无固相钻井液技术现状及发展趋势-辽宁化工2022年03期

摘      要： 无固相钻井液具有优异的储层保护性能，在油气田水平井钻井中应用广泛，是一种极具发展潜力的水基钻井液技术。无固相钻井液的处理剂类型和技术特点与适用范围息息相关。综述了无固相钻井液技术现状，包括储层特征、完井方式对无固相钻井液性能的要求，分析了无固相处理剂类型特点与发展历程，展望了无固相钻井液技术发展趋势。

关  键  词：无固相;钻井液;储层保护;完井方式

中图分类号：TE254     文献标识码： A     文章编号： 1004-0935（2022）03-0388-04

随着石油天然气工业的发展，为获得更大的渗流面积，水平井开发方式已成为一种常见模式^[1]，水平井钻井作业通常在储层中穿行几百甚至几千米，这样能够使油层完全裸漏，提高单井产能。钻井液在水平井裸眼储层中穿行将势必造成储层伤害，如何保护储层是水平井钻井液面临的重要技术难题。传统的钻井液往往采用膨润土配浆以及重晶石或碳酸钙加重，这些固相颗粒一旦侵入储层，势必会造成储层孔喉堵塞，影响油气产能^[2]，无固相钻井液是解决水平井储层保护的一项重要钻井液技术。无固相钻井液是不含膨润土及重晶石等固相，以高分子聚合物及可溶盐为主要添加剂的一种钻井液，可避免固相对储层的伤害^[3]，在绝大多数水平井储层钻井中得到应用。本文将对无固相钻井液的适用范围、处理剂类型、体系特点、储层保护性能及发展趋势进行调研与分析。

1  无固相钻井液技术概述

储层保护技术是一个系统工程，涉及地质、钻井、钻井液、固井、完井等专业^[4]，而钻井液是油气井建井最重要的一种流体，从钻开储层的那一刻起，钻井液作为与储层第一个直接接触的流体，其储层保护性能决定着整个油藏能否实现经济有效开发^[5]。

无固相钻井液是一种以储层保护为目的的水基钻井液，该体系是在聚合物水基钻井液基础上不断演变而来的，剔除膨润土与重晶石等固相颗粒，以减少储层伤害，并不断结合地层特点与井身结构设计优化体系配方与性能。无固相钻井液组成主要以流型调节剂、降滤失剂、可溶盐加重剂三大类为主^[6]，并为满足钻井要求再辅以抑制剂、暂堵剂等功能性材料。近年来，国内外无固相钻井液发展迅速，旨在解决复杂油藏，尤其是裂缝性油藏的储层保护问题。无固相钻井液是保护储层的一项重要技术，其应用主要与储层类型、井身结构、完井方式相结合，着重解决钻井及完井过程中的储层钻井及储层保护问题^[7]。

1.1  储层特征对钻井液的要求

常规油气藏开发概率越来越小，低渗油气藏和碳酸盐岩油藏是未来油气上产的重要储层，我国低渗油气藏储量占油气资源的40%以上，而碳酸盐岩油藏蕴含着世界上60%以上的剩余地质储量^[8]。这两类油藏对储层保护的要求均较高，尤其是碳酸盐岩油藏裂缝普遍发育，钻井液会沿裂缝的延伸方向侵入储层，侵入深度越大，储层伤害就越大，如采用传统有固相钻井液，将不可避免地造成永久性伤害，即便是后期采用酸化等增产措施，也很难解除^[9]。

1.2  完井方式对钻井液的要求

钻完井作业是油气开采的重要作业过程，完井方式是油气层开采的重要方式，主要有套管射孔完井、裸眼完井、裸眼筛管（割缝管、砾石充填等）完井等^[10]，与钻井液储层保护相关的完井方式主要可以分为两大类，即广义的射孔完井与裸眼完井。

1.2.1  射孔完井

射孔完井是油气田开发最广泛的一种完井方法，早期的射孔方法由于射程短^[11]，以及射孔液技术不完善，会对储层造成一定的伤害;近年来，随着射孔工艺与射孔液技术的不断进步与完善，已基本解决了射孔完井条件下的储层伤害问题^[12]。即反过来看，传统的有固相钻井液技术在射孔完井的条件下，其储层伤害已被降至较低的水平，储层伤害影响较大的流体是射孔液。

1.2.2  裸眼完井

不管是纯裸眼完井，还是裸眼筛管或裸眼割缝管，甚至裸眼砾石充填完井等完井方式，从钻井液对储层伤害的影响角度来看，都可以广义的认为是裸眼完井，即钻井液在钻开储层后，会直接接触储层，对储层造成伤害，尤其是传统的有固相钻井液会造成固相、液相等伤害，即便是后续再通过完井液或酸化等措施，都难以解除伤害。无固相钻井液技术在裸眼完井条件下，能够有效地保护储层，提高产能。

