无固相钻井液研究进展

段何玉，张荣军

（西安石油大学，陕西西安 710065）

钻井液对于钻井的重要性好比血液对于人类的重要性，因此一口井的成功作业与否，在很大程度上取决于钻井液的性能好坏，所以钻进过程的重中之重在于选择合适的钻井液。不含有黏土颗粒的钻井液就是无固相钻井液，该钻井液以低固相钻井液的发展为前提，与现代钻井技术的发展情况和需求更相符。除此之外，当今随着人们的环保意识增强、人们对于储层的保护也越发重视，未来的钻井液将向无毒害、低储层污染、循环使用率高的环境友好型方向发展，而这种新型的无固相钻井液与有固相的钻井液相比，不仅使得钻井效率大大提高，而且能够大幅度的减少对油气层的污染，在加入抑制剂后，也能起到防止井壁坍塌的功能。无固相钻井液也具有一定的缺点，就当今的发展状况来看，由于钻井过程中受到环境因素以及添加剂影响，无固相钻井液形成的泥饼普遍质量较差，今后的研究重点应该倾向于泥饼形成的质量。综上所述，对无固相钻井液的性质和功能进行更深入的探究，并推动其不断发展和完善，确保其更具先进化特点，这种选择和举措的落实意义十分深远。

1 无固相钻井液研究现状

1.1 国外无固相钻井液研究[1-4]

早在20 世纪80 年代，国外的部分特定低压低渗透的地层中就已经开始使用无固相体系，并且在研究成果方面也获得了一些成就。他们在挑选无固相钻井液时倾向于配方简单且明确的类型，最终采用的体系中只包含了聚合物和盐类这两种物质，密度为1～1.75 g/cm3，但其不具备较强的耐高温能力，只能承受100 ℃以下的温度环境。

Block 等在20 世纪90 年代初开展了关于无固相钻井液的研发活动，经过不断的研究和努力终于实现了耐高温能力的提升，该钻井液能抵抗120 ℃左右的温度，钻遇地层中的金属离子时也能保持较高的稳定性。该新型抗高温钻井液的体系主要包括两个组成部分，即聚乙烯醇剂（PVA）和氧化铝，它们对应的作用属性分别为失水控制剂和凝胶增黏剂。该体系对于钻屑具有比较强的携带能力，也能很容易对稀释性进行剪切。在深井钻探过程中，选用的钻井液通常为非水溶性耐高温的类型，其中存在一种无固相钻井液，其主要溶剂和增稠剂分别为N-甲基-2-吡咯烷酮和聚乙烯吡咯烷酮。而另外一种钻井液在选择增稠剂时不同于上一种，一般会选择低磺化聚苯乙烯，其对于流变性的剪切和稀释能力比较好，耐温性也较强，能够抵抗超过204 ℃的高温。

国外很早就开始研究有关深井及超深井的钻井问题，早在20 世纪，国外的部分特定低压低渗透的地层中就已经开始使用无固相体系，并且开发的无固相钻井液体系还具备针对性的特点和优势，不同的地层对应不同的体系。另外，在新型高温无固相聚合物钻井液体系的研究和开发，国外在研究成果方面获得了显著成就，例如，Hal-liburton 公司经过一系列的研发操作，成功研制出了耐高温的无固相钻井液体系，能够抵抗180 ℃的温度，在高温稳定性方面做出了重大突破，解决了技术难题带来的弊端。

国外公司对此关键技术的保护十分严密，国内购买抗高温增黏剂和引进技术服务时会产生高昂的成本费用，导致钻井成本直线上升。在国内，关于抗高温无固相钻井液体系的研究也有成功的案例，例如胜利油田就成功研制出了无固相抗高温体系，不仅能够抵抗高温环境，同时还能确保其处于稳定的状态。珠江口盆地文昌9-2 气田、9-3 气田和10-3 气田所使用的新型无固相钻井液体系，抗温可达170 ℃。石油大学（北京）和长江大学联手研制出了能够抗温150 ℃的无固相钻井液体系。但是，国内对于同时能够具有抗高温性、强抑制性、防漏效果良好的无固相钻井液体系却没有系统的研究过。

