抗高溫環保水基鉆井液研究進展

李旭方， 熊正強

(1.中國地質大學〈北京〉，北京 100083； 2.北京探礦工程研究所，北京100083)

0 引言

由于對環境保護問題的日益重視，對鉆井液的環保性能提出了新的、更嚴格的要求，要求鉆井液無毒、可降解，不污染周圍環境。相對于油基鉆井液，水基鉆井液具有環保性好、成本低的顯著優勢。統計表明，80%的鉆井工程中應用的都是水基鉆井液[1]。隨著我國油氣資源向深部勘查開發以及干熱巖鉆探、深部科學鉆探工程的實施，鉆遇地層溫度越來越高，對鉆井液的抗高溫能力提出了更高的要求。因此，抗高溫環保型水基鉆井液成為水基鉆井液一個重要的發展方向，也是鉆井液研究的熱點之一。本文結合國內外有關文獻資料，就抗高溫環保水基鉆井液研究與應用情況進行簡要介紹。

目前，環保型水基鉆井液體系主要有高性能水基鉆井液、甲酸鹽鉆井液、聚合醇鉆井液、硅酸鹽鉆井液及甲基葡萄糖苷鉆井液。

1 高性能水基鉆井液

高性能水基鉆井液又稱胺基鉆井液，主要由頁巖抑制劑、包被劑、分散劑和降濾失劑組成。該鉆井液體系是一種環保型鉆井液，被認為是替代油基鉆井液且又能安全鉆進的一類性能更高的水基鉆井液，并于2006年被列為一種新的鉆井液體系分類。國外3大鉆井液服務公司均擁有自主知識產權的高性能水基鉆井液，如M-I SWACO公司研制的ULTRADRILTM體系、Baroid公司研制的Hydro-Guard體系及Baker Hughes公司研制的PERFORMAX體系等[2-4]。國內3大石油公司下屬研發機構也均研發了各種高性能水基鉆井液，如中國石油集團鉆井工程技術研究院研制的高潤滑強抑制高性能鉆井液體系、中石化中原石油工程有限公司西南鉆井分公司研制的KPF高性能鉆井液體系、中海油能源發展股份有限公司工程技術湛江分公司研制的高性能深水鉆井液體系等[5-7]。

高性能水基鉆井液在國外不同海域上千口井及我國南海海域多口深水井都得到了應用。例如，2009年巴西國家石油公司Petrobras第一次在哥倫比亞加勒比海泰羅娜區塊使用耐溫150 ℃的高性能鉆井液完成深水鉆探[8]；Halliburton公司[9]研發了耐溫達160 ℃的高性能水基鉆井液，并在埃及地中海KARAM-1井取得了良好的應用效果；中國海洋石油公司研制的高性能水基鉆井液HEM體系于2013年首次在中國南海海域LH26-2-1井成功應用，之后陸續在數十口深水井中得到應用[10]等。此外，高性能水基鉆井液也已經成功應用于一些特殊地層鉆探，如焦油層、Khafji和Ahmadi高度分散的構造應力頁巖層等[11-12]。

針對深海鉆探需求，中國石油大學(華東)趙欣等[13]以研制的聚胺強抑制劑SDJA為關鍵處理劑，考慮天然氣水合物抑制性與低溫流變性等因素，構建了1套適用于深水鉆井且耐溫達150 ℃的聚胺高性能水基鉆井液。其配方為：3%海水膨潤土漿+0.15%增粘劑XC+3%抑制劑SDJA+4%降濾失劑SD-101+1%降濾失劑JLS-1+1.5%封堵劑FT-1+1%潤滑劑SD-505+0.1%包被劑CPAM+20%氯化鈉。針對深水鉆井作業過程中鉆遇地層越來越復雜及要求的溫度與密度越來越高等問題，中海油服油田化學事業部郭磊等[14]在現有高性能水基鉆井液HEM體系基礎上，通過進一步優選抗溫材料，研制了1套適用于180 ℃、1.8 g/cm3條件下的深水HEM高溫高壓鉆井液體系，并在中國南海海域進行了現場應用。

針對庫車山前構造超深、超高壓、高溫、高含鹽地層使用常規高密度水基鉆井液井下復雜情況頻發的問題，塔里木油田公司李家學等[15]研發了分別用于鹽上地層、鹽膏層及鹽下地層鉆進的3套高性能水基鉆井液配方，其中用于鹽下地層的高性能水基鉆井液抗溫可達180 ℃。研制的高性能水基鉆井液在庫車山前構造帶某區塊X井現場成功應用，從開鉆起一直使用高性能水基鉆井液，鉆井液抗溫抗鹽性能好，鉆進過程中井壁穩定，鉆進效率高，完鉆井深7006 m，井底溫度168 ℃。

