高温高压水基钻井液技术发展浅析

张 旭

（大庆油田钻探集团钻井工程技术研究院钻井液分公司，黑龙江大庆163000）

钻井液是油气钻探过程中钻井工程的重要组成部分，钻井液的性能极大的影响了钻井速度、质量以及成本，因而钻井液对于快速、安全、低成本的钻井工程意义重大。随着水基钻井液技术的不断进步，钻井液中处理剂、降粘剂的用量越来越少[1]。水基钻井液主要由水、处理剂、降粘剂等组成，其性能的好坏与处理剂、降粘剂等的各种物质的成份及配比关系密切，因而在高温高压环境下，如何提高钻井液的处理剂等的抗高温高压的性能，成为高温高压水基钻井液技术需要解决的问题。

钻井过程中由于地温梯度的存在，随着钻井深度的增加井底温度也会逐渐增高，地层压力也会随着井深的增加不断加大，正常情况下在井深超过6000m，井底温度可以达到200℃以上，地层压力达到63MPa，高温高压下钻井液中的处理剂、降粘剂等成份的性能会发生较大变化[2-3]，本文主要介绍在高温高压下水基钻井液的技术发展情况。

1 高温钻井液处理剂

高温高压钻井液技术是随着钻井深度不断增加而出现的，20 世纪60～70 年代，随着钻井深度的增加，国外提出利用铁铬盐降粘剂可以达到170℃的抗温能力。随后提出了新型合成聚合物钻井液处理剂，主要有磺化褐煤SMC、磺化酚醛树脂SMP、磺化单宁SMT等等，抗温能力得到进一步的提高，可以达到200℃，但该类合成聚合物存在高温下降解的问题，20世纪80年代提出利用乙烯基磺酸单体、烷基丙烯酰胺单体等多元聚合物处理剂，在此基础上，现阶段主要应用的高温高压处理剂主要是在上述聚合物处理剂基础上形成的，包括褐煤与聚合物形成的络合物LPC、改性褐煤Carbonox、聚阴离子木质素等抗高温处理剂[3]。

国内高温高压钻井液处理剂的研制也从20 世纪70 年代开始的，开始主要引进了国外的设计思路和理念，形成了SMC、SMP、褐煤树脂SPNH等抗高温处理剂，后来，磺化单宁SMT、磺化栲胶SMK、铁铬木质素磺酸盐FCLS 等一系列抗高温处理剂不断出现，大量的处理剂的出现形成了我国高温高压深井钻井液体系。20世纪90年代，国内专家提出了利用丙烯酰胺基丙磺酸AMPS与丙烯酸等的共聚物合成多种抗高温钻井液处理剂，21 世纪以来提出了有机硅类处理剂。主要的高温高压钻井液处理剂主要有以下几种：①磺化褐煤；②磺化酚醛树脂SMP；③磺化褐煤树脂SPNH；④丙烯酰胺与丙烯酸钠共聚物；⑤钻井水解聚丙烯腈钠盐。

2 高温钻井液降粘剂

国外对于高温钻井液降粘剂的研究主要针对于温度高于200℃的深层地层开展，研究重点集中于多元共聚物上，研制的降粘剂种类繁多，并得到了较广的应用，例如部分分子量相对较低的多元聚合物在高温、高压、高矿化度环境下具有较好的降滤失性能。主要的几种高温钻井液降粘剂主要有以下几种：①丙烯酸钠CDP和乙烯磺酸盐共聚物TSD；②磺化苯乙烯SSMA与马来酸酐共聚物Mil-Tem；③TSPD 聚合物絮凝剂；④Thermal-Thin 聚合物解絮凝剂；⑤木质素磺酸盐接枝共聚物等等。

国内研究人员主要对多种单体聚合而成的多元聚合物降粘剂开展了研究，研制出了大量性能优良的降粘剂，主要有：①磺化单宁SMT；②苯乙烯与马来酸酐共聚物SSHMA；③PNH 木质素磺酸钙；④AMPS共聚物；⑤硅氟高温降粘剂SF260 等等。国内外的各种降粘剂适应的温度和环境存在一定的差异，因而在钻井液选用降粘剂时，要根据具体地下地质条件选择。

