抗高温环保水基钻井液研究进展

李旭方， 熊正强

(1.中国地质大学〈北京〉，北京 100083； 2.北京探矿工程研究所，北京100083)

0 引言

由于对环境保护问题的日益重视，对钻井液的环保性能提出了新的、更严格的要求，要求钻井液无毒、可降解，不污染周围环境。相对于油基钻井液，水基钻井液具有环保性好、成本低的显著优势。统计表明，80%的钻井工程中应用的都是水基钻井液[1]。随着我国油气资源向深部勘查开发以及干热岩钻探、深部科学钻探工程的实施，钻遇地层温度越来越高，对钻井液的抗高温能力提出了更高的要求。因此，抗高温环保型水基钻井液成为水基钻井液一个重要的发展方向，也是钻井液研究的热点之一。本文结合国内外有关文献资料，就抗高温环保水基钻井液研究与应用情况进行简要介绍。

目前，环保型水基钻井液体系主要有高性能水基钻井液、甲酸盐钻井液、聚合醇钻井液、硅酸盐钻井液及甲基葡萄糖苷钻井液。

1 高性能水基钻井液

高性能水基钻井液又称胺基钻井液，主要由页岩抑制剂、包被剂、分散剂和降滤失剂组成。该钻井液体系是一种环保型钻井液，被认为是替代油基钻井液且又能安全钻进的一类性能更高的水基钻井液，并于2006年被列为一种新的钻井液体系分类。国外3大钻井液服务公司均拥有自主知识产权的高性能水基钻井液，如M-I SWACO公司研制的ULTRADRILTM体系、Baroid公司研制的Hydro-Guard体系及Baker Hughes公司研制的PERFORMAX体系等[2-4]。国内3大石油公司下属研发机构也均研发了各种高性能水基钻井液，如中国石油集团钻井工程技术研究院研制的高润滑强抑制高性能钻井液体系、中石化中原石油工程有限公司西南钻井分公司研制的KPF高性能钻井液体系、中海油能源发展股份有限公司工程技术湛江分公司研制的高性能深水钻井液体系等[5-7]。

高性能水基钻井液在国外不同海域上千口井及我国南海海域多口深水井都得到了应用。例如，2009年巴西国家石油公司Petrobras第一次在哥伦比亚加勒比海泰罗娜区块使用耐温150 ℃的高性能钻井液完成深水钻探[8]；Halliburton公司[9]研发了耐温达160 ℃的高性能水基钻井液，并在埃及地中海KARAM-1井取得了良好的应用效果；中国海洋石油公司研制的高性能水基钻井液HEM体系于2013年首次在中国南海海域LH26-2-1井成功应用，之后陆续在数十口深水井中得到应用[10]等。此外，高性能水基钻井液也已经成功应用于一些特殊地层钻探，如焦油层、Khafji和Ahmadi高度分散的构造应力页岩层等[11-12]。

针对深海钻探需求，中国石油大学(华东)赵欣等[13]以研制的聚胺强抑制剂SDJA为关键处理剂，考虑天然气水合物抑制性与低温流变性等因素，构建了1套适用于深水钻井且耐温达150 ℃的聚胺高性能水基钻井液。其配方为：3%海水膨润土浆+0.15%增粘剂XC+3%抑制剂SDJA+4%降滤失剂SD-101+1%降滤失剂JLS-1+1.5%封堵剂FT-1+1%润滑剂SD-505+0.1%包被剂CPAM+20%氯化钠。针对深水钻井作业过程中钻遇地层越来越复杂及要求的温度与密度越来越高等问题，中海油服油田化学事业部郭磊等[14]在现有高性能水基钻井液HEM体系基础上，通过进一步优选抗温材料，研制了1套适用于180 ℃、1.8 g/cm3条件下的深水HEM高温高压钻井液体系，并在中国南海海域进行了现场应用。

针对库车山前构造超深、超高压、高温、高含盐地层使用常规高密度水基钻井液井下复杂情况频发的问题，塔里木油田公司李家学等[15]研发了分别用于盐上地层、盐膏层及盐下地层钻进的3套高性能水基钻井液配方，其中用于盐下地层的高性能水基钻井液抗温可达180 ℃。研制的高性能水基钻井液在库车山前构造带某区块X井现场成功应用，从开钻起一直使用高性能水基钻井液，钻井液抗温抗盐性能好，钻进过程中井壁稳定，钻进效率高，完钻井深7006 m，井底温度168 ℃。

