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孫金聲，蔣官澄：鉆井工程“血液”——鉆完井液技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)

瀏覽： 作者：前瞻科技雜志 來(lái)源：前瞻科技雜志 時(shí)間：2023-07-12 分類：行業(yè)資訊

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系統(tǒng)梳理了深層、深水、非常規(guī)等復(fù)雜油氣鉆探中面臨的鉆完井液技術(shù)難題，結(jié)合關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題及其研究進(jìn)展，對(duì)深層、深水、非常規(guī)等復(fù)雜油氣鉆完井液技術(shù)未來(lái)的發(fā)展方向給出了建議。針對(duì)復(fù)雜油氣鉆井過(guò)程中遭遇的高溫高壓高鹽、儲(chǔ)層損害、流變性能差、水合物堵塞及井壁失穩(wěn)等問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者研發(fā)了抗高溫環(huán)保型、抗高溫高鹽高密度型及液體套管型鉆完井液技術(shù)。但隨著鉆探的地層情況越來(lái)越復(fù)雜，還存在鉆完井液材料抗高溫能力不足、環(huán)保性能差及井漏與儲(chǔ)層損害嚴(yán)重的問(wèn)題。為滿足復(fù)雜油氣鉆探過(guò)程中鉆完井液性能需求，未來(lái)還需深入研究鉆完井液處理劑作用機(jī)制，建立安全高效的鉆完井液多功能一體化調(diào)控方法，構(gòu)建智能鉆完井液理論與技術(shù)，為復(fù)雜油氣資源開(kāi)發(fā)提供技術(shù)保障。


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根據(jù)美國(guó)能源信息署最新預(yù)測(cè)，石油和天然氣在2050年前世界能源消耗量中仍居于首位，在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)油氣仍然是經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展不可替代的主要能源。全球范圍內(nèi)深層油氣資源勘探已開(kāi)展了大量研究，世界新增油氣儲(chǔ)量60%來(lái)自深層，中國(guó)83%深層油氣有待探明和開(kāi)發(fā)，向“地下珠峰”進(jìn)軍獲取油氣資源是保障國(guó)家能源安全的重大戰(zhàn)略任務(wù)。據(jù)美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局和國(guó)際能源署（International Energy Agency, IEA）預(yù)測(cè)，深水油氣資源的產(chǎn)量規(guī)模超過(guò)1011桶，是未來(lái)海洋油氣增產(chǎn)的重要來(lái)源。中國(guó)南海主要沉積盆地石油地質(zhì)資源占中國(guó)油氣總資源量的1/3，其中70%蘊(yùn)藏于153.7×104 km2的深水區(qū)域。新時(shí)代，中國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，石油和天然氣消費(fèi)需求逐年增長(zhǎng)，油氣供應(yīng)對(duì)外依存度仍居高位，2022年，中國(guó)原油對(duì)外依存度達(dá)71.2%，遠(yuǎn)高于國(guó)際石油安全警戒線，天然氣對(duì)外依存度為40.2%，嚴(yán)重影響中國(guó)能源安全，迫切需要提升油氣自給能力。中國(guó)油氣資源勘探開(kāi)發(fā)逐步向深層、深水、非常規(guī)等復(fù)雜油氣進(jìn)軍，且復(fù)雜油氣已成為中國(guó)乃至全球重要接替能源，但是特深井特深水條件下安全性和高效性仍需要進(jìn)一步提升，同時(shí)也存在井底超高溫高壓、大溫差、地層巖性復(fù)雜多變、非均質(zhì)性強(qiáng)、安全密度窗口窄、井壁失穩(wěn)嚴(yán)重等問(wèn)題。
目前，中國(guó)鉆探深度已邁上9000 m新臺(tái)階，并向10000 m邁進(jìn)，13000 m的大陸科學(xué)探井也已提上日程。據(jù)悉，中國(guó)石油西南油氣田已在四川省廣元市部署一口萬(wàn)米科學(xué)探井，預(yù)計(jì)2023年開(kāi)鉆。中國(guó)石油西南油氣田蓬萊氣區(qū)蓬深6井的順利完鉆刷新了亞洲最深直井紀(jì)錄，井深最深達(dá)到9026 m，堪稱“地下珠峰”。中國(guó)工程院院士羅平亞認(rèn)為，刷新亞洲最深直井紀(jì)錄，說(shuō)明中國(guó)深井鉆井的整體水平進(jìn)一步提升，標(biāo)志著中國(guó)鉆井裝備和鉆井技術(shù)在亞洲居于領(lǐng)先地位，總體達(dá)到世界先進(jìn)水平。同時(shí)，由中海油田服務(wù)公司研發(fā)的深水恒流變合成基鉆完井液技術(shù)，其恒流變溫度范圍指標(biāo)已經(jīng)位于國(guó)際水平前列，分別突破最低3 ℃和最高180 ℃的極限溫度，為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)更高難度的深水深層等復(fù)雜油氣資源提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)保障。
同時(shí)，孫金聲院士團(tuán)隊(duì)承擔(dān)了2019年國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目——井筒工作液與天然氣水合物儲(chǔ)層作用機(jī)制和調(diào)控方法，聚焦南海天然氣水合物復(fù)雜結(jié)構(gòu)井成井難題，開(kāi)展井筒工作液與儲(chǔ)層間物理化學(xué)作用機(jī)制研究，研制滿足鉆井需求的新材料，構(gòu)建高效井筒工作液體系，建立井筒工作液多功能一體化調(diào)控方法，有效解決了南海天然氣水合物鉆井過(guò)程中地層封堵困難、井漏、井涌、儲(chǔ)層損害等技術(shù)難題，為中國(guó)南海天然氣水合物安全高效鉆井奠定了堅(jiān)實(shí)的理論和技術(shù)基礎(chǔ)。2022年，孫金聲團(tuán)隊(duì)依托中國(guó)石油大學(xué)（華東），并聯(lián)合南方科技大學(xué)、中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院有限公司共同申報(bào)的基礎(chǔ)科學(xué)中心項(xiàng)目“超深特深層油氣鉆采流動(dòng)調(diào)控”獲國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)立項(xiàng)資助，這是中國(guó)油氣領(lǐng)域首個(gè)基礎(chǔ)科學(xué)中心項(xiàng)目。圍繞抗超高溫高鹽鉆采工作液材料、惡性漏失防治、流動(dòng)調(diào)控軟件和智能調(diào)控技術(shù)等“卡脖子”難題與重大技術(shù)瓶頸，開(kāi)展超深特深層油氣鉆采流動(dòng)調(diào)控基礎(chǔ)研究，創(chuàng)新超深特深層油氣鉆采流動(dòng)調(diào)控理論和方法，引領(lǐng)國(guó)際超深特深層油氣科學(xué)與技術(shù)發(fā)展。

