干热岩钻井液技术新进展

梁文利

（中石化江汉石油工程有限公司页岩气开采技术服务公司，武汉430072）

干热岩是指地层深处3 000～10 000 m 范围内普遍存在的没有或仅有少量流体、致密不渗透的热岩体，岩体温度一般在150～650 ℃ 之间，呈干热状态，是一种清洁、可再生的绿色资源。科学估算，中国干热岩蕴含能量约为 2.09 ×1035J，合 7.15×1014t 标准煤。干热岩可用于发电和供暖，一般采用井网压裂和 U 形井等方式，通过注水井将高压水注入干热岩层，充分吸收地层热量后，将高温水和蒸汽通过生产井采出，经过热交换及地面循环装置处理后，将冷却水再次注入地下，如此循环流动，实现干热岩的热量开发。整个过程安全环保，基本不产生 CO2、粉尘颗粒和污水等废物，因此干热岩地热资源具有广阔的开发利用前景。目前，钻井仍是干热岩勘探开发的唯一手段，在钻井过程中，高温高压的极端恶劣环境给井下工具和钻井液体系提出了严峻考验。分析了干热岩钻井施工的地质和钻井液技术难点，调研了干热岩钻井液技术及现场应用情况[1-15]。

1 干热岩地层钻井技术特点及难点

1.1 钻井技术特点

1）干热岩地层为片麻岩或花岗岩，硬度大，研磨性高，可钻性差，单轴抗压强度达到 200 MPa以上。

2）钻进岩层温度高，一般在150～250 ℃。

3）钻进深度大，一般在3 000 m以上，中国内陆多在 5 000 m 左右才能获得较高的地温，井底形成高温高压。

4）井壁围岩稳定性差。由于在高温高压且深度较大的岩体中钻进，钻进过程中，井壁围岩在高温高压的情况下遇到低温冲洗液时，极易产生热破裂及井壁坍塌扩径。

5）有的钻井裂隙和断层较为发育，容易产生严重的井漏现象。

6）上覆地层的不同特点也是影响钻井技术的重要因素。

1.2 钻井技术难点

1）钻井环境温度高，钻井井下工具和钻井液体系的性能和寿命受到很大限制。国外普遍认为，温度在 350 ℃以上的干热岩储层才具有开发价值。在高温环境中，钻井液及处理剂容易降解失效，难以发挥正常的循环、护壁和携岩等功能；随钻测量仪器的测量精度和可靠性极易受到高温影响，定向螺杆的橡胶部件难以发挥密封作用，直接影响井眼轨迹控制；完井套管的耐高温腐蚀性和水泥浆的稳定性受到影响，固井质量难以满足后期水力压裂开发的要求。

2）地层发育裂隙和断层，井漏现象较为严重。深井和超深井钻穿多套压力系统，钻井液密度难以选择和控制，本身井漏问题就很突出，加之干热岩地层发育有较多的裂缝、裂隙和断层，更增加了井漏的风险，提高了高温高压条件下防漏和堵漏的难度。如在西藏羊八井ZK201井钻井过程中，从井深几十米几乎漏到井底。

3）井壁围岩稳定性差。在钻井过程中，井壁围岩受到温度场、渗流场和应力场的多场耦合作用，井壁热破裂现象明显，形成大量裂纹，岩石强度明显降低，极易造成掉块、卡钻和憋钻。

2 干热岩钻井液技术关键

钻井液是深井钻井成败的关键因素之一，钻井过程中，钻井液的作用主要是携带和悬浮岩屑、稳定井壁和平衡地层压力、冷却和润滑钻头及传递水动力。高温岩体地热井对所用的钻井液要求更高，高温钻井液除要能保持井眼的稳定性和有效携带岩屑外，还必须具有良好的抗高温性能[16-24]。

2.1 钻井液的性能对井壁围岩稳定性的影响

1） 钻井液引起的温度扰动对井壁围岩稳定的影响。钻井液从井口到井底的过程中，虽然被逐渐加热，但其温度始终低于目的层的温度。在实际地层条件下，钻井过程中井壁地层受到钻井液的冷却作用，由于井壁岩石中各种矿物热胀冷缩性质不一致，拉伸热应力还会导致井壁产生微裂纹，所以冷却产生的拉伸热应力一方面使井壁周向应力和轴向应力降低，另一方面产生微裂纹，从而导致破裂压力降低。

