钻井液技术的现状、挑战、需求与发展趋势.pdf

第 2 8 卷 第 6期 2 0 1 1 年 1 1月 钻井液与完井液 DRI LL I NG F L UI D COMP LET 1 0N F L UI D V_01 ． 28 NO ． 6 NO V．2 01l 文章编号 1 0 0 1 ． 5 6 2 0 2 0 1 1 0 6 ． 0 0 6 7 1 0 钻井液技术的现状、挑战、需求与发展趋势 孙金声， 张希文 中国石油集团钻井工程技术研究院，北京 摘要介绍了国外钻井液技术的新进展，包括井壁稳定、防漏堵漏、抗高温钻井液、提高机械钻速的钻井液、 低密度钻井流体、 大位移井钻井液、 储层保护、 绿色钻井液等技术， 以及 “ 十一五”期间中国钻井液技术的主要成果， 分析了当前钻井液技术面临的主要挑战及 “ 十二五”发展需求，并讨论 了钻井液技术的发展趋势。 关键词钻井液 ； 现状 ； 发展趋势 ； 综述 中图分类号T E 2 5 4 ． 3 文献标识码 A 近年来，钻井液在保障钻井井下安全、稳定井 壁、提高钻速、保护储层等方面的作用 日益突出， 但随着当前复杂地层深井、超深井及特殊工艺井越 来越多，人们对钻井液技术提出了更高的要求。为 此 ，国外开展 了大量的应用基础理论和新技术研究 ， 取得了一系列的研究成果和应用技术 ， 而 “ 十一五” 期 间中国钻井液技术也取得了较大进展 ，但与国外 相比仍有差距。因此，为了更好地为钻井作业提供 优质高效的钻井液技术，同时也为中国 “ 十二五” 钻井液技术发展方向提供科学依据 ，概述 了钻井液 技术现状 、挑战、需求与发展趋势。 1 国外钻井液技术新进展 1 ． 1 井壁稳定技术 1 ． 1 ． 1 高性能水基钻井液技术 国外各大钻井液公 司均研发了一种在性能、费 用及环境保护方面能替代油基与合成基钻井液的高 性能水基钻井液 H P WM ，其典型配方如下。 2 ％～4 ％ 聚胺化合物 1 ％～2 ％ 铝酸盐络合 物 2 ％～4 ％ 钻速提高剂 2 ％～3 ％ 聚合物 可 变形封堵剂 0 ．2 ％～0 ．4 ％改性淀粉 0 ．1 5 ％ ～ 0 ． 3 ％ X C 0 ． 1 ％～0 ． 2 ％ P A C 代表性技术有 M I 公司的U L T R A D R I L体系、 哈利伯顿白劳德公司的H Y D R O G U AD R T M 体系11-2 1 。 该钻井液体系中，聚胺盐的胺基易被黏土优先 吸附，促使黏土晶层间脱水，减小水化膨胀 ； 铝酸 盐络合物进入泥页岩 内部后能形成沉淀 ，与地层矿 物基质结合，增强井壁稳定性 ； 钻速提高剂能覆盖 在钻屑和金属表面，防止钻头泥包 ； 可变形聚合物 封堵剂能与泥页岩微孔隙相匹配 ， 形成紧密填充 [3 】 。 贝克休斯钻井液公 司则把聚胺化合物与聚 合醇的浊点和铝的化合作用相结合，形成了一种 P E R F O R MA X高性能水基钻井液体系，该体系利 用封堵聚合物 MA X． S H I E L D T M 、铝化合物 MA X P L E X T M 、 水化抑制剂 MA X G U A R D T M 及聚合物包 被剂N E W- D R I L L T M 的共同作用来封堵泥岩孑 L 隙和 微裂缝，阻止钻井液滤液的侵入，减小孔隙压力的 传递作用，极大地提高了水基钻井液的抑制性。 在墨西哥湾、美国大陆、巴西、澳大利亚及中 国的冀东、南海等地的现场应用效果表明，高性能 水基钻井液具备抑制性强、能提高机械钻速、高温 稳定、保护储层及保护环境的特点 [4 - 51 。 1 ． 1 ． 2 成膜水基钻井液技术 通过在水基钻井液中加入成膜剂，使钻井液在 泥页岩井壁表面形成较高质量的膜，以阻止钻井液 滤液进入地层，从而在保护储层和稳定井壁方面发 挥类似油基钻井液的作用。 第一作者简介 孙金声，教授级高级工程师，1 9 6 5 年生，现为中国石油集团 钻井工程技术研究院钻井液研究所副所长。 