国外抗高温钻井液体系发展概况

  甲酸盐无固相钻井液1>钻井液性能特点。20世纪80年代的研究结果表明，一价甲酸盐能够作为常规聚合物如XC的高温稳定剂〔121。1996年Mobil首次用甲酸盐钻井液钻高温高压井并获得了成功。在甲酸盐的作用下，聚合物可以抗154 0C的高温，钻井液能高效地清洗井底，机械钻速较常规钻井液提高2000，无油层损害，表皮系数为零，泥饼薄且易清除，薪土抑制性好。其后3年中，Mobil用甲酸钾聚合物钻井液在德国北部钻了巧口深气井，均取得了较好的效果。

 

  1999年甲酸艳钻井液也投人了使用〔1512)钻井液组成与作用原理。高密度甲酸盐钻井液在高温下与黄胞胶增豁剂相配合，不需要使用膨润土，黄胞胶的剪切稀释性和固相的减少使甲酸盐钻井液的摩擦压力损耗低，因此当量循环密度也降低。现场应用表明，甲酸艳钻井液比油基钻井液具有更低的当量循环密度，而当量循环密度常用来衡量高密度钻井液性能的好坏。为形成良好的滤饼和有效封堵地层，加入碳酸钙颗粒，形成的碳酸钙泥饼可以在完井后通过酸化等方法除去，不污染油气层。

 

  常用处理剂与甲酸盐钻井液的配伍性好，所以抗高温钻井液处理剂在甲酸盐钻井液中仍然发挥作用，甲酸盐还能提高聚合物的高温稳定性和热稳定性。例如，XC在淡水中的临界温度为123 "C，加人甲酸艳、甲酸钠和甲酸钾时，可分别升高到160,174和200 0CEI61，这也是甲酸盐钻井液作为抗高温钻井液的重要原因。

 

  甲酸盐在水溶液中以Na+, K+, HCOO一和CS+的离子存在，除了具有Na+, K+的作用外，还具有HCOO一的独特作用。这主要体现在甲酸根和水分子之间可以形成氢键，同时吸附在豁土端面的甲酸根之间也可形成氢键。研究认为甲酸盐具有高溶解度、高密度、高pH值、低结晶点的特性，随碱金属原子量的增加，饱和浓度、饱和密度、 pH值变大，结晶点更低。甲酸盐钻井液具有很强的抑制性。经实验研究，甲酸盐钻井液抗固相污染能力强，浓度为85.5 kg/m3的甲酸盐钻井液在85.5 kg/ M3的污染下流变性不受影响川〕。

 

  3)现场应用。①在德国海滨的Walsrode和Soehlingen地区，高温高压井的井底温度达到了162. 8 0C，选用甲酸钾和甲酸钠的混合溶液作基浆钻井液与完井液2009年9月钻井取得了成功['s]o② Belanak油田在印度尼西亚的沿海(Natuna海)，该油田油层温度达157 C，水平井段为1 064^-1 368 m，其中有特别弯曲的井段。

 

  用低固相甲酸钠钻井液钻了6口井，甲酸钠的浓度为85. 5 kg/ M3，经测定XC等聚合物在该甲酸钠浓度下的抗温性能好，钻井液在高温、固相污染下的流变性均不受影响仁"-'910 )Kvitegjorn气藏是北海地区挪威区块上的另一个高温高压凝析气藏，井底温度为145℃。在2004至2005年，已经使用密度为2.02 g/cm3的甲酸艳钻井液钻进多口井的高压高温油气层，钻进中循环当量密度很低。其中A-04井是Kvitebjorn油田的第1口井，利用甲酸艳钻井液取心后测井成功。300 m割缝防砂筛管在从甲酸艳钻井液转换成完井液的过程中没有发生任何事故。钻进中损失28. 5 m3甲酸艳钻井液。为取心等有8次全程起下钻，共漏失7. 56 m3钻井液。在Kvitebjorn气藏的第2口井(A-05井)漏失30. 07m3钻井液，少于估量值(36 m3)，中间有7次全程起下钻，漏失3.02 m3钻井液。充分说明了使用甲酸艳钻井液时，井内波动压力低，密度窗口有一定扩展，有利于控制钻井液的漏失。

 

  4)甲酸盐钻井液现场维护处理技术。①控制pH值，提高缓冲能力。甲酸盐钻井液中的pH值缓冲剂由碳酸盐/碳酸氢盐缓冲剂组成，即使在体系中混人大量CO:仍能保持 pH值为9^-11。该缓释剂保证了pH值降低的限度，在缓冲体系中无论混人了多少COZ, pH值都不会低于6. 0-6. 5。有2种情况可能影响缓冲效果:一是体系中有各种离子与碳酸盐反应形成沉淀，另一种情况为碳酸盐遇到酸性气体，比如C02 , H2 S变为碳酸氢盐。对于第一种情况，离子反应消耗掉了缓冲剂，需要及时补充缓冲剂。第二种情况，缓冲剂仍然存在，但是丧失了高缓冲能力，需加入KOH来将碳酸氢盐变为碳酸盐。

 

