水基钻井液有机处理剂智能化研究进展与应用展望*

沈浩坤，孙金声，吕开河，黄贤斌，刘敬平，王金堂，白英睿，金家峰

（中国石油大学（华东）石油工程学院，山东青岛 266580）

水基钻井液是以水为分散介质，添加具有不同功能的处理剂配制而成的多相分散体系，在钻井工程中发挥的重要作用被喻为钻井的“血液”。相比油基钻井液，水基钻井液单井成本较低、原料广泛且后期固废处理压力较小，被广泛应用于钻井工程中［1-3］。由于常规油气资源趋于枯竭，非常规油气资源成为近十年来油气资源可持续发展的趋势。而非常规油气资源由于具有开发难度大、钻井投入高、生产风险大的特点，对钻井液性能提出了更高的要求。国内外专家学者针对遇到的钻井工程问题和安全风险，研发出一系列高性能水基钻井液，可以满足大部分现场要求［4-10］。

但水基钻井液技术存在配制过程繁琐，钻井液指向性不足，自适应能力弱等［11-12］。针对上述问题，部分专家学者提出了钻井液智能化的研究方向。当前业内对于钻井液智能化的概念还未形成统一认识。就目前来看，钻井液智能化可以分为广义智能化和狭义智能化。广义智能化可以理解为，凡是涉及到钻井液体系的智能化，包括钻井液化学体系智能化、钻井液体系控制系统智能化和钻井液信息平台智能化，均属于钻井液智能化的范畴。而狭义的钻井液智能化仅指钻井液化学体系智能化［13-16］。钻井液化学体系智能化是指钻井液体系能针对外界环境（温度、压力、电解质强度、pH 值等）的刺激，自发做出响应，维持钻井液体系基本性能的稳定，或使钻井液性能调整到更加适应外界环境的状态。

钻井液化学体系智能化的基础是研发智能钻井液处理剂。根据钻井液化学体系智能化的概念，可以认为智能钻井液处理剂是一类能感知外部刺激、进而自主判断并实现某些特殊功能的新型智能材料。近年来，越来越多的研究人员将智能材料作为钻井液处理剂应用于钻井液体系中，使其具有感知、识别、响应、自诊断、自修复和自适应等性能，成为油田化学领域目前乃至未来的重要发展方向之一［17-20］。本文从智能钻井液处理剂的角度，总结了不同智能钻井液处理剂在水基钻井液中的作用机制、特点和应用现状，分析了智能钻井液处理剂在水基钻井液体系中的研发方向、方法及应用前景。

1 智能钻井液化学体系研究进展

本文所述的钻井液化学体系主要指钻井液处理剂。作为钻井液组成的重要部分，钻井液处理剂是常用油田化学品之一，可使钻井液保持稳定，满足钻井过程中对钻井液各方面性能的要求。因此，钻井液化学体系智能化，也可以称为钻井液处理剂智能化。

1.1 智能钻井液流型调节剂

流型调节剂作为钻井液中改善钻井液流变性、提高钻井液悬浮能力和携岩能力的处理剂，起到井眼清洁和安全钻进的作用。随着大位移井、大斜度定向井、深水、超深水井、深层、超深层井的开发数量不断增加，当钻遇复杂地层或地层温度变化很大时，钻井液存在流变性能恶化速度过快的问题。传统钻井液流型调节剂虽具有调节钻井液黏度的能力，但仍无法完全满足钻井的需求［21-22］。为解决钻井过程中出现的钻井液流变不稳定的问题，众多学者提出了恒流变钻井液技术。其中流型调节剂作为主要的处理剂，在恒流变钻井液技术中发挥了重要作用［23-25］。目前，智能化钻井液流型调节剂的制备思路主要是向人工合成聚合物类流型调节剂中引入温敏或盐敏型聚合物单体。利用温敏或盐敏型聚合物在不同温度或矿化度条件下的自发行为调控钻井液的流变性。

