2.3 储层保护钻完井液

中国常规浅层油气田资源量逐步减少，而深层、超深层都伴随着地层的高温、高压，使用高固相含量的钻完井液易堵塞油气渗流通道，造成储层伤害，影响油气井产量或新油气田的发现。

2.3.1 暂堵型保护油气层钻完井液

为减轻或避免钻完井液导致的油气层损害、提高单井产量，国内外学者们先后建立了“屏蔽暂堵、精细暂堵、物理化学膜暂堵”的保护油气层钻完井液技术。但随着钻探的储层条件越来越复杂，以前的保护技术难以满足要求。为此，孙金声等针对致密页岩油气藏中的储层损害问题，阐述了物理颗粒暂堵、化学成膜暂堵、欠平衡钻井完井和界面修饰等储层保护技术的基本原理及研究进展，并给出了致密/页岩油气储层保护技术的未来发展方向。蒋官澄等率先将仿生学引入保护油气层钻完井液理论中，发展了适合不同油气层的“超双疏、生物膜、协同增效”仿生暂堵保护技术，实现不同渗透率油气层“零”损害目标，使单井产量得到了较大的提高，并在各大油田得到推广应用，效果显著。

2.3.2 液体套管油气层保护钻完井液

针对“屏蔽暂堵、精细暂堵、物理化学膜暂堵、仿生暂堵”型保护油气层钻完井液技术无法有效解决特殊油气层“井塌、井漏、高摩阻”带来的储层损害难题，蒋官澄等继续向自然界学习，利用发明的仿生超双疏剂、仿生固壁剂、仿生键合润滑剂，再配合其他处理剂，取得了可随钻形成“液体套管”的保护储层钻完井液新技术的原创性成果。主要作用原理：在钻井过程中，由特种处理剂构成的钻完井液在油气层井壁上随钻充填、封堵孔-缝-洞、加固井壁，形成薄而致密、光滑、抗冲击、耐冲刷、似“套管”的高强度封堵带，完全阻隔钻完井液与油气层直接接触，实现“保护油气层、提高产量”与“防控钻井风险、保障安全钻井”一体化目标。

在室内，蒋官澄带领团队成员系统研究了液体套管的致密性、封堵强度、润湿性、润滑性，以及液体套管钻完井液的流变性、滤失造壁性、抑制性、强化井壁能力、油气层保护效果等。结果表明，各种性能优于以前保护油气层钻完井液技术，解决了以前技术存在的缺点，引领了保护油气层钻完井液技术的发展。液体套管油气层保护钻完井技术已在昭通页岩气、渤海湾页岩油、苏里格和松辽盆地致密气、准格尔盆地致密油、山西煤层气等地区，以及乍得等国家1000余口复杂油气井上得到成功应用。与同区块使用过的油基钻完井液或其他高性能水基钻完井液相比，该技术可使平均井塌事故率降低82.6%、井漏降低80.6%、阻卡与卡钻复杂情况降低80.7%、机械钻速提高32.8%、产量提高1.5倍以上，效果显著；被斯伦贝谢公司引入后，在承包的延安宝塔、子长县、安塞等地区规模应用，平均钻速提高30.1%以上、产量提高1.6倍以上等。

总的来说，液体套管油气层保护钻完井为中国年产超40亿m³的最大煤层气田、年产超3000万t的最大原油生产基地——渤海油田和储量达千亿方的渤中19-6凝析气田、年产超300万t的世界最大砾岩油田——玛湖油田、年产30亿m³的临兴-神府大型致密气田建设提供了一项支撑技术。