2  无固相钻井液技术研究现状

2.1  无固相钻井液处理剂

无固相钻井液处理剂主要有流型调节剂、降滤失剂、可溶盐加重剂三大类，并依据地质特点、物性特征以及井身结构辅以抑制剂、润滑剂以及防水锁剂等专有功能性处理剂组成^[13]。根据处理剂选用类型，可将无固相钻井液划分为传统无固相钻井液、无固相弱凝胶钻井液、抗高温无固相聚合物钻井液几种类型。

2.1.1  流型调节剂

无固相钻井液与传统钻井液最大的差异即无造浆用膨润土，如需调节钻井液流变性能，只能依靠流型调节剂或增黏剂来控制^[14]，常见的流型调节剂或增黏剂主要有生物聚合物黄原胶，天然聚合物胍胶、田菁胶、香豆胶、魔芋胶等，纤维素类如高黏聚阴离子纤维素、羟乙基纤维素、羟丙基纤维素、羧甲基纤维素等，合成聚合物类如聚丙烯酸钾、AA/AM/AMPS等多元共聚物、聚丙烯酰胺等。

2.1.2  降滤失剂

无固相钻井液降滤失剂与传统水基钻井液降滤失剂区别较小^[15]，常见的降滤失剂主要有改性淀粉类如羧甲基改性淀粉、羟丙基改性淀粉、阳离子改性淀粉等，纤维素类如低黏聚阴离子纤维素、低黏羧甲基纤维素等，磺化类如磺化酚醛树脂、磺化褐煤、磺化褐煤树脂、磺化沥青等，聚合物类如AA/AM/AMPS等多元共聚物等。

2.1.3  可溶盐加重剂

无固相钻井液需要提高密度，主要依靠可溶盐溶于水来提高密度，以避免固相加重材料对储层伤害，常见的可溶盐加重剂有无机盐类如氯化物、溴化物、磷酸盐等，有机盐类如甲酸盐等，常用的主要为氯化钠和氯化钾，密度一般为1.16～1.20 g·cm^-3，甲酸钠密度可达1.30 g·cm^-3，甲酸钾密度可达1.59 g·cm^-3，甲酸铯密度最高可达2.3 g·cm^-3，一般来讲，氯化钠和氯化钾以及甲酸钠和甲酸钾基本能够解决绝大多数储层无固相钻井液的需求，且成本也相对较低^[16]。

2.2  传统无固相钻井液

以传统流型调节剂、降滤失剂为主要处理剂的无固相钻井液通常称之为传统无固相钻井液，其主要特点为处理剂采用传统的纤维素类增黏及降滤失材料，传统的聚丙烯酸钾、聚丙烯酰胺、两性离子聚合物为包被剂以及磺化材料为降滤失剂，此类钻井液主要解决的是钻井工程中遇到的泥岩造浆严重、井壁坍塌等工程问题，因其在射孔完井的钻井过程中应用，储层保护要求略低。

王向阳^[17]采用无固相 KCl 聚合物钻井液体系在伊拉克鲁迈拉油田应用中，giIqlp2Kp/0bYuQlEXErS7OmKl0yYB+9FS2NEM98y8A=主要解决了该油田地层三开中存在的易坍塌、摩阻大、下套管遇阻等难题，并形成了以纤维素、磺化沥青辅以氯化钠和氯化钾的无固相聚合物钻井液，该体系具有较好的耐泥岩污染能力、润滑防卡性能、井壁稳定性能，很好地解决了该油田所遇到的难题。肖俊峰^[18]采用类似体系在安棚油田钻井过程中同样解决了钻井液流变性控制及井壁稳定问题。蒋官澄等^[19]研究的低密度无固相海水钻井液在南海西部D气田的应用结果表明，以传统氯化钾聚合物钻井液体系改造为无固相钻井液体系后，提高了钻井液体系的耐污染性能，有效抑制了泥包卡钻，井漏等井下事故的发生。

2.3  无固相弱凝胶钻井液

无固相弱凝胶钻井液是以生物聚合物为主要流型调节剂，辅以改性淀粉降滤失剂的一类具有弱凝胶特点的无固相钻井液，该钻井液体系具有较高的低剪切速率黏度，可以满足水平井携岩的要求，更是利用其低剪切速率黏度在地层孔隙中减缓钻井液侵入，从而保护储层，经过多年发展已形成一系列成熟用于裸眼完井的无固相钻井液技术。

