1前言

 

  20世紀80年代以來，世界各國鉆深井、超深井、復雜井的數量增加，對鉆井液高溫下的穩定性、濾失量和潤滑性提出了更高要求。為滿足超深井鉆井技術發展的需要，各國都在努力研制抗高溫鉆井液處理劑和鉆井液體系。

 

  國外超深井鉆探施工起步較早，早在1958年，就采用水基鉆井液，打成了井底溫度為245℃、井深為7000m超深井；后來，用SSMA與木質素磺酸鹽組成的鉆井液，在龐怡特雷恩湖地區成功打了一口井底溫度為232℃、井深為6981m的超深井，所用鉆井液密度為2.253g/立方厘米；采用該體系，在加州塞羅普里埃托井底溫度超過371℃的地熱井中應用，也取得了很好的效果；采用油基鉆井液，在美國德州Webb市施工的羅薩1號勘探井，井底溫度為 290℃，井深為7265m。

 

  目前，我國在塔里木盆地、準噶爾盆地、四川盆地、松遼盆地、柴達木盆地及南海西部等區域，已經完成了一批井底溫度大于200℃的超高溫井，如莫深1井，設計井深達7380m，井底溫度超過200℃，鉆井液密度達2.2g/立方厘米；勝科1井，完鉆井深達 7026m，測試井底溫度超過235℃；泌深1井，完鉆井深為6005m，鉆井液靜置24h，實測井底溫度為 236℃；徐深22井5300m(完鉆井深5320m)，井底溫度為213℃；長深5井，完鉆井深為5321m，井底溫度超過200℃；徐聞X3井，設計垂深為5100m，斜深為5664m，水平位移達1893.92m，井斜達35°，完鉆井深為6010m，井底5974m處實測井底溫度達 211℃；南海鶯瓊地區所鉆的崖城21-1-3井，井深4688m，井底溫度達206℃。

 

  應當指出，盡管已經有了一些超高溫井的成功實例及處理劑研究，但國內超高溫鉆井液整體水平與國外還存在差距。本文結合近期研究工作，就國內超高溫鉆井液處理劑和鉆井液體系研究與應用情況進行介紹。

 

  2 超高溫鉆井液處理劑

 

  2.1水基鉆井液處理劑

 

