孫金聲，蔣官澄：鉆井工程“血液”——鉆完井液技術的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

瀏覽：作者：前瞻科技雜志來源：前瞻科技雜志時間：2023-07-12 分類：行業(yè)資訊

文章摘要

系統(tǒng)梳理了深層、深水、非常規(guī)等復雜油氣鉆探中面臨的鉆完井液技術難題，結合關鍵科學問題及其研究進展，對深層、深水、非常規(guī)等復雜油氣鉆完井液技術未來的發(fā)展方向給出了建議。針對復雜油氣鉆井過程中遭遇的高溫高壓高鹽、儲層損害、流變性能差、水合物堵塞及井壁失穩(wěn)等問題，國內外學者研發(fā)了抗高溫環(huán)保型、抗高溫高鹽高密度型及液體套管型鉆完井液技術。但隨著鉆探的地層情況越來越復雜，還存在鉆完井液材料抗高溫能力不足、環(huán)保性能差及井漏與儲層損害嚴重的問題。為滿足復雜油氣鉆探過程中鉆完井液性能需求，未來還需深入研究鉆完井液處理劑作用機制，建立安全高效的鉆完井液多功能一體化調控方法，構建智能鉆完井液理論與技術，為復雜油氣資源開發(fā)提供技術保障。

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根據美國能源信息署最新預測，石油和天然氣在2050年前世界能源消耗量中仍居于首位，在未來相當長的時間內油氣仍然是經濟社會發(fā)展不可替代的主要能源。全球范圍內深層油氣資源勘探已開展了大量研究，世界新增油氣儲量60%來自深層，中國83%深層油氣有待探明和開發(fā)，向“地下珠峰”進軍獲取油氣資源是保障國家能源安全的重大戰(zhàn)略任務。據美國地質調查局和國際能源署（International Energy Agency, IEA）預測，深水油氣資源的產量規(guī)模超過10¹¹桶，是未來海洋油氣增產的重要來源。中國南海主要沉積盆地石油地質資源占中國油氣總資源量的1/3，其中70%蘊藏于153.7×10⁴ km²的深水區(qū)域。新時代，中國國民經濟高速發(fā)展，石油和天然氣消費需求逐年增長，油氣供應對外依存度仍居高位，2022年，中國原油對外依存度達71.2%，遠高于國際石油安全警戒線，天然氣對外依存度為40.2%，嚴重影響中國能源安全，迫切需要提升油氣自給能力。中國油氣資源勘探開發(fā)逐步向深層、深水、非常規(guī)等復雜油氣進軍，且復雜油氣已成為中國乃至全球重要接替能源，但是特深井特深水條件下安全性和高效性仍需要進一步提升，同時也存在井底超高溫高壓、大溫差、地層巖性復雜多變、非均質性強、安全密度窗口窄、井壁失穩(wěn)嚴重等問題。

目前，中國鉆探深度已邁上9000 m新臺階，并向10000 m邁進，13000 m的大陸科學探井也已提上日程。據悉，中國石油西南油氣田已在四川省廣元市部署一口萬米科學探井，預計2023年開鉆。中國石油西南油氣田蓬萊氣區(qū)蓬深6井的順利完鉆刷新了亞洲最深直井紀錄，井深最深達到9026 m，堪稱“地下珠峰”。中國工程院院士羅平亞認為，刷新亞洲最深直井紀錄，說明中國深井鉆井的整體水平進一步提升，標志著中國鉆井裝備和鉆井技術在亞洲居于領先地位，總體達到世界先進水平。同時，由中海油田服務公司研發(fā)的深水恒流變合成基鉆完井液技術，其恒流變溫度范圍指標已經位于國際水平前列，分別突破最低3 ℃和最高180 ℃的極限溫度，為進一步開發(fā)更高難度的深水深層等復雜油氣資源提供了堅實的技術保障。

同時，孫金聲院士團隊承擔了2019年國家自然科學基金重大項目——井筒工作液與天然氣水合物儲層作用機制和調控方法，聚焦南海天然氣水合物復雜結構井成井難題，開展井筒工作液與儲層間物理化學作用機制研究，研制滿足鉆井需求的新材料，構建高效井筒工作液體系，建立井筒工作液多功能一體化調控方法，有效解決了南海天然氣水合物鉆井過程中地層封堵困難、井漏、井涌、儲層損害等技術難題，為中國南海天然氣水合物安全高效鉆井奠定了堅實的理論和技術基礎。2022年，孫金聲團隊依托中國石油大學（華東），并聯(lián)合南方科技大學、中國石油集團工程技術研究院有限公司共同申報的基礎科學中心項目“超深特深層油氣鉆采流動調控”獲國家自然科學基金委員會立項資助，這是中國油氣領域首個基礎科學中心項目。圍繞抗超高溫高鹽鉆采工作液材料、惡性漏失防治、流動調控軟件和智能調控技術等“卡脖子”難題與重大技術瓶頸，開展超深特深層油氣鉆采流動調控基礎研究，創(chuàng)新超深特深層油氣鉆采流動調控理論和方法，引領國際超深特深層油氣科學與技術發(fā)展。