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復(fù)雜油氣鉆探中鉆完井液的重要作用及關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題

隨著全球能源需求的增加，深層、深水、非常規(guī)等復(fù)雜油氣資源的開(kāi)發(fā)得到了迅猛發(fā)展，已成為中國(guó)油氣增儲(chǔ)上產(chǎn)重點(diǎn)突破方向。在鉆進(jìn)過(guò)程中，鉆完井液面臨諸多挑戰(zhàn)，如處理劑抗溫能力不足，鉆完井液流變性難于調(diào)控，井眼清潔差，容易引起井壁失穩(wěn)、井下漏失等鉆井風(fēng)險(xiǎn)，以及儲(chǔ)層損害難以控制。這些問(wèn)題給鉆井工作帶來(lái)了諸多困難，同時(shí)對(duì)鉆完井液技術(shù)提出了更高的要求。

1.1 鉆完井液在復(fù)雜油氣鉆探中的作用

鉆完井液是滿足鉆井工程需要的循環(huán)流體，被稱為“鉆井的血液”，具有攜帶巖屑、平衡地層壓力、穩(wěn)定井壁、保護(hù)儲(chǔ)層、傳遞水功率、潤(rùn)滑和冷卻鉆頭等功能。當(dāng)前，深層、超深層已經(jīng)成為中國(guó)油氣重大發(fā)現(xiàn)主陣地，四川盆地的天然氣勘探開(kāi)發(fā)也不斷向地球深部邁進(jìn)。對(duì)于井底溫度在200 ℃以上的井，水基鉆完井液的高溫穩(wěn)定性仍然是一個(gè)大問(wèn)題，特別是高密度高鹽條件下水基鉆完井液的流變性和濾失性難以調(diào)控。油基鉆完井液在超高溫條件下更具有優(yōu)勢(shì)，抗溫能力可達(dá)240 ℃、密度可超過(guò)2.6 g/cm3。深層油氣儲(chǔ)層保護(hù)方面的研究較少，目前主要是利用無(wú)固相完井液、微錳加重完井液來(lái)降低固相的儲(chǔ)層損害，或者使用油基/合成基鉆完井液降低水敏效應(yīng)，但仍存在成本高的缺點(diǎn)。深水鉆井面臨井壁失穩(wěn)和天然氣水合物生成的技術(shù)難題，中國(guó)深水油氣鉆完井液技術(shù)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。深水水基鉆完井液方面，高性能水基鉆完井液的恒流變溫度范圍能夠達(dá)到150 ℃，也開(kāi)發(fā)了以天然高分子材料為原料的改性助劑，保障了鉆完井液體系在具有較好性能的同時(shí)兼具良好的環(huán)保性能。深水油基/合成基鉆完井液方面，自主研發(fā)的深水合成基鉆完井液技術(shù)已位于國(guó)際領(lǐng)先水平。

1.2 復(fù)雜油氣鉆探中面臨的技術(shù)難題與關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題

