深水鉆井液國內外發展現狀

羅健生， 李自立， 羅曼， 李懷科， 劉剛， 趙春花

（1.中海油田服務股份有限公司，河北燕郊065201；2.中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津300452）

隨著石油勘探開發的不斷深入， 鉆井作業已進入深水區。深水油氣資源主要分布在墨西哥灣、 巴西、 西非， 一直到東非、 地中海、 印度、 澳大利亞、中國南海等。目前深水鉆井的開發得到了迅猛發展，水深從1982年的500 m到2012年的1 500 m， 再到現階段的3 050 m。近來全球的鉆井作業， 深水井占28%，但在深水鉆進過程中，鉆井液面臨諸多挑戰，如泥線溫度低而井底溫度高、鉆井液流變性難于調控、氣體水合物堵塞管匯、井眼清潔差、重晶石沉降、ECD變化大、容易引起井壁失穩及井下漏失等復雜情況[1-3]。介紹了深水地層特性、深水鉆井液設計要求及國內外深水鉆井液技術發展現狀。

1 深水地層特性

深水地層比較復雜，有鹽巖地層、疏松性砂巖、濁積扇砂巖及活性泥巖等，其特點如下。①鹽巖地層分布廣， 鹽層厚度大， 如巴西及墨西哥灣均存在巨厚的鹽巖地層， 巴西海域鹽巖厚度達2 000 m。②鹽巖地層強度低，易發生蠕變，深水鹽巖地層對鉆井是一個很大的挑戰，鹽傾向于在垂直及水平方向上發生蠕變，且從頂部到底部，鹽的蠕變速率變化很大。針對鹽巖地層， 既要優化井身結構，增加井壁的周向應力，又要設計一套高性能合成基鉆井液體系，控制鉆井液低溫下不增稠，降低ECD，減少井下漏失。③儲層厚、面積大，儲層壓力及溫度高，富含油氣，如巴西海域深水儲層位于厚鹽巖層之下，富含低酸、低含硫量的優質原油，該油藏厚度為915 m，但有些儲層含油和CO2（占2%～12%），而CO2具有腐蝕性。在厚的鹽層下，非均質微生物碳酸鹽儲層蠟含量較高。儲層溫度高達127 ℃，壓力高達69 MPa，垂深超過5 800 m（TVD Subsea）。在墨西哥灣深水油田，水深為3 050 m，存在厚鹽層，垂深超過9 100 m（TVD Subsea），儲層壓力超過172.5 MPa，溫度達到149 ℃。墨西哥灣一個重要目標區塊沿著Texas， Louisiana和Mississippi聯邦水域延伸482.8 km長，可開采儲量高達4.769×108～23.847×108m3。④疏松性砂巖及濁積扇砂巖，儲層層位多。在某些方面，西非的深水儲層與巴西及美國墨西哥灣的深水有相似之處。但西非與巴西泥線溫度低至-2.5 ℃[3]，西非深水的開發也面臨著巨大挑戰，如疏松性砂巖，多個儲層及儲層段水、氣流的變化。沿著西非塞拉利昂-加納轉換邊緣，深水開發的主要目標區塊儲層為濁積扇砂巖，其圈閉為斷塊圈閉、地層圈閉或者二者兼而有之。在尼日爾三角洲和較低的剛果盆地，深水目標區塊較厚，早第三紀（漸新世至中新世）主要為濁積砂，通常是在深水斜坡和盆地底部沉積而成。最近延伸在安哥拉和加蓬的深水區塊重新引起關注。在西非發現的大多數油氣層水深為300～2 000 m，有的則超過3 000 m。近來在亞太地區也發現很多深水油氣資源，如馬來西亞的沙巴盆地，根據美國地質學家估計有3.791×108m3油和7 480×108m3天然氣，此外還有馬來西亞的沙撈越盆地和婆羅洲的近海陸架等。⑤斷層發育，易發生漏失，如南中國海深水地層承壓能力低，井漏風險高，井壁穩定問題比較突出，目標儲層位于大型鼻狀構造帶位置，下伏控凹大斷裂及超壓裂隙帶發育，有利于油氣垂向運移，又處于強超壓面之上，成藏效率高，有優越的成藏條件。鑒于上述深水地層的復雜性及多樣性，深水鉆井液設計面臨著極大挑戰。