復雜油氣鉆探中鉆完井液的重要作用及關鍵科學問題

隨著全球能源需求的增加，深層、深水、非常規(guī)等復雜油氣資源的開發(fā)得到了迅猛發(fā)展，已成為中國油氣增儲上產重點突破方向。在鉆進過程中，鉆完井液面臨諸多挑戰(zhàn)，如處理劑抗溫能力不足，鉆完井液流變性難于調控，井眼清潔差，容易引起井壁失穩(wěn)、井下漏失等鉆井風險，以及儲層損害難以控制。這些問題給鉆井工作帶來了諸多困難，同時對鉆完井液技術提出了更高的要求。

1.1 鉆完井液在復雜油氣鉆探中的作用

鉆完井液是滿足鉆井工程需要的循環(huán)流體，被稱為“鉆井的血液”，具有攜帶巖屑、平衡地層壓力、穩(wěn)定井壁、保護儲層、傳遞水功率、潤滑和冷卻鉆頭等功能。當前，深層、超深層已經成為中國油氣重大發(fā)現(xiàn)主陣地，四川盆地的天然氣勘探開發(fā)也不斷向地球深部邁進。對于井底溫度在200 ℃以上的井，水基鉆完井液的高溫穩(wěn)定性仍然是一個大問題，特別是高密度高鹽條件下水基鉆完井液的流變性和濾失性難以調控。油基鉆完井液在超高溫條件下更具有優(yōu)勢，抗溫能力可達240 ℃、密度可超過2.6 g/cm³。深層油氣儲層保護方面的研究較少，目前主要是利用無固相完井液、微錳加重完井液來降低固相的儲層損害，或者使用油基/合成基鉆完井液降低水敏效應，但仍存在成本高的缺點。深水鉆井面臨井壁失穩(wěn)和天然氣水合物生成的技術難題，中國深水油氣鉆完井液技術取得了長足進步。深水水基鉆完井液方面，高性能水基鉆完井液的恒流變溫度范圍能夠達到150 ℃，也開發(fā)了以天然高分子材料為原料的改性助劑，保障了鉆完井液體系在具有較好性能的同時兼具良好的環(huán)保性能。深水油基/合成基鉆完井液方面，自主研發(fā)的深水合成基鉆完井液技術已位于國際領先水平。

1.2 復雜油氣鉆探中面臨的技術難題與關鍵科學問題

1.2.1 技術難題

1）深層油氣鉆遇高溫高壓地層，缺乏抗超高溫高鹽的鉆完井液材料及體系

深層油氣鉆探主要存在以下難題：井底超高溫、高壓、高應力環(huán)境；鉆探地層巖性與地質構造復雜多變且難以預知；地層流體與地層/儲層物化性質多變；儲層孔道更致密、非均質性更強；環(huán)保性能差；裂縫性地層漏失嚴重，防漏堵漏材料及體系不完善；缺乏抗超高溫材料，難以形成穩(wěn)定的鉆完井液體系。這樣導致鉆完井液的設計盲目性大，致使井漏、井塌、卡鉆、攜巖、井噴等鉆井風險頻發(fā)且嚴峻，儲層損害嚴重，甚至導致井毀人亡的災難性事故。針對這些難題，目前國內外學者研發(fā)了抗高溫高鹽高密度鉆完井液、環(huán)保鉆完井液、暫堵型保護油氣層鉆完井液及防漏堵漏技術，并取得了較好的應用效果。

2）深水油氣鉆探地層承壓能力弱，井壁穩(wěn)定問題突出

深水地層比較復雜，油氣鉆探過程中除面臨與深層油氣同樣問題外，還有以下難題：泥線溫度低而井底溫度高，即“冰火兩重天”，高低溫交替導致鉆完井液流變性難以調控；鉆遇水合物層、淺層氣可能產生氣體水合物堵塞管匯；深水區(qū)域受到上覆壓力偏低，易于垮塌、膨脹和分散，容易引起井壁失穩(wěn)；井眼清潔差、重晶石沉降、安全密度窗口窄、易出現(xiàn)漏失等鉆井風險。針對以上難題，國內外學者研究了高低溫作用下鉆完井液處理劑性能影響因素、海域天然氣水合物相關處理劑及鉆完井液體系、深水恒流變鉆完井液及儲層保護鉆完井液體系，均取得了一定的成效。

