智能鉆井液技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展方向

蔣官澄，董騰飛，崔凱瀟，賀垠博，全曉虎，楊麗麗，付玥

（1.油氣資源與探測國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249；2.中國石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院，北京 102249）

0 引言

近年來國內(nèi)外發(fā)展了以高溫高密度油基、無土相油基、高性能水基、仿生高效能水基、雙疏型高效能水基鉆井液等為代表的高效鉆井液技術(shù)[1-3]，但隨著鉆探目標(biāo)從淺層向深層/特深層、從常規(guī)油氣資源向非常規(guī)油氣資源（如頁巖油氣、致密油氣、煤層氣、油頁巖和天然氣水合物等）和新能源（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越復(fù)雜，開鉆前難以、甚至不可能準(zhǔn)確預(yù)知地層溫壓系統(tǒng)、地層巖石組成與構(gòu)造、地層流體性質(zhì)與分布、儲(chǔ)集層潛在損害因素與損害臨界點(diǎn)、鉆井中可能遭遇的技術(shù)難題與復(fù)雜程度等等，給鉆井液類型和處理劑選擇、鉆井液配方與性能設(shè)計(jì)帶來了很大盲目性，使井壁失穩(wěn)、阻卡、井眼不清潔、井漏、儲(chǔ)集層損害、環(huán)境污染等問題頻繁發(fā)生，同時(shí)現(xiàn)有鉆井液理論與技術(shù)對此類問題適應(yīng)性差。據(jù)中國石油天然氣集團(tuán)有限公司（簡稱“中國石油”）統(tǒng)計(jì)，2017年中國石油所屬區(qū)塊鉆井液復(fù)雜情況或事故共造成時(shí)間損失達(dá)4 122.52 d，經(jīng)濟(jì)損失十分嚴(yán)重。在難以準(zhǔn)確預(yù)知地層不確定性的客觀事實(shí)下，解決上述鉆井液技術(shù)難題的關(guān)鍵是使鉆井液能夠自動(dòng)識別井下復(fù)雜環(huán)境、自動(dòng)調(diào)節(jié)性能、自動(dòng)緩減甚至避免井下復(fù)雜情況或事故的發(fā)生，不依賴于提前對井下復(fù)雜情況或事故準(zhǔn)確預(yù)判而設(shè)計(jì)出能避免或緩減這些復(fù)雜情況或事故的鉆井液。也就是說，設(shè)計(jì)并采用具有“自識別、自調(diào)節(jié)、自適應(yīng)”等智能特點(diǎn)的鉆井液技術(shù)有助于從根本上解決鉆井液技術(shù)難題，這類智能鉆井液不僅是未來長期研究與發(fā)展的方向，也是更高級別、更有前景的鉆井液類型。調(diào)研表明，具有上述智能響應(yīng)特征的鉆井液已經(jīng)出現(xiàn)，但總的來說，目前國際上對智能鉆井液的研究僅處于初步認(rèn)識與起步階段，相關(guān)研究尚淺，智能響應(yīng)機(jī)理未得到充分揭示，屬于初級階段的智能鉆井液技術(shù)。當(dāng)前急需深入研究智能處理劑響應(yīng)理論和智能鉆井液體系構(gòu)建方法等，推動(dòng)智能鉆井液理論與技術(shù)的發(fā)展。

本文首先對國內(nèi)外具有初級智能特征的鉆井液技術(shù)及其智能響應(yīng)機(jī)理進(jìn)行梳理、總結(jié)，深入分析初級智能鉆井液技術(shù)目前存在的問題與未來面臨的挑戰(zhàn)，在此基礎(chǔ)上指出了未來智能鉆井液技術(shù)的發(fā)展方向，以期對后續(xù)學(xué)者研發(fā)具有更高智能程度的鉆井液材料和體系以及創(chuàng)建完善的智能鉆井液理論與技術(shù)有所幫助。

1 初級智能鉆井液技術(shù)現(xiàn)狀

2016年伊朗學(xué)者Ghojogh[4]首次明確提出，將智能材料/流體應(yīng)用于鉆井可制備出新一代的“智能鉆井液”。智能鉆井液有助于在常規(guī)鉆井液難以勝任的高難度鉆井區(qū)域?qū)崿F(xiàn)成功鉆井，還可以最大限度地降低處理劑成本，并提高鉆井液的可持續(xù)使用性。將由一種或多種智能鉆井液添加劑組成、能夠自主識別井下環(huán)境變化、通過調(diào)節(jié)自身物理或化學(xué)性質(zhì)實(shí)現(xiàn)對井下環(huán)境自適應(yīng)的鉆井液，稱為“智能鉆井液”。梳理目前國內(nèi)外具有一定智能特點(diǎn)的幾種初級智能鉆井液技術(shù)，并重點(diǎn)分析其發(fā)展背景和智能響應(yīng)機(jī)制。

