易爭(zhēng)利 陳瀝 尹俊祿 高宇 呂曉偉 劉波

摘 要：本文通過回顧高密度鉆井液的研究現(xiàn)狀、技術(shù)難點(diǎn)以及發(fā)展趨勢(shì)，指出高密度鉆井液研究和技術(shù)工作的重點(diǎn)在于采用國(guó)外成熟的油基、合成基鉆井液技術(shù)方面的經(jīng)驗(yàn)，發(fā)展和完善自身的鉆井液體系，以有效解決鉆井液研究和實(shí)踐方面存在的流失性、沉降穩(wěn)定性等方面的矛盾。

中圖分類號(hào)：TE2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2012）04（a）-0000-00

1 高密度鉆井液的定義及研究現(xiàn)狀

較早時(shí)期的鉆井作業(yè)的理論與實(shí)踐中，對(duì)于高密度鉆井液的認(rèn)定范圍要比現(xiàn)在寬松的多，一般ρ≥1.50g/cm3的，即可以被認(rèn)為是高密度。然而隨著鉆井工作的不斷深入發(fā)展以及鉆井工藝水平的不斷提高，越來越多的實(shí)際情況表明，原有的判定標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)不符合實(shí)際工藝中的需要，提高對(duì)于高密度鉆井液的判斷標(biāo)準(zhǔn)勢(shì)在必行，可以說即使是現(xiàn)時(shí)重新認(rèn)定的高密度鉆井液的密度范圍在隨著時(shí)間的推移和工藝的進(jìn)步的發(fā)展中依然逐漸成為常規(guī)鉆井液的密度范圍。從筆者的理論研究和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來看，即使是每立方厘米提升0.2g依然不能滿足現(xiàn)實(shí)工作中對(duì)于高密度鉆井液的要求，也不再是鉆井工藝所關(guān)注的熱點(diǎn)問題。從國(guó)內(nèi)外最新的研究成果和最近的鉆井現(xiàn)場(chǎng)工藝技術(shù)實(shí)踐來看，對(duì)于鉆井液的維護(hù)工作和使用過程而言，重點(diǎn)應(yīng)該集中在1.90gcm3≤ρ≤2.40g/cm3這個(gè)密度范圍之內(nèi)。因此筆者采用較寬松的標(biāo)準(zhǔn)將高密度鉆井液定義為1.80g/cm3≤ρ≤2.50g/cm3的密度范圍內(nèi)。

國(guó)外高密度鉆井液的理論研究所面臨的問題，大致包括抗溫性、流變性、抑制性等方面。實(shí)際上流變性差、濾失量大、泥餅厚、固相含量高一直是鉆井液理論研究和工藝應(yīng)用的世界性難題，只有開發(fā)新型的性能優(yōu)秀的鉆井液技術(shù)才可以順利解決上述難題從而更好地勘探和開發(fā)復(fù)雜地理地質(zhì)及油氣層。 從國(guó)外的經(jīng)驗(yàn)來看，其所采用的鉆井液密度均高于每立方厘米2g的密度，加上其他方面的配套的工藝技術(shù)等因素的影響，其發(fā)展方向已經(jīng)拓展到了無(wú)固相。在實(shí)際工藝中多使用油基或聚合物之類的高密度鉆井液，部分使用甲酸鹽可以將密度控制在每立方厘米2.3g，出于保護(hù)油氣層的需要，這類鉆井液加重材料的使用是非常合適的，然而其缺點(diǎn)在于成本難以降低。

