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油田化学论文深井钻井液

摘要

随着我国经济的快速发展，导致对能源需求的增长，即导致石油勘探开发的深入发展。

由于我国浅层石油资源几近枯竭，剩余油气资源主要埋藏分布在深部地层，70%超过5000米。

深部储层的温度高达200～260℃，国内钻井流体技术和评价设备的抗高温能力均在180℃以下，钻井流体抗200℃以上超高温技术是世界性难题，也是深层钻探成败的关键，长期以来被美国几大石油公司垄断，国内抗超高温钻井液主要依靠国外技术。

近些年来，国家与三大石油公司投入大量资源进行研究，未能取得大的进展，抗超高温钻井液已成为我国开发深部地层油气资源的主要技术瓶颈。

因此，深入系统开展决定深层钻探成败关键的抗200℃以上超高温钻井液这一瓶颈技术难题研究，对于打破国外对我国的技术封锁、为国内深层油气藏勘探开发提供技术保障，大幅度提升我国钻井工程技术服务在国际上的核心竞争力、确保国家的能源安全，均具有特别重要的意义。

本文首先提出了目前深井钻井所存在的难点，然后分别从国内外的研究现状，作用机理及应用对水基钻井液和油基钻井液做了介绍，最后进行了总结。

一、目前存在的难点

国内外石油工作者在抗高温钻井液技术上积累了许多成功的经验，形成了一

些有效的抗高温处理剂和钻井液体系，但由于深层油气井的特点，使其对于深井、

超深井钻井液的性能提出了更高的要求，存在许多技术难题，主要表现在以下几个方面：

（1）井愈深，井下温度、压力愈高，钻井中钻井液在井下停留和循环的时

间愈长。

钻井液在低温条件下不易发生的变化、不明显的作用和不剧烈的反应都

会因深井高温的作用而变得容易发生，使得深井钻井液的性能变化和稳定性成为

一个突出的问题，且井愈深，井下温度愈高，问题就愈突出。

（2）深井钻井裸眼长，地层压力系数复杂，钻井液密度的合理确定和控制

则更为困难，且使用重泥浆时，压差大会导致出现井漏、井喷、井塌、压差卡钻

及由此而带来的井下复杂问题，从而成为深井钻井液工艺的难点之一。

（3）深井钻遇地层多而杂，地层中的油、气、水、盐、粘土等的污染可能

性大，且会因高温作用对钻井液体系的影响更大，从而要求钻井液体系具备强的

抗污染能力。

（4）井越深起下钻作业时间越长，各种与钻井液有关的井下事故更容易诱

发和恶化。

（5）钻井液对钻具的腐蚀作用因高温而加剧。

（6）在深井中，钻井液对深部地层的损害会因为高温高压条件而加大。

在

此情况下，如果钻井液的储层保护效果差，将对储层造成伤害，使油井产能降低

甚至耽误油气藏的及时发现。

另外，与常规井相比，深井钻井施工中，钻井液作

用于储层的时间更长，在其它条件相同的情况下，对储层造成的损害也更严重。

因而对于深井钻井液，更应该注重其储层保护效果。

（7）为了满足深井钻井液的性能要求，往往要往体系中添加降滤失剂、抑

制剂和润滑剂等处理剂，这些处理剂有相当一部分为有机化合物，甚至带有毒性。

现场施工过程中，如果钻井液留于地表或施工过后废弃钻井液处理不当，会导致

土壤、地表和地下水污染，对环境造成影响和破坏，直接或间接对动物、植物及

人类健康产生危害。

因此对于深井钻井液，在设计时应该考虑尽量选用对环境影

响小、保护环境的处理剂。

水基钻井液

二、抗高温钻井液技术研究现状

1.国外抗高温钻井液体系

（1）SIV钻井液体系是一种独特的钻井液体系，其主要成分是SIV，该处理剂是一种由钠、锂、镁和氧组成的合成多层硅，为白色粉末，其结构类似于天然的膨胀性微晶高岭石粘土，热稳定性高达370℃。

其特点是杂质含量低，剪切后粘度恢复快，包被能力强，抗高温能力强；水溶液透明度高，对钻屑和岩心的损害很小。

（2）海泡石钻井液体系，海泡石是一种富含纤维质和镁的粘土矿物，其结构与坡绿石相似。

海泡石的特点是其颗粒为条状，随着温度的升高而转变为薄片状结构的富镁蒙脱石（Stevensite），使得海泡石比凹凸棒土能更好地控制流变性和滤失量，更适合用于高温钻井液中。