1.1 基于壓力敏感材料的可變密度鉆井液

鉆井期間鉆井液需要平衡地層壓力，當(dāng)前鉆井設(shè)計(jì)中主要根據(jù)三壓力剖面來設(shè)計(jì)合理鉆井液密度和相應(yīng)井身結(jié)構(gòu)，綜合建井成本通常居高不下?？勺兠芏茹@井液是一種密度可隨井深自動(dòng)變化的鉆井流體，主要包括基礎(chǔ)流體和智能可變密度添加劑[5]。這種智能可變密度添加劑的狀態(tài)可隨著井下壓力變化而改變（見圖 1），低壓下添加劑處于完全膨脹狀態(tài)時(shí)其體積與質(zhì)量之比最大，高壓下處于完全收縮狀態(tài)時(shí)體積與質(zhì)量之比最小，因此體系密度可以隨井下壓力增加而增大。與常規(guī)鉆井液技術(shù)相比，可變密度鉆井液可以預(yù)先設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)體系密度變化的幅度及方向，使體系可以根據(jù)井下壓力大小自動(dòng)調(diào)節(jié)密度，這可有效減少套管層次，延長井眼深度，大幅度降低建井成本[6-9]。Spiecker等[10]還設(shè)計(jì)了一種與可變密度鉆井液技術(shù)配套應(yīng)用的鉆井系統(tǒng)，可對循環(huán)使用過程中智能可變密度添加劑顆粒的磨損狀況進(jìn)行監(jiān)測，以便有效控制體系內(nèi)智能可變密度添加劑含量，獲得合適的井下密度分布，具有較好的應(yīng)用前景。

圖1 智能可變密度添加劑狀態(tài)隨井下壓力變化情況

1.2 基于鹽響應(yīng)聚合物的飽和鹽水鉆井液

在鹽膏層等高含鹽環(huán)境鉆進(jìn)時(shí)“聚電解質(zhì)效應(yīng)”[11]的發(fā)生極易造成常規(guī)聚合物處理劑失效而引發(fā)鉆井液體系失穩(wěn)，引入強(qiáng)親水性基團(tuán)（如磺酸基團(tuán)）等[12]可在一定程度上增加抗鹽聚合物水化能力，但如時(shí)間過長，體系抗鹽及抗高溫效果仍欠佳。帶有等量陰、陽離子電荷的特種兩性離子聚合物是一種鹽響應(yīng)型智能聚合物，其在高鹽溶液中會(huì)呈現(xiàn)出特殊的“反聚電解質(zhì)效應(yīng)”[13]，即在鹽離子刺激下聚合物分子鏈構(gòu)象會(huì)由蜷曲變?yōu)樯煺?，且含鹽量越高越有利于其發(fā)揮抗鹽作用。

蔣官澄等[14]基于上述研究結(jié)果，通過反相乳液聚合方法分別制備出了高相對分子質(zhì)量低離子度（HvL）與低相對分子質(zhì)量高離子度（LvH）的兩種鹽響應(yīng)型兩性離子智能聚合物。質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的HvL和LvH溶液的黏度均隨鹽含量的增加（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%，5.0%，15.0%及完全飽和）而升高。同時(shí)以HvL和LvH為核心，制備出了鹽響應(yīng)型飽和鹽水鉆井液，該體系在150 ℃高溫?zé)釢L前后的黏度穩(wěn)定性好，具有較高的動(dòng)塑比和較低的濾失量，同時(shí)可抗質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 30%的膨潤土污染和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.75%的CaCl2污染。該體系在中國石油集團(tuán)西部鉆探工程有限公司應(yīng)用效果良好，解決了常規(guī)聚合物鉆井液在高溫高密度條件下抗鹽性不足的問題，實(shí)現(xiàn)了鉆井液從被動(dòng)抗鹽向主動(dòng)抗鹽的轉(zhuǎn)變。

1.3 基于pH值響應(yīng)材料的可逆轉(zhuǎn)乳化鉆井液

可逆轉(zhuǎn)乳化鉆井液（油基或合成基鉆井液）具有濾餅薄、摩阻低、井壁穩(wěn)定性和保護(hù)油氣層效果好等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也存在井壁濾餅清除難、固井第二界面膠結(jié)強(qiáng)度低以及含油鉆屑和廢漿不易處理等技術(shù)難題。1998年，Patel首次研發(fā)出含酸基表面活性劑的可逆轉(zhuǎn)乳化鉆井液[15-16]，這種鉆井液在受到酸堿刺激時(shí)能夠很容易且可逆地在油包水乳狀液與水包油乳狀液之間穩(wěn)定轉(zhuǎn)換，其乳狀液轉(zhuǎn)化機(jī)理如圖 2所示。此技術(shù)在北海Central Graben等地區(qū)獲得成功應(yīng)用。