1.2.1 技術(shù)難題
1）深層油氣鉆遇高溫高壓地層，缺乏抗超高溫高鹽的鉆完井液材料及體系
深層油氣鉆探主要存在以下難題：井底超高溫、高壓、高應(yīng)力環(huán)境；鉆探地層巖性與地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜多變且難以預(yù)知；地層流體與地層/儲(chǔ)層物化性質(zhì)多變；儲(chǔ)層孔道更致密、非均質(zhì)性更強(qiáng)；環(huán)保性能差；裂縫性地層漏失嚴(yán)重，防漏堵漏材料及體系不完善；缺乏抗超高溫材料，難以形成穩(wěn)定的鉆完井液體系。這樣導(dǎo)致鉆完井液的設(shè)計(jì)盲目性大，致使井漏、井塌、卡鉆、攜巖、井噴等鉆井風(fēng)險(xiǎn)頻發(fā)且嚴(yán)峻，儲(chǔ)層損害嚴(yán)重，甚至導(dǎo)致井毀人亡的災(zāi)難性事故。針對(duì)這些難題，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者研發(fā)了抗高溫高鹽高密度鉆完井液、環(huán)保鉆完井液、暫堵型保護(hù)油氣層鉆完井液及防漏堵漏技術(shù)，并取得了較好的應(yīng)用效果。
2）深水油氣鉆探地層承壓能力弱，井壁穩(wěn)定問(wèn)題突出
深水地層比較復(fù)雜，油氣鉆探過(guò)程中除面臨與深層油氣同樣問(wèn)題外，還有以下難題：泥線溫度低而井底溫度高，即“冰火兩重天”，高低溫交替導(dǎo)致鉆完井液流變性難以調(diào)控；鉆遇水合物層、淺層氣可能產(chǎn)生氣體水合物堵塞管匯；深水區(qū)域受到上覆壓力偏低，易于垮塌、膨脹和分散，容易引起井壁失穩(wěn)；井眼清潔差、重晶石沉降、安全密度窗口窄、易出現(xiàn)漏失等鉆井風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)以上難題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究了高低溫作用下鉆完井液處理劑性能影響因素、海域天然氣水合物相關(guān)處理劑及鉆完井液體系、深水恒流變鉆完井液及儲(chǔ)層保護(hù)鉆完井液體系，均取得了一定的成效。
3）深層深水鉆探過(guò)程中儲(chǔ)層損害嚴(yán)重，亟需形成隨鉆儲(chǔ)層保護(hù)技術(shù)
在深層深水鉆探過(guò)程中會(huì)發(fā)生不同程度的油氣層損害，導(dǎo)致產(chǎn)量下降，甚至“槍斃”油氣層，研究者先后建立了屏蔽暫堵、精細(xì)暫堵、物理化學(xué)膜暫堵及仿生暫堵保護(hù)油氣層鉆完井液技術(shù)，使保護(hù)油氣層效果逐步提高。但隨著非常規(guī)、復(fù)雜、超深層、超深水等類型油氣層勘探開(kāi)發(fā)力度的加大，現(xiàn)有的保護(hù)技術(shù)難以滿足要求。同時(shí)，國(guó)際前沿的防塌與堵漏技術(shù)難以抑制表面水化、無(wú)法封堵納微米孔縫，更不能通過(guò)膠結(jié)巖石顆粒而提高儲(chǔ)層井壁巖石強(qiáng)度和致密性，誘發(fā)儲(chǔ)層損害程度加大；以水平井為主且多數(shù)儲(chǔ)層巖石似“磨刀石”的復(fù)雜油氣層，摩阻損害大，且目前國(guó)內(nèi)外潤(rùn)滑減阻技術(shù)難以在鉆具、井壁表面形成平滑面，摩阻高、鉆井作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)，加劇儲(chǔ)層損害。
1.2.2 關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題
1）滿足復(fù)雜工況的處理劑分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其與儲(chǔ)層的物理-化學(xué)作用
處理劑分子結(jié)構(gòu)是決定處理劑性能的關(guān)鍵，不同分子結(jié)構(gòu)的處理劑在高溫高壓高鹽等復(fù)雜工況條件下的空間分布形態(tài)及與地層礦物的作用機(jī)制不同，極易引發(fā)深層及深水鉆井過(guò)程中井壁失穩(wěn)、儲(chǔ)層損害等問(wèn)題。因此，亟需研發(fā)抗超高溫高鹽及環(huán)境響應(yīng)型處理劑，揭示其與儲(chǔ)層的物理-化學(xué)作用機(jī)制，構(gòu)建高性能鉆完井液體系及性能調(diào)控方法。
2）天然氣水合物抑制機(jī)制及一體化調(diào)控方法
深入研究深水淺層天然氣水合物抑制劑與儲(chǔ)層間的作用機(jī)制，防止出現(xiàn)因水合物堵塞管匯而造成井壁失穩(wěn)問(wèn)題，構(gòu)建鉆探天然氣水合物的專用鉆完井液體系；通過(guò)揭示鉆完井液與儲(chǔ)層間復(fù)雜的物理化學(xué)作用機(jī)制，闡明鉆完井液侵入對(duì)力學(xué)穩(wěn)定性影響機(jī)制，建立深水油氣地層鉆完井液封堵、防漏堵漏、保護(hù)儲(chǔ)層及井壁穩(wěn)定一體化調(diào)控方法，保障安全高效鉆井。

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深層及深水油氣鉆探鉆完井液技術(shù)研究進(jìn)展