地址 北京市学院路 2 0号钻井液所 ； 邮政编码 1 0 0 0 8 3； E m a i l s u n j i n s h e n g p e t r o c h i n a ． c o m． c n 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 8 钻 井 液 与 完 井 液 2 0 l 1 年1 1月 据CS I RO Co mmo n we a l t h S C i e n t i f i c a n d I n d u s t r i a l R e s e a r c h O r g a n i z a t i o n 和 B a r o i d的 报 道 ， 他们研制 了具有成膜效能的 3种新型化合物 ，它们 的膜效率在 5 5 ％～8 5 ％之间，在此基础上形成了具 有高膜效率的新型水基钻井液 ，并在现场取得 了良 好 的应用效果 。目前已肯定几种钻井液体系具有成 膜作用，分别为 ①聚合醇钻井液体系 ； ②甲基葡 萄糖甙钻井液体系 ； ③硅酸盐钻井液体系，其中膜 效率最好的为硅酸盐钻井液体系[6 -7 ] 。 1 ． 1 ． 3 井壁 “ 贴膜”技术或称井壁 “ 镶衬”技术 斯伦贝谢剑桥研究 中心提出了一种井壁 “ 贴膜” 或称井壁 “ 镶衬” 技术 ，即利用树脂的光固化反 应性能在井壁上生成井筒衬 即井壁 “ 贴膜” ，是一 种集稳定井壁 、防漏堵漏 、提高地层承压与保护储 层一体化的新技术。该技术首先通过一种可不断旋 转、含有导光管、带有孔眼的工具将光敏感性树脂 材料输送到井下 ，喷射出来的树脂材料可清除井壁 上 的虚泥饼 ，同时利用树脂的光 固化反应迅速固化 形成一层类似壁纸的 “ 贴膜” ，称之为可遥控 的井 筒衬技术，根据实际需要可调整树脂在井壁上的聚 合情况，且通过实时的图像传输可以看到井壁上形 成 的 “ 贴膜 ” ， 该贴膜具有较好 的弹性 ， 承压能力强 ， 可达到稳定井壁 、 提高承压能力和保护储层 的目的。 1 ． 1 ． 4 油基钻井液技术 1 具有平坦流变性能的油基钻井液。M I 公司 研发了一种用于深水钻井 、大位移井并具有平坦流 变性能的油基钻井液，该体系由少量有机土、适量 增黏剂、乳化剂、流型调节剂等组成，其流变性不 受温度压力影响，滤失量小 、井 眼净化能力强 ，可 有效保护储层 ，能解决随温度和其他环境改变而引 起 的井底清洁能力下降 、环空 当量循环密度过大 、 重晶石沉降和井漏等问题 ， 并满足环境保护的要求。 2低 固相矿物油基钻井液。该钻井液 用溴 化钙盐水作分散相，标准矿物油作连续相，液态树 脂有机物替代天然沥青作降滤失剂， 基本配方如下。 4 2 3 k g ／ m 低芳香族矿物油 3 0 k g ／ m 乳化剂 1 0 k g ／ m 液 态 降 滤 失 剂 1 0 k g ／ m 优 质 有 机 土 1 6 1 k g ／ m。 清水 3 6 4 k g ／ m 溴化钙盐水 密度为 1 ．7 k g ／ m 1 0 k g ／ m 石灰 在挪威中部 Aa s g a r d油 田的现场应用效果表明， 与传统钻井液相比，该钻井液具有更好的封堵性及 热稳定性，井眼净化时间短、保护储层效果好。 3 高密度低固相油基钻井液 。M I 公司用 甲酸 铯盐水配制了密度为 1 ． 6 6 g ／ c m 的低 固相油基钻井 液 【9 ] ， 其基本配方如下。 3 6 0 L ／ m 基油 5 9 0 L ／ m 甲酸铯盐水 3 5 L ／ m 乳化剂 2 k g ／ m 石灰 重晶石 在 S t a t o r d油 田的现场应用效果表明 ，该钻井 液与常规油基钻 井液 的差别在 于 固相含量 由 2 2 ％ 降低到了 1 ％，不会发生井眼失稳、对地层损害小 且能提高油井产能。 4不含有机土的油基 钻井液 。哈利伯顿 白劳 德公司报道了一种不含有机土的油基钻井液 ， 其基 本配方如下 。 0 ． 0 7 5 m 线性石蜡 3 4 ． 2 k g ／ m 乳化剂 8 ． 5 5 k g ／ m 石灰 2 8 ． 5 k g ／ m 聚合物降滤失剂 1 ．4 2 5 k g ／ m 改 性脂 肪 酸 0 ． 0 2 m 水 4 3 ． 6 k g ／ m。 氯 化 钙 2 2 ． 8 k g ／ m 纤维类增黏剂 l 4 8 4 ． 8 5 k g ／ m 四氧化三锰 现场应用效果表明，该钻井液可解决高压 、高 温 2 0 4℃ 和高密度 2 ． 