圖2 油包水乳狀液與水包油乳狀液之間相互轉(zhuǎn)化示意圖

有機(jī)胺類（如酰胺基胺等）[17-20]常作為可逆乳化劑使用，其親水極性基團(tuán)中的氮原子隨酸堿性改變而相應(yīng)質(zhì)子化（R—NH3+）或去質(zhì)子化（R—NH2），從而改變表面活性劑的HLB值（親水親油平衡值）并實(shí)現(xiàn)體系乳狀液類型的轉(zhuǎn)變[21]。近年來可逆轉(zhuǎn)Pickering乳狀液發(fā)展較快，該乳狀液主要由膠體尺寸的固體顆粒吸附于油水界面形成單層/多層膜達(dá)到穩(wěn)定，通過改變水相pH值或電解質(zhì)濃度改變固體顆粒的親水親油性，從而實(shí)現(xiàn)乳狀液轉(zhuǎn)相，此方法具有低成本、環(huán)境友好和穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)。用于可逆轉(zhuǎn)Pickering乳狀液的固體顆粒種類較多，如油酸覆蓋的Fe3O4納米顆粒、聚苯乙乳膠顆粒等[22-23]。國內(nèi)外學(xué)者還研發(fā)了基于溫度、鹽度與光控制等[24-26]的多種刺激響應(yīng)可逆轉(zhuǎn)乳狀液，進(jìn)一步拓寬了可逆轉(zhuǎn)乳狀液的響應(yīng)范圍。任妍君等[27]利用有機(jī)胺類表面活性劑制備了一種可逆轉(zhuǎn)乳化鉆井液，評價(jià)表明此體系在轉(zhuǎn)相前后性能良好，破乳電壓達(dá)500～900 V，抗溫達(dá)180 ℃。海上油氣鉆探過程中應(yīng)用此技術(shù)可簡化鉆屑處理程序、減少排放到海底的廢物量，有利于降低環(huán)保壓力，應(yīng)用前景廣闊[28-30]。

1.4 基于溫敏聚合物的恒流變鉆井液

隨著海洋石油勘探向深水和超深水進(jìn)軍，深水鉆井面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)也愈發(fā)嚴(yán)峻，特別是鉆井液低溫增稠導(dǎo)致井底鉆井液當(dāng)量循環(huán)密度（ECD）增加，極易引發(fā)井漏等井下復(fù)雜情況。弱化鉆井液黏度、切力對溫度的敏感性，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[31-32]。Van Oort等[33]首次制備了一種能夠呈現(xiàn)恒流變特性的合成基鉆井液體系，該體系在4.44～65.56 ℃內(nèi)的低剪切速率黏度、動(dòng)切力和凝膠強(qiáng)度數(shù)值基本恒定不變，有利于鉆井液當(dāng)量循環(huán)密度的穩(wěn)定。鉆井液恒流變特性可通過兩種方式實(shí)現(xiàn)，一是使少量有機(jī)土顆粒的低溫弱增黏作用和溫敏性聚合物分子鏈的高溫伸展增黏作用相互配合，降低體系黏度、切力對溫度的敏感性[34-35]；二是用有機(jī)土配合溫度活化型表面活性劑形成強(qiáng)度隨溫度改變而變化的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，降低體系黏度對溫度的敏感性。這兩種方式均會(huì)導(dǎo)致鉆井液的流變特性存在一個(gè)互補(bǔ)過渡段，即當(dāng)高溫時(shí)體系降低的黏度不能完全通過聚合物或表面活性劑增加的黏度來補(bǔ)償時(shí)，體系的流變特性會(huì)呈現(xiàn)“U”型曲線特征[36-38]。Shi等[39]的研究進(jìn)一步指出，有機(jī)土過量并不利于恒流變形成，少量優(yōu)質(zhì)有機(jī)土可避免土在純油相中分散成膠體顆粒而使連續(xù)相增黏，而是與分散液滴之間相互作用提供黏切，故油水比較高時(shí)體系黏切低、低溫流變性好。Young等[40]采用同時(shí)具有乳化和表面潤濕能力的新型乳化劑和酰胺類溫敏聚合物來克服Van Oort等所開發(fā)的第一代合成基鉆井液體系抗溫性差等缺點(diǎn)，改進(jìn)后的第二代體系配方更簡單，且凝膠強(qiáng)度較低，抗溫可達(dá)176.7 ℃，并在墨西哥灣等地區(qū)實(shí)現(xiàn)成功應(yīng)用[41]。