2）钻井液对井壁围岩稳定性影响的应对措施。在配制钻井液的同时要精确计算钻井液的密度，有效平衡地应力与热应力。钻井液高温滤失量必须控制在一定范围内，减小液体向井壁岩石的渗透，保证井壁的稳定性。

3）低压地层井壁稳定。干热岩体钻遇变质岩或结晶岩，会有大量破碎地层，易发生坍塌、掉块等孔壁不稳定现象。

2.2 抗高温钻井液体系技术关键

1）抗高温问题。高温作用下，钻井液的黏土颗粒分散度增强，温度越高，分散性越强，从而引起钻井液增稠，流动性较差，高温高压滤失量增加。高温一方面会使有机处理剂分子链发生断裂，降低高分子处理剂的相对分子质量，使其失去原有的特性，同时降低处理剂的亲水性，减弱其抗污染能力，可能会导致钻井液性能恶化。另一方面，高温会使处理剂分子中不饱和键和活性基团之间发生各种反应，发生高温交联，使得整个钻井液体系变成凝胶，失去流动性。

2）堵漏问题。钻井液漏失问题在国外干热岩钻探施工中比较常见，中国针对高温堵漏材料的研究较少。

3 干热岩钻井液技术及现场应用情况

3.1 充气泡沫钻井液[3]

充气泡沫钻井液技术由西藏地矿局地热地质大队施工，应用于羊八井和拉多岗地热田钻井中，解决热田低压地层漏失的平衡钻进问题，护壁防坍塌、防漏失、治漏排砂，获取砂样，处理复杂地层的钻进，进一步探索泡沫钻井液的抗温能力与其它性能变化情况，收集各类数据，有待深层次的探讨与研究。

充气泡沫钻井液配方如下。

8%膨润土+6%Na2CO3+0.1%NaOH+（0.015%～0.15%）CMC，或者

4%NV-1+0.15%CMC+（0.01%～0.015%）PHP+（0.01%～0.02%）DF-1

充气泡沫钻井液密度为0.50～0.95 g/cm3，漏斗黏度为 25～30 s，滤失量为（8～12） mL/（30 min），含砂量小于4%。

拉多岗热田ZK206井400 m以上井段使用普通钻井液，密度在1.15 g/cm3左右出现井漏，地层有0.20～0.25 m的裂缝存在，漏失严重，采用多种方法堵漏，收效甚微。在400 m以下井段换用充气泡沫钻井液钻进，治住了多点井段的漏失。

泡沫钻井液应用于羊八井热田水ZK4002井井深800 m以上井段中，抗温性能较好，钻进效率高。钻进中遇到断裂带，钻井液发生严重漏失，漏速为80～100 m3/h，将泡沫钻井液密度调至0.87 g/cm3时仍有进无出，采用常规材料和方法堵漏未见效。在钻井液材料不足和其它条件限制的情况下，被迫换用清水顶漏钻进穿过漏层，下套管封堵漏层止住井漏，采用普通钻井液钻至终孔，完井深度为2 006.80 m，初测井底温度为262.03 ℃。

3.2 利用液氮进行干热岩钻井[4]

中国石油大学（北京）发明了采用液氮作为钻井液进行干热岩钻井，通过液氮的低温作用在干热岩表面产生拉伸应力，诱导微裂缝的萌生和扩展，从而降低干热岩的强度，提高钻头的破岩效率。液氮在井底气化后氮气从环空上返，并将破岩形成的岩屑携带至地面。该方法将液氮的冷冲击作用和氮气欠平衡钻井的优势相结合，可大幅提高干热岩钻井的机械钻速，并可有效地解决干热岩钻井中的井漏问题，极大地降低干热岩钻井成本。

液氮是一种无色无味、温度极低的流体，其与储层岩石接触时导致岩石表面温度骤降，引起岩石颗粒收缩并产生拉伸应力，当拉应力超过岩石的强度时可诱发微裂隙的萌生或者原生裂隙的扩展。高压液氮从钻头喷嘴喷出形成液氮射流，与钻头切削齿进行水力-机械联合破岩。井底岩石在液氮的低温作用下产生微裂缝，强度降低，可提高切削齿的切削效率。此外，液氮在井底快速气化变为氮气，使得井底岩石处于局部欠平衡的应力状态，进一步降低破岩的门限压力。液氮气化后，氮气经由环空上返携岩，达到氮气气体钻井的效果，因而可有效解决井漏问题。