2.3.3 无土相水基/油基/合成基钻完井液

常规深井、超深井高密度钻完井液采用的重晶石、铁粉等固相加重材料易堵塞油气通道，对储层造成不可逆损害，以可溶盐为加重材料的无固相钻完井液可满足深井高密度钻完井液加重需求，对储层保护效果也很好。针对渤中19-6区块钻井过程中易井漏、储层保护难度大等难题，马英文等以聚胺和甲酸钾为抑制剂和加重材料为主剂，构建出一套新型抗高温无固相钻完井液。该体系可抗温达200 ℃，同时可在高温环境下稳定存在7 h。孙金声等和蒋官澄等研发的抗高温高密度无土相油基钻完井液密度可达2.7 kg/L，抗温性可达260 ℃，同时可抗质量分数为25%的蒸馏水污染和质量分数为15%的CaCl₂溶液污染。相比于传统油基钻完井液，无土相油基钻完井液因不含有机土，流变性优良，有利于提高钻速和保护储层等。

2.3.4 深水恒流变钻完井液

深水钻进过程中，钻完井液面临诸多挑战，如泥线温度低而井底温度高、流变性难于调控、重晶石沉降、当量循环密度（ECD）变化大、容易引起井壁失稳及井下漏失等钻井风险。因此，弱化钻完井液黏度、切力对温度的敏感性，使其流变参数在一定温度范围内基本保持恒定是解决该难题的关键，从而发展出了恒流变钻完井液。MI-Swaco公司的恒流变合成基钻完井液依靠流变调节剂和有机土，配合实现“恒流变”。而哈里伯顿公司研发的恒流变钻完井液采用一种酰胺类流变性调节剂替代有机土，在高温下能保证酰胺基团吸附在胶粒表面，避免了有机土低温增稠。由中海油田服务股份有限公司研发的深水恒流变合成基钻完井液HEM和FLAT-PRO体系突破了180 ℃的极限温度，超越当时国际同类技术。蒋官澄等建立了一套密度为1.2 g/cm³的生物柴油基恒流变钻完井液体系，该体系环保性能优良，可在2~230 ℃条件下保持恒流变性，并可抗5%的海水和10%的页岩屑污染，为深水油气资源的开发提供了技术保障。

2.3.5 天然气水合物保护油气层钻完井液

井壁稳定是天然气水合物安全高效钻井的核心，高性能井筒工作液是维持井壁稳定的关键。从抑制水合物效果、环保和成本控制综合考虑，水基钻完井液仍是天然气水合物勘探的首选。孙金声团队研究了不同温压条件下的改性淀粉、羧甲基纤维素钠（CMC）和黄原胶（XC）对CH₄水合物形成的影响，研究发现，深水常规油气及水合物钻井过程中，若井下温压条件对水合物形成的驱动作用较强，则XC更适合配制水合物抑制性的钻完井液。此外，为探明水合物储层损害类型及机制，基于核磁共振技术建立了井筒工作液侵入水合物储层的模拟试验方法，探究在不同液相侵入温度下水合物分解特性及储层损害程度；提出了将纳米有机硅材料引入天然气水合物钻完井液，提高封堵性能，减小侵入引起的储层损害。Wang等研制了一种天然气水合物用复合强化井壁稳定剂TA-PVA，实验表明，岩心抗压强度由0.22 MPa提升至0.45 MPa，且抑制膨润土水化膨胀率达76.36%，有效提高了储层井壁稳定性。经过20多年的快速发展，中国的天然气水合物勘探开发取得了较为丰硕的成果，中国于2017年在南海神狐海域成功进行了首次天然气水合物试采工作，2020年在此区域又成功进行了第2次试采工作，创造了“产气总量为86.14×10⁴ m³，日均产气量为2.87×10⁴ m³”的两项世界纪录，攻克了深水浅软地层水平井钻采技术，实现了从“探索性试采”向“试验性试采”的重大跨越。

2.3.6 智能钻完井液

随着钻探目标从浅层向深层、深水，从常规向非常规（如页岩油气、致密油气、煤层气、油页岩等），从传统化石能源向特殊地下资源（水合物、干热岩等）进一步拓展，钻井工程面临的地面和地下情况越来越复杂，给钻完井液类型和处理剂选择、配方和性能设计带来很大盲目性。因此，设计并采用具有“自识别、自调节、自适应”等智能特点的钻完井液技术，有助于从根本上解决上述技术难题。

