徐明磊，佟樂，楊雙春，張同金，，劉陽

(1.遼寧石油化工大學 石油天然氣工程學院，遼寧 撫順 113001；2.遼寧石油化工大學 外國語學院,遼寧 撫順 113001；3.遼寧石油化工大學 國際教育學院,遼寧 撫順 113001；4.遼陽石油化纖公司億方工業(yè)公司,遼寧 遼陽 111003)

無固相鉆井液(SFDF,Solid-Free Drilling Fluid)是由低固相鉆井液的基礎上發(fā)展而來，更符合現(xiàn)代鉆井技術的發(fā)展需求。該鉆井液體系主要由高分子聚合物與無機鹽組成，潤滑性能好、降濾失能力高、巖屑攜帶能力強。上世紀80年代，國外便在一些低壓易滲透的油田進行無固相鉆井液體系的應用[1]，90年代初，哈里伯頓公司成功研發(fā)出了可在180 ℃工作下的耐高溫鉆井液(HTDF,High Temperature Drilling Fluid)體系，攻破了無固相鉆井液在高溫狀態(tài)下穩(wěn)定工作的這一技術難題。90年代中旬，德國利用甲酸鹽鉆井液體系順利鉆成一口小井眼氣井，實現(xiàn)了循環(huán)性使用，極大減少了對環(huán)境的污染程度。而我國雖然起步較晚，但經(jīng)過近幾十年的發(fā)展已經(jīng)取得了一系列成果。在聚合物改性、發(fā)泡劑穩(wěn)泡劑研發(fā)、添加劑配比等方向都有所成就，如馬英文等[2]，針對渤中油田地層高溫、易漏失的特點，研發(fā)出了抗高溫流型調(diào)節(jié)劑、抗高溫護膠劑等添加劑，配制了抗高溫無固相鉆井液(SF-HT Drilling Fluid)體系。向朝綱等[3]針對當前高溫地層及愈加嚴格的保護環(huán)境要求等問題，研發(fā)出耐高溫、無污染的SF-HT型鉆井液。

當前隨著人們對環(huán)境保護的越發(fā)重視，以及鉆遇地層溫度的提高，對于環(huán)保型的耐高溫鉆井液需求更加迫切，因此環(huán)保型耐高溫鉆井液體系研究成為當前無固相鉆井液的主要工作，本文將對典型環(huán)保耐高溫無固相鉆井液體系以及非常規(guī)環(huán)保耐高溫鉆井液的性能特征、配制方法、現(xiàn)場使用狀況做出綜述。

1 典型環(huán)保耐高溫無固相鉆井液

1.1 聚合物弱凝膠鉆井液

耐高溫無固相聚合物鉆井液具有良好的流變性、可調(diào)節(jié)的粘度范圍大、并且制作流程簡單、制作成本低廉、性能穩(wěn)定、攜帶性好，但配制時需添加耐高溫鉆井液降濾失劑、油層保護劑和抑制劑等[4]，目前該鉆井液在油田中得到很好的應用。

1.1.1 兩性離子聚合物 兩性離子聚合物鉆井液其剪切稀釋特性好、抑制性強。在預防地層造漿方面卓有成效，且抗巖屑污染能力強，同時該鉆井液與其他鉆井液的相容性較好，成本較低，可提升經(jīng)濟效益[5]。

張耀元等[4]以兩性離子型疏水締合聚合物(PL-5)為主配制了抗高溫疏水締合聚合物無固相鉆井液，主要試劑為兩性離子型疏水締合聚合物(PL-5)、聚胺(UHIB)、高溫交聯(lián)劑(FPA)、降濾失劑(DKFC)、NaOH和Na2CO3，配方：清水+0.30%UHIB+0.10%NaOH+2.00%PL-5+0.15%Na2CO3+2.00%DKFC+1.00%FPA。在DF1-1氣田3口井進行了現(xiàn)場試驗，反饋結果為該鉆井液在157 ℃ 高溫作業(yè)仍擁有較好的剪切稀釋性、較高的攜帶能力，同時懸浮性、抑制性和儲層保護性能也都比較出色，并且鉆速提高了26.98%，儲集層保護效果良好，解決了常規(guī)聚合物鉆井液無法實現(xiàn)在高溫水平井鉆井工作的問題。

1.1.2 陰離子聚合物 無固相陰離子聚合物鉆井液適用于層理裂隙不發(fā)育的且分散較高的地層、弱地應力地層、中等分散砂巖與泥巖儲層以及以下技術套管的低壓、井壁穩(wěn)定的儲層[5]。

