钻井液技术发展态势

钻井液技术发展态势西南石油大学石油工程学院一、钻井液技术的发展阶段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、70-80年代，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内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）羟乙基纤维素体系；（4）聚丙烯与聚乙二醇共聚物（COP/PPG）体系；这一阶段，油基钻井液也有了进一步的发展：在50年代柴油为基油的油基钻井液基础上，70年代—发展了低胶质油包水乳化钻井液，80年代—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为代表的抗高温处理剂，使深井钻井液技术取得了很大进展。90年代以来，（1）聚合物钻井液进一步发展（2）MMH钻井液（3）合成基钻井液（4）聚合醇钻井液（5）甲酸盐钻井液（6）硅酸盐钻井液二、我国钻井液技术发展概况50-60年代•分散钻井液•钙处理钻井液（以石灰、石膏及氯化钙为絮凝剂）•盐水钻井液70年代-80年代中期70年代初，•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•低固相饱和盐水钻井液•高分子有机处理剂已广泛应用于钻井液中。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：•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，创下了钻超井7175m的纪录。•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。由于聚合物处理剂具有良好的护壁作用，所研制的钾基聚合物钻井液在很大程度上解决了泥、页岩地层的坍塌问题。•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。•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。1986-1990年（“七五”期间）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。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；•为保护油气层，提高钻速，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油井的井深达到3232m。•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。•研制出应用于深井、超深井的聚磺钻井液体系。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。并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。主要体现在：•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，最高密度可达2.03/cm3。阳离子聚合物钻井液技术亦更加配套、完善。•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。这类钻井液有其独特的流变特性，还具有强抑制性、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；•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。•钻井液处理剂继续以较快速度发展，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。三、国内外钻井液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。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。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，与国外相比还有一定差距。已达到国际先进水平的技术领域大致有以下方面：•阳离子聚合物钻井液首先首先在国外研制出来，但目前我国对该类体系的研究和应用已走在前面。•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。•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。•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。在以下方面与国际先进水平相比仍存在着一定的差距：•虽然钻井液、完井液处理剂在品种上发展较快，但质量方面问题较多。完井液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、抗盐处理剂及缓蚀剂等也尚需完善。•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。•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。•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。•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。•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。•在钻井液技术领域，开发的软件还很少，建立实用的人工智能专家系统仍处于探索阶段。四、钻井液工艺技术的关键内容•深井高温、高密度钻井液技术；•特殊工艺井钻井液技术；•防塌钻井液技术；•处理剂系列和钻井液体系的发展与应用；•保护储层的钻井液、完井液技术；•钻井液润滑性及防卡、解卡技术；•钻井液防漏、堵漏技术；•钻井液流变性及其与携岩的关系；•钻井液固控技术；•废弃钻井液处理技术。五、国内外钻井液技术发展动态（一）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）。俄罗斯也研制出多种聚合物处理剂，主要是各种类型的丙烯酸脂和甲基丙烯酸脂的聚合物。2、MMH钻井液混合金属层状氢氧化物（MMH）最初是DOW化学试剂公司产品。它属于无机处理剂，从分子中Li、Mg、Al元素的氢氧化物结构中取得正电荷，是一种很强的絮凝剂，可与易水化的粘土矿物发生作用，从而抑制其分散。其水溶液具有很高屈服值和较弱的凝胶强度，因而表现出“动即流，静即凝”的特性。国内称之为正电胶，因此MMH钻井液被称为正电胶钻井液。用MMH处理低膨润土含量的水基泥浆可获得较高的粘切、较低的塑性粘度和特优的剪切稀释特性。但其降滤失性能较差，必须配合使用非离子型的降滤失剂才能满足钻井要求。这类钻井液主要用于解决复杂地层的携岩与防塌问题，同时它对油气层的损害程度较小。3、水基防塌钻井液国外学者对K+、NH4+和聚合物抑制页岩水化的机理进行了研究。进入90年代以来，对井壁稳定性的机理问题开展了更深入的研究，指出井内流体和井壁页岩中水的总势能大小决定了水的流向。若井眼内水的总势能大于页岩中水的总势能，则泥浆中的水就会向地层中的页岩渗入，造成水化和井塌。并指出井壁失稳过程可分为四个不同的阶段，即原始页岩状态、页岩膨胀、井壁坍塌以及页岩在泥浆中分散。常用防塌剂类型：（1）阴离子高分子聚合物类，主要指聚丙烯酰胺盐类品种有聚丙烯酰胺钾盐（K-HPAM)、聚丙烯酰胺钙盐（Ca-HPAM）和聚丙烯酰胺铵盐(NH4-HPAM）。PAC-141和80A-51亦属此类。该类防塌剂均以丙烯酰胺和丙烯酸盐为基本原料共聚而成，其水解度多在30～60%之间，分子量一般在200～500万之间，均具有较强的“包被”作用，是防塌泥浆中的主处理剂。（2）沥青类产品主要品种为磺化沥青（SAS）。该类产品主要从抑制水化和降滤失两方面起防塌作用。特别是通过填堵页岩的微裂缝，阻止水的侵入。（3）阳离子聚合物为了增强聚合物处理剂的包被、抑制特性，将有机阳离子基团（如季胺盐）引入聚合物分子链中而制成该类产品。其主要品种有聚胺甲基丙烯酰胺（CPAM，俗称“大阳离子聚合物”），其中阳离子基团所占比例（即阳离子度）一般在30%以上。该处理剂在页岩上有较强的吸附性能，与PHPA相比，抑制分散的能力大大增强;此外还有小分子量的有机化合物（俗称“小阳离子”）,如双三甲基乙基氯化胺（NW-1）等，主要用作粘土稳定剂，其抑制分散的能力与十倍加量的KCl大致相当；（4）聚合醇类既是十分有效的页岩抑制剂，又是润滑剂。生物毒性低，可满足环保要求。例如：Dow化学试剂公司研制生产的W-80是具有代表性的甘油基材料，其组成如下：10～13%甘油，16～23%二聚甘油，5～7%三聚甘油，4～6%四聚甘油，3～4%五聚甘油，少量高聚甘油，以及2～4%NaCl和22～28%水。这种甘油基在泥浆中的加量范围为6～40%。由它配制的泥浆具有与油基泥浆相似的特性而又不存在环境污染问题。通常称之为“仿油基泥浆”，用于钻易塌地层时可取得良好效果，尤其适于海洋钻井。只是成本要高于水基泥浆。（5）无机防塌处理剂•硅酸盐类硅酸钠、硅酸钾等。试验表明（见丁锐博士论文，1999年）：硅酸盐能有效阻止粘土水化分散，并能封堵岩石孔