3）深層深水鉆探過程中儲層損害嚴重，亟需形成隨鉆儲層保護技術

在深層深水鉆探過程中會發(fā)生不同程度的油氣層損害，導致產量下降，甚至“槍斃”油氣層，研究者先后建立了屏蔽暫堵、精細暫堵、物理化學膜暫堵及仿生暫堵保護油氣層鉆完井液技術，使保護油氣層效果逐步提高。但隨著非常規(guī)、復雜、超深層、超深水等類型油氣層勘探開發(fā)力度的加大，現(xiàn)有的保護技術難以滿足要求。同時，國際前沿的防塌與堵漏技術難以抑制表面水化、無法封堵納微米孔縫，更不能通過膠結巖石顆粒而提高儲層井壁巖石強度和致密性，誘發(fā)儲層損害程度加大；以水平井為主且多數(shù)儲層巖石似“磨刀石”的復雜油氣層，摩阻損害大，且目前國內外潤滑減阻技術難以在鉆具、井壁表面形成平滑面，摩阻高、鉆井作業(yè)時間長，加劇儲層損害。

1.2.2 關鍵科學問題

1）滿足復雜工況的處理劑分子結構設計及其與儲層的物理-化學作用

處理劑分子結構是決定處理劑性能的關鍵，不同分子結構的處理劑在高溫高壓高鹽等復雜工況條件下的空間分布形態(tài)及與地層礦物的作用機制不同，極易引發(fā)深層及深水鉆井過程中井壁失穩(wěn)、儲層損害等問題。因此，亟需研發(fā)抗超高溫高鹽及環(huán)境響應型處理劑，揭示其與儲層的物理-化學作用機制，構建高性能鉆完井液體系及性能調控方法。

2）天然氣水合物抑制機制及一體化調控方法

深入研究深水淺層天然氣水合物抑制劑與儲層間的作用機制，防止出現(xiàn)因水合物堵塞管匯而造成井壁失穩(wěn)問題，構建鉆探天然氣水合物的專用鉆完井液體系；通過揭示鉆完井液與儲層間復雜的物理化學作用機制，闡明鉆完井液侵入對力學穩(wěn)定性影響機制，建立深水油氣地層鉆完井液封堵、防漏堵漏、保護儲層及井壁穩(wěn)定一體化調控方法，保障安全高效鉆井。

深層及深水油氣鉆探鉆完井液技術研究進展

2.1 抗高溫環(huán)保鉆完井液體系

隨著環(huán)境管理法規(guī)和環(huán)境限制指標的加強，在進行鉆井設計時，都將鉆井現(xiàn)場的環(huán)保作為一項重要指標來考核?！吨腥A人民共和國海洋石油勘探開發(fā)環(huán)境保護管理條例實施辦法》明確規(guī)定：“含油量超過10%的水基鉆完井液禁止向海中排放；使用油基鉆完井液時，鉆屑中的含油量超過15%時，禁止排放入海?！彪m然目前廢棄鉆完井液處理技術取得了一定成效，但解決鉆完井液環(huán)境污染的根本方法還是開展環(huán)保型鉆完井液技術的研究，從源頭控制污染。自20世紀90年代以來，國內外相繼開發(fā)出了具有環(huán)保性能的鉆完井液體系。目前，抗高溫環(huán)保型體系主要有高性能水基類、聚合醇類、烷基糖苷類及合成基類等。