文飛等[6]研究了BH-ELASTICOHTHP鉆井完井液體系，它屬于抗高溫無固相弱凝膠型，通過添加易降解的抗高溫抗鹽的改性羧甲基淀粉以及對流型調(diào)節(jié)劑進行性能改造，研發(fā)出抗溫達150 ℃、密度為1.10～1.30 g/cm3、LSRV大于100 Pa·s的鉆井液，配方如下：水+低剪切速率黏度調(diào)節(jié)劑BZ-LSA+細目鈣+1.5%羧甲基抗溫淀粉+0.7%堿度調(diào)節(jié)劑+0.3%緩蝕劑+1.0%BZ-HXC-L+0.7%除氧劑+5.0%KCl+0.1%殺菌劑。該體系提高了井壁穩(wěn)定性，降低表層污染，擁有抗溫能力明顯、主要成分容易被降解等特點，可用在低密度、低滲透以及不易成巖的地層?，F(xiàn)場應用如下：在MGB-0066井表現(xiàn)良好，在150 ℃的工況下產(chǎn)量比鄰井提高30%以上，并且抑制性強，黏度高，封堵性能強，表皮污染低、儲集層保護良好。但該鉆井液只適用于低密度、低滲地層，對于高壓地層仍需繼續(xù)研究改進。

1.1.3 陽離子聚合物 陽離子聚合物鉆井液抑制性強，與常規(guī)處理劑配伍性較好，可依據(jù)不同地層添加相應處理劑以滿足鉆井需求，應用前景廣闊。含有大型的陽離子基團依靠靜電力吸附在鉆屑上，并且吸附力明顯，又因其相對分子質(zhì)量較高，分子鏈較長，使得其橋聯(lián)作用突出，同時可平衡部分巖屑的負電性，進而減少粘土層間的靜電相互影響。另外表層吸附的陽離子疏水基團可形成疏水薄膜，明顯抑制了巖屑水化膨脹[5]。

王剛等[7]為解決哈淺6井高溫、地層井壁失穩(wěn)、易濾失等問題，利用聚丙烯酰胺鉀鹽(KPAM)、KCl、磺酸鹽聚合物等添加劑配制了含陽離子聚合物的鉆井液，配方如下:0.1%NaOH+(1.0%～1.5%)聚陰離子纖維鈉鹽PAC+0.3%聚丙烯酰胺鉀鹽KPAM+(0.4%～0.6%)生物聚合物XC+6%KCl+1%超細碳酸鈣+2%磺酸鹽聚合物+1%聚合醇+(1.0%～2.0%)JZC-1抗鹽降濾失劑+1.5%弱凝膠結構劑PRD+2%非滲透處理劑+(2.0%～3.0%)潤滑劑。在哈淺6井應用效果良好，該鉆井液體系具有較強的封堵性能力以及較高抑制性；有效解決了泥巖的遇水膨脹以及硬脆性泥頁巖應力性崩塌問題，鉆進過程順利；鉆速明顯提高，相對臨井鉆進周期節(jié)省了30%以上，且無復雜情況發(fā)生。

表1 不同聚合物弱凝膠無固相鉆井液性能比較

1.2 甲酸鹽鉆井液

甲酸鹽鉆井液主要以甲酸鹽作為加重劑及抑制劑，常見的甲酸鹽有HCOONa、HCOOK、HCOOSe，三者均為無毒性添加劑，實驗表明甲酸鹽水溶液都能降解，且28 d生物降解率>70%[11]，甲酸鹽鉆井液中的甲酸根(HCOO-)在鉆井液中具有特殊作用，HCOO-與溶液中水分子形成氫鍵，從而形成具有一定粘度的溶液，并且HCOO-較強的吸附作用能夠吸附在粘土表面。

甲酸鹽鉆井液在國內(nèi)外HTHP井應用效果都十分明顯，無毒并且抑制性較好,性能突出，實現(xiàn)了對常規(guī)鉆井液的查漏補缺。在HTHP井中具有比較長遠的應用前景不僅能夠滿足越來越嚴格的綠色化要求，又能符合不斷進步的現(xiàn)代鉆井技術的需要[12-13]。該鉆井液具有耐高溫、密度可調(diào)節(jié)范圍大、抑制性較強、無毒可降解不會污染環(huán)境等優(yōu)點，但成本較高、濾餅形成質(zhì)量差成為其主要限制因素。該體系常用的增稠劑為CXV，降濾失劑及保護劑為CXF，同時可根據(jù)實際情況加入其它處理劑進行調(diào)節(jié)。