徐加放等［26］以N-乙烯基己内酰胺（NVCL）作原料、偶氮二异丁腈（AIBN）作引发剂，通过自由基聚合法合成了一种对深水水基钻井液低温流变性具有智能调控作用的聚N-乙烯基己内酰胺（PVCL）。PVCL具有较强的抗温、抗盐能力，能使钻井液的表观黏度、塑性黏度、动切力等流变参数在4～60 ℃内的变化幅度降低50%。其对钻井液流变智能调控的机理（图1）可以归纳为：低温条件下，小分子量PVCL 吸附在黏土颗粒表面，抑制高分子聚合物与黏土颗粒接触形成网状结构，钻井液黏度较小；随着温度升高，PVCL从黏土颗粒表面解吸附，钻井液体系中聚合物与黏土颗粒形成的网状结构增多，钻井液黏度升高。

图1 温敏聚合物智能流变调节剂作用机制［26］

刘均一等［27］采用聚季铵盐与超支化聚苯并咪唑为原料进行聚合，再与表面活性剂、增效剂和消泡剂复配，得到一种温敏聚合物类智能流型调节剂。该调节剂可使钻井液流变参数在4～65 ℃范围内保持稳定，从而减少因钻井液流变性在低温和高温条件下差异大而造成当量循环密度值高、井漏和压力控制难等技术问题的出现。

谢彬强等［28-29］以温敏型烯基酰胺单体和烯基磺酸单体为原料、偶氮二异丁酸二甲酯作引发剂，通过自由基聚合反应制备了一种温敏聚合物类智能流型调节剂，并基于该处理剂配制了恒流变钻井液。该温敏流变调节剂在海水中具有高温增黏和低温降黏的特性，且抗温性能突出，可使钻井液流变参数在4～75 ℃范围内保持稳定，进一步扩大了智能流变调节剂的适用温度范围。

黄孟等［30］以丙烯酸、丙烯酰胺和2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸为原料，通过反相微乳液聚合法合成了一种具有核壳结构的智能恒流变钻井液流型调节剂。与上述其他流型调节剂的作用机制不同，该处理剂由于亲水性外壳的存在，可以使钻井液体系中损耗的亲水基团得到补充，从而保持钻井液体系中亲水基团数目相对平衡，以提高钻井液流变的稳定性。

Sun 等［31］合成了一种盐敏型两性离子聚合物PAMN作为盐水钻井液智能流型调节剂。该调节剂对淡水基浆的增黏效果有限，但可使饱和盐水基浆的表观黏度和塑性黏度分别提高5.4 倍和9.3 倍。这是由于随着电解质离子强度的增加，PAMN 分子链从蜷缩结构转变为伸展结构，导致分子链在盐水中的回转半径增大，补偿钻井液在高矿化度环境下损失的黏度，实现钻井液流变性能的稳定。

1.2 智能钻井液降滤失剂

钻井液降滤失剂作为钻井液中常用的化学处理剂之一，主要用来降低钻井液的滤失量。随着深井、超深井的数量与日俱增，井底的高温环境使得降滤失剂性能恶化甚至失效，高压环境又进一步增加了钻井液的滤失量，泥饼增厚，最终增加井壁失稳和井下复杂发生的概率。现有的部分降滤失剂虽然能满足现场需要，在高温条件下有效降低滤失，但当被盐钙污染后，钻井液的降滤失效果明显变差，故需要与其他抗盐降滤失剂复配使用，因此迫切需要研发抗高温、抗盐钙的智能钻井液降滤失剂［32-35］。

Shen等［36］以丙烯酰胺、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸钠、二甲基二烯丙基氯化铵、苯乙烯和纳米锂皂石为原料，通过原位乳液聚合法合成了一种疏水缔合聚合物基层状硅酸盐复合物。该复合物可以通过疏水缔合作用自发形成多层复合豆荚状结构，提高泥饼的致密程度，从而降低钻井液的滤失量。另外，向钻井液体系中引入小分子电解质或升高温度会使溶剂极性增大，使疏水缔合复合物的缔合作用增强，提高聚合物网络的强度，使溶液黏度升高，从而补偿钻井液在高温高矿化度环境下损失的黏度。

Chang等［37］合成了一种基于盐响应的两性离子聚合物的改性二氧化硅NS-DAD 作为水基钻井液降滤失剂。与非离子聚合物、阴离子聚合物和阳离子聚合物改性的二氧化硅相比，NS-DAD 表现出明显的抗电解质现象。这是由于溶液中的离子屏蔽了两性离子聚合物分子链上的静电相互作用，分子结构由塌缩的球体变为舒展的分子链，使得NS-DAD 能在高温、高矿化度的条件下仍能保持良好的降滤失性能。