針對塔里木盆地南部天山前緣區塊超高溫、超高壓、超厚鹽石膏復合地層和高坍塌壓力地層分布廣泛的特點，江西科技師范大學李龍等[16]以高性能穩定劑、納米成膜封堵劑和潤滑劑為基礎，研制了1套具有較強抗鹽、抗鈣和抗鉆屑能力且耐溫達160 ℃的高性能鉆井液。其配方為：飽和鹽水+1%K2CO3+0.2%NaOH+1.4%潤濕劑ND-288+1%降濾失劑ND-258+0.5%增粘劑ND-259+1.5%抑制劑HM+1%潤滑劑ND-253。

2 有機鹽鉆井液

2.1 甲酸鹽鉆井液

甲酸鹽鉆井液是1980年開始發展起來的新型鉆井液體系，其最初是為了減少小井眼鉆井中摩擦壓力損失而設計的。甲酸鹽鉆井液具有密度可調性強、腐蝕性低、不污染環境、抗高溫能力強等優點。同時，甲酸鹽鉆井液可以與頁巖穩定劑、天然氣水合物抑制劑等兼容，也可以作為抗氧化劑提高黃原膠XC等生物聚合物的抗高溫能力[17-20]。甲酸鹽鉆井液作為一種具有抑制性強和環保性好等諸多優點的抗高溫鉆井液體系得到了大量應用，例如俄羅斯天然氣工業股份公司Gazprom在陸地Yuzhno-Priobskoye油田和海上Prirazlomnoye油田均使用了甲酸鹽鉆井液體系[21]；印度尼西亞近海儲層平均溫度為157 ℃的Belanak油田應用甲酸鈉鉆井液體系完成了6口井的鉆探[22]等。

針對高密度鉆井液的儲層損害問題，科威科石油公司(KOC)[23]通過運用四氧化錳和赤鐵礦研制了適用于甲酸鹽鉆井液體系的加重劑Micromax，研制了1套抗溫能力為150 ℃的高密度甲酸鉀鉆井液體系，在深水高溫高壓井侏羅紀地層獲得了突出的應用效果。研制的甲酸鉀鉆井液體系有效減小了儲層損害，提高了生產效率，降低了鉆井成本。

為了克服常規鉆井液固相含量高、抑制性不足等問題，東北石油大學張延鶴[24]通過優選處理劑，研制出了抗溫達200 ℃的無固相甲酸鹽鉆井液體系。其配方為：甲酸鹽水+3%降濾失劑HHJL-1+0.5%增粘劑HHTN-1+3%儲層保護劑HHYB-N，并在吉林省龍深區塊成功應用。

為提高甲酸鹽鉆井液體系的抗高溫能力，英國索爾福德大學Akpan等[25]以膨潤土、生物膠Diutan Gum、甲酸鉀、異抗壞血酸鈉及聚乙二醇(分子量8000)等為主要材料配制鉆井液，詳細探究了甲酸鹽、異抗壞血酸鈉、聚乙二醇及pH值對鉆井液抗高溫能力的影響。研究發現：(1)單純的甲酸鹽鉆井液抗溫能力不超過150 ℃；(2)通過復配聚乙二醇和抗氧化劑異抗壞血酸鈉，能大幅提高甲酸鹽鉆井液的抗溫能力至232 ℃；(3)較高的pH值有助于避免甲酸鹽鉆井液在高溫下凝膠強度過高的問題。

2.2 Weight系列有機鹽鉆井液

國內使用的有機鹽主要有OS-100、PRT、YJS和Weight等系列產品。其中，Weight系列鉆井液獲得了較為廣泛的應用。

針對海域地區地層坍塌壓力高，易發生坍塌掉塊等問題，中國石油集團海洋工程有限公司鉆井事業部侯岳等[26]通過對有機鹽鉆井液抑制性、潤滑性、抗高溫能力的探究，研制了1套抗150 ℃高溫的海水有機鹽鉆井液體系。其配方為：海水+2%鈉土漿+0.3%Na2CO3+0.1%NaOH+1.5%降濾失劑Redul+0.1%XC+2%流型調節劑Viscol+2%白瀝青+1%封堵劑LPF+3%細目鈣+30%有機鹽Weigh2+1.5%潤滑劑PGCSl+重晶石，成功應用于邁陳凹陷洋浦地區洋1井。