  ②超低分子量PAC的使用。在甲酸盐钻井液中，超低分子量的PAC能较好地提高滤失性和页岩抑制性。在Kvitebjorn地区，因钻前岩心测试返排率太低，开始放弃使用PAC。有新的研究表明:低返排率的岩心测试很可能是人工岩心的问题而不是PAC的问题。加人PAC明显降低了高温高压滤失量(从11^30 mL降低到5. 8^-16 ml,)，同时因提高了页岩稳定性，当量循环密度也有所降低[2o1现场和实验研究都表明，甲酸盐钻井液密度可调节性大，因其无固相，抗高温、抑制性强，可解决困扰当前深井钻井中的流变性难控制问题，处理井下复杂事故容易，保护油气层，有利于环境保护，所加处理剂类别少，易维护，是一种较理想的抗高温钻井液，但还需进一步降低成本。目前对甲酸盐钻井液提高聚合物抗高温的机理研究还很少。

 

  无膨润土抗高温钻井液M-1公司X21〕设计了一种独特的水基钻井液，在Kalinovac和Molve气田的5口高温高压井中成功应用，其中4口井井斜较大。实验研究、现场应用、油藏调查结果表明，该钻井液的表皮损害小，应用井的产能高，因此不需要实施额外的增产措施，从而降低了开发成本。该体系在180^-220 0C下保持稳定。

 

  1)钻井液组成为:乙烯酞胺和磺化乙烯的共聚物，用于降低滤失量，抗温达200℃;达到API标准的改性勃土，提供基本私度;具有不同颗粒大小分布的碳酸钙颗粒，满足桥接堵漏和提供密度的需要;三氮杂苯基流体的H2S净化剂，抑制硫化物;水溶的缓蚀剂，防止工具失效;亚硫酸钠，提高聚合物热稳定性;氧化镁，作pH缓冲剂;乙二醇，用作润滑剂。

 

  2)钻井液应用情况。在第1口井中被迫加人巧kg/m3的豁土来形成泥饼、降低滤失量，但是加大了造成油层损害的危险。为了保持钻井液的稳定性，需要加人褐煤树脂，但其对油层也有伤害，所以立即采用了非褐煤树脂的成分，调整了钻井液配方。钻井液密度比预期值高，进人油层后钻井液密度最后达到了1. 30 g/cm3，加人了200 kg/m3的氯化钠和碳酸钙，为调节流变性又加人了10 kg /M3的膨润土。采取这些措施之后重新开钻，一直钻到预定深度，没有出现问题，但表皮系数达到22.9，表明已伤害地层;所以需要在体系中加人XC和丙烯酞胺共聚物代替膨润土。

 

  第2口井钻井液中不含膨润土，滤失量大于20mL，加人褐煤树脂后滤失量降低到预定要求。因钻井液密度达1.40 g/cm3，所以要求钻井液有很好的悬浮性，在钻井液中加人XC后达到了要求。其中XC有不抗高温的隐患，但在高盐度的环境下XC的稳定性会增强，而且乙烯酞胺磺化乙烯共聚物、氧化镁、亚硫酸钠等会提高其稳定性。在井下实际情况中，钻井液的携岩性获得了解决，钻井液在井下56 h后仍然保持稳定。在钻井液中加人更多的聚合物和碳酸钙能提高其流变性，且不会引起胶凝。

 

  第3,4,5口井钻井液体系组成和第2口井基本一样，不同的是加大了乙烯酞胺磺化乙烯共聚物的第26卷第5期朱宽亮等:抗高温水基钻井液技术研究与应用现状及发展趋势(I)浓度(30 kg/m' )，降低了褐煤树脂的浓度(15^,30kg/m' )。用生物聚合物提高钻井液清洗井底及携岩能力，在钻井中没有发生与钻井液有关的问题，油层无污染，无需增产措施。

 

  现场应用表明，该钻井液可用于180-200℃高温地层，使用乙烯酞胺和磺化乙烯的共聚物降低滤失量，该钻井液可以把地层损害降到最低程度，同时可使气井的产量提高15100-2790o。配合软件预测ECD,ESD，钻井过程顺利。

 

  抗高温硅酸盐钻井液硅酸盐钻井液因其良好的抑制性、低成本、环保等优点受到了重视，近年来有广泛的应用，因硅酸盐钻井液的抑制性不受高温的影响，国外开发了抗高温的硅酸盐钻井液。

 

  斯伦贝谢公司的Wael M. El Essawy[Zz〕经过研究得出:抗高温硅酸盐钻井液的一个重要特点是它的高pH值。在高温下天然和改性聚合物都开始降解，高温降解的一个重要原因是聚合物和氧以及自由基发生氧化反应，可通过加人牺牲剂除去氧和自由基。但是牺牲剂的效果会受到钻井液密度和过高温度的限制。硅酸盐钻井液中很少有盐，所以不能通过加人充足的盐来除去氧，而且硅酸盐的高pH值使聚合物更容易降解，所以抗高温硅酸盐钻井液需要加人既能抗高温而且能耐高pH值的聚合物。

 