2 g ／ c m 条件下重 晶石的 沉降问题，能降低大位移井中的当量循环密度。 5 无固相钻／ 完井液。贝克休斯钻井液公司研 发了一种由石蜡、乳化剂、润湿剂、油、氯化钙及 溴化钙盐水组成的无固相钻／ 完井液，该体系可用于 活性页岩中钻井和水平井 中的砾石充填液 ，其密度 可通过改变油水比、 C a C 1 ， 或 C a B r 2 水相密度来调节 。 1 ． 2 防漏堵漏技术 1 ． 2 ． 1 用于严重漏失的堵漏塞 M I 公 司研发 了一种 F O R M． A． S Q UE E Z E堵漏 塞，可用于解决各种裂缝 、孑 L 洞地层漏失及井喷事 故 ，其配制 的高滤失 ／ 高 固相钻井液 经过漏层时 ， 液相挤压钻井液而快速形成泥饼封堵漏层 ，抗温可 达 2 3 2℃且环境友好 ，封堵效果不受速凝剂 、缓凝 剂、温度及时问的影响。 哈利伯 顿 白劳德公 司研发 了一 种能够 制止严 重或完全钻井液漏失、层问窜流及井喷的堵漏剂 F l e x P l u g ，其封堵作用通过堵漏剂与钻井液之间的 化学反应而实现，该反应迅速且节省钻进时间，不 需要起下钻，在钻头下与钻井液混合后能够很快形 成堵漏塞，产生封堵效果 [1 1- 13 ]。 贝克休斯钻井液公司研发了一种由交联聚合物 和桥堵剂混合成的刚性凝胶桥塞 X L I N K，其在泵 人漏层后可形成非常结实的刚性胶质塞 ，可适用于 胶结性差的砂砾岩及裂缝发育的灰岩等地层发生的 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第2 8 卷 第6 期 孙金声等钻井液技术的现状、挑战、需求与发展趋势 6 9 严重漏失。该产品无毒环保，能依据温度用缓凝剂 和速凝剂控制交联速率和时问，不需起钻换钻具组 合 ， 且形成的胶质塞很容易被钻穿后由振动筛分离。 1 ． 2 ． 2 弹性石墨类材料 弹性石墨为具有弹性、菱角、双组分碳结构的 材料 ，在孔隙和微裂缝的压缩状态下 ，能够先收缩 继而又膨胀 ，具有较好的弹性 、可变形性、韧性和 化学稳定性，在扩张填充和内部挤紧压实双重作用 下 ，可 自适应封堵不 同形状和尺寸 的孔 隙或裂缝。 代表产品有哈里伯顿白劳德公司的 S T E E L S E A L 、 贝克休斯钻井液公司的L C ． L U B E和菲利普斯公司 的 Re b o u n d T M[ 1 4 ] 。 1 ． 2 ． 3 井眼加固技术 国外提出了通过增大井壁强度并有效提高地层 抗破裂能力的方法，用来加固渗透性地层和非渗透 性地层，以达到加大井眼稳定窗口，并以较高钻井 液密度钻进时不会发生漏失的目的，该方法为解决 钻井过程中的漏失问题提供了新的思路。 为了达到井眼加固的 目的，需要通过像楔子一 样来挤压井眼周围岩石而形成小裂缝 ，钻井液 中的 合适 固相封堵材料迅速进入裂缝并在裂缝开 口附近 形成桥塞，桥塞渗透率必须足够低，以便阻隔液柱 压力的传递 ，产生能够封堵裂缝、阻止裂缝进一步 扩大、防止压力传递到裂缝末端、提高井眼周向应 力的 “ 应力笼”效应 ，达到防漏堵漏的效果 。 代表性的井眼加 固技术有，M I 公司的一体 化井眼加 固技术 I - B OS S 、哈里伯顿 白劳德公 司的 We l l b o r e S t r e s s Ma n a g e me n t T M 技术等 [ ] 。 1 ． 3 抗高温钻井液技术 1 ． 3 ． 1 抗高温处理剂 M． I 公司研制了一种聚乙烯基吡咯烷酮 P VP l 1 ， 该聚合物可使钻井液具有良好的剪切稀释性和携带 能力 ，抗温达 1 8 0 o C； M． I 公 司还研制 了一种分子 量为 5 0万 ～1 0 0万的共 聚物 Ho s t a d r i 1 1 4 7 0 6 ，其 能 改善钻井 液 的流变性 ，抗 温达 2 3 0℃ ； M． S a mu e l 等 『1 7 ] 研制了一种两性离子表面活性剂 V I S ． P I L L ， 其既可作增黏剂， 又可作降滤失剂， 抗温达 1 9 0 oC； Md ． A m a n u l l a h 等从天然材料中提取了G S P作高温 保护剂，其可阻止膨润土钻井液在 1 5 0 以上的高 温下热降解 ； L u i g i F ． 