摘要

针对复杂油气钻井过程中遭遇的高温高压高盐、储层损害、流变性能差、水合物堵塞及井壁失稳等问题，国内外学者研发了抗高温环保型、抗高温高盐高密度型及液体套管型钻完井液技术。但随着钻探的地层情况越来越复杂，还存在钻完井液材料抗高温能力不足、环保性能差及井漏与储层损害严重的问题。为满足复杂油气钻探过程中钻完井液性能需求，未来还需深入研究钻完井液处理剂作用机制，建立安全高效的钻完井液多功能一体化调控方法，构建智能钻完井液理论与技术，为复杂油气资源开发提供技术保障。本文系统梳理了深层、深水、非常规等复杂油气钻探中面临的钻完井液技术难题，结合关键科学问题及其研究进展，对深层、深水、非常规等复杂油气钻完井液技术未来的发展方向给出了建议。

概况

根据美国能源信息署最新预测，石油和天然气在2050年前世界能源消耗量中仍居于首位，在未来相当长的时间内油气仍然是经济社会发展不可替代的主要能源。全球范围内深层油气资源勘探已开展了大量研究，世界新增油气储量60%来自深层，中国83%深层油气有待探明和开发，向“地下珠峰”进军获取油气资源是保障国家能源安全的重大战略任务。据美国地质调查局和国际能源署（International Energy Agency, IEA）预测，深水油气资源的产量规模超过10¹¹桶，是未来海洋油气增产的重要来源。中国南海主要沉积盆地石油地质资源占中国油气总资源量的1/3，其中70%蕴藏于153.7×10⁴ km²的深水区域。新时代，中国国民经济高速发展，石油和天然气消费需求逐年增长，油气供应对外依存度仍居高位。2022年，中国原油对外依存度达71.2%，远高于国际石油安全警戒线，天然气对外依存度为40.2%，严重影响中国能源安全，迫切需要提升油气自给能力。

中国油气资源勘探开发逐步向深层、深水、非常规等复杂油气进军，且复杂油气已成为中国乃至全球重要接替能源，但是特深井特深水条件下安全性和高效性仍需要进一步提升，同时也存在井底超高温高压、大温差、地层岩性复杂多变、非均质性强、安全密度窗口窄、井壁失稳严重等问题。目前，中国钻探深度已迈上9000 m新台阶，并向10000 m迈进，13000 m的大陆科学探井也已提上日程。据悉，中国石油西南油气田已在四川省广元市部署一口万米科学探井，已于2023年7月份开钻。中国石油西南油气田蓬莱气区蓬深6井的顺利完钻刷新了亚洲最深直井纪录，井深最深达到9026 m，堪称“地下珠峰”。

中国工程院院士罗平亚认为，刷新亚洲最深直井纪录，说明中国深井钻井的整体水平进一步提升，标志着中国钻井装备和钻井技术在亚洲居于领先地位，总体达到世界先进水平。由中海油田服务公司研发的深水恒流变合成基钻完井液技术，其恒流变温度范围指标已经位于国际水平前列，分别突破最低3 ℃和最高180 ℃的极限温度，为进一步开发更高难度的深水深层等复杂油气资源提供了坚实的技术保障。同时，孙金声院士团队承担了2019年国家自然科学基金重大项目——井筒工作液与天然气水合物储层作用机制和调控方法，聚焦南海天然气水合物复杂结构井成井难题，开展井筒工作液与储层间物理化学作用机制研究；研制满足钻井需求的新材料，构建高效井筒工作液体系，建立井筒工作液多功能一体化调控方法，有效解决了南海天然气水合物钻井过程中地层封堵困难、井漏、井涌、储层损害等技术难题，为中国南海天然气水合物安全高效钻井奠定了坚实的理论和技术基础。2022年，孙金声团队依托中国石油大学（华东），并联合南方科技大学、中国石油集团工程技术研究院有限公司共同申报的基础科学中心项目“超深特深层油气钻采流动调控”获国家自然科学基金委员会立项资助，这是中国油气领域首个基础科学中心项目。围绕抗超高温高盐钻采工作液材料、恶性漏失防治、流动调控软件和智能调控技术等“卡脖子”难题与重大技术瓶颈，开展超深特深层油气钻采流动调控基础研究，创新超深特深层油气钻采流动调控理论和方法，引领国际超深特深层油气科学与技术发展。

