高溫海水鉆井液現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)研究

單文軍，呼和滿(mǎn)都拉，陶士先，劉文武，劉 娜

(1.北京探礦工程研究所，北京 100083；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)〈北京〉，北京 100083)

隨著國(guó)家深海戰(zhàn)略的實(shí)施和南海天然氣水合物的試采成功，我國(guó)未來(lái)可能(必然)實(shí)施深海鉆探。以南海為例，實(shí)施深海鉆探，井底溫度預(yù)計(jì)達(dá)到200 ℃以上，抗高溫海水鉆井液是深海鉆探關(guān)鍵技術(shù)之一。高溫海水鉆井液將面臨超高溫高壓環(huán)境，良好的流變性、低濾失量、環(huán)保等是目前亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

1 國(guó)外高溫海水鉆井液技術(shù)研究現(xiàn)狀

1.1 鉆井液處理劑

國(guó)外一直在研究抗污染的高溫、高電解質(zhì)乙烯基磺酸、丙烯酰胺及乙烯基乙酰胺等合成的多元共聚物類(lèi)鉆井液處理劑，并在深井、超深井鉆探中得到了良好的應(yīng)用[1-2]。例如：BASF公司開(kāi)發(fā)了Polydrill高溫磺化聚合物降濾失劑，耐溫可達(dá)260 ℃，抗KCl和NaCl至飽和，抗Ca2+、Mg2+含量達(dá)7.5%～10%；貝克休斯公司開(kāi)發(fā)了由AMPS和AM共聚合成的Pyro-Trol和AMPS與N-烷基丙烯酰胺(NAAM)共聚合成的Kem Seal等2種高溫降濾失劑，適用于260 ℃高溫地層的海洋鉆井中；ARCO公司研制的抗高溫降濾失劑Mil-Tem，主要是由磺化苯乙烯(SS)和馬來(lái)酸酐(MA)共聚而成，抗溫達(dá)229 ℃，其粘均相對(duì)分子量在1000～5000之間。上述處理劑產(chǎn)品存在的主要問(wèn)題是抗鹽效果有限，不能避免礦化度增大條件下溶液粘度下降的缺陷。

MI-SWACO公司研制的高溫聚合物降濾失劑Calovis FL[3-5]主要是由丙烯酰胺(AM)、磺化單體(AMPS)、N-乙烯基吡咯烷酮三元共聚合成，抗溫232 ℃，控制在高溫高壓條件下的流變性能和濾失量；由丙烯酰胺、磺化單體(AMPS)合成的聚合物Calovis HT，抗溫達(dá)260 ℃；頁(yè)巖抑制包被劑陰離子丙烯酸共聚物Calothin，抗溫達(dá)232 ℃；有機(jī)共聚物無(wú)鉻稀釋劑Calosperse，抗溫達(dá)204 ℃；頁(yè)巖封堵劑Poroseal 和高溫鈉蒙脫石粘土Gel Supreme。

PERRICONE A C等[6]研制了乙烯磺酸共聚物降濾失劑COP-1和COP-2，并在現(xiàn)場(chǎng)取得成功應(yīng)用。COP-1應(yīng)用于部分井溫超過(guò)260 ℃的鉆井中，可與褐煤類(lèi)物質(zhì)協(xié)同控制。COP-2應(yīng)用于井溫超過(guò)177 ℃，并與木質(zhì)素磺酸和褐煤協(xié)同作用。

Halliburton公司[7]研制了一種新型聚合物添加劑FLA，抗溫達(dá)180 ℃，所配制的鉆井液具有極低的塑性粘度、較高的動(dòng)切力，解決了巖屑攜帶及井眼清潔問(wèn)題。

Chevron Phillips公司研制的超高溫鹽水體系用聚合物，其中HE100合成聚合物(>170 ℃，甲酸鹽體系中>230 ℃)、HE150合成聚合物(>170 ℃，甲酸鹽體系中>250 ℃)、DriscalD(提粘、降失水劑170～260 ℃)和EXP-S192合成聚合物(提粘、提切劑>260 ℃)。

