国内外钻井液技术发展态势(延伸版)

钻井液技术进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10钻井液技术进展态势一、钻井液技术的重要性与进展阶段快速钻井中起着关键性的作用。钻井液在钻井过程中最根本的功用可概括为以下方面∶1、保证安全、优质、快速钻进去除井下岩削并携带至地面；对地层施以足够的反压力，防止地层流体进入井内;保持井眼稳定；冷却与润滑钻具、钻头；传递水功率2、保护油气层，取全取准各种资料对油气层不发生损害作用有利于地层测试，不影响地层评价；对钻井人员及环境不发生损害和污染；对井下工具及地面装备不腐蚀或减轻腐蚀；一般状况下，钻井液本钱只占钻井总本钱的7～10术往往可以成倍地节约钻时，从而大幅度地降低钻井本钱，带来格外可观的经济效益。国外钻井液技术的进展大致经受了以下几个阶段：1、1914～1916年，清水作为旋转钻井的洗井介质，即开头使用“泥浆”。2、从20～60年月，以分散型水基钻井液为主要类型的阶段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头用作加重材料；〔2〕1926年，开头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；年，研制出各种泥浆测量仪器，提出了对泥浆性能把握的要求；年，Na-CMC〔钠羧甲基纤维素〕作为降滤失剂，开头应用于钻井液中；年，FCLS〔铁铬木质素磺酸盐〕作为稀释剂，开头应用于钻井液中；60年月开头，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头广泛使用。3、70年月以后，以聚合物不分散钻井液为主要类型的阶段类型：局部水解聚丙烯酰胺体系；氯化钾聚合物钻井液体系；羟乙基纤维素体系；醋酸钾水解聚丙烯酰胺体系；磷酸钾盐非离子型聚合物体系；聚丙烯与聚乙二醇共聚物〔COP/PPG〕体系；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进展。在50年月以柴油为连续界质的油基钻井液根底上，70年月又进展了低胶质油包水乳化钻井液，80年月在海洋钻探中又进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。以及其它各种型钻井液的消灭，钻井液技术有可能进入了一个的进展阶段。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进展与应用；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。储层的钻井液、完井液的争论，以及处理剂和体系的进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争论。在保护油气层方面，留意对损害机理的推想、诊断技术和钻井液、完井液暂堵技术的争论，留意研制储层相配伍的钻井液、完井液体系。在处理剂和体系的进展与应用方面，目前格外重视型钻井液体系〔如MMH泥浆、阳离子聚合物泥浆等〕的研制和应用。三、对我国钻井液技术进展状况的简要回忆我国钻井液工艺技术的进展规律与国际上该项技术的进展规律根本较稳定等优点，自50年月后期起在我国得到了广泛应用。〔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。年月末至80年月中期，我国钻井液技术有了很大的进展。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，大大地减轻了井下简洁状况，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。开头时仅使用聚丙烯酰胺单一型聚合物絮凝剂，以后间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4000m以内的井，在当时曾有力地协作了高压喷射钻井，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〔3〕80年月初期，研制成功了油包水乳化加重钻井液，并在华北、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；1978年，我国钻井液处理剂仅有40多种，1983年增至76种，1985年已到达16个门类，共129种。从80年月初开头，我国已着手制订钻井液处理剂和原材料质量标准。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〕在的起点上对聚合物钻井液进展了全面、系统的争论，研制出两性离子聚合物钻井液和阳离子聚合物钻井液等体系，并在全国很多油田推广使用，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阅历的同时，也指出了在使用聚合物钻井液过程中遇到的一些问题〔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展了系统争论，在此根底上研制出以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，进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，其井深到达3232m；〔3〕为了有效地解决井壁失稳问题，系统地争论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，并研制出可应付简洁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。