2016年伊朗学者Ghojogh首次明确提出，将智能材料/流体应用于钻井可制备出“智能钻完井液”，有助于在常规钻完井液难以胜任的高难度钻井区域成功钻井。近几年，在压力敏感、盐响应、pH响应、温敏、形状记忆、智能暂堵及磁响应的多种智能钻完井液方面进行了探索性研究。蒋官澄团队以研制的高分子量低离子度（HvL）与低分子量高离子度（LvH）两种盐响应型两性离子聚合物为核心配制了饱和盐水钻完井液，研究表明，盐响应型聚合物钻完井液具有出色的抗盐性、热稳定性与抗膨润土、泥页岩屑污染的性能；同时，还研制了具有盐响应特征的AM-AMPS-TAC聚合物，配制的钻完井液抗盐与耐温效果最优，且滤失量小。该团队还以合成的pH响应可逆转乳化剂RE-HT为核心配制了一种抗高温可逆乳化钻完井液，性能良好，滤饼清除率达98.98%，在复杂深井钻井中有较好的应用前景。孙金声等综述了智能材料（形状记忆合金、自愈合凝胶、膜材料和仿生材料）在钻完井液领域的技术研发方向、方法及应用前景。但目前智能钻完井液仅处于起步阶段，还面临着许多问题与挑战，未来需要广大科研工作者共同研究。

3.未来发展建议

国家发展改革委员会、国家能源局发布了《能源技术革命创新行动计划（2016—2030年）》，攻克万米特高温高压油气开采技术与装备已被列入2020—2035年国家油气科技重大专项战略规划。因此，油气钻井向着深层超深层发展，高温地热井的开发，深层钻探的需要，对钻井流体抗温、环保、油气层保护等性能要求越来越高。未来深层及深水油气钻探钻完井液建议在以下方面重点攻关。

（1）攻克抗温260~300 ℃、抗压2.6~3.0 MPa、密度在2.6 g/cm³以上的抗高温高压高盐钻完井液关键材料与技术。

（2）攻克抗温小于-30 ℃的极地温度钻完井液，满足未来南极等极低温度油气钻探的需要。

（3）攻关研究深水恒流变环保型钻完井液、适用于水平井的环保型天然气水合物钻完井液，以及水合物水平井井壁稳定技术。

（4）发展随钻形成更高质量液体套管的钻完井液。利用钻完井液中的化学材料在井壁随钻形成似“套管”的高强度封堵带，封堵全部孔-缝-洞，满足安全、高效、环保钻井需要。

（5）裂缝性恶性漏失地层防漏堵漏一体化。通过提高钻完井液密度、强化封堵防塌性能，研发自适应防漏堵漏材料，扩大安全密度窗口，实现高效堵漏。

（6）发展基于智能材料、大数据、云计算、4G/5G网络、人工智能等技术的智能钻完井液及智能储层保护技术，使其具备“自识别、自调整、自适应、自传输、自维护”功能，实现“安全、高效、经济、环保、智能”的目标。

（7）发展生态环保型钻完井液。利用天然可降解材料研发生态型钻完井液处理剂，构建生态环保型钻完井液体系，真正实现石油工业与环境保护协调发展。

4.结束语

虽然深层及深水油气资源非常丰富，但却面临前所未有的技术挑战，钻完井液是保障安全、高效、经济钻探的核心。在未来深层及深水钻探过程中，钻完井液技术必将面临许多未知挑战，需从关键科学问题入手，借助其他学科发展起来的最新基础理论，进行交叉学科研究，研发具有原创性的钻完井液技术。通过对国内外钻完井液技术发展历程和原理的深度剖析可知，大力开展液体套管钻完井液、智能与生态型钻完井液是未来的重要发展方向之一，可为突破深层深水钻完井液与完井液的“冰火两重天”、为深层深水油气勘探开发提供技术强力支撑。