2.1.1 高性能水基類

近年來，為了降低成本、減少環(huán)境污染，研發(fā)出了一種性能好、成本低的高性能水基鉆完井液。高性能水基鉆完井液主要由頁巖抑制劑、包被劑、分散劑和降濾失劑等組成。國外，以斯倫貝謝公司的HydraGlyde和UltraDrill、貝克休斯公司的PerforMax和Latidrill、哈里伯頓公司的Shall-Drill及Newpark公司的Evolution等高性能環(huán)保水基鉆完井液體系為代表，這些體系均具有良好的流變性、潤滑性及優(yōu)異的頁巖抑制性，能夠適用于深水鉆井及復雜頁巖層鉆井，在美國多個區(qū)塊成功應用。國內，中國石化中原石油工程公司研發(fā)了GOF環(huán)保高性能水基鉆完井液體系，能夠有效解決泥頁巖層鉆井過程中井壁失穩(wěn)、卡鉆、鉆速慢等技術難題，安全環(huán)保且成本較低。針對四川及云南龍馬溪組頁巖地層遇水易垮塌，微裂縫、裂縫發(fā)育等問題，康圓等、閆麗麗等和孫金聲等以改性二氧化硅封堵劑為核心配制了一種疏水強封堵水基鉆完井液，該鉆完井液的頁巖回收率達90.2%，對40~60目砂床滲入深度僅為1.5 cm，具有優(yōu)異的抑制、封堵、疏水和抗污染能力。此外，該團隊還研制了一種強抑制強封堵水基鉆完井液體系，經現(xiàn)場應用，電測一次成功，井徑規(guī)則，平均井徑擴大率為5.71%。蔣官澄等基于“封堵、抑制、固化、雙疏、潤滑”理論，形成了仿生固壁劑、仿生潤滑劑及雙疏型高性能水基鉆完井液?，F(xiàn)場試驗表明，該鉆完井液體系可以降低井底復雜情況，縮短建井周期，滿足安全、高效、環(huán)保鉆井的需要。

2.1.2 聚合醇類

聚合醇鉆完井液是以聚合醇為主劑配制的環(huán)保型水基鉆完井液體系，能夠增強鉆完井液的抑制性、封堵性和潤滑性。20世紀90年代，國外便已經開發(fā)了聚乙二醇共聚物（COP/PPG）鉆完井液體系。研究表明，聚合醇與氯化鉀協(xié)同作用，可顯著增強體系的抑制性能，針對水敏性地層易出現(xiàn)掉塊、垮塌等井壁失穩(wěn)問題，具有良好的效果。此外，聚合醇鉆完井液在海洋深水鉆井得到了應用。劉曉棟等研制了抗溫200 ℃的聚合醇體系，并在環(huán)渤海油田現(xiàn)場應用，該體系EC₅₀（半數(shù)效應濃度）大于3×10⁵mg/L，符合一級海區(qū)生物毒性排放要求，有效解決了環(huán)境敏感性海域高溫深井鉆探問題。

2.1.3 烷基糖苷類

烷基糖苷鉆完井液是一種具有較好的抑制性和潤滑性，流變性能穩(wěn)定，兼具環(huán)保性的水基鉆完井液，適用于鉆大位移井和大斜度井及海洋等環(huán)境敏感地區(qū)。其中，甲基葡萄糖苷鉆完井液最先得到廣泛應用，如中國南海地區(qū)WZ-6-9油田、大港油田濱26X1井、墨西哥灣Tick鉆井平臺等。為提高甲基葡萄糖苷鉆完井液的抑制性，改性烷基糖苷鉆完井液得到發(fā)展。趙虎等對烷基糖苷進行陽離子改性，研制了抗溫達150 ℃的烷基糖苷鉆完井液，成功解決了小河壩組、龍馬溪組等頁巖地層的井壁失穩(wěn)問題。此外，通過對烷基糖苷進行磺化改性，也可提高烷基糖苷鉆完井液的綜合性能。

2.1.4 合成基類

合成基鉆完井液是以人工合成的有機化合物作為連續(xù)相，鹽水作為分散相，并由乳化劑、降濾失劑、流型改進劑等組成的鉆完井液。合成基鉆完井液的環(huán)保性能及易于達到恒流變的特點，使其在海洋深水鉆井中得到應用。FLAT-PRO合成基鉆完井液流變性能穩(wěn)定、攜巖能力強、井眼清潔效果好，在南海東部超深水井荔灣22-1-1井成功應用。中江204H井成功應用了生物質合成基鉆完井液，該體系抗溫150 ℃，流變性、濾失性、潤滑性和抑制性強，且環(huán)保風險和廢棄物處理成本較低。然而，生物質基鉆完井液仍存在一定缺陷。在長期高溫和堿性條件下，生物質基鉆完井液會發(fā)生水解，導致性能變差，維護處理難度增大。