同时还大大地削减了井下简洁状况的发生，提高了机械钻速。年〔“八五”期间〕，我国钻井液技术又上了一个的台阶。具体表达在：〔1〕聚合物钻井液技术又有了的进步。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，最高密度可达2.03/cm3。阳离子聚合物钻井液技术亦更加配套、完善；〔2〕进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、削减油气层损害程度、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〕进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，其成果在总体上到达90年月国际先进水平；〔4〕钻井液处理剂连续以较快速度发展、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、国内外技术比照分析与国外相比，虽然我国钻井液技术起步相对较晚，但由于进展速度80年月以来，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进展，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确定差距。我国已到达国际先进水平的技术领域大致有以下方面：类体系的争论和应用已经走在前面；用。该类钻井液所使用的处理剂已经系列化，在机理争论方面亦处于先进水平。〔即正电胶〕钻井液是国外80年月研制的一种型钻井液，我国在该项技术的争论和应用方面，根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当钻成。域已有很大进展。目前在损害机理的评价、推想技术、油气层损害室内评价技术和暂堵技术等方面，均到达国际先进水平。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确定的差距：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。需要。除砂器、除泥器效果照旧欠佳，离心机还没推广应用，细目振动筛还处于争论阶段，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本钱，应加强这方面的工作。差距较大，严峻影响我国处理剂与钻井液技术进一步进展与创。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，都应进一步深入争论解决。产、增产措施以及提高采收率系统地整装地保护储层，以及推想、诊断、评价、预防及处理全套技术的争论。材料处理剂和钻井液、完井液的争论，加速解决废弃钻井液固液分别问题，并进展固化等技术。很少，有用的人工智能专家系统仍处于探究阶段。五、国内外钻井液技术进展动态更上，下面从水基钻井液、油基钻井液和型的合成基钻井液等方面作以扼要的介绍。1、水基钻井液聚合物钻井液国外传统的聚合物钻井液主要有局部水解聚丙烯酰胺〔PHPA〕钻井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〕。向进展。近年来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。MMH钻井液〔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元素的氢氧化物构造中取得正电荷，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。目前国内称之为正电胶，因此MMH钻井液被成为正电胶钻井液。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，必需协作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简洁地层的携岩与防塌问题，同时它对油气层的损害程度较小。水基防塌钻井液国外很多学者对K+、NH4+和聚合物抑制页岩水化的机理进展了争论90年月以来，对井壁稳定性的机理问题开展了更深入的争论，指岩状态、页岩膨胀、井壁坍塌以及页岩在泥浆中分散。在防塌剂方面，争论说明聚合物处理剂的防塌效果远远好于无机离〔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，PAC-141亦属此类)、聚丙烯酰胺钙盐和聚丙烯酰胺铵盐(NH4-HPAM，80A-51亦属此类〕。这些防塌剂都以丙烯酰胺和丙烯酸盐为根本原料共聚而成，其水解度多在之间，分子量一般在200～500万之间，均具有较强的“包被”作〔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，阻挡水的侵入。并由于其疏水性，水会被隔离于岩石之外。〔3〕阳离子聚合物。