高密度钻井液的研究现状及发展趋势

摘 要：本文通过回顾高密度钻井液的研究现状、技术难点以及发展趋势，指出高密度钻井液研究和技术工作的重点在于采用国外成熟的油基、合成基钻井液技术方面的经验，发展和完善自身的钻井液体系，以有效解决钻井液研究和实践方面存在的流失性、沉降稳定性等方面的矛盾。

中图分类号：TE2文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2012）04（a）-0000-00

1 高密度钻井液的定义及研究现状

较早时期的钻井作业的理论与实践中，对于高密度钻井液的认定范围要比现在宽松的多，一般ρ≥1.50g/cm3的，即可以被认为是高密度。然而随着钻井工作的不断深入发展以及钻井工艺水平的不断提高，越来越多的实际情况表明，原有的判定标准已经不符合实际工艺中的需要，提高对于高密度钻井液的判断标准势在必行，可以说即使是现时重新认定的高密度钻井液的密度范围在随着时间的推移和工艺的进步的发展中依然逐渐成为常规钻井液的密度范围。从笔者的理论研究和实践经验来看，即使是每立方厘米提升0.2g依然不能满足现实工作中对于高密度钻井液的要求，也不再是钻井工艺所关注的热点问题。从国内外最新的研究成果和最近的钻井现场工艺技术实践来看，对于钻井液的维护工作和使用过程而言，重点应该集中在1.90gcm3≤ρ≤2.40g/cm3这个密度范围之内。因此笔者采用较宽松的标准将高密度钻井液定义为1.80g/cm3≤ρ≤2.50g/cm3的密度范围内。

国外高密度钻井液的理论研究所面临的问题，大致包括抗温性、流变性、抑制性等方面。实际上流变性差、滤失量大、泥饼厚、固相含量高一直是钻井液理论研究和工艺应用的世界性难题，只有开发新型的性能优秀的钻井液技术才可以顺利解决上述难题从而更好地勘探和开发复杂地理地质及油气层。 从国外的经验来看，其所采用的钻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艺技术等因素的影响，其发展方向已经拓展到了无固相。在实际工艺中多使用油基或聚合物之类的高密度钻井液，部分使用甲酸盐可以将密度控制在每立方厘米2.3g，出于保护油气层的需要，这类钻井液加重材料的使用是非常合适的，然而其缺点在于成本难以降低。

从国内的理论研究方面来看，由于大规模的地质地理的勘探和开发的不断升级，我们对于高温高密度钻井液方面也有了自身的一定的理论成果。比如在降低不利于提高钻井液密度的方面，我们可以考虑减少其中的膨润土以及其他低密度固相的含量从而实现钻井液密度的提高，或者通过使用甲酸盐之类来提高液相的密度从而有效地提高高密度钻井液的流变性，甚至还可以彻底放弃使用固体加重材料从而有效降低钻井液粘度和提高其流变性。再者，还可以使用活化加重材料，使得高密度水基钻井液由此而产生粘度等效应上的减弱，为有效增强其流变性而释放自由水。理论指导了实践的应用，我们因此开发出了多种新型的加重材料，比如聚磺体系和磺化体系的活化加重材料由于使用时间长加上经验多、效果好从而很大的推动了国内关于高温高密度钻井液的应用研究。高密度钻井液在目前我国的钻井现场情况来看，其应用范围还有很大的拓展空间。从为数不多的使用高密度钻井液的情形而言，其密度范围多集中在每立方厘米2g至2.4g之间，高于此密度范围的实际例子相对比较少。而另一方面更关键的问题是，对于加重剂的研究和使用方面，我们的经验非常缺乏。一般而言，具有较好使用效果的加重剂主要有方铅矿、铁矿粉以及重晶石粉。在我们实际的优选加重剂材料的过程当中，首先采用的是调研重晶石粉，在采用活化重晶石粉的情形下，加重极限可以高于通常认为的每立方厘米2.64g。铁矿粉则由于其固有的某些缺陷——比如容易沉降、造成卡钻、钻具所受磨损较明显以及难以调整的流变性而不被广泛采用。加重效果最好的应当是方铅矿，可以将钻井液密度提升至每立方厘米3.8g以上，然后对于此类加重材料我们并没有正式投入到石油钻井行业，这不能不说是一个遗憾。

从国内外高密度钻井液的研究现状来看，其中所普遍存在的问题严重地影响了高温高密度钻井液的技术发展和实际使用效果。因此，对高温高密度钻井液做进一步研究与探讨是很有必要的。

2 高密度钻井液的技术难点

高温高密度钻井液目前的理论研究和现场经验中所存在的技术难点主要由三个方面，其一是钻井液自身性质方面的问题，其二是对于密度提高之后的控制问题，其三是某些情况下的维护处理技术问题。