等 踟 研发了一种柠檬酸锆抗 高温降黏剂 Z R C ，其能在 2 0 4℃以上控制膨润土 的高温胶凝，提高其它处理剂的热稳定性 ； 美 国 报 道 了由 AMP S 、S MP及 AM 共 聚合成 的处 理剂 C O P 一 1 、 C O P ． 2 ， 抗温达 2 6 2 ％； 德国报道 了由钠 、 锂 、 镁和氧组成的合成多层硅 S I V 【】 ，热稳定性达 3 7 0 ℃，其结构类似于天然膨胀性微晶高岭石，用其配 制的钻井液体系抗温达 2 3 3 o C。 1 ． 3 ． 2 抗高温钻井液体系 1 甲酸盐无 固相钻井液。常用处理剂在 甲酸 盐钻井液中配伍性好，且甲酸盐能提高聚合物的高 温稳定性 和热稳定性。Mo b i l 公司首次成功应用 了 甲酸盐钻井液钻高温高压井，在德国Wa l s r o d e 地区 和印度尼西亚 B e l a n a k油 田，高温高压井温度分别 达到 1 6 2 ． 8℃和 1 5 7 ，应用 甲酸盐无固相钻井液 作基浆钻井 ，取得 了较好的应用效果 。 2无 膨润土抗高温钻 井液。M． I 公司开发 了 一 种在 1 8 0 ～2 2 0 o C下能保持稳定 的无膨润土抗高 温钻井液体系 ” ， 其由乙烯酰胺 ． 磺化乙烯共聚物、 改性黏土、不同粒径碳酸钙、氧化镁等组成，该钻 井液在 K a l i n o v a c h e 和 Mo l v e 气 田的 5口高温高压 井中取得 了较好的应用效果。 3 抗高温硅酸盐钻井液。斯 伦贝谢公 司研制 了一种抗高温硅酸盐钻井液体系 口 ，其选用了在 1 6 3 o C 和高 p H值下仍能保持稳定的共聚物作抗高 温聚合物 ，基本配方如下 。 1 ． 4 ％K C l 0 ． 0 7 ％Na ， C O 0 ． 2 8 5 ％常规P AC 0 ． 3 ％ U l p a c 4 ．2 ％抗高温聚合物 0 ．2 ％X C 2 ．2 8 2 ％硅酸 钠 改性沥青 1 ． 1 4 ％胺基高温稀释剂 该钻井液性能重复性好，1 6 0 oC 下高温高压滤 失量仅为 5 mL，且抑制性强。 4 抗高温聚合醇钻井液。M I 公司研制了一种 抗高温聚合醇钻井液，其由聚合醇、反絮凝剂、降 滤失剂、聚合物高温稳定剂及低分子量聚合物降黏 剂等组成，该钻井液性能稳定、静切力低、抗污染 能力强，在中国海南亚成 2 l l 一 4 井取得了较好的应 用效果 ，井底温度达 2 l 2℃。 5抗 高温 S I V钻井液。S I V钻 井液 中添加 了 一 种热稳定性高达 3 7 0 o C 的合成多层硅 S I V，其配 方如下。 1 5 0 k g ／ m 淡水 1 ．3 5 k g ／ m S I V I ．3 5 k g ／ m 聚合 物抗 絮凝 剂 9 ．4 5 k g ／ m。 K C I 0 ．4 5 k g ／ m 。 N a ， C O 0 ． 9 5 k g ／ m Na ， S O 4 ． 5 k g ／ m 碳酸钙 该钻井液在 2 3 3℃的温度下仍能保持良好的黏 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 7 0 钻 井 液 与 完 井 液 2 0 1 1 年 1 1月 度，不会发生高温絮凝等问题。在德国的 K T B H B 工程中使用 了这种钻井液 ，结果表明 S I V钻井液具 有较好的悬浮性、抗污染性及高温高压流变性 【1 。 1 ． 4 提高机械钻速的钻井液技术 近年来 国外相继开发 了多种增速剂产品 。 ， 形成了能提高机械钻速 的钻井液技术 ，并取得了 良 好的应用效果，其主要原理是清洗钻头，防止钻屑 吸附 ，减小扭矩而提高钻速 。 B a r o i d与 M． I 公 司开发 出 的快 速钻 井液 技术 在 德 克 萨斯 州 的 K a r n e s c o u n t r y地 区应 用 了 1 9口 井 ，机械钻速比应用常规水基钻井液提高 了 4 6 ％ ； Ha s l e y等人开发 了一种添加特殊处理剂 的水基钻井 液，成功应用于南德克萨斯 Wi l c o x 地层的一些井， 平 均机械钻速提高 了 3 0 ％ ； F r i e d h e i m等人研制 了 一 种含有 R OP增速剂 的新 型水基钻井液 ，应用 于 墨西哥湾的深水及大陆架地 区钻井 ，机械钻速 比采 用传统水基钻井液高出 6 0 ％～7 0 ％。 