從國(guó)內(nèi)的理論研究方面來看，由于大規(guī)模的地質(zhì)地理的勘探和開發(fā)的不斷升級(jí)，我們對(duì)于高溫高密度鉆井液方面也有了自身的一定的理論成果。比如在降低不利于提高鉆井液密度的方面，我們可以考慮減少其中的膨潤(rùn)土以及其他低密度固相的含量從而實(shí)現(xiàn)鉆井液密度的提高，或者通過使用甲酸鹽之類來提高液相的密度從而有效地提高高密度鉆井液的流變性，甚至還可以徹底放棄使用固體加重材料從而有效降低鉆井液粘度和提高其流變性。再者，還可以使用活化加重材料，使得高密度水基鉆井液由此而產(chǎn)生粘度等效應(yīng)上的減弱，為有效增強(qiáng)其流變性而釋放自由水。理論指導(dǎo)了實(shí)踐的應(yīng)用，我們因此開發(fā)出了多種新型的加重材料，比如聚磺體系和磺化體系的活化加重材料由于使用時(shí)間長(zhǎng)加上經(jīng)驗(yàn)多、效果好從而很大的推動(dòng)了國(guó)內(nèi)關(guān)于高溫高密度鉆井液的應(yīng)用研究。高密度鉆井液在目前我國(guó)的鉆井現(xiàn)場(chǎng)情況來看，其應(yīng)用范圍還有很大的拓展空間。從為數(shù)不多的使用高密度鉆井液的情形而言，其密度范圍多集中在每立方厘米2g至2.4g之間，高于此密度范圍的實(shí)際例子相對(duì)比較少。而另一方面更關(guān)鍵的問題是，對(duì)于加重劑的研究和使用方面，我們的經(jīng)驗(yàn)非常缺乏。一般而言，具有較好使用效果的加重劑主要有方鉛礦、鐵礦粉以及重晶石粉。在我們實(shí)際的優(yōu)選加重劑材料的過程當(dāng)中，首先采用的是調(diào)研重晶石粉，在采用活化重晶石粉的情形下，加重極限可以高于通常認(rèn)為的每立方厘米2.64g。鐵礦粉則由于其固有的某些缺陷——比如容易沉降、造成卡鉆、鉆具所受磨損較明顯以及難以調(diào)整的流變性而不被廣泛采用。加重效果最好的應(yīng)當(dāng)是方鉛礦，可以將鉆井液密度提升至每立方厘米3.8g以上，然后對(duì)于此類加重材料我們并沒有正式投入到石油鉆井行業(yè)，這不能不說是一個(gè)遺憾。

從國(guó)內(nèi)外高密度鉆井液的研究現(xiàn)狀來看，其中所普遍存在的問題嚴(yán)重地影響了高溫高密度鉆井液的技術(shù)發(fā)展和實(shí)際使用效果。因此，對(duì)高溫高密度鉆井液做進(jìn)一步研究與探討是很有必要的。

2 高密度鉆井液的技術(shù)難點(diǎn)

高溫高密度鉆井液目前的理論研究和現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)中所存在的技術(shù)難點(diǎn)主要由三個(gè)方面，其一是鉆井液自身性質(zhì)方面的問題，其二是對(duì)于密度提高之后的控制問題，其三是某些情況下的維護(hù)處理技術(shù)問題。