2 深水鉆井液設計要求

針對深水鹽巖、活性泥巖及其它復雜地層，為了保證作業安全，對于深水鉆井液設計，要求如下。①低溫流變性。使用高性能恒流變合成基鉆井液，減少井下漏失壓力和泥線低溫下的ECD，要求鉆井液在4～65.5 ℃條件下動切力、靜切力及φ3、φ6讀數變化平穩；而對于安全密度窗口較大的地層，還可以選擇使用高性能水基鉆井液。②氣體水合物。對于水基鉆井液，要求使用熱力學抑制劑，如氯化鈉、氯化鉀、氯化鈣、甲酸鈉等其中的一至二種，醇類物質如甲醇、乙二醇、聚合醇等[4]；或者使用動力學抑制劑，如聚乙烯吡咯烷酮、聚甘油酰胺酯等。③井壁穩定。對于鹽巖或活性泥頁巖地層使用高性能恒流變合成基鉆井液體系，要求其乳化能力強、礦化度高及ECD變化小；若使用水基鉆井液，則要求其具有很強的抑制黏土水化膨脹和分散的能力，作業時要連續監控鉆屑，使其不分散，以確保井壁穩定。④重晶石沉降。為了提高鉆井液的懸浮性，可以加入提切劑。⑤井眼清潔。深水隔水管長、環空體積大，要求鉆井液攜帶能力強，且需連續監控鉆屑，以確保盡可能不形成巖屑床，裸眼段的循環壓力不能超過破裂壓力梯度。⑥鉆速。使用低固相含量的水基鉆井液鉆進，聚合物和表面活性劑有利于提高鉆速。⑦深水淺層流。大量的高密度液體有利于防止淺層流，保證井壁穩定。⑧潤滑性及防泥包。要求鉆井液具有很強的潤滑性及防泥包能力，這有利于防止高的扭矩及降低摩阻。⑨深水高溫高壓。要求鉆井液在高溫高壓時保持性能穩定。⑩鉆井液抗污染能力強，對儲層損害小，防腐，環境友好。

3 深水鉆井液體系

深水鉆井液一般有深水水基、合成基和油基鉆井液體系。對于水基鉆井液，需要使用熱力學抑制劑或動力學抑制劑來抑制氣體水合物的形成。如果安全密度窗口足夠寬，則可以使用深水水基鉆井液體系鉆進，但要求該鉆井液抑制泥頁巖水化能力強、潤滑性好，且能夠抑制氣體水合物的形成。如果鉆井液的安全密度窗口比較窄，通常使用深水合成基鉆井液，要求其流變性在不同溫度和壓力條件下保持穩定。從國內外深水鉆井液發展現狀看，深水高性能水基鉆井液及恒流變合成基鉆井液技術發展都比較成熟，但密度在2.0 g/cm3、溫度在180 ℃以上的深水高溫高壓鉆井液還有待于進一步研究。

3.1 深水水基鉆井液

對于深水鉆井作業，當有氣體存在時，在低溫高壓條件下，遇水很容易形成氣體水合物，而氣體水合物會阻塞防噴器、節流管匯、壓井管匯等，這將給鉆井作業帶來一系列的安全隱患，因此使用水基鉆井液作業，必須首先考慮抑制氣體水合物的形成；其次鉆井液抑制泥巖水化及承壓封堵能力要強；再次鉆井液防泥包能力及潤滑性要強。下面介