1 ． 5 低密度钻井流体技术 1 ． 5 ． 1 新型微泡钻井液技术 微泡钻井 液 Ap h r o n s 以其独特 的低剪切 流 变性而广泛应用于钻衰竭储层和低压地层 l2 ，M． I 公司最新研制了一种改进的微泡钻井液体系 p 们 ，改 进后的配方中添加了一种由生物聚合物黄原胶和表 面活性剂 B L U E S T R E A K混合而成的微泡稳定剂。 研究发现 ，形成 的微泡抗压 强度达 2 8 。 7 5 MP a ，能 快速形成气泡膜，减轻钻井液的侵入，且在孔隙介 质表面吸引力小 ，因而形成的密封无黏结力 ，采油 中易排 出。 1 ． 5 ． 2 可循环泡沫 威德福公 司研制的可循环泡沫具有以下性能特 点 提高机械钻速 ； 可处理地层 出水 问题 ； 可生物 降解 ； 携岩能力强 ； 不受无水石膏和盐水 的影响 ； 与MWD工具兼容 ； 对井下马达轴承的磨损最小 ； 对储层伤害小 、漏失量小。该技术 已成功应用于美 国德克萨斯州 P a n h a n d l e 深井高温作业，应用井段 垂深为 6 7 0 6 1T I ，储层压力为7 ． 5 8 MP a ，井底温度 为 1 9 3 ，泡沫洗井液成功清除了管壁铁锈，并将 金属铁屑带至地面，避免了洗井液漏失，产气量从 8 0 0 Mc f ／ d增加至 5 0 0 0 Mc f ／ d 。 1 ． 5 ． 3 油基泡沫 由共聚物 、表面活性剂及柴油组成的油基泡沫 流体适用于水敏性地层 、易坍塌泥页岩地层 、低压 地层、衰竭储层和漏失地层钻井。美国在墨西哥湾 首次使用油基泡沫流体进行了欠平衡钻井 [3 “ ，该处 井深为 5 5 6 8 1T I ，井底温度为 2 3 2 o C，现场应用效 果表明，油基泡沫流体抗高温、抗污染能力强，能 提高钻头寿命和机械钻速 ，具有 良好的防漏堵漏及 井眼净化能力，且可循环使用，降低了钻井成本。 1 ． 6 大位移井钻井液技术 大位移井主要应用于海上油 田的开发和海油陆 采，国外已钻成了数百口大位移井，水平位移超过 1 0 0 0 0 m的井有 3口，主要采用的是高效润滑水基 钻井液和油基钻井液 。哈利伯顿 白劳德公 司研制 了 一 种适用于大位移井 的逆乳化钻井液 ，该钻井液含 有数种植物酯和内烯烃化合物，具有良好的悬浮性 和井眼清洁能力 ，在墨西哥湾深水和大陆架现场应 用效果表明，该钻井液能持续防止重 晶石沉降。 1 ． 7 储层保护技术 1 ． 7 ． 1 理想充填技术 理想充填技术也称作颗粒紧密堆积理论，即实 现钻井液中暂堵颗粒的理想充填。其中，孔喉直径 根据测井、压汞和气测渗透率可以计算出来，当暂 堵剂颗粒累计体积分数与粒径平方根 即d “ 之 间呈直线关系时，颗粒堆积效率最高，可达到理想 充填 ，在此基础上优选 出的暂堵剂能形成致密的泥 饼，从而有效阻止固相颗粒和滤液侵入 ，达到保护 储层的效果。 1 ． 7 ． 2 成膜保护储层技术 成膜保护储层技术 以井壁岩石作为支撑体 ，通 过聚合物吸附在表面、 浓集、 覆盖形成致密无孑 L 膜， 其属于非选择性化学封堵，可适用于不均质程度较 高的高 、中、低孔喉储层。该技术实现了储层保护 技术从单纯有选择性的物理封堵方法 向非选择性 的 物理化学方法的转变，为实现储层无损害奠定了理 论与技术基础。 1 ． 8 废弃钻井液处理技术 日 本提出了采用蒸发浓缩法用于废弃钻井液的 固液分离，该技术首先进行初步的过滤分离，废液 经蒸馏浓缩后待进一步处理，再应用卧式旋流压缩 机进行固液分离再处理，最后将絮凝剂、污水处理 剂等加入废液中，处理后的液体可回收再利用。此 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第2 8 卷 第6 期 孙金声等钻井液技术的现状、挑战、需求与发展趋势 7 1 外 ，国外在钻屑回注技术 、微生物处理技术 主要 用于处理油基钻屑 等方面也在开展相关研究工作。 