水基鉆井液有機處理劑智能化研究進展與應用展望*

沈浩坤，孫金聲，呂開河，黃賢斌，劉敬平，王金堂，白英睿，金家峰

（中國石油大學（華東）石油工程學院，山東青島 266580）

水基鉆井液是以水為分散介質，添加具有不同功能的處理劑配制而成的多相分散體系，在鉆井工程中發揮的重要作用被喻為鉆井的“血液”。相比油基鉆井液，水基鉆井液單井成本較低、原料廣泛且后期固廢處理壓力較小，被廣泛應用于鉆井工程中［1-3］。由于常規油氣資源趨于枯竭，非常規油氣資源成為近十年來油氣資源可持續發展的趨勢。而非常規油氣資源由于具有開發難度大、鉆井投入高、生產風險大的特點，對鉆井液性能提出了更高的要求。國內外專家學者針對遇到的鉆井工程問題和安全風險，研發出一系列高性能水基鉆井液，可以滿足大部分現場要求［4-10］。

但水基鉆井液技術存在配制過程繁瑣，鉆井液指向性不足，自適應能力弱等［11-12］。針對上述問題，部分專家學者提出了鉆井液智能化的研究方向。當前業內對于鉆井液智能化的概念還未形成統一認識。就目前來看，鉆井液智能化可以分為廣義智能化和狹義智能化。廣義智能化可以理解為，凡是涉及到鉆井液體系的智能化，包括鉆井液化學體系智能化、鉆井液體系控制系統智能化和鉆井液信息平臺智能化，均屬于鉆井液智能化的范疇。而狹義的鉆井液智能化僅指鉆井液化學體系智能化［13-16］。鉆井液化學體系智能化是指鉆井液體系能針對外界環境（溫度、壓力、電解質強度、pH 值等）的刺激，自發做出響應，維持鉆井液體系基本性能的穩定，或使鉆井液性能調整到更加適應外界環境的狀態。

鉆井液化學體系智能化的基礎是研發智能鉆井液處理劑。根據鉆井液化學體系智能化的概念，可以認為智能鉆井液處理劑是一類能感知外部刺激、進而自主判斷并實現某些特殊功能的新型智能材料。近年來，越來越多的研究人員將智能材料作為鉆井液處理劑應用于鉆井液體系中，使其具有感知、識別、響應、自診斷、自修復和自適應等性能，成為油田化學領域目前乃至未來的重要發展方向之一［17-20］。本文從智能鉆井液處理劑的角度，總結了不同智能鉆井液處理劑在水基鉆井液中的作用機制、特點和應用現狀，分析了智能鉆井液處理劑在水基鉆井液體系中的研發方向、方法及應用前景。

1 智能鉆井液化學體系研究進展

本文所述的鉆井液化學體系主要指鉆井液處理劑。作為鉆井液組成的重要部分，鉆井液處理劑是常用油田化學品之一，可使鉆井液保持穩定，滿足鉆井過程中對鉆井液各方面性能的要求。因此，鉆井液化學體系智能化，也可以稱為鉆井液處理劑智能化。

1.1 智能鉆井液流型調節劑

流型調節劑作為鉆井液中改善鉆井液流變性、提高鉆井液懸浮能力和攜巖能力的處理劑，起到井眼清潔和安全鉆進的作用。隨著大位移井、大斜度定向井、深水、超深水井、深層、超深層井的開發數量不斷增加，當鉆遇復雜地層或地層溫度變化很大時，鉆井液存在流變性能惡化速度過快的問題。傳統鉆井液流型調節劑雖具有調節鉆井液黏度的能力，但仍無法完全滿足鉆井的需求［21-22］。為解決鉆井過程中出現的鉆井液流變不穩定的問題，眾多學者提出了恒流變鉆井液技術。其中流型調節劑作為主要的處理劑，在恒流變鉆井液技術中發揮了重要作用［23-25］。目前，智能化鉆井液流型調節劑的制備思路主要是向人工合成聚合物類流型調節劑中引入溫敏或鹽敏型聚合物單體。利用溫敏或鹽敏型聚合物在不同溫度或礦化度條件下的自發行為調控鉆井液的流變性。

