干熱巖耐高溫鉆井液的研究進(jìn)展與發(fā)展趨勢(shì)

劉 暢，冉恒謙，許 潔

（1.中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北廊坊065000；2.中國地質(zhì)大學(xué)（北京），北京100083）

0 引言

隨著工業(yè)與科技的進(jìn)步，以常規(guī)化石燃料為核心的能源結(jié)構(gòu)，已經(jīng)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生了巨大的負(fù)面效應(yīng)，為了緩解人類與環(huán)境的矛盾問題，必須改善能源結(jié)構(gòu)，開發(fā)清潔能源作為能源結(jié)構(gòu)的核心勢(shì)在必行。其中，地?zé)豳Y源是地球內(nèi)部的可再生能源，包括水熱型地?zé)豳Y源與干熱巖型地?zé)豳Y源等，而在已探明的地?zé)豳Y源中，我國干熱巖型地?zé)豳Y源約合856 萬億t 標(biāo)準(zhǔn)煤，占世界資源量的1/6。所謂干熱巖（Hot Dry Rock，HDR）是埋深超過2 km，內(nèi)部沒有水或僅存少量流體，溫度高于180 ℃的異常高溫巖體，其蘊(yùn)藏的可利用熱能相當(dāng)于全球石油、天然氣、煤炭所含能量的30 倍［1］。因此，大力開發(fā)干熱巖型地?zé)豳Y源，不僅可以有效解決當(dāng)今能源緊缺的全球性問題，對(duì)生態(tài)改善和文明進(jìn)步更具有重要意義。

目前鉆井仍是干熱巖勘探開發(fā)的唯一手段，主要的鉆采方法是沿用較為成熟的石油鉆采設(shè)備與技術(shù)，通過開采注水井與出水井，利用天然和壓裂手段形成的裂隙使兩口井之間連通，從地表注入冷水與地下干熱巖高溫層段進(jìn)行換熱從而獲取熱量資源（參見圖1）。一般而言，井下溫度超過150 ℃即認(rèn)為是高溫井。干熱巖其內(nèi)高溫高壓的惡劣環(huán)境對(duì)井下鉆具與鉆井液系統(tǒng)提出了挑戰(zhàn)，在高溫高壓的環(huán)境下易導(dǎo)致隨鉆測(cè)量?jī)x器的性能不穩(wěn)定、鉆井液高溫失效等問題。

圖1 干熱巖開發(fā)示意Fig.1 Schematic diagram of HDR development

如何提高鉆井液的耐高溫性能，往往通過提高粘土和處理劑的高溫穩(wěn)定性2 個(gè)大的方向來考慮。無論是用來提高粘土高溫穩(wěn)定性的“粘土保護(hù)劑”，還是其他抗高溫的處理劑，想要達(dá)到200 ℃左右理想的耐溫溫度，“三磺”體系以及“聚磺”體系都是當(dāng)今各大鉆井工程的主流選擇，從20 世紀(jì)80 年代起，該類體系已廣泛應(yīng)用于各油田深井鉆井工程中。然而磺化體系的鉆井液中含有大量甲醛、苯酚等有毒物質(zhì)，漿液與泥餅均呈現(xiàn)黑色，在高溫作用下還伴隨著強(qiáng)烈的刺激性氣味，對(duì)周邊生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染。

除了考慮鉆井液輔助鉆進(jìn)效果，其對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的副作用也不容忽視。鉆井液處理劑種類豐富多樣，各類試劑之間化學(xué)反應(yīng)復(fù)雜，加大了處理廢棄鉆井液的難度，同時(shí)考慮到工程經(jīng)費(fèi)問題，無論用哪種處理方法，廢棄鉆井液的處理往往是耗時(shí)耗力、“徒添成本”，人們并不愿意進(jìn)行善后工作，再加之遇到地層裂隙較多的孔段，發(fā)生鉆井液大量漏失的井下事故，環(huán)境污染便無法避免。因此，本著治本的原則，從源頭改善鉆井液的環(huán)保問題，必須開發(fā)新的耐高溫環(huán)保鉆井液體系，保證鉆井液達(dá)到應(yīng)有的輔助鉆進(jìn)效果。同時(shí)可以響應(yīng)國家號(hào)召，建立環(huán)境友好型社會(huì)、進(jìn)行可持續(xù)性資源開發(fā)，不給當(dāng)?shù)厝嗣窳粝颅h(huán)境污染所造成的安全隱患。