1.2.1 甲酸鈉 Wang Bingren等[14]為解決SF鉆井液的清潔環(huán)保、耐高溫等問題，利用甲酸鈉、TXZ-2(增粘劑)、JYW-3(油層保護劑)等，研制出無黏土鉆井液，屬甲酸鹽類，總體配方為：水+80%甲酸鈉+0.5%TXZ-2+3%JYW-3+3%TJ-1。在150 ℃條件下，老化16 h后，塑性粘度為(PV)29 mPa·s，屈服點(YP)6.5 Pa。該鉆井液在塔里木隆古地區(qū)深井進行了現(xiàn)場試驗，試驗表明，甲酸鹽鉆井液能夠在140 ℃條件下正常工作，具有良好的封堵能力和頁巖穩(wěn)定性，同時甲酸鹽鉆井液體系消除了固體微粒對油氣層造成的損害，并且能夠生物降解，實現(xiàn)保護環(huán)境的目的。

呂國儉等[15]利用甲酸鈉(HCOONa)、HV-PAC、LYZN等，依據(jù)高滲低壓儲層的主要特征,開發(fā)出抗高溫無固相甲酸鹽鉆井液體系，密度為1.05～1.60 g/cm3，屈服值為8～15 Pa，API失水<10 mL，無毒易降解的同時可在150 ℃的高溫下正常工作。經(jīng)實驗表明，該體系抑制性突出、抗污染能力強、儲集層保護效果明顯、能夠在高溫條件下穩(wěn)定工作，可達到高滲透低壓地層的鉆井作業(yè)需要。

1.2.2 甲酸鉀 許杰等[16]利用甲酸鉀、耐高溫降慮失劑HTFL、增粘提切劑HTV-8等，并配制出甲酸鹽鉆井液，能夠在高溫狀態(tài)下正常運行。該體系的配方為：淡水+HCOOK(視密度而定)+1.5%HTFL+1.5%HTV-8+0.1%NaOH+3%CaCO3。經(jīng)200 ℃滾動老化后，流變性能無明顯變化，造壁效果也比較平穩(wěn)，動塑比為0.6，環(huán)保能力突出，說明該鉆井液具有良好的耐高溫性能，且對環(huán)境友好無污染。該鉆井液在渤海BZ13-2-2井進行了現(xiàn)場實驗，在185 ℃工況條件下所測得的動塑比>0.5，滿足攜帶巖屑要求，測得靜止漏速為0.1～0.5 m3/h，表明鉆井液封堵性較好，井壁穩(wěn)定性較高。

1.2.3 甲酸銫 史凱嬌[12]測定了高溫高壓下無固相甲酸鹽鉆井液流變性，利用HCOOSe、Dristemp(聚合物)、Antisol等配制了甲酸鹽鉆井液，實驗表明該鉆井液在150 ℃時測得鉆井液的塑性粘度(PV,plastic viscosity)>15 mPa·s，表觀粘度(AV,apparent viscosity)在20 mPa·s以上，經(jīng)研究得出，當在高溫高壓條件下鉆井液的PV不低于15 mPa·s、AV不低于20 mPa·s時，其攜帶巖屑能力便能達到鉆井作業(yè)需求，說明該體系可在高溫高壓井中正常使用。

總的來說，無固相甲酸鹽鉆井液因其具有其他鉆井液的眾多優(yōu)點而受到眾多學者的關注與研究，并成為當前SFDF的熱點研究方向，但常常因其制作成本過高而在應用方面受到限制。

1.3 微泡沫鉆井液

無固相微泡沫是一種剛性泡沫體系，能夠形成擁有更高能量的網(wǎng)狀構型，且表面張力更大，可承受更大的壓力，同時使得“橋塞”作用更加顯著，有效防止了鉆井液因進入地層而造成的污染[17]。

明玉廣等[18]為解決高溫條件下鉆井液存在攜巖性能不穩(wěn)定以及無法在高壓狀態(tài)下平穩(wěn)運行等問題，研制出頁巖抑制劑YZTO-1、抗溫抗油發(fā)泡劑FPTO-1，以及改性聚合物作為穩(wěn)泡劑WPTO-1，同時研制出針對深部地層的溫泡沫鉆井液，同樣具有抗高溫能力，其配方為：清水+0.30%WPTO-1+1.20%FPTO-1+0.50%YZTO-1。經(jīng)實驗表明該鉆井液耐溫效果可達150 ℃、能夠抵抗28 MPa壓力，且可有效抑制頁巖膨脹。在哈深2井進行現(xiàn)場應用，鉆井作業(yè)期間泡沫性能平穩(wěn)，無不良現(xiàn)象產(chǎn)生，平均機械鉆速遠高于應用常規(guī)鉆井液的機械鉆速，表明該鉆井液在高溫深井地層擁有較好的應用前景，但在抗高壓能力還需做進一步研究。