1.2 国内无固相钻井液研究

我国应用较为普遍的一种有机盐无固相钻井液体系是甲酸盐钻井液，这种体系也将高分子聚合物作为主要的增黏剂，加重剂选用有机盐来调整钻井液体系的密度，其增稠剂、油层保护剂和降滤失剂的选用分别为CXV、CXG 和CXF，并且可以结合具体情况来选择是否加入其他钻井液处理剂。该体系优点众多，缺点在于其成本太高。

无固相弱凝胶钻井液借助分子之间的相互缠绕建立起空间网架结构，该体系不仅在流变性方面展现出非常独特的特征，并且在悬浮携砂能力、润滑性和抑制性方面的性能也十分良好，抗温可达到140 ℃，主要适用的范围为特低渗透储层，能够防止固、液相的侵入，避免储层受到破坏。将无固相保护油气储层钻井液体系应用于塔里木油田呀哈区块，针对其使用过程中存在的问题和不足，塔里木油田自主进行研发，得到了一种新型无固相弱凝胶钻井液体系。能够实现150 ℃高温环境的使用，并且在流变性和悬浮钻屑能力等方面也具备良好的水准，针对水平井和大斜度井段这类特殊情况，其同样能够按满足其对钻井液提出的要求，经过轮南H8C 井的试用后发现，相较于PRD 弱凝胶钻井液，其展现出更优质的属性和功能。

无固相微泡沫钻井液的密度比较低，并且拥有良好的携岩性能，在滤失量方面也能进行合理的控制，而对于储层而言，该类钻井液还能够将其漏失和损害的程度降到最低，尽可能的将固相侵入控制在合理范围内，真正实现了对低密度钻井液体系的完善和优化。对于普通微泡沫钻井液固相侵入及其发泡过多导致钻井液泵上水效果较差的问题，无固相微泡沫钻井液体系对此都进行了优化，并克服了这方面的问题，同时还将其应用于邵4-平1 井，在150 ℃的环境中对油层保护实现了不错的效果。

高分子聚合物在无固相钻井液体系中的作用非常关键[5-7]，但是当今聚合物增黏剂的耐温性能都有限，遇到较高温度时，不能保持很好的稳定性，这也是一直以来无固相钻井液体系研究的重点，也是一直制约无固相钻井液普遍应用的难题。

针对无固相钻井液在钻井提速的效果方面，我国也对其进行过深入探究，并且研制出了能够实现钻井提速的处理剂，大庆油田作为初步试验场所，但最终的试验结果并未令人满意。无固相或低固相钻井液体系是钻井提速主要采用的钻井液体系，有关资料表明，这两种井液体系具有低流动阻力的优点，能够提高钻速，充分发挥钻头的功率。且这两种钻井液体系的黏度较小，便于携带岩屑颗粒，十分有利于井眼的净化。

虽然早在20 世纪80 年代国内外就已经开始关于无固相钻井液体系方面的研究与应用，并且取得了一定的应用成果，但是这种应用十分有限，只能在一些特定的井段实施，如低温井段和较浅井段。且虽然当今我国的钻井液技术已经取得了一定的成就，但是理论体系依旧不够完善，与国外相比有一定差距，所以钻井技术与设备条件依然有待进步；在钻井液处理方面，与国外的技术相比，钻井液的质量与应用性稍微逊色；在油气层的开采方面，还需开发设计出具有良好性能的固控设备；在油气层保护方面也需要进一步的提高。