紹國內外的深水高性能水基鉆井液ULTRADRILL、Hydro-Guard、PERFORMAX及HEM體系。

1）ULTRADRILL鉆 井 液 體 系。ULTRADRILL鉆井液是Schlumberger MI SWACO公司推出的高性能深水水基鉆井液體系[5-6]，其主抑制劑ULTRAHIB等核心材料是由美國的Arvind Patel等人研制的[7-10]。該鉆井液具有很強的抑制性，不易發生泥包，環境友好，配方簡單，維護方便。它的主劑有3種。①主抑制劑ULTRAH IB是一種聚胺，呈液態，其主要功能是抑制頁巖及軟泥巖的水化，減小黏土之間的層間距，消除泥頁巖的膨脹，使鉆屑保持內干，消除鉆頭泥包，減少稀釋量。由于其本身顯堿性，pH值為9.0～9.5，鉆井液中加入該劑后，不需再加NaOH或KOH，其推薦加量為 2%～4%（V/V）。②包被劑 ULTRACAP是一種分子量適度的陽離子聚丙烯酰胺，能在頁巖和鉆屑表面形成保護膜，避免鉆屑黏糊振動篩和鉆屑相互黏結，起包被鉆屑和穩定頁巖作用， 推薦加量為0.285%～0.856%。③防泥包潤滑劑ULTRAFREE是由幾種表面活性劑等材料組成的混合物，可吸附在金屬表面，提高鉆速，防止鉆頭泥包，增加潤滑性，通常加量為1%～3%（V/V）。此外還有低黏聚陰離子纖維素降濾失劑POLYPAC UL、生物聚合物流型調節劑MC-VIS和水合物抑制劑氯化鈉和氯化鉀等材料。對于富含活性泥頁巖的深水新地層， 嚴格的法律法規和昂貴的廢物處理費結合在一起，考慮到鉆井時效和環境可接受性之間的平衡，需要優化鉆井液性能。該體系已在墨西哥灣、 加拿大、 意大利、 巴西、 越南及中國南海的深水井應用數百口井。

2）Hydro-Guard鉆井液體系。Halliburton Baroid公司推出了性能接近油基鉆井液的高性能水基鉆井液Hydro-Guard[11]。該鉆井液不含黏土，能最大限度地抑制高活性泥巖的水化。其中CLAY GRABBER?是一種液體聚合物黏土絮凝劑和包被劑，適用溫度149 ℃，CLAY SYNC II是一種非離子聚合物頁巖穩定劑，包被在活性泥頁巖表面，抑制泥頁巖水化分散，適用溫度163 ℃。在西非環境敏感地區使用了Hydro-Guard鉆井液體系，所鉆的鉆屑按照法規能夠排放。對于環境敏感地區，使用沒有毒性的EZ-MUD DP泥頁巖包被劑代替CLAY GRABBER?頁 巖 穩 定 劑。 而 BARO-TROL PLUS是一種封堵劑，能有效地封堵微裂縫，減少壓力的傳遞。在巴西及安哥拉深水井中Hydro-Guard鉆井液體系取得成功應用，且在安哥拉該鉆井液能直接排放。Hydro-Guard深水鉆井液基礎配方如下。

（0.28～0.71）kg/m3Na2CO3+（0.28～0.71）kg/m3NaOH+（28.50～57.00）kg/m3KCl+（2.14～2.85）kg/m3增 黏 劑 BARAZAN D+（4.98～8.55）kg/m3濾 失 劑 DEXTRID LET+（2.00～4.28）kg/m3PAC+（5.70～11.40）kg/m3頁 巖 穩 定 劑 CLAY SYNC Ⅱ+（4.28～12.82）kg/m3頁巖穩定劑CLAYSEAL?PLUS

3）PERFORMAX鉆 井 液 體 系。PERFORMAX是Baker Hughes公司推出的高性能水基鉆井液體系。Richard Leaper， Nels Hansen 等指出[12-13]，MAXSHIELD是一種頁巖穩定劑，產生半透膜穩定頁巖，同時在衰竭的砂巖孔喉起架橋作用，減少壓差卡鉆和漏失的風險；MAX-PLEX是一種樹脂和有機鋁組成的混合物，在泥頁巖表面產生半透膜，能減少壓力的傳遞，這2者相結合封堵效果更好。MAXGUARD是一種聚胺抑制劑，抑制活性泥頁巖的水化；PENETREX?是一種防泥包潤滑劑，有利于提高鉆速；NEW-DRILL?PLUS是一種泥頁巖包被劑，MAX-TROL是一種磺化類的樹脂，起降高溫高壓濾失量的作用。該鉆井液pH值維持在10.5～11.0之間，常用的PERFORMAX深水鉆井液配方如下。