1 - 9 绿色钻井液技术 目 前，国外正在研制保护环境、可排放的绿色 钻井液技术，如 M I 公司研制 了一种肥 田逆乳化钻 井液，该钻井液不但具有普通逆乳化钻井液的性能， 且可以排放到田野里作为土壤的增肥剂，用该钻井 液打井所产生的岩屑无须处理就可直接撒到田地里。 1 ． 1 0 新型加重材料 1 ． 1 0 ． 1 微米化重晶石加重剂 M I 公司研发了一种微米级颗粒加重剂，将重 晶石研磨到尺寸介于 0 ． 1 ～ 1 0 g m，大多数为 1 g m， 其不会改变钻井液流变性 ，加重后 的钻井液当量循 环密度易控制 ，井眼净化能力强 ，可适用于钻水平 井和大位移井 ，并能有效保护储层。 1 ． 1 0 ． 2 四氧化三锰加重剂 与重晶石相比，Mn O 的密度高， 达 4 ．8 g ／ c m ， 但其颗粒尺寸小得多，且能被弱结构的钻井液所支 撑 ，重 晶石加重的钻井液动切力一般为 9 ． 6 P a ，而 Mn O 加重 的钻井液 动切力 为 3 ． 8 4 ～4 ． 8 0 P a时就 能防止沉降。Mn O 颗粒呈球形，粒问摩擦小，具 备低摩阻特性，可使钻井液的塑性黏度降低 5 0 ％ ～ 6 0 ％，且可酸溶、适合储层段加重。现场应用效 果表明，Mn O 能改善钻井液的流变性、储层保护 效果好，适合在高温高压井和小眼井中应用 『3 。 1 ． 1 1 纳米技术在钻井液中的应用 贝克休斯钻井液公司研制了一种可变形纳米级 封堵聚合物MA X ． S H I E L D ～ ，该材料可起到降低压 差卡钻和稳定井壁的效果 [3 3 ； S e n s o r y 等 。 通过 扫描 电镜观察发现 ，纳米颗粒能够堵塞页岩 的孔隙 及喉道， 减小页岩中的渗透性， 提高井眼的稳定性； B i c e t a n o等 [ 3 制备 了一 类热 固性纳米 复合物颗粒 密度为 0 ． 7 5 ～ 1 ． 7 5 g ／ c m ，含有该颗粒 的钻井液能 减小储层漏失和对地层的伤害 ； S a y y a d n e j a d 等 p 8 ] 合成了一类颗粒大小为 1 4 ～2 5 n m、比表面积为 4 4 ～5 6 m 2 ／ g的纳米级氧化锌，该材料在 1 5 min内 就可迅速除掉水基钻井液中的所有硫化氢。 1 ． 1 2 模拟井下条件的钻井液性能及储层保护 评价技术 近年来，国外在模拟井下条件的钻井液及储层 保护评价技术方面取得了较大进展，如高温高压流 变仪，温度可达 4 5 0 c C； 高温高压动态损害评价系 统，温度可达 2 2 0℃ ； L E M润滑评价仪，温度可 达 2 2 0℃ ； 美国能源部实验室研发的超深钻井仿真 器，可完全模拟井下实际情况，压力为2 0 7 MP a ， 温度可达 2 5 0℃，并可使用现场钻井液，利用x射 线影像记录井底环境下切割的实时图像 ， 用于优选 处理剂 、评价钻井液及优选钻头 ； 斯伦贝谢剑桥研 究中心建立了一套大型模拟井下条件的化学流体三 相流性能评价装置，可评价模拟井下温度、压力条 件下钻井液、采油过程中油水气三相流体的性能， 为处理剂材料研发、体系优选创造了基础条件。 2 “ 十一五”中国钻井液主要技术成果 2 ． 1 水基钻井液成膜理论与技术 为了将泥页岩非理想膜改善成接近理想的半透 膜，需要加人能减小孔隙尺寸、增加泥页岩薄层电 荷密度的特种化学材料，从而有效减小水推动力大 小或改变水推动力方向，达到稳定井壁的效果。因 此，研制了一种膜效率高达 7 5 ％ 以上的有机硅酸 盐半透膜剂和具有一定承压能力及隔离媵陛能的隔 离膜剂 ，并形成 了具有半透膜 、隔离膜性能的水基 钻井液成膜技术 。该技术在 吐哈 、青海 、中原等油 田 1 0 0 余口井进行了现场试验，结果表明，钻井液 体系抑制性强、防塌效果好、储层保护效果好，是 防止井壁坍塌与保护储层协调一致的新技术 _3 。 2 ． 2 超高温水基钻井液技术 揭示了超高温对钻井液中黏土粒子的作用机理， 提出了除抗热氧降解外，钻井液处理剂应增强超高 温条件下黏土粒子去水化能力的技术思路 [4 0] ，关键 是在钻井液中加入在超高温 大于 1 8 0℃ 条件下 有利于防止黏 土高温去水化及 聚结 的抗 高温处理 剂。因此，研制了一种钻井液抗高温保护剂 G B H， 并筛选出了高温降滤失剂、高温防塌封堵剂和高温 流型调节剂，形成了超高温 2 4 0℃ 钻井液体系 配方。