高溫高壓水基鉆井液技術(shù)發(fā)展淺析

張 旭

（大慶油田鉆探集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院鉆井液分公司，黑龍江大慶163000）

鉆井液是油氣鉆探過程中鉆井工程的重要組成部分，鉆井液的性能極大的影響了鉆井速度、質(zhì)量以及成本，因而鉆井液對于快速、安全、低成本的鉆井工程意義重大。隨著水基鉆井液技術(shù)的不斷進(jìn)步，鉆井液中處理劑、降粘劑的用量越來越少[1]。水基鉆井液主要由水、處理劑、降粘劑等組成，其性能的好壞與處理劑、降粘劑等的各種物質(zhì)的成份及配比關(guān)系密切，因而在高溫高壓環(huán)境下，如何提高鉆井液的處理劑等的抗高溫高壓的性能，成為高溫高壓水基鉆井液技術(shù)需要解決的問題。

鉆井過程中由于地溫梯度的存在，隨著鉆井深度的增加井底溫度也會逐漸增高，地層壓力也會隨著井深的增加不斷加大，正常情況下在井深超過6000m，井底溫度可以達(dá)到200℃以上，地層壓力達(dá)到63MPa，高溫高壓下鉆井液中的處理劑、降粘劑等成份的性能會發(fā)生較大變化[2-3]，本文主要介紹在高溫高壓下水基鉆井液的技術(shù)發(fā)展情況。

1 高溫鉆井液處理劑

高溫高壓鉆井液技術(shù)是隨著鉆井深度不斷增加而出現(xiàn)的，20 世紀(jì)60～70 年代，隨著鉆井深度的增加，國外提出利用鐵鉻鹽降粘劑可以達(dá)到170℃的抗溫能力。隨后提出了新型合成聚合物鉆井液處理劑，主要有磺化褐煤SMC、磺化酚醛樹脂SMP、磺化單寧SMT等等，抗溫能力得到進(jìn)一步的提高，可以達(dá)到200℃，但該類合成聚合物存在高溫下降解的問題，20世紀(jì)80年代提出利用乙烯基磺酸單體、烷基丙烯酰胺單體等多元聚合物處理劑，在此基礎(chǔ)上，現(xiàn)階段主要應(yīng)用的高溫高壓處理劑主要是在上述聚合物處理劑基礎(chǔ)上形成的，包括褐煤與聚合物形成的絡(luò)合物L(fēng)PC、改性褐煤Carbonox、聚陰離子木質(zhì)素等抗高溫處理劑[3]。

國內(nèi)高溫高壓鉆井液處理劑的研制也從20 世紀(jì)70 年代開始的，開始主要引進(jìn)了國外的設(shè)計(jì)思路和理念，形成了SMC、SMP、褐煤樹脂SPNH等抗高溫處理劑，后來，磺化單寧SMT、磺化栲膠SMK、鐵鉻木質(zhì)素磺酸鹽FCLS 等一系列抗高溫處理劑不斷出現(xiàn)，大量的處理劑的出現(xiàn)形成了我國高溫高壓深井鉆井液體系。20世紀(jì)90年代，國內(nèi)專家提出了利用丙烯酰胺基丙磺酸AMPS與丙烯酸等的共聚物合成多種抗高溫鉆井液處理劑，21 世紀(jì)以來提出了有機(jī)硅類處理劑。主要的高溫高壓鉆井液處理劑主要有以下幾種：①磺化褐煤；②磺化酚醛樹脂SMP；③磺化褐煤樹脂SPNH；④丙烯酰胺與丙烯酸鈉共聚物；⑤鉆井水解聚丙烯腈鈉鹽。

2 高溫鉆井液降粘劑

國外對于高溫鉆井液降粘劑的研究主要針對于溫度高于200℃的深層地層開展，研究重點(diǎn)集中于多元共聚物上，研制的降粘劑種類繁多，并得到了較廣的應(yīng)用，例如部分分子量相對較低的多元聚合物在高溫、高壓、高礦化度環(huán)境下具有較好的降濾失性能。主要的幾種高溫鉆井液降粘劑主要有以下幾種：①丙烯酸鈉CDP和乙烯磺酸鹽共聚物TSD；②磺化苯乙烯SSMA與馬來酸酐共聚物Mil-Tem；③TSPD 聚合物絮凝劑；④Thermal-Thin 聚合物解絮凝劑；⑤木質(zhì)素磺酸鹽接枝共聚物等等。

國內(nèi)研究人員主要對多種單體聚合而成的多元聚合物降粘劑開展了研究，研制出了大量性能優(yōu)良的降粘劑，主要有：①磺化單寧SMT；②苯乙烯與馬來酸酐共聚物SSHMA；③PNH 木質(zhì)素磺酸鈣；④AMPS共聚物；⑤硅氟高溫降粘劑SF260 等等。國內(nèi)外的各種降粘劑適應(yīng)的溫度和環(huán)境存在一定的差異，因而在鉆井液選用降粘劑時(shí)，要根據(jù)具體地下地質(zhì)條件選擇。