徐加放等［26］以N-乙烯基己內酰胺（NVCL）作原料、偶氮二異丁腈（AIBN）作引發劑，通過自由基聚合法合成了一種對深水水基鉆井液低溫流變性具有智能調控作用的聚N-乙烯基己內酰胺（PVCL）。PVCL具有較強的抗溫、抗鹽能力，能使鉆井液的表觀黏度、塑性黏度、動切力等流變參數在4～60 ℃內的變化幅度降低50%。其對鉆井液流變智能調控的機理（圖1）可以歸納為：低溫條件下，小分子量PVCL 吸附在黏土顆粒表面，抑制高分子聚合物與黏土顆粒接觸形成網狀結構，鉆井液黏度較小；隨著溫度升高，PVCL從黏土顆粒表面解吸附，鉆井液體系中聚合物與黏土顆粒形成的網狀結構增多，鉆井液黏度升高。

圖1 溫敏聚合物智能流變調節劑作用機制［26］

劉均一等［27］采用聚季銨鹽與超支化聚苯并咪唑為原料進行聚合，再與表面活性劑、增效劑和消泡劑復配，得到一種溫敏聚合物類智能流型調節劑。該調節劑可使鉆井液流變參數在4～65 ℃范圍內保持穩定，從而減少因鉆井液流變性在低溫和高溫條件下差異大而造成當量循環密度值高、井漏和壓力控制難等技術問題的出現。

謝彬強等［28-29］以溫敏型烯基酰胺單體和烯基磺酸單體為原料、偶氮二異丁酸二甲酯作引發劑，通過自由基聚合反應制備了一種溫敏聚合物類智能流型調節劑，并基于該處理劑配制了恒流變鉆井液。該溫敏流變調節劑在海水中具有高溫增黏和低溫降黏的特性，且抗溫性能突出，可使鉆井液流變參數在4～75 ℃范圍內保持穩定，進一步擴大了智能流變調節劑的適用溫度范圍。

黃孟等［30］以丙烯酸、丙烯酰胺和2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸為原料，通過反相微乳液聚合法合成了一種具有核殼結構的智能恒流變鉆井液流型調節劑。與上述其他流型調節劑的作用機制不同，該處理劑由于親水性外殼的存在，可以使鉆井液體系中損耗的親水基團得到補充，從而保持鉆井液體系中親水基團數目相對平衡，以提高鉆井液流變的穩定性。

Sun 等［31］合成了一種鹽敏型兩性離子聚合物PAMN作為鹽水鉆井液智能流型調節劑。該調節劑對淡水基漿的增黏效果有限，但可使飽和鹽水基漿的表觀黏度和塑性黏度分別提高5.4 倍和9.3 倍。這是由于隨著電解質離子強度的增加，PAMN 分子鏈從蜷縮結構轉變為伸展結構，導致分子鏈在鹽水中的回轉半徑增大，補償鉆井液在高礦化度環境下損失的黏度，實現鉆井液流變性能的穩定。

1.2 智能鉆井液降濾失劑

鉆井液降濾失劑作為鉆井液中常用的化學處理劑之一，主要用來降低鉆井液的濾失量。隨著深井、超深井的數量與日俱增，井底的高溫環境使得降濾失劑性能惡化甚至失效，高壓環境又進一步增加了鉆井液的濾失量，泥餅增厚，最終增加井壁失穩和井下復雜發生的概率。現有的部分降濾失劑雖然能滿足現場需要，在高溫條件下有效降低濾失，但當被鹽鈣污染后，鉆井液的降濾失效果明顯變差，故需要與其他抗鹽降濾失劑復配使用，因此迫切需要研發抗高溫、抗鹽鈣的智能鉆井液降濾失劑［32-35］。

Shen等［36］以丙烯酰胺、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸鈉、二甲基二烯丙基氯化銨、苯乙烯和納米鋰皂石為原料，通過原位乳液聚合法合成了一種疏水締合聚合物基層狀硅酸鹽復合物。該復合物可以通過疏水締合作用自發形成多層復合豆莢狀結構，提高泥餅的致密程度，從而降低鉆井液的濾失量。另外，向鉆井液體系中引入小分子電解質或升高溫度會使溶劑極性增大，使疏水締合復合物的締合作用增強，提高聚合物網絡的強度，使溶液黏度升高，從而補償鉆井液在高溫高礦化度環境下損失的黏度。

Chang等［37］合成了一種基于鹽響應的兩性離子聚合物的改性二氧化硅NS-DAD 作為水基鉆井液降濾失劑。與非離子聚合物、陰離子聚合物和陽離子聚合物改性的二氧化硅相比，NS-DAD 表現出明顯的抗電解質現象。這是由于溶液中的離子屏蔽了兩性離子聚合物分子鏈上的靜電相互作用，分子結構由塌縮的球體變為舒展的分子鏈，使得NS-DAD 能在高溫、高礦化度的條件下仍能保持良好的降濾失性能。