Carl Thaemlitz等人[8]通過(guò)丙烯酰胺、磺酸鹽單體、交聯(lián)劑單體，研制了一種降濾失劑，抗溫達(dá)232 ℃，抗氯離子12.6 g/L，抗鈣離子0.344 g/L。將加量3%的該降濾失劑加入KCl、石灰泥漿和海水，在232 ℃下老化16 h，其濾失量分別為17.6、25.2、23.2 mL，降濾失效果顯著。

Clapper等人研制了一系列抗高溫抗鹽降濾失劑，主要由丙烯酰胺、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、N-乙烯基吡咯烷酮以及各自的衍生物為單體共聚而成，抗溫達(dá)260 ℃，抗NaCl達(dá)10%。該降濾失劑經(jīng)260 ℃/16 h老化后的API濾失量依舊控制在3.0 mL以?xún)?nèi)。

1.2 高溫海水鉆井液體系

1.2.1 高溫聚合物鉆井液體系

近些年，國(guó)外油田化學(xué)品公司在環(huán)境友好的高溫聚合物水基鉆井液方面開(kāi)展了一系列研究工作，主要圍繞以下幾個(gè)方面開(kāi)展工作：低鉆井液毒性、提高關(guān)鍵處理劑的抗溫性、增強(qiáng)鉆井液的抑制防塌性能等。

M-I公司[9]研制了兩種環(huán)保型高性能水基鉆井液體系：Ultradrill和HydraGlyde，主要處理劑有低分子量聚丙烯酰胺、ROP增速潤(rùn)滑劑和聚胺抑制劑，該環(huán)保型高性能水基鉆井液體系性能接近油基鉆井液體系，在井眼凈化、井壁穩(wěn)定和提高機(jī)械鉆速方面效果相當(dāng)。

EXXON公司[10]合成了一種高溫聚合物處理劑，形成了無(wú)生物毒性的抗高溫海水體系(EHT)，在某井井底最高使用溫度達(dá)215 ℃，高溫海水泥漿在204 ℃老化(16 h)后，生物毒性通過(guò)美國(guó)環(huán)保署(EPA)檢測(cè)，無(wú)毒，可排放。

斯倫貝謝公司研制的Envirotherm NT鉆井液體系[11]，抗溫達(dá)232 ℃，密度2.20 g/cm3，無(wú)鉻，低毒性、海洋環(huán)境接受性好。

卡博特公司[12-13]采用Dristemp增粘降濾失劑、甲酸銫加重劑等形成一種無(wú)固相耐高溫鉆井液體系，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用抗溫達(dá)到215 ℃，密度達(dá)到2.25 g/cm3。

Halliburton公司研制了高溫聚合物增粘提切劑FLA，形成了一種抗204 ℃高溫環(huán)保無(wú)固相聚合物鉆井液體系，無(wú)毒性，可直接排放。

英國(guó)MGS公司[14]研制了一種納米水溶性增粘降濾失劑Pure-Bore，形成了Pure-Bore高性能水基鉆井液，配方：0.75%Pure-Bore+1.0%Pure-Bore LV+1.7%封堵劑+5%KCl+25%NaCl+重晶石。該體系具有高剪切稀釋性，井眼清潔能力強(qiáng)，環(huán)境友好，易生物降解，可直接排放。

1.2.2 甲酸鹽鉆井液體系

Shell開(kāi)發(fā)的甲酸鈉鉆井液體系SFX-1抗溫達(dá)150 ℃[15]，甲酸鉀鉆井液體系PFX-1在170 ℃條件下表現(xiàn)出較好熱穩(wěn)定性。典型配方為：350 mL甲酸鹽鹽水+0.5 g黃原膠+2 g高粘PAC+1 g低粘PAC+20 g碳酸鈣+0.5 g碳酸氫鉀或碳酸鉀?？梢杂眉姿徜C將鉆井液密度調(diào)至2.3 g/cm3，但甲酸銫價(jià)格昂貴。