針對費爾干納盆地深部井段高壓、高鹽、高硫等問題，西部鉆探工程有限公司艾貴成等[27]通過現場試驗和室內評價，運用有機鹽Weight4研制了1套抗溫達220 ℃的超高密度有機鹽鉆井液體系，鉆井液最高密度可達3.0 g/cm3。該鉆井液體系具有良好的抑制性和儲層保護能力，而且在高密度下仍具有良好的潤滑性。

根據鉆探現場情況，渤海鉆探泥漿技術服務分公司[28]針對塔里木油田克深15井的窄泥漿密度窗口及高溫高鹽等難題，將Weight1和Weight2復合使用，研制了能夠抗170 ℃高溫的復合有機鹽水基鉆井液體系。其配方為：水+0.3%～0.5%Na2CO3+2%～3%抗鹽降濾失劑BZ-KJS-1+3%～6%抑制防塌劑BZ-YFT+2%～4%抗鹽提切劑+2%～5%抑制潤滑劑BZ-YRH+60%～90%復合有機鹽+加重劑。

3 聚合醇鉆井液

聚合醇又稱多元醇或復合醇。聚合醇鉆井液是20世紀80年代出現的以聚合醇為主劑的環保水基鉆井液。聚合醇的濁點效應使得聚合醇鉆井液具有較強的頁巖抑制能力和潤滑性能[29]。早在20世紀90年代，國外便已經發展出了聚乙二醇共聚物(COP/PPG)鉆井液、聚乙二醇鉆井液等鉆井液體系[30-31]。

針對塔里木盆地深井、超深井對鉆井液抗高溫能力的高要求，中石油塔里木油田公司鄒盛禮等[32]以聚合醇PEG作為防塌劑，通過優選降濾失劑和包被劑，研制了1套耐溫160 ℃的聚合醇鉆井液。其配方為:土漿+0.1%NaOH+0.2%包被劑CX-215+1.0%防塌劑CX-508+1.0%成膜降濾失劑CMF+1.0%降濾失劑JMP-2+2.0%聚合醇防塌劑PEG+2.0%潤滑劑TYRF-1+2.0%提切劑PF-PRD+3.0%KCl+1.0%屏蔽暫堵劑YX-1+1.0%屏蔽暫堵劑YX-2+石灰石，并成功應用于塔中高溫深井721-5井。

針對水平井鉆探摩阻和扭矩較大等技術難點，大慶鉆探鉆井工程技術研究院鄒大鵬等[33]合成了1種環保抗高溫潤滑劑，并以此為基礎探索出了1套適用于水平井鉆進、耐溫160 ℃的抗高溫聚合醇鉆井液。其配方為：3%土漿+2%～3%多元醇抑制劑JY-2+2%～3%磺化褐煤樹脂SPNH+1%～3%聚酯物封堵劑DYFD-200+1%～2%泥餅改善劑NBG-2+1%～2%超細碳酸鈣+2%～4%脂肪酸合成酯SN-2+0.5%～1%包被劑KPAM，實現了裂縫性火山巖地層的安全環保鉆井施工。

針對環境敏感性海域高溫深井鉆探需求，劉曉棟等[34]通過合成一種抗高溫抗鹽降濾失劑BDF-100S，研制了1套抗溫達200 ℃的聚合醇海水鉆井液體系，并在井底最高溫度達204 ℃的環渤海油田現場應用中取得了良好效果。通過合成高溫增粘劑HIVS，研制了1套在200 ℃高溫環境下熱穩定時間更長的聚合醇鉆井液體系，鉆井液主要由聚合物降濾失劑BDF-100S、聚合物增粘劑HIVS和乙二醇抑制劑等組成，改進的聚合醇鉆井液體系適用于淡水和海水[35]。

4 硅酸鹽鉆井液

硅酸鹽鉆井液是一種防塌效果突出、抑制性強、成本較低的環保鉆井液體系，同時，硅酸鹽在鹽水鉆井液中還可作為緩蝕劑保護鉆具[36]。20世紀30年代，將可溶性硅酸鹽引入鉆井液中，并成功在墨西哥沿海地區鉆探了100多口井[37]。近年來國內外逐漸發展出了多種硅酸鹽鉆井液體系，如Halliburton公司的硅酸鉀鉆井液體系[38]、PQ公司的高比硅酸鹽鉆井液體系[39]、四川仁智石化公司的WDX硅酸鹽鉆井液體系[40]、青海核工業地質局的硅酸鹽聚乙烯醇鉆井液體系[41]、西部鉆探吐哈鉆井公司的有機硅醇-硅酸鹽鉆井液體系[42]等。硅酸鹽鉆井液在國內外石油鉆井現場均得到了廣泛應用，如非洲乍得南部Bongor盆地Prosopis E1-1井[43]、江漢盆地鄂深6-側井[44]及蘇丹6號區塊Moga-8井[45]等。

