超深井高温钻井液技术概况及研究方向的探讨

[摘 要] 我国未来深部大陆科学钻探深度为12000m ～ 13000m,井底温度将达到350℃以上,钻井液将面临超高温高压环境,钻井液技术将面临严峻考验。本文重点介绍了国内外典型深井及超深井钻探和高温地热井钻探钻井液使用情况,提出了抗高温钻井液的主要技术难点是高温高压及污染条件下钻井液流变性、滤失量、润滑性控制。耐温250℃以上钻井液处理剂及体系、耐高温钻井液试验仪器和地面循环降温系统是超高温钻井液技术研究方向。     

耐230 ℃高温海水钻井液室内实验研究

为了解决深海油气井工程和大洋科学钻探深部高温井段钻井液流变稳定性和护壁性能等变差问题,以复合粘土为造浆材料,通过优选抗温抗盐降滤失剂、防塌剂和高温稳定剂等关键处理剂及钻井液配方优化研究,研发了一套耐230 ℃高温海水钻井液配方。采用高温高压流变仪、六速旋转粘度计和高温高压滤失仪等仪器,开展耐230 ℃高温海水钻井液的综合性能评价,如热稳定性、高温流变性等。实验结果显示,密度1.5 g/cm³的钻井液在230 ℃老化16 h前后,表观粘度变化率为2.5%,高温高压滤失量为23 mL。研究结果表明,该海水钻井液抗温可达230 ℃,具有良好的抗高温稳定性、高温流变性能以及较低的高温高压滤失量,可满足深海高温硬岩钻探要求。     

适于深部取心钻探井超高温聚磺钻井液体系研究

东北松辽盆地强水敏泥岩、泥页岩、凝灰岩发育,地温梯度高达4.1℃/100m。深井钻进过程中易出现井壁失稳、钻井液抗温能力不足等复杂情况,研制深部取心钻进配套用超高温钻井液具有迫切的工程需要。通过造浆土、抗温抗盐处理剂、防塌剂等处理剂优选及复配试验,完成了抗高温聚磺钻井液配方设计。钠土与凹凸棒土复配保证了高温钻井液具有合适的粘土胶粒浓度,处理剂优选在满足良好护胶性能的基础上充分考虑了其粘度效应。综合测试结果表明,该聚磺钻井液在230℃条件下连续加热滚动24h后性能稳定,且具备良好的抑制性、润滑性及一定的抗污染能力。在东北松辽盆地某深井连续取心钻进过程中取得了良好的应用效果。     

松科二井取心钻进高温钻井液技术

松科二井完钻井深为7108.88 m;完钻时停止钻井液循环后38 h,实测井底温度241℃。针对地层和温度情况,研究出了3种高温水基钻井液:抗温180℃的氯化钾聚磺钻井液;抗温230℃的高温聚合物钻井液;抗温250℃超高温的甲酸盐聚合物钻井液。其中,250℃钻井液以新型高温稳定剂为核心处理剂,凹凸棒土与钠膨润土黏土相,形成了新型甲酸盐聚合物体系。数据表明这几种钻井液具有良好的高温稳定性和较低的高温高压滤失量。工程现场的钻井液实验室结合取心作业特点,实时测试评价现场井浆的常规性能,同时监测井浆的抗温能力和高温流变性,根据实验数据和现场工况针对性的对井浆进行维护、调整,确保高温井段取心作业期间钻井液具有良好的性能。且在长时间裸眼、多次起下钻的工况下井壁稳定,测井、固井作业均得以顺利进行。各体系钻井液在转换时实现了安全平稳的过渡,极大的节约了成本。     

耐高温泡沫钻井液技术研究概况及研究方向探讨

耐高温泡沫钻井液是对深井、超深井、高温地热井、干热岩等资源开采,特别是超高温资源的开采有效的钻井液之一。本文在分析耐高温泡沫钻井液面临的主要问题的基础上,对国内外抗高温泡沫处理剂、耐高温泡沫钻井液体系应用情况进行了介绍。深井、超深井、干热岩、地热井等钻探中会面临超高温、低压易漏地层,因此对低密度钻井液体系的要求也越来越高,主要技术难点是高温、低压,窄密度窗口钻井液的性能的控制。结合对耐高温泡沫钻井液主要技术难点的分析以及高温对泡沫钻井液的要求,综合目前耐高温泡沫钻井液技术的发展,由此得出：耐260℃以上抗高温、低密度泡沫钻井液处理剂及体系,耐高温泡沫钻井液测试仪器及评价方法是未来抗高温钻井液发展的方向。     