1. 复杂油气钻探中钻完井液的重要作用及关键科学问题

随着全球能源需求的增加，深层、深水、非常规等复杂油气资源的开发得到了迅猛发展，已成为中国油气增储上产重点突破方向。在钻进过程中，钻完井液面临诸多挑战，如处理剂抗温能力不足，钻完井液流变性难于调控，井眼清洁差，容易引起井壁失稳、井下漏失等钻井风险，以及储层损害难以控制。这些问题给钻井工作带来了诸多困难，同时对钻完井液技术提出了更高的要求。

1.1 钻完井液在复杂油气钻探中的作用

钻完井液是满足钻井工程需要的循环流体，被称为“钻井的血液”，具有携带岩屑、平衡地层压力、稳定井壁、保护储层、传递水功率、润滑和冷却钻头等功能。当前，深层、超深层已经成为中国油气重大发现主阵地，四川盆地的天然气勘探开发也不断向地球深部迈进。对于井底温度在200 ℃以上的井，水基钻完井液的高温稳定性仍然是一个大问题，特别是高密度高盐条件下水基钻完井液的流变性和滤失性难以调控。油基钻完井液在超高温条件下更具有优势，抗温能力可达240 ℃、密度可超过2.6 g/cm³。

深层油气储层保护方面的研究较少，目前主要是利用无固相完井液、微锰加重完井液来降低固相的储层损害，或者使用油基/合成基钻完井液降低水敏效应，但仍存在成本高的缺点。深水钻井面临井壁失稳和天然气水合物生成的技术难题，中国深水油气钻完井液技术取得了长足进步。深水水基钻完井液方面，高性能水基钻完井液的恒流变温度范围能够达到150 ℃，也开发了以天然高分子材料为原料的改性助剂，保障了钻完井液体系在具有较好性能的同时兼具良好的环保性能。深水油基/合成基钻完井液方面，自主研发的深水合成基钻完井液技术已位于国际领先水平。

1.2 复杂油气钻探中面临的技术难题与关键科学问题

1.2.1 技术难题

1）深层油气钻遇高温高压地层，缺乏抗超高温高盐的钻完井液材料及体系

深层油气钻探主要存在以下难题：井底超高温、高压、高应力环境；钻探地层岩性与地质构造复杂多变且难以预知；地层流体与地层/储层物化性质多变；储层孔道更致密、非均质性更强；环保性能差；裂缝性地层漏失严重，防漏堵漏材料及体系不完善；缺乏抗超高温材料，难以形成稳定的钻完井液体系。

这样导致钻完井液的设计盲目性大，致使井漏、井塌、卡钻、携岩、井喷等钻井风险频发且严峻，储层损害严重，甚至导致井毁人亡的灾难性事故。针对这些难题，目前国内外学者研发了抗高温高盐高密度钻完井液、环保钻完井液、暂堵型保护油气层钻完井液及防漏堵漏技术，并取得了较好的应用效果。

2）深水油气钻探地层承压能力弱，井壁稳定问题突出

深水地层比较复杂，油气钻探过程中除面临与深层油气同样问题外，还有以下难题：泥线温度低而井底温度高，即“冰火两重天”，高低温交替导致钻完井液流变性难以调控；钻遇水合物层、浅层气可能产生气体水合物堵塞管汇；深水区域受到上覆压力偏低，易于垮塌、膨胀和分散，容易引起井壁失稳；井眼清洁差、重晶石沉降、安全密度窗口窄、易出现漏失等钻井风险。针对以上难题，国内外学者研究了高低温作用下钻完井液处理剂性能影响因素、海域天然气水合物相关处理剂及钻完井液体系、深水恒流变钻完井液及储层保护钻完井液体系，均取得了一定的成效。

3）深层深水钻探过程中储层损害严重，亟需形成随钻储层保护技术

在深层深水钻探过程中会发生不同程度的油气层损害，导致产量下降，甚至“枪毙”油气层，研究者先后建立了屏蔽暂堵、精细暂堵、物理化学膜暂堵及仿生暂堵保护油气层钻完井液技术，使保护油气层效果逐步提高。但随着非常规、复杂、超深层、超深水等类型油气层勘探开发力度的加大，现有的保护技术难以满足要求。同时，国际前沿的防塌与堵漏技术难以抑制表面水化、无法封堵纳微米孔缝，更不能通过胶结岩石颗粒而提高储层井壁岩石强度和致密性，诱发储层损害程度加大；以水平井为主且多数储层岩石似“磨刀石”的复杂油气层，摩阻损害大，且目前国内外润滑减阻技术难以在钻具、井壁表面形成平滑面，摩阻高、钻井作业时间长，加剧储层损害。