该技术在吉林、大港、冀东等油田 1 4 余 口 井进行现场试验，最高温度达 2 1 0℃，钻井液体系 在高温下保持良好的流变性，易于调整和维护 ” 。 2 ． 3 快速钻井液技术 中国石油集团钻井工程技术研究院研制了一种 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 7 2 钻 井 液 与 完 井 液 2 0 l 1 年1 1月 能降低钻井液环空摩阻和井底压持效应、提高机械 钻速的快速钻井液技术 ，该技术对上部井段 可改变 润湿、防止黏土吸附、提高机械钻速并减少起下钻 阻卡 ； 对可钻性差的中下部地层可降低岩石 的瞬间 强度 ，提高破岩效率和机械钻速 ，并稳定井壁 ，同 时。该技术在 吐哈、塔里木、青海 、新疆 、吉林 、 辽河及冀东等油田的 1 0 0 余口井进行了现场应用。 现场应用效果表明， 平均提高机械钻速达 l 8 ％以上， 能有效降低钻井液摩阻，并解决 了井壁失稳及起下 钻过程中阻卡的情况，井径规则 ，同时提高了固 井质量 。 2 ． 4 成膜保护储层理论与技术 隔离膜 剂通过 吸附 、浓集 、覆 盖在井 壁表 面 形成致密的不透水膜 ，封堵层理裂隙、防止黏土颗 粒运移、减少压力传递，从而有效保护储层。该技 术在冀东 、大港等油 田进行 了现 场试 验 ，结果表 明，表皮系数小于或接近于零，渗透率恢复值大于 9 5 ％，保护储层效果显著 [4 。 2 ． 5 胺基钻井液技术 中国石油集 团钻井工程技 术研究 院等研制 了 一 种能有效抑制大段水敏性泥岩水化膨胀的胺基抑 制剂，配制的高性能胺基钻井液在新疆、华北等油 田进 行 了现场试 验。结 果表 明，该 钻井液具 有优 良的抑制性 ，返 出钻屑成 型，起下钻 顺利 ，井径 规则 。 2 ． 6 新型正电性钻井液技术 中石化工程技术研究院研制的正电性钻井液体 系通过电性的改性 ，解决了钻井液稳定性和地层稳 定性之 间的矛盾 ，其主要 由阳离子乳液聚合物、乳 化石蜡和有机硅醇抑制剂等组成，电性大于 0 mV， 渗透率恢复率大于9 0 ％。现场应用效果表明，该类 钻井液抑制性强 ，有利于井壁稳定 、保护储层 [ 4 5 1 。 2 ． 7 低密度钻井流体相关技术 2 ． 7 ． 1 气液转换 中的润湿反转技术 针对气体钻井气液转化过程中存在的井壁失稳 问题，通过先打入前置液 润湿反转剂 ，使空气 钻井段岩石表面由亲水变为疏水，防止气液转化时 泥页岩吸水垮塌。在四川龙岗地区气液转换过程中 进行 了试验 ，下钻一次到底 ，循环无掉块返 出，避 免了井壁失稳带来的复杂 。 2 ． 7 ． 2 超高温泡沫钻井流体技术 为提高常规起泡剂形成泡沫流体 的抗温性 ，中 国石油集 团钻井工程技术研究院等研制 了一种抗高 温泡沫稳定剂 ，使泡沫流体的抗温能力提高到 3 5 0 ℃以上。中国石油长城钻探工程公司使用该技术在 肯尼亚 O L K AR I A高温地热井 3 5 0 的 2 8口井 中成功应用 ，与国外超高温泡沫流体相 比，起下钻 更JJIF , N，平均完井周期缩短了 3 d l4 。 2 ． 7 ． 3 油基泡沫钻井流体技术 中国石油集团钻井工程技术研究院研制了油基 泡沫钻井流体技术，该泡沫流体密度低，抗高温、 抗盐和油污染能力强 ，流变性好 。在地层 出水时 ， 油基泡沫可将水携带到地面 ，脱水处理后可继续发 泡循环使用。该技术可满足强水敏性地层 、易漏地 层、枯竭储层及超低压储层钻井需求 H 。 2 - 8 防漏堵漏技术 2 ． 8 ． 1 漏失压力分析与四压力安全密度窗口 无论是自然漏失还是压裂漏失，漏失压力等于 克服地层孔隙压力或井壁应力及岩石强度等产生的 压力与漏失工作液在漏失通道中流动时压力损耗之 和。在忽略工作液压力损耗的情况下 ，不 同成因下 形成的漏失压力具有一个相应的最小值 ，石林等 _ 4 8 】 提出可以引入数学上 “ 极小值” 的概念来描述 ，极小 漏失压力指形成漏失现象所具有的最小漏失压力。 当前 ，漏失压力概念被破裂压力完全替代 ，导 致漏失压力预测失真 ，井漏事故不能有效预防。