2.2 抗高溫高鹽高密度鉆完井液

2.2.1 磺化/聚磺類

國內抗高溫水基鉆完井液大致經歷了鈣處理、磺化和聚磺3個階段。鈣處理鉆完井液通過鈣離子抑制黏土分散，改善高溫條件下的濾失造壁性能和流變性能。20世紀70年代后，由王平金等學者研制的三磺鉆完井液使抗溫性能大幅提高。三磺材料主要是磺化褐煤（SMC）、磺化酚醛（SMP）和磺化單寧（SMT），抗溫能力可達180 ℃。而聚磺鉆完井液是在磺化鉆完井液的基礎上引入抗溫抗鹽性能優(yōu)良的聚合物處理劑，提高了體系的流變性能和濾失性能，使體系的抗溫能力提升至200 ℃以上。國外的DURATHERM體系是一種抗溫性能良好的水基聚磺鉆完井液，理論最高抗溫能力達260 ℃，抗鹽性能良好，抑制性強，同時具有良好的儲層保護性能。該體系在鶯歌盆地LD22-1-7井中使用時，最高井溫為207 ℃，最高密度為2.24 g/cm³，且能夠提高鉆速，提高鉆屑清除效率，降低鉆井成本。

2.2.2 油基類

近年來，隨著國內外油氣資源勘探開發(fā)的不斷深入，深井、超深井數(shù)量逐漸增加，井底溫度上限也不斷刷新（例如，大慶松遼盆地古龍1井井深超6300 m，井底溫度達260 ℃），油基鉆完井液具有抑制性好、維持井壁穩(wěn)定、保護儲層、潤滑性好及提高鉆井速度的優(yōu)點，逐漸成為了鉆探深井、超深井、高難度井、水平井的必然選擇。國外在20世紀60年代就十分重視油基鉆完井液的研制與應用。MI-Swaco公司以無胺基乳化劑為核心，結合高性能抗溫有機土、改性單寧混合型抗高溫降濾失劑等構成了超高溫高壓油基鉆完井液體系UHTHP，室內評價結果表明，該體系可在300 ℃高溫下保持優(yōu)異的流變性、乳液穩(wěn)定性和濾失性，并在泰國成功應用。哈里伯頓公司研制的一種密度為2.2 g/cm³的油基鉆完井液，可抗204 ℃高溫，已在北海油田等多個國內外油田成功應用。在國內，王建華等采用乳液聚合法合成出油基鉆完井液用納米聚合物封堵劑，性能評價結果表明，高溫高壓濾失量降低34%，封堵率從90%提高到100%，該封堵劑能在微裂縫表面形成致密封堵層，有望解決頁巖井壁穩(wěn)定的問題。覃勇等以妥爾油脂肪酸和馬來酸酐為主要原料合成了一種油基鉆完井液抗高溫主乳化劑HT-MUL和輔乳化劑HT-WET，以此為核心構建了一套抗高溫油基鉆完井液，在威204H5平臺頁巖氣開發(fā)井進行試驗取得了成功，并得到大規(guī)模推廣應用。

2.2.3 聚合物類

國外抗高溫聚合物鉆完井液技術起步早發(fā)展快，早在20世紀60年代就開始了聚合物類的研發(fā)與應用。殼牌公司研發(fā)的甲酸銫無固相體系，抗溫性達220 ℃，密度可達2.37 g/cm³，具有良好的流變性和潤滑性，可有效避免高密度條件下重晶石沉降問題，但是價格昂貴。MI-Swaco公司構建的抗高溫聚合物體系Envirotherm NT，抗溫可達232 ℃，密度達2.2 g/cm³，抗污染能力強，抗溫耐鹽，對地層損害小。目前，國內外成功應用的典型抗高溫聚合物體系有：不分散低固相聚合物體系、仿生聚合物體系、雙疏高效能聚合物體系、甲酸銫無固相體系、抗高溫聚合物體系等。勝利油田于1973年首次采用不分散低固相聚合物技術，使鉆速提高20%以上。王巖等合成了一種五元共聚物降濾失劑，實驗結果表明，合成的五元共聚物抗溫達180 ℃、抗鹽至飽和、抗鈣達1.25%，在聚合物鉆完井液中具有良好的效果。Xuan等、Jiang等和Ni等研發(fā)了系列仿生鉆完井液材料，并創(chuàng)新建立了仿生聚合物鉆完井液理論與技術，在長慶蘇里格的蘇53區(qū)塊水平段鉆井時，平均提高鉆速27%、鉆完井液綜合成本降低26.4%，效果顯著。此外，Jiang等以研發(fā)的超雙疏劑為核心，進一步構建了超雙疏高效能聚合物鉆完井液領先技術，實現(xiàn)了聚合物鉆完井液技術的飛速發(fā)展。

2.3 儲層保護鉆完井液

中國常規(guī)淺層油氣田資源量逐步減少，而深層、超深層都伴隨著地層的高溫、高壓，使用高固相含量的鉆完井液易堵塞油氣滲流通道，造成儲層傷害，影響油氣井產量或新油氣田的發(fā)現(xiàn)。