2.1 抗高溫環(huán)保鉆完井液體系

隨著環(huán)境管理法規(guī)和環(huán)境限制指標(biāo)的加強(qiáng)，在進(jìn)行鉆井設(shè)計(jì)時(shí)，都將鉆井現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)保作為一項(xiàng)重要指標(biāo)來(lái)考核。《中華人民共和國(guó)海洋石油勘探開(kāi)發(fā)環(huán)境保護(hù)管理?xiàng)l例實(shí)施辦法》明確規(guī)定：“含油量超過(guò)10%的水基鉆完井液禁止向海中排放；使用油基鉆完井液時(shí)，鉆屑中的含油量超過(guò)15%時(shí)，禁止排放入海。”雖然目前廢棄鉆完井液處理技術(shù)取得了一定成效，但解決鉆完井液環(huán)境污染的根本方法還是開(kāi)展環(huán)保型鉆完井液技術(shù)的研究，從源頭控制污染。自20世紀(jì)90年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)外相繼開(kāi)發(fā)出了具有環(huán)保性能的鉆完井液體系。目前，抗高溫環(huán)保型體系主要有高性能水基類、聚合醇類、烷基糖苷類及合成基類等。
2.1.1 高性能水基類
近年來(lái)，為了降低成本、減少環(huán)境污染，研發(fā)出了一種性能好、成本低的高性能水基鉆完井液。高性能水基鉆完井液主要由頁(yè)巖抑制劑、包被劑、分散劑和降濾失劑等組成。國(guó)外，以斯倫貝謝公司的HydraGlyde和UltraDrill、貝克休斯公司的PerforMax和Latidrill、哈里伯頓公司的Shall-Drill及Newpark公司的Evolution等高性能環(huán)保水基鉆完井液體系為代表，這些體系均具有良好的流變性、潤(rùn)滑性及優(yōu)異的頁(yè)巖抑制性，能夠適用于深水鉆井及復(fù)雜頁(yè)巖層鉆井，在美國(guó)多個(gè)區(qū)塊成功應(yīng)用。國(guó)內(nèi)，中國(guó)石化中原石油工程公司研發(fā)了GOF環(huán)保高性能水基鉆完井液體系，能夠有效解決泥頁(yè)巖層鉆井過(guò)程中井壁失穩(wěn)、卡鉆、鉆速慢等技術(shù)難題，安全環(huán)保且成本較低。針對(duì)四川及云南龍馬溪組頁(yè)巖地層遇水易垮塌，微裂縫、裂縫發(fā)育等問(wèn)題，康圓等、閆麗麗等和孫金聲等以改性二氧化硅封堵劑為核心配制了一種疏水強(qiáng)封堵水基鉆完井液，該鉆完井液的頁(yè)巖回收率達(dá)90.2%，對(duì)40~60目砂床滲入深度僅為1.5 cm，具有優(yōu)異的抑制、封堵、疏水和抗污染能力。此外，該團(tuán)隊(duì)還研制了一種強(qiáng)抑制強(qiáng)封堵水基鉆完井液體系，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，電測(cè)一次成功，井徑規(guī)則，平均井徑擴(kuò)大率為5.71%。蔣官澄等基于“封堵、抑制、固化、雙疏、潤(rùn)滑”理論，形成了仿生固壁劑、仿生潤(rùn)滑劑及雙疏型高性能水基鉆完井液。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，該鉆完井液體系可以降低井底復(fù)雜情況，縮短建井周期，滿足安全、高效、環(huán)保鉆井的需要。
2.1.2 聚合醇類
聚合醇鉆完井液是以聚合醇為主劑配制的環(huán)保型水基鉆完井液體系，能夠增強(qiáng)鉆完井液的抑制性、封堵性和潤(rùn)滑性。20世紀(jì)90年代，國(guó)外便已經(jīng)開(kāi)發(fā)了聚乙二醇共聚物（COP/PPG）鉆完井液體系。研究表明，聚合醇與氯化鉀協(xié)同作用，可顯著增強(qiáng)體系的抑制性能，針對(duì)水敏性地層易出現(xiàn)掉塊、垮塌等井壁失穩(wěn)問(wèn)題，具有良好的效果。此外，聚合醇鉆完井液在海洋深水鉆井得到了應(yīng)用。劉曉棟等研制了抗溫200 ℃的聚合醇體系，并在環(huán)渤海油田現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，該體系EC50（半數(shù)效應(yīng)濃度）大于3×105 mg/L，符合一級(jí)海區(qū)生物毒性排放要求，有效解決了環(huán)境敏感性海域高溫深井鉆探問(wèn)題。
2.1.3 烷基糖苷類
烷基糖苷鉆完井液是一種具有較好的抑制性和潤(rùn)滑性，流變性能穩(wěn)定，兼具環(huán)保性的水基鉆完井液，適用于鉆大位移井和大斜度井及海洋等環(huán)境敏感地區(qū)。其中，甲基葡萄糖苷鉆完井液最先得到廣泛應(yīng)用，如中國(guó)南海地區(qū)WZ-6-9油田、大港油田濱26X1井、墨西哥灣Tick鉆井平臺(tái)等。為提高甲基葡萄糖苷鉆完井液的抑制性，改性烷基糖苷鉆完井液得到發(fā)展。趙虎等對(duì)烷基糖苷進(jìn)行陽(yáng)離子改性，研制了抗溫達(dá)150 ℃的烷基糖苷鉆完井液，成功解決了小河壩組、龍馬溪組等頁(yè)巖地層的井壁失穩(wěn)問(wèn)題。此外，通過(guò)對(duì)烷基糖苷進(jìn)行磺化改性，也可提高烷基糖苷鉆完井液的綜合性能。
2.1.4 合成基類
合成基鉆完井液是以人工合成的有機(jī)化合物作為連續(xù)相，鹽水作為分散相，并由乳化劑、降濾失劑、流型改進(jìn)劑等組成的鉆完井液。合成基鉆完井液的環(huán)保性能及易于達(dá)到恒流變的特點(diǎn)，使其在海洋深水鉆井中得到應(yīng)用。FLAT-PRO合成基鉆完井液流變性能穩(wěn)定、攜巖能力強(qiáng)、井眼清潔效果好，在南海東部超深水井荔灣22-1-1井成功應(yīng)用。中江204H井成功應(yīng)用了生物質(zhì)合成基鉆完井液，該體系抗溫150 ℃，流變性、濾失性、潤(rùn)滑性和抑制性強(qiáng)，且環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)和廢棄物處理成本較低。然而，生物質(zhì)基鉆完井液仍存在一定缺陷。在長(zhǎng)期高溫和堿性條件下，生物質(zhì)基鉆完井液會(huì)發(fā)生水解，導(dǎo)致性能變差，維護(hù)處理難度增大。