1 耐高溫鉆井液技術(shù)難點(diǎn)

1.1 高溫對(duì)鉆井液性能的影響

高溫環(huán)境有時(shí)易使膨潤(rùn)土顆粒分散度增強(qiáng)，從而引起鉆井液增稠、流動(dòng)性變差、高溫高壓失水量增加的情況［2］，而對(duì)于納基膨潤(rùn)土?xí)斐删劢Y(jié)作用，使得靜切力和動(dòng)切力增加，進(jìn)一步促使網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的密度和強(qiáng)度增強(qiáng)［3］，加劇了鉆頭、鉆桿等井下器具的磨損情況。

高溫環(huán)境對(duì)于一部分有機(jī)處理劑來說，一方面會(huì)使其分子鏈發(fā)生斷裂，降低高分子處理劑的相對(duì)分子質(zhì)量，使其失去原有活性，降低親水性，減弱其抗污染的能力，另一方面會(huì)使不飽和鍵和活性基團(tuán)之間發(fā)生高溫交聯(lián)，使分子量增大，導(dǎo)致整個(gè)鉆井液體系失去流動(dòng)性［4］。

1.2 干熱巖抗高溫水基鉆井液的性能要求

1.2.1 抗高溫能力與基礎(chǔ)性能要求

要求在進(jìn)行配方設(shè)計(jì)時(shí)，必須優(yōu)選出各種能夠抗高溫的處理劑，例如褐煤產(chǎn)品（抗溫200 ℃左右）比木質(zhì)素類產(chǎn)品（抗溫150 ℃左右）、淀粉及其衍生物（抗溫130 ℃左右）、CMC（抗溫140～180 ℃）等產(chǎn)品有更好的抗溫性能。通常干熱巖井下溫度在200 ℃左右，不符合要求的處理劑在200 ℃高溫作用下，會(huì)出現(xiàn)動(dòng)切大幅降低，靜切甚至為0 的情況，導(dǎo)致鉆井液無法攜帶、懸浮巖屑，因此常見的淀粉類、纖維素類處理劑通常難以滿足井底高溫要求。

膨潤(rùn)土的選擇也十分重要。在熱穩(wěn)定性方面，海泡石、凹凸棒土、納土等粘土比高嶺石、伊利石有更好的表現(xiàn)，而且來自不同產(chǎn)地的同一土粉也會(huì)表現(xiàn)出不同的耐溫能力，因此在購買膨潤(rùn)土?xí)r應(yīng)充分了解其產(chǎn)地與生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，選擇與處理劑最適配的膨潤(rùn)土類型。如若膨潤(rùn)土與處理劑不適配或者耐溫能力不夠，高溫環(huán)境下鉆井液就會(huì)出現(xiàn)沉淀、絮凝、結(jié)塊等現(xiàn)象，導(dǎo)致鉆井液粘度不穩(wěn)定、濾失量增加。

干熱巖地層大部分是花崗巖，屬硬巖，要求鉆井液有一定的粘度和潤(rùn)滑性來懸浮巖屑和保護(hù)鉆頭。在注水井與出水井之間充滿了裂隙，因此要根據(jù)地層壓力設(shè)計(jì)合適的鉆井液密度來保持地層壓力平衡，同時(shí)要求泥餅質(zhì)量要均勻、光滑、緊致，避免出現(xiàn)裂隙持續(xù)發(fā)育導(dǎo)致井壁坍塌的事故。為了獲取更大的換熱面積，出水井設(shè)計(jì)為直井與定向井相結(jié)合，對(duì)鉆井液的護(hù)壁性與懸浮巖屑的能力又有了更高的要求。