3.3 干热岩用水基钻井液[5]

中石化集团新星石油有限责任公司发明了一种干热岩钻井液，主要是通过在钻井液中添加高温护胶剂及高温稳定剂，使得水基钻井液的抗温能力达到260 ℃，满足超高温井的作业要求。其配方如下。

0.3 %NaOH+5%海泡石+5%无机增黏剂+2%高温护胶剂+3%高温降滤失剂+5%白油+1%乳化剂（单硬脂酸甘油酯：失水山梨醇月桂酸酯=1∶1.3）+2%高温稳定剂+17%加重剂

其中无机增黏剂为蒙脱石经过十二烷基三甲基嗅化铵处理后形成的疏水改性增黏剂，高温护胶剂为AM、AMPS、AOBS、AA的四元共聚物。钻井液体系性能见表1。

表1 干热岩用水基钻井液在不同温度下老化后的性能

3.4 高温干热岩冲洗液技术[6]

青海省环境地质勘查局906地质工程公司研制了一种干热岩冲洗液：包括常温井段冲洗液和高温井段冲洗液，其常温井段冲洗液包括：膨润土、纯碱、水解聚丙烯酰胺和水解聚丙烯腈干粉；高温井段冲洗液包括：膨润土浆、聚丙烯酸钾、液体润滑剂、磺化褐煤、磺化酚醛树脂、高温抗盐降滤失剂、防塌润滑剂和降黏降滤失剂。该钻井液体系抗温能力可达200～250 ℃，可以增加钻探效率，减少钻探事故的发生。其配方如下。

（50～70） kg/m3膨润土浆 +0.5 kg/m3聚丙烯酸钾+0.1 kg/m3液体润滑剂+（10～50） kg/m3磺化褐煤 +（30～50） kg/m3磺化酚醛树脂 +30 kg/m3高温抗盐降滤失剂+（30～40） kg/m3防塌润滑剂+（20～30） kg/m3降黏降滤失剂

该高温干热岩冲洗液体系的固相含量不大于4%，密度不高于1.06 g/cm3，漏斗黏度为17～21 s，API滤失量不高于15 mL，泥饼厚度不大于1 mm，含砂量不大于1%，pH值为7.5～8.5。

3.5 干热岩抗高温钻井液体系[7]

成都理工大学能源学院与西南石油工程公司联合研制了一种抗温性能达到260 ℃的高温水基钻井液；主要通过研制的高温护胶剂保持钻井液体系中各种胶粒的稳定，配合相应的高温降滤失剂和高温封堵剂等其它配伍性处理剂的协同增效作用，来提高钻井液的抗温性能。抗高温护胶剂分子中各原子或原子团以C—C、C—S、C—N等热稳定性较高的化学键连接，主链上带有对黏土粒子有较强吸附能力的阳离子基团和强水化的各种基团，控制其相对分子量在适当范围，确保在使用浓度范围内对钻井液黏度影响小，保证钻井液的流变性良好。钻井液配方如下，性能见表2。

2%膨润土浆+0.2%NaOH+2%高温护胶剂HDC+3%磺化沥青+3%SPNH+3%SMP-2+2%聚合醇+3%KCl+2%润滑剂+重晶石（加重至1.30 g/cm3）

表2 不同老化温度后干热岩抗高温钻井液体系的性能

3.6 高温泡沫钻井液体系[8-9]

国内外解决超深井抗高温难题的一种钻井液体系为高温泡沫钻井液体系。在配制和维护过程中，通过抗高温发泡剂和抗高温保护剂，提高泡沫在高温条件下的稳定性，采用常规泡沫钻井技术实现高效钻进。中国石油集团长城钻探公司曾采用高温泡沫钻井液技术在肯尼亚OLKARIA区块钻成一口地热井，地层温度高达350 ℃。

空气泡沫钻井液是在清水中加入适量的发泡剂作为泡沫基液，根据井深和地层漏失情况在泡沫基液中充入一定量的空气，泡沫质量系数为0.55，优点为：低密度，高黏度，密度可以达到0.036～0.424 g/cm3，具有防漏堵漏和良好的井眼清洁作用。在形成的泡沫基液中，加入抗高温保护剂，提高发泡剂的抗温能力，抗温极限从180 ℃提高到240 ℃，满足现场施工要求。

