钻井液技术发展态势

钻井液技术发展态势简论石油大学钻井学科组执笔人：鄢捷年一九九八年十月2钻井液技术发展态势一、钻井液技术的重要性与发展阶段钻井液工艺技术是油气钻井工程的重要组成部分，它在确保安全、优质、快速钻井中起着关键性的作用。钻井液在钻井过程中最基本的功用可概括为以下方面∶1、保证安全、优质、快速钻进(1)清除井下岩削并携带至地面；(2)对地层施以足够的反压力，防止地层流体进入井内;(3)保持井眼稳定；(4)冷却与润滑钻具、钻头；(5)传递水功率2、保护油气层，取全取准各种资料（1）对油气层不发生损害作用（2）有利于地层测试，不影响地层评价；（3）对钻井人员及环境不发生伤害和污染；（4）对井下工具及地面装备不腐蚀或减轻腐蚀；一般情况下，钻井液成本只占钻井总成本的7～10%，然而先进的钻井液技术往往可以成倍地节约钻时，从而大幅度地降低钻井成本，带来十分可观的经济效益。国外钻井液技术的发展大致经历了以下几个阶段：1、1914～1916年，清水作为旋转钻井的洗井介质，即开始使用“泥浆”。2、从20～60年代，以分散型水基钻井液为主要类型的阶段在这期间，经历了从细分散体系向粗分散体系的转变，同时也出现了早期使用的油基泥浆和气体型钻井流体。其中有代表性的技术措施包括：（1）1921～1922年，重晶石和氧化铁粉开始用作加重材料；（2）1926年，开始使用膨润土作为悬浮剂；（3）1930年，研制出最早的泥浆处理剂--丹宁酸钠；（4）1931～1937年，研制出各种泥浆测量仪器，提出了对泥浆性能控制的要求；（5）1944～1945年，Na-CMC（钠羧甲基纤维素）作为降滤失剂，开始应用于钻井液中；（6）1955年，FCLS（铁铬木质素磺酸盐）作为稀释剂，开始应用于钻井液中；（7）从60年代开始，石灰钻井液、石膏钻井液和氯化钙钻井液等粗分散水基泥浆体系开始广泛使用。3、70年代以后，以聚合物不分散钻井液为主要类型的阶段聚合物钻井液是国外水基钻井液发展最迅速的一类，它的出现标志着钻井液工艺技术进入了科学的发展阶段。聚合物钻井液大体上又分为以下几种类型：（1）部分水解聚丙烯酰胺体系；（2）氯化钾聚合物钻井液体系；3（3）羟乙基纤维素体系；（4）醋酸钾水解聚丙烯酰胺体系；（5）磷酸钾盐非离子型聚合物体系；（6）聚丙烯与聚乙二醇共聚物（COP/PPG）体系；（7）阳离子聚合物体系。此外，在这一阶段，油基钻井液体系也有了进一步的发展。在50年代以柴油为连续界质的油基钻井液基础上，70年代又发展了低胶质油包水乳化钻井液，80年代在海洋钻探中又发展了以低毒矿物油为连续介质的低毒油包水乳化钻井液。在抗高温深井钻井液方面，研制出以Resinex为代表的抗高温降滤失剂，使深井钻井液技术取得了很大进展。90年代以来，随着阳离子聚合物钻井液和正电胶钻井液的广泛应用，以及其它各种新型钻井液的出现，钻井液技术有可能进入了一个新的发展阶段。二、技术的关键内容及现状当前钻井液工艺技术的关键内容大致包括以下方面：1、深井高温、高密度钻井液；2、稳定井壁的钻井液；3、处理剂系列和钻井液体系的发展与应用；4、保护储层的钻井液、完井液；5、钻井液润滑性及防卡、解卡技术；6、钻井液防漏、堵漏技术；7、钻井液流变性及其与携岩的关系；8、钻井液固控技术；9、废弃钻井液处理技术。目前，国外对以上方面的研究都十分重视，尤其在井眼稳定性、保护储层的钻井液、完井液的研究，以及处理剂和体系的发展与应用等方面更为突出。在井眼稳定性方面，重点开展岩石力学和泥浆化学的耦合研究。在保护油气层方面，注重对损害机理的预测、诊断技术和钻井液、完井液暂堵技术的研究，注重研制储层相配伍的钻井液、完井液体系。在处理剂和体系的发展与应用方面，目前十分重视新型钻井液体系（如MMH泥浆、阳离子聚合物泥浆等）的研制和应用。三、对我国钻井液技术发展情况的简要回顾我国钻井液工艺技术的发展规律与国际上该项技术的发展规律基本相似。