無(wú)固相鉆井液研究進(jìn)展

段何玉，張榮軍

（西安石油大學(xué)，陜西西安 710065）

鉆井液對(duì)于鉆井的重要性好比血液對(duì)于人類的重要性，因此一口井的成功作業(yè)與否，在很大程度上取決于鉆井液的性能好壞，所以鉆進(jìn)過(guò)程的重中之重在于選擇合適的鉆井液。不含有黏土顆粒的鉆井液就是無(wú)固相鉆井液，該鉆井液以低固相鉆井液的發(fā)展為前提，與現(xiàn)代鉆井技術(shù)的發(fā)展情況和需求更相符。除此之外，當(dāng)今隨著人們的環(huán)保意識(shí)增強(qiáng)、人們對(duì)于儲(chǔ)層的保護(hù)也越發(fā)重視，未來(lái)的鉆井液將向無(wú)毒害、低儲(chǔ)層污染、循環(huán)使用率高的環(huán)境友好型方向發(fā)展，而這種新型的無(wú)固相鉆井液與有固相的鉆井液相比，不僅使得鉆井效率大大提高，而且能夠大幅度的減少對(duì)油氣層的污染，在加入抑制劑后，也能起到防止井壁坍塌的功能。無(wú)固相鉆井液也具有一定的缺點(diǎn)，就當(dāng)今的發(fā)展?fàn)顩r來(lái)看，由于鉆井過(guò)程中受到環(huán)境因素以及添加劑影響，無(wú)固相鉆井液形成的泥餅普遍質(zhì)量較差，今后的研究重點(diǎn)應(yīng)該傾向于泥餅形成的質(zhì)量。綜上所述，對(duì)無(wú)固相鉆井液的性質(zhì)和功能進(jìn)行更深入的探究，并推動(dòng)其不斷發(fā)展和完善，確保其更具先進(jìn)化特點(diǎn)，這種選擇和舉措的落實(shí)意義十分深遠(yuǎn)。

1 無(wú)固相鉆井液研究現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外無(wú)固相鉆井液研究[1-4]

早在20 世紀(jì)80 年代，國(guó)外的部分特定低壓低滲透的地層中就已經(jīng)開(kāi)始使用無(wú)固相體系，并且在研究成果方面也獲得了一些成就。他們?cè)谔暨x無(wú)固相鉆井液時(shí)傾向于配方簡(jiǎn)單且明確的類型，最終采用的體系中只包含了聚合物和鹽類這兩種物質(zhì)，密度為1～1.75 g/cm3，但其不具備較強(qiáng)的耐高溫能力，只能承受100 ℃以下的溫度環(huán)境。

Block 等在20 世紀(jì)90 年代初開(kāi)展了關(guān)于無(wú)固相鉆井液的研發(fā)活動(dòng)，經(jīng)過(guò)不斷的研究和努力終于實(shí)現(xiàn)了耐高溫能力的提升，該鉆井液能抵抗120 ℃左右的溫度，鉆遇地層中的金屬離子時(shí)也能保持較高的穩(wěn)定性。該新型抗高溫鉆井液的體系主要包括兩個(gè)組成部分，即聚乙烯醇劑（PVA）和氧化鋁，它們對(duì)應(yīng)的作用屬性分別為失水控制劑和凝膠增黏劑。該體系對(duì)于鉆屑具有比較強(qiáng)的攜帶能力，也能很容易對(duì)稀釋性進(jìn)行剪切。在深井鉆探過(guò)程中，選用的鉆井液通常為非水溶性耐高溫的類型，其中存在一種無(wú)固相鉆井液，其主要溶劑和增稠劑分別為N-甲基-2-吡咯烷酮和聚乙烯吡咯烷酮。而另外一種鉆井液在選擇增稠劑時(shí)不同于上一種，一般會(huì)選擇低磺化聚苯乙烯，其對(duì)于流變性的剪切和稀釋能力比較好，耐溫性也較強(qiáng)，能夠抵抗超過(guò)204 ℃的高溫。

國(guó)外很早就開(kāi)始研究有關(guān)深井及超深井的鉆井問(wèn)題，早在20 世紀(jì)，國(guó)外的部分特定低壓低滲透的地層中就已經(jīng)開(kāi)始使用無(wú)固相體系，并且開(kāi)發(fā)的無(wú)固相鉆井液體系還具備針對(duì)性的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，不同的地層對(duì)應(yīng)不同的體系。另外，在新型高溫?zé)o固相聚合物鉆井液體系的研究和開(kāi)發(fā)，國(guó)外在研究成果方面獲得了顯著成就，例如，Hal-liburton 公司經(jīng)過(guò)一系列的研發(fā)操作，成功研制出了耐高溫的無(wú)固相鉆井液體系，能夠抵抗180 ℃的溫度，在高溫穩(wěn)定性方面做出了重大突破，解決了技術(shù)難題帶來(lái)的弊端。