2.3.1 暫堵型保護油氣層鉆完井液

為減輕或避免鉆完井液導致的油氣層損害、提高單井產量，國內外學者們先后建立了“屏蔽暫堵、精細暫堵、物理化學膜暫堵”的保護油氣層鉆完井液技術。但隨著鉆探的儲層條件越來越復雜，以前的保護技術難以滿足要求。為此，孫金聲等針對致密頁巖油氣藏中的儲層損害問題，闡述了物理顆粒暫堵、化學成膜暫堵、欠平衡鉆井完井和界面修飾等儲層保護技術的基本原理及研究進展，并給出了致密/頁巖油氣儲層保護技術的未來發(fā)展方向。蔣官澄等率先將仿生學引入保護油氣層鉆完井液理論中，發(fā)展了適合不同油氣層的“超雙疏、生物膜、協(xié)同增效”仿生暫堵保護技術，實現(xiàn)不同滲透率油氣層“零”損害目標，使單井產量得到了較大的提高，并在各大油田得到推廣應用，效果顯著。

2.3.2 液體套管油氣層保護鉆完井液

針對“屏蔽暫堵、精細暫堵、物理化學膜暫堵、仿生暫堵”型保護油氣層鉆完井液技術無法有效解決特殊油氣層“井塌、井漏、高摩阻”帶來的儲層損害難題，蔣官澄等繼續(xù)向自然界學習，利用發(fā)明的仿生超雙疏劑、仿生固壁劑、仿生鍵合潤滑劑，再配合其他處理劑，取得了可隨鉆形成“液體套管”的保護儲層鉆完井液新技術的原創(chuàng)性成果。主要作用原理：在鉆井過程中，由特種處理劑構成的鉆完井液在油氣層井壁上隨鉆充填、封堵孔-縫-洞、加固井壁，形成薄而致密、光滑、抗沖擊、耐沖刷、似“套管”的高強度封堵帶，完全阻隔鉆完井液與油氣層直接接觸，實現(xiàn)“保護油氣層、提高產量”與“防控鉆井風險、保障安全鉆井”一體化目標。

在室內，蔣官澄帶領團隊成員系統(tǒng)研究了液體套管的致密性、封堵強度、潤濕性、潤滑性，以及液體套管鉆完井液的流變性、濾失造壁性、抑制性、強化井壁能力、油氣層保護效果等，結果表明，各種性能優(yōu)于以前保護油氣層鉆完井液技術，解決了以前技術存在的缺點，引領了保護油氣層鉆完井液技術的發(fā)展。

液體套管油氣層保護鉆完井技術已在昭通頁巖氣、渤海灣頁巖油、蘇里格和松遼盆地致密氣、準格爾盆地致密油、山西煤層氣等地區(qū)，以及乍得等國家1000余口復雜油氣井上得到成功應用。與同區(qū)塊使用過的油基鉆完井液或其他高性能水基鉆完井液相比，該技術可使平均井塌事故率降低82.6%、井漏降低80.6%、阻卡與卡鉆復雜情況降低80.7%、機械鉆速提高32.8%、產量提高1.5倍以上，效果顯著；被斯倫貝謝公司引入后，在承包的延安寶塔、子長縣、安塞等地區(qū)規(guī)模應用，平均鉆速提高30.1%以上、產量提高1.6倍以上等。總的來說，液體套管油氣層保護鉆完井為中國年產超40億m³的最大煤層氣田、年產超3000萬t的最大原油生產基地——渤海油田和儲量達千億方的渤中19-6凝析氣田、年產超300萬t的世界最大礫巖油田——瑪湖油田、年產30億m³的臨興-神府大型致密氣田建設提供了一項支撐技術。

2.3.3 無土相水基/油基/合成基鉆完井液

常規(guī)深井、超深井高密度鉆完井液采用的重晶石、鐵粉等固相加重材料易堵塞油氣通道，對儲層造成不可逆損害，以可溶鹽為加重材料的無固相鉆完井液可滿足深井高密度鉆完井液加重需求，對儲層保護效果也很好。針對渤中19-6區(qū)塊鉆井過程中易井漏、儲層保護難度大等難題，馬英文等以聚胺和甲酸鉀為抑制劑和加重材料為主劑，構建出一套新型抗高溫無固相鉆完井液。該體系可抗溫達200 ℃，同時可在高溫環(huán)境下穩(wěn)定存在7 h。孫金聲等和蔣官澄等研發(fā)的抗高溫高密度無土相油基鉆完井液密度可達2.7 kg/L，抗溫性可達260 ℃，同時可抗質量分數(shù)為25%的蒸餾水污染和質量分數(shù)為15%的CaCl₂溶液污染。相比于傳統(tǒng)油基鉆完井液，無土相油基鉆完井液因不含有機土，流變性優(yōu)良，有利于提高鉆速和保護儲層等。

