 年代提出的一种新型水基钻井液体系，由于它在防塌机理及常规钻井液性能方面类似于油基钻井液，又称为仿油基钻井液体系。

MEG 是葡萄糖的衍生物，由淀粉制得，无毒性，且易生物降解。

MEG 分子是含4个羟基和1 个甲基的两排环状结构。

大量的室内研究和生产实践证明，甲基葡萄糖苷钻井液能有效地
抑制泥页岩水化膨胀，维持井眼稳定，保护油气层，同时还具有良好的润滑性能、抗污染能力和高温稳定性，并且无毒、易生物降解，对环境影响极小，具有极好的应用前景。

国内已经开展了大量的应用研究，收到了明显的效果，为了进一步提高其抑制性，可以考虑开发阳离子型甲基葡萄糖苷。

2.4.3 合成基钻井液
是以人工合成的有机化合物作为连续相，盐水作为分散相，以及乳化剂、降滤失剂、流型改进剂等组成的钻井液体系。

与油基钻井液相比较，其区别在于，将油基泥浆中的基油(柴油或矿物油)替换成可生物降解又无毒性的改性植物油类。

最初的希望是：合成有机物的物理性质应与矿物油相似、毒性必须很低、无论在需氧或厌氧的条件下均可以生物降解。

目前，在墨西哥湾和北海油田等地区，使用合成基钻井液已非常普遍。

据不完全统计，在世界范围内已有500 多口井使用了合成基钻井液。

合成基钻井液分为一代和二代，第一代主要为酯类、醚类和聚α-烯烃(PAO)类；第二代主要为线性α-烯烃(LAO)类、内烯烃(IO)类、
线性烷烃(LP)类和线性烷基苯类。

以线性α-烯烃聚合物为主的第二代合成基钻井液与第一代相比，黏度较低，配制成本也较低，而且有更强的生物降解能力，且第二代合成基钻井液更适于在高温深井中使用。

2.4.4 聚合醇钻井液
聚合醇钻井液是以聚合醇为主剂配制的环保型水基钻井液体系，不但具有油基钻井液的优异性能，而且不存在污染环境和干扰地质录井问题。

聚合醇包括聚乙二醇(聚丙烯乙二醇)、聚丙二醇、乙二醇/丙二醇共聚物聚丙三醇或聚乙烯乙二醇等，是一种非离子表面活性剂，溶于水，但其溶解度随温度升高而下降，到达某个温度后聚合醇溶液就会形成浊状的微乳液(聚合醇部分析出)，当温度降低时聚合醇又完全溶解。

聚合醇发挥作用的关键是浊点，浊点与聚合醇化学组成有关，并随其加量及钻井液含盐量的增加而下降。

因而可通过选用不同种类的聚合醇、调整聚合醇加量和含盐量来改变浊点。

利用聚合醇浊点效应，当钻井液的井底循环温度高于聚合醇浊点时，聚合醇发生相分离，不溶解的聚合醇封堵泥页岩的孔喉，阻止钻井液滤液进入地层，从而使钻井液与泥页岩隔离，起到稳定井壁的作用。

此外，聚合醇通过在泥页岩表面产生强烈吸附(吸附量随温度升高而增加)，形成一层类似油的憎水膜，不仅可阻止泥页岩水化、膨胀与分散，还能提高钻井液的润滑性。

聚合醇钻井液毒性很低，
有利于环保，国外已广泛用于海洋钻井，效果良好。

近年来，国内海上和陆上油田均大量应用聚合醇，但没有形成完善的体系，只是当作一种处理剂。

值得强调的是，在使用聚合醇时必须针对地层温度选择浊点，关于浊点的设计还需要开展研究。

2.4.5 可逆乳化钻井液
在钻井过程中，油基钻井液具有许多水基钻井液不具备的优点，但在完井过程中，油基钻井液又存在一些缺点，如虑饼清除、水泥和地层之间的胶结强度、钻屑表面的残留油、钻屑及废钻井液的处理问题。

特别是对于常规油基钻井液，把残余的钻井液留在井筒、油润湿地层和套管里，导致水润湿地层和套管之间可达到的水泥胶结强度大大下降。

针对油基钻井液存在的问题，近年来国外研制出一种新型可逆的逆乳化钻井液体系。

这种钻井液在钻井时具有油基泥浆的性能，通过改变乳状液的性质，在完井过程中可以体现出水基钻井液的优点。

这种可逆的逆乳化钻井液使钻井液在性能、产量、最小环境影响、成本控制等各方面都达到要求。

该钻井液体系已在北海等地区得到成功应用。

2.5防塌钻井液
2.5.1 硅酸盐钻井液
硅酸盐钻井液具有无毒、无荧光、低成本的特性，另外，硅酸盐钻井液通过多方面的协同作用来稳定井壁，因此，日益受到人们的重视。

硅酸盐钻井液抑制性强、抗污染能力强，具有良好的环境相容性，但硅酸盐钻井液也存在很多问题，如：硅酸盐凝胶和硅酸盐沉淀能堵塞油气层孔隙，且堵塞作用不易清除；性能调整困难，对钻井液pH 值比较敏感；硅酸盐与其他钻井液处理剂配伍性差；钻井液摩阻大等。