1.2.3 鈣鹽鉆井液體系

Halliburton公司[16]研制了一種能提高產(chǎn)能的高密度CaBr2-CaCl2-CaCO3鉆井液，并應(yīng)用在埃及地中海海上氣田?；趯?shí)驗(yàn)室研究結(jié)果，添加捕氧劑可將該體系的抗溫能力提高至162 ℃。

1.2.4 高密度低固相鉆井液體系

Halliburton公司研制的抗180 ℃高溫?zé)o固相鉆井液體系，主要處理劑是一種新型聚合物添加劑FLA，配方為：135.15 L甲酸銫+22.26 L Glycol+1.59 L水+0.22 g檸檬酸+1.11 g聚合物FLA+0.47 g聚合物C+1.11 g聚合物D+0.95 g聚合物E+4.45 g碳酸鈣(5 μm)+1.91 g碳酸鈣(25 μm)+0.08 g MgO+0.08 g抗氧化劑。該體系經(jīng)過(guò)180 ℃熱滾20 h，流變性能穩(wěn)定；動(dòng)態(tài)循環(huán)模擬測(cè)試溫度超過(guò)232 ℃，粘度維持穩(wěn)定。

1.2.5 高溫油基鉆井液體系

斯倫貝謝MI-SWACO公司[17-20]新研發(fā)了一種抗溫260 ℃、密度可達(dá)2.04 g/cm3的超高溫油基鉆井液RHADIANT，適用于所有油基和合成基鉆井液，主要處理劑有3種，高溫主乳化劑MULXT，配漿加量2%～3%，抗溫260 ℃；高溫主降濾失劑胺化單寧ONE-TROL HT，加量1%～3%，抗溫260 ℃；輔助降濾失劑合成聚合物ECOTROLHT，加量0.5%～1%，抗溫260 ℃。

1.2.6 氟基逆乳化鉆井液體系

Halliburton公司[21]研制了氟基逆乳化超高溫鉆井液，該體系以氟基聚醚油、氟基乳化劑等組成，油水比60∶40～80∶20，抗溫達(dá)到315 ℃以上，具有良好的熱穩(wěn)定性、抑制、潤(rùn)滑、抗污染和抗腐蝕性能。該體系目前還處于室內(nèi)基礎(chǔ)理論研究階段，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用還需要大量的研究工作。

2 國(guó)內(nèi)高溫海水鉆井液技術(shù)研究現(xiàn)狀

2.1 鉆井液處理劑

中海油能源發(fā)展有限公司采油技術(shù)服務(wù)公司王仲?gòu)V等人[22]，以AA、AM、AMPS、DMDAAC為單體，合成了兩性離子聚合物抗高溫抗海水降濾失劑，該聚合物在海水中的降濾失效果顯著，在海水漿中的抗溫能力在220 ℃以上，解決了聚合物在高溫高鹽情況下易降解的問(wèn)題，能夠滿(mǎn)足海洋高溫鉆井對(duì)降濾失劑的需求。

白秋月[23]研制了一種耐溫耐鹽鉆井液降濾失劑，主要由MAA/AMPS/DMDAAC/NVP四元共聚而成，抗溫達(dá)150 ℃。

中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院[24]，合成出了抗200 ℃的磺酸鹽共聚物降濾失劑DSP。

全紅平等人[25]合成了一種抗高溫抗鹽聚合物降濾失劑，抗溫達(dá)200 ℃，抗NaCl達(dá) 30%和抗CaCl2達(dá)10%。

黃維安等人[26]以N,N-二乙基丙烯酰胺(DEAA)、AMPS、NVP、二甲基二烯丙基氯化銨為單體，合成了超高溫聚合物降濾失劑HTP-1，抗鹽超過(guò)20%,抗溫達(dá)240 ℃。