  近年來，圍繞超高溫鉆井液發展的需要，研究者提出了抗高溫鉆井液處理劑設計思路，并在降黏劑和降濾失劑方面開展了一些工作。以苯乙烯、康酸為原料，經過共聚、磺化，得到的超高溫水基鉆井液降黏劑磺化苯乙烯-衣康酸共聚物SSHIA具有良好的耐溫性，加量0.3%時，可使淡水鉆井液在 260℃老化16h后的表觀黏度由59mPa·s降至32mPa·s以下。以2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸與丙烯酰胺和N，N-二甲基丙烯酰胺為原料，合成的AMPS/DMAM/AM共聚物鉆井液處理劑，熱穩定性好，降黏和耐溫抗鹽能力強。采用丙烯酰氧丁基磺酸、2-丙烯酰氧-2-乙烯基甲基丙磺酸鈉和N，N-二甲基丙烯酰胺，與丙烯酰胺、丙烯酸等單體共聚，合成的MP488降濾失劑、LP527解絮凝降濾失劑，兩者熱穩定性好，在淡水、鹽水和飽和鹽水鉆井液中均具有較好的降濾失作用，抗溫大于220℃。以丙烯酰胺、丙烯酰氧異丁基磺酸、丙烯酸和N、N-二甲基丙烯酰胺等單體為原料，合成的低相對分子質量的多元共聚物超高溫鉆井液降濾失劑 FLA240，熱穩定性好，與其他處理劑配伍性好，作為鉆井液處理劑，在淡水、鹽水和飽和鹽水鉆井液中具有較好的降濾失作用，經過240℃超高溫老化后，能較好地控制鉆井液的濾失量，在密度為2.25g/立方厘米的飽和鹽水鉆井液中，當加量由1.0%增加到4.0%時，可以使鉆井液的高溫高壓濾失量由110mL降至 6mL，體現出良好的抗溫性能。以2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、N，N-二甲基丙烯酰胺為原料，合成的P(AMPS/DMAM)共聚物鉆井液降濾失劑，熱穩定性好，抗溫能力強，在淡水、鹽水和飽和鹽水鉆井液中均具有較好的降濾失作用，經過220℃高溫老化后仍能較好地控制鉆井液濾失量。以丙烯酰胺、 N-異丙基丙烯酰胺和2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸為原料，合成的P(AMPS-IPAM-AM)共聚物，在淡水、鹽水、飽和鹽水和復合鹽水鉆井液中均具有較好的降濾失作用，在220℃下老化后仍能較好地控制鉆井液的濾失量，具有良好的抗溫、抗鹽和抗鈣性能[16]。丙烯酰胺/丙烯酰氧丁基磺酸/N，N-二甲基丙烯酰胺三元共聚物降濾失劑，在淡水、鹽水和飽和鹽水鉆井液中均具有較強的降濾失和提黏切能力，即使經過240℃、16h的高溫老化后，仍能有效控制鉆井液的濾失量。1%水溶液的黏度較低(低于15mPa·s)的超高溫聚合物降濾失劑PFL-1，在鉆井液中的黏度效應小，熱穩定性好，抗溫抗鹽能力強，用該降濾失劑處理的鉆井液，即使經過240℃的 高溫老化后，其濾失量仍然較低，與SMC、SMP等具有較好的配伍性。

 

  采用2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)、丙烯酰胺(AM)和丙烯酸(AA)與磺化酚醛樹脂(SMP)為原料，合成的P(AMPS-AM-AA)/SMP復合聚合物降濾失劑，抗溫達240℃，在淡水、鹽水鉆井液中均具有較好的降濾失作用，與SMP相比，對高密度鉆井液黏度影響較小，與SMC等具有良好的配伍性，可有效控制高密度鉆井液的高溫高壓濾失量和流變性[19]。在磺化酚醛樹脂的基礎上，通過分子修飾得到的抗鹽高溫高壓降濾失劑HTASP，在鹽水和飽和鹽水鉆井液中具有較好的控制高溫高壓濾失量的能力，與SMC和降濾失劑LP527、MP488等具有良好的配伍性，與LP527、MP488和SMC等組成的高密度鹽水鉆井液體系高溫穩定性好，流變性易于控制。采用腐植酸與丙烯酰氧丁基磺酸(AOBS)、丙烯酰胺(AM)、丙烯酸(AA)接枝共聚，合成的低相對分子質量AOBS/AM/AA/腐植酸接枝共聚物，熱穩定性好，抗溫達到240℃，在淡水、鹽水和飽和鹽水鉆井液中均具有較好的降濾失作用，對鉆井液黏度影響較小，可有效控制鉆井液的高溫稠化，與SMC、 SMP等具有良好的配伍性。

 

  2.2油基鉆井液處理劑

 

  近年來，國內在油基鉆井液處理劑方面也開展了一些初步的研究工作，如針對高溫、高密度油包水逆乳化鉆井液濾失量大的問題，采用胺化合物對腐植酸進行改性，得到了一種抗溫能力達220℃的油基鉆井液降濾失劑XNTROL220，在油中具有良好的分散能力，在油包水逆乳化鉆井液中具有明顯的降濾失效果，同時還具有稀釋降黏、輔助乳化等功能。新型陽離子表面活性劑XNWET作為油基鉆井液的潤濕反轉劑，具有來源廣、價格低、親油性強的特點，實驗表明，在220℃的高溫下，XNEWT仍能與親水性固體有很好的吸附性能，抗溫性能和熱穩定性好。

 

