[摘要]我國未來深部大陸科學鉆探深度為12000m~13000m,井底溫度將達到350益以上,鉆井液將面臨超高溫高壓環(huán)境,鉆井液技術(shù)將面臨嚴峻考驗。本文重點介紹了國內(nèi)外典型深井及超深井鉆探和高溫地熱井鉆探鉆井液使用情況,提出了抗高溫鉆井液的主要技術(shù)難點是高溫高壓及污染條件下鉆井液流變性、濾失量、潤滑性控制。耐溫250益以上鉆井液處理劑及體系、耐高溫鉆井液試驗儀器和地面循環(huán)降溫系統(tǒng)是超高溫鉆井液技術(shù)研究方向。

 

  [關(guān)鍵詞]超深井搖鉆探搖高溫鉆井液

 

  隨著科學鉆探技術(shù)的不斷發(fā)展,特別是深井、超深井及其特殊工藝井鉆探越來越多,對鉆井液提出了更高的要求。我國未來深部大陸科學鉆探深度為 12000m~13000m,溫度梯度按3.0益~3.5益/100m計算,井底溫度將達到350益以上,鉆井液將面臨超高溫高壓環(huán)境,給鉆井液能否維持穩(wěn)定的性能帶來了極大的挑戰(zhàn)。

 

  1國外超深井鉆探及高溫井鉆探實施情況

 

  超深井鉆探國外起步較早。1984年,前蘇聯(lián)在 科拉半島鉆成世界第一口超深井劂卦-3井,井深12260 m,1991年第二次側(cè)鉆至12869m,至今保持著世界最深井的記錄。美國成功鉆成多口9000m以深的井: 羅杰斯1井,井深9583m;已登1井,井深9159m;瑟弗蘭奇1-9井,井深9043m;Zmmalon2井,井深 9029m。德國KTB科學深鉆,井深9101m;日本葛根田地熱區(qū)WD-1A地熱井,井深3729m。

 

  從井內(nèi)溫度來看,前蘇聯(lián)科拉半島劂卦-3井,井底溫度215益;美國索爾頓湖高溫地熱科學鉆探,井深3200m,溫度353益;德國KTB科學鉆探,井溫280益;日本葛根田地熱區(qū)WD-1A井,用溫度指示材料記錄孔底溫度為500益。

 

  在深井和超深井鉆探中,高溫鉆井液是一項重要的關(guān)鍵技術(shù)(汪仲英,2007),受到各國鉆探組織的重視。國外超深井鉆探鉆井液概況如下:

 

  1.1搖前蘇聯(lián)科學鉆探鉆井液體系 (1)抗高溫低密度聚合物鉆井液 科拉半島劂卦-3超深井在結(jié)晶巖中鉆進采用了抗高溫低密度聚合物體系。體系組分見表1。

 

  (2)抗高溫高密度聚合物鉆井液體系 秋明劂卦-6井深7502m,7025m時井溫205益,地層壓力異常,采用密度為1.85g/cm3的抗高溫高密度聚合物鉆井液體系,其組分見表2。

 

  由于前蘇聯(lián)科學深鉆起步較早,聚合物等很多優(yōu) 良處理劑尚未用于鉆井行業(yè),因此為了適應(yīng)井深、井溫高以及其它復雜地質(zhì)條件,其泥漿體系的特點是:固相含量高,處理劑品種繁多、用量大(王達等,1995)。

 

  1.2搖德國KTB科學鉆探用鉆井液體系KTB井分先導孔和主孔用鉆井液。先導孔開 始用DehydrillHT無固相鉆井液(屠厚澤,1992)。D-HT是一種硅酸鹽化合物,高溫下流變性穩(wěn)定,但失水量大,腐蝕性強。主孔以此為基礎(chǔ),加入人工鋰蒙脫石粘土、Hostadrill3118,稱D-HT/HOE體系,井深7100m后泥漿性能惡化,高溫條件下泥漿粘度降低,攜屑困難,井眼擴大。經(jīng)克勞斯特爾大學研究,轉(zhuǎn)化為D-H/HOE/Pyrodrill體系,其組分見表3。