國(guó)外公司對(duì)此關(guān)鍵技術(shù)的保護(hù)十分嚴(yán)密，國(guó)內(nèi)購(gòu)買抗高溫增黏劑和引進(jìn)技術(shù)服務(wù)時(shí)會(huì)產(chǎn)生高昂的成本費(fèi)用，導(dǎo)致鉆井成本直線上升。在國(guó)內(nèi)，關(guān)于抗高溫?zé)o固相鉆井液體系的研究也有成功的案例，例如勝利油田就成功研制出了無(wú)固相抗高溫體系，不僅能夠抵抗高溫環(huán)境，同時(shí)還能確保其處于穩(wěn)定的狀態(tài)。珠江口盆地文昌9-2 氣田、9-3 氣田和10-3 氣田所使用的新型無(wú)固相鉆井液體系，抗溫可達(dá)170 ℃。石油大學(xué)（北京）和長(zhǎng)江大學(xué)聯(lián)手研制出了能夠抗溫150 ℃的無(wú)固相鉆井液體系。但是，國(guó)內(nèi)對(duì)于同時(shí)能夠具有抗高溫性、強(qiáng)抑制性、防漏效果良好的無(wú)固相鉆井液體系卻沒(méi)有系統(tǒng)的研究過(guò)。

1.2 國(guó)內(nèi)無(wú)固相鉆井液研究

我國(guó)應(yīng)用較為普遍的一種有機(jī)鹽無(wú)固相鉆井液體系是甲酸鹽鉆井液，這種體系也將高分子聚合物作為主要的增黏劑，加重劑選用有機(jī)鹽來(lái)調(diào)整鉆井液體系的密度，其增稠劑、油層保護(hù)劑和降濾失劑的選用分別為CXV、CXG 和CXF，并且可以結(jié)合具體情況來(lái)選擇是否加入其他鉆井液處理劑。該體系優(yōu)點(diǎn)眾多，缺點(diǎn)在于其成本太高。

無(wú)固相弱凝膠鉆井液借助分子之間的相互纏繞建立起空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，該體系不僅在流變性方面展現(xiàn)出非常獨(dú)特的特征，并且在懸浮攜砂能力、潤(rùn)滑性和抑制性方面的性能也十分良好，抗溫可達(dá)到140 ℃，主要適用的范圍為特低滲透儲(chǔ)層，能夠防止固、液相的侵入，避免儲(chǔ)層受到破壞。將無(wú)固相保護(hù)油氣儲(chǔ)層鉆井液體系應(yīng)用于塔里木油田呀哈區(qū)塊，針對(duì)其使用過(guò)程中存在的問(wèn)題和不足，塔里木油田自主進(jìn)行研發(fā)，得到了一種新型無(wú)固相弱凝膠鉆井液體系。能夠?qū)崿F(xiàn)150 ℃高溫環(huán)境的使用，并且在流變性和懸浮鉆屑能力等方面也具備良好的水準(zhǔn)，針對(duì)水平井和大斜度井段這類特殊情況，其同樣能夠按滿足其對(duì)鉆井液提出的要求，經(jīng)過(guò)輪南H8C 井的試用后發(fā)現(xiàn)，相較于PRD 弱凝膠鉆井液，其展現(xiàn)出更優(yōu)質(zhì)的屬性和功能。

無(wú)固相微泡沫鉆井液的密度比較低，并且擁有良好的攜巖性能，在濾失量方面也能進(jìn)行合理的控制，而對(duì)于儲(chǔ)層而言，該類鉆井液還能夠?qū)⑵渎┦Ш蛽p害的程度降到最低，盡可能的將固相侵入控制在合理范圍內(nèi)，真正實(shí)現(xiàn)了對(duì)低密度鉆井液體系的完善和優(yōu)化。對(duì)于普通微泡沫鉆井液固相侵入及其發(fā)泡過(guò)多導(dǎo)致鉆井液泵上水效果較差的問(wèn)題，無(wú)固相微泡沫鉆井液體系對(duì)此都進(jìn)行了優(yōu)化，并克服了這方面的問(wèn)題，同時(shí)還將其應(yīng)用于邵4-平1 井，在150 ℃的環(huán)境中對(duì)油層保護(hù)實(shí)現(xiàn)了不錯(cuò)的效果。