2.2 抗高溫高鹽高密度鉆完井液

2.2.1 磺化/聚磺類
國(guó)內(nèi)抗高溫水基鉆完井液大致經(jīng)歷了鈣處理、磺化和聚磺3個(gè)階段。鈣處理鉆完井液通過(guò)鈣離子抑制黏土分散，改善高溫條件下的濾失造壁性能和流變性能。20世紀(jì)70年代后，由王平金等學(xué)者研制的三磺鉆完井液使抗溫性能大幅提高。三磺材料主要是磺化褐煤（SMC）、磺化酚醛（SMP）和磺化單寧（SMT），抗溫能力可達(dá)180 ℃。而聚磺鉆完井液是在磺化鉆完井液的基礎(chǔ)上引入抗溫抗鹽性能優(yōu)良的聚合物處理劑，提高了體系的流變性能和濾失性能，使體系的抗溫能力提升至200 ℃以上。國(guó)外的DURATHERM體系是一種抗溫性能良好的水基聚磺鉆完井液，理論最高抗溫能力達(dá)260 ℃，抗鹽性能良好，抑制性強(qiáng)，同時(shí)具有良好的儲(chǔ)層保護(hù)性能。該體系在鶯歌盆地LD22-1-7井中使用時(shí)，最高井溫為207 ℃，最高密度為2.24 g/cm3，且能夠提高鉆速，提高鉆屑清除效率，降低鉆井成本。
2.2.2 油基類
近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)外油氣資源勘探開(kāi)發(fā)的不斷深入，深井、超深井?dāng)?shù)量逐漸增加，井底溫度上限也不斷刷新（例如，大慶松遼盆地古龍1井井深超6300 m，井底溫度達(dá)260 ℃），油基鉆完井液具有抑制性好、維持井壁穩(wěn)定、保護(hù)儲(chǔ)層、潤(rùn)滑性好及提高鉆井速度的優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為了鉆探深井、超深井、高難度井、水平井的必然選擇。國(guó)外在20世紀(jì)60年代就十分重視油基鉆完井液的研制與應(yīng)用。MI-Swaco公司以無(wú)胺基乳化劑為核心，結(jié)合高性能抗溫有機(jī)土、改性單寧混合型抗高溫降濾失劑等構(gòu)成了超高溫高壓油基鉆完井液體系UHTHP，室內(nèi)評(píng)價(jià)結(jié)果表明，該體系可在300 ℃高溫下保持優(yōu)異的流變性、乳液穩(wěn)定性和濾失性，并在泰國(guó)成功應(yīng)用。哈里伯頓公司研制的一種密度為2.2 g/cm3的油基鉆完井液，可抗204 ℃高溫，已在北海油田等多個(gè)國(guó)內(nèi)外油田成功應(yīng)用。在國(guó)內(nèi)，王建華等采用乳液聚合法合成出油基鉆完井液用納米聚合物封堵劑，性能評(píng)價(jià)結(jié)果表明，高溫高壓濾失量降低34%，封堵率從90%提高到100%，該封堵劑能在微裂縫表面形成致密封堵層，有望解決頁(yè)巖井壁穩(wěn)定的問(wèn)題。覃勇等以妥爾油脂肪酸和馬來(lái)酸酐為主要原料合成了一種油基鉆完井液抗高溫主乳化劑HT-MUL和輔乳化劑HT-WET，以此為核心構(gòu)建了一套抗高溫油基鉆完井液，在威204H5平臺(tái)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)井進(jìn)行試驗(yàn)取得了成功，并得到大規(guī)模推廣應(yīng)用。
2.2.3 聚合物類
國(guó)外抗高溫聚合物鉆完井液技術(shù)起步早發(fā)展快，早在20世紀(jì)60年代就開(kāi)始了聚合物類的研發(fā)與應(yīng)用。殼牌公司研發(fā)的甲酸銫無(wú)固相體系，抗溫性達(dá)220 ℃，密度可達(dá)2.37 g/cm3，具有良好的流變性和潤(rùn)滑性，可有效避免高密度條件下重晶石沉降問(wèn)題，但是價(jià)格昂貴。MI-Swaco公司構(gòu)建的抗高溫聚合物體系Envirotherm NT，抗溫可達(dá)232 ℃，密度達(dá)2.2 g/cm3，抗污染能力強(qiáng)，抗溫耐鹽，對(duì)地層損害小。目前，國(guó)內(nèi)外成功應(yīng)用的典型抗高溫聚合物體系有：不分散低固相聚合物體系、仿生聚合物體系、雙疏高效能聚合物體系、甲酸銫無(wú)固相體系、抗高溫聚合物體系等。勝利油田于1973年首次采用不分散低固相聚合物技術(shù)，使鉆速提高20%以上。王巖等合成了一種五元共聚物降濾失劑，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，合成的五元共聚物抗溫達(dá)180 ℃、抗鹽至飽和、抗鈣達(dá)1.25%，在聚合物鉆完井液中具有良好的效果。Xuan等、Jiang等和Ni等研發(fā)了系列仿生鉆完井液材料，并創(chuàng)新建立了仿生聚合物鉆完井液理論與技術(shù)，在長(zhǎng)慶蘇里格的蘇53區(qū)塊水平段鉆井時(shí)，平均提高鉆速27%、鉆完井液綜合成本降低26.4%，效果顯著。此外，Jiang等以研發(fā)的超雙疏劑為核心，進(jìn)一步構(gòu)建了超雙疏高效能聚合物鉆完井液領(lǐng)先技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了聚合物鉆完井液技術(shù)的飛速發(fā)展。