高温海水钻井液现状及关键技术研究

在重点介绍国内外抗高温海水钻井液处理剂及钻井液体系的研究与应用情况的基础上,提出了几点针对高温海水钻井液未来研究方向的建议,抗200 ℃以上抗盐关键处理剂（如抗盐降滤失剂、增粘剂、防塌抑制剂、润滑剂等）、海水体系、检测仪器、高温环保等是超高温海水钻井液技术研究的方向。     

抗高温泡沫钻井液体系评价研究

高温地热钻井过程中,温度会对泡沫钻井液体系稳定性造成影响。针对高温地热井泡沫钻井液的技术要点,分别对发泡剂、稳泡剂、抗温土的优选,在此基础之上分别对泡沫钻井液的抗高温性能、抗污染能力进行了评价。实验结果表明:(1)优选出的发泡剂/聚合物/粘土体系在不同温度下进行测试,均具有良好的泡沫稳定性和发泡能力,说明初步形成的泡沫体系具有良好的抗230℃高温的能力。(2)通过模拟欠平衡钻进过程中地热水对泡沫钻井液体系的污染发现,该体系耐一价盐能达到20%,而且在加入5%CaCl_2后析液半衰期仍在5 min以上,最终形成一套抗高温能力可达230℃,具有较好悬浮携带能力的地热井抗高温环保钻井液体系。     

定北区块抗高温钻井液体系优化

定北区块储层深埋温高导致常规钻井液体系失效且复杂情况多发,研制一套抗高温钻井液体系已成为解决定北区块钻井复杂情况多发的重要途径。总结分析定北区块钻遇复杂情况及钾铵基钻井液体系性能测试结果,明确了钻井液优化方向——抗高温抑制性、稳定性、降滤失性和封堵能力。针对目前现场常用多种抗高温钻井液处理剂开展了流变性、滤失性、封堵性、润滑性等性能测试实验,优选SMC和SPNH作为抗高温降滤失剂、KCl和聚胺作为抗高温抑制剂、HQ-10作为抗高温封堵剂、白油及石墨作为抗高温润滑剂、SF-1作为抗高温稀释剂,并得出最佳土粉含量为4%,最终得到了抗高温钻井液体系配方。室内性能评价实验表明,该抗高温钻井液体系在180 ℃热滚72 h后粘度、切力及失水仍满足设计要求,且抗NaCl及CaCl2污染分别达到10%和4%,储层岩心伤害渗透率恢复值可达80%以上。定北抗高温钻井液配方的形成将为定北区块安全高效钻进提供保障。     

高温盐水钻井液技术难点及国内外研究现状

在分析高温盐水钻井液面临的主要问题的基础上,对国内外抗高温、抗污染钻井液处理剂及钻井液体系的研究与应用情况进行了介绍。深井、超深井钻探中会面临各种复杂情况,因此对钻井液抗温、抗污染能力的要求也越来越高,主要技术难点是高温高压及高污染条件下对钻井液流变性、滤失量、腐蚀性的控制。耐260℃以上抗高温、抗盐处理剂及体系,耐高温钻井液测试仪器是未来抗高温钻井液发展的方向。     

高温水基钻井液研究及应用进展

向地球深部进军是我国必须要解决的战略性科技问题,深部钻探是精准探测地球深部的直接手段。随着探测地球深度的增加,深部钻探工程面临着更加复杂的高温高压钻进环境,对高温钻井液的性能提出了更高的要求。近年来,高温钻井液取得了快速发展,国外的高温钻井液抗温能力已超过260℃,而国内高温钻井液技术也在加速发展,目前仍以“三磺”、“聚磺”体系为主,抗高温能力在240℃左右。本文在对比国内外高温水基钻井液进展的基础上,分析总结了国内外主流高温处理剂及高温水基钻井液的种类、功能与工程应用情况,探讨了其在工程应用中存在的问题以及未来的技术发展方向等。提出了未来国内深部钻探高温钻井液面临的关键问题及优先发展方向,主要有研制与优化耐260℃以上高温的处理剂与钻井液体系、开发配套耐高温仪器与系统、控制经济成本以及保护生态环境等方面,将为我国未来实施的万米深地钻探工程奠定技术基础。     

