高密度鉆井液的研究現狀及發展趨勢

易爭利 陳瀝 尹俊祿 高宇 呂曉偉 劉波

摘 要：本文通過回顧高密度鉆井液的研究現狀、技術難點以及發展趨勢，指出高密度鉆井液研究和技術工作的重點在于采用國外成熟的油基、合成基鉆井液技術方面的經驗，發展和完善自身的鉆井液體系，以有效解決鉆井液研究和實踐方面存在的流失性、沉降穩定性等方面的矛盾。

中圖分類號：TE2文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）04（a）-0000-00

1 高密度鉆井液的定義及研究現狀

較早時期的鉆井作業的理論與實踐中，對于高密度鉆井液的認定范圍要比現在寬松的多，一般ρ≥1.50g/cm3的，即可以被認為是高密度。然而隨著鉆井工作的不斷深入發展以及鉆井工藝水平的不斷提高，越來越多的實際情況表明，原有的判定標準已經不符合實際工藝中的需要，提高對于高密度鉆井液的判斷標準勢在必行，可以說即使是現時重新認定的高密度鉆井液的密度范圍在隨著時間的推移和工藝的進步的發展中依然逐漸成為常規鉆井液的密度范圍。從筆者的理論研究和實踐經驗來看，即使是每立方厘米提升0.2g依然不能滿足現實工作中對于高密度鉆井液的要求，也不再是鉆井工藝所關注的熱點問題。從國內外最新的研究成果和最近的鉆井現場工藝技術實踐來看，對于鉆井液的維護工作和使用過程而言，重點應該集中在1.90gcm3≤ρ≤2.40g/cm3這個密度范圍之內。因此筆者采用較寬松的標準將高密度鉆井液定義為1.80g/cm3≤ρ≤2.50g/cm3的密度范圍內。

國外高密度鉆井液的理論研究所面臨的問題，大致包括抗溫性、流變性、抑制性等方面。實際上流變性差、濾失量大、泥餅厚、固相含量高一直是鉆井液理論研究和工藝應用的世界性難題，只有開發新型的性能優秀的鉆井液技術才可以順利解決上述難題從而更好地勘探和開發復雜地理地質及油氣層。 從國外的經驗來看，其所采用的鉆井液密度均高于每立方厘米2g的密度，加上其他方面的配套的工藝技術等因素的影響，其發展方向已經拓展到了無固相。在實際工藝中多使用油基或聚合物之類的高密度鉆井液，部分使用甲酸鹽可以將密度控制在每立方厘米2.3g，出于保護油氣層的需要，這類鉆井液加重材料的使用是非常合適的，然而其缺點在于成本難以降低。

從國內的理論研究方面來看，由于大規模的地質地理的勘探和開發的不斷升級，我們對于高溫高密度鉆井液方面也有了自身的一定的理論成果。比如在降低不利于提高鉆井液密度的方面，我們可以考慮減少其中的膨潤土以及其他低密度固相的含量從而實現鉆井液密度的提高，或者通過使用甲酸鹽之類來提高液相的密度從而有效地提高高密度鉆井液的流變性，甚至還可以徹底放棄使用固體加重材料從而有效降低鉆井液粘度和提高其流變性。再者，還可以使用活化加重材料，使得高密度水基鉆井液由此而產生粘度等效應上的減弱，為有效增強其流變性而釋放自由水。理論指導了實踐的應用，我們因此開發出了多種新型的加重材料，比如聚磺體系和磺化體系的活化加重材料由于使用時間長加上經驗多、效果好從而很大的推動了國內關于高溫高密度鉆井液的應用研究。高密度鉆井液在目前我國的鉆井現場情況來看，其應用范圍還有很大的拓展空間。從為數不多的使用高密度鉆井液的情形而言，其密度范圍多集中在每立方厘米2g至2.4g之間，高于此密度范圍的實際例子相對比較少。而另一方面更關鍵的問題是，對于加重劑的研究和使用方面，我們的經驗非常缺乏。一般而言，具有較好使用效果的加重劑主要有方鉛礦、鐵礦粉以及重晶石粉。在我們實際的優選加重劑材料的過程當中，首先采用的是調研重晶石粉，在采用活化重晶石粉的情形下，加重極限可以高于通常認為的每立方厘米2.64g。鐵礦粉則由于其固有的某些缺陷——比如容易沉降、造成卡鉆、鉆具所受磨損較明顯以及難以調整的流變性而不被廣泛采用。加重效果最好的應當是方鉛礦，可以將鉆井液密度提升至每立方厘米3.8g以上，然后對于此類加重材料我們并沒有正式投入到石油鉆井行業，這不能不說是一個遺憾。