1.5 基于形狀記憶材料的智能堵漏體系

井漏在所有井下復(fù)雜情況或事故中的比例通常達(dá)60%，是增加鉆井非生產(chǎn)時(shí)間和建井成本的主要影響因素[42]。為預(yù)防或消除井漏，國內(nèi)外研發(fā)出多種堵漏材料[43]和堵漏理論[44-45]。但通常漏失地層孔喉尺寸及其分布的預(yù)測難度很大，堵漏成功率得不到保證。對此，國內(nèi)外學(xué)者基于形狀記憶材料學(xué)基礎(chǔ)理論[46]，研發(fā)出具有智能化特點(diǎn)的高效承壓堵漏材料，該堵漏材料具有密度低、力學(xué)性能優(yōu)異、自適應(yīng)架橋封堵、響應(yīng)溫度和響應(yīng)時(shí)間可調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)，展現(xiàn)出良好的防漏堵漏應(yīng)用前景。孟園園等[47-48]將硅酸鹽水泥和膨潤土混合物作為包裹外殼，纏繞為彈簧絲狀的形狀記憶合金與短切棉纖維混合物作為內(nèi)核，成功制備出一種直徑 4～20 mm的類球狀形狀記憶合金基智能堵漏材料。形狀記憶聚合物在石油工程領(lǐng)域已有較為廣泛的試用[49]，如油井固井用水泥智能膨脹劑[50]，水力壓裂用智能膨脹支撐劑和轉(zhuǎn)向劑等[51]，展現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景。Mansour等[52-53]首次將形狀記憶聚合物應(yīng)用為智能溫敏膨脹堵漏劑來封堵裂縫性地層，通過提高井眼周向應(yīng)力加固井眼，對縫寬為1.00～2.54 mm的楔形縫板能成功封堵且承壓達(dá)34 MPa。王照輝等[54]以形狀記憶環(huán)氧樹脂復(fù)合泡沫為基體，成功制備出具有不同響應(yīng)溫度（50～100 ℃）和膨脹率（5%～110%）的溫敏可膨脹型智能堵漏劑，對大孔隙砂盤和砂床均具有良好的封堵承壓效果。孫金聲等[55]提出了二階固化形狀記憶智能堵漏材料、智能自愈合凝膠堵漏材料、強(qiáng)膠結(jié)智能膜材料及智能仿生堵漏材料等多種新型智能型堵漏材料的概念及作用機(jī)制，有力推動(dòng)了智能堵漏技術(shù)的發(fā)展。

1.6 基于智能暫堵的保護(hù)油氣層鉆井液

油氣層損害會(huì)嚴(yán)重影響油氣藏的有效發(fā)現(xiàn)和油氣井初期產(chǎn)量，目前已經(jīng)建立了屏蔽暫堵[56-57]、精細(xì)暫堵[58-60]和物理化學(xué)膜暫堵[61-63]等儲(chǔ)集層保護(hù)技術(shù)，使油氣層保護(hù)效果逐步提高。屏蔽暫堵和精細(xì)暫堵技術(shù)的有效性均是以提前準(zhǔn)確獲知油氣層孔喉尺寸及其分布作為前提，但實(shí)際中這難以實(shí)現(xiàn)。物理化學(xué)膜暫堵技術(shù)在一定程度上弱化了尺寸匹配，但難以避免高瞬時(shí)濾失造成的損害，形成的膜強(qiáng)度一般低于屏蔽暫堵環(huán)，而且中高滲地層成膜難度較高。對此，蔣官澄等將仿生學(xué)原理引入保護(hù)油氣層領(lǐng)域，針對不同滲透率油氣層分別建立了協(xié)同增效型、生物膜型、超雙疏型3種仿生暫堵保護(hù)油氣層鉆井液技術(shù)[64-68]，只需了解儲(chǔ)集層滲透性等級而無需準(zhǔn)確預(yù)知孔喉尺寸，可實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)集層自適應(yīng)暫堵，呈現(xiàn)了一定初級智能的特點(diǎn)。

針對低滲透、特低滲透油氣層，蔣官澄等借鑒豬籠草口緣區(qū)表面超雙疏性研發(fā)了超雙疏劑[64-66]，可在油氣層巖石表面形成微納米乳突結(jié)構(gòu)并且能夠有效降低巖石表面張力，3%質(zhì)量分?jǐn)?shù)水溶液下巖心表面張力可降至0.80 mN/m，同時(shí)巖心表面疏水疏油，水相和油相接觸角分別從 2°，1°提高至 152°，165°，使儲(chǔ)集層毛細(xì)管力反轉(zhuǎn)成為阻力，從而阻止液相進(jìn)入儲(chǔ)集層內(nèi)部造成損害。針對中滲透油氣層，通過借鑒荷葉表面具有的疏水和自清潔性質(zhì)，研發(fā)了具有剛性和柔性結(jié)構(gòu)的貼膜型兩親聚合物超疏水劑[67]，其微納米級剛性結(jié)構(gòu)可以封堵油氣層孔喉，柔性結(jié)構(gòu)可以與孔喉發(fā)生成膜作用，增強(qiáng)封堵膜強(qiáng)度同時(shí)轉(zhuǎn)變巖石表面潤濕性。巖心表面在超疏水劑處理后可以形成一層微納米乳突結(jié)構(gòu)，表面張力由62 mN/m降低為17 mN/m，水相接觸角由18.11°提高到165.00°，并清潔井壁。對于高滲透、特高滲透油氣層，通過借鑒貝殼“磚泥”交替的多層復(fù)合結(jié)構(gòu)，研發(fā)了仿生高強(qiáng)度超韌性層狀復(fù)合材料[68]，通過多尺度、多級次“磚-泥”組裝結(jié)構(gòu)方式，形成牢固、致密的屏蔽暫堵帶，實(shí)現(xiàn)高滲透油氣層“超低”損害的目標(biāo)。