2 无固相钻井液研究方向

国内外现阶段关于无固相钻井的研究方向主要为以下几种：

（1）无固相盐水聚合物钻井液[8-11]。该钻井液体系在变形和流动性方面都具备良好的性质，其黏度也可以根据需要调节、制备过程也十分方便、能够节省成本，且性能较稳定不易受外界影响，携带岩屑的功能也非常突出。

（2）无固相正电性钻井液。在配制该钻井液体系时，选用的是阳离子的处理剂，当处于正电环境中时，其呈现出的状态为分散型的胶体，对于黏土分散的情况具备十分有效的抑制作用，因此，对油气层能够呈现出很好的保护效果。无固相正电性钻井液在选择处理剂时，全部都选用了阳离子处理剂，正电性钻井液通过形成一层聚合物以抑制黏土颗粒的分散，这层聚合物就是阳离子黏附在黏土表面形成的，从而降低固相颗粒对钻具的损害。因此，该钻井液体系比较适用于强水敏的油气储层[12]。

（3）甲酸盐无固相钻井液。以甲酸盐作为基液组成的甲酸盐基钻井液、完井液能够达到较高密度且密度容易调节；在高温下能保持较好的稳定性，且具有较好的抑制性；由于钾盐不产生沉淀，因此能保护储层不受污染；甲酸盐无固相钻井液与其他钻井液处理剂和储层流体都保持良好的配伍性；对钻具基本上没有腐蚀作用；不具有毒害作用且可降解[13，14]，不会污染环境。甲酸盐类无固相钻完井液已经普遍应用在钻井现场，其中在水平井和软管钻井中应用效果较好。缺点是成分中甲酸盐的价格较昂贵，增加了钻井成本，应重点研究其重复使用的技术[15]。且该体系不容易形成滤饼，可能会损害油气层。

（4）无固相有机盐钻井液。有机盐的组成部分主要包括两方面，即带杂原子的有机酸根银离子和一价金属离子，比如钾离子和钠离子形成的盐。有机盐钻井液和完井液的滤液拥有比较高的矿化程度，并且不会呈现出较高的表面张力，因此，水锁反应不会对低渗储层造成过高的伤害；在该体系钻井液的滤液中，一价金属离子比二价金属离子的含量要高，所以不容易导致地层出现堵塞的问题，一般都会比较顺畅，所以对地层的保护效果更好；另外，有机盐钻井液在抵抗高温环境方面拥有较好的性能，所以能够更好的保护钻具，避免其受到严重的腐蚀，同时也防止出现环境污染严重的情况[16]。

（5）FA367/KCl 无固相钻井液。在该钻井液体系中出现的钾离子，其具备比较强的抑制作用，所以这种钻井液稳定井壁的效果较好，对于钻屑分散情况也能有效抑制，这对于钻进效率而言十分有利，同时还避免了耗费过多的钻井成本，对于很多复杂的地下情况都能进行良好的处理，例如卡钻和渗漏等问题都得到了有效避免；该无固相钻井液不具备过高的黏度，滤失量也较小，所以能与高压喷射钻井提出的要求相匹配[17]。

（6）PRD 体系。该钻井液体系属于弱凝胶类型，所以拥有良好的耐温和耐盐的性能，另外对于抵抗剪切和污染的能力也比较强。该钻井液体系能够很好的携带泥砂，主要是因为进行钻井时其拥有的黏度较低，而动塑比又相对较高，所以形成了这种优势。对于钻井过程中液固相侵入的问题能够有效避免，对井壁提供了良好的保护作用。且该钻井液体系滤失量较小，容易降解，也无毒性。

（7）HRD 体系。HRD 钻井液将聚合物之间的协同效应充分利用，从而提高流变性以达到自身的需求。当面对剪切作用比较低的情况时，聚合物之间会建立起网状结构，使体系具备更高的黏度，如果面对的是较高剪切速率的情况，那么分子结构就不需要改变自身的形态，只会出现降低表观黏度的变化，当不再受到外力作用后，表观黏度又会逐渐恢复到正常的状态[18]。凝胶所具备的这种性能使得该钻井液体系能够更好的展现出携砂效果，并且固相颗粒也不会出现，从而在很大程度上保护了油气储层。在钻井现场的应用表明，该钻井液不仅性能较好、维护简便、节省成本且不会污染环境[19]。