高分子聚合物在無(wú)固相鉆井液體系中的作用非常關(guān)鍵[5-7]，但是當(dāng)今聚合物增黏劑的耐溫性能都有限，遇到較高溫度時(shí)，不能保持很好的穩(wěn)定性，這也是一直以來(lái)無(wú)固相鉆井液體系研究的重點(diǎn)，也是一直制約無(wú)固相鉆井液普遍應(yīng)用的難題。

針對(duì)無(wú)固相鉆井液在鉆井提速的效果方面，我國(guó)也對(duì)其進(jìn)行過(guò)深入探究，并且研制出了能夠?qū)崿F(xiàn)鉆井提速的處理劑，大慶油田作為初步試驗(yàn)場(chǎng)所，但最終的試驗(yàn)結(jié)果并未令人滿意。無(wú)固相或低固相鉆井液體系是鉆井提速主要采用的鉆井液體系，有關(guān)資料表明，這兩種井液體系具有低流動(dòng)阻力的優(yōu)點(diǎn)，能夠提高鉆速，充分發(fā)揮鉆頭的功率。且這兩種鉆井液體系的黏度較小，便于攜帶巖屑顆粒，十分有利于井眼的凈化。

雖然早在20 世紀(jì)80 年代國(guó)內(nèi)外就已經(jīng)開(kāi)始關(guān)于無(wú)固相鉆井液體系方面的研究與應(yīng)用，并且取得了一定的應(yīng)用成果，但是這種應(yīng)用十分有限，只能在一些特定的井段實(shí)施，如低溫井段和較淺井段。且雖然當(dāng)今我國(guó)的鉆井液技術(shù)已經(jīng)取得了一定的成就，但是理論體系依舊不夠完善，與國(guó)外相比有一定差距，所以鉆井技術(shù)與設(shè)備條件依然有待進(jìn)步；在鉆井液處理方面，與國(guó)外的技術(shù)相比，鉆井液的質(zhì)量與應(yīng)用性稍微遜色；在油氣層的開(kāi)采方面，還需開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)出具有良好性能的固控設(shè)備；在油氣層保護(hù)方面也需要進(jìn)一步的提高。

2 無(wú)固相鉆井液研究方向

國(guó)內(nèi)外現(xiàn)階段關(guān)于無(wú)固相鉆井的研究方向主要為以下幾種：

（1）無(wú)固相鹽水聚合物鉆井液[8-11]。該鉆井液體系在變形和流動(dòng)性方面都具備良好的性質(zhì)，其黏度也可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)、制備過(guò)程也十分方便、能夠節(jié)省成本，且性能較穩(wěn)定不易受外界影響，攜帶巖屑的功能也非常突出。

（2）無(wú)固相正電性鉆井液。在配制該鉆井液體系時(shí)，選用的是陽(yáng)離子的處理劑，當(dāng)處于正電環(huán)境中時(shí)，其呈現(xiàn)出的狀態(tài)為分散型的膠體，對(duì)于黏土分散的情況具備十分有效的抑制作用，因此，對(duì)油氣層能夠呈現(xiàn)出很好的保護(hù)效果。無(wú)固相正電性鉆井液在選擇處理劑時(shí)，全部都選用了陽(yáng)離子處理劑，正電性鉆井液通過(guò)形成一層聚合物以抑制黏土顆粒的分散，這層聚合物就是陽(yáng)離子黏附在黏土表面形成的，從而降低固相顆粒對(duì)鉆具的損害。因此，該鉆井液體系比較適用于強(qiáng)水敏的油氣儲(chǔ)層[12]。

（3）甲酸鹽無(wú)固相鉆井液。以甲酸鹽作為基液組成的甲酸鹽基鉆井液、完井液能夠達(dá)到較高密度且密度容易調(diào)節(jié)；在高溫下能保持較好的穩(wěn)定性，且具有較好的抑制性；由于鉀鹽不產(chǎn)生沉淀，因此能保護(hù)儲(chǔ)層不受污染；甲酸鹽無(wú)固相鉆井液與其他鉆井液處理劑和儲(chǔ)層流體都保持良好的配伍性；對(duì)鉆具基本上沒(méi)有腐蝕作用；不具有毒害作用且可降解[13，14]，不會(huì)污染環(huán)境。甲酸鹽類無(wú)固相鉆完井液已經(jīng)普遍應(yīng)用在鉆井現(xiàn)場(chǎng)，其中在水平井和軟管鉆井中應(yīng)用效果較好。缺點(diǎn)是成分中甲酸鹽的價(jià)格較昂貴，增加了鉆井成本，應(yīng)重點(diǎn)研究其重復(fù)使用的技術(shù)[15]。且該體系不容易形成濾餅，可能會(huì)損害油氣層。