海泡石粘土基浆能抗电解质，有较高的热稳定性，高的胶凝强度和优良的抗剪切能力。

在高温静置的情况下，海泡石基浆能保持可逆的胶体结构，在剪切条件下粘度不降低。

另外，海泡石是通过增加基浆的屈服值来增粘，与基浆的塑性粘度无关。

海泡石钻井液抗温能力高，在238℃条件下仍具有较好的性能。

（3）低胶体钻井液体系，低胶体水基钻井液是由麦克巴公司研制成功的，热稳定性达260℃，当温度达204℃，钻井液的稠度不会增加，这种钻井液在高温下与油基钻井液的流变性一样。

该钻井液的突出特点就是在配制过程中，膨润土的用量要随井温和钻井液的密度增加而逐渐减小，并且钻井液中主要加入木质素铬、褐煤和树脂、高温滤失控制剂和液体稳定剂、聚合物增粘剂，其对固相含量要求严格。

在美国很多地区的深井中应用并取得了良好的效果，顺利钻成在一口井深为6089m、井下温度为236℃的井。

（4）聚合物钻井液体系，有几个类型：

高固相抗絮凝聚合物（HSDP）钻井液体系、新型抗钙聚合物钻井液体系、TSD和TSF聚合物钻井液、低胶体PHPA钻井液。

其特点：

密度高、在高温下（高达243℃）能保持良好的流变性。

（5）分散性褐煤－聚合物钻井液体系在密度高达2.088g/cm3、井底温度高达212.8℃的情况下，钻井液性能稳定，满足钻井和其它工程的要求，且钻井液具有较强的抗污染能力和抑制能力，对环境无影响。

（6）流变性能稳定的无毒高温水基钻井液体系EHT，其已经成功地应用于井底温度最高达215.5℃的陆地和海上钻井中，

还有石灰钻井液体系、抗高温钙处理钻井液体系－高温石膏钻井液体系、高密度高温水基钻井液、高温稳定的无铬膨润土钻井液体系、新型利于环保抗高温水基钻井液体系、氧化铝凝胶－交联的聚乙烯醇钻井液、抗高温抗污染水基钻井液体系－Poly-nox等等抗高温钻井液体系。

2.国内抗高温钻井液体系

我国抗高温深井钻井液技术的发展大致可分为钙处理钻井液、磺化钻井液、

聚磺钻井液三个阶段。

国内主要的抗高温钻井液体系：

（1）钙处理钻井液体系，钙处理钻井液是在使用分散钻井液的基础上发展起来的具有较好抗盐、抗钙污染能力和对泥页岩水化具有较强抑制作用的一类钻井液。

为了进一步增强其抑制性能，采用石灰和KOH联合处理，有发展了一种新型的钾石灰钻井液。

钙处理钻井液在很大程度上克服系分散钻井液的缺

点，具有防塌、抗污染和在含有较多Ca2+时保持性能稳定的特点。

（2）磺化钻井液体系，磺化钻井液是以SMC、SMP-1、SMT和SMK等处理剂中的一种或多种为基础配制而成的钻井液，属于典型的分散钻井液体系。

其主要特点是热稳定性好，在高温高压下可保持良好的流变性和较低的滤失量，抗盐侵能力强，泥饼致密且可压缩性好，并具有良好的防塌、防卡性能，因而很快在全国各油田深井中推广应用。

（3）聚磺钻井液体系，聚磺钻井液体系是在实践中将聚合物和磺化钻井液体系结合在一起而形成的一类抗高温钻井液体系。

这种钻井液体系既保留了聚合物钻井液体系提高钻速、抑制地层和稳定井壁等优点，同时又对高温高压下的泥饼质量和流变性进行了改进，其抗温能力可达200～250℃，抗盐至饱和。

三、抗高温处理剂作用机理

1、抗高温稀释剂作用机理

钻井液高温后的明显增稠和胶凝都与粘土粒子的高温水化作用密切相关的。

因此，要求抗高温稀释剂在有效抑制粘土高温分散的前提下，能吸附于粘土端面，拆散或阻止网状结构的形成，起到稀释作用。

解决这一问题行之有效的方法是将高价阳离子与稀释剂络合，形成络合物。

2、抗高温降滤失剂作用机理

控制滤失通常有两条途径，一是增加液相粘度，二是改善泥饼质量，降低泥饼渗透性。

对于深井、超深井，由于高温使液相粘度降低，降滤失效果不大，而改善泥饼质量、增加泥饼可压缩性，具有更好的效果。

保证泥饼质量的关键是在高温下保证钻井液中有合理的粒子级配关系。

为此，要求降滤失剂在各种温度下，都能有效吸附于粘土表面，带来足够的水化膜和提高粘土粒子的ξ电位，保证钻井液中粘土粒子的胶体比例、泥饼的致密性及可压缩性，进而降低高温高压滤失量。