除使用盐敏聚合物对纳米无机材料进行改性的方法外，其他学者还使用温敏聚合物对碳基纳米材料进行改性作为智能降滤失剂。Amin 等［38］采用酸化处理和聚合物嵌入合成了一种改性碳纳米管复合物作为钻井液降滤失剂，探究了聚乙二醇改性碳纳米管对钻井液滤失性的影响。该复合物能有效降低泥饼的渗透率，与基浆相比降滤失性能提高了82%。其智能降滤失原理（图2）为改性碳纳米管穿插在黏土片层中，形成“加筋”结构和“柔性钉”的网络结构，从而改善钻井液的滤失性。

图2 改性碳纳米管降滤失剂作用机制［38］

Liu 等［39］通过对氧化石墨烯进行接枝改性，制备了一种基于PNIPAAm的热响应智能氧化石墨烯膜。当复合膜所处环境温度低于低临界溶解温度（LCST）时，PNIPAAm的亲水性强，聚合物分子与水分子形成氢键，聚合物分子链伸展，氧化石墨烯片层之间的距离较大，对水的渗透阻力小；当温度高于LCST时，聚合物的亲水性减弱，聚合物分子间形成氢键导致氧化石墨烯片层之间的距离减小，对水的渗透阻力明显增大。

1.3 智能钻井液页岩抑制剂

页岩抑制剂作为抑制页岩黏土矿物水化膨胀分散的处理剂，用于保证井壁稳定和岩屑完整。国内外学者对页岩水化机理进行了大量研究，根据水化机理提出了物理封堵和化学抑制的抑制页岩水化分散方法，并研制了相应的页岩抑制剂［40-42］。大部分页岩抑制剂只是从部分机理出发对抑制剂的抑制性能进行优化，抑制性能还有很大的提升空间。钻井液页岩抑制剂智能化是将物理封堵与化学抑制相结合，以进一步提高页岩抑制剂的抑制性能。

褚奇等［43］利用聚合醇类页岩抑制剂的特点，即在高于浊点时，析出乳化颗粒起封堵作用，低于浊点时，通过竞争吸附，在页岩表面形成疏水层起抑制作用，采用聚合醇配制了一种新型聚合醇钻井液。与传统应用抑制剂钻井液相比，新型聚合醇钻井液更有利于抑制页岩水化膨胀分散，具有更好的应用前景。

Dong等［44］用N-异丙基丙烯酰胺（NIPAM）对膨润土进行插层改性，赋予了膨润土热响应性。通过对滤失后形成的滤饼的表面表征，发现滤饼在不同温度下表现出智能亲疏水转变的行为和自恢复能力。与普通膨润土相比，智能膨润土滤饼包覆下的页岩膨胀率由63.89%降至36.44%，有效降低了页岩水化膨胀。类似地，Choi等［45］在多孔基底表面覆盖一层热响应N-异丙基丙烯酰胺接枝聚合物（PNIPAM），使得基底表面的疏水性随温度的微小变化而急剧变化。当温度高于LCST，膜表面疏水性增强，对水的渗透阻力增大；当温度低于LCST，膜表面亲水性增强，对水的渗透阻力减小。Park等［46］利用壳聚糖具有pH 响应的特点，采用壳聚糖和四乙基原硅酸盐为原料制备了一种具有pH响应的智能复合膜。当复合膜处于酸性环境中，对水的渗透阻力增大；当处于中性或碱性环境中，对水的渗透阻力减小。这种对温度、pH具有响应作用的膜材料对智能钻井液页岩抑制剂的研发具有指导作用。

1.4 智能钻井液润滑剂

钻井液润滑剂作为降低钻具与井壁间的摩擦、减小钻进阻力和起下钻摩阻的处理剂，主要起减少钻柱磨损和提高钻进效率的作用。由于水平井、大位移井等复杂井的数量不断增加，钻井液的润滑性能受到众多学者的重视。传统钻井液用润滑剂通过改变钻井液特性和流动方式以达到润滑的目的。润滑剂与钻具、井壁之间的作用弱，无法形成稳定的润滑薄膜，导致润滑效果欠佳［47-49］。润滑剂智能化是通过结合流动润滑与键合润滑，提高润滑剂与钻具、井壁之间的作用力，建立“流动-键合”协同增效的润滑技术。