1.2.2 環(huán)境要求

在美國，環(huán)境保護(hù)署（EPA）發(fā)布了有關(guān)鉆井泥漿材料及其廢料的嚴(yán)格規(guī)定。而國內(nèi)固相治理主要參考《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 15618—2008）、《農(nóng)用污泥污染物標(biāo)準(zhǔn)》（GB 4284—84）和當(dāng)?shù)丨h(huán)保部門的相關(guān)規(guī)定，浸出液主要參考《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 12356-2018）。由于沒有明確的統(tǒng)一指標(biāo)，執(zhí)行起來差異較大，對(duì)當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境影響各不相同［5］。目前常用的“三磺”、“聚磺”體系鉆井液，其抗高溫、輔助鉆進(jìn)的表現(xiàn)能力已被認(rèn)可，然而在工程結(jié)束之后，廢棄鉆井液的善后措施往往被疏忽，從而對(duì)環(huán)境造成相當(dāng)大的污染。三磺鉆井液化學(xué)成分復(fù)雜，堿性濃度大，固相含量高，含油量高，如若不采取妥善有效的處理措施，廢棄后的鉆井液進(jìn)入地表水系、河流，污染地下水源，將改變土壤通透性，使得有毒物質(zhì)在動(dòng)植物體內(nèi)積聚，最終影響人類生活。因此，要求鉆井液體系不僅要滿足高溫高壓的惡劣環(huán)境，也要采用環(huán)保性能好的鉆井液原材料，包括原料無毒、與其他處理劑適配不產(chǎn)生有毒物質(zhì)，廢棄后易降解易處理等。

2 國內(nèi)外耐高溫鉆井液研究進(jìn)展

GALINDO K A 等［6］研究了一種密度為 16.0～20.0 lb/ga（l1 lb/gal=119.826 kg/m3，下同）的新型含氟鉆井液。含氟材料是由高度飽和的氟原子碳骨架組成，在600 ℉（315 ℃）以上依然具有熱穩(wěn)定性，能在惡劣的化學(xué)和熱環(huán)境中發(fā)揮出相應(yīng)的作用，包括提高頁巖穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性、耐腐蝕性、潤(rùn)滑性、抗污染性和防止卡管等。由于含氟流體具有不混溶性，所以要求含氟添加劑提供含氟外部反相乳化液，因此他們用全氟聚醚基鉆井液、全氟乳化劑與氯化鈣鹽水和重晶石制備了F-IEF，并討論了F-IEF 的基本配方（見表1）、含氟油水比、乳化劑濃度、流體密度、內(nèi)相組成的影響，以及全氟化合物在制備功能性含氟乳化液（F-IEF）體系中的應(yīng)用。

表1 F-IEF 配方Table 1 F-IEF formula

南澳大利亞的庫珀-埃羅曼加盆地鉆了幾口井底溫度超過400 ℉（約200 ℃）的井，兩口前期鉆的井使用的是木質(zhì)素磺酸鹽鉆井液，兩口后期鉆井使用新引進(jìn)的高溫聚合物體系。Aung T. H.［7］對(duì)這些高溫井進(jìn)行了簡(jiǎn)要的對(duì)比。第一口井在5600 feet（約1707 m）處由凝膠泥漿轉(zhuǎn)換為木質(zhì)素磺酸鹽體系，當(dāng)井溫達(dá)到360 ℉（約180 ℃）時(shí)開始添加褐煤（褐煤與木質(zhì)素磺酸鹽的比例為1∶1）以控制高溫流體損失，加入5%的柴油提高高溫性能。當(dāng)鉆進(jìn)深度達(dá)到10400 feet（約3170 m）以后，開始產(chǎn)生嚴(yán)重的絮凝與脫水，添加其他化學(xué)處理劑效果也并不理想，最終該井被廢棄封井。第二口井使用了較為分散的木質(zhì)素磺酸鹽泥漿，同樣為了濾失與抗溫效果，在7800 feet（約2377 m）處加入改性褐煤，對(duì)參數(shù)配比進(jìn)行不斷調(diào)整，在11000 feet（約3353 m）到12200 feet（約3719 m）之間，泥漿密度達(dá)14.2 lbm/gal（1 lbm/gal =1.197 kg/m3，下同），粘度為50～60 s，濾失量4～6 mL。第三口井使用了高溫聚合物體系（改性褐煤樹脂、丙烯酸鈉聚合物、陰離子型丙烯酸酯-聚丙烯酰胺降失水劑），其組分如表2 所示。第四口井在第三口井的成分含量上進(jìn)行變動(dòng)。后兩口井采用丙烯酸鈉聚合物體系，井底溫度為400～420 ℉（204～215 ℃），對(duì)比顯示丙烯酸鈉型聚合物鉆井液體系比其他水基體系更具成本效益，與常規(guī)褐煤木質(zhì)素磺酸鹽泥漿相比，丙烯酸鈉聚合物體系降低了井下膠凝的幾率。