0.033 m3水+0.28 kg/m3Na2CO3+8.55 kg/m3增黏劑MIL-Gel+20%NaCl水合物抑制劑+NaOH（pH值為10.5）+ 4.28 kg/m3MIL-PAC LV+3%（V/V）頁巖穩定劑MAX-SHIELD+2.56 kg/m3加重材料頁巖穩定劑MAX-PLEX MIL-BAR+2%（V/V） 黏土分散 抑制劑MAX-GUARD+1.14 kg/m3NEW-DRILL?PLUS+0.5%（V/V）提速劑 PENETREX?+4.28 kg/m3高溫高壓降濾失劑MAX-TROL+加重材料MIL-BAR（根據密度添加）

4） HEM水基鉆井液體系。HEM是中海油服COSL公司推出的一套無土相、強抑制、高性能深水水基鉆井液體系[14-15]。該體系主要由羅健生、李懷科等研制而成， 其采用一種胺基聚合物作為頁巖抑制劑， 以解決活性泥頁巖地層水化而引發的諸多問題。該鉆井液性能接近合成基鉆井液， 應用于富含泥頁巖及環保要求苛刻的特殊地層。該體系主要由3種核心材料組成：主抑制劑PF-UHIB， 加量為2%～3%（V/V）；低分子量包被劑 PF-UCAP，加量為0.5%～0.8%；高效防泥包潤滑劑PF-HLUB，加量為2%～3%（V/V）；此外還有降濾失劑如PFFLOTRO、流型調節劑及氣體水合物抑制劑NaCl等材料。該鉆井液最高密度可達2.0 g/cm3，抗溫達177 ℃。HEM鉆井液于2013年首次在中國南海海域LH26-2-1井成功應用。“十二五”期間， 該體系已經成功在南中國海海域應用28口井， 其中1口深水定向井、 3口超深水井、 2口深水高溫高壓井，在應用過程中鉆井液性能穩定， 最深作業水深為1 724 m， 最低泥線溫度為2.6 ℃，最深井深為4 448 m，最高使用密度為1.94 g/cm3，最高井溫為160 ℃，成功解決了深水低溫流變性差、氣體水合物危害、井壁失穩、漏失等難題，實現了“零”事故率。

3.2 深水恒流變合成基鉆井液

恒流變合成基鉆井液是深水、超深水井常用的鉆井液體系。與傳統合成基鉆井液相比，恒流變合成基鉆井液體系的黏度、切力受溫度和壓力的影響小，特別是動切力、靜切力和低剪切速率黏度等參數在4～65.5 ℃下變化平穩[16]，如Gel10min/Gel10s＜1.7，Gel30min/Gel10min＜1.3，Gel（4 ℃）/Gel（50 ℃）＜1.2。該鉆井液ECD變化小，能有效防止重晶石沉降，減少漏失等。恒流變合成基鉆井液對基液要求較高，要求基液的運動黏度受溫度影響小。表1為不同基液的性能對比。深水井使用較多的基液是氣制油或內烯烴，因為這兩種基液生物毒性小，且易生物降解，而LAO的生物毒性相對來說要大一些，生物降解也較同分子量的IO難一些[17]。

表1 不同基礎油的性能對比

1）RHELIANT鉆 井 液 體 系。RHELIANT是Schlumberger MI SWACO公司推出的一種在寬溫度范圍內的恒流變合成基鉆井液， 在深水井應用中， RHELIANT體系性能優于常規的合成基鉆井液及其它逆乳化油基鉆井液，鉆速比典型的合成基鉆井液快， 能減少鉆井液漏失， 稀釋量少， 鉆井液攜巖能力強， 井眼清潔好， 能減少壓力激動。該體系乳化劑是由美國的Arvind Patel等人研制而成。體系組成為：增黏劑VG-PLUS和VG-SUPREME、 鉆井液堿度調節劑LIME、 主乳化劑SUREMUL、 輔乳化劑和潤濕劑SUREWET、 流型調節劑RHEFLAT、增 黏 劑 RHETHIK、 降 黏 劑 RHEDUCE、 臨時 增 黏劑 RHEBUILD、 降濾失劑 ECOTROL RD、 水相活度CaCl2和加重劑MI WATE。