钻头泥包原因分析及松科二井防泥包钻井液的应用

为解决松科二井白垩系沉积地层因泥质含量高、易水化分散,在水基钻井液环境中易导致钻头泥包从而影响钻头机械钻速、引起井下黏附卡钻等问题,结合松科二井取心钻进工艺,系统分析了钻头在泥岩和水基钻井液环境下产生泥包的原因,为钻头的防泥包设计和防泥包钻井液的配制提供了依据,并提出了具有较优异防泥包性能的钻井液配方。结果表明：松科二井钻遇的泥页岩地层具有泥质含量高、易水化产生黏性的特点,极易诱发钻头在岩屑的黏附作用和由岩屑的机械“镶嵌”共同作用下引起的钻头泥包现象。钻头的机械黏附与钻头结构尺寸、井底水力条件、钻头材料与表面状态、钻进规程参数以及钻井液性能指标均有着密切关系,调整钻井液性能是钻井现场解决泥包问题的有效途径。根据松科二井四开高温高压井段的工艺特点,经复配获得了抗高温、抗黏附性能优异的钻井液配方。高温抑制性、热稳定性及润滑性测试结果表明,该钻井液具有高温态（230℃）的强抑制性、低滤失量和润滑性好的特点,可解决松科二井取心钻头的泥包问题,有效避免机械钻速的不稳定和黏附卡钻的发生,现场应用效果良好。     

合成锂皂石用作钻井液造浆材料实验研究

高温下水基钻井液中膨润土颗粒会发生高温分散或高温聚结作用,从而导致钻井液性能发生剧变,针对这一问题,开展了合成锂皂石用作钻井液造浆材料实验研究。采用X射线粉晶衍射、扫描电镜及红外光谱对合成锂皂石H-6样进行了结构表征,对其分散性、抗盐性及抗温性能等进行了评价,并分析了合成锂皂石抗高温增稠机理。试验结果发现:合成锂皂石H-6样层间存在Na+与Li+两种阳离子,其阳离子交换容量(CEC)为149. 1mmol/100g,而且远高于钠膨润土的CEC值;合成锂皂石极易分散在水中,能明显提高水相的黏度,而且不受水化时间及水化温度影响。例如,当H-6加量从0. 5%增加至4%时,其分散体系的表观黏度从1. 5mPa·s增加至63. 5mPa·s;随着温度增加,合成锂皂石分散体系的表观黏度呈先增加后基本不变趋势,未出现高温明显增稠或高温减稠现象。例如,2%H-6分散体系在180～240℃高温老化后,其表观黏度在22～24mPa·s变化;合成锂皂石H-6样与其它处理剂配伍性好,采用其作为造浆材料配制的超高温水基钻井液具有优良的抗高温稳定性及高温流变性能,无需添加抗高温增黏剂及抗高温稀释剂来调整钻井液的流变性能。研究结果表明,合成锂皂石具有优良的抗高温分散性能,适合用作抗高温造浆材料,用于配制超高温水基钻井液。     

凹凸棒土抗高温钻井液的配方实验研究

针对现下钻探深井对抗高温钻井液的要求,在实验室内对聚合物增粘降滤失剂以及钻井液用粘土进行优选,建立抗高温钻井液的配方体系。该体系在经历200 ℃、16 h的热滚实验之后,依然保持良好的体系稳定性以及较低的滤失量。     

GL-1井抗260 ℃白油基油包水钻井液的应用研究

GL-1井完钻井深为6300.83 m,预计井底温度高达260 ℃。至完钻使用抗260 ℃高温白油基油包水钻井液施工6个月。应用结果表明：该钻井液具有抗温性（260 ℃ ）、抗污染能力强、有利于井壁稳定、润滑性好和对油气储层损害程度小等优点。该井的成功为大庆油田下一步高温深层顺利勘探开发提供了安全有效的技术保障。     

深部地热抗高温甲酸盐钻井液体系研究北大核心CSCD

为满足深部高温地热钻探需求,针对钻井液在高温作用下流变性能难以控制及重晶石等惰性材料堵塞地热储层等关键技术难题,开展抗温240℃水基钻井液技术研究。通过优选造浆材料、高温增黏剂及高温降滤失剂等抗高温材料,研发了一套具有良好的高温流变稳定性和储层保护特点的抗高温甲酸盐钻井液体系,对该钻井液体系的流变性能、滤失性能、悬浮稳定性、高温封堵性能及抗岩屑污染性能进行了评价。同时研发了一套抗高温甲酸盐钻井液与抗高温可循环泡沫钻井液之间相互转化的工艺方法,可实现在不同孔隙压力地层钻探施工中不同密度钻井液的相互转化。     