2.3 儲(chǔ)層保護(hù)鉆完井液

中國(guó)常規(guī)淺層油氣田資源量逐步減少，而深層、超深層都伴隨著地層的高溫、高壓，使用高固相含量的鉆完井液易堵塞油氣滲流通道，造成儲(chǔ)層傷害，影響油氣井產(chǎn)量或新油氣田的發(fā)現(xiàn)。
2.3.1 暫堵型保護(hù)油氣層鉆完井液
為減輕或避免鉆完井液導(dǎo)致的油氣層損害、提高單井產(chǎn)量，國(guó)內(nèi)外學(xué)者們先后建立了“屏蔽暫堵、精細(xì)暫堵、物理化學(xué)膜暫堵”的保護(hù)油氣層鉆完井液技術(shù)。但隨著鉆探的儲(chǔ)層條件越來(lái)越復(fù)雜，以前的保護(hù)技術(shù)難以滿足要求。為此，孫金聲等針對(duì)致密頁(yè)巖油氣藏中的儲(chǔ)層損害問(wèn)題，闡述了物理顆粒暫堵、化學(xué)成膜暫堵、欠平衡鉆井完井和界面修飾等儲(chǔ)層保護(hù)技術(shù)的基本原理及研究進(jìn)展，并給出了致密/頁(yè)巖油氣儲(chǔ)層保護(hù)技術(shù)的未來(lái)發(fā)展方向。蔣官澄等率先將仿生學(xué)引入保護(hù)油氣層鉆完井液理論中，發(fā)展了適合不同油氣層的“超雙疏、生物膜、協(xié)同增效”仿生暫堵保護(hù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)不同滲透率油氣層“零”損害目標(biāo)，使單井產(chǎn)量得到了較大的提高，并在各大油田得到推廣應(yīng)用，效果顯著。
2.3.2 液體套管油氣層保護(hù)鉆完井液
針對(duì)“屏蔽暫堵、精細(xì)暫堵、物理化學(xué)膜暫堵、仿生暫堵”型保護(hù)油氣層鉆完井液技術(shù)無(wú)法有效解決特殊油氣層“井塌、井漏、高摩阻”帶來(lái)的儲(chǔ)層損害難題，蔣官澄等繼續(xù)向自然界學(xué)習(xí)，利用發(fā)明的仿生超雙疏劑、仿生固壁劑、仿生鍵合潤(rùn)滑劑，再配合其他處理劑，取得了可隨鉆形成“液體套管”的保護(hù)儲(chǔ)層鉆完井液新技術(shù)的原創(chuàng)性成果。主要作用原理：在鉆井過(guò)程中，由特種處理劑構(gòu)成的鉆完井液在油氣層井壁上隨鉆充填、封堵孔-縫-洞、加固井壁，形成薄而致密、光滑、抗沖擊、耐沖刷、似“套管”的高強(qiáng)度封堵帶，完全阻隔鉆完井液與油氣層直接接觸，實(shí)現(xiàn)“保護(hù)油氣層、提高產(chǎn)量”與“防控鉆井風(fēng)險(xiǎn)、保障安全鉆井”一體化目標(biāo)。
在室內(nèi)，蔣官澄帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)成員系統(tǒng)研究了液體套管的致密性、封堵強(qiáng)度、潤(rùn)濕性、潤(rùn)滑性，以及液體套管鉆完井液的流變性、濾失造壁性、抑制性、強(qiáng)化井壁能力、油氣層保護(hù)效果等，結(jié)果表明，各種性能優(yōu)于以前保護(hù)油氣層鉆完井液技術(shù)，解決了以前技術(shù)存在的缺點(diǎn)，引領(lǐng)了保護(hù)油氣層鉆完井液技術(shù)的發(fā)展。
液體套管油氣層保護(hù)鉆完井技術(shù)已在昭通頁(yè)巖氣、渤海灣頁(yè)巖油、蘇里格和松遼盆地致密氣、準(zhǔn)格爾盆地致密油、山西煤層氣等地區(qū)，以及乍得等國(guó)家1000余口復(fù)雜油氣井上得到成功應(yīng)用。與同區(qū)塊使用過(guò)的油基鉆完井液或其他高性能水基鉆完井液相比，該技術(shù)可使平均井塌事故率降低82.6%、井漏降低80.6%、阻卡與卡鉆復(fù)雜情況降低80.7%、機(jī)械鉆速提高32.8%、產(chǎn)量提高1.5倍以上，效果顯著；被斯倫貝謝公司引入后，在承包的延安寶塔、子長(zhǎng)縣、安塞等地區(qū)規(guī)模應(yīng)用，平均鉆速提高30.1%以上、產(chǎn)量提高1.6倍以上等。總的來(lái)說(shuō)，液體套管油氣層保護(hù)鉆完井為中國(guó)年產(chǎn)超40億m3的最大煤層氣田、年產(chǎn)超3000萬(wàn)t的最大原油生產(chǎn)基地——渤海油田和儲(chǔ)量達(dá)千億方的渤中19-6凝析氣田、年產(chǎn)超300萬(wàn)t的世界最大礫巖油田——瑪湖油田、年產(chǎn)30億m3的臨興-神府大型致密氣田建設(shè)提供了一項(xiàng)支撐技術(shù)。
2.3.3 無(wú)土相水基/油基/合成基鉆完井液
常規(guī)深井、超深井高密度鉆完井液采用的重晶石、鐵粉等固相加重材料易堵塞油氣通道，對(duì)儲(chǔ)層造成不可逆損害，以可溶鹽為加重材料的無(wú)固相鉆完井液可滿足深井高密度鉆完井液加重需求，對(duì)儲(chǔ)層保護(hù)效果也很好。針對(duì)渤中19-6區(qū)塊鉆井過(guò)程中易井漏、儲(chǔ)層保護(hù)難度大等難題，馬英文等以聚胺和甲酸鉀為抑制劑和加重材料為主劑，構(gòu)建出一套新型抗高溫?zé)o固相鉆完井液。該體系可抗溫達(dá)200 ℃，同時(shí)可在高溫環(huán)境下穩(wěn)定存在7 h。孫金聲等和蔣官澄等研發(fā)的抗高溫高密度無(wú)土相油基鉆完井液密度可達(dá)2.7 kg/L，抗溫性可達(dá)260 ℃，同時(shí)可抗質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%的蒸餾水污染和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的CaCl2溶液污染。相比于傳統(tǒng)油基鉆完井液，無(wú)土相油基鉆完井液因不含有機(jī)土，流變性優(yōu)良，有利于提高鉆速和保護(hù)儲(chǔ)層等。
