钻井液技术发展历史及未来趋势

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1、钻井液技术发展历史及未来趋势2014-08-14能源情报文/蔡利山中国石化石油工程技术研究院钻井液技术的发展与钻井工程的技术需求不可分割，从20世纪初始以自然造浆方式进行钻探作业到今天专业化多功能的钻井流体的广泛应用（各种钻井液体系的应用情况详见表1）,时间经过了大约1个世纪。在此期间，钻井液工艺和材料一直在不断发展。由于理论与手段（甚或思维方式）的局限性，其发展过程可能会出现反复，发生技术革命的因素正在积累，但最终的突破点在哪里,目前仍显得扑朔迷离。作简单的体系一直在沿用，如油基钻井液；三是具有持续技术传承的体系，如聚合物及其衍生体系，就目前的发展情况看，由于新材料研发因素的支撑，可

2、能是最具生命力的一个领域。从本质上讲，钻井液的功能实际上有两个：一是保持井壁稳定，以确保井眼在钻达设计深度之前，上部裸眼井段儿何形状的变化不会影响正常的钻进作业;二是及时高效地将钻头破碎的岩屑携带至地面，以保持井筒清洁。除此Z外的所有功能都是钻井液的衍生或附加功能，从钻井工程的性质看，保持已钻成井眼的稳定是第一位的，没有这一基础，与钻井工程有关的所有技术坏节都无从谈起。鉴于此，围绕井壁稳定需求进行的技术探索从未停止过，相关研究多集小在钻井液体系、工艺材料、应力平衡技术以及能量变化对井壁稳定性影响的研究等方面。1钻井液体系的研究这方面的研究一直是重点，且较为活跃。1.1钾基聚合物体系为了

3、尽可能发挥高价金屈离子的化学抑制作用，在钻井液中常常同时加入KCI和石灰（CaO）,以利用Ca2+稳定矿物晶格的能力，这种体系国外被称为钾钙基或钾石灰聚合物体系。国内的高钙盐体系于2000年而后开始投入现场应用，其特点是采用抗钙能力很强的聚合物助剂与CaCI2共同形成Ca2+高丁1000mg/L（滤液）的稳定钻井液体系。考虑到成本因素，现场维护时滤液中的Ca2+通常保持在1200〜1400mg/L,很少超过1600mg/Lo此技术有效发挥了Ca2+能够提高体系化学抑制能力的效率，极人地提高了钾钙基钻井液体系的化学防塌能力，可以认为是钻井液在防塌技术上的一个进步。1.2阳离子体系随着化学

4、抑制理论的不断发展，人们认识到阳离子基团在冇序吸附排列于黏土矿物晶层的同时可以有效地将吸附水分了排挤出來，使黏土矿物产生去水化效应，亦即阳离子化以后的钻井液体系能够最大限度地发挥抑制防塌作用。国内在1987年前后开始在现场试用阳离子钻井液体系（或者是以阳离子化的钻井液助剂对常规钻井液体系进行改造），1995年以后，关于阳离子钻井液体系及其相关助剂的研究与现场应用案例明显壇加。在对以往10年阳离子钻井液技术研究与应用总结的基础上，殷平艺在1998年首次提出了“新的钻井液研究必将以带冇正电固相颗粒的阳离子钻井液体系为主体”的观点。但就总体效果看，这方面的研究没有突破性进展，但探索性的工作一

5、直没有停止，直到现在仍可看到个别井使用阳离子体系的报道，但大多数时候是将阳离子助剂作为抑制剂或包被剂使用。1.3正电钻井液体系2000年以后，正电钻井液开始进入现场试用，这实际上是一种完全阳离子化的体系，其标志是体系（或滤液）的§电位至少应大于0,考虑到正、负两种电荷中和效率极高，最终形成的正电钻井液的§电位应不低于20mV,以便能够冇足够多的正电荷用于支付以钻屑为主的负电性物质的消耗，如此方可投入现场试用。从部分井的现场应用情况看，正电体系实质上是阳离子化程度较高的阳离子体系，其§电位一般不高于-20mV（传统水基钻井液的§电位通常在・40〜-30mV）,这主要是因为现场条件下进入浆

6、体的各种物质大多是负电性的，加之体系配伍的止电助剂不成熟，维护处理时仍以常规助剂为主，正电助剂反而成为辅助添加剂，导致正电体系在短时间内回归为常规体系。纵观钻井液化洋抑制理论的发展历程，在防塌技术实践中，正电钻井液体系的研究原本是最有希望出现革命性突破的节点，但因理论的运用与现实发生了严重冲突，最终导致这种技术性的探索工作前景黯淡。1.4KCI—聚胺强抑制体系这是一种以聚季胺为主的小分了（MWGOOO）型强抑制剂，从分了类型看，聚胺钻井液隶屈于阳离子钻井液一族。由丁•该体系抑制能力很强，并且没冇油基钻井液带来的环境问题，因此研究与现场应用非常迅速，国内从2007年前后开始投入项口研究，

7、2011年已经规模化推广应用。现场应用情况表明，聚储胺类抑制剂与无机盐具有很好的协同配伍效应，例如聚醋胺与常规的KCI体系配伍后能够极大提高化学防塌抑制能力，在比较理想的情况卜•其效杲接近油基体系,这是单纯以捉高体系K+含量无法做到的。1.5硅酸盐体系硅酸盐体系具有与其他常见钻井液体系不同的防塌与抑制机理，现在比较公认的防塌机理有4种：（1）通过硅酸盐与地层水屮无机盐反应后产生的化学沉积物封堵地层微裂隙，并具有弥合破碎地层效应；（2）与屮性或弱