智能水基钻井液发展现状及前景展望*

杜旭东，张 慧

（川庆钻探工程有限公司 长庆钻井总公司，陕西 西安 710000）

与油基钻井液相比，水基钻井液具备制作原料来源广泛、投资小、废液处理难度低等性能，优势性显著，已大规模应用于油田化学领域[1]。目前，水基钻井液存在制备工艺复杂、监测困难等技术壁垒，如何在克服传统钻井液工艺使用范围小、成本高、污染性强的前提下，研发新型智能水基钻井液已成为当前油气工业界的研究热点[2]。国内外诸多专家和学者针对智能钻井液已展开了一系列研究，至今未能形成一种系统的智能钻井液技术来提升钻井成效。

1 水基钻井液发展现状

随着常规油气资源开发进入中后期，地层非均质性问题尤为突出，而地层非均质性极大限制了油气采收率，人们逐渐将眼光聚焦于非常规能源。而与常规油气相比，页岩储层致密、黏土含量高，孔隙度小，钻井作业投入大、风险高，对钻井液的性能要求相应增大[3]。在此背景下，智能钻井液应运而生。

钻井液智能化是近期油田化学领域的新方向，但至今尚无确切定论。美国的Baker Hughes 公司研发出一种结合钻井液密度预测储层压降的装置，可动态评价储层的产能。英国的Shell 公司提出了一种智能化钻井液密度监测设备，能够有效预测钻井液的服役寿命。法国的Total 石油公司研发出智能化钻井液岩屑完整性观测模型，可实时监测钻井液降滤失剂的性能变化[4]。

我国对智能钻井液的研究多数集中于封堵及防漏方面，Zhang 等[5]为解决钻井漏失问题，提出了一种智能封堵剂，该处理剂在自然环境下呈高黏度，高温条件下可自动破胶降黏，起到保护储层的作用。刘凡等[6]提出了一种经醚化改性的氨基树脂堵漏剂，并对其堵漏性能进行了评价分析，发现该堵漏剂不仅研发工艺简易、经济性好，且固化后强度高，可适用于处理储层恶性井漏等重大技术难题。智能化钻井液技术能够解决传统钻井液无法克服的技术壁垒，对油气钻井和石油开采意义重大。

2 智能水基钻井液应用研究进展

2.1 智能钻井液流型调节剂

流型调节处理剂能够较好改善钻井液的流变性，大幅度提升体系的携砂能力，高效清洗井眼，并保证钻井的安全性和平稳性。随着水平井和大斜井钻井数量的骤增，钻井液流变性恶化问题日趋严重。常规水基钻井液虽可在一定程度上调节体系黏度，但仍无法满足现阶段钻井的现场需求。在此背景下，流型调节钻井液处理剂应运而生，其作用机理为：在合成聚合物类流型调节剂中引入环境敏感性材料，利用其在不同温度和盐度下的自发作用，实现体系流变性的改善。

Sun 等[7]研制了一种可提高饱和水基黏度的盐敏性复合聚合物PAMN，该调节剂具有较强的延伸性，可增大高分子链的回转半径，弥补体系在高盐度环境下的黏度流失。Liu[8]通过胶束聚合反应合成了一种新型抗高温流型调节剂，经研究发现，改善后的钻井液体系滤失稳定性好、储层伤害小，可有效规避卡钻及井眼漏失等技术壁垒。吕开河等[9]采用丙烯酰胺及其异丙基单体为原料进行聚合，研制出一种流型调节剂PNAAM，该试剂缔合作用强，可形成高黏度、大粒度直径的三维缝网，极大拓展了调节剂的适用范围。韩子轩[10]研制出一种适用于低温环境下的流变型水基钻井液，该调节剂能够有效稳定乳液的同时，显著改善体系的流变性。智能钻井液流型调节剂虽具备一定的优势，但也并非十全十美，如成本高、环保性差等问题，未来需加深对其稳定性和经济性能领域的研究。

2.2 智能钻井液降滤失剂

钻井液降滤失剂主要被用作降低滤失液的漏失量，是当下钻井液化学体系中常用的试剂之一。针对一些深井和超深井，井底的高温高压环境会增大钻井液的滤失量，使滤饼变厚，造成井壁失衡。随着井下工况复杂性的激增，常用的降滤失剂由于易受污染、耐高温性差等原因，难以实施大规模推广。