四、抗高温处理剂分子结构特征

1、为了提高热稳定性，处理剂分子主链的连接键及主链与亲水基团的连接键应为“C-C”、“C-N”和“C-S”等键，应尽量避免分子中有易氧化的醚键和易水解的酯键。

2、为使处理剂在高温下对粘土表面有较强的吸附能力，常在处理剂分子中引入Cr3+、Fe3+等高价金属阳离子，使之与有机处理剂形成络合物，如铬-腐植酸钠和铁铬盐等。

其目的是用这些高价金属阳离子作为吸附基，它们在带负电荷的粘土表面上可发生牢固而受温度影响较小的静电吸附。

与此同时，高价金属阳离子的引入对抑制粘土颗粒的高温分散也会起相当大的作用。

3、为尽量减轻高温去水化作用，处理剂分子中的主要水化基团应选用亲水性强的离子基，如磺酸基（-SO3－）、磺甲基（-CH2SO3－）和羧基（-COO－）等，以保证处理剂吸附在粘土颗粒表面后能形成较厚的水化膜，使钻井液具有较强的热

稳定性，且处理剂的取代度、磺化度应与温度和钻井液的矿化度相适应。

4、为使处理剂在较低pH值情况下也能充分发挥其作用效果，要求其亲水基团的亲水性尽量不受pH值的影响，相比之下，带有磺酸基的处理剂可以较好地满足这一要求。

五、钻井液抗高温保护剂

目前研究抗高温处理剂有两种途径：

第一种技术路线是以解决高温破坏钻井液性能为主攻方向而研制处理剂和建立钻井液体系；第二种技术路线是提高钻井液抗温性和降低成本的思路出发，研制出钻井液体系抗高温保护剂，利用抗高温保护剂与其他磺化处理剂的协调增效作用以提高整个体系的抗温性能，达到在增加很少成本情况下能使磺化钻井液体系大幅度地提高其抗温性能的目的。