莺-琼盆地新型高温高压水基钻井液技术

位于南海西部的莺歌海-琼东南盆地（下称:莺-琼盆地）具有井底压力与温度双高、安全作业密度窗口极窄等特点,在高温高压工况下引发钻井液流变性难以控制、井下恶性漏失、电测仪器阻卡和储层保护难度大等情况.因此,基于此区块复杂的地质条件,经过多次的室内试验研究,在常规聚磺高温高压水基钻井液的基础上,通过引入甲酸钾作为配方抑制剂,同时优选抗高温聚合物以及磺化钻井液材料,在提高了体系的抑制性同时,有效地降低了钻井液的活度,并且通过加重材料的优选,钻井液的流变性得到了改善,使得体系具有较低的高温高压滤失量,密度2.5 g/cm3的体系可以抗高温达240℃.现场实践表明,新型高温高压水基钻井液体系具有良好的抗高温性和流变性,较低的高温高压滤失量,优良的滤饼质量,同时根据电缆测井井壁取心结果,此新型水基钻井液体系的储层保护效果良好.      

抗高温环保水基钻井液研究进展

为更好地服务国家生态文明建设及绿色勘查开发,环保型水基钻井液将成为发展方向。随着钻探深度增加,地层温度越来越高,对环保钻井液的抗温能力提出了更高的要求。本文介绍了国内外近10年来抗高温环保水基钻井液研究与应用的进展情况,包括高性能水基钻井液、甲酸盐钻井液、有机盐钻井液、聚合醇钻井液、硅酸盐钻井液及甲基葡萄糖苷钻井液等。总结了现有抗高温环保水基钻井液体系存在的不足,并分析了抗高温环保水基钻井液的发展趋势。     

耐240℃高温钻井液在青海共和盆地高温干热岩钻探施工中的应用

在青海共和盆地高温干热岩钻探GR1井施工过程中,钻遇含蚀变花岗岩的严重破碎地层,井壁坍塌掉块严重,导致井内多次发生卡钻事故。同时在温度最高达到236℃的高温地层中钻进,钻井液出现黏度升高、流动性变差、滤失量增大、造壁性变差、起泡严重等问题。通过将原钻井液转化为耐高温钻井液,该钻井液耐温可达到240℃以上,转化后的钻井液抗温能力增强,流变性能变好,护壁效果提高,泡沫显著减少,从而保证了深部高温井段钻探施工顺利进行。     

干热岩耐高温钻井液的研究进展与发展趋势

在如今传统能源储量日益减少的趋势下，干热岩这类新型地热资源的开发显得尤为重要，而干热岩钻井由于其井下的超高温环境，对传统钻井液系统提出了非常严格的要求。传统钻井液在高温作用下滤失量大大增加，普通的辅助添加剂往往不能发挥出功效。常用的以“三磺材料”为核心的钻井液虽然具有令人满意的耐温效果，但因其含有大量有毒物质，污染程度十分严重，需要开发新的环保型钻井液耐高温体系。国外干热岩研究早于国内三十余年，有着十分重要的耐高温钻井液经验与技术，作为刚起步的国内干热岩研究，也有着“青海共和盆地恰不恰干热岩”这样十分重要的项目工程。本文首先介绍了当前干热岩钻井概况以及对钻井液的性能要求，并结合国内外学者对耐高温钻井液与环保钻井液的研究进展，了解其配方组分与设计思路，结合干热岩特点探讨干热岩耐高温钻井液发展趋势，旨在为干热岩钻井液技术研究上提供支持。     

新型抗高温二次交联凝胶堵漏材料的研制

针对普通凝胶抗温能力较差难以适用于高温地层堵漏作业的问题,通过设计合成抗高温凝胶主剂GN-1并运用二次交联技术,研发了新型抗高温凝胶堵漏材料。优选配方为：淡水+1.5%GN-1+0.15%地面交联剂+1%井下交联剂+0.2%抗氧化剂。通过热滚老化与高温流变测试相结合的手段对凝胶抗温能力进行评价。结果表明,该凝胶材料具有良好的热稳定性,在180 ℃下老化24 h后,7.34 s-1下剪切粘度＞10000 mPa?s。大幅加重后180 ℃老化24 h仍能保持较好的粘弹性。此外还考察了不同温度和pH值下的成胶性能以及与聚磺钻井液体系的配伍性,为抗高温凝胶堵漏材料在现场的应用奠定基础。