表2 高溫聚合物鉆井液組分Table 2 Components of high temperature polymer drilling fluid

國內(nèi)“勝科一井”井深7026 m，井底溫度235 ℃，采用了水基鉆井液鉆井。從4155 m 開始，井段內(nèi)分別采用聚磺酸鹽封堵防塌鉆井液（4155～4598 m）、高密度聚磺酸鹽鉆井液（4598～5800 m）和超高溫超高密度鉆井液（5800～7026 m）［8］。聚磺酸鹽封堵防塌鉆井液具有較強(qiáng)的抑制性、熱穩(wěn)定性、抗塌性和地層傷害控制能力，配方為：3% 膨潤(rùn)土+0.2%KPAM+0.1%PAC-141+1% 乳 化 劑 +2%SR-1+3%SD-102+4%KFT+3%DYWD+6%潤(rùn)滑劑+2%乙二醇。高密度聚磺酸鹽鉆井液加入了乙二醇防塌添加劑、硅氟穩(wěn)定劑增強(qiáng)緩蝕性，腐殖酸和磺酸鹽樹脂降濾失劑控制濾失量，抑制劑有效封堵頁巖微裂縫，減少鉆井液進(jìn)入頁巖。超高溫超高密度鉆井液是為“勝科一井”專門研制的一種適用于超高溫（260 ℃）條件下的水基鉆井液，其中主要的降濾失劑Driscal D 在260 ℃的高溫下依然能保持穩(wěn)定。

“松科二井”是松遼盆地大陸深部科學(xué)鉆探工程的主孔，目的是穿透白堊紀(jì)地層，恢復(fù)近完整的白堊紀(jì)陸相沉積記錄。井底溫度約180 ℃，為了滿足“松科二井”的高溫取心鉆井，Wenlong ZHENG 等按表3 配方進(jìn)行了嘗試［9］。通過室內(nèi)試驗(yàn)及在“松科二井”的應(yīng)用結(jié)果表明，該體系綜合性能優(yōu)良，有利于深部取心，其中HCOOK 作為抑制劑除了具有很強(qiáng)的緩蝕作用外，還具有一定的高溫防護(hù)作用，而膨潤(rùn)土含量對(duì)高溫鉆井液的制備至關(guān)重要，部分凹凸棒石與膨潤(rùn)土配合使用有助于粘度控制。最終回收巖心1683.17 m，平均巖心采取率達(dá)98.88%。

表3 “松科二井”鉆井液組分Table 3 SK-2 drilling fluid components

位于青海省共和恰卜恰鎮(zhèn)河谷內(nèi)的GR1 井，是青海干熱巖計(jì)劃的一口井，完鉆深度3705.42 m，井底溫度236 ℃。GR1 井高溫段主要為花崗巖，未涉及水敏性地層，因此鉆井液重點(diǎn)考慮高溫下的流變性與濾失控制，采取了耐高溫聚合物防塌鉆井液體系［10］（見表 4）。該鉆井液體系在 240 ℃老化 16 h 后，其性質(zhì)表現(xiàn)為表觀粘度19 mPa·s、塑性粘度15 mPa·s、API 濾 失 量 6.5 mL、HTHP（230 ℃ 、3.45 MPa）濾失量 40 mL/30 min。