目前国外针对硅酸盐钻井液堵塞油气渗流通道问题，已发明了硅酸盐破碎剂，能有效清除硅酸盐对油气层的损害，从而使其应用前景更加广阔。

该钻井液体系在北海、阿拉斯加、墨西哥湾等地区广泛使用。

国内在这方面也进行了大量的研究与应用，今后仍需要针对其存在的问题，从与体系配伍的处理剂研制出发，逐步完善硅酸盐钻井液体系。

2.5.2 阳离子聚合物盐水钻井液
阳离子聚合物盐水钻井液是由低相对分子质量阳离子聚合物(主要为二甲胺对环氧氯丙烷缩聚物)、KCl、淀粉(为滤失控制剂)、生物聚合物(黄厚胶)等组成，以重晶石为加重剂。

钻井液中阳离子聚合物能吸附到井壁上带负电的黏土表面和钻屑上，从而抑制页岩的分散。

由于阳离子的强吸附作用，钻井过程中钻井液中的阳离子聚合物会不断消耗，因此钻井中要针
对井眼尺寸、页岩活性和钻井速度保持过量的阳离子聚合物含量。

应用表明，阳离子聚合物盐水钻井液抑制页岩水化分散的能力优于常用的水基泥浆，其抑制能力可以达到油基钻井液的水平。

国内在阳离子钻井液方面也开展了应用研究，但由于缺少配套的处理剂，没有大面积推广。

2.5.3 胺基抑制性水基钻井液
国外钻井液公司按照“总体抑制”理念，即在保证页岩、黏土和钻屑稳定性的同时，改善一些关键性能，如提高机械钻速、防止钻具泥包及降低扭矩、起下钻遇阻现象等，研制出了一种由水化抑制剂、分散抑制剂、防沉降剂、流变性控制剂和降滤失剂等组成的胺基抑制型钻井液。

水化抑制剂是一种水解稳定性强，对海洋生物毒性低的水溶性胺化合物，具有pH 值缓冲剂的作用；分散抑制剂系低相对分子质量水溶性共聚物，具有良好的生物降解性，对海洋生物的毒性低；防沉降剂为可包被钻屑和吸附在金属表面的表面活性剂和润滑剂的复合物，可减少水化钻屑的凝聚及其在金属表面的黏结；流变性控制剂为黄原胶；降滤失剂为低黏的改性多糖聚合物，在高含盐量或高钻屑含量的钻井液中均可保持稳定。

该钻井液在墨西哥湾的现场试验表明，钻井液的稳定性和流变性良好，没有出现钻头泥包等问题。

胺基抑制性钻井液的关键是胺基抑制剂，目前公认胺基抑制剂效果最好，因此国内近年来在抑制性胺基钻井液方面比较活跃，就胺类抑制剂而言，国内早在20 世纪80~90 年代就开展了工作，并大量应用，如XA-1、NW-1 和HT-201 等。

在胺基抑制剂研究方面，仍需要进一步优化分子设计，提高其与传统处理剂的配伍性，控制适当的相对分子质量，以充分发挥其作用。

2.5.4 混合金属硅酸盐钻井液
混合金属硅酸盐(MMS)与预水化膨润土形成的复合物，具有与MMH 钻井液相似的特殊流变性能，但其与膨润土之间相互作用的特性与MMH 不相同。

MMS 膨润土浆的流变剖面更平，携屑能力更强，在低剪切速率下具有更高的黏度，从而降低了通过地层孔喉和裂缝的漏失量，因而可用来钻进易漏失地层。

MMS 钻井液的缺点是钻井液与强阴离子处理剂不配伍，且不能容纳高浓度的盐。

无论是MMS 还是MMH，今后仍然需要开展工作。

前几年MMH 叫得很响，近年来却趋冷，这是由于当时没有形成真正的MMH 钻井液体系，只是把MMH 当成一种剂，加之过度的炒作，原本很好的东西被忽视了。

2.5.5 氯化钙钻井液
为了解决钻遇高活性软泥岩地层易造成的各种问题，特别是不能彻底清洁井眼，发生钻头泥包、卡钻等，国外研制了一种强抑制性的氯化钙钻井液。

应用表明，该钻井液在钻黏土井段时，显示出优异的包被和抑制性，在钻井中没有出现钻头泥包，也没有出现软泥岩在底部钻具组合或套管下扩眼器上的堆积。

从振动筛上可以见到返出的离散的干钻屑，尽管采用了210 目的振动筛，而钻井液的损失却很少，证明钻井液流动性好，清洁而抑制性强。

国内在这方面也开展了一些工作，并在现场应用中取得了很好的效果，但体系中钙离子含量还比较低，将来仍然需要进一步研究。

2.6油基钻井液
2.6.1 低毒油基钻井液
国外提出了以植物油作为基油的低毒油基钻井液。

植物油可循环利用，具有高降解性，同时具有很高的闪点、燃点以及很好的高温稳定性，直接排放不会对环境造成不利影响。

由于其易降解性和低毒性，使植物油基钻井液的环保性能与水基钻井液相当，因此，植物油基钻井液可以解决现在及未来的技术和环境问题。

常规的植物油配成的钻井液会有很高的黏度和显著的热降解性，经处理的植物油具有适宜的低剪切流变性，在150℃下老化16h 后钻井液的流变性无显著变化，因此植物油基钻井液可望应用于较高温度地层的钻井中。

2.6.2 全油基钻井液。