对于超深井、超高温钻井液技术则采用第二种技术路线作为主要思路，首先研制出钻井液抗高温保护剂，以提高钻井液的整体抗温性。

在此基础上，优选出其它处理剂，进而优选出一套抗温达220℃的水基钻井液体系。

（一）钻井液抗高温保护剂特点：

1、抗温能力强，抗高温达到220℃～240℃，具体表现为：

高温保护剂的高温降解弱；高温解吸及高温去水化不能引起钻井液粘度的明显增加。

2、在高固相含量的钻井液中仍然有效，在深部井段，由于地层压力高，必须使用高密度的钻井液，其密度可达2.30g/cm3，这就意味着钻井液的固相含量高，自由水少。

高温保护剂在高密度钻井液中首先要求它不能与固相形成网状结构，必须通过吸附于固相颗粒表面而起作用，在固相表面的吸附不能形成网状结构，从而防止钻井液粘度的急剧增加。

3、具有良好的抗盐抗钙能力

4、对环境无污染

（二）高温保护剂的分子结构设计

1、主链结构

防止高温降解是提高主链热稳定性是关键，选用了具有C=C不饱和双链的

单体进行共聚得到主链为碳-碳链的聚合物。

由于C-C单键的平均键能很大，为347.3KJ·mol-1，破坏C-C单键所需要的热能很高。

也就是说，以C-C键为主链的聚合物抗温能力强，不易发生高温降解。

2、侧链结构

侧链主要是水化基团和吸附基团，采用C-S，C-N等结构，由于它们的热能

很高，使其具有很高的抗温能力。

3、聚合物分子量

聚合物分子量越低，其热稳定性就越高，对粘土颗粒的护胶能力就越强。

4、水化基团

磺酸根（-SO3H）具有水溶性好、电荷密度高，能起到抗盐抗钙的作用。

六、水基钻井液的现场应用

轮东1井位于新疆维吾尔自治区轮台县境内，设计井深7650m，完钻井深7620m，是中石油陆上最深的一口风险预探井。

该井的难点在于埋藏深、地层温度高、压力系数低、极易发生井漏、塌复杂，其中钻井液的抗高温（井温预计在200℃以上）问题尤为突出。

为此，进行了室内抗温达220℃的抗高温钻井液处理剂及体系配方研究，优选出了抗温好的处理剂和抗高温保护剂。

其配方为：

5.0%膨润+0.1%Na2CO3+0.3%NaOH+4%SMP2-1+3.0%SPNH+4.0%WFT-666+2.0%PSC-2+1.0%GBH+1.0%SP-80+1.0%MHR-86D该井在钻井过程中，除了合理控制膨润土含量在45-50g/l外，在钻井液维护方面，注意及时的按比例补充SMP-1、PSC-2、WFT-666、GBH等，保证钻井液中处理剂的浓度和配伍性合理。

最终钻井液的流变性及高温高压失水（200℃仅为22ml）得到了控制，200℃老化48h，性能稳定，指导现场安全顺利钻完目的层。

油基钻井液

相对水基钻井液，油基钻井液具有很强的抑制性能，可以稳定井壁防止坍塌，对油气层特别是水敏地层有很好的保护性能；同时油基钻井液有很好的抗高温性能和润滑性能，适用于深井、大斜度井钻探。

由于对钻井环保要求越来越严格，目前国外采用低毒矿物油作为基油，同时使用油包水乳化剂、有机土、降滤失剂、润湿反转剂和水形成油包水钻井液；这类体系不仅具有柴油基钻井液体系的特点，同时还可以降低环境污染，尤其适用于海洋钻探。

七、国外油基钻井液体系的研究现状

1、INTOLTM100%油基钻井液该体系以柴油或者低毒矿物油为基油，同时添加了高温高压滤失调节剂的聚合物、有机土、乳化剂、润湿剂、加重材料。

通过室内实验，该油基钻井液体系能在204℃下性能稳定。

2、零滤失油基钻井液是一种滤失量为零的油基钻井液，该体系是以柴油为基油，并添加乳化剂、沥青、树脂和加重材料所形成。

这种钻井液体系具有很低的滤失量，能大大改善钻井液的性能，减少油气层损害。

3、可逆的逆乳化钻井液，其在具有普通油基钻井液优点的同时，还解决了在完井时油基钻井液所面临的问题：

滤饼难以清除，固井时胶结强度低，钻屑和废弃钻井液难以处理等问题。

4、微细重晶石钻井液以具有很强抗沉降能力的微细重晶石作为加重材料。

钻井液密度为2.04g/cm3钻井液的基础成分包括有机粘土，乳化剂以及乳化的水相（盐分CaCl2），微米大小的重晶石颗粒作为加重材料，低粘度白油作为油相。

这种钻井液的性能特点可以满足钻开大斜度井和其它苛刻条件下的油井，因为钻井液的低粘度将会降低循环当量密度，以及提供了钻遇这些类型的井时所需的钻井液沉降稳定性。

八、国内油基钻井液体系的研究现状

1、全油基钻井液，用无荧光低芳香烃矿物油作为基液，同时还添加润湿剂、增粘提切剂、有机土、有机土增效剂和碱石灰。

这种全油基钻井液体系生物毒性低，乳化稳定性好，滤失量小，流变性好；同时全油基钻井液还具有较强的抗岩屑污染能力和抗水侵能力，很好的抗高温性能和润滑性能，并且能够大大提高机械钻速，有利于保护油气层。

2、低毒油基钻井液，这种体系是由低毒的矿物油、CaCl2溶液、乳化剂、润湿剂、有机土、降滤失剂、增粘剂、碱度控制剂和加重材料组成，它可以满足海洋钻井对环境的要求。