3 抗高溫鉆井液環(huán)保性的研究進(jìn)展

Villafortuna/Trecate 是意大利的主要油田，位于波谷的提契諾河國家公園，井底溫度高于170 ℃。要開發(fā)這一區(qū)域，不僅要解決深井的極端鉆井條件，由于在國家公園內(nèi)，還需要進(jìn)行全面污染防治。對(duì)于任何要使用的鉆井液，其性能必須與嚴(yán)格的環(huán)境控制相協(xié)調(diào)。使用油基鉆井液雖然往往能達(dá)到鉆進(jìn)要求，但為了更好的鉆井性能和最低的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，最終選擇了水基鉆井液。Cesaroni R.等［11］考慮到在保證鉆井液性能最優(yōu)化的同時(shí)，充分保護(hù)環(huán)境的必要性，采用一種新的方法開發(fā)了鉆井液體系，并將其應(yīng)用于波谷Villafortuna/Trecate 油田。Cesaroni R.根據(jù)此次實(shí)驗(yàn)提出固相含量是控制流變性能的關(guān)鍵因素，應(yīng)維持在最低限度，因此還增加了振動(dòng)篩的目數(shù)，使用固體控制設(shè)備和有效的助凝劑可以獲得非常低的塑性粘度。

表4 耐高溫聚合物防塌鉆井液配方Table 4 Formula of high temperature resistant anti?collapse polymer drilling fluid

Kay A.Galindo 等［12］開發(fā)了一種具有良好的粘度、降濾失性能和懸浮能力的多功能高溫聚合物，并因此提出了一種無膨潤(rùn)土的高溫（＞200 ℃）水基鉆井液體系。膨潤(rùn)土由于其良好的增粘效果且十分廉價(jià)，成為水基鉆井液的長(zhǎng)期依賴對(duì)象，然而鹽分的增加會(huì)導(dǎo)致膨潤(rùn)土膨脹和絮凝無效，從而降低粘度，而且高溫環(huán)境下粘土易發(fā)生熱絮凝和凝膠化。Kay A.Galindo 在此基礎(chǔ)上提出了將生物聚合物添加劑的性能與合成聚合物的熱穩(wěn)定性相結(jié)合，通過加入熱穩(wěn)定單體（如AMPS 和AM），在不影響粘度的情況下提供有效的濾失控制，形成了一種新型的無膨潤(rùn)土的鉆井液添加劑。此高溫聚合物通過了陸地、墨西哥灣和北海對(duì)藻類、魚類和無脊椎動(dòng)物的生態(tài)毒性試驗(yàn)，結(jié)果表明適合陸上和海上鉆井。常用的無粘土高溫水基鉆井液配方見表5。

在海域鉆井工程中同樣存在高溫敏感的環(huán)境，根據(jù)環(huán)境保護(hù)法律法規(guī)要求，鉆井液生物毒性值LC50＞3000 mg/L、汞含量＜1 mg/L、鎘含量＜3 mg/L，因此油基鉆井液、聚磺酸鹽和其他有毒鉆井液已被嚴(yán)格限制使用。為了滿足高溫深井作業(yè)和環(huán)境保護(hù)的要求，劉曉棟等［13］研制了一種生物毒性值滿足第一類海域排放標(biāo)準(zhǔn)、且可以大大降低成本的耐溫200 ℃的新型無毒高溫聚合物鉆井液。該鉆井液體系組成為：2%～3% 高溫聚合物降濾失劑BDF-100S、0.25%～0.5%高溫增粘劑HVIS、高溫穩(wěn)定劑、一種特殊的納米堵漏劑、乙二醇頁巖抑制劑、潤(rùn)滑劑、重晶石或甲酸鹽加重材料等。經(jīng)測(cè)試渤海高溫深井井底204 ℃，井深6066 m，該鉆井液在高溫?zé)釢L爐200 ℃下熱滾72 h 性能依然穩(wěn)定，高溫高壓失水量15～25 mL，具有良好的環(huán)保性，可顯著降低廢棄鉆井液的處理成本。