  通過優選季銨鹽和采用螯合技術合成的高溫穩定的有機土XNORB，不但在柴油和白油中具有良好的分散性能和增黏效果，而且能在220℃的高溫下基本保持穩定。通過在鈉土中加入有機改性劑進行有機改性，得到有機土LWTRO-250，在油包水乳化鉆井液中，能很好地起到增黏提切的作用，并具有較好的流變性能和抗高溫性能，且能在250℃的高溫下基本保持穩定，對乳狀液的穩定性起到良好的作用。

 

  3超高溫鉆井液體系

 

  3.1水基鉆井液

 

  與國外相比，國內在超高溫水基鉆井液研究方面起步較晚，近期首先針對現場需要，在超高溫鉆井液方面開展了一些探索性研究。由高溫保護劑、降濾失劑、封堵劑等組成抗高溫(220℃)、高密度 水基鉆井液，具有良好的抑制性和抗鉆屑污染性能，抗鉆屑污染達10%，抗鹽達2%，抗氯化鈣達0.5%。由抗高溫保護劑、高溫降濾失劑、封堵劑、增黏劑等組成的抗溫可達240℃的淡水鉆井液體系，各種密度配方在240℃下均具有良好的高溫穩定性，高溫高壓濾失量低，并具有良好的流變性能、抑制性能和抗鉆屑污染性能。由3%膨潤土基漿+5%的BS-OS(接枝共聚物與磺化腐植酸衍生物復配產品)+5%的BS-OC(接枝共聚物與磺化腐植酸衍生物復配產品)+2.5%的BS-PN(磺化褐煤樹脂類)+3%的SPC(磺化褐煤樹脂類)+1.5%的PA-1 (無熒光防塌劑)+5%聚合醇等組成的抗高溫水基鉆井液體系，抗溫可達250～260℃，抑制防塌效果強，抗污染能力強，潤滑性好，巖心的滲透率恢復值平均為83.11%。由4%膨潤土＋1.5%的SMP-2＋2%的SPNH＋3%的HL-2＋1%的SMC＋0.2%的80A51＋ 0.3%的KHPAN＋重晶石＋2%的SF260(降黏劑)＋1%的高溫穩定劑＋0.5%的表面活性劑＋1.0%的潤滑劑等組成的抗200℃高溫、密度達2.30g/cm3的水基聚磺鉆井液，熱穩定性好，流變性好，抗鹽、抗鈣污染能力強。以抗高溫降濾失劑LP527-1、MP488和抗鹽高溫高壓降濾失劑HTASP等作為主處理劑，與磺化褐煤(SMC)、XJ-1分散劑等配伍，得到的密度為2.30kg/L、鹽含量為10%～30%的鹽水鉆井液，經過220℃、16h的老化后，表現出良好的高溫穩定性，沒有出現高溫稠化，高溫高壓濾失量控制在 20mL以內。針對勝科1井5800～7026m井段的需要，綜合Duratherm體系、Therma高溫水基鉆井液優點，以國外產品DriscalD聚合物降濾失劑、Desco降黏劑和磺化瀝青Soltex為主處理劑，研制的超高溫高密度水基鉆井液，在應用中鉆井液密度控制在 1.70～1.74g/cm3范圍，該體系熱穩定性好，抗污染能 力強，潤滑性和剪切稀釋特性良好，高固相情況下流變性好、高溫高壓濾失量低，抗高溫能力達到 235℃，能經受各種可溶性鹽類及高價離子的污染，且處理工藝簡單，配制方便，便于維護[32]。為解決費爾干納盆地深部井段抗高溫高密度鉆井液技術難題，開發出抗溫220℃、密度為2.60～3.00g/cm3的有機鹽鉆井液，該體系在密度達3.00g/立方厘米時，固相含量低于50%，濾餅摩阻系數小于0.20，具有良好的流動性和潤滑防卡能力，較好地解決了加重材料的沉降和過飽和鹽水的結晶問題[33]。采用抗高溫降濾失劑MP488、抗高溫解絮凝劑LP527、抗鹽高溫高壓降濾失劑HTASP，配制了抗溫達240℃、密度為 2.0g/cm3的飽和鹽水鉆井液體系，經240℃、16h高溫老化后具有良好的流變性，高溫高壓濾失量小于 20mL，鉆井液抗鈣、鉆屑、黏土污染性能好，頁巖一次回收率達97.4%，沉降穩定性好。針對徐聞X- 3井三開井段的需要，以PFL系列降濾失劑形成的超高溫水基鉆井液體系，整個三開井段具有穩定的高溫流變性能、強抑制防塌性能和良好的潤滑性能，井深5974m處測得井底溫度為211℃，180℃高溫高壓濾失量控制在10～12mL。