第一個(gè)方面的問題是在鉆井液自身性質(zhì)方面，流變性與沉降性始終是困擾高密度鉆井液研究和實(shí)踐的首要難題，通常情況下，流變性的解決意味著沉降性不穩(wěn)定的增加，這是由于高密度鉆井液當(dāng)中普遍存在的固相過高的原因所致，解決這一難題就意味著高溫高密度鉆井液的研究和實(shí)踐方面的重大突破和關(guān)鍵性技術(shù)提升。另一個(gè)問題是由于鉆井液中不同材料的使用對(duì)于自身體系的抑制和污染問題也是非常關(guān)鍵的。例如高密度鉆井液的適用范圍是較深的地層，其環(huán)境溫度較高，再加上固相含量高的因素的影響，膨潤(rùn)土和潤(rùn)滑劑的使用都存在著流變性和沉降性的矛盾，對(duì)于前者由于最佳限量的把握難以掌控，從而導(dǎo)致稠度過高過低都會(huì)影響鉆井液的正常使用，而后者的存在對(duì)于流變性的影響不可忽視。再加上加重材料由于種類、密度和粒度方面尚未存在有效的控制手段，從而導(dǎo)致鉆井液受到有害固相污染的情況比較嚴(yán)重，而我們現(xiàn)實(shí)所采用的手段基本上是通過加入多種無(wú)機(jī)鹽來使之適應(yīng)較為復(fù)雜的地層鉆探。在現(xiàn)場(chǎng)使用高溫高密度鉆井液的情形中，由于地質(zhì)條件的復(fù)雜和地層環(huán)境溫度壓力的非線性變化，比如同一井段會(huì)存在不同的溫度和壓力體系，而鉆井液的安全密度范圍在此時(shí)會(huì)變得相當(dāng)狹窄，這就要求對(duì)于膨潤(rùn)土的含量要進(jìn)行嚴(yán)格控制，對(duì)于最佳限量要有精確地把握。否則就會(huì)導(dǎo)致上述的流變性與沉降性之間的矛盾的產(chǎn)生，無(wú)論稠度的增高或者降低在高溫高密度鉆井液的使用中都會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重事故，比如卡鉆，更甚的會(huì)導(dǎo)致井眼的報(bào)廢。在某些極端情況下，使用超高密度鉆井液（超過本文所規(guī)定的上限每立方厘米2.5g）時(shí)，過高的固相含量，由于其顆粒的不斷分散，流變性無(wú)法有效控制從而導(dǎo)致穩(wěn)定性變差，其處理過程又由于加入了稀釋劑和膠液，很容易導(dǎo)致處理不當(dāng)而引起增稠或者減稠的現(xiàn)象，其最終又會(huì)導(dǎo)致流變性和沉降性的矛盾問題的出現(xiàn)，使得鉆井工作難以繼續(xù)開展。第三個(gè)方面是維護(hù)技術(shù)的難度問題，合適的密度，良好的流變性，良好的高溫穩(wěn)定性，良好的失水造壁性，良好的抗污染性能，良好的潤(rùn)滑性，較強(qiáng)的抑制性以及能很好地保護(hù)油氣層等是對(duì)高密度鉆井液的技術(shù)要求，因此我們必須合理使用加重材料以及調(diào)整膨潤(rùn)土的含量，在提高流變性，保持沉降穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，滿足深井施工的技術(shù)要求。

3 高密度鉆井液的未來發(fā)展趨勢(shì)

從國(guó)內(nèi)外的最新研究成果來看，水基鉆井液的使用是鉆井行業(yè)工藝技術(shù)進(jìn)步的必然趨勢(shì)。對(duì)此國(guó)內(nèi)的研究與國(guó)外相比，有成果也有不足。國(guó)外對(duì)此類鉆井液的研究應(yīng)用已經(jīng)日趨成熟，需要著重深入的是針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)需要在細(xì)節(jié)上不斷優(yōu)化，提高性能，針對(duì)特殊情況的地層具體提出詳細(xì)的處理意見和解決方案；而對(duì)于國(guó)內(nèi)現(xiàn)實(shí)情況而言，雖然我們?cè)谒@井液的研究上也取得了較多的成果，有了相當(dāng)?shù)倪M(jìn)展，但是由于處理劑的使用上的經(jīng)驗(yàn)缺乏和理論不足，導(dǎo)致我們?cè)诠に囁胶蛧?guó)外還有較大的差距，尤其是國(guó)外在成熟使用油基或合成基鉆井液的同時(shí)，我們的研究實(shí)踐仍然屈指可數(shù)，故而這應(yīng)該是我們國(guó)內(nèi)目前研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)，對(duì)于如何推廣使用油基或合成基的鉆井液，從而有效回避流變性和沉降性穩(wěn)定的矛盾是國(guó)內(nèi)鉆井液行業(yè)研究和實(shí)踐中的關(guān)鍵問題。如本文開篇所述，對(duì)于目前情況下的超高溫超高密度鉆井液的研究使用，也必須加以重視，因?yàn)樵谖磥淼哪骋惶?，其就?huì)轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷馗呙芏茹@井液。這一方面的難點(diǎn)依然在于處理劑的研制上。對(duì)于流變性和濾失量的控制、鉆井液配方的優(yōu)化以及鉆井液抗污染抗高溫的能力上，筆者認(rèn)為以下幾方面可以成為未來研究重點(diǎn)考慮的對(duì)象：一，乙烯基甲(乙)酞胺， 2-丙烯酞胺基長(zhǎng)鏈烷基磺酸、N， N一甲(乙)基丙烯酞胺和異丙基丙烯酞胺等單體的工業(yè)化研究，盡快形成經(jīng)濟(jì)可行的生產(chǎn)工藝；開展N-(甲基)丙烯酞氧乙基N， N一甲基磺丙基銨鹽、2-丙烯酞胺基2-苯基乙磺酸等單體的合成工藝研究；二，研制低相對(duì)分子質(zhì)量的聚合物降濾失劑，以及抗鹽高溫高壓降濾失劑、降黏劑、抑制劑、潤(rùn)滑劑、封堵劑和井壁穩(wěn)定劑等；三，通過接枝共聚改性和高分子化學(xué)反應(yīng)獲得低成本、高性能的超高溫鉆井液處理劑；四，引入新型超高溫聚合物處理劑和低密度固相控制劑提高抗溫性；五，研制超高溫高密度鉆井液重點(diǎn)解決流變性和高溫高壓濾失量控制問題；第六，研制超高溫?zé)o黏土相鉆井液和超高溫高密度有機(jī)鹽鉆井液體系。