1.7 基于磁響應(yīng)粒子的流變性原位調(diào)控鉆井液

流變性原位調(diào)控鉆井液是一種基于智能流體的鉆井液技術(shù)。在鉆井液中加入智能磁性 Fe3O4納米添加劑，可以開發(fā)存在外部磁場時(shí)具有“及時(shí)、可控”流變特性的智能原位流變可控鉆井液。Vryzas等[69]利用亞鐵鹽、鐵鹽與氫氧化鈉通過沉淀法制備了智能磁性Fe3O4添加劑，配制了兩種質(zhì)量分?jǐn)?shù)（0.5%和 1.0%）的定制磁性Fe3O4納米顆粒膨潤土懸浮液（膨潤土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 7%），研究了其在室溫條件與一定強(qiáng)度的外界磁場作用下的原位流變可控性。磁流變測量表明，施加0.1 T的磁場后，原位流變可控鉆井液的屈服應(yīng)力增加75%以上。施加0.7 T磁場后，智能磁性Fe3O4添加劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%的原位流變可控鉆井液的屈服應(yīng)力最大變化為609.0%。不同剪切速率下原位流變可控鉆井液的黏度隨磁場強(qiáng)度單調(diào)增加，而撤去外加磁場后，流變曲線可以恢復(fù)到施加磁場前的狀態(tài)，平均偏差約為 20%。這表明利用磁性納米粒子可以可逆地控制鉆井液的流變性，有望制備出具有可逆流變特性的智能鉆井液。

2 智能鉆井液技術(shù)存在的問題和挑戰(zhàn)

當(dāng)前智能鉆井液技術(shù)僅處于起步階段，仍面臨許多問題與挑戰(zhàn)。在預(yù)知鉆井液安全密度窗口的情況下，可變密度鉆井液技術(shù)通過調(diào)節(jié)智能可變密度添加劑的體積與質(zhì)量之比實(shí)現(xiàn)鉆井液密度的適度變化，使鉆井液密度始終處于安全鉆井液密度窗口之內(nèi)。但目前井下 3種地層壓力的預(yù)測存在較大誤差，同時(shí)當(dāng)?shù)貙訅毫ψ兓^大時(shí)，可變密度鉆井液技術(shù)尚無法做到完全自適應(yīng)，即對地層壓力的自適應(yīng)程度或智能化程度較低，需要進(jìn)一步改進(jìn)以提高其智能適應(yīng)性。

基于鹽響應(yīng)型兩性離子聚合物的智能抗鹽添加劑可以識別鉆井液內(nèi)部含鹽量的變化，通過調(diào)節(jié)自身分子鏈構(gòu)象實(shí)現(xiàn)體系黏度和切力的正向適度變化，從而適應(yīng)井下高鹽環(huán)境。但目前該技術(shù)對高價(jià)陽離子（如鈣離子）的響應(yīng)能力欠缺。

可逆乳化鉆井液技術(shù)將油基鉆井液和水基鉆井液的優(yōu)勢融合，在完井及后續(xù)階段很容易轉(zhuǎn)換成水包油鉆井液，可改善濾餅和巖屑清洗的質(zhì)量和效率、提高水泥膠結(jié)強(qiáng)度等，有利于簡化海上廢棄物處理程序和降低環(huán)保壓力。但目前可逆乳化鉆井液對pH值變化的響應(yīng)速率較為緩慢，乳狀液類型轉(zhuǎn)變前后體系的流變性、濾失性等穩(wěn)定性較差，乳狀液轉(zhuǎn)變的影響機(jī)理和因素有待深入研究。

恒流變鉆井液技術(shù)使鉆井液能夠自動(dòng)識別井下溫度環(huán)境，通過聚合物分子鏈與有機(jī)土在溫度刺激下的補(bǔ)償作用實(shí)現(xiàn)體系黏度、切力的恒定，從而適應(yīng)井下高低溫循環(huán)環(huán)境。但當(dāng)前恒流變鉆井液技術(shù)的恒流變實(shí)現(xiàn)機(jī)理還沒有統(tǒng)一的理論解釋，需要進(jìn)一步研究，降低恒流變特性的實(shí)現(xiàn)難度。另外，目前大多數(shù)鉆井液恒流變研究的溫度下限均約為4 ℃，無法或難以實(shí)現(xiàn)特低溫下的恒流變特性，而在中國新疆、東北等寒冷地區(qū)或者南極等極寒地帶鉆井時(shí)，地面溫度可達(dá)-40 ℃，甚至更低，井口循環(huán)出的鉆井液溫度會(huì)馬上降低到-10 ℃左右，因此需要進(jìn)一步發(fā)展適應(yīng)更低溫度的恒流變鉆井液技術(shù)，滿足極寒地區(qū)的鉆井需要。