马美娜^[20]、许明标^[21]等利用天然高分子聚合物及改性淀粉建立了无固相弱凝胶钻井液体系，该体系能够快速形成弱凝胶，具有较好的携砂性能、抑制性能以及储层保护性能。韦红术^[22]、张伟国^[23]等在早期无固相弱凝胶钻井液体系基础上，研究了一种泥饼可液化及直接返排的无固相弱凝胶钻井液体系，实现了材料可液化，减少了破胶完井工艺，更是对低剪切速率黏度的合理范围进行了分析，并对比了在射孔完井与裸眼完井条件下，不同类型钻井液体系的储层保护性能，结果表明，裸眼完井条件下，传统无固相和有固相钻井液渗透率恢复率较低，需要破胶等增产完井工艺解除伤害，而可液化和直接返排无固相钻井液能够在裸眼完井条件下，达到较好的储层保护效果。向雄等^[24]研究的无固相弱凝胶钻井液体系在南海西部L气田应用表明，该体系具有较好的抗污染性能及降低井下ECD的特点，且储层保护效果好，在裸眼完井的条件下，产能均超配产，解决了超浅层气田水平井钻井的技术难题。

2.4  抗高温无固相聚合物钻井液

无固相弱凝胶钻井液由于采用的全部为生物聚合物或天然聚合物，其耐温能力有限，往往温度高于150 ℃后，钻井液流变性能、滤失性能难以得到保证，因此在此基础上发展而来的抗高温无固相聚合物钻井液，其主要采用人工合成的多元共聚物为增黏剂及降滤失剂，以满足抗高温的要求。张耀元等^[25]以疏水缔合聚合物为主，研发了抗高温疏水缔合聚合物无固相钻井液，该钻井液经160 ℃的高温后仍具有较好的流变性、滤失造壁性和悬浮稳定性，在DF1-1气田3口井进行了现场试验，解决了长裸眼水平井井壁稳定、井眼净化和储层保护等问题，钻井过程正常，完井管柱和生产管柱下入顺利。谢彬强等^[26]合成的超高温聚合物增黏剂SDKP具有良好的增黏性和热稳定性，能有效提高无固相钻井液的黏度，在淡水、盐水无固相钻井液中的抗温能力达180 ℃，在马古-H117水平井现场应用中发挥了良好的抗温增黏作用，作业井段安全顺利。

3  无固相钻井液技术发展趋势

油气勘探开发在向着低渗、裂缝性储层，井身结构向着长水平井发展，以求最大产能释放，储层保护就显得尤为重要，无固相钻井液体系作为裸眼完井和裂缝性储层的保护储层的钻井液技术发展迅速，未来必将得到更多的研究与应用，而目前该钻井液技术的发展趋势主要有几个方面。一是朝着环保型发展，随着国家环保法规越来越严，早期传统的钻井液处理剂已无法满足环保的要求，这也促使无固相钻井液朝着环保发展;二是朝着抗高温发展，虽然上述介绍了一些抗高温无固相钻井液技术，但目前国内较多的高温油气田仍然无法得到广泛应用，主要是抗高温无固相钻井液仍不成熟，在聚合物处理剂及耐温等方面仍然需要研究攻关;三是朝着可降解发展，无固相钻井液最主要是解决储层保护问题的，该体系的后期完井如何处理，如有些体系需要破胶处理才能获得较好的储层保护性能，如能够开发一种可控时间降解的无固相钻井液，将能够解决裸眼完井储层保护问题，尤其是裂缝性储层钻井液漏失后的储层保护问题。

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Research Status and Developing Trends of Solid Free Drilling Fluid

ZENG Jia¹， CHENG Hui-jun²

（1. Jingzhou College， Jingzhou Hubei 434020， China;

2. Hubei Special Equipment Inspection and Testing Institute Jingzhou Branch， Jingzhou Hubei 434000， China）

Abstract：  In order to protect reservoir， solid free drilling fluid is widely used in horizontal well drilling in oil and gas fields. It is a water-based drilling fluid technology with great development potential. The scopes of application are closely related to the types and technical characteristics of solid-free drilling fluid treatment agents. In this paper， the current situation of solid-free drilling fluid technology&nbEdKF2fN7ytDR3RisdTAQfrbSKf3EQoMcpvRzrs4DnZY=sp;was summarized， including the reservoir characteristics，requirements of well completion methods on the performance of solid-free drilling fluid. The characteristics types and development process of solid-free treatment agents were analyzed. Finally， the development trend of solid-free drilling fluid technology was prospected.

Key words： Solid free; Drilling fluid; Reservoir protection; Well completion