應(yīng)當(dāng)借鑒國(guó)外的成熟經(jīng)驗(yàn)，在引進(jìn)消化并吸收先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上研制高性能的抗溫超過20攝氏度、密度大于2.4kg每升的超高溫高密度油基鉆井液體系，以及有利于井壁穩(wěn)定油氣層保護(hù)乃至環(huán)境保護(hù)的合成基鉆井液體系。在重晶石加工方面，應(yīng)當(dāng)選擇新的加重劑或者通過研究高性能黏切劑和表面活性劑來提高鉆井液的沉降穩(wěn)定性并選擇新型的合成基材料來降低成本。在油基鉆井液的選擇上，應(yīng)該選擇或者研制低毒或者無(wú)毒的基礎(chǔ)油同時(shí)研究油基鉆井液處理劑的可降解性，并研制適用于合成基鉆井液的乳化劑，流型調(diào)節(jié)劑以及增粘劑。在回收利用方面，要循環(huán)利用油基鉆井液，研究固液分離和含油鉆屑的處理，探索合成基鉆井液的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工藝技術(shù)，重點(diǎn)是合成基鉆井液的回收再利用。

4 結(jié)論

綜合本文上述對(duì)于高密度鉆井液的研究現(xiàn)狀、技術(shù)難點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)三方面的探討不難看出，國(guó)內(nèi)在鉆井液的理論研究和現(xiàn)場(chǎng)使用方面，與國(guó)外還是有一定差距，主要體現(xiàn)在油基鉆井液和合成基鉆井液的使用上。這也是我國(guó)鉆井液工藝?yán)碚撗芯亢图夹g(shù)發(fā)展的下一步重點(diǎn)所在。雖然國(guó)內(nèi)在超高溫水基鉆井液方面也有接近國(guó)際領(lǐng)先水平的進(jìn)展，但是對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用以及針對(duì)具體的特殊情況的處理還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。應(yīng)當(dāng)致力于把室內(nèi)研究轉(zhuǎn)化為現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用成功上來。進(jìn)一步開發(fā)新型處理劑和濾失控制劑、潤(rùn)滑劑等。在完善和優(yōu)化鉆井液體系配方的基礎(chǔ)上完善鉆井液性能、提高鉆井液技術(shù)，形成自身的鉆井液體系。以解決高溫高密度鉆井液所存在的流變性、沉降穩(wěn)定性以及濾失量控制等方面存在的問題。

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