基于形狀記憶材料的智能堵漏體系使堵漏流體可以識別漏層溫度，通過智能形狀記憶添加劑的形狀回復(fù)實(shí)現(xiàn)形狀變化，從而增強(qiáng)了堵漏流體對漏失通道的封堵能力。但當(dāng)前智能堵漏體系對漏失通道的形態(tài)識別和適應(yīng)能力較差，只能按照既定形狀回復(fù)方式進(jìn)行形變，應(yīng)對能夠自動(dòng)識別漏失通道形態(tài)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)智能封堵的堵漏流體開展研究，進(jìn)一步提高一次堵漏效率。

“仿生暫堵”保護(hù)油氣層鉆井液技術(shù)對油氣層孔喉尺寸的依賴性有所弱化，這種“弱”依賴性在設(shè)計(jì)和施工中能夠得以實(shí)現(xiàn)，使對油氣層的保護(hù)具有初級智能特點(diǎn)，但智能化程度還有待進(jìn)一步提高。將來應(yīng)發(fā)展勿需考慮油氣層滲透率等級（低、中、高）的智能保護(hù)油氣層技術(shù)。

流變性原位調(diào)控鉆井液技術(shù)使鉆井流體可以識別磁場強(qiáng)度變化，通過調(diào)節(jié)磁性顆粒之間的連接方式實(shí)現(xiàn)流變性調(diào)控。還需要進(jìn)一步探究以便獲得具有綜合優(yōu)良性能（如濾失性、抑制性、潤滑性等）的原位調(diào)控智能鉆井液體系配方。同時(shí)流變性原位調(diào)控鉆井液技術(shù)需要在井下特定位置施加磁場，因此需要研發(fā)能夠?yàn)榱黧w施加磁場的專用井下工具，以便對這種智能鉆井液體系的現(xiàn)場應(yīng)用效果進(jìn)行驗(yàn)證并改進(jìn)。

3 智能鉆井液技術(shù)未來發(fā)展方向與途徑

面向未來的智能鉆井液技術(shù)不僅應(yīng)將智能材料學(xué)、納米科學(xué)、仿生材料學(xué)等材料科學(xué)前沿理論與技術(shù)引入現(xiàn)有鉆井液智能添加劑研發(fā)與最優(yōu)體系建立中，結(jié)合鉆井液技術(shù)需求，研發(fā)具有更高智能特點(diǎn)的系列智能鉆井液添加劑并形成智能鉆井液技術(shù)，同時(shí)還需要發(fā)展數(shù)據(jù)智能傳輸、處理和應(yīng)用技術(shù)，將人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等計(jì)算機(jī)或通信前沿科學(xué)理論與技術(shù)引入鉆井液數(shù)據(jù)管理與分析處理中，進(jìn)行多學(xué)科交叉、融合研究，創(chuàng)建原創(chuàng)性的、更加成熟的、智能化程度更高的“智能鉆井液理論與技術(shù)”，促進(jìn)鉆井液技術(shù)智能化革命。

3.1 響應(yīng)多變地層壓力的可變密度智能鉆井液

由于地層壓力預(yù)測不可避免存在誤差，特別是當(dāng)鉆遇高低壓同層或多套壓力層系共存等非正常壓力系統(tǒng)井段時(shí)，平衡地層壓力難度巨大。因此還需研發(fā)響應(yīng)多變地層壓力的可變密度鉆井液，使智能可變密度添加劑具有識別井下實(shí)際地層壓力并相應(yīng)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的能力，使鉆井液密度實(shí)時(shí)適應(yīng)井下實(shí)際安全密度窗口，降低預(yù)測誤差帶來的井壁失穩(wěn)、井漏風(fēng)險(xiǎn)，提高鉆井安全性。

3.2 響應(yīng)多變地層巖性和多變地層流體性質(zhì)的智能鉆井液

鉆井過程中來自地層巖石或地層流體的礦物質(zhì)進(jìn)入鉆井液體系中后會(huì)引起鉆井液原有化學(xué)穩(wěn)定狀態(tài)的失衡，導(dǎo)致鉆井液的流變性、濾失性、潤滑性等關(guān)鍵性能大幅度惡化。鉆井液易受到的地層污染來源主要包括可膨脹黏土礦物、石膏、地層流體（如鹽水等）、H2S等，需要進(jìn)一步研發(fā)適應(yīng)這些污染因素的智能響應(yīng)添加劑和智能鉆井液技術(shù)。除需要提高鹽響應(yīng)型聚合物對高價(jià)陽離子（如鈣離子）的響應(yīng)能力外，還可以從添加對膨脹性黏土礦物具有選擇性吸附能力的智能聚合物和能夠與 H2S反應(yīng)從而自動(dòng)維持鉆井液堿性的化學(xué)材料角度入手，進(jìn)一步提高鉆井液對外部污染的識別和抵抗能力，通過調(diào)節(jié)其自身性能適應(yīng)井下地層巖性、地層流體多變的環(huán)境。