 

  轉(zhuǎn)換后泥漿低剪粘度提高,高溫失水降低,攜屑 能力改善,但漏斗粘度和高剪粘度增加到無法接受(FV逸240s,直至不流)。 KTB井鉆井液管理人員開始只注重流變性穩(wěn) 定,采用D-HT無固相改性硅酸鹽鉆井液。鉆進施工中,性能惡化,井壁坍塌,攜屑困難,因此不得不轉(zhuǎn)化為控制高溫失水的鉆井液體系。采用了大量的磺化高聚物和共聚物,體系在高溫下(280益)流變性失調(diào),承載巖屑能力更差,固相無法控制,井壁縮徑嚴重(地質(zhì)專家解釋為巖層流動)。最后在9101m(設(shè)計井深10000m)提前終孔。

 

  1.3搖美國科學鉆探鉆井液1974年美國在俄克拉荷馬鉆成了當時世界最深井-羅杰斯1號井,孔深9583m。由于泥漿密度對井內(nèi)壓力異常失控,誘發(fā)井噴,地層流體以硫磺為主,在井內(nèi)迅速凝固而終孔。1985年在索爾頓S2-14孔,以研究高溫地熱為中心的科學鉆探(SSSDP 計劃)孔,孔深3220m,地溫353益;1988年巴耶斯井1762m,井底溫度295益。美國高溫井鉆進所采用的鉆井液體系主要有:

 

  (1)聚磺鉆井液體系,如由Magcobar公司提供 的抗高溫DURATHERM水基鉆井液體系,主要材料為粘土、PAC、XP-20(改性褐煤)、Resiner(特殊樹脂),pH為10.5-11.5。

 

  (2)海泡石聚合物鉆井液:將粘土換成海泡石土,抗溫能力明顯提高。

 

  (3)分散性褐煤-聚合物鉆井液體系:由Chev鄄 ron服務(wù)公司研制,采用該體系在密西西比海域,成功鉆進7178.04m,井底溫度212.8益。

 

  1.4搖日本科學鉆探鉆井液

 

  早期日本深井基本上使用分散體系,推薦使用 木素磺酸鹽泥漿(佐野守宏,1990),其特點是有一定的抗高溫和抑制能力,固相(巖屑)承載能力大,其主要組分見表4。

 

  該體系具有非常好的抗溫性能,但組分中含鉻離子的材料對環(huán)境有影響。 近幾年,日本研究使用溫度在210益以上的水 基鉆井液,該鉆井液以ThermaVis及G-500S兩種超高溫材料為主體,外加造壁劑、高溫降濾失劑、井眼穩(wěn)定劑和高溫潤滑劑。使用該體系在“三島冶基地完成6300m深井鉆進,井底溫度為225益。

 

  2搖國內(nèi)超深井鉆探及高溫井鉆探實施情況 國內(nèi)自大慶油田在60年代成功鉆成我國第一口 深井-松基六井以來,各油田已先后成功鉆成多口超深井。如1976年,鉆成第一口超深井-女基井,井深6011m;1978年鉆成的超深井關(guān)基井(7175m);1979 年鉆成新疆固2井(7002m);1998年鉆成塔里木塔參1井(7200m);2005年,完成中國大陸科學鉆探“科鉆1井冶,井深5158m;2006年,完成國內(nèi)目前最深超深井———塔河1井,井深8408m(曾義金等,2005)。我國高溫深井及高溫地熱井所采用的鉆井液體 系主要有以下幾種類型:

 

  2.1搖高溫地熱鉆井-分散性抗高溫鉆井液體系

 

  我國較早就開展了高溫地熱鉆井鉆井液研究工 作(修憲民,1989;曾梅香等,2007)。其中西藏羊八井(ZK4002地熱井)采用的是分散性抗高溫鉆井液體系。該體系由北京探礦工程研究所研究設(shè)計(湯松然等,1993),體系基本配方為:5%膨潤土+3%地熱93。該體系在高溫高壓條件下性能穩(wěn)定,順利完成ZK4002井施工,井底溫度達到329.8益。

 

