[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境,鉆井液技術將面臨嚴峻考驗。本文重點介紹了國內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降溫系統是超高溫鉆井液技術研究方向。

 

  [關鍵詞]超深井搖鉆探搖高溫鉆井液

 

  隨著科學鉆探技術的不斷發展,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境,給鉆井液能否維持穩定的性能帶來了極大的挑戰。

 

  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WD-1A地熱井,井深3729m。

 

  從井內溫度來看,前蘇聯科拉半島劂卦-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鍵技術(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。

 

  由于前蘇聯科學深鉆起步較早,聚合物等很多優 良處理劑尚未用于鉆井行業,因此為了適應井深、井溫高以及其它復雜地質條件,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,高溫下流變性穩定,但失水量大,腐蝕性強。主孔以此為基礎,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。經克勞斯特爾大學研究,轉化為D-H/HOE/Pyrodrill體系,其組分見表3。

 

  轉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 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,承載巖屑能力更差,固相無法控制,井壁縮徑嚴重(地質專家解釋為巖層流動)。最后在9101m(設計井深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壓力異常失控,誘發井噴,地層流體以硫磺為主,在井內迅速凝固而終孔。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搖國內超深井鉆探及高溫井鉆探實施情況 國內自大慶油田在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石油系統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(或同類產品)+褐煤類產品+纖維素(或淀粉等)。聚磺鉆井液體系也在深孔鉆探得到發展(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單寧基產品及磺化瀝青Soltex。

 

  2.3搖抗高溫高密度鉆井液的技術研究現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,鉆井液性能穩定。 從以上國內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難點

 

  3.1搖關鍵問題

 

  (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,出現高溫解吸現象;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定。目前國內研究的高溫鉆井液抗溫都在250益以內,研究耐300益的高溫鉆井液面臨諸多技術難題。

 

  (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,回轉阻力矩達27kN·m,而12km時提鉆阻力達1400kN。

 

  (3)孔壁不穩定問題。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,要求泥漿具有適當的密度,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常發生密封膠圈失效、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象嚴重,電解質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)高溫高壓及電解質污染條件下鉆井液濾失 量控制。高溫高壓、電解質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定,并引起復雜的孔內事故。

 

  (3)高溫高壓、高固相及電解質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,二是提高泥餅質量。目前缺少抗高溫潤滑材料,要控制泥餅質量也非常困難。

 

  4搖超高溫鉆井液技術研究方向

 

  目前國內外通過對應用基礎理論和新技術研究,研究開發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。為應對我國未來超深井科學鉆探(設計井深13000m,按地溫梯度3.0益~3.5益/100m計算,預計孔底溫度將達到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研究的基礎,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定、鉆井液性能穩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、環保鉆井液體系等方向發展。

 

  (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、粘附系數儀等。

 

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

 

  5小結

 

  21世紀初,國內外抗高溫鉆井液技術發展較快,研究了大量抗高溫性能優良的鉆井液處理劑,形成了一系列抗高溫鉆井液體系。從目前國內外已施工的情況看,國外高溫鉆井液技術相對較高,有許多成功的經驗。國內除西藏羊八井外,已施工的深井,最高溫度為241益。雖然國內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,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。