3.3 響應(yīng)高溫地層與復(fù)雜地面環(huán)保需要的智能鉆井液

井底高溫對鉆井液抗溫性提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。將鉆井液聚合物處理劑進(jìn)行磺化處理或使用油基鉆井液可以顯著提高鉆井液的抗溫能力，但與此同時(shí)，這些鉆井液會(huì)給環(huán)境帶來嚴(yán)重污染，且后期處理難度大、成本高。可逆乳化鉆井液技術(shù)在減少含油鉆屑量等方面對地面環(huán)境更友好，可進(jìn)一步研發(fā)適合高溫高密度鉆井液體系的抗高溫可逆乳化劑。對于恒流變鉆井液技術(shù)，除前面所述需要進(jìn)一步研發(fā)滿足極寒地區(qū)的低溫流型調(diào)節(jié)劑外，為了滿足陸上深井鉆探需要，還需要考慮研發(fā)基于溫敏高分子材料的抗高溫智能添加劑，如利用具有高溫?zé)嵩鲳ぷ饔玫臏孛魡误w（如N-異丙基丙烯酰胺（NIPAM）、N-乙烯基己內(nèi)酰胺（NVCL）等）研發(fā)智能抗高溫增黏劑或流型調(diào)節(jié)劑并形成抗高溫環(huán)保型智能鉆井液體系，一方面提高鉆井液在井底高溫環(huán)境下黏度、切力的穩(wěn)定能力，實(shí)現(xiàn)大溫差下鉆井液流變恒定，另一方面降低添加劑對環(huán)境的污染，真正實(shí)現(xiàn)抗高溫與環(huán)保的相互統(tǒng)一。

3.4 響應(yīng)多變儲(chǔ)集層特征的智能保護(hù)油氣層鉆井液

暫堵型智能保護(hù)油氣層鉆井液技術(shù)需要提前了解油氣層的孔喉尺寸分布或者滲透率級別。但由于儲(chǔ)集層的非均質(zhì)性和復(fù)雜性，同一井段不同層位的儲(chǔ)集層特征可能相差很大。研發(fā)響應(yīng)多變儲(chǔ)集層特征的智能保護(hù)油氣層鉆井液技術(shù)，使鉆井液能夠識別儲(chǔ)集層，不依賴預(yù)知儲(chǔ)集層特征而滿足對不同類型儲(chǔ)集層的保護(hù)，同時(shí)封堵層可以降解，這對及時(shí)發(fā)現(xiàn)油氣資源、避免油氣層傷害具有重要意義。形狀記憶可降解聚合物（如可降解聚乳酸基）同時(shí)具有形狀記憶和可降解特性，可以被用來設(shè)計(jì)智能油氣層保護(hù)暫堵材料。其進(jìn)入漏層后，在地層溫度激發(fā)下實(shí)現(xiàn)形狀回復(fù)，從而實(shí)現(xiàn)不同尺寸漏層通道封堵，此后可以通過熱降解或酶降解實(shí)現(xiàn)解堵，有利于后續(xù)油氣生產(chǎn)。

3.5 基于大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和人工智能技術(shù)的智能鉆井液設(shè)計(jì)與管理專家系統(tǒng)

當(dāng)前已建立了能夠綜合鉆井液類型選擇、配方設(shè)計(jì)、性能優(yōu)化、處理劑介紹與使用、重點(diǎn)維護(hù)措施與井下復(fù)雜情況等信息的統(tǒng)一專家管理與決策系統(tǒng)，但尚未實(shí)現(xiàn)對以往海量結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化歷史數(shù)據(jù)（如應(yīng)用井基礎(chǔ)信息、鉆井液配方與性能、鉆井參數(shù)、井下復(fù)雜情況等）的有效處理與挖掘。可通過機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能等方法進(jìn)行知識挖掘，為鉆井液設(shè)計(jì)與優(yōu)化、現(xiàn)場事故的預(yù)防和處理提供依據(jù)與決策參考；基于大數(shù)據(jù)、云計(jì)算技術(shù)建立鉆井液管理數(shù)據(jù)庫，對海量鉆井液歷史數(shù)據(jù)信息中隱藏的、潛在的、規(guī)律性的、有價(jià)值的信息進(jìn)行知識挖掘；采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)等機(jī)器學(xué)習(xí)法，通過算法解析現(xiàn)有數(shù)據(jù)，經(jīng)過訓(xùn)練建立起鉆井液性能、鉆井參數(shù)（如機(jī)械鉆速、摩阻扭矩、鉆井周期等）與井下復(fù)雜情況（如井塌、卡鉆等）的關(guān)聯(lián)模型，從而為鉆井液設(shè)計(jì)、鉆井方案、事故預(yù)防和處理提供專家決策。智能鉆井液設(shè)計(jì)與管理專家系統(tǒng)對鉆井液可實(shí)行數(shù)字化管理，這對油氣企業(yè)推向數(shù)字化和信息化建設(shè)具有重大意義。