  2.2搖石油深井—聚磺鉆井液體系目前國內(nèi)石油系統(tǒng)施工的高溫深井多采用聚磺

 

  鉆井液體系。聚磺泥漿的基本組成為:膨潤土+高分子聚合物+磺化酚醛樹脂(或同類產(chǎn)品)+褐煤類產(chǎn)品+纖維素(或淀粉等)。聚磺鉆井液體系也在深孔鉆探得到發(fā)展(王建,2010)。

 

  (1)泌深1井,鉆進深度6005m,井底溫度達到 241益,采用的鉆井液體系(邱正松等,2009)為:4%膨潤土+1.2%抗高溫降濾失劑RCS-18+3%改性樹脂類處理劑CQ-11+3%改性褐煤瀝青類樹脂CQ-22+3%HTP-1+2%HTP-2+3%耐高溫防塌降濾失劑KP-8+1%SF-26+3%白油+重晶石(密度為1.2g/cm3)。

 

  (2)勝科1井,完鉆井深為7026m,井底溫度 為235益。主要采用國外抗高溫鉆井液材料,研制了超高溫水基鉆井液體系(李公讓等,2009),其主要處理劑包括:DriscalD抗高溫聚合物降濾失劑、Desco單寧基產(chǎn)品及磺化瀝青Soltex。

 

  2.3搖抗高溫高密度鉆井液的技術(shù)研究現(xiàn)行鉆井液體系按其密度不同,可分為低密度 鉆井液、中密度鉆井液、高密度鉆井液、超高密度鉆井液。近年來,深井鉆探的發(fā)展,促進了抗高溫高密度鉆井液的研究(王松等1996;余加水等,2005;張喜鳳等, 2007;梁大川等,2008;王旭,2009;艾貴成等,2009)。20世紀90年代以來采用超高密度鉆井液在塔里木、川東、鶯歌海等地區(qū)相繼成功進行了多口深井鉆進。 莫深1井,鉆孔深度7500米,井底溫度173益。新疆克拉瑪依鉆井公司為其設(shè)計的鉆井液體系配方(謝遠燦等,2008)為:5%KHm+5%SMP-2+5%SPNH+5%高溫封堵劑+2%A-260+1%高溫保護劑+10%潤滑降濾失劑+2%KOH,使用密度 2.1g/立方厘米。該配方順利完成莫深1井深井鉆探,在施工時間長達一年情況下,鉆井液性能穩(wěn)定。 從以上國內(nèi)高密度泥漿體系的研究情況來看,目前高密度泥漿體系密度達到較高水平，但最高溫度不超過200益。3搖深井超深井耐高溫鉆井液主要技術(shù)難點

 

  3.1搖關(guān)鍵問題

 

  (1)鉆井液的抗溫問題。高溫對鉆井液性能影 響很大,主要體現(xiàn)在膨潤土分散液的絮凝和化學材料的降解;泥漿處理劑與粘土膠粒吸附作用減弱,出現(xiàn)高溫解吸現(xiàn)象;高分子聚合物泥漿的粘度對溫度十分敏感。在鉆井液性能上主要體現(xiàn)在流變性能惡化、濾失量大幅度提高,將直接影響巖屑的懸浮與攜帶及孔壁穩(wěn)定。目前國內(nèi)研究的高溫鉆井液抗溫都在250益以內(nèi),研究耐300益的高溫鉆井液面臨諸多技術(shù)難題。

 

  (2)高的摩擦阻力。摩擦力隨深度成正比增 加,而且超深孔的孔斜和方位也會發(fā)生較多的變化,導致附加的阻力。如科拉深鉆10km時提鉆阻力高達1200kN,回轉(zhuǎn)阻力矩達27kN·m,而12km時提鉆阻力達1400kN。

 

  (3)孔壁不穩(wěn)定問題。會遇到各種復雜地層,如異常壓力地層、破碎地層,鹽膏等污染地層,要求泥漿具有適當?shù)拿芏?良好的造壁性能和抗污染性能。這些地層在一般鉆探中處理起來尚且困難,在超深孔、高溫條件下難度更大。

 