表5 密度為14.0 lbm/gal 的無粘土高溫水基鉆井液配方Table 5 Formula of clay?free high temperature water?based drilling fluid at 14.0 lbm/gal density

以美國當(dāng)?shù)啬敛轂樵希珹bo Taleb Tuama Al-Hameedi 等【14】人制作了一種草粉降濾失劑，草料利用率高、生態(tài)友好、成本低、制備草粉的方法簡(jiǎn)單，可以替代傳統(tǒng)的降濾失材料。與淀粉類添加劑相比較，草粉的濾失量降低了44%。使用標(biāo)準(zhǔn)API 壓濾機(jī)在100 psi（1 psi=6.89 kPa，下同）下進(jìn)行測(cè)量，將同濃度的草粉和淀粉材料與參考流體（淡水膨潤(rùn)土泥漿）對(duì)比如表6 所示。

與參考流體相比，草粉和淀粉都呈現(xiàn)出薄且不滲透的濾餅，且草粉有更好的濾失效果。雖然草粉無毒、可降解、細(xì)纖維，但文中并未討論其耐溫性能，也未做相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究。

國內(nèi)張永青等［15］開發(fā)了一套 HL-FFQH 環(huán)保型鉆井液，有5 種無毒原料配制，基本配方如表7 所示。對(duì)該鉆井液的生物毒性、可降解性以及重金屬含量進(jìn)行了測(cè)定，均滿足水溶性油田化學(xué)劑環(huán)境保護(hù)技術(shù)要求和建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)中篩選值第二類用地標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試。經(jīng)過150 ℃熱滾16 h后測(cè)試濾失量控制在4.2 mL，有較好的濾失控制性能。通過實(shí)地應(yīng)用，認(rèn)為該鉆井液抑制防塌性優(yōu)于聚磺鉆井液，鉆井效率高，成本低，然而耐溫性能需要進(jìn)一步提高。

表6 草粉、淀粉材料與參考流體濾失量和泥餅厚度對(duì)比Table 6 Comparison of filtration loss and mud cake thickness between grass powder and starch materials,and reference fluid

表7 HL-FFQH 環(huán)保型鉆井液配方Table 7 HL-FFQH environment-friendly drilling fluid formula

4 干熱巖耐高溫鉆井液發(fā)展趨勢(shì)

經(jīng)過高溫作用后，鉆井液濾失量通常會(huì)增加。為了降低濾失量，就需要加入降濾失劑來保證鉆井液“夠粘”，但鉆井液越“粘”，切力就會(huì)越大，加劇鉆具磨損，因此加入降粘降失水劑可有效解決這一問題，庫珀-埃羅曼加盆地使用了褐煤樹脂，“松科二井”使用了磺化降濾失劑等，但這一類體系的鉆井液對(duì)環(huán)境有非常大的負(fù)面作用，不符合持續(xù)發(fā)展的要求。 Kay A. Galindo 等［12］學(xué)者意識(shí)到環(huán)保這一問題，開始嘗試無毒類處理劑，然而耐高溫環(huán)保體系鉆井液大多使用的生物聚合物添加劑以及有機(jī)聚合物，雖達(dá)到了環(huán)保要求，但無法在200 ℃高溫下保持穩(wěn)定。劉曉棟等［13］將甲酸鹽等材料運(yùn)用到鉆井液中，有著良好的抗溫性能和環(huán)保能力，但因其成本過高，對(duì)工程預(yù)算較少的項(xiàng)目易造成壓力，無法普及使用。除此之外，眾多高校院所也做出了巨大的貢獻(xiàn)［16］，例如中國石油大學(xué)（北京）發(fā)明了采用液氮作為鉆井液進(jìn)行干熱巖鉆井，由于液氮溫度極低，在鉆井液中加入液氮避免了鉆井液溫度過高導(dǎo)致性能失效的問題。但實(shí)際工程中運(yùn)用較少，缺乏可靠數(shù)據(jù)。