但是，硅酸鹽鉆井液體系作為抗高溫環保鉆井液也存在著一些較為明顯的缺點，如流變性和濾失量難以控制、儲層損害等。

為解決超深井地層塌陷、卡管等井下復雜情況，提高硅酸鹽鉆井液體系的抑制性能和抗高溫能力，西南石油大學王平全等[46]利用聚合醇的濁點效應研制了1套耐溫150 ℃的硅酸鉀-聚合醇鉆井液體系。其配方為：4%土漿+適量NaOH+0.4%降濾失劑JT888+4%硅酸鉀FP-V+0.4%高粘羧甲基纖維素HV-CMC+3%聚合醇JLX-B-S+1%KCl。該鉆井液體系在流變性、抗溫能力、抗污染能力及潤滑性等方面均優于硅酸鹽鉆井液。

為進一步提高硅酸鹽鉆井液的抗溫能力，斯倫貝謝公司[47]研制了1套抗溫160 ℃的硅酸鹽鉆井液體系。其配方為：1.4%KCl+0.07%Na2CO3+0.28%常規PAC+0.84%Ulpac+4.2%抗高溫聚合物+0.28%XC+2.28%硅酸鈉+改性瀝青+1.14%胺基高溫稀釋劑+重晶石。

為減少致密氣儲層鉆井過程中水鎖效應的損害，Jararov等[48]通過對地層損害機理和液態硅酸鈉凝膠作用的研究，以硅酸鈉含量為單一變量，詳細探究了硅酸鈉加量對鉆井液流變性、尤其是濾失量和濾餅質量的影響，研制了1套能夠有效提高致密氣藏產能、抗溫達150 ℃的硅酸鈉鉆井液體系。

5 甲基葡萄糖苷鉆井液

甲基葡萄糖苷鉆井液又稱為仿油基鉆井液，可以通過形成半透膜防止頁巖水化，具有較好的潤滑性和相容性，對環境友好，流變性能穩定，能有效攜帶巖屑和清潔井筒[49-50]。甲基葡萄糖苷鉆井液廣泛應用于鉆井現場中，如我國南海地區WZ-6-9油田[51]、大港油田濱26X1井[52]，墨西哥灣Tick鉆井平臺[53]等。

針對甲基葡萄糖苷在鉆井液中加量大、抑制性不足等問題，中原石油勘探局鉆井工程技術研究院司西強等[54]引入季銨鹽結構合成了陽離子甲基葡萄糖苷鉆井液CMEG，研制了1套抗150 ℃高溫的陽離子甲基葡萄糖苷鉆井液體系。其配方為：2%基漿+0.4%NaOH+0.6%復合離子聚丙烯酸鹽SD-17+0.6%低粘羧甲基纖維素LV-CMC+0.3%高粘羧甲基纖維素HV-CMC+3%陽離子甲基葡萄糖苷CMEG+1.0%無滲透劑。該鉆井液體系具有良好的抑制性和潤滑性，相對回收率達到99.01%。

針對深井鉆探時膏鹽及鹽水污染、壓差卡鉆等問題，川慶鉆探工程有限公司歐陽偉等[55]通過優選處理劑，研制了1套抗溫170 ℃的甲基葡萄糖苷鉆井液體系，并成功應用于劍門1井中，解決了壓差卡鉆等井下復雜問題，在井底溫度達到175 ℃的超深井中完成了2000多米小井眼鉆探任務。

為了提高烷基葡萄糖苷鉆井液的抗高溫能力，渤海鉆探鉆井工藝研究院劉艷等[56]合成了磺甲基乙基葡萄糖苷作為抗高溫抑制劑，研制了1套抗溫180 ℃的磺甲基乙基葡萄糖苷鉆井液體系，磺甲基乙基葡萄糖苷的加入使得鉆井液在抗溫、潤滑、抑制等方面的性能都有所提高。

6 其它鉆井液體系

6.1 無固相鉆井液

無固相鉆井液又稱無粘土鉆井液，具有能夠提高鉆速、減薄泥餅、減輕油氣層損害等優點。為保護深井儲層，中國石油大學(華東)黃維安等[57]開發了1套抗溫達200 ℃的無固相水基鉆井液體系。其配方為：水+1%降粘劑HTVS+0.5%高溫穩定劑Na2SO3+1.5%降濾失劑TRS+2%潤滑劑EPL+0.3%防水鎖劑FCS。