除使用鹽敏聚合物對納米無機材料進行改性的方法外，其他學者還使用溫敏聚合物對碳基納米材料進行改性作為智能降濾失劑。Amin 等［38］采用酸化處理和聚合物嵌入合成了一種改性碳納米管復合物作為鉆井液降濾失劑，探究了聚乙二醇改性碳納米管對鉆井液濾失性的影響。該復合物能有效降低泥餅的滲透率，與基漿相比降濾失性能提高了82%。其智能降濾失原理（圖2）為改性碳納米管穿插在黏土片層中，形成“加筋”結構和“柔性釘”的網絡結構，從而改善鉆井液的濾失性。

圖2 改性碳納米管降濾失劑作用機制［38］

Liu 等［39］通過對氧化石墨烯進行接枝改性，制備了一種基于PNIPAAm的熱響應智能氧化石墨烯膜。當復合膜所處環境溫度低于低臨界溶解溫度（LCST）時，PNIPAAm的親水性強，聚合物分子與水分子形成氫鍵，聚合物分子鏈伸展，氧化石墨烯片層之間的距離較大，對水的滲透阻力小；當溫度高于LCST時，聚合物的親水性減弱，聚合物分子間形成氫鍵導致氧化石墨烯片層之間的距離減小，對水的滲透阻力明顯增大。

1.3 智能鉆井液頁巖抑制劑

頁巖抑制劑作為抑制頁巖黏土礦物水化膨脹分散的處理劑，用于保證井壁穩定和巖屑完整。國內外學者對頁巖水化機理進行了大量研究，根據水化機理提出了物理封堵和化學抑制的抑制頁巖水化分散方法，并研制了相應的頁巖抑制劑［40-42］。大部分頁巖抑制劑只是從部分機理出發對抑制劑的抑制性能進行優化，抑制性能還有很大的提升空間。鉆井液頁巖抑制劑智能化是將物理封堵與化學抑制相結合，以進一步提高頁巖抑制劑的抑制性能。

褚奇等［43］利用聚合醇類頁巖抑制劑的特點，即在高于濁點時，析出乳化顆粒起封堵作用，低于濁點時，通過競爭吸附，在頁巖表面形成疏水層起抑制作用，采用聚合醇配制了一種新型聚合醇鉆井液。與傳統應用抑制劑鉆井液相比，新型聚合醇鉆井液更有利于抑制頁巖水化膨脹分散，具有更好的應用前景。

Dong等［44］用N-異丙基丙烯酰胺（NIPAM）對膨潤土進行插層改性，賦予了膨潤土熱響應性。通過對濾失后形成的濾餅的表面表征，發現濾餅在不同溫度下表現出智能親疏水轉變的行為和自恢復能力。與普通膨潤土相比，智能膨潤土濾餅包覆下的頁巖膨脹率由63.89%降至36.44%，有效降低了頁巖水化膨脹。類似地，Choi等［45］在多孔基底表面覆蓋一層熱響應N-異丙基丙烯酰胺接枝聚合物（PNIPAM），使得基底表面的疏水性隨溫度的微小變化而急劇變化。當溫度高于LCST，膜表面疏水性增強，對水的滲透阻力增大；當溫度低于LCST，膜表面親水性增強，對水的滲透阻力減小。Park等［46］利用殼聚糖具有pH 響應的特點，采用殼聚糖和四乙基原硅酸鹽為原料制備了一種具有pH響應的智能復合膜。當復合膜處于酸性環境中，對水的滲透阻力增大；當處于中性或堿性環境中，對水的滲透阻力減小。這種對溫度、pH具有響應作用的膜材料對智能鉆井液頁巖抑制劑的研發具有指導作用。

1.4 智能鉆井液潤滑劑

鉆井液潤滑劑作為降低鉆具與井壁間的摩擦、減小鉆進阻力和起下鉆摩阻的處理劑，主要起減少鉆柱磨損和提高鉆進效率的作用。由于水平井、大位移井等復雜井的數量不斷增加，鉆井液的潤滑性能受到眾多學者的重視。傳統鉆井液用潤滑劑通過改變鉆井液特性和流動方式以達到潤滑的目的。潤滑劑與鉆具、井壁之間的作用弱，無法形成穩定的潤滑薄膜，導致潤滑效果欠佳［47-49］。潤滑劑智能化是通過結合流動潤滑與鍵合潤滑，提高潤滑劑與鉆具、井壁之間的作用力，建立“流動-鍵合”協同增效的潤滑技術。