Chang 等[11]对盐基聚合物进行改性，得到一种新型智能降滤失剂，与常规钻井液降滤失剂相比，具有显著的抗盐性能。这是因为体系中的离子能挣脱分子间的静电引力，使得分子结构由球形转变为舒展的水平分子链，大大提升自身的降滤失能力。李东等[12]利用反相乳液聚合法，以酰胺基和磺酸基单体为原料，研制出耐温耐盐降滤失剂，该试剂可自发形成复杂的分层复合结构，提高滤饼质量，进而实现滤失量的控制。刘云等[13]研制出一种经聚合物纳米微球改性的降滤失剂，通过对微球聚合物性能的研究，得出该处理剂表面光滑、膨胀性强，高盐高温环境下仍能保持优异的抗老化性能，可实现大孔径有效封堵。全红平等[14]以乙二醇乙烯醚和丙烯酰胺为原料合成一种降滤失聚合物，该降滤失剂具备高热重稳定性、强耐盐性的双重优势，可大幅度改善矿物颗粒的分布，通过降低其尺寸，提升泥饼质量，进而降低滤失量。智能降滤失剂可突破常规降滤失剂适用范围有限的瓶颈，显著提升泥饼质量，降低滤失量。

2.3 智能钻井液润滑剂

钻井液润滑剂能够有效减缓井下钻具的摩损，降低起下钻的摩阻，进而大幅度提升钻井效率。随着以水平井为基型的复杂井数量的激增，越来越多的专家和学者将目光聚焦于钻井液润滑剂。大多数钻井液润滑剂只是通过改善流体特性和流动形式进行优化，在与井壁、钻具的吸附性方面还有很大提升空间。智能润滑剂可显著增大润滑剂与井壁间的吸附作用，形成稳固的润滑膜，是一种集成流动-键合协同增效的新兴钻井液润滑技术。

单锴等[15]采用改性油、表面活性剂及H2O2，合成了耐盐高密度润滑剂，经研究表明，该润滑剂降摩阻性能优异，无毒，可有效规避卡钻和托压等技术问题。孙丙向等[16]引入大豆卵磷脂、醇胺及矿物油，经混合加热法制备得到高润滑、强吸附的改性磷脂润滑剂，可有效解决复杂井的高摩阻、易卡钻等技术难题，满足现场高效钻井、抗盐抗钙等性能。刘浩然等[17]基于常用植物油润滑剂抗高温性能差的问题，以2-乙基己醇、H2O2、丁醇对大豆油进行改性，研制出一种新型植物油润滑剂，经现场应用发现，加入该试剂后体系的润滑系数大大降低，同时钻进速度大大提升。司西强等[18]利用胺基、磺酸基为原料，获得了钻井液用高效润滑剂，具有低加量、抗高温、钻井液配伍性好等产品优势，应用评价结果显示，该处理剂可抗230℃的高温，配注量仅用1%时便可大大降低体系的润滑系数，具有良好的应用前景。经大量研究证实，智能钻井液润滑剂不仅可实现流体性能的优化和吸附性能的增强，同时可在较低浓度下实现润滑作用，大幅度降低投资成本，一举多效。

2.4 智能钻井液防漏堵漏剂

防漏堵漏是目前油气钻井工程领域密切关注的重中之重，常用的防漏堵漏剂由于弱承压、低驻留及配伍性差等原因，大规模普及和应用受限。基于此，许多现场科技人员提出将智能仿生、智能凝胶等新型技术应用于钻井液体系，以期解决井下防漏堵漏等技术瓶颈。

Dong 等[19]利用多糖聚合物和油性交联剂，结合反相乳液聚合法合成一种智能凝胶堵漏剂，目前，已应用于多处井场，封堵成功率达到80%。Zhou 等[20]以交联剂、环氧聚合物为原料，再利用共价交联法，获得了可进行自我修复的聚丙烯酸凝胶剂，该堵漏剂在高压环境下可实现自愈合，可用于不同类型的地层堵漏，封堵周期长、效果好，可有效对地层实施保护。Mansour 等[21]以基于热响应的环氧聚合物单体与交联剂为引发剂，制备了一种热响应仿生堵漏剂，经室内实验分析得出，经激活后该堵漏剂可由片状结构转变为块状结构，自适应填充于储层裂缝孔隙中，且承压能力高达11MPa，可成功封堵储层中大开度、高压的共存裂缝。

李文哲等[22]为了解决长宁页岩储层漏失量大、承压低等问题，研制出一种经特制工艺改性的石墨堵漏剂，该堵漏配方固化后强度高、对滤失性影响小，可有效降低体系的漏失速率，显著提升封堵的稳定性。雷少飞等[23]基于传统钻井液高投入、易漏失等缺陷，提出了纳米钻井液堵漏剂，通过性能分析实验得出，该纳米堵漏剂普适性好，应用后承压可突破10MPa 以上，能够有效避免井漏现象的进一步扩大。智能钻井液防漏堵漏剂具有高承压、低漏失量、高固化强度等多重优势，应用前景广阔。