2.3.4 深水恒流變鉆完井液
深水鉆進(jìn)過(guò)程中，鉆完井液面臨諸多挑戰(zhàn)，如泥線溫度低而井底溫度高、流變性難于調(diào)控、重晶石沉降、當(dāng)量循環(huán)密度（ECD）變化大、容易引起井壁失穩(wěn)及井下漏失等鉆井風(fēng)險(xiǎn)。因此，弱化鉆完井液黏度、切力對(duì)溫度的敏感性，使其流變參數(shù)在一定溫度范圍內(nèi)基本保持恒定是解決該難題的關(guān)鍵，從而發(fā)展出了恒流變鉆完井液。
MI-Swaco公司的恒流變合成基鉆完井液依靠流變調(diào)節(jié)劑和有機(jī)土，配合實(shí)現(xiàn)“恒流變”。而哈里伯頓公司研發(fā)的恒流變鉆完井液采用一種酰胺類流變性調(diào)節(jié)劑替代有機(jī)土，在高溫下能保證酰胺基團(tuán)吸附在膠粒表面，避免了有機(jī)土低溫增稠。由中海油田服務(wù)股份有限公司研發(fā)的深水恒流變合成基鉆完井液HEM和FLAT-PRO體系突破了180 ℃的極限溫度，超越當(dāng)時(shí)國(guó)際同類技術(shù)。蔣官澄等建立了一套密度為1.2 g/cm3的生物柴油基恒流變鉆完井液體系，該體系環(huán)保性能優(yōu)良，可在2~230 ℃條件下保持恒流變性，并可抗5%的海水和10%的頁(yè)巖屑污染，為深水油氣資源的開(kāi)發(fā)提供了技術(shù)保障。
2.3.5 天然氣水合物保護(hù)油氣層鉆完井液
井壁穩(wěn)定是天然氣水合物安全高效鉆井的核心，高性能井筒工作液是維持井壁穩(wěn)定的關(guān)鍵。從抑制水合物效果、環(huán)保和成本控制綜合考慮，水基鉆完井液仍是天然氣水合物勘探的首選。孫金聲團(tuán)隊(duì)研究了不同溫壓條件下的改性淀粉、羧甲基纖維素鈉（CMC）和黃原膠（XC）對(duì)CH4水合物形成的影響，研究發(fā)現(xiàn)，深水常規(guī)油氣及水合物鉆井過(guò)程中，若井下溫壓條件對(duì)水合物形成的驅(qū)動(dòng)作用較強(qiáng)，則XC更適合配制水合物抑制性的鉆完井液。此外，為探明水合物儲(chǔ)層損害類型及機(jī)制，基于核磁共振技術(shù)建立了井筒工作液侵入水合物儲(chǔ)層的模擬試驗(yàn)方法，探究在不同液相侵入溫度下水合物分解特性及儲(chǔ)層損害程度；提出了將納米有機(jī)硅材料引入天然氣水合物鉆完井液，提高封堵性能，減小侵入引起的儲(chǔ)層損害。Wang等研制了一種天然氣水合物用復(fù)合強(qiáng)化井壁穩(wěn)定劑TA-PVA，實(shí)驗(yàn)表明，巖心抗壓強(qiáng)度由0.22 MPa提升至0.45 MPa，且抑制膨潤(rùn)土水化膨脹率達(dá)76.36%，有效提高了儲(chǔ)層井壁穩(wěn)定性。
經(jīng)過(guò)20多年的快速發(fā)展，中國(guó)的天然氣水合物勘探開(kāi)發(fā)取得了較為豐碩的成果，中國(guó)于2017年在南海神狐海域成功進(jìn)行了首次天然氣水合物試采工作，2020年在此區(qū)域又成功進(jìn)行了第2次試采工作，創(chuàng)造了“產(chǎn)氣總量為86.14×104 m3，日均產(chǎn)氣量為2.87×104 m3”的兩項(xiàng)世界紀(jì)錄，攻克了深水淺軟地層水平井鉆采技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了從“探索性試采”向“試驗(yàn)性試采”的重大跨越。
2.3.6 智能鉆完井液
隨著鉆探目標(biāo)從淺層向深層、深水，從常規(guī)向非常規(guī)（如頁(yè)巖油氣、致密油氣、煤層氣、油頁(yè)巖等），從傳統(tǒng)化石能源向特殊地下資源（水合物、干熱巖等）進(jìn)一步拓展，鉆井工程面臨的地面和地下情況越來(lái)越復(fù)雜，給鉆完井液類型和處理劑選擇、配方和性能設(shè)計(jì)帶來(lái)很大盲目性，因此，設(shè)計(jì)并采用具有“自識(shí)別、自調(diào)節(jié)、自適應(yīng)”等智能特點(diǎn)的鉆完井液技術(shù)，有助于從根本上解決上述技術(shù)難題。
2016年伊朗學(xué)者Ghojogh首次明確提出，將智能材料/流體應(yīng)用于鉆井可制備出“智能鉆完井液”，有助于在常規(guī)鉆完井液難以勝任的高難度鉆井區(qū)域成功鉆井。近幾年，在壓力敏感、鹽響應(yīng)、pH響應(yīng)、溫敏、形狀記憶、智能暫堵及磁響應(yīng)的多種智能鉆完井液方面進(jìn)行了探索性研究。蔣官澄團(tuán)隊(duì)以研制的高分子量低離子度（HvL）與低分子量高離子度（LvH）兩種鹽響應(yīng)型兩性離子聚合物為核心配制了飽和鹽水鉆完井液，研究表明，鹽響應(yīng)型聚合物鉆完井液具有出色的抗鹽性、熱穩(wěn)定性與抗膨潤(rùn)土、泥頁(yè)巖屑污染的性能；同時(shí)，還研制了具有鹽響應(yīng)特征的AM-AMPS-TAC聚合物，配制的鉆完井液抗鹽與耐溫效果最優(yōu)，且濾失量小。該團(tuán)隊(duì)還以合成的pH響應(yīng)可逆轉(zhuǎn)乳化劑RE-HT為核心配制了一種抗高溫可逆乳化鉆完井液，性能良好，濾餅清除率達(dá)98.98%，在復(fù)雜深井鉆井中有較好的應(yīng)用前景。孫金聲等綜述了智能材料（形狀記憶合金、自愈合凝膠、膜材料和仿生材料）在鉆完井液領(lǐng)域的技術(shù)研發(fā)方向、方法及應(yīng)用前景。但目前智能鉆完井液僅處于起步階段，還面臨著許多問(wèn)題與挑戰(zhàn)，未來(lái)需要廣大科研工作者共同研究。