王松[27]以2-甲基丙烯酰氨基-2-甲基丙磺酸等主要單體為基本單體，配合其它幾種特定的乙烯基單體，合成了一種抗溫達(dá)210 ℃、抗4%CaCl2、抗鹽至飽和的降濾失劑。將該降濾失劑分別在淡水泥漿、飽和鹽水泥漿、含鈣泥漿(4%CaCl2)210 ℃高溫老化24 h，其塑性粘度分別為13.5、26.0、9.5 mPa·s，濾失量分別為9.5、19.5、40.5 mL。

王中華[28]以丙烯酰胺、AMPS、丙烯腈為原料，合成了一種降濾失劑，在鹽水鉆井液中抗溫達(dá)200 ℃，在1%CaCl2鉆井液中抗溫達(dá)180 ℃。以丙烯酰氧丁基磺酸、2-丙烯酰氧-2-甲基丙磺酸鈉和N,N-二甲基丙烯酰胺與丙烯酰胺、丙烯酸為原料合成了一種降濾失劑，抗鹽10%～30%，抗溫達(dá)220 ℃。將0.5%該降濾失劑加入淡水泥漿、鹽水泥漿(4% NaCl)、飽和鹽水泥漿、含鈣泥漿(10% CaCl2)中，其塑性粘度分別為：24、11、12.5、4.5 mPa·s。

國(guó)內(nèi)近些年針對(duì)抗高溫海水鉆井液處理劑的研究主要集中在抗高溫、抗鹽性能上，目前國(guó)內(nèi)可以滿(mǎn)足200 ℃以?xún)?nèi)的高溫深井鉆井需求。但對(duì)耐溫超過(guò)200 ℃、耐鹽至飽和的高溫聚合物、降濾失劑、防塌劑、潤(rùn)滑劑、抑制劑、消泡劑等研究仍有不足。

2.2 鉆井液體系

(1)中海石油(中國(guó))有限公司湛江分公司張萬(wàn)棟等人[29]，針對(duì)南海西部東方區(qū)域中深層高溫高壓氣田開(kāi)發(fā)鉆井過(guò)程中下部地層使用水基鉆井液鉆井過(guò)程中容易出現(xiàn)井壁失穩(wěn)、摩阻扭矩大的技術(shù)難題，從多方面來(lái)評(píng)價(jià)MEGADRIL油基鉆井液，該油基鉆井液熱穩(wěn)定性好，耐溫達(dá)150 ℃，具有較高的潤(rùn)滑性，儲(chǔ)層保護(hù)效果好。

MEGADRIL油基鉆井液配方：O/W(7∶3，25% CaCl2)+0.855%Versagel HT+4.3%ONEMUL+2.85%CaO+1.43%Versatrol HT+0.285%Ecotrol RD+1%VERSAWET+優(yōu)質(zhì)重晶石(密度1.9 g/cm3)。

(2)中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院劉曉棟等人[30]，針對(duì)大港濱海地區(qū)高溫地層存在的井壁穩(wěn)定、漏失、坍塌、鉆井液維護(hù)困難等施工難點(diǎn)，研制了抗200 ℃的磺酸鹽共聚物降濾失劑DSP，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)優(yōu)選出抗200 ℃的高溫海水基鉆井液。該體系在200 ℃高溫條件下具有良好的高溫流變性、熱穩(wěn)定性，抑制性和潤(rùn)滑性；抗鹽達(dá)8.0×104mg/L，抗鈣達(dá)5.0×103mg/L，可滿(mǎn)足大港濱海區(qū)塊探井高溫高效、提速鉆井、海上環(huán)境保護(hù)的要求。

(3)聚磺鉆井液可應(yīng)用于150～200 ℃高溫深井，但磺化類(lèi)抗高溫處理劑生物毒性高(SMP-1、磺化瀝青，生物毒性值分別為36050、8000 mg/kg)，色度大，不能滿(mǎn)足排放要求，與國(guó)外低毒性高溫聚合物水基鉆井液性能有一定差距。