这种体系钻井液在渤海海域蓬莱19-3油田得到了成功的应用，显著提高了油田采收率，油井产量是采用常规水基钻井液钻井、采用常规砾石充填方法完井的3～4倍。

3、抗高温高密度油基钻井液，该油包水钻井液体系配方抗温250℃、密度为1.45g/cm3，具有高温下乳化稳定性较好，抗水、抗盐、抗劣土污染能力强等优点。

9、乳化剂作用机理及现场要求

对于油包水乳化钻井液，其主要的维护难点在于保持乳状液的稳定性，在钻井过程中始终存在乳化失效的危险，特别是在钻深热井时，高温作用使乳状液更容易失去稳定性。

其中乳化剂是配制油基钻井液体系的关键组分，是确保乳状液体系中分散相的分散度，是较长期保持稳定的决定因素。

研制或筛选出一种新型抗高温、高性能乳化剂及相配伍的添加剂，是解决深井高温的有效措施。

1.乳化剂的作用机理

（1）在油/水界面形成具有一定强度的吸附膜；

（2）降低油水界面张力；

（3）增加外相粘度。

上述三个方面均可阻止分散相液滴聚并变大，从而使乳状液的性能保持稳定。

其中又以吸附膜强度最为重要，它是乳状液能否保持稳定的决定性因素。

2.现场对乳化剂的要求

乳化剂将油包水乳化钻井液的水相和油相连在一起，形成了稳定的乳状液。

因此，乳化剂应具有合适的两亲性，并要求亲油基的亲油性要强于亲水基的亲水性，亲油基的几何尺寸要大于亲水基的几何尺寸，这样乳化剂在油水界面便形成楔形排列。

为了获得稳定的乳状液，乳化剂必须具有以下特征：

（1）能较大幅度地降低油水界面张力，这样便更容易形成乳状液。

（2亲油基团的截面直径必须大于亲水基团截面直径。

（3）较高的抗温能力。

在较高的温度下不会裂解或者不会在油水界面解吸附，这样在高温下就仍能形成稳定的乳状液。

比如处理剂的分子结构中尽量减少支链的数量；主链上不应含有酯键、醚键，并可在主链上引入脂环或芳环，以增加乳化剂的抗温性能；在分子中引入强的水化基团，如磺酸基，酰胺基等，因为水化基团的稳定性很大程度上决定了处理剂分子的抗高温性；使用抗高温保护剂，增加抗温性能。

（4）乳化剂应为两亲性的表面活性剂。

乳化剂要具有合适的HLB值，一般在4～8之间。

十、油基钻井液的现场应用

NGS-P-2井油包水乳化钻井液的现场应用

NGS-P-2大斜度探井是中油国际阿尔及利亚勘探项目在438B区块布置的第一口定向探井，由GWDC112队承钻。

该井井深4532米，井斜57°。

在井的0～350m段为砂岩、泥岩、灰岩和白云岩，其中砂岩和裂缝性灰岩易井漏，严重时，钻井液有进无出。

350～900m井段主要为泥岩、砂岩、灰岩、盐岩、无水

石膏和白云岩砾岩等，在本段钻头选型困难，钻速慢；3000～3400m井段为灰岩、泥岩、砂岩、无水石膏、盐岩和白云岩，本段易造成垮塌、缩径卡钻，起下钻划眼时间长。

表层使用坂土浆，易于井漏处理。

在使用油基钻井液之后，钻进、起下钻和下套管顺利。

提高油水比之后可有效地抑制了盐岩和泥岩的膨胀。

由于本井地质情况比较复杂，有盐岩层、硬石膏层、石灰岩、白云岩、泥岩和砂岩层，存在盐岩层蠕变、石灰岩井漏和泥页岩缩径掉快等井壁不稳定问题，以及硬石膏层钻速

慢的技术难题。

尤其是膏泥层，普通盐水基钻井液难以对付。

选用油包水乳化钻井液可有效地解决上述问题。

总结

本文主要讲述了目前国内外深井抗高温钻井液的研究现状，分别从水基钻井液和油基钻井液对目前的现状进行了阐述。

鉴于目前深井钻井的七个方面的难点，分别对各种抗高温钻井液作了介绍。

对于水基钻井液，首先要克服粘土在高温下的稳定性，引出了钻井液抗高温处理剂和抗高温保护剂。

通过研制出相应的抗高温处理剂和抗高温保护剂，再进行优选复配出最佳的抗高温钻井液体系。

对于油基钻井液，特别是油包水乳化钻井液，其主要的维护难点在于保持乳状液的稳定性，在钻井过程中始终存在乳化失效的危险，特别是在钻深热井时，高温作用使乳状液更容易失去稳定性。

所以当务之急是研制出或筛选出一种新型抗高温、高性能乳化剂及相配伍的添加剂。

优选添加有机土，降滤失剂、润湿反转剂和加重材料等复配出抗高温、性能良好的抗高温油包水钻井液体系配方。

当然，不管是水基钻井液还是油包水乳化钻井液，都该考虑到成本和环境保护问题。

正如王老师所说的，最好的不一定是最适合的！

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