史沛謙等［50］以不飽和脂肪酸為油性主體，引入雙吸附基親水基團以增強潤滑劑在摩擦界面的吸附強度，合成了一種雙吸附基水基鉆井液潤滑劑SR-1。1.5%SR-1可使聚合物鉆井液的潤滑系數降至0.0441；4% SR-1 可使聚磺鉆井液的潤滑系數降至0.05以內，潤滑系數降低率為80.24%。SR-1與鉆井液的配伍性良好，抗鹽達20%，抗溫達220 ℃。

呂開河等［51］利用醇醚類化合物的“濁點效應”，即在高于濁點溫度時形成一種類油液滴，黏附在井壁與鉆具表面，從而有效改善鉆井液體系的潤滑性能，制備了一種聚醚多元醇潤滑劑SYT-2。當SYT-2 加量為1%時，鉆井液的潤滑系數降低率為93%，且SYT-2 具有良好的抗鹽能力，抗溫能力達120 ℃。逯貴廣等［52］以聚醚胺與油酸酰胺為原料制備了雙油酰聚醚胺潤滑劑NH-HPL。NH-HPL 分子中含有大量極性基團，一方面保證了潤滑劑良好的水分散性，另一方面能提高潤滑劑在鉆具和井壁表面的吸附能力。在4%淡水基漿中加入1%NH-HPL，潤滑系數降低率為92%。NH-HPL 耐溫達160 ℃，且具有不起泡、配伍性好的優點。

蔣官澄等［53］通過對蚯蚓分泌物降低土壤表面摩擦系數原理的分析，提出了仿生表面改性的仿生降黏減阻技術，并以此為指導，研發了鍵和型潤滑劑。該潤滑劑中的活性成分與井眼內的自由離子締合在鉆具、井壁表面產生平滑表面，從而有效降低摩阻，提高機械鉆速。在4%淡水基漿中加入1%潤滑劑，150 ℃老化16 h 后的潤滑系數降低率為90.4%。

1.5 智能鉆井液防漏堵漏材料

對于智能鉆井液的研究，國內外研究人員更側重于防漏堵漏方向。傳統的防漏堵漏劑存在漏失孔道中駐留能力弱、封堵承壓能力弱、與地層漏失孔道尺寸匹配性差等不足。為此，研究學者研發出智能形狀記憶材料、智能凝膠材料、智能仿生材料來進一步提高防漏堵漏性能［54］。

部分學者將形狀記憶合金引入水泥、凝膠等膠結材料，以記憶合金作骨架、膠結材料作填充物，利用記憶合金在不同溫度下的形變恢復實現對封堵能力的提高。部分堵漏材料的承壓能力超過30 MPa［55-56］。

Mansour 等［57-58］開展了基于熱固性形狀記憶聚合物的智能堵漏材料的研究，通過數值模擬和物理模擬相結合的方法，研究了形狀記憶聚合物堵漏顆粒動態封堵裂縫的過程。暴丹等［59］用環氧聚合物單體與酸酐類交聯劑制備了一種熱響應型形狀記憶智能堵漏劑，并開展了堵漏室內實驗。該智能堵漏劑在激活前為片狀顆粒，便于由鉆井液攜帶至漏失地層裂縫。在地層溫度下激活后，封堵顆粒膨脹至塊狀顆粒，自適應匹配裂縫寬度。該封堵劑封堵效率高，與其他橋接堵漏材料復配使用可成功封堵3～5 mm 不同開度的共存裂縫，封堵承壓能力大于11 MPa。

Johnson 等［60］和Quinn 等［61］以油溶性交聯劑和多糖聚合物為原料，通過反相乳液聚合法制備了一種剪切敏感型智能凝膠堵漏劑。該應力敏感性凝膠已成功應用30余井次，堵漏成功率可達75%。張紹營等［62］針對陵水地區鉆井易漏失等問題，以瓜爾膠及其衍生物為主要合成原料，經過多次改性得到一種可延遲增黏的強彈性凝膠作堵漏材料。該智能堵漏凝膠封堵作用突出，可提高區塊滲漏地層承壓15 MPa，裂縫性地層7 MPa，且在80 ℃破膠后自動降黏，可有效對儲層進行保護。

Zhou等［63］使用傳統交聯劑N，N'-亞甲基雙丙烯酰胺共價交聯形成第一網絡，再通過鈰離子與水凝膠網絡中羧基之間的離子相互作用進一步物理交聯，制備了具有自修復性能的聚（丙烯酸）/鈰離子雙網水凝膠。該凝膠斷裂后在壓力作用下可以重新愈合，且具有愈合效率高和機械性能好等優點。在地層壓力的刺激下可以實現凝膠顆粒間的愈合，使凝膠整體駐留在漏失地層，提高對漏失地層的封堵能力，有望作為自愈合封堵材料應用于鉆井液中。

