單文軍，呼和滿都拉，陶士先，劉文武，劉 娜

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

隨著國家深海戰(zhàn)略的實施和南海天然氣水合物的試采成功，我國未來可能(必然)實施深海鉆探。以南海為例，實施深海鉆探，井底溫度預計達到200 ℃以上，抗高溫海水鉆井液是深海鉆探關鍵技術之一。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鍵技術問題。

1 國外高溫海水鉆井液技術研究現(xiàn)狀

1.1 鉆井液處理劑

國外一直在研究抗污染的高溫、高電解質乙烯基磺酸、丙烯酰胺及乙烯基乙酰胺等合成的多元共聚物類鉆井液處理劑，并在深井、超深井鉆探中得到了良好的應用[1-2]。例如：BASF公司開發(fā)了Polydrill高溫磺化聚合物降濾失劑，耐溫可達260 ℃，抗KCl和NaCl至飽和，抗Ca2+、Mg2+含量達7.5%～10%；貝克休斯公司開發(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)和馬來酸酐(MA)共聚而成，抗溫達229 ℃，其粘均相對分子量在1000～5000之間。上述處理劑產(chǎn)品存在的主要問題是抗鹽效果有限，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260 ℃；頁巖抑制包被劑陰離子丙烯酸共聚物Calothin，抗溫達232 ℃；有機共聚物無鉻稀釋劑Calosperse，抗溫達204 ℃；頁巖封堵劑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)場取得成功應用。COP-1應用于部分井溫超過260 ℃的鉆井中，可與褐煤類物質協(xié)同控制。COP-2應用于井溫超過177 ℃，并與木質素磺酸和褐煤協(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180 ℃，所配制的鉆井液具有極低的塑性粘度、較高的動切力，解決了巖屑攜帶及井眼清潔問題。

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260 ℃，抗NaCl達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以內。

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，國外油田化學品公司在環(huán)境友好的高溫聚合物水基鉆井液方面開展了一系列研究工作，主要圍繞以下幾個方面開展工作：低鉆井液毒性、提高關鍵處理劑的抗溫性、增強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)定和提高機械鉆速方面效果相當。

EXXON公司[10]合成了一種高溫聚合物處理劑，形成了無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215 ℃，高溫海水泥漿在204 ℃老化(16 h)后，生物毒性通過美國環(huán)保署(EPA)檢測，無毒，可排放。

斯倫貝謝公司研制的Envirotherm NT鉆井液體系[11]，抗溫達232 ℃，密度2.20 g/cm3，無鉻，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固相耐高溫鉆井液體系，現(xiàn)場應用抗溫達到215 ℃，密度達到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)保無固相聚合物鉆井液體系，無毒性，可直接排放。

英國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，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開發(fā)的甲酸鈉鉆井液體系SFX-1抗溫達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將鉆井液密度調至2.3 g/cm3，但甲酸銫價格昂貴。

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，并應用在埃及地中海海上氣田?；趯嶒炇已芯拷Y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 ℃高溫無固相鉆井液體系，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180 ℃熱滾20 h，流變性能穩(wěn)定；動態(tài)循環(huán)模擬測試溫度超過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，抗溫達到315 ℃以上，具有良好的熱穩(wěn)定性、抑制、潤滑、抗污染和抗腐蝕性能。該體系目前還處于室內基礎理論研究階段，現(xiàn)場應用還需要大量的研究工作。

2 國內高溫海水鉆井液技術研究現(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服務公司王仲廣等人[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題，能夠滿足海洋高溫鉆井對降濾失劑的需求。

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150 ℃。

中國石油集團工程技術研究院[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200 ℃，抗NaCl達 30%和抗CaCl2達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20%,抗溫達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200 ℃，在1%CaCl2鉆井液中抗溫達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。

國內近些年針對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，目前國內可以滿足200 ℃以內的高溫深井鉆井需求。但對耐溫超過200 ℃、耐鹽至飽和的高溫聚合物、降濾失劑、防塌劑、潤滑劑、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)有限公司湛江分公司張萬棟等人[29]，針對南海西部東方區(qū)域中深層高溫高壓氣田開發(fā)鉆井過程中下部地層使用水基鉆井液鉆井過程中容易出現(xiàn)井壁失穩(wěn)、摩阻扭矩大的技術難題，從多方面來評價MEGADRIL油基鉆井液，該油基鉆井液熱穩(wěn)定性好，耐溫達150 ℃，具有較高的潤滑性，儲層保護效果好。

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)質重晶石(密度1.9 g/cm3)。

(2)中國石油集團工程技術研究院劉曉棟等人[30]，針對大港濱海地區(qū)高溫地層存在的井壁穩(wěn)定、漏失、坍塌、鉆井液維護困難等施工難點，研制了抗200 ℃的磺酸鹽共聚物降濾失劑DSP，通過室內試驗優(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，抑制性和潤滑性；抗鹽達8.0×104mg/L，抗鈣達5.0×103mg/L，可滿足大港濱海區(qū)塊探井高溫高效、提速鉆井、海上環(huán)境保護的要求。

(3)聚磺鉆井液可應用于150～200 ℃高溫深井，但磺化類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，不能滿足排放要求，與國外低毒性高溫聚合物水基鉆井液性能有一定差距。

(4)長城鉆探工程公司工程技術研究院楊鵬等人[31]，以丙烯酰胺、丙烯酸、磺酸基共聚物、陽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。通過對抗高溫抗鹽增粘劑、潤滑劑、降濾失劑和防塌抑制劑等處理劑的優(yōu)選和復配，研制了一種抗高溫海水無粘土相鉆井液，耐溫能力達150 ℃。

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

(5)中海石油(中國)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號白油(85∶15油水比)+4.28%乳化/潤濕劑+0.285% 降失水劑+2.85%石灰+1.5%有機土+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。實驗流變性能見表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 高溫海水鉆井液關鍵技術研究

(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)保型潤滑劑、消泡劑等)及其在高溫條件下作用機理研究；重點研究處理劑關鍵官能團、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。

(4)高溫、高密度、高礦化度新型無毒、環(huán)保型海水鉆井液體系。

(5)高溫海水鉆井液緩蝕劑、評價方法及腐蝕機理研究。

(6)高溫海水鉆井液評價儀器研究。

4 結論

綜上所述，國內外對高溫海水鉆井液的研究有很大進展，但是關于高溫海水鉆井液中的多電解質在高溫條件下的相互作用機理研究較少。針對多電解質高礦化度條件處理劑及體系高溫失效問題，以及高溫高壓高礦化度深海鉆探面臨處理劑耗量大的問題，應在抗高溫海水鉆井液的造漿材料、處理劑、體系等方面開展大量的研究工作，開發(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支撐。