针对塔里木盆地南部天山前缘区块超高温、超高压、超厚盐石膏复合地层和高坍塌压力地层分布广泛的特点，江西科技师范大学李龙等[16]以高性能稳定剂、纳米成膜封堵剂和润滑剂为基础，研制了1套具有较强抗盐、抗钙和抗钻屑能力且耐温达160 ℃的高性能钻井液。其配方为：饱和盐水+1%K2CO3+0.2%NaOH+1.4%润湿剂ND-288+1%降滤失剂ND-258+0.5%增粘剂ND-259+1.5%抑制剂HM+1%润滑剂ND-253。

2 有机盐钻井液

2.1 甲酸盐钻井液

甲酸盐钻井液是1980年开始发展起来的新型钻井液体系，其最初是为了减少小井眼钻井中摩擦压力损失而设计的。甲酸盐钻井液具有密度可调性强、腐蚀性低、不污染环境、抗高温能力强等优点。同时，甲酸盐钻井液可以与页岩稳定剂、天然气水合物抑制剂等兼容，也可以作为抗氧化剂提高黄原胶XC等生物聚合物的抗高温能力[17-20]。甲酸盐钻井液作为一种具有抑制性强和环保性好等诸多优点的抗高温钻井液体系得到了大量应用，例如俄罗斯天然气工业股份公司Gazprom在陆地Yuzhno-Priobskoye油田和海上Prirazlomnoye油田均使用了甲酸盐钻井液体系[21]；印度尼西亚近海储层平均温度为157 ℃的Belanak油田应用甲酸钠钻井液体系完成了6口井的钻探[22]等。

针对高密度钻井液的储层损害问题，科威科石油公司(KOC)[23]通过运用四氧化锰和赤铁矿研制了适用于甲酸盐钻井液体系的加重剂Micromax，研制了1套抗温能力为150 ℃的高密度甲酸钾钻井液体系，在深水高温高压井侏罗纪地层获得了突出的应用效果。研制的甲酸钾钻井液体系有效减小了储层损害，提高了生产效率，降低了钻井成本。

为了克服常规钻井液固相含量高、抑制性不足等问题，东北石油大学张延鹤[24]通过优选处理剂，研制出了抗温达200 ℃的无固相甲酸盐钻井液体系。其配方为：甲酸盐水+3%降滤失剂HHJL-1+0.5%增粘剂HHTN-1+3%储层保护剂HHYB-N，并在吉林省龙深区块成功应用。

为提高甲酸盐钻井液体系的抗高温能力，英国索尔福德大学Akpan等[25]以膨润土、生物胶Diutan Gum、甲酸钾、异抗坏血酸钠及聚乙二醇(分子量8000)等为主要材料配制钻井液，详细探究了甲酸盐、异抗坏血酸钠、聚乙二醇及pH值对钻井液抗高温能力的影响。研究发现：(1)单纯的甲酸盐钻井液抗温能力不超过150 ℃；(2)通过复配聚乙二醇和抗氧化剂异抗坏血酸钠，能大幅提高甲酸盐钻井液的抗温能力至232 ℃；(3)较高的pH值有助于避免甲酸盐钻井液在高温下凝胶强度过高的问题。

2.2 Weight系列有机盐钻井液

国内使用的有机盐主要有OS-100、PRT、YJS和Weight等系列产品。其中，Weight系列钻井液获得了较为广泛的应用。

针对海域地区地层坍塌压力高，易发生坍塌掉块等问题，中国石油集团海洋工程有限公司钻井事业部侯岳等[26]通过对有机盐钻井液抑制性、润滑性、抗高温能力的探究，研制了1套抗150 ℃高温的海水有机盐钻井液体系。其配方为：海水+2%钠土浆+0.3%Na2CO3+0.1%NaOH+1.5%降滤失剂Redul+0.1%XC+2%流型调节剂Viscol+2%白沥青+1%封堵剂LPF+3%细目钙+30%有机盐Weigh2+1.5%润滑剂PGCSl+重晶石，成功应用于迈陈凹陷洋浦地区洋1井。