（8）生物聚合物类无固相钻井完井液。通常情况下，生物聚合物类无固相钻井液和完井液的使用区域为中东地区，该钻井液体系具有良好的携带岩屑的功能，润滑性能较好且能够很好的维持井壁的稳定性，由于生物聚合物能很好的分解和清除，所以很好的保护了油气层和环境[20]。

（9）烷基糖苷无固相钻井完井液。20 世纪80 年代末，国外就已经开始在钻井液中加入甲基葡萄糖苷MEG，经过十年后，国内在部分油田中也开始使用。甲基葡萄糖苷MEG 具备较强的溶水性，并且能够很好的抵抗无机盐和高温环境，对于钻井液的黏度和切力方面，其同样具备较为明显的改善和优化效果，这种溶液的浓度很高，对于钻井液的水活度表现出有效降低的作用效果，所以很容易形成隔离膜，来有效抑制黏土的水化膨胀，降低了储层的水锁效应[21，22]，从而满足钻完井的条件。且由于该钻井液体系易被生物降解，因此能够很好的节省成本，保护赖以生存的生态环境。

3 无固相钻井液的应用

3.1 在小井眼井中的应用

壳牌公司并未使用固相颗粒加重剂，而是选用甲酸盐作为加重剂，完成了具备低黏度特性的无固相钻井液的研发和配制，其密度为2.3 g/cm3。该钻井液具备弱碱性的特点，所以不会加重损害管线和设备，另外，甲酸盐这种物质的降解比较容易，利用生物就可实现，所以其生物毒性比较低[23]。不会污染环境，也不会对地层造成伤害。

3.2 在水平井中的应用

东方1-1 气田所处位置为中孔低渗储层，并且拥有比较明显的水敏性特征。进行开采的过程中，借助快速弱凝胶水平井钻井液体系，不仅能够顺利的将钻井工作完成，同时还对储层具有十分有效的保护作用。通过现场实践，发现该钻井液携带岩屑的能力较强且有利于起下钻，对油气层的保护效果十分明显。

3.3 在高温深井中的应用

武学琴在胜利油田进行了长时间的研究，最终研发出了一种能够抵抗高温的增黏剂—TV-1，能够在150 ℃的高温环境中使用，并且成功在裂缝性潜山油藏中应用。王栋等经过研究后制成了能够抵抗高温的聚合物—WTZN，其在增黏和提切携岩方面具备十分显著的效果[24，25]。

4 结语

以无固相钻井液的室内实验和现场应用的效果作为参考，对比其他含有固相的钻井液可知，无固相钻井液存在其特殊的地方[26]：

（1）因为缺少黏土颗粒，所以因固相颗粒堵塞孔隙而产生的影响得到了降低；

（2）在变形和流动性以及剪切稀释性方面拥有较强的性能；

（3）能够很好的提升钻井的效率；

（4）维持井壁稳定的能力较强；

（5）基本不会对油气层造成损伤，并且在发现和保护产层方面也具备有效作用；

（6）避免出现井漏事故；

（7）尽可能的减少钻井成本的消耗。

总的来说，未来在对无固相钻井液进行研究和开发时，有以下几个方面要提起重视：（1）要将具备明显效果的抑制剂加入到钻井液体系中，确保其能够更好的对岩屑分散的情况起到抑制作用，充分展现出其絮凝的能力；（2）在挑选增黏剂时要确保适配性，避免无固相钻井液无法较好的实现增黏提切的效果；（3）针对无固相钻井液滤失量较大和钻井过程无法确保稳定性的特点，要挑选出更好的防塌抑制剂，确保井壁处于稳定的状态[27]。