從國內外高密度鉆井液的研究現狀來看，其中所普遍存在的問題嚴重地影響了高溫高密度鉆井液的技術發展和實際使用效果。因此，對高溫高密度鉆井液做進一步研究與探討是很有必要的。

2 高密度鉆井液的技術難點

高溫高密度鉆井液目前的理論研究和現場經驗中所存在的技術難點主要由三個方面，其一是鉆井液自身性質方面的問題，其二是對于密度提高之后的控制問題，其三是某些情況下的維護處理技術問題。

第一個方面的問題是在鉆井液自身性質方面，流變性與沉降性始終是困擾高密度鉆井液研究和實踐的首要難題，通常情況下，流變性的解決意味著沉降性不穩定的增加，這是由于高密度鉆井液當中普遍存在的固相過高的原因所致，解決這一難題就意味著高溫高密度鉆井液的研究和實踐方面的重大突破和關鍵性技術提升。另一個問題是由于鉆井液中不同材料的使用對于自身體系的抑制和污染問題也是非常關鍵的。例如高密度鉆井液的適用范圍是較深的地層，其環境溫度較高，再加上固相含量高的因素的影響，膨潤土和潤滑劑的使用都存在著流變性和沉降性的矛盾，對于前者由于最佳限量的把握難以掌控，從而導致稠度過高過低都會影響鉆井液的正常使用，而后者的存在對于流變性的影響不可忽視。再加上加重材料由于種類、密度和粒度方面尚未存在有效的控制手段，從而導致鉆井液受到有害固相污染的情況比較嚴重，而我們現實所采用的手段基本上是通過加入多種無機鹽來使之適應較為復雜的地層鉆探。在現場使用高溫高密度鉆井液的情形中，由于地質條件的復雜和地層環境溫度壓力的非線性變化，比如同一井段會存在不同的溫度和壓力體系，而鉆井液的安全密度范圍在此時會變得相當狹窄，這就要求對于膨潤土的含量要進行嚴格控制，對于最佳限量要有精確地把握。否則就會導致上述的流變性與沉降性之間的矛盾的產生，無論稠度的增高或者降低在高溫高密度鉆井液的使用中都會導致嚴重事故，比如卡鉆，更甚的會導致井眼的報廢。在某些極端情況下，使用超高密度鉆井液（超過本文所規定的上限每立方厘米2.5g）時，過高的固相含量，由于其顆粒的不斷分散，流變性無法有效控制從而導致穩定性變差，其處理過程又由于加入了稀釋劑和膠液，很容易導致處理不當而引起增稠或者減稠的現象，其最終又會導致流變性和沉降性的矛盾問題的出現，使得鉆井工作難以繼續開展。第三個方面是維護技術的難度問題，合適的密度，良好的流變性，良好的高溫穩定性，良好的失水造壁性，良好的抗污染性能，良好的潤滑性，較強的抑制性以及能很好地保護油氣層等是對高密度鉆井液的技術要求，因此我們必須合理使用加重材料以及調整膨潤土的含量，在提高流變性，保持沉降穩定的基礎上，滿足深井施工的技術要求。