3.6 基于 4G/5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)監(jiān)測、傳輸?shù)你@井液性能智能檢測與維護(hù)處理技術(shù)

計(jì)算機(jī)硬件成本不斷降低、軟件技術(shù)日漸成熟，4G/5G網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展為油氣企業(yè)推進(jìn)數(shù)字化和信息化建設(shè)提供了前所未有的充分條件。隨著“鉆井?dāng)?shù)據(jù)化”的發(fā)展，施工過程中的第一手資料的收集、分析和應(yīng)用對后續(xù)施工井的設(shè)計(jì)和實(shí)鉆提供了寶貴的借鑒和指導(dǎo)，對提高鉆井速度、預(yù)防和減少復(fù)雜事故、降低鉆井成本具有重要意義。當(dāng)前鉆井液性能智能監(jiān)測技術(shù)主要實(shí)現(xiàn)了對鉆井液關(guān)鍵性能參數(shù)（如密度、流變性、濾失性等）的實(shí)時(shí)監(jiān)測或預(yù)測，但還需開發(fā)鉆井液其他性能參數(shù)（如pH值、電導(dǎo)率、潤滑系數(shù)、含砂量等）的自動(dòng)監(jiān)測技術(shù)，以獲得鉆井液的綜合性能參數(shù)。同時(shí)，還需進(jìn)一步開發(fā)鉆井液性能遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測技術(shù)，利用4G/5G通信網(wǎng)絡(luò)及時(shí)將現(xiàn)場采集的多種格式的鉆井液數(shù)據(jù)及鉆井?dāng)?shù)據(jù)（如文字、圖像、視頻等）實(shí)時(shí)傳送到數(shù)據(jù)庫，以便實(shí)時(shí)整理和分析。另外，開發(fā)鉆井液專家智能系統(tǒng)的 Android或 iOS等移動(dòng)端應(yīng)用，只要擁有一部移動(dòng)手機(jī)或平板電腦，就等于擁有了一個(gè)強(qiáng)大的團(tuán)隊(duì)，小到鉆井液計(jì)算工具，大到事故記錄與處理模塊，都可以集成在一部小小的移動(dòng)終端里，從而提高技術(shù)人員的工作效率，節(jié)約成本。

4 結(jié)語

智能鉆井液技術(shù)是避免鉆井液設(shè)計(jì)盲目性、減小井下復(fù)雜情況或事故、實(shí)現(xiàn)安全高效鉆井、降本增效的有效手段，也是實(shí)現(xiàn)智慧化油田建設(shè)的需要，是未來鉆井液技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。

目前國內(nèi)外已發(fā)展了幾種初級智能鉆井液技術(shù)，鉆井液可初步識別井下壓力、溫度、磁場等流體外部環(huán)境的變化與pH值、含鹽量等流體內(nèi)部環(huán)境的變化，并通過智能添加劑調(diào)節(jié)鉆井液的密度、流變性、乳化類型等物理、化學(xué)性質(zhì)，初步解決了油田現(xiàn)場中存在的鉆井液易漏失、受地層流體污染、造成儲(chǔ)集層損害等問題，顯現(xiàn)出初級智能特點(diǎn)，但這種智能化程度非常低，基本上處于起步階段，仍需進(jìn)一步發(fā)展具有更高級智能特點(diǎn)的智能鉆井液技術(shù)。

瞄準(zhǔn)國際科技前沿和國際石油工業(yè)發(fā)展趨勢，智能鉆井液技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展不僅需要利用智能材料學(xué)、納米科學(xué)、仿生學(xué)等理論研發(fā)新型智能鉆井液添加劑和智能鉆井液體系，使鉆井流體實(shí)現(xiàn)對多變壓力與溫度、多變地層巖性與流體性質(zhì)、多變儲(chǔ)集層特征等井下環(huán)境的部分或綜合響應(yīng)，還需要利用近年來興起的人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、4G/5G通信等技術(shù)發(fā)展鉆井液智能監(jiān)測技術(shù)和更高級的專家系統(tǒng)，形成更加成熟的、智能化程度更高的智能鉆井液理論與技術(shù)，促進(jìn)鉆井液技術(shù)真正跨入智能化時(shí)代。