2.5 智能钻井液页岩抑制剂

页岩抑制剂可抑制黏土矿物发生膨胀，可长期保持井壁的稳定性和完整性。国内外诸多学者很早便开展了对页岩水化机理的研究，并提出了用于物理封堵和化学抑制的页岩抑制剂。这些页岩抑制剂在一定程度上起到了保证岩屑完整的作用，但只是停留在水化机理层面，对提升抑制性能方面的研究还远远不足。

Feng 等[24]利用油酸酰胺对页岩黏土矿物进行改性，使黏土具备热响应性，经对比发现，改性后的黏土矿物膨胀率降低了42.9%。Amin 等[25]以壳聚糖、硅酸盐为引发剂合成一种带pH 响应的页岩抑制复合膜，该智能复合膜在pH 值小于7 时对水具有高渗透阻力；在pH 值大于等于7 时，对水的渗透阻力减小。Xie 等[26]研制出一种基于热响应的N-丙烯酰胺聚合物，该抑制剂的温敏系数较大，当温度高于LCST 时，其表面亲油性增强，对水的渗透阻力增大；当温度低于LCST 时，其表面亲水性增强，对水的渗透阻力减少。

王哲等[27]为解决页岩单井施工井壁失稳及垮塌等现场难题，以有机胺、丙烯醇为原料，制备出一种新型两性离子页岩抑制剂，经室内实验和现场考察得出，该处理剂抑制性能强，使用后可长期保证施工的顺利进行。黄熠等[28]针对非离子钻井液抑制剂APG 成本高、污染性强等问题，利用醚化反应获得了环保型烷基页岩抑制剂APGS，经研究发现，APGS的抑制分散性能优于APG，且配伍性较好、无毒，具有优异的降滤失性和生物降解性。刘状等[29]以芳烃油和树脂为引发剂，结合预处理、乳化、调和等工序，合成了石油树脂钻井液用页岩抑制剂，经适用性评价得出，该抑制剂不仅可有效抑制页岩黏土膨胀，且抗污染性强，在高温高盐环境下仍可与不同钻井液适应性匹配。研制出综合物理封堵和化学抑制的双重机制的复合型钻井液页岩抑制剂，是未来该领域的主攻方向。

3 评价与对策

3.1 技术优势对比

智能水基钻井液以其独特的优势已被成功应用于油气钻井工程领域，如鄂尔多斯盆地的强抑制强封堵防塌钻井液、长宁页岩区块的井壁稳定钻井液及塔里木油田的高温恒流变钻井液等[30]。智能钻井液化学体系从技术、经济、环保方面考虑，优越性明显，但各具特点，当前主要的智能水基钻井液技术优点见表1。

3.2 面临的挑战

虽然部分智能水基钻井液技术已相当成熟，在油气钻井工程领域已取得了一定成效，但由于相关技术的限制，在应用过程中势必会有不少技术难题存在。

（1）从技术层面，我国对降滤、减阻、页岩水化机理等理论的研究不够深入，针对比较复杂的致密页岩地层，防漏堵漏、降滤失等关键技术尚未全面掌握。

（2）从经济层面，一些钻井液处理剂面临加量大、所需原材料制备复杂等难题，投入成本较高，同时新型钻井液的研发也会增大钻井液处理的成本。

（3）从环保层面，多数钻井液处理剂由高分子有机化合物复合合成，增大了钻井后的废液处理难度，若处理不达标即外排，会引发强烈的环境效应。

3.3 相关对策

（1）加大对钻井液自适应能力和指向性的攻关力度，加深钻井液优化理论与方法的研究深度，加强对现有智能钻井液技术的功能强化，以满足钻井现场需求。

（2）研发降本增效工程技术，不断优化水基钻井液的使用剂量和成效，研发低成本钻井液处理技术，高效实现新旧钻井液的接替。

（3）健全油气钻井工程作业机制，完善环境保护评价体系，强化钻井液处理各环节的环保监管力度，由政府牵头，企业落实，制定严格的废液处理标准规范体系。

4 结语与展望

水基钻井液智能化经多年的不断创新和发展，已经形成了多种适用于不同钻井环境的智能钻井液工艺技术，在油田化学领域取得了阶段性的进步。但也仅仅停留在表面，对于降低使用成本、合理配置加注量及提升钻井效率等方面的研究仍有待加强，有诸多关键技术需要突破。现阶段，我国的水基钻井液技术还处于初级阶段，钻井液化学体系的智能化进程滞后，仍需进一步探索。建议加大对智能化钻井液化学体系的研发力度，集成流体力学、物理学及材料科学等多门学科，赋予钻井液目标性和智能性，实现智能钻井液处理剂的“一剂多能”和“一剂多用”。同时加强企业、高校、科研机构各方协同合作，源源不断地为智能钻井液工艺提供新思路、新技术。随着相关技术的不断革新和改进，智能钻井液技术一定会成为未来钻井工程行业的生力军，在提升钻井液领域大放异彩。