2.3.4 深水恒流變鉆完井液

深水鉆進過程中，鉆完井液面臨諸多挑戰(zhàn)，如泥線溫度低而井底溫度高、流變性難于調控、重晶石沉降、當量循環(huán)密度（ECD）變化大、容易引起井壁失穩(wěn)及井下漏失等鉆井風險。因此，弱化鉆完井液黏度、切力對溫度的敏感性，使其流變參數(shù)在一定溫度范圍內基本保持恒定是解決該難題的關鍵，從而發(fā)展出了恒流變鉆完井液。

MI-Swaco公司的恒流變合成基鉆完井液依靠流變調節(jié)劑和有機土，配合實現(xiàn)“恒流變”。而哈里伯頓公司研發(fā)的恒流變鉆完井液采用一種酰胺類流變性調節(jié)劑替代有機土，在高溫下能保證酰胺基團吸附在膠粒表面，避免了有機土低溫增稠。由中海油田服務股份有限公司研發(fā)的深水恒流變合成基鉆完井液HEM和FLAT-PRO體系突破了180 ℃的極限溫度，超越當時國際同類技術。蔣官澄等建立了一套密度為1.2 g/cm³的生物柴油基恒流變鉆完井液體系，該體系環(huán)保性能優(yōu)良，可在2~230 ℃條件下保持恒流變性，并可抗5%的海水和10%的頁巖屑污染，為深水油氣資源的開發(fā)提供了技術保障。

2.3.5 天然氣水合物保護油氣層鉆完井液

井壁穩(wěn)定是天然氣水合物安全高效鉆井的核心，高性能井筒工作液是維持井壁穩(wěn)定的關鍵。從抑制水合物效果、環(huán)保和成本控制綜合考慮，水基鉆完井液仍是天然氣水合物勘探的首選。孫金聲團隊研究了不同溫壓條件下的改性淀粉、羧甲基纖維素鈉（CMC）和黃原膠（XC）對CH₄水合物形成的影響，研究發(fā)現(xiàn)，深水常規(guī)油氣及水合物鉆井過程中，若井下溫壓條件對水合物形成的驅動作用較強，則XC更適合配制水合物抑制性的鉆完井液。此外，為探明水合物儲層損害類型及機制，基于核磁共振技術建立了井筒工作液侵入水合物儲層的模擬試驗方法，探究在不同液相侵入溫度下水合物分解特性及儲層損害程度；提出了將納米有機硅材料引入天然氣水合物鉆完井液，提高封堵性能，減小侵入引起的儲層損害。Wang等研制了一種天然氣水合物用復合強化井壁穩(wěn)定劑TA-PVA，實驗表明，巖心抗壓強度由0.22 MPa提升至0.45 MPa，且抑制膨潤土水化膨脹率達76.36%，有效提高了儲層井壁穩(wěn)定性。

經過20多年的快速發(fā)展，中國的天然氣水合物勘探開發(fā)取得了較為豐碩的成果，中國于2017年在南海神狐海域成功進行了首次天然氣水合物試采工作，2020年在此區(qū)域又成功進行了第2次試采工作，創(chuàng)造了“產氣總量為86.14×10⁴ m³，日均產氣量為2.87×10⁴ m³”的兩項世界紀錄，攻克了深水淺軟地層水平井鉆采技術，實現(xiàn)了從“探索性試采”向“試驗性試采”的重大跨越。

2.3.6 智能鉆完井液

隨著鉆探目標從淺層向深層、深水，從常規(guī)向非常規(guī)（如頁巖油氣、致密油氣、煤層氣、油頁巖等），從傳統(tǒng)化石能源向特殊地下資源（水合物、干熱巖等）進一步拓展，鉆井工程面臨的地面和地下情況越來越復雜，給鉆完井液類型和處理劑選擇、配方和性能設計帶來很大盲目性，因此，設計并采用具有“自識別、自調節(jié)、自適應”等智能特點的鉆完井液技術，有助于從根本上解決上述技術難題。