2 智能鉆井液體系展望

智能鉆井液體系作為油田化學新的發展方向，在研究過程中，一方面要繼續提高原有鉆井液體系的性能穩定性，提高鉆井液體系在嚴苛環境下的耐候性；另一方面要考慮學科交叉，深入研究仿生學、智能材料、大數據等前沿研究領域，將新理論、新材料、新技術引入鉆井液體系，提高鉆井液體系的智能化程度。以現場需求作驅動力，實現科研成果落地入井。

2.1 智能鉆井液流型調節劑

智能鉆井液流型調節劑可設計為含有溫敏單體、鹽敏單體和非極性疏水基團的聚合物或傳統流型調節劑的改性產物。通過引入不同類型的單體，令流型調節劑的分子鏈在不同溫度、不同礦化度下，由于疏水締合作用、電解質屏蔽作用等物化作用使其分子構象改變，實現對鉆井液流變進行智能調控的目的。

2.2 智能鉆井液降濾失劑

現有鉆井液降濾失劑主要利用增黏、吸附、捕集和物理堵塞等機理實現降濾失的目的，某些降濾失劑的降濾失效果優異。但目前針對高溫、超高溫的抗高溫抗鹽鈣降濾失劑的降濾失性能仍有待提高。筆者認為要實現鉆井液降濾失劑智能化，應該繼續優化聚合物分子結構，通過增強聚合物分子鏈的聚集態作用力來提高聚合物分子在嚴苛環境下的穩定性，并引入納米材料和刺激-響應材料，賦予聚合物智能特性。

2.3 智能鉆井液頁巖抑制劑

智能鉆井液抑制劑的研制應該建立“抑制-封堵-固化”協同抑制的思想，使抑制劑兼具以下特點：具有小陽離子，通過離子交換實現抑制頁巖水化；具有明顯親疏水部分，通過親水基團在頁巖表面的強吸附，使得疏水部分暴露在巖石外部形成致密的保護層，實現頁巖表面的疏水化；具有響應相變的特性，通過對外界環境的調控，使抑制劑發生相變，起到物理封堵的作用；抑制劑應能提高頁巖膠結強度；考慮到實際應用環境，還應該具有抗高溫、抗鹽鈣、無毒環保的性能。

2.4 智能鉆井液潤滑劑

根據摩擦學原理，鉆具與井壁接觸處的摩阻最大，鉆桿與環空鉆井液的摩擦較小。但目前改善鉆井潤滑性的方法是將潤滑劑直接或間接分散在鉆井液中，這就導致需要潤滑的地方和不需要潤滑的地方潤滑劑的含量相似，潤滑劑的有效潤滑效率不高。智能鉆井液潤滑劑應該一方面能牢固地吸附在鉆具和井壁表面，形成穩定的潤滑膜；另一方面能靶向作用于井壁與鉆具摩擦處，實現智能靶向潤滑。筆者認為可以研制一種包裹極性潤滑劑的親水性微膠囊，當鉆具與井壁發生摩擦時，鉆井液中的微膠囊在外力作用下擠破，使內部的潤滑劑直接作用到摩擦區域，實現定點智能潤滑。相關研究還處于起步階段。

2.5 智能鉆井液防漏堵漏材料

由于智能防漏堵漏材料的研究較多，針對不同的智能材料提出了不同的展望。智能形狀記憶材料應注重分階段固化技術以提高堵漏材料的承壓強度；智能凝膠材料應提高自愈合、自膠結等凝膠材料在高溫等苛刻條件下的適用能力；智能仿生材料應注重將架橋封堵、自適應封堵和智能仿生封堵結合起來，實現協同強化堵漏。

3 結束語

智能鉆井液處理劑能根據井筒環境變化自主調節鉆井液性能，可顯著提高鉆進效率和鉆井質量，降低人工干預，真正實現鉆井工藝全自動。智能鉆井液領域具有廣闊的應用前景，鉆井液智能化研究對未來油氣開發具有重要意義。但就目前而言，鉆井液處理劑智能化還處于初步研究階段，鉆井液體系智能化仍需要進一步摸索。而且智能鉆井液技術作為應用型、綜合性、多學科交叉領域，需要各學科學者的共同參與，為智能鉆井液技術提供新思想、新技術，提高鉆井液的智能化程度。