针对费尔干纳盆地深部井段高压、高盐、高硫等问题，西部钻探工程有限公司艾贵成等[27]通过现场试验和室内评价，运用有机盐Weight4研制了1套抗温达220 ℃的超高密度有机盐钻井液体系，钻井液最高密度可达3.0 g/cm3。该钻井液体系具有良好的抑制性和储层保护能力，而且在高密度下仍具有良好的润滑性。

根据钻探现场情况，渤海钻探泥浆技术服务分公司[28]针对塔里木油田克深15井的窄泥浆密度窗口及高温高盐等难题，将Weight1和Weight2复合使用，研制了能够抗170 ℃高温的复合有机盐水基钻井液体系。其配方为：水+0.3%～0.5%Na2CO3+2%～3%抗盐降滤失剂BZ-KJS-1+3%～6%抑制防塌剂BZ-YFT+2%～4%抗盐提切剂+2%～5%抑制润滑剂BZ-YRH+60%～90%复合有机盐+加重剂。

3 聚合醇钻井液

聚合醇又称多元醇或复合醇。聚合醇钻井液是20世纪80年代出现的以聚合醇为主剂的环保水基钻井液。聚合醇的浊点效应使得聚合醇钻井液具有较强的页岩抑制能力和润滑性能[29]。早在20世纪90年代，国外便已经发展出了聚乙二醇共聚物(COP/PPG)钻井液、聚乙二醇钻井液等钻井液体系[30-31]。

针对塔里木盆地深井、超深井对钻井液抗高温能力的高要求，中石油塔里木油田公司邹盛礼等[32]以聚合醇PEG作为防塌剂，通过优选降滤失剂和包被剂，研制了1套耐温160 ℃的聚合醇钻井液。其配方为:土浆+0.1%NaOH+0.2%包被剂CX-215+1.0%防塌剂CX-508+1.0%成膜降滤失剂CMF+1.0%降滤失剂JMP-2+2.0%聚合醇防塌剂PEG+2.0%润滑剂TYRF-1+2.0%提切剂PF-PRD+3.0%KCl+1.0%屏蔽暂堵剂YX-1+1.0%屏蔽暂堵剂YX-2+石灰石，并成功应用于塔中高温深井721-5井。

针对水平井钻探摩阻和扭矩较大等技术难点，大庆钻探钻井工程技术研究院邹大鹏等[33]合成了1种环保抗高温润滑剂，并以此为基础探索出了1套适用于水平井钻进、耐温160 ℃的抗高温聚合醇钻井液。其配方为：3%土浆+2%～3%多元醇抑制剂JY-2+2%～3%磺化褐煤树脂SPNH+1%～3%聚酯物封堵剂DYFD-200+1%～2%泥饼改善剂NBG-2+1%～2%超细碳酸钙+2%～4%脂肪酸合成酯SN-2+0.5%～1%包被剂KPAM，实现了裂缝性火山岩地层的安全环保钻井施工。

针对环境敏感性海域高温深井钻探需求，刘晓栋等[34]通过合成一种抗高温抗盐降滤失剂BDF-100S，研制了1套抗温达200 ℃的聚合醇海水钻井液体系，并在井底最高温度达204 ℃的环渤海油田现场应用中取得了良好效果。通过合成高温增粘剂HIVS，研制了1套在200 ℃高温环境下热稳定时间更长的聚合醇钻井液体系，钻井液主要由聚合物降滤失剂BDF-100S、聚合物增粘剂HIVS和乙二醇抑制剂等组成，改进的聚合醇钻井液体系适用于淡水和海水[35]。

4 硅酸盐钻井液

硅酸盐钻井液是一种防塌效果突出、抑制性强、成本较低的环保钻井液体系，同时，硅酸盐在盐水钻井液中还可作为缓蚀剂保护钻具[36]。20世纪30年代，将可溶性硅酸盐引入钻井液中，并成功在墨西哥沿海地区钻探了100多口井[37]。近年来国内外逐渐发展出了多种硅酸盐钻井液体系，如Halliburton公司的硅酸钾钻井液体系[38]、PQ公司的高比硅酸盐钻井液体系[39]、四川仁智石化公司的WDX硅酸盐钻井液体系[40]、青海核工业地质局的硅酸盐聚乙烯醇钻井液体系[41]、西部钻探吐哈钻井公司的有机硅醇-硅酸盐钻井液体系[42]等。硅酸盐钻井液在国内外石油钻井现场均得到了广泛应用，如非洲乍得南部Bongor盆地Prosopis E1-1井[43]、江汉盆地鄂深6-侧井[44]及苏丹6号区块Moga-8井[45]等。