漏 失压力作为一个相对独立的物理量，应将其加入到 安全钻井液密度窗 口分析中去 ，构成四压力安全密 度窗 口，以便更准确地设计合理的钻井液密度 ，科 学指导现场钻井施工 。 2 ． 8 ． 2 特种凝胶堵漏技术 西南石油大学研制的特种凝胶进入漏层后能 自 动停止流动，并充满裂缝 、溶洞空间 ，形成能隔断 地层内部流体与井筒流体的 “ 凝胶段塞” 。该技术 已成功应用于罗家 2 井、 双庙 1 井等的堵漏施工中， 对大漏 、返出量太小的裂缝性 、孔洞性 、破碎性地 层恶性漏失有很好效果 [4 。 2 ． 8 ． 3 平衡静胶凝溶洞堵漏技术 渤海钻探工程公司钻井院通过先注入高黏度的 承托浆，再注人可固化流体，该流体与承托浆相遇 后，迅速形成弱胶体，该胶体通过压力平衡保持在 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第2 8 卷 第 6 期 孙金声等钻井液技术的现状、挑战、需求与发展趋势 7 3 洞口附近，当流体固化后，即可达到封堵效果。该 技术 成功解决 了任深 2斜井和霸 9 1 井钻井过程 中 遇到的 1 ． 0 5 m、0 ． 9 5 m等大小的溶洞漏失问题 [ 5 0 ] o 2 ． 8 ． 4 超低渗透钻井液防漏堵漏技术 中国石油集团钻井工程技术研究 院研制 的超低 渗透钻井液形成的封堵层承压强度高，能提高地层 漏失压力和破裂压力梯度。该技术在大港、冀东、 胜利、青海、新疆等油田进行了现场试验，提高了 堵漏一次成功率，防漏堵漏效果显著，解决了以往 钻长裸眼多套压力层系时易发生的漏失问题 _ 5 ” 。 2 ． 9 煤层气井壁稳定与储层保护技术 中国石油集 团钻 井工程技术研 究 院在煤 储层 损害机理及评价方法研究 的基础上 ，优选了增黏剂 X C 、防塌与降滤失隔离膜剂 C MJ 一 2 ，形成了以隔 离膜剂为主剂 的煤层气钻井液技术 ，该技术可达到 井壁稳定与储层保护一体化的效果，并在 Z P O 1 ． 1 井 中成功应用 【 5 。 2 ． 1 0 废弃钻井液不落地达标处理技术 中国开发了一种钻井废弃物不落地达标处理技 术，该技术对井场外排钻井液进行全方位收集 ，先 进行砂石分离 ，得到直径大于 0 ． 5 c m的钻屑，再对 浆体进行化学处理及物理脱干，使固相中的有害物 质全部被析人液相污水 中，得到无害化泥饼 ，后对 污水进行氧化、气浮、过滤及反渗透处理，得到可 排放清水。该技术在塔里木、中石化西北油田等进 行了现场试验 ，处理后 的水可被循利用，泥饼就地 再利用，无外排废弃物，可取消废浆池，实现了钻 井井场的清洁化生产。 2 ． 1 1 新型油基钻井液技术 中国石油集团钻井工程技术研究 院研制 了高胶 体率 9 0 ％以上 、具有较强增大黏度、提高切力 和耐高温性能的柴油 、白油基钻井液用有机土 ，并 研制了乳化率在 8 0 ％以上、 耐高温的主辅乳化剂和 润湿率达 9 0 ％的润湿反转剂。形成了密度为 0 ．9 ～ 2 ．6 g ／ c m 的抗 2 2 0 oC 柴油、白油基钻井液配方 。 2 ． 1 2 其它技术 中国钻井液技术在其它方面也取得了较大进 展，如抗高温抗盐高密度钻井液、抗酸性气污染高 密度水基钻井液、高温有机硅氟钻井液、可循环微 泡钻井液、硬胶泡沫钻井液、深水低温钻井液、气 制油钻井液、环保型全白油基钻井液及合成基钻井 液等。此外，还研制开发了一批钻井液测试仪器， 如高温高压动态损害评价装置、钻井液对钻速影响 评价装置 、 低孔低渗敏感性评价装置 、 高温 3 0 0℃ 高压降滤失仪及高温 3 0 0℃ 滚子炉等。 3 目前钻井液技术面临的主要挑战 据统计，1 9 9 9 年至 2 0 0 9 年国际上钻井液服务 收入的年均增长率达 1 1 ． 8 ％，2 0 0 9年中国钻井液服 务收入约占3 ．5 ％的国际市场份额，说明当前中国 钻井液技术的核心竞争力还很低。而中国主要油气 战略接替区 如中亚、塔里木、渤海湾等 多是深 部复杂油气藏，高温高压 、钻速慢 、井壁失稳 、井 下复杂等问题频繁发生 ，钻井难度增大。以上所述 问题都与钻井液的技术直接相关，必须主要通过钻 井液技术的突破性发展才能得到有效解决 ，而现有 的钻井液技术虽大多可勉强把井打成 ，但无法做到 “ 打成