最初我国主要使用以钠基为基础的细分散钻井液，在井浅、地层较简单情况下，这类体系有其优越性，例如可以就地材，成本低，密度可在较大范围内调整等。但钻遇复杂地层，如大段泥页岩层、厚岩盐层、石膏层及其它可溶性盐类地层时，这类钻井液抗污染能力差，很难维持比较稳定的性能，于是发展了以石灰、石膏及氯化钙为絮凝剂的钙处理钻井液及盐水钻井液。由于以上钻井液具有抗盐、钙侵及盐钙侵、流动性好和性能较稳定等优点，自50年代后期起在我国得到了广泛应用。470年代初，我国成功地发展了低固相铁铬盐混油（或盐水）钻井液、褐煤氯化钙钻井液、褐煤石膏钻井液以及低固相弱酸性饱和盐水钻井液等，并且高分子有机处理剂已广泛应用于钻井液中。从70年代末至80年代中期，我国钻井液技术有了很大的发展。主要表现在：（1）适于钻深井、超深井的三磺（磺化丹宁或烤胶、磺化褐煤和磺化酚醛树脂）钻井液在全国推广使用后，大大地减轻了井下复杂情况，创下了钻超深井7175m的纪录。（2）在此期间，低固相不分散聚合物钻井液技术在我国得到全面推广。开始时仅使用聚丙烯酰胺单一型聚合物絮凝剂，以后陆续研制成功不同基团、不同分子量的聚合物处理剂，形成了多种聚合物钻井液体系。聚合物钻井液主要应用于井深4000m以内的井，在当时曾有力地配合了高压喷射钻井，大大地提高了钻井速度。并且由于聚合物处理剂具有良好的护壁作用，因此当时研制的钾基聚合物钻井液曾在很大程度上解决了泥、页岩地层的坍塌问题；（3）80年代初期，研制成功了油包水乳化加重钻井液，并在华北、新疆和中原等油田得到成功应用，有效地解决了钻遇大段岩膏层和水敏性泥、页岩地层时所遇到的各种问题；（4）钻井液处理剂、原材料品种迅速增加，质量不断提高。1978年，我国钻井液处理剂仅有40多种，1983年增至76种，1985年已达到16个门类，共129种。从80年代初开始，我国已着手制订钻井液处理剂和原材料质量标准。1986～1990年（“七五”期间），我国钻井液工艺技术取得了长足的进步，从而大大缩短了我国与国际先进水平的差距。其中有代表性的成果包括：（1）在新的起点上对聚合物钻井液进行了全面、系统的研究，研制出两性离子聚合物钻井液和阳离子聚合物钻井液等新体系，并在全国许多油田推广使用，取得良好效果。在此期间，我国在总结前期的聚合物钻井液技术成功经验的同时，也指出了在使用聚合物钻井液过程中遇到的一些新问题（如泥饼质量差、抑制性与其它性能不能兼顾，以及在中深井段以下和在加重液中应用有较大困难等）。于是将聚合物处理剂的类型从阴离子扩展到阳离子、两性离子，并对大、中、低分子量聚合物处理剂及其复配作用在抑制性、降滤失、降粘作用机理方面进行了系统研究，在此基础上研制出以FA—367、XY—27和JT—888等处理剂组成的两性离子聚合物钻井液体系，和由阳离子包被剂、降滤失剂、降粘剂、防塌剂等组成的全阳离子聚合物钻井液体系；（2）为保护油气层，实现欠平衡压力钻井，发展了泡沫和充气钻井液技术。其中使用泡沫钻成的最深油井，其井深达到3232m；（3）为了有效地解决井壁失稳问题，系统地研究了各类钻井液及其处理剂与井壁稳定性的关系，研制出了各种具有强抑制性的防塌钻井液体系，并研制出可对付复杂盐膏层的过饱和盐水钻井液和油包水乳化钻井液等；（4）在深井、超深井钻探作业中，研制出聚磺钻井液体系。该体系兼有聚合物钻井液和三磺钻井液的优点，既有很强的抑制性，又改善了高温高压条件下钻井液的性能。同时还大大地减少了井下复杂情况的发生，提高了机械钻速。1991～1995年（“八五”期间），我国钻井液技术又上了一个新的台阶。具体体现在：（1）聚合物钻井液技术又有了新的进步。其中两性离子聚合物钻井液技术更加成熟，据95年统计该体系已在我国15个油田的数千口井上推广使用，并成功研制出两性离子聚合物加重钻井液，最高密度可5达2.03/cm3。阳离子聚合物钻井液技术亦更加配套、完善；（2）发展了混合金属层状氢氧化物（MMH）钻井液（又称为正电胶钻井液）技术。