3 高密度鉆井液的未來發展趨勢

從國內外的最新研究成果來看，水基鉆井液的使用是鉆井行業工藝技術進步的必然趨勢。對此國內的研究與國外相比，有成果也有不足。國外對此類鉆井液的研究應用已經日趨成熟，需要著重深入的是針對現場需要在細節上不斷優化，提高性能，針對特殊情況的地層具體提出詳細的處理意見和解決方案；而對于國內現實情況而言，雖然我們在水基鉆井液的研究上也取得了較多的成果，有了相當的進展，但是由于處理劑的使用上的經驗缺乏和理論不足，導致我們在工藝水平和國外還有較大的差距，尤其是國外在成熟使用油基或合成基鉆井液的同時，我們的研究實踐仍然屈指可數，故而這應該是我們國內目前研究的重點和難點，對于如何推廣使用油基或合成基的鉆井液，從而有效回避流變性和沉降性穩定的矛盾是國內鉆井液行業研究和實踐中的關鍵問題。如本文開篇所述，對于目前情況下的超高溫超高密度鉆井液的研究使用，也必須加以重視，因為在未來的某一天，其就會轉變為高溫高密度鉆井液。這一方面的難點依然在于處理劑的研制上。對于流變性和濾失量的控制、鉆井液配方的優化以及鉆井液抗污染抗高溫的能力上，筆者認為以下幾方面可以成為未來研究重點考慮的對象：一，乙烯基甲(乙)酞胺， 2-丙烯酞胺基長鏈烷基磺酸、N， N一甲(乙)基丙烯酞胺和異丙基丙烯酞胺等單體的工業化研究，盡快形成經濟可行的生產工藝；開展N-(甲基)丙烯酞氧乙基N， N一甲基磺丙基銨鹽、2-丙烯酞胺基2-苯基乙磺酸等單體的合成工藝研究；二，研制低相對分子質量的聚合物降濾失劑，以及抗鹽高溫高壓降濾失劑、降黏劑、抑制劑、潤滑劑、封堵劑和井壁穩定劑等；三，通過接枝共聚改性和高分子化學反應獲得低成本、高性能的超高溫鉆井液處理劑；四，引入新型超高溫聚合物處理劑和低密度固相控制劑提高抗溫性；五，研制超高溫高密度鉆井液重點解決流變性和高溫高壓濾失量控制問題；第六，研制超高溫無黏土相鉆井液和超高溫高密度有機鹽鉆井液體系。

應當借鑒國外的成熟經驗，在引進消化并吸收先進技術的基礎上研制高性能的抗溫超過20攝氏度、密度大于2.4kg每升的超高溫高密度油基鉆井液體系，以及有利于井壁穩定油氣層保護乃至環境保護的合成基鉆井液體系。在重晶石加工方面，應當選擇新的加重劑或者通過研究高性能黏切劑和表面活性劑來提高鉆井液的沉降穩定性并選擇新型的合成基材料來降低成本。在油基鉆井液的選擇上，應該選擇或者研制低毒或者無毒的基礎油同時研究油基鉆井液處理劑的可降解性，并研制適用于合成基鉆井液的乳化劑，流型調節劑以及增粘劑。在回收利用方面，要循環利用油基鉆井液，研究固液分離和含油鉆屑的處理，探索合成基鉆井液的現場應用工藝技術，重點是合成基鉆井液的回收再利用。

4 結論

綜合本文上述對于高密度鉆井液的研究現狀、技術難點和發展趨勢三方面的探討不難看出，國內在鉆井液的理論研究和現場使用方面，與國外還是有一定差距，主要體現在油基鉆井液和合成基鉆井液的使用上。這也是我國鉆井液工藝理論研究和技術發展的下一步重點所在。雖然國內在超高溫水基鉆井液方面也有接近國際領先水平的進展，但是對于現場應用以及針對具體的特殊情況的處理還遠遠不夠。應當致力于把室內研究轉化為現場應用成功上來。進一步開發新型處理劑和濾失控制劑、潤滑劑等。在完善和優化鉆井液體系配方的基礎上完善鉆井液性能、提高鉆井液技術，形成自身的鉆井液體系。以解決高溫高密度鉆井液所存在的流變性、沉降穩定性以及濾失量控制等方面存在的問題。

參考文獻

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