針對鉆井液抗高溫能力不足的缺點，大慶鉆探工程公司鉆井工程技術研究院李建軍等[58]通過對抗高溫增粘劑、降濾失劑的研究，設計了1套抗溫220 ℃的無固相鉆井液體系，并成功應用于澀北1號氣田24井。

為滿足惡劣高溫環境下鉆井需求，Galindo等[59]設計并合成了一種新型聚合物增粘降濾失劑，并構建了1套抗溫達204 ℃的超高溫井用無固相水基鉆井液體系，研制的鉆井液對頁巖有良好的抑制作用，在陸地和海洋鉆探都可應用，同時具有HSE效益好、成本低等優點。

6.2 無鉻鉆井液

鉻木質素磺酸鹽是抗高溫鉆井液的常見組分，但由于環保要求日趨嚴格，低毒性的鐵鉻木質素磺酸鹽已不提倡使用，無鉻鉆井液體系應運而生，且已在南美、東非、東歐等地獲得應用。為去除鉆井液中的含鉻材料，Tehrani等[60]用丙烯酰胺共聚物和類似于磺化單體的物質合成聚合物作為分散劑，構建了1套抗溫達232 ℃的無鉻鉆井液體系，研制的無鉻鉆井液有效解決了高溫高壓水基鉆井液常見的高溫凝膠問題。

為提高無鉻鉆井液性能，Fernandez等[61]用CHROME-BASED稀釋劑替代鉻木質素磺酸鹽，研制了1套抗204 ℃高溫的無鉻高密度鉆井液體系，并成功應用于匈牙利東南部頁巖氣藏鉆探。

6.3 有機硅鉆井液

有機硅具有熱穩定性好、防塌能力好、無毒等優點。針對深部地層鉆探需求，西南石油大學褚奇等[62]利用有機硅作為降濾失劑，研制了1套抗溫達220 ℃的有機硅水基鉆井液體系。其配方為：4.0%粘土+0.5%Na2CO3+0.1%KOH+0.6%～1.0%有機硅降濾失劑+2.0%～3.0%磺化褐煤SMC+0.1%～0.3%磺化瀝青WFT-101+0.4%～0.6%有機硅降粘劑GCYZ-1+0.5%封堵劑GFD+3.0%CaCO3+0.2%～0.4%包被劑PAC-141+1.0%抗高溫保護劑GBH。研制的有機硅鉆井液懸浮穩定性好，具有一定的抗鹽和抗鈣能力。

6.4 納米硅鋁基鉆井液

納米鉆井液具有流變性好、熱穩定性高等優點。納米材料能夠改善水基鉆井液的潤滑性、減少濾失量。使用納米硅、納米石墨烯等納米材料提高鉆井液性能的研究已經成為熱點[63-67]。為替代含KCl聚合物鉆井液，Taraghikhah[68]等研制了1套耐溫150 ℃的納米硅鋁基鉆井液，研制的納米硅鋁基鉆井液可以將成本降低20%～30%，能夠有效降低泥餅摩擦系數，與KCl聚合物鉆井液、陽離子聚合物鉆井液等鉆井液體系相比具有更強的頁巖抑制性，抑制能力達到90%～99%。

7 發展趨勢

國內外在抗高溫環保水基鉆井液研究與應用方面開展了大量的工作，并取得了一些重要成果。但是，現有抗高溫環保水基鉆井液體系還普遍存在以下問題：

(1)研發的環保型處理劑抗溫能力不夠強，一定程度上制約了環保水基鉆井液應用溫度范圍。

(2)抗高溫環保鉆井液體系多數要與環保性能較差的處理劑(如磺化類處理劑)復配，才能達到更好的性能，這使鉆井液整體的環保性能受到一定程度的影響。

抗高溫環保水基鉆井液研究的發展趨勢主要包括以下幾個方面：

(1)研制低成本環保處理劑，降低抗高溫環保水基鉆井液的成本，推動環保鉆井液的廣泛應用。

(2)探究環保處理劑抗高溫機理研究，并開展新型耐溫150 ℃以上的環保聚合物結構設計與合成，實現抗高溫環保水基鉆井液用處理劑全部環保化。

(3)隨著國家深地探測戰略與深海探測戰略實施，鉆遇地層溫度將越來越高，需進一步加強超200 ℃高溫環保水基鉆井液體系的研究。