（4）無(wú)固相有機(jī)鹽鉆井液。有機(jī)鹽的組成部分主要包括兩方面，即帶雜原子的有機(jī)酸根銀離子和一價(jià)金屬離子，比如鉀離子和鈉離子形成的鹽。有機(jī)鹽鉆井液和完井液的濾液擁有比較高的礦化程度，并且不會(huì)呈現(xiàn)出較高的表面張力，因此，水鎖反應(yīng)不會(huì)對(duì)低滲儲(chǔ)層造成過(guò)高的傷害；在該體系鉆井液的濾液中，一價(jià)金屬離子比二價(jià)金屬離子的含量要高，所以不容易導(dǎo)致地層出現(xiàn)堵塞的問(wèn)題，一般都會(huì)比較順暢，所以對(duì)地層的保護(hù)效果更好；另外，有機(jī)鹽鉆井液在抵抗高溫環(huán)境方面擁有較好的性能，所以能夠更好的保護(hù)鉆具，避免其受到嚴(yán)重的腐蝕，同時(shí)也防止出現(xiàn)環(huán)境污染嚴(yán)重的情況[16]。

（5）FA367/KCl 無(wú)固相鉆井液。在該鉆井液體系中出現(xiàn)的鉀離子，其具備比較強(qiáng)的抑制作用，所以這種鉆井液穩(wěn)定井壁的效果較好，對(duì)于鉆屑分散情況也能有效抑制，這對(duì)于鉆進(jìn)效率而言十分有利，同時(shí)還避免了耗費(fèi)過(guò)多的鉆井成本，對(duì)于很多復(fù)雜的地下情況都能進(jìn)行良好的處理，例如卡鉆和滲漏等問(wèn)題都得到了有效避免；該無(wú)固相鉆井液不具備過(guò)高的黏度，濾失量也較小，所以能與高壓噴射鉆井提出的要求相匹配[17]。

（6）PRD 體系。該鉆井液體系屬于弱凝膠類型，所以擁有良好的耐溫和耐鹽的性能，另外對(duì)于抵抗剪切和污染的能力也比較強(qiáng)。該鉆井液體系能夠很好的攜帶泥砂，主要是因?yàn)檫M(jìn)行鉆井時(shí)其擁有的黏度較低，而動(dòng)塑比又相對(duì)較高，所以形成了這種優(yōu)勢(shì)。對(duì)于鉆井過(guò)程中液固相侵入的問(wèn)題能夠有效避免，對(duì)井壁提供了良好的保護(hù)作用。且該鉆井液體系濾失量較小，容易降解，也無(wú)毒性。

（7）HRD 體系。HRD 鉆井液將聚合物之間的協(xié)同效應(yīng)充分利用，從而提高流變性以達(dá)到自身的需求。當(dāng)面對(duì)剪切作用比較低的情況時(shí)，聚合物之間會(huì)建立起網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使體系具備更高的黏度，如果面對(duì)的是較高剪切速率的情況，那么分子結(jié)構(gòu)就不需要改變自身的形態(tài)，只會(huì)出現(xiàn)降低表觀黏度的變化，當(dāng)不再受到外力作用后，表觀黏度又會(huì)逐漸恢復(fù)到正常的狀態(tài)[18]。凝膠所具備的這種性能使得該鉆井液體系能夠更好的展現(xiàn)出攜砂效果，并且固相顆粒也不會(huì)出現(xiàn)，從而在很大程度上保護(hù)了油氣儲(chǔ)層。在鉆井現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用表明，該鉆井液不僅性能較好、維護(hù)簡(jiǎn)便、節(jié)省成本且不會(huì)污染環(huán)境[19]。

（8）生物聚合物類無(wú)固相鉆井完井液。通常情況下，生物聚合物類無(wú)固相鉆井液和完井液的使用區(qū)域?yàn)橹袞|地區(qū)，該鉆井液體系具有良好的攜帶巖屑的功能，潤(rùn)滑性能較好且能夠很好的維持井壁的穩(wěn)定性，由于生物聚合物能很好的分解和清除，所以很好的保護(hù)了油氣層和環(huán)境[20]。