根據(jù)以上觀點(diǎn)，耐高溫鉆井液發(fā)展過程［17］可以簡(jiǎn)單概括為：

（1）由最初單純滿足井底高溫環(huán)境，忽視了環(huán)保問題。

（2）到環(huán)保問題逐漸被重視，但耐溫能力較差。

（3）之后為了同時(shí)滿足耐高溫和環(huán)保要求，使用昂貴的鉆井液材料導(dǎo)致成本也隨之增加。

（4）與此同時(shí)高校院所也一直在研發(fā)新型耐高溫環(huán)保材料，但由于其制作過程復(fù)雜，獲取途徑較難，缺乏實(shí)際運(yùn)用。

由此可見，耐溫能力、環(huán)保性能、成本控制是未來耐高溫鉆井液需要考慮的3 個(gè)主要因素，結(jié)合干熱巖特點(diǎn)，干熱巖耐高溫鉆井液的設(shè)計(jì)需要考慮以下幾個(gè)方面［18］：

（1）選擇熱穩(wěn)定性（至少200 ℃）較好的處理劑是最節(jié)省成本的方向。使用成熟的鉆井液處理劑，可使成本與風(fēng)險(xiǎn)降至最小?？紤]到環(huán)保型與耐溫性，利用現(xiàn)有材料如何設(shè)計(jì)出最優(yōu)性能的配方是一大難點(diǎn)，要想使鉆井液達(dá)到理想的性能，往往需要多種處理劑進(jìn)行復(fù)配，因此需要進(jìn)行大量的配方實(shí)驗(yàn)。

（2）合成新型處理劑。干熱巖井通常在3000 m以深，其井底越深，地層壓力越大，高密度的鉆井液才能與地層壓力平衡，維持孔壁安全，但粘度與切力也隨密度的增加而增大。目前降粘降失水劑主要包括 FCLS、SMT、SMK、SMC 等等一系列磺化材料，其成分均含有不同程度的有毒物質(zhì)，而其他相對(duì)環(huán)保的降粘降失水劑，例如水解聚丙烯腈銨鹽在200 ℃以上的高溫環(huán)境下又無法保持穩(wěn)定。如果可合成無毒類耐高溫降粘降失水劑，滿足高溫度、高密度、低切力的要求，既保證了較小的濾失量，也解決了鉆井液高密度動(dòng)切值太高磨損鉆具的情況，但創(chuàng)新難度較高。

（3）增加處理凈化裝置，減少污染。磺化體系的鉆井液目前仍被廣泛使用，在后期處理廢漿時(shí)增加凈化裝置，將廢漿凈化后再排出可有效減少污染。也可以增加冷卻循環(huán)裝置，使鉆井液始終保持較低的溫度，避免高溫失效的問題。由于機(jī)械裝置可重復(fù)使用，從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度來看，增加裝置成本在可接受范圍內(nèi)。

（4）圍巖穩(wěn)定性差、擁有發(fā)育的裂隙，直井與定向井的組合是干熱巖井的特點(diǎn)。因此除了以上提到的耐溫能力、環(huán)保性能，井壁的保護(hù)也至關(guān)重要。尤其是在高溫環(huán)境下，泥餅由于失水產(chǎn)生龜裂（見圖2）或泥餅太厚、松軟（見圖3），無法有效維護(hù)井壁穩(wěn)定，很可能發(fā)生井漏、掉塊卡鉆等井下事故。所以在高溫下保持井壁穩(wěn)定，也是難點(diǎn)之一。

圖2 泥餅裂紋多，易掉塊Fig.2 Mud cake:many cracks and prone to spall

圖3 泥餅松軟，不均勻Fig.3 Mud cake:soft and uneven

5 結(jié)語

耐高溫鉆井液是輔助開發(fā)干熱巖的關(guān)鍵技術(shù)，隨著社會(huì)的進(jìn)步，鉆井液體系整體趨勢(shì)都在朝著環(huán)境友好型方向發(fā)展，并不斷提高其抗溫性能。我國對(duì)于干熱巖鉆井液體系研究仍處于起步階段［19-20］，雖然各院所研發(fā)的成果種類豐富，但應(yīng)用范圍較小，應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)推廣工作，形成一套專用于干熱巖的鉆井液體系。