这类钻井液具有独特的流变特性以及强抑制性、防漏、减少油气层损害程度、有利于提高钻速等性能，目前已在全国多个油田上千口井上推广使用；（3）发展了水平井钻井液配套技术，成功地解决了钻水平井时所遇到的携岩、井壁稳定、防漏堵漏、钻井液润滑性和保护油气层等技术难题，其成果在总体上达到90年代国际先进水平；（4）钻井液处理剂继续以较快速度发展、完善，并逐步形成系列。1993年，我国钻井液处理剂已有16个门类，共计246种。四、国内外技术对比分析与国外相比，虽然我国钻井液技术起步相对较晚，但由于发展速度较快，特别是进入80年代以来，随着我国聚合物钻井液技术、深井钻井液技术和保护油气层技术等的不断发展，以及钻井液处理剂不断走向系列化、标准化，使我国的钻井液工艺技术与国际先进水平的差距不断地缩小。如果作一个全面的分析、评价，可以认为，目前我国的钻井液工艺技术在总体上已经基本上达到国际先进水平。客观地讲，在某些技术领域，我们已处于领先或者已后来居上，但在有些领域，我们与国外相比，还有一定差距。我国已达到国际先进水平的技术领域大致有以下方面：（1）阳离子聚合物钻井液是国外首先研制出来的，但目前我国对该类体系的研究和应用已经走在前面；（2）两性离子聚合物钻井液首先由我国研制出来，并已得到广泛应用。该类钻井液所使用的处理剂已经系列化，在机理研究方面亦处于先进水平。（3）混合金属层状氢氧化物（即正电胶）钻井液是国外80年代研制的一种新型钻井液，我国在该项技术的研究和应用方面，基本上与国际先进水平保持同步。这类钻井液在我国已广泛应用于水平井钻井作业中。特别是利用其独特的流变特性，保证了我国第一口短半径水平井的顺利钻成。（4）自“七五”以来，我国在保护油气层的钻井液、完井液技术领域已有很大发展。目前在损害机理的评价、预测技术、油气层损害室内评价技术和暂堵技术等方面，均达到国际先进水平。其中屏蔽暂堵技术为我国首次提出，形成了自己的技术特色。然而，我们在以下方面与国际先进水平相比仍存在着一定的差距：（1）钻井液、完井液处理剂在品种上虽然发展较快，但质量配套方面问题较多，特别是完井液的原材料和处理剂尚未形成系列配套，品种也不齐全。另外，抗温、抗盐、缓蚀剂等也尚需完善。（2）性能良好的固控设备，从数量上、质量上远远不能满足油田的需要。除砂器、除泥器效果仍然欠佳，离心机还没推广应用，细目振动筛还处于研究阶段，固控设备与固控工艺技术的优选仍停留在初级阶段。这项工作直接影响钻井速度和成本，应加强这方面的工作。6（3）基础理论研究薄弱，研究部门的仪器设备与国际先进水平相比差距较大，严重影响我国处理剂与钻井液技术进一步发展与创新。（4）深井、超深井钻井液技术，复杂地层钻井液技术，水平井、丛式井钻井液和完井液技术，特别是短半径、超短半径钻井液技术，小井眼钻井液和完井液技术，都应进一步深入研究解决。（5）保护油气层系统工程的研究亟待解决，从钻开油层、测试、生产、增产措施以及提高采收率系统地整装地保护储层，以及预测、诊断、评价、预防及处理全套技术的研究。（6）环境保护方面的研究工作尚处于起步阶段，应积极进行无毒原材料处理剂和钻井液、完井液的研究，加速解决废弃钻井液固液分离问题，并发展固化等新技术。（7）在我国钻井液技术领域，计算机应用尚未普及，开发的软件还很少，实用的人工智能专家系统仍处于探索阶段。五、国内外钻井液技术发展动态近年来国内外钻井液技术的发展主要体现在钻井液体系及其处理剂的更新上，下面从水基钻井液、油基钻井液和新型的合成基钻井液等方面作以扼要的介绍。1、水基钻井液（1）聚合物钻井液国外传统的聚合物钻井液主要有部分水解聚丙烯酰胺（PHPA）钻井液、XC生物聚合物钻井液、羟乙基纤维素（HEC）钻井液等。近年来，国外发展较快的是M-I公司研制的阳离子聚合物钻井液体系，主要用作防塌钻井液使用。该体系所使用的处理剂主要包括高分子阳离子聚合物（MCAT）和低分子阳离子聚合物（ACAT-A）。目前，欧美国家的防塌钻井液正朝着抗高温、强抑制性和多功能的方向发展。近年来俄罗斯也研制出多种聚合物处