但是，硅酸盐钻井液体系作为抗高温环保钻井液也存在着一些较为明显的缺点，如流变性和滤失量难以控制、储层损害等。

为解决超深井地层塌陷、卡管等井下复杂情况，提高硅酸盐钻井液体系的抑制性能和抗高温能力，西南石油大学王平全等[46]利用聚合醇的浊点效应研制了1套耐温150 ℃的硅酸钾-聚合醇钻井液体系。其配方为：4%土浆+适量NaOH+0.4%降滤失剂JT888+4%硅酸钾FP-V+0.4%高粘羧甲基纤维素HV-CMC+3%聚合醇JLX-B-S+1%KCl。该钻井液体系在流变性、抗温能力、抗污染能力及润滑性等方面均优于硅酸盐钻井液。

为进一步提高硅酸盐钻井液的抗温能力，斯伦贝谢公司[47]研制了1套抗温160 ℃的硅酸盐钻井液体系。其配方为：1.4%KCl+0.07%Na2CO3+0.28%常规PAC+0.84%Ulpac+4.2%抗高温聚合物+0.28%XC+2.28%硅酸钠+改性沥青+1.14%胺基高温稀释剂+重晶石。

为减少致密气储层钻井过程中水锁效应的损害，Jararov等[48]通过对地层损害机理和液态硅酸钠凝胶作用的研究，以硅酸钠含量为单一变量，详细探究了硅酸钠加量对钻井液流变性、尤其是滤失量和滤饼质量的影响，研制了1套能够有效提高致密气藏产能、抗温达150 ℃的硅酸钠钻井液体系。

5 甲基葡萄糖苷钻井液

甲基葡萄糖苷钻井液又称为仿油基钻井液，可以通过形成半透膜防止页岩水化，具有较好的润滑性和相容性，对环境友好，流变性能稳定，能有效携带岩屑和清洁井筒[49-50]。甲基葡萄糖苷钻井液广泛应用于钻井现场中，如我国南海地区WZ-6-9油田[51]、大港油田滨26X1井[52]，墨西哥湾Tick钻井平台[53]等。

针对甲基葡萄糖苷在钻井液中加量大、抑制性不足等问题，中原石油勘探局钻井工程技术研究院司西强等[54]引入季铵盐结构合成了阳离子甲基葡萄糖苷钻井液CMEG，研制了1套抗150 ℃高温的阳离子甲基葡萄糖苷钻井液体系。其配方为：2%基浆+0.4%NaOH+0.6%复合离子聚丙烯酸盐SD-17+0.6%低粘羧甲基纤维素LV-CMC+0.3%高粘羧甲基纤维素HV-CMC+3%阳离子甲基葡萄糖苷CMEG+1.0%无渗透剂。该钻井液体系具有良好的抑制性和润滑性，相对回收率达到99.01%。

针对深井钻探时膏盐及盐水污染、压差卡钻等问题，川庆钻探工程有限公司欧阳伟等[55]通过优选处理剂，研制了1套抗温170 ℃的甲基葡萄糖苷钻井液体系，并成功应用于剑门1井中，解决了压差卡钻等井下复杂问题，在井底温度达到175 ℃的超深井中完成了2000多米小井眼钻探任务。

为了提高烷基葡萄糖苷钻井液的抗高温能力，渤海钻探钻井工艺研究院刘艳等[56]合成了磺甲基乙基葡萄糖苷作为抗高温抑制剂，研制了1套抗温180 ℃的磺甲基乙基葡萄糖苷钻井液体系，磺甲基乙基葡萄糖苷的加入使得钻井液在抗温、润滑、抑制等方面的性能都有所提高。

6 其它钻井液体系

6.1 无固相钻井液

无固相钻井液又称无粘土钻井液，具有能够提高钻速、减薄泥饼、减轻油气层损害等优点。为保护深井储层，中国石油大学(华东)黄维安等[57]开发了1套抗温达200 ℃的无固相水基钻井液体系。其配方为：水+1%降粘剂HTVS+0.5%高温稳定剂Na2SO3+1.5%降滤失剂TRS+2%润滑剂EPL+0.3%防水锁剂FCS。