(4)長(zhǎng)城鉆探工程公司工程技術(shù)研究院楊鵬等人[31]，以丙烯酰胺、丙烯酸、磺酸基共聚物、陽(yáng)離子單體等合成了可抗180 ℃高溫的磺酸鹽共聚物增粘降濾失劑SSDP。通過(guò)對(duì)抗高溫抗鹽增粘劑、潤(rùn)滑劑、降濾失劑和防塌抑制劑等處理劑的優(yōu)選和復(fù)配，研制了一種抗高溫海水無(wú)粘土相鉆井液，耐溫能力達(dá)150 ℃。

抗高溫?zé)o粘土相鉆井液配方：海水+0.2%Na2CO3+0.6%SSDP+0.8%DDL+0.8%PAM+0.5%JL-8+3.0%SL-Ⅱ+3.0%超細(xì)碳酸鈣+ 1.0%HL-8+2%AP-1。

(5)中海石油(中國(guó))有限公司湛江分公司吳江等人[32]，研制了一種新型抗溫高密度油基鉆井液體系。配方:5號(hào)白油(85∶15油水比)+4.28%乳化/潤(rùn)濕劑+0.285% 降失水劑+2.85%石灰+1.5%有機(jī)土+2%抗高溫降失水劑+水相(26%CaCl2溶液)+重晶石，密度加重至2.0 g/cm3。

(6)西南石油大學(xué)朱寬亮等人[33]，研制了一種抗200 ℃高溫的海水鉆井液，具有良好的流變性和熱穩(wěn)定性，高溫高壓失水量低。配方：5%海水基漿+1.5%～2.0%SMP-Ⅱ+2%～3%SPNH+2%DSP+5%甲酸鉀+2%超低滲成膜封堵劑+0.1%熱穩(wěn)定劑A-20+2%聚合醇+0.3%SP-80+0.4%亞硫酸鈉+重晶石。實(shí)驗(yàn)流變性能見(jiàn)表1。

表1 200 ℃高溫海水鉆井液流變性能Table 1 Rheological properties of high temperature seawater drilling fluids at 200℃

3 高溫海水鉆井液關(guān)鍵技術(shù)研究

(1)研制高溫高密度高礦化度條件下抗鹽處理劑(高溫抗鹽降濾失劑、抗鹽抑制防塌劑、抗鹽增粘劑、環(huán)保型潤(rùn)滑劑、消泡劑等)及其在高溫條件下作用機(jī)理研究；重點(diǎn)研究處理劑關(guān)鍵官能團(tuán)、分子量、聚合度等在高溫、高礦化度條件下性能變化規(guī)律研究。

(2)研制或優(yōu)選適合于高礦化度鉆井液抗氧化保護(hù)劑，提高整體抗溫性能。

(3)超高溫、超高壓、高礦化度地層井壁穩(wěn)定技術(shù)。

(4)高溫、高密度、高礦化度新型無(wú)毒、環(huán)保型海水鉆井液體系。

(5)高溫海水鉆井液緩蝕劑、評(píng)價(jià)方法及腐蝕機(jī)理研究。

(6)高溫海水鉆井液評(píng)價(jià)儀器研究。

4 結(jié)論

綜上所述，國(guó)內(nèi)外對(duì)高溫海水鉆井液的研究有很大進(jìn)展，但是關(guān)于高溫海水鉆井液中的多電解質(zhì)在高溫條件下的相互作用機(jī)理研究較少。針對(duì)多電解質(zhì)高礦化度條件處理劑及體系高溫失效問(wèn)題，以及高溫高壓高礦化度深海鉆探面臨處理劑耗量大的問(wèn)題，應(yīng)在抗高溫海水鉆井液的造漿材料、處理劑、體系等方面開(kāi)展大量的研究工作，開(kāi)發(fā)配伍性能優(yōu)良的海水鉆井液高溫、抗鹽等處理劑的研制，進(jìn)一步研制耐200 ℃以上高溫海水鉆井液體系，可為深海鉆探、天然氣水合物鉆探及深部油氣鉆探提供技術(shù)支撐。