 

  3.2油基或合成基鉆井液

 

  現場應用表明，油基或合成基鉆井液在井壁穩定、潤滑防卡、抑制地層水敏膨脹、抑制地層造漿以及快速鉆進等方面，具有水基鉆井液無法比擬的優勢，在越來越多的各種高難度鉆井中應用，已經成為鉆探高難度的高溫深井、海上鉆井、大斜度定向井、水平井、各種復雜井段和儲層保護的重要手段。

 

  國內在超高溫油基鉆井液或合成基鉆井液方面開展的工作較少，近年來研制了抗溫220℃的油包水鉆井液，并在現場進行了應用。中國石油大學(北京)從分子結構和處理劑性能兩方面對處理劑進行優選，通過新型主(輔)乳化劑、降濾失劑和潤濕劑的研制和篩選，研制出抗高溫高密度油基鉆井液體系，經室內測定，體系的抗溫能力達到220℃，密度大于2.3g/cm3，能抗15%的海水污染和30%的泥頁巖巖屑污染，并用于現場。

 

  以線性α-烯烴作為基油的合成基鉆井液，電穩定性好、低毒，抗溫能力達215℃，最高密度為 2.1g/立方厘米，最低密度為0.86g/立方厘米，抗水污染能力強，該鉆井液的油層保護效果好，巖心滲透率恢復值達到90%以上。由于合成基鉆井液熱穩定性好，用于超高溫鉆井取得了較好效果，如YC21-1-4井是在鶯瓊盆地鉆探的一口高溫高壓井，井深5250m，井底溫度200℃，該井自井深4960m至完鉆(井深 5250m)，采用以線性α-烯烴為基油、鐵礦粉為加重劑形成的ULTIDRILL合成基鉆井液體系，該合成基鉆井液抑制性強，具有抗高溫、濾失量小、穩定井壁的性能，滿足該井施工要求。

 

  4結語

 

  國外在超高溫鉆井液處理劑及鉆井液體系方面已開展了卓有成效的工作，水基鉆井液體系的使用溫度已經超過260℃，早在上世紀80年代就形成了配套的鉆井液處理劑。與國外相比，國內在超高溫水基鉆井液研究方面剛剛起步，近年來盡管在水基鉆井液處理劑方面也開展了一些研究工作，但大部分研究僅局限在實驗室合成，研究的針對性還不強，體系的抗鹽能力還存在差距。就目前發展看，應集中力量把研究方向放在超高溫鉆井液處理劑產品的轉化上，并重點圍繞超深井的需要，開發抗高溫不增黏處理劑和超深井高溫高壓濾失量控制劑以及稀釋劑、潤滑劑，盡快形成配套產品，并在已有鉆井液體系的基礎上，通過選擇高效處理劑，優化鉆井液配方，進一步提高鉆井液的抗污染和抗溫能力，形成不同密度、不同含鹽量的超深井鉆井液體系。同時，在借鑒國外成果和經驗的基礎上，開展超高溫油基鉆井液處理劑及鉆井液體系的研究，以滿足國內超深井鉆井的需要。