针对钻井液抗高温能力不足的缺点，大庆钻探工程公司钻井工程技术研究院李建军等[58]通过对抗高温增粘剂、降滤失剂的研究，设计了1套抗温220 ℃的无固相钻井液体系，并成功应用于涩北1号气田24井。

为满足恶劣高温环境下钻井需求，Galindo等[59]设计并合成了一种新型聚合物增粘降滤失剂，并构建了1套抗温达204 ℃的超高温井用无固相水基钻井液体系，研制的钻井液对页岩有良好的抑制作用，在陆地和海洋钻探都可应用，同时具有HSE效益好、成本低等优点。

6.2 无铬钻井液

铬木质素磺酸盐是抗高温钻井液的常见组分，但由于环保要求日趋严格，低毒性的铁铬木质素磺酸盐已不提倡使用，无铬钻井液体系应运而生，且已在南美、东非、东欧等地获得应用。为去除钻井液中的含铬材料，Tehrani等[60]用丙烯酰胺共聚物和类似于磺化单体的物质合成聚合物作为分散剂，构建了1套抗温达232 ℃的无铬钻井液体系，研制的无铬钻井液有效解决了高温高压水基钻井液常见的高温凝胶问题。

为提高无铬钻井液性能，Fernandez等[61]用CHROME-BASED稀释剂替代铬木质素磺酸盐，研制了1套抗204 ℃高温的无铬高密度钻井液体系，并成功应用于匈牙利东南部页岩气藏钻探。

6.3 有机硅钻井液

有机硅具有热稳定性好、防塌能力好、无毒等优点。针对深部地层钻探需求，西南石油大学褚奇等[62]利用有机硅作为降滤失剂，研制了1套抗温达220 ℃的有机硅水基钻井液体系。其配方为：4.0%粘土+0.5%Na2CO3+0.1%KOH+0.6%～1.0%有机硅降滤失剂+2.0%～3.0%磺化褐煤SMC+0.1%～0.3%磺化沥青WFT-101+0.4%～0.6%有机硅降粘剂GCYZ-1+0.5%封堵剂GFD+3.0%CaCO3+0.2%～0.4%包被剂PAC-141+1.0%抗高温保护剂GBH。研制的有机硅钻井液悬浮稳定性好，具有一定的抗盐和抗钙能力。

6.4 纳米硅铝基钻井液

纳米钻井液具有流变性好、热稳定性高等优点。纳米材料能够改善水基钻井液的润滑性、减少滤失量。使用纳米硅、纳米石墨烯等纳米材料提高钻井液性能的研究已经成为热点[63-67]。为替代含KCl聚合物钻井液，Taraghikhah[68]等研制了1套耐温150 ℃的纳米硅铝基钻井液，研制的纳米硅铝基钻井液可以将成本降低20%～30%，能够有效降低泥饼摩擦系数，与KCl聚合物钻井液、阳离子聚合物钻井液等钻井液体系相比具有更强的页岩抑制性，抑制能力达到90%～99%。

7 发展趋势

国内外在抗高温环保水基钻井液研究与应用方面开展了大量的工作，并取得了一些重要成果。但是，现有抗高温环保水基钻井液体系还普遍存在以下问题：

(1)研发的环保型处理剂抗温能力不够强，一定程度上制约了环保水基钻井液应用温度范围。

(2)抗高温环保钻井液体系多数要与环保性能较差的处理剂(如磺化类处理剂)复配，才能达到更好的性能，这使钻井液整体的环保性能受到一定程度的影响。

抗高温环保水基钻井液研究的发展趋势主要包括以下几个方面：

(1)研制低成本环保处理剂，降低抗高温环保水基钻井液的成本，推动环保钻井液的广泛应用。

(2)探究环保处理剂抗高温机理研究，并开展新型耐温150 ℃以上的环保聚合物结构设计与合成，实现抗高温环保水基钻井液用处理剂全部环保化。

(3)随着国家深地探测战略与深海探测战略实施，钻遇地层温度将越来越高，需进一步加强超200 ℃高温环保水基钻井液体系的研究。