第一个方面的问题是在钻井液自身性质方面，流变性与沉降性始终是困扰高密度钻井液研究和实践的首要难题，通常情况下，流变性的解决意味着沉降性不稳定的增加，这是由于高密度钻井液当中普遍存在的固相过高的原因所致，解决这一难题就意味着高温高密度钻井液的研究和实践方面的重大突破和关键性技术提升。另一个问题是由于钻井液中不同材料的使用对于自身体系的抑制和污染问题也是非常关键的。例如高密度钻井液的适用范围是较深的地层，其环境温度较高，再加上固相含量高的因素的影响，膨润土和剂的使用都存在着流变性和沉降性的矛盾，对于前者由于最佳限量的把握难以掌控，从而导致稠度过高过低都会影响钻井液的正常使用，而后者的存在对于流变性的影响不可忽视。再加上加重材料由于种类、密度和粒度方面尚未存在有效的控制手段，从而导致钻井液受到有害固相污染的情况比较严重，而我们现实所采用的手段基本上是通过加入多种无机盐来使之适应较为复杂的地层钻探。在现场使用高温高密度钻井液的情形中，由于地质条件的复杂和地层环境温度压力的非线性变化，比如同一井段会存在不同的温度和压力体系，而钻井液的安全密度范围在此时会变得相当狭窄，这就要求对于膨润土的含量要进行严格控制，对于最佳限量要有精确地把握。否则就会导致上述的流变性与沉降性之间的矛盾的产生，无论稠度的增高或者降低在高温高密度钻井液的使用中都会导致严重事故，比如卡钻，更甚的会导致井眼的报废。在某些极端情况下，使用超高密度钻井液（超过本文所规定的上限每立方厘米2.5g）时，过高的固相含量，由于其颗粒的不断分散，流变性无法有效控制从而导致稳定性变差，其处理过程又由于加入了稀释剂和胶液，很容易导致处理不当而引起增稠或者减稠的现象，其最终又会导致流变性和沉降性的矛盾问题的出现，使得钻井工作难以继续开展。第三个方面是维护技术的难度问题，合适的密度，良好的流变性，良好的高温稳定性，良好的失水造壁性，良好的抗污染性能，良好的性，较强的抑制性以及能很好地保护油气层等是对高密度钻井液的技术要求，因此我们必须合理使用加重材料以及调整膨润土的含量，在提高流变性，保持沉降稳定的基础上，满足深井施工的技术要求。

3 高密度钻井液的未来发展趋势

从国内外的最新研究成果来看，水基钻井液的使用是钻井行业工艺技术进步的必然趋势。对此国内的研究与国外相比，有成果也有不足。国外对此类钻井液的研究应用已经日趋成熟，需要着重深入的是针对现场需要在细节上不断优化，提高性能，针对特殊情况的地层具体提出详细的处理意见和解决方案；而对于国内现实情况而言，虽然我们在水基钻井液的研究上也取得了较多的成果，有了相当的进展，但是由于处理剂的使用上的经验缺乏和理论不足，导致我们在工艺水平和国外还有较大的差距，尤其是国外在成熟使用油基或合成基钻井液的同时，我们的研究实践仍然屈指可数，故而这应该是我们国内目前研究的重点和难点，对于如何推广使用油基或合成基的钻井液，从而有效回避流变性和沉降性稳定的矛盾是国内钻井液行业研究和实践中的关键问题。如本文开篇所述，对于目前情况下的超高温超高密度钻井液的研究使用，也必须加以重视，因为在未来的某一天，其就会转变为高温高密度钻井液。这一方面的难点依然在于处理剂的研制上。对于流变性和滤失量的控制、钻井液配方的优化以及钻井液抗污染抗高温的能力上，笔者认为以下几方面可以成为未来研究重点考虑的对象：一，乙烯基甲(乙)酞胺， 2-丙烯酞胺基长链烷基磺酸、N， N一甲(乙)基丙烯酞胺和异丙基丙烯酞胺等单体的工业化研究，尽快形成经济可行的生产工艺；开展N-(甲基)丙烯酞氧乙基N， N一甲基磺丙基铵盐、2-丙烯酞胺基2-苯基乙磺酸等单体的合成工艺研究；二，研制低相对分子质量的聚合物降滤失剂，以及抗盐高温高压降滤失剂、降黏剂、抑制剂、剂、封堵剂和井壁稳定剂等；三，通过接枝共聚改性和高分子化学反应获得低成本、高性能的超高温钻井液处理剂；四，引入新型超高温聚合物处理剂和低密度固相控制剂提高抗温性；五，研制超高温高密度钻井液重点解决流变性和高温高压滤失量控制问题；第六，研制超高温无黏土相钻井液和超高温高密度有机盐钻井液体系。

应当借鉴国外的成熟经验，在引进消化并吸收先进技术的基础上研制高性能的抗温超过20摄氏度、密度大于2.4kg每升的超高温高密度油基钻井液体系，以及有利于井壁稳定油气层保护乃至环境保护的合成基钻井液体系。在重晶石加工方面，应当选择新的加重剂或者通过研究高性能黏切剂和表面活性剂来提高钻井液的沉降稳定性并选择新型的合成基材料来降低成本。在油基钻井液的选择上，应该选择或者研制低毒或者无毒的基础油同时研究油基钻井液处理剂的可降解性，并研制适用于合成基钻井液的乳化剂，流型调节剂以及增粘剂。在回收利用方面，要循环利用油基钻井液，研究固液分离和含油钻屑的处理，探索合成基钻井液的现场应用工艺技术，重点是合成基钻井液的回收再利用。

4 结论

综合本文上述对于高密度钻井液的研究现状、技术难点和发展趋势三方面的探讨不难看出，国内在钻井液的理论研究和现场使用方面，与国外还是有一定差距，主要体现在油基钻井液和合成基钻井液的使用上。这也是我国钻井液工艺理论研究和技术发展的下一步重点所在。虽然国内在超高温水基钻井液方面也有接近国际领先水平的进展，但是对于现场应用以及针对具体的特殊情况的处理还远远不够。应当致力于把室内研究转化为现场应用成功上来。进一步开发新型处理剂和滤失控制剂、剂等。在完善和优化钻井液体系配方的基础上完善钻井液性能、提高钻井液技术，形成自身的钻井液体系。以解决高温高密度钻井液所存在的流变性、沉降稳定性以及滤失量控制等方面存在的问题。

参考文献

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