3 高温水基钻井液体系

高温高压钻井液主要有水基和油基两种，油基钻井液受到温度和压力影响较小，但是污染性强[4]，现阶段对环保等的要求，因而水基高温高压钻井液被优先使用。高温水基钻井液经过四十多年的发展，逐步形成了多种体系。国内外高温水基钻井液体系又有所不同。

3.1 国外高温水基钻井液体系

在高温水基钻井液体系的研制方面，国外大量专家和多家公司成功研制深井、超深井钻井液体系，常用的高温水基钻井液体系主要有以下几种：

（1）SIV钻井液体系。SIV钻井液体系是以SIV处理剂来命名的，其特性与微晶高岭土类似，是一种硅、钠、镁以及氧等元素组成的多层硅，稳定性极好，具有抗热能力强、稀释性好等优点，其配方为：300L 水+2.7kgSIV 处理剂+18.9kg 氯化钾+0.9kg 碳酸钠+1.9kg亚硫酸钠+9kg 碳酸钙粉末+7.2kg 三元共聚物降滤失剂+9kg 粘土混合物+重晶石粉等。该体系可以在230℃以下保持很好的性能。

（2）海泡石钻井液体系。海泡石钻井液体系在加拿大和美国等美洲国家应用证明该钻井液体系具有良好的性能，该钻井液体系主要是以海泡石作为主要钻井液处理剂，海泡石是一种富含镁和纤维的粘土矿物，结构为条状，海泡石在204℃时变为卡片状的富镁蒙脱石，这种性能在一定程度上有利于该类钻井液在高温下的表现。其配方为：海泡石+氢氧化钠+褐煤类处理剂+丙烯酸钠+少量岩屑。该钻井液体系具有抗电解质能力强、热稳定性强等优点，可在240℃左右的高温下表现出较好的性能。

（3）低胶质钻井液体系。低胶质水基钻井液体系主要通过控制粘土及木质素的浓度使其在高温高压下仍具有较好的性能，该类钻井液在204℃时粘度不在增加，高温稳定性可以到260℃。该钻井液体系在高温下保持较好的性能的原因主要是由于其内部的低胶质含量和稳定的化学处理剂，该钻井液体系配方见表1。

表1 低胶质水基钻井液体系配方

除以上常见钻井液体系国外存在大量钻井液体系，不同的钻井液体系在不同的深度下有不同的表现，因而可根据钻井深度选择不同的钻井液体系。

3.2 国内高温水基钻井液体系

国内高温水基钻井液体系主要有钙处理钻井液体系和磺化钻井液体系等多种，但在高温高压环境下的性能上与国外钻井液体系仍有较大差距，因而下面简单介绍两种我国的高温水基钻井液体系。

（1）钙处理钻井液体系。钙处理钻井液体系是在常规分散钻井液基础上研制而成的，其具有较强的抗盐、防塌等性能，该体系的主要特点是由含钙的絮凝剂、降粘剂和降滤失剂混合而成，体系中常见的处理剂有石灰、石膏和氯化钙。

（2）磺化钻井液体系。磺化钻井液体系是以磺甲基褐煤（SMC）、磺甲基酚醛树脂（SMP）、磺甲基单宁（SMT）和磺甲基栲胶（SMK）等常见处理剂为主要配方成分研制的钻井液体系，由于以上处理剂均为分散剂，因而该磺化钻井液是典型的分散钻井液，该钻井液亲水性强，在粘土矿物表面易形成较厚的水化膜，并且该类组分对钻井液的酸碱性要求低，从而钻井液在高温高压下稳定性强，能够很好的保持其流变性，因而该钻井液体系在高温高压环境下具有较好的性能。

4 结论

高温高压钻井液技术是由于钻井深度不断增加，井底温度和压力也不断增加而研制的。油基钻井液虽然受到温度和压力影响较小，但是污染性强，因而高温高压水基钻井液是深井钻探的主要研究方向。水基钻井液主要由水、处理剂、降粘剂等组成，其性能的好坏与处理剂、降粘剂等的各种物质的成份及配比关系密切，因而从20 世纪60 年代以来，国内外专家主要针对处理剂开展了大量研究，采用了不同的处理剂，并形成了各种高温水基钻井液体系。