2）RHELIANT PLUS鉆井液體系。RHELIANT由于其優良性能成功應用于深水鉆進，這種高性能鉆井液是通過正確使用乳化劑、潤濕劑、流型調節劑及多種增黏劑等材料來取得的。然而，對于現場工程師來說，需要同時使用多種材料來調節和管理鉆井液的流變性能是比較復雜的事情。因此Schlumberger MI SWACO公司對RHELIANT體系進行了升級，開發了一種新的恒流變合成基鉆井液體系RHELIANT PLUS[18-19]。表2是相同密度及低密度固相含量的2種不同恒流變合成基鉆井液體系配方，圖1及圖2是其在4.4～65.6 ℃下的鉆井液流變性能。

表2 不同恒流變合成基體系配方

圖1 RHELIANT體系在4.4～65.6 ℃的流變性

圖2 RHELIANT PLUS體系在4.4～65.6 ℃的流變性

RHELIANT PLUS體系使用單一乳化潤濕劑，這有助于改善乳化穩定性、提高鉆井液熱穩定性及潤滑性。該體系最高密度可以達到2.16 g/cm3，抗溫可以達到177 ℃。該體系通過使用新的流型調節劑，使鉆井液流變性能受溫度影響小，井眼清潔及懸浮重晶石能力強，有利于ECD及鉆井液漏失的控制。表2表明， 相對于相同密度、相同低密度固相含量的RHELIANT恒流變鉆井液體系，RHELIANT PLUS體系配方更簡單， 且該體系的φ6和動切力更高，而10 min靜切力更低。該鉆井液成功應用于墨西哥灣、 加 拿大、 巴 西等國的深水區域。

3）ACCOLADE鉆 井 液 體 系。ACCOLADE是Halliburton Baroid公司推出的合成基鉆井液體系。Kim Burrows, Joannah Evans[20]等人指出，該鉆井液基液是一種以毒性最低且完全能生物降解的酯和內烯烴組成的混合物。為了增加對環境的適應性，ACCOLADER鉆井液不含有機土，抗溫能達到150 ℃。在150 ℃測試了3種密度分別為1.32、1.68和1.92 g/cm3的鉆井液的動切力，分別是3、4、4 Pa。在4.4 ℃的性能測試結果見表3。從表3可以看出，密度為1.32和1.68 g/cm3分別以內烯烴C16—C18為基液及低黏C8脂為基液的兩種合成基鉆井液在4.4 ℃時φ600及PV相差不大，但當密度為1.92 g/cm3時，這2種合成基鉆井液在4.4 ℃時φ600及PV相差較大。ACCOLADE體系在墨西哥灣深水區作業，該區塊溫度變化較大，而且是大斜度井，最大井斜角56°， 在作業過程中， 鉆井液流變性能穩定，ECD變化很小， 井眼清潔能力強，沒有出現任何井下復雜情況。表4是墨西哥灣一口深水井的ACCOLADE鉆井液在井眼里放置34個月后的性能，雖然放置時間長，但鉆井液性能較穩定。