3.7 地热钻井用水基钻井液

长春地质学校修宪民[6]研究成果认为环境温度在100～180 ℃时，地热井水基钻井液中膨润土的加量应控制在3%～8%（V/V）。环境温度在200 ℃以上时，用海泡石配制钻井液，可提高其高温稳定性。推荐使用的2套地热井水基钻井液体系配方[10]。

1）淡水钻井液和低矿化度钻井液体系（Cr-SMC、表面活性剂、淡水膨润土钻井液体系）膨润土含量为4%～7%，SMC用量为3%～10%，pH值为9～11。表面活性剂和混油使用情况：As：0.1%～0.5%，SP-80：0.1%～0.5%，OP-10：0.1%～0.5%，柴油为10%。

2）高矿化度盐水钻井液体系（Cr-SMP-1-SMC高矿化度盐水钻井液）的抗盐、抗高温性能好。Cl-含量为1×105mg/L、Ca2+含量为4 000 mg/L的介质配制的钻井液，在200 ℃环境中钻井液性能稳定。钻井液配方如下。

（3%～10%）SMP-1+（5%～10%）SMC+（0.1%～0.2%）红矾（用NaOH将pH值调整到9～10）

3.8 抗高温造浆材料选择

地矿部探矿工程研究所汤松然等人[11]认为：非热储层井段，造浆土可选用造浆性能良好并符合API标准的NV-1人工钠土，用HPAN 93等作抗高温处理剂，即可满足钻井要求。对于热储层段，采用抗高温性能好又可酸溶的海泡石作造浆材料，钻井液处理剂可选用SMC、SMP、HPAN 93等，可用于高温钻井。

钻井液性能指标：①非热储层高温井段：180 ℃滚动16 h后，表观黏度为25～30 mPa·s，API滤失量在15 mL以下，HTHP（180 ℃、3.45 MPa）滤失量小于40 mL。②热储层井段：220 ℃滚动16 h后，密度在1.030～1.400 kg/cm3之间可调，表观黏度为15～30 mPa·s，API滤失量在15 mL以下，HTHP（220 ℃，3.45 MPa）滤失量小于 50 mL，固相酸溶率不小于50%。

3.9 水敏性地层地热井钻井液技术

山东省鲁北地质工程勘察院科研人员研究认为：水敏性地层对钻井液的总体要求是：低滤失量、适当的黏度、 适当的密度、适当的pH 值、较强的抑制性和能形成较好的泥皮护壁，另外还要求钻井液具有较好的流变性能，合理的流态。为了保证钻井液的性能、满足钻进的需要，应选用优质黏土造浆，同时选用合理处理剂调节钻井液的性能；此外还要加强地面除砂工作，控制钻井液中固相含量，强化钻井液质量管理。水敏性地层钻井液的调节大致可总结为“两个控制一个调节”，两个控制是：尽量降低钻井液的滤失量，减轻对地层的水化作用；对钻井液—地层系统压力平衡的控制，要尽量使用平衡压力钻进；调节钻井液的流速及流态，以适合不同地层条件的要求[12-13]。

山东省某井队在河北霸州某地热井施工中使用磺化沥青、CMC、水解聚丙烯腈铵盐、腐植酸钾、聚丙烯酸钾配制钻井液，成功穿越了寒武系厚层泥页岩地层。三开钻进至井深2 450 m 时，上返岩屑增多，上提钻具有阻力，根据上返岩屑判断井壁出现了崩塌。现场分析井壁崩塌的原因是，泥页岩吸水膨胀剥落，从而使井壁发生崩塌。钻井液配方：1%磺化沥青 +0.5%CMC+1%KHm+0.3%聚丙烯酸钾 +0.1%烧碱。调节后钻井液漏斗黏度为23 s，密度为 1.18 g/cm3，滤失量为 7 mL/（30 min），pH 值为 9，泥饼厚度为0.8 mm。调整钻井液性能参数后 ，顺利穿过近200 m厚的泥页岩地层。