（9）烷基糖苷無(wú)固相鉆井完井液。20 世紀(jì)80 年代末，國(guó)外就已經(jīng)開(kāi)始在鉆井液中加入甲基葡萄糖苷MEG，經(jīng)過(guò)十年后，國(guó)內(nèi)在部分油田中也開(kāi)始使用。甲基葡萄糖苷MEG 具備較強(qiáng)的溶水性，并且能夠很好的抵抗無(wú)機(jī)鹽和高溫環(huán)境，對(duì)于鉆井液的黏度和切力方面，其同樣具備較為明顯的改善和優(yōu)化效果，這種溶液的濃度很高，對(duì)于鉆井液的水活度表現(xiàn)出有效降低的作用效果，所以很容易形成隔離膜，來(lái)有效抑制黏土的水化膨脹，降低了儲(chǔ)層的水鎖效應(yīng)[21，22]，從而滿足鉆完井的條件。且由于該鉆井液體系易被生物降解，因此能夠很好的節(jié)省成本，保護(hù)賴以生存的生態(tài)環(huán)境。

3 無(wú)固相鉆井液的應(yīng)用

3.1 在小井眼井中的應(yīng)用

殼牌公司并未使用固相顆粒加重劑，而是選用甲酸鹽作為加重劑，完成了具備低黏度特性的無(wú)固相鉆井液的研發(fā)和配制，其密度為2.3 g/cm3。該鉆井液具備弱堿性的特點(diǎn)，所以不會(huì)加重?fù)p害管線和設(shè)備，另外，甲酸鹽這種物質(zhì)的降解比較容易，利用生物就可實(shí)現(xiàn)，所以其生物毒性比較低[23]。不會(huì)污染環(huán)境，也不會(huì)對(duì)地層造成傷害。

3.2 在水平井中的應(yīng)用

東方1-1 氣田所處位置為中孔低滲儲(chǔ)層，并且擁有比較明顯的水敏性特征。進(jìn)行開(kāi)采的過(guò)程中，借助快速弱凝膠水平井鉆井液體系，不僅能夠順利的將鉆井工作完成，同時(shí)還對(duì)儲(chǔ)層具有十分有效的保護(hù)作用。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)該鉆井液攜帶巖屑的能力較強(qiáng)且有利于起下鉆，對(duì)油氣層的保護(hù)效果十分明顯。

3.3 在高溫深井中的應(yīng)用

武學(xué)琴在勝利油田進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的研究，最終研發(fā)出了一種能夠抵抗高溫的增黏劑—TV-1，能夠在150 ℃的高溫環(huán)境中使用，并且成功在裂縫性潛山油藏中應(yīng)用。王棟等經(jīng)過(guò)研究后制成了能夠抵抗高溫的聚合物—WTZN，其在增黏和提切攜巖方面具備十分顯著的效果[24，25]。

4 結(jié)語(yǔ)

以無(wú)固相鉆井液的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的效果作為參考，對(duì)比其他含有固相的鉆井液可知，無(wú)固相鉆井液存在其特殊的地方[26]：

（1）因?yàn)槿鄙兖ね令w粒，所以因固相顆粒堵塞孔隙而產(chǎn)生的影響得到了降低；

（2）在變形和流動(dòng)性以及剪切稀釋性方面擁有較強(qiáng)的性能；

（3）能夠很好的提升鉆井的效率；

（4）維持井壁穩(wěn)定的能力較強(qiáng)；

（5）基本不會(huì)對(duì)油氣層造成損傷，并且在發(fā)現(xiàn)和保護(hù)產(chǎn)層方面也具備有效作用；

（6）避免出現(xiàn)井漏事故；

（7）盡可能的減少鉆井成本的消耗。

總的來(lái)說(shuō)，未來(lái)在對(duì)無(wú)固相鉆井液進(jìn)行研究和開(kāi)發(fā)時(shí)，有以下幾個(gè)方面要提起重視：（1）要將具備明顯效果的抑制劑加入到鉆井液體系中，確保其能夠更好的對(duì)巖屑分散的情況起到抑制作用，充分展現(xiàn)出其絮凝的能力；（2）在挑選增黏劑時(shí)要確保適配性，避免無(wú)固相鉆井液無(wú)法較好的實(shí)現(xiàn)增黏提切的效果；（3）針對(duì)無(wú)固相鉆井液濾失量較大和鉆井過(guò)程無(wú)法確保穩(wěn)定性的特點(diǎn)，要挑選出更好的防塌抑制劑，確保井壁處于穩(wěn)定的狀態(tài)[27]。