王曉軍[19]合成了微泡沫發(fā)泡劑LF-2和穩(wěn)泡劑HMC-1，解決了泡沫鉆井液抗高溫、抗鹽不足等問題，配制了抗溫無固相微泡沫鉆井液，鉆井液配方為：水+0.30%～0.50%LF-2+0.50%～1.00%HMC-1+2.00%～4.00%SMP-Ⅱ+0.15%～0.30%HT-XC+0.15%Na2CO3+2.00%～4.00%KH-931。該體系耐溫能力達150 ℃，且鉆井液密度可在調(diào)節(jié)的區(qū)間為0.85～0.95 kg/L?，F(xiàn)場應用為：該鉆井液在冷家油田、沈采和茨采的欠平衡鉆井中進行了實測，結果表明在141.5 ℃高溫條件下性能穩(wěn)定、抑制性高、封堵能力強，在提高鉆速的同時儲層保護效果良好，但在發(fā)泡劑、穩(wěn)泡劑方面仍需要進一步優(yōu)選和研究。

總之，無固相微泡沫鉆井液密度較低且調(diào)節(jié)范圍廣，攜帶性能好，濾失量低，封堵能力強，能夠防止固相侵入，降低對地層的損害等特點。常被用于低壓易漏油層的開采過程中。

2 非常規(guī)環(huán)保耐高溫無固相鉆井液

2.1 烷基葡萄糖苷鉆井液

烷基葡萄糖苷(APG)具有無毒性、配伍性能好、易降解的環(huán)境友好型的水溶液非電離的表面活性劑。APG是糖的半徑醛羥基與具有一定活性機團進行化學反應，從而生成具有甙鍵結構的淀粉及糖的衍生物[20]。而甲基葡萄糖苷(MEG)是APG的一種，能與水互溶的同時能夠吸附在泥頁巖表面，形成一層半透膜，可通過調(diào)整鉆井液中水的活性來調(diào)控外部水進入鉆井液，從而有效的解決了泥頁巖遇水膨脹的問題。APG經(jīng)過改性后可實現(xiàn)對高溫地層的應用[21]，烷基葡萄糖苷鉆井液體系的抗溫性通?？蛇_到150 ℃左右，抗污染能力強，可以較好的實現(xiàn)油層之間的保護。添加烷基葡萄糖苷的鉆井液，在動切力，塑性粘度和潤滑性方面都有所提高，適宜濃度下的烷基葡萄糖苷可降低水的活度，形成理想的隔離膜，降低儲層中的水鎖效應，因此該體系主要適用于水敏地層[22]。

1994年MEG鉆井液最早在墨西哥高水敏地層實驗成功后，在鉆大斜度井及大位移水平井得到推廣，研究表明MEG用量一般控制在45%～60%之間時，所形成的半透膜達到最佳效果[23]。我國的石油大學研發(fā)出一種用MEG為主要成分的鉆井液體系，并在沙南油田沙-113井進行了現(xiàn)場實驗：該鉆井液的抑制能力、油層保護、造壁能力方面有明顯效果?？偟膩碚fMEG鉆井液體系在高水敏地層、大斜度井、大位移水平井以及海底復雜地層都能有效應用，但往往因為造價成本過高而不能得到推廣[20]。

2.2 全陽離子型正電性鉆井液

該鉆井液體系的處理劑全部由陽離子組成，且在正電條件時呈現(xiàn)分散狀態(tài)的膠體，當體系中ζ電位>20 MV時,陽離子處理劑展現(xiàn)出較強的抑制性，使粘土分散變得可控化，及時清理巖屑，能夠很好的保護儲集層。因此該體系常用于水敏地層以及固相易傷害地層。

李興運等[24]對正電性的無固相鉆井液體系進行研究，其配方為：水+2.0%MMH+3.0%CaCO3(超細)+2.0%BPS+0.5%CPAM+2.0%NCP?，F(xiàn)場表明：在正電條件下為分散膠體體系，ζ電位值較高，膠體性能穩(wěn)定，可有效防止鉆井過程中粘土膨脹，且各項性能指標符合現(xiàn)場鉆井需求。

2.3 FA367/KCl鉆井液

FA367/KCl鉆井液是以包被劑FA367和KCl相互配合而成的一種抑制性較強，表觀粘度、切力較低的無固相鉆井液體系，可在上部地層安全且高效的鉆進，同時可滿足在高壓噴射地層運用。