山东某井队在江苏某地热井施工中采用聚丙烯酰胺 -腐植酸钾钻井液成功穿越了二叠系含煤泥页岩地层。2%KHm、0.5%高分子量（500×104）水解度 30%的聚丙烯酰胺 、0.4%水解度60%低分子量聚丙烯酰胺、 0.3%水解聚丙烯腈、0.5%CMC、0.2%烧碱。调节后钻井液密度为1.21 g/cm3，黏度为32 s（苏式），滤失量为3.5 mL/30 min，pH值为8.5，泥饼厚度 1.0 mm。 调整钻井液性能参数后，顺利穿过厚达 100 m 的煤泥岩地层。腐植酸钾在煤泥岩地层具有较好的防塌抑制性，同时聚丙烯酰胺具有良好的护壁作用，钻井液防塌护壁效果较好。

3.1 0 贵州地热井钻井堵漏技术

1）瞬间堵漏剂+水泥球堵漏技术特点。将瞬间堵漏剂和水泥按一定配比拌合均匀，加适量水拌合后装入袋中，投入井内至漏层，下钻具挤压将球袋破坏和堵漏物一起挤入漏失通道（裂缝），混合堵漏物在裂缝口附近与裂缝壁固结为一体而封闭漏失通道。水灰比应控制在 0.35～0.40，水泥球直径应小于漏层井段井径的1/3；应按批量将一次性瞬间堵漏剂和水泥球拌合均匀后再加水，避免滤失时间长，在钻具挤压前初凝，而影响挤压效果；在水泥混合球投入井内后即下钻挤压，使堵漏混合物挤入岩层裂缝，在裂缝中固结而封闭漏失通道。

2）堵漏效果。遵义中部地热资源整CK4、CK4-2、CK5等井，贵安新区地热水资源勘查CK1、CK2井，遵义忠庄地热资源勘探DR1井，采用瞬间堵漏剂+水泥球+稻草节堵漏方法，堵漏效果均是成功的，且待凝时间较短，减少了停待时间，有利于钻井周期的大幅度降低[14-15]。

3.1 1 国外采用的地热井钻井液及固井技术

大多数地热井钻井液都是淡水和膨润土的简单混合物，也可加入聚合物。充气钻井液或者充气液，通常是将空气加入到液体中使其密度变小，但有时因为腐蚀严重会使用氮气；在漏失严重的地层，广泛使用充气钻井液。20世纪 70 年代早期充气钻井液就在国际上得到广泛使用，并显示出诸多优势。使用空气钻进也相对常见，因为它的机械钻速高于钻井液或充气钻井液。有时采用清水或无固相钻井液也是相当可取的，特别在生产地层，传统的钻井液会对储层造成伤害。通常在漏失严重的地层也会使用这种方式，但这会导致水泥套管固井变得复杂，因此需要特殊的水泥固井技术，例如泡沫水泥技术或冲洗回填技术。无液体上返需要大量的水供应，在缺水地区无法实现，但是，这种技术在印度尼西亚、新西兰、菲律宾、冰岛和墨西哥等地区成功应用。

4 干热岩钻井液技术发展建议

目前中国研究的高温钻井液的抗温性能不超过260 ℃，对抗高温的处理剂及体系的研究还很少，干热岩预计孔底温度会达150～650 ℃，面临着超高温问题，有待开展耐高温钻井液技术研究，主要有以下几个方面：①高温处理剂的研制，包括抗高温降滤失剂、高温增黏剂、高温润滑剂、高温堵漏剂及高温保护剂；②高温钻井液体系的研究，包括高温高密度钻井液体系、高温泡沫钻井液体系、高温油基钻井液体系等；③高温检测仪器的研究，包括高温高压流变仪、高温高压滤失仪、高温高压页岩膨胀量测定仪、高温堵漏仪、高温润滑仪等；④高温钻井液地表冷却系统研究，例如冷却塔、冷冻房等。

5 结束语

目前，国内外干热岩钻井液体系朝着地层伤害小、环境友好型的方向发展，并不断提高其抗温能力，已形成门类齐全、 适用于各种地层和环境条件下的干热岩钻井液体系，并得到广泛应用。而中国在油气田干热岩钻井液体系和环境保护方面研究和应用还处在起步阶段。 各个科研院所开发的成果也只是在小范围应用。因此，参照国外的经验，应该加强抗高温环保型干热岩钻井液体系的系统研究和推广应用工作。