为了增加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，抑制分散的力气大大增加;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〕和环氧丙基三甲基氯化胺〔Qc〕等，主要用作粘土稳定剂，其抑制分散的力气与十倍加量的KCl大致相当；〔4〕无机盐类。目前国外防塌处理剂的类型与我国使用的根本相像。自1989年起，在防塌剂中增加了包被抑制剂这一剂种。值得留意的是近年来国外广泛使用正电胶〔MMH〕钻井液解决防塌问题，以及使用甘油基材料提高泥浆的页岩稳定性及润滑性。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～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像的特性而又不存在环境污染问题。通常称之为“仿油基泥外，一些低碳原子〔C1～C3〕的有机酸〔如甲酸、乙酸、柠檬酸、酒石酸等〕的钾盐或铵盐，以及能生成NH4+的某些有机物〔如氨基甲酸、尿素、乙酰胺等〕也已用于防塌泥浆，起抑制页岩水化的作用，其加量一般为。目前，国外使用较多的防塌剂类型有：钾基聚合物泥浆、钾石灰浆〔MMH〕等。制的防塌处理剂和建立的防塌泥浆体系，用以代替油基泥浆，其目的在于取得与油基泥浆相像、明显优于水基聚合物泥浆的防塌效果，同时又能够解决使用油基泥浆时带来的环境问题。然而当前面临的问题是这些型处理剂的本钱较高，因而尚未广泛推广应用。2、油基钻井液年月以来，我国先后在华北、疆、中原、大庆等油田使用过油基泥浆。但由于考虑其本钱问题，油基泥浆在我国应用格外有限，但国外始终将使用油基泥浆当作钻深井、超深井、大斜度定向井、水平井和水敏性简洁地层的重要手段，同时也当作保护油气层的一个重要手段。70、80年月进展低胶质、低毒油包水乳化泥浆和平衡活度油基泥浆技术的根底上，近年来为了进一步提高油浆的携岩力气、提高机械钻速及减轻对环境造成的损害，又推出了一些的体系，使油基泥浆技术取得了的进展。现将一些主要进展列举如下：高油水比铁矿粉加重油包水乳化泥浆近年来Exxon公司在简洁深井中成功地使用了这种油基泥浆，其特点15～30%降至8～10%，并选用氧化铁粉加重以降低体系中固相的体积百分含量。其结果可使油浆中乳化水滴的浓度、固相含量和悬浮颗粒数目大大削减，从而可明显降低油浆的塑性粘度和喷嘴处高剪速率下的流淌阻力，使机械钻速得以提高。试验说明，选用氧化铁粉加重可比用重晶石加重时的塑性粘度降低25～40%。全油泥浆量乳化剂、易产生润湿反转和乳化堵塞对油气层造成损害等问题，近年来美国Intl泥浆公司研制成功了无水的全油钻井液。该体系具有类似于水基聚合物泥浆的流变性，有较高的动塑比值，剪切稀释性好，因而提高了钻速，削减了井漏，改善了井眼清洗状况及悬浮性。配制全油钻井液时应留意以下几点：〔a〕基油应选用芳香烃含量较低的柴油，最好是物毒矿物油；〔b〕需选用亲油的有机聚合物或胶质类处理剂作为降失剂；〔c〕一般使用有机土提高动切力，必要时添加亲油的反絮凝剂降低粘切。该公司现已使用这类钻井液钻井60多口，其密度的调整范围为0.83～2.04g/cm3,钻进深度已达6309m，井底最高温度已达213°C，井斜到达69°，尤其在大斜度定向井中应用格外成功。研制出可削减油基泥浆在钻屑上滞留量的型处理剂—CCS使用油基泥浆时，钻屑上滞留的油量一般不得超过150g/kg，否则这些岩屑将不允许排放〔尤其海洋钻探作业时〕。美国M—I泥浆公司近来研制出一种复合阳离子外表活性剂，添加至油基泥浆后不仅可有效地削减钻屑外表所吸附的油量，同时还具有改善流变性和降滤失的作用。3、合成基钻井液相，以及乳化剂、降滤失剂、流型改进剂等组成的体系。与油基钻井液相比较，其研制的主导思想是，将油基泥浆中的基油——柴油或矿物油替换成可生物降解又无毒性的改性植物油类。最初提出的要求是：〔1〕该有机物的物理性质应与矿物油的物理性质相像；〔2〕其毒性必需很低；〔3〕无论在好氧或厌氧的的条件下都是可以生物降解的。目前，在墨西哥湾和北海油田等地区，使用合成基钻井液已格外普遍。据不完全统计，在世界范围内已有500多口井使用了合成基泥浆。依据使用时间来划分，第一代合成基泥浆以酯类、醚类和聚-烯烃(PAO)作为基液，其次代合成基泥浆则以线性-烯烃(LAO)、内烯烃(IO)线性烷烃(LP)以及线性烷基苯作为基液。酯类(Esters)最早用作钻井液的基液〔1990年3月，挪威〕。它是植物脂肪酸与醇类反响的生成物。生物降解的测试结果说明，在有氧的条件下，35天后有82.5%被细菌降解，而矿物油在同样条件下只有3.5%被降解。由于酯基钻井液毒性很低，允许将钻屑直接排放到海里。与酯类的物理性质相像。由于其分子构造中没有活泼的基团，因而性能较稳定，有较强的抗盐、抗钙力气。聚-烯烃是由-烯烃聚合而成的。由于有双键，经聚合后双键仍保存在生成物的分子中，因而易于降解。聚烃的另一优点是，它不随温度和pH值的变化而转变其特性。酯基钻井液在碱性条件下则可能发生分解。因此，该类钻井液比酯基钻井液更能抗高温存石灰污染。表达在有利于提高钻速和保持井眼稳定。并且具有与油基钻井液相像的良好润滑性。本钱也较低，而且有更强的生物降解力气。总的来看，其次代合成基钻井液更适于在抗高温深井中使用。六、对钻井液技术进展的推想更高的要求。通过对近期的争论状况进展分析，估量在以下方面有可能取得较大