3

未來(lái)發(fā)展建議

國(guó)家發(fā)展改革委員會(huì)、國(guó)家能源局發(fā)布了《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃（2016—2030年）》，攻克萬(wàn)米特高溫高壓油氣開(kāi)采技術(shù)與裝備已被列入2020—2035年國(guó)家油氣科技重大專項(xiàng)戰(zhàn)略規(guī)劃。因此，油氣鉆井向著深層超深層發(fā)展，高溫地?zé)峋拈_(kāi)發(fā)，深層鉆探的需要，對(duì)鉆井流體抗溫、環(huán)保、油氣層保護(hù)等性能要求越來(lái)越高。未來(lái)深層及深水油氣鉆探鉆完井液建議在以下方面重點(diǎn)攻關(guān)。
（1）攻克抗溫260~300 ℃、抗壓2.6~3.0 MPa、密度在2.6 g/cm3以上的抗高溫高壓高鹽鉆完井液關(guān)鍵材料與技術(shù)。
（2）攻克抗溫小于-30 ℃的極地溫度鉆完井液，滿足未來(lái)南極等極低溫度油氣鉆探的需要。
（3）攻關(guān)研究深水恒流變環(huán)保型鉆完井液、適用于水平井的環(huán)保型天然氣水合物鉆完井液，以及水合物水平井井壁穩(wěn)定技術(shù)。
（4）發(fā)展隨鉆形成更高質(zhì)量液體套管的鉆完井液。利用鉆完井液中的化學(xué)材料在井壁隨鉆形成似“套管”的高強(qiáng)度封堵帶，封堵全部孔-縫-洞，滿足安全、高效、環(huán)保鉆井需要。
（5）裂縫性惡性漏失地層防漏堵漏一體化。通過(guò)提高鉆完井液密度、強(qiáng)化封堵防塌性能，研發(fā)自適應(yīng)防漏堵漏材料，擴(kuò)大安全密度窗口，實(shí)現(xiàn)高效堵漏。
（6）發(fā)展基于智能材料、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、4G/5G網(wǎng)絡(luò)、人工智能等技術(shù)的智能鉆完井液及智能儲(chǔ)層保護(hù)技術(shù)，使其具備“自識(shí)別、自調(diào)整、自適應(yīng)、自傳輸、自維護(hù)”功能，實(shí)現(xiàn)“安全、高效、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、智能”的目標(biāo)。
（7）發(fā)展生態(tài)環(huán)保型鉆完井液。利用天然可降解材料研發(fā)生態(tài)型鉆完井液處理劑，構(gòu)建生態(tài)環(huán)保型鉆完井液體系，真正實(shí)現(xiàn)石油工業(yè)與環(huán)境保護(hù)協(xié)調(diào)發(fā)展。

4

結(jié)束語(yǔ)

雖然深層及深水油氣資源非常豐富，但卻面臨前所未有的技術(shù)挑戰(zhàn)，鉆完井液是保障安全、高效、經(jīng)濟(jì)鉆探的核心。在未來(lái)深層及深水鉆探過(guò)程中，鉆完井液技術(shù)必將面臨許多未知挑戰(zhàn)，需從關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題入手，借助其他學(xué)科發(fā)展起來(lái)的最新基礎(chǔ)理論，進(jìn)行交叉學(xué)科研究，研發(fā)具有原創(chuàng)性的鉆完井液技術(shù)。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外鉆完井液技術(shù)發(fā)展歷程和原理的深度剖析可知，大力開(kāi)展液體套管鉆完井液、智能與生態(tài)型鉆完井液是未來(lái)的重要發(fā)展方向之一，可為突破深層深水鉆完井液與完井液的“冰火兩重天”、為深層深水油氣勘探開(kāi)發(fā)提供技術(shù)強(qiáng)力支撐。