  需要找到能在高温下流变性稳定且160℃高温高压滤失量不超过30 mL的产品。

 

  Wael M. EI Essawy最初为提高聚合物(聚阴离子纤维素和生物聚合物)的抗温性，加入了高温稳定剂及褐煤降勃剂，还加人了褐煤树脂来降低滤失量。测试表明，该体系具有低的API滤失量，但是高温高压滤失量极高。其后决定用不同种类和级别的聚阴离子纤维素及其替代物，同时加人改性沥青来降低滤失量，还加人了抗高温淀粉，但是这些都不能降低高温高压滤失量。最后采用了合成聚合物，同时检验聚合物的配伍性，通过测试了上百种体系后，选用了一种能在163 0C和高pH值下保持稳定的共聚物，用其配制的体系能很好地提高钻井液性能，且能减少不必要的添加剂用量，从而能降低成本。抗高温硅酸盐钻井液配方为:

 

  1. 4 0 o KCl + 0. 07 0 o NaZ C03 +0. 285%常规PAC十0. 3 0 o UL PAC+4. 2%抗高温聚合物+0. 2 0 o XC+2.282 0 o Nat Siq十改性沥青+1.14%胺基高温牺牲剂+29%重晶石(体系的pH值为11.3)经过实验，该钻井液性能重复性好，在160℃热滚16h后高温高压滤失量仅为5 mL。良好的钻屑包被性是硅酸盐钻井液的一大特点，硅酸盐钻井液在钻井的各个阶段都不会出现抑制性问题，即使高温高压滤失量高达50^-70 mL时，上返的钻屑也是分散的且钻屑内部是干的。用同样的钻头钻进，硅酸盐钻井液能提高3000^60%的机械钻速。在维护中可加人NaOH以缓解硅酸盐的消耗。

 

  因为高固相含量且对钻屑的低容限，高密度硅酸盐钻井液的滤失量仍然比较难控制。抗高温硅酸盐钻井液的滤失控制仍然需要研究，寻找廉价的、性能好的硅酸盐钻井液用抗高温降滤失剂，使其能在高密度的条件下有效降低钻井液滤失量，极其有意义。另外，还需要发展廉价的抗高温降戮剂。

 

  抗高温聚合醇聚合物高密度钻井液在中国海南省琼东南盆地，M-I公司承钻了亚成21-1-4井，该井完钻井深为5250m，井底温度为212 0C，地层孔隙压力当量密度为2. 21 g/cm'。该井采用新型的钻井液和合理的钻井液设计，钻井中没有出现钻井液引起的大问题。

 

  该井在(/) 508 mm井段开始采用KCl聚合物钻井液。随着井底温度的升高，钻井液性能开始恶化，因此加人抗高温的钻井液处理剂，将钻井液转换成抗高温的聚合醇聚合物水基钻井液，密度达到1.92g/cm3。该钻井液在远东地区有过良好的使用纪录，特别是在越南和马来西亚，这2个地区应用井的井底温度高达210℃。

 

  该钻井液的组成为:聚合醇，主要作页岩抑制剂，同时作润滑剂;少量怀俄明膨润土(17 kg/m'),提供基本豁度;同时加人了反絮凝剂以控制静切力;降滤失剂从下面几种中选择:一种磺化聚合物、磺化沥青、人工合成聚合物和一种树脂和褐煤衍生物的复合物;每种添加剂都具有增豁作用，需通过实验来确定加量;CaSO;的加量小于2. 85 kg/m3，提供可溶钙来减少碳酸盐和碳酸氢盐的污染;聚合物高温稳定剂，用有机胺提高体系中纤维素、淀粉和生物聚合物的高温稳定性;低分子量聚合物降勃剂，控制赫度和静切力。实验表明，钻井液的性能稳定。

 

  在(h 311. 1 mm井段，仍然用抗高温的聚合醇聚合物钻井液，将密度提高到2. 2 g/cm3。与合成基钻井液相比，水基钻井液有如下优势:漏失现象较合成基钻井液轻;(f) 228. 6 mm井段水泥胶结效果好;测井顺利。该钻井液的主要难点在于保持钻井液热滚前后的性能稳定;保持低的静切力;降低重晶化:一种在老化容器中老化45 d，另一种在砂岩岩心石的沉降，减少钻井液的分离;提高钻井液的抗污染中老化110 d(最终从岩心上分离)。结果表明:传统能力。在高温静止和高温循环的条件下，传统的纤的容器老化方法不能反映地层实际情况。该实验目维素和淀粉聚合物降滤失剂都会热降解。因此，使的是为了证明页岩抑制剂在岩心中吸附和老化较其用了人工合成的高分子量聚合物，但是也提高了钻在老化容器中老化有更好的热稳定性。实验前需要井液赫度。初始钻井液密度为1. 4 g/cm'，钻至井考虑的问题有:化学剂选用、岩心的孔隙度、岩心材深4 750 m左右时钻井液密度高达1. 8 g/cm'。通料、盐的选用、浸滞程度及长时间保持系统完整。

 

  过合理调整各处理剂的加量，保持了较好的流变性。