表3 內烯烴和低黏度脂鉆井液的流變性能（4.4 ℃）

表4 ACCOLADE鉆井液在井眼里放置不同時間后的性能

4）ENCORE鉆井液體系。ENCORE鉆井液體系是Halliburton Baroid公司推出的由Jeff Kirsner，Humble[21]等人發明的合成基鉆井液體系，它是滿足環境要求的低毒合成基鉆井液，其基液全部由內烯烴組成。為了增加對環境的適應性，ENCORE體系不含有機土，抗溫超過150 ℃，能滿足特殊地層要求，該體系在很寬的溫度和壓力范圍流變性能穩定，抗污染能力強。主要添加劑有：LE SUPERMUL?是一種改性的聚脂肪酰胺，用作乳化劑，還有潤濕劑的功能；RHEMOD? L是一種流型調節劑，在低濃度時就能提高切力及低剪切速率黏度；ADAPTA?是一種共聚物降濾失劑，在高溫下能降低HTHP濾失量；FACTANT是一種高濃度妥爾油衍生物，起降濾失及穩定乳化作用。該鉆井液在深水地層低ECD的環境下能維持優異的流變性。使用ENCORE鉆井液在墨西哥灣密西西比峽谷深水區鉆進1口S型井眼的241.3 mm層段，目的層深度超過6 125 m，電測時間101 h，沒有通井直接下套管固井，共節約120萬美元。ENCORE與ACCOLA DE體系配伍性好，特殊情況下需要2種體系混合鉆進沒有產生不良影響。

5）FLAT-PRO合成基鉆井液體系。中海油服COSL公司推出了深水恒流變合成基鉆井液FLATPRO體系[22-24]。表5是水深近2 500 m的南中國海A井合成基鉆井液性能。由表5可以看出，鉆井液在不同溫度下流變性能變化平穩。

表5 水深近2 500 m的南中國海A井合成基鉆井液性能（油水比79/21～78/22）

羅健生等人研發了主乳化劑PF-FSEMUL， 加量為0.7%～1.1%； 輔乳化劑PF-FSCOAT， 加量為0.9%～1.3%； 潤濕 劑 PF-FSWET， 加量為1.0%～1.6%；流型調節劑PF-FSVIS， 加量為0.2%～0.8%；及非瀝青降濾失劑PF-MO HFR等核心材料，以氣制油為基液，由以上材料為主劑構建了深水恒流變合成基鉆井液FLAT-PRO體系，并對該體系的低溫高壓流變特性進行了研究。該體系在南中國海應用數口井，其中水深近2 500 m，泥線溫度2.33 ℃，最深井深超過5 000 m，在整個鉆井作業過程中，FLAT-PRO鉆井液流變性變化平穩，在2～65.5 ℃下，鉆井液動切力、靜切力及φ3、φ6讀數變化很小，鉆井液流變性好，全井ECD變化小（0.022～0.040 g/cm3），鉆井液攜巖能力強，潤滑性好，井壁穩定，起下鉆順利，電測成功，下套管一次到位。

4 結束語

1．國內外無論是深水水基鉆井液，還是深水恒流變合成基鉆井液，技術發展都比較成熟，而且進行了廣泛的應用。但對密度為2.0 g/cm3、溫度在180 ℃以上的超深水高溫高壓鉆井液綜合性能研究相對較少，尤其是在低溫高壓及高溫高壓條件下鉆井液流變性、沉降穩定性等需要進一步加強研究。

2．深水高性能水基鉆井液的研究是從核心材料出發，設計出具有特殊分子結構的有機聚合物，如帶胺基的聚胺抑制劑，抑制泥頁巖水化；包被劑的分子量不能太高，防止鉆井液低溫時糊篩跑漿，且包被效果好；防泥包潤滑劑的極性基團能快速吸附在金屬及黏土表面，尾端親油集團能防止黏土黏結及鉆具泥包；封堵材料的架橋及變形粒子既能進入孔隙及微裂縫，提高地層承壓能力，又對鉆井液性能的影響小；在體系中這些核心材料之間相互作用，提高了鉆井液的性能，確保現場的成功應用。

3．對于深水高性能恒流變合成基鉆井液，使用的基液通常是生物毒性較低且易生物降解的氣制油、內烯烴或特制的深水油。為了確保鉆井液在不同溫壓條件下保持恒流變特性及ECD變化小，設計的核心材料乳化劑、潤濕劑及流型調節劑相互協同，使得YP、Gel及φ3、φ6參數在4～65.5 ℃及不同壓力下保持平穩；此外鉆井液乳化穩定性及低剪切速率黏度高，且結構強度較弱，啟動泵壓較小。