3 現(xiàn)場應用

環(huán)保型耐高溫無固相鉆井液經(jīng)過多年的發(fā)展，在國外的Mumbai盆地、Kvitebjn油田、伊朗MIS油田、Huldra油田等[25-27]都有所應用，尤其在針對高溫地層、怕污染地層的無固相無機鹽體系應用廣泛，如 Xie S X等[28]配制出了新型弱凝膠體系，并在平均油藏溫度為150 ℃的油藏作業(yè)中，穩(wěn)定性較好，環(huán)保性能優(yōu)越。王明國[29]針對伊拉克AHDEB油田的儲集層保護不到位等技術問題，配制了耐溫無固相鉆井液體系，在進行100 ℃高溫老化20 h后，仍滿足鉆井液攜巖能力以及高溫狀態(tài)下失水復合需求，在ADRu3-3-2H井鉆進期間平穩(wěn)運行、潤滑效果明顯，攜帶能力突出，能夠滿足鉆井條件。

國內(nèi)的吉林油田、南海西部油田、華北油田、遼河油田等[30-33]也有所應用，并且現(xiàn)場表現(xiàn)良好，鉆進速度得到大幅度提高，降失水、防榻性能明顯得到改善，滿足了高溫地層下鉆進工作需求以及儲層保護、環(huán)境保護的需求。近年來，國內(nèi)眾多學者在耐高溫無固相鉆井液方面的研究取得了一系列成果，李建軍等[34]研制出耐高溫增黏劑XCC等處理劑，并設計出能夠在220 ℃超高溫下工作且濾失造壁性能和流變性能仍然十分出色的無固相鉆井液，能滿足鉆井需要。孫琳等[35]對耐溫抗鹽新型雙尾疏水締合聚合物(DTHAP)的成膠性能影響因素進行了分析，并通過實驗測得了交聯(lián)劑質(zhì)量分數(shù)在0.6%～0.8%時交聯(lián)劑與聚合物交聯(lián)程度達到最優(yōu)，老化90 d凝膠強度仍可達到F、E級水平，且在80～90 ℃時形成的弱凝膠體系強度高、性能好，可在中高溫油層中應用。郭永賓等[36]對增黏劑的加量和暫堵劑的粒徑分布以及鉆井液配方進行了優(yōu)化。在120 ℃條件下，巖心的滲透率恢復率>90%；抑制性能突出，符合鉆井施工作業(yè)需求。現(xiàn)場應用為：潿洲12-1油田水平井段鉆進順利；產(chǎn)油量為配產(chǎn)的兩倍，表皮系數(shù)由原來20.0以上下降為-3.0，可有處理高溫條件下水平井段井眼清潔程度不高以及儲集層保護效果不明顯等現(xiàn)象。

時至今日，環(huán)保耐高溫無固相鉆井液經(jīng)過多年的發(fā)展，研究方向日趨完善，在聚合物弱凝膠、有機鹽(甲酸鹽)、微泡沫等體系都有所突破，現(xiàn)場應用也表明應用環(huán)保耐高溫無固相鉆井液使得機械鉆速大幅度提高、井壁防榻問題也得到明顯改善，并且在環(huán)境保護方面也取得了長足的進步。在針對高溫高壓、礦化程度高的地層問題，經(jīng)過眾多專家學者的努力也得到了解決，即通過添加耐高溫聚合物、研制新型生物凝膠、降低配制成本等有效的解決了以上問題。

4 結論

本文綜述了無固相鉆井液，因其降失水能力強，防榻效果好；潤滑性高，可增加鉆頭有效服務時間；流動性能好，利于減少漏失量提高鉆速；易操作，制備方便等優(yōu)點，被廣泛使用在油田鉆井過程中。針對目前進展，筆者建議如下：

(1)當前，由于鉆井過程中受到環(huán)境限制以及添加劑影響，使得無固相鉆井液形成的泥餅普遍質(zhì)量較差，因此在泥餅形成質(zhì)量方面還需進一步研究。

(2)對于甲酸鹽型SFDF，因其以甲酸鹽作為加重劑而使得鉆井液整體成本較高，成為限制甲酸鹽鉆井液發(fā)展和推廣的重要因素，筆者建議應加強對甲酸鹽研制成本方面的研究。

(3)隨著人們的環(huán)保意識增強、對儲層保護的越發(fā)重視，筆者認為未來將以無毒、低污染、循環(huán)使用率高的環(huán)境友好型方向發(fā)展。