2016年伊朗學者Ghojogh首次明確提出，將智能材料/流體應用于鉆井可制備出“智能鉆完井液”，有助于在常規(guī)鉆完井液難以勝任的高難度鉆井區(qū)域成功鉆井。近幾年，在壓力敏感、鹽響應、pH響應、溫敏、形狀記憶、智能暫堵及磁響應的多種智能鉆完井液方面進行了探索性研究。蔣官澄團隊以研制的高分子量低離子度（HvL）與低分子量高離子度（LvH）兩種鹽響應型兩性離子聚合物為核心配制了飽和鹽水鉆完井液，研究表明，鹽響應型聚合物鉆完井液具有出色的抗鹽性、熱穩(wěn)定性與抗膨潤土、泥頁巖屑污染的性能；同時，還研制了具有鹽響應特征的AM-AMPS-TAC聚合物，配制的鉆完井液抗鹽與耐溫效果最優(yōu)，且濾失量小。該團隊還以合成的pH響應可逆轉乳化劑RE-HT為核心配制了一種抗高溫可逆乳化鉆完井液，性能良好，濾餅清除率達98.98%，在復雜深井鉆井中有較好的應用前景。孫金聲等綜述了智能材料（形狀記憶合金、自愈合凝膠、膜材料和仿生材料）在鉆完井液領域的技術研發(fā)方向、方法及應用前景。但目前智能鉆完井液僅處于起步階段，還面臨著許多問題與挑戰(zhàn)，未來需要廣大科研工作者共同研究。

未來發(fā)展建議

國家發(fā)展改革委員會、國家能源局發(fā)布了《能源技術革命創(chuàng)新行動計劃（2016—2030年）》，攻克萬米特高溫高壓油氣開采技術與裝備已被列入2020—2035年國家油氣科技重大專項戰(zhàn)略規(guī)劃。因此，油氣鉆井向著深層超深層發(fā)展，高溫地熱井的開發(fā)，深層鉆探的需要，對鉆井流體抗溫、環(huán)保、油氣層保護等性能要求越來越高。未來深層及深水油氣鉆探鉆完井液建議在以下方面重點攻關。

（1）攻克抗溫260~300 ℃、抗壓2.6~3.0 MPa、密度在2.6 g/cm³以上的抗高溫高壓高鹽鉆完井液關鍵材料與技術。

（2）攻克抗溫小于-30 ℃的極地溫度鉆完井液，滿足未來南極等極低溫度油氣鉆探的需要。

（3）攻關研究深水恒流變環(huán)保型鉆完井液、適用于水平井的環(huán)保型天然氣水合物鉆完井液，以及水合物水平井井壁穩(wěn)定技術。

（4）發(fā)展隨鉆形成更高質量液體套管的鉆完井液。利用鉆完井液中的化學材料在井壁隨鉆形成似“套管”的高強度封堵帶，封堵全部孔-縫-洞，滿足安全、高效、環(huán)保鉆井需要。

（5）裂縫性惡性漏失地層防漏堵漏一體化。通過提高鉆完井液密度、強化封堵防塌性能，研發(fā)自適應防漏堵漏材料，擴大安全密度窗口，實現(xiàn)高效堵漏。

（6）發(fā)展基于智能材料、大數(shù)據、云計算、4G/5G網絡、人工智能等技術的智能鉆完井液及智能儲層保護技術，使其具備“自識別、自調整、自適應、自傳輸、自維護”功能，實現(xiàn)“安全、高效、經濟、環(huán)保、智能”的目標。

（7）發(fā)展生態(tài)環(huán)保型鉆完井液。利用天然可降解材料研發(fā)生態(tài)型鉆完井液處理劑，構建生態(tài)環(huán)保型鉆完井液體系，真正實現(xiàn)石油工業(yè)與環(huán)境保護協(xié)調發(fā)展。

結束語

雖然深層及深水油氣資源非常豐富，但卻面臨前所未有的技術挑戰(zhàn)，鉆完井液是保障安全、高效、經濟鉆探的核心。在未來深層及深水鉆探過程中，鉆完井液技術必將面臨許多未知挑戰(zhàn)，需從關鍵科學問題入手，借助其他學科發(fā)展起來的最新基礎理論，進行交叉學科研究，研發(fā)具有原創(chuàng)性的鉆完井液技術。通過對國內外鉆完井液技術發(fā)展歷程和原理的深度剖析可知，大力開展液體套管鉆完井液、智能與生態(tài)型鉆完井液是未來的重要發(fā)展方向之一，可為突破深層深水鉆完井液與完井液的“冰火兩重天”、為深層深水油氣勘探開發(fā)提供技術強力支撐。

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孫金聲，蔣官澄：鉆井工程“血液”——鉆完井液技術的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

孫金聲，蔣官澄：鉆井工程“血液”——鉆完井液技術的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