史沛谦等［50］以不饱和脂肪酸为油性主体，引入双吸附基亲水基团以增强润滑剂在摩擦界面的吸附强度，合成了一种双吸附基水基钻井液润滑剂SR-1。1.5%SR-1可使聚合物钻井液的润滑系数降至0.0441；4% SR-1 可使聚磺钻井液的润滑系数降至0.05以内，润滑系数降低率为80.24%。SR-1与钻井液的配伍性良好，抗盐达20%，抗温达220 ℃。

吕开河等［51］利用醇醚类化合物的“浊点效应”，即在高于浊点温度时形成一种类油液滴，黏附在井壁与钻具表面，从而有效改善钻井液体系的润滑性能，制备了一种聚醚多元醇润滑剂SYT-2。当SYT-2 加量为1%时，钻井液的润滑系数降低率为93%，且SYT-2 具有良好的抗盐能力，抗温能力达120 ℃。逯贵广等［52］以聚醚胺与油酸酰胺为原料制备了双油酰聚醚胺润滑剂NH-HPL。NH-HPL 分子中含有大量极性基团，一方面保证了润滑剂良好的水分散性，另一方面能提高润滑剂在钻具和井壁表面的吸附能力。在4%淡水基浆中加入1%NH-HPL，润滑系数降低率为92%。NH-HPL 耐温达160 ℃，且具有不起泡、配伍性好的优点。

蒋官澄等［53］通过对蚯蚓分泌物降低土壤表面摩擦系数原理的分析，提出了仿生表面改性的仿生降黏减阻技术，并以此为指导，研发了键和型润滑剂。该润滑剂中的活性成分与井眼内的自由离子缔合在钻具、井壁表面产生平滑表面，从而有效降低摩阻，提高机械钻速。在4%淡水基浆中加入1%润滑剂，150 ℃老化16 h 后的润滑系数降低率为90.4%。

1.5 智能钻井液防漏堵漏材料

对于智能钻井液的研究，国内外研究人员更侧重于防漏堵漏方向。传统的防漏堵漏剂存在漏失孔道中驻留能力弱、封堵承压能力弱、与地层漏失孔道尺寸匹配性差等不足。为此，研究学者研发出智能形状记忆材料、智能凝胶材料、智能仿生材料来进一步提高防漏堵漏性能［54］。

部分学者将形状记忆合金引入水泥、凝胶等胶结材料，以记忆合金作骨架、胶结材料作填充物，利用记忆合金在不同温度下的形变恢复实现对封堵能力的提高。部分堵漏材料的承压能力超过30 MPa［55-56］。

Mansour 等［57-58］开展了基于热固性形状记忆聚合物的智能堵漏材料的研究，通过数值模拟和物理模拟相结合的方法，研究了形状记忆聚合物堵漏颗粒动态封堵裂缝的过程。暴丹等［59］用环氧聚合物单体与酸酐类交联剂制备了一种热响应型形状记忆智能堵漏剂，并开展了堵漏室内实验。该智能堵漏剂在激活前为片状颗粒，便于由钻井液携带至漏失地层裂缝。在地层温度下激活后，封堵颗粒膨胀至块状颗粒，自适应匹配裂缝宽度。该封堵剂封堵效率高，与其他桥接堵漏材料复配使用可成功封堵3～5 mm 不同开度的共存裂缝，封堵承压能力大于11 MPa。

Johnson 等［60］和Quinn 等［61］以油溶性交联剂和多糖聚合物为原料，通过反相乳液聚合法制备了一种剪切敏感型智能凝胶堵漏剂。该应力敏感性凝胶已成功应用30余井次，堵漏成功率可达75%。张绍营等［62］针对陵水地区钻井易漏失等问题，以瓜尔胶及其衍生物为主要合成原料，经过多次改性得到一种可延迟增黏的强弹性凝胶作堵漏材料。该智能堵漏凝胶封堵作用突出，可提高区块渗漏地层承压15 MPa，裂缝性地层7 MPa，且在80 ℃破胶后自动降黏，可有效对储层进行保护。

Zhou等［63］使用传统交联剂N，N'-亚甲基双丙烯酰胺共价交联形成第一网络，再通过铈离子与水凝胶网络中羧基之间的离子相互作用进一步物理交联，制备了具有自修复性能的聚（丙烯酸）/铈离子双网水凝胶。该凝胶断裂后在压力作用下可以重新愈合，且具有愈合效率高和机械性能好等优点。在地层压力的刺激下可以实现凝胶颗粒间的愈合，使凝胶整体驻留在漏失地层，提高对漏失地层的封堵能力，有望作为自愈合封堵材料应用于钻井液中。