  (4)試驗儀器的限制。現(xiàn)有儀器的測試極限溫 度大都在260益,實際試驗溫度一般不超過230益,超過此溫度試驗中經(jīng)常發(fā)生密封膠圈失效、釜體變形等情況,影響試驗的正常進行。

 

  3.2搖技術(shù)難點

 

  (1)高溫高壓及污染條件下鉆井液流變性控制。 大部分鉆井液高溫稀釋現(xiàn)象嚴重,電解質(zhì)污染使問題更加復雜。鉆井液的流變性能直接影響到巖屑的懸浮與攜帶,是超深井鉆探面臨的最重要問題之一。

 

  (2)高溫高壓及電解質(zhì)污染條件下鉆井液濾失 量控制。高溫高壓、電解質(zhì)污染將使鉆井液的濾失量大幅度提高,井壁泥餅顯著增厚,將直接影響井壁的穩(wěn)定,并引起復雜的孔內(nèi)事故。

 

  (3)高溫高壓、高固相及電解質(zhì)污染條件下鉆井液潤滑性能控制。提高鉆井液潤滑性能的有效途徑一是向鉆井液中加入潤滑劑,二是提高泥餅質(zhì)量。目前缺少抗高溫潤滑材料,要控制泥餅質(zhì)量也非常困難。

 

  4搖超高溫鉆井液技術(shù)研究方向

 

  目前國內(nèi)外通過對應(yīng)用基礎(chǔ)理論和新技術(shù)研究,研究開發(fā)了大量的抗高溫泥漿處理劑(朱寬亮等,2009)及鉆井液體系(張琰,1999;孫金聲等,2006;王松等,2006;沈麗,2008;朱寬亮等,2009;劉選朋等,2010),但耐溫250益以上的泥漿處理劑及鉆井液體系還很少。為應(yīng)對我國未來超深井科學鉆探(設(shè)計井深13000m,按地溫梯度3.0益~3.5益/100m計算,預(yù)計孔底溫度將達到390益~455益)所面臨的超高溫高壓問題,需要開展超高溫鉆井液技術(shù)研究,該研究將主要集中在以下幾個方面:

 

  (1)耐溫250益以上鉆井液處理劑研究 耐高溫鉆井液材料的研究是高溫鉆井液技術(shù)研究的基礎(chǔ),主要包括:耐高溫降濾失劑、增黏劑、降黏劑及潤滑劑的研究。

 

  (2)耐溫250益以上高溫鉆井液體系研究 深井超深井鉆井液體系的研究主要圍繞地層孔壁穩(wěn)定、鉆井液性能穩(wěn)定及減摩降阻幾方面進行。體系研究向以耐溫250益以上,具有良好剪切稀釋性能的高密度耐高溫鉆井液體系、高密度抗污染耐高溫鉆井液體系、環(huán)保鉆井液體系等方向發(fā)展。

 

  (3)超高溫鉆井液試驗儀器研究:包括超高溫流變儀、超高溫滾子加熱爐及超高溫高壓失水儀、粘附系數(shù)儀等。

 

  (4)超高溫鉆井液地面循環(huán)系統(tǒng)研究,包括泥漿溫度控制技術(shù)及地面泥漿監(jiān)測等。特別是泥漿降溫系統(tǒng)的研究,保證泥漿具有較低的入孔溫度。

 

  5小結(jié)

 

  21世紀初,國內(nèi)外抗高溫鉆井液技術(shù)發(fā)展較快,研究了大量抗高溫性能優(yōu)良的鉆井液處理劑,形成了一系列抗高溫鉆井液體系。從目前國內(nèi)外已施工的情況看,國外高溫鉆井液技術(shù)相對較高,有許多成功的經(jīng)驗。國內(nèi)除西藏羊八井外,已施工的深井,最高溫度為241益。雖然國內(nèi)外對高溫鉆井液進行了大量的研究,但對于我國準備實施的超深井科學鉆探,還面臨諸多挑戰(zhàn),在耐高溫泥漿處理劑、耐高溫鉆井液體系、超高溫檢測儀器等方面需要做大量的研究工作。