3 高溫水基鉆井液體系

高溫高壓鉆井液主要有水基和油基兩種，油基鉆井液受到溫度和壓力影響較小，但是污染性強(qiáng)[4]，現(xiàn)階段對環(huán)保等的要求，因而水基高溫高壓鉆井液被優(yōu)先使用。高溫水基鉆井液經(jīng)過四十多年的發(fā)展，逐步形成了多種體系。國內(nèi)外高溫水基鉆井液體系又有所不同。

3.1 國外高溫水基鉆井液體系

在高溫水基鉆井液體系的研制方面，國外大量專家和多家公司成功研制深井、超深井鉆井液體系，常用的高溫水基鉆井液體系主要有以下幾種：

（1）SIV鉆井液體系。SIV鉆井液體系是以SIV處理劑來命名的，其特性與微晶高嶺土類似，是一種硅、鈉、鎂以及氧等元素組成的多層硅，穩(wěn)定性極好，具有抗熱能力強(qiáng)、稀釋性好等優(yōu)點(diǎn)，其配方為：300L 水+2.7kgSIV 處理劑+18.9kg 氯化鉀+0.9kg 碳酸鈉+1.9kg亞硫酸鈉+9kg 碳酸鈣粉末+7.2kg 三元共聚物降濾失劑+9kg 粘土混合物+重晶石粉等。該體系可以在230℃以下保持很好的性能。

（2）海泡石鉆井液體系。海泡石鉆井液體系在加拿大和美國等美洲國家應(yīng)用證明該鉆井液體系具有良好的性能，該鉆井液體系主要是以海泡石作為主要鉆井液處理劑，海泡石是一種富含鎂和纖維的粘土礦物，結(jié)構(gòu)為條狀，海泡石在204℃時(shí)變?yōu)榭ㄆ瑺畹母绘V蒙脫石，這種性能在一定程度上有利于該類鉆井液在高溫下的表現(xiàn)。其配方為：海泡石+氫氧化鈉+褐煤類處理劑+丙烯酸鈉+少量巖屑。該鉆井液體系具有抗電解質(zhì)能力強(qiáng)、熱穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可在240℃左右的高溫下表現(xiàn)出較好的性能。

（3）低膠質(zhì)鉆井液體系。低膠質(zhì)水基鉆井液體系主要通過控制粘土及木質(zhì)素的濃度使其在高溫高壓下仍具有較好的性能，該類鉆井液在204℃時(shí)粘度不在增加，高溫穩(wěn)定性可以到260℃。該鉆井液體系在高溫下保持較好的性能的原因主要是由于其內(nèi)部的低膠質(zhì)含量和穩(wěn)定的化學(xué)處理劑，該鉆井液體系配方見表1。

表1 低膠質(zhì)水基鉆井液體系配方

除以上常見鉆井液體系國外存在大量鉆井液體系，不同的鉆井液體系在不同的深度下有不同的表現(xiàn)，因而可根據(jù)鉆井深度選擇不同的鉆井液體系。

3.2 國內(nèi)高溫水基鉆井液體系

國內(nèi)高溫水基鉆井液體系主要有鈣處理鉆井液體系和磺化鉆井液體系等多種，但在高溫高壓環(huán)境下的性能上與國外鉆井液體系仍有較大差距，因而下面簡單介紹兩種我國的高溫水基鉆井液體系。

（1）鈣處理鉆井液體系。鈣處理鉆井液體系是在常規(guī)分散鉆井液基礎(chǔ)上研制而成的，其具有較強(qiáng)的抗鹽、防塌等性能，該體系的主要特點(diǎn)是由含鈣的絮凝劑、降粘劑和降濾失劑混合而成，體系中常見的處理劑有石灰、石膏和氯化鈣。

（2）磺化鉆井液體系。磺化鉆井液體系是以磺甲基褐煤（SMC）、磺甲基酚醛樹脂（SMP）、磺甲基單寧（SMT）和磺甲基栲膠（SMK）等常見處理劑為主要配方成分研制的鉆井液體系，由于以上處理劑均為分散劑，因而該磺化鉆井液是典型的分散鉆井液，該鉆井液親水性強(qiáng)，在粘土礦物表面易形成較厚的水化膜，并且該類組分對鉆井液的酸堿性要求低，從而鉆井液在高溫高壓下穩(wěn)定性強(qiáng)，能夠很好的保持其流變性，因而該鉆井液體系在高溫高壓環(huán)境下具有較好的性能。

4 結(jié)論

高溫高壓鉆井液技術(shù)是由于鉆井深度不斷增加，井底溫度和壓力也不斷增加而研制的。油基鉆井液雖然受到溫度和壓力影響較小，但是污染性強(qiáng)，因而高溫高壓水基鉆井液是深井鉆探的主要研究方向。水基鉆井液主要由水、處理劑、降粘劑等組成，其性能的好壞與處理劑、降粘劑等的各種物質(zhì)的成份及配比關(guān)系密切，因而從20 世紀(jì)60 年代以來，國內(nèi)外專家主要針對處理劑開展了大量研究，采用了不同的處理劑，并形成了各種高溫水基鉆井液體系。