2 智能钻井液体系展望

智能钻井液体系作为油田化学新的发展方向，在研究过程中，一方面要继续提高原有钻井液体系的性能稳定性，提高钻井液体系在严苛环境下的耐候性；另一方面要考虑学科交叉，深入研究仿生学、智能材料、大数据等前沿研究领域，将新理论、新材料、新技术引入钻井液体系，提高钻井液体系的智能化程度。以现场需求作驱动力，实现科研成果落地入井。

2.1 智能钻井液流型调节剂

智能钻井液流型调节剂可设计为含有温敏单体、盐敏单体和非极性疏水基团的聚合物或传统流型调节剂的改性产物。通过引入不同类型的单体，令流型调节剂的分子链在不同温度、不同矿化度下，由于疏水缔合作用、电解质屏蔽作用等物化作用使其分子构象改变，实现对钻井液流变进行智能调控的目的。

2.2 智能钻井液降滤失剂

现有钻井液降滤失剂主要利用增黏、吸附、捕集和物理堵塞等机理实现降滤失的目的，某些降滤失剂的降滤失效果优异。但目前针对高温、超高温的抗高温抗盐钙降滤失剂的降滤失性能仍有待提高。笔者认为要实现钻井液降滤失剂智能化，应该继续优化聚合物分子结构，通过增强聚合物分子链的聚集态作用力来提高聚合物分子在严苛环境下的稳定性，并引入纳米材料和刺激-响应材料，赋予聚合物智能特性。

2.3 智能钻井液页岩抑制剂

智能钻井液抑制剂的研制应该建立“抑制-封堵-固化”协同抑制的思想，使抑制剂兼具以下特点：具有小阳离子，通过离子交换实现抑制页岩水化；具有明显亲疏水部分，通过亲水基团在页岩表面的强吸附，使得疏水部分暴露在岩石外部形成致密的保护层，实现页岩表面的疏水化；具有响应相变的特性，通过对外界环境的调控，使抑制剂发生相变，起到物理封堵的作用；抑制剂应能提高页岩胶结强度；考虑到实际应用环境，还应该具有抗高温、抗盐钙、无毒环保的性能。

2.4 智能钻井液润滑剂

根据摩擦学原理，钻具与井壁接触处的摩阻最大，钻杆与环空钻井液的摩擦较小。但目前改善钻井润滑性的方法是将润滑剂直接或间接分散在钻井液中，这就导致需要润滑的地方和不需要润滑的地方润滑剂的含量相似，润滑剂的有效润滑效率不高。智能钻井液润滑剂应该一方面能牢固地吸附在钻具和井壁表面，形成稳定的润滑膜；另一方面能靶向作用于井壁与钻具摩擦处，实现智能靶向润滑。笔者认为可以研制一种包裹极性润滑剂的亲水性微胶囊，当钻具与井壁发生摩擦时，钻井液中的微胶囊在外力作用下挤破，使内部的润滑剂直接作用到摩擦区域，实现定点智能润滑。相关研究还处于起步阶段。

2.5 智能钻井液防漏堵漏材料

由于智能防漏堵漏材料的研究较多，针对不同的智能材料提出了不同的展望。智能形状记忆材料应注重分阶段固化技术以提高堵漏材料的承压强度；智能凝胶材料应提高自愈合、自胶结等凝胶材料在高温等苛刻条件下的适用能力；智能仿生材料应注重将架桥封堵、自适应封堵和智能仿生封堵结合起来，实现协同强化堵漏。

3 结束语

智能钻井液处理剂能根据井筒环境变化自主调节钻井液性能，可显著提高钻进效率和钻井质量，降低人工干预，真正实现钻井工艺全自动。智能钻井液领域具有广阔的应用前景，钻井液智能化研究对未来油气开发具有重要意义。但就目前而言，钻井液处理剂智能化还处于初步研究阶段，钻井液体系智能化仍需要进一步摸索。而且智能钻井液技术作为应用型、综合性、多学科交叉领域，需要各学科学者的共同参与，为智能钻井液技术提供新思想、新技术，提高钻井液的智能化程度。