钻井“血液”突破极限助力挺进更深“深地”

  石油工程技术研究院自主研发耐盐耐高温/超高密度钻井液技术，
  助力深层超深层油气资源勘探开发
  [中国石化新闻网2023-08-31]目前，我国已探明深层、超深层油气资源达671亿吨油当量，占全国油气资源总量的34%，是保障国家能源安全的战略接替区。深层、超深层具有埋藏深、温度高、地质条件复杂的特点，钻井工程挑战极大，常规钻井液难以满足安全施工要求，耐高温、高压、高盐的钻井液技术成为实现安全高效钻井的关键技术之一。
  为破解难题，石油工程技术研究院自主研发了耐盐耐高温/超高密度钻井液技术，在国内进行了广泛应用，全面支撑了深层、超深层油气资源勘探开发。该技术相关成果荣获中国石化“十三五”技术创新创效奖、第48届日内瓦国际发明展金奖，技术团队被评为集团公司优秀创新团队。
  超高温、超高密度、高盐三重挑战叠加
  钻井液通常被喻为钻井的“血液”，在入井出井的循环过程中发挥着传递动力、携带岩屑、平衡地层压力和润滑钻具等关键作用，对安全高效钻井至关重要。而在高温高压环境下，每5～10摄氏度的变化，对于钻井液来说都是严峻的考验。
  “在这种极端条件下，钻井液性能会发生严重恶化，引发各种‘疾病’：或出现变稀，无法携带功能性材料，造成‘供氧不足’；或发生稠化，出现‘血液黏稠’，堵塞‘血管’；或滤失量过大，‘血液’功能失衡，引发‘贫血’。这些‘疑难杂症’会严重影响钻井安全，危及井的‘生命’。”集团公司高级专家林永学打了个形象的比方。
  这也说明，想要给钻井液“调血压”“稳流型”，可能会遇到各种情况：超高温下常规处理剂失效；超高密度下沉降稳定性与流变性存在严重的“跷跷板”效应，调控极其困难；若同时遭遇高压盐水侵入，更是雪上加霜。超高温、超高密度、高盐三重挑战叠加，难度剧增。
  针对这些难题，工程院组建了由林永学领衔的技术团队，集中力量开展技术攻关，经过大量理论和实验研究，研发形成了耐盐耐高温/超高密度钻井液技术。该技术以超高温降滤失剂、分散剂、润滑剂等6个具有协同作用的专利处理剂产品为核心，形成的钻井液体系耐温220摄氏度、耐盐15%，采用重晶石可加重至密度2.90克/立方厘米，具有良好的高温流变性、长期沉降稳定性、润滑性，可满足深层、超深层及复杂地层钻井对高盐、高温、高密度钻井液的需求。
  研发关键处理剂“特效药”
  知其然，更要知其所以然。面对钻井液在极端环境下性能恶化的表象，技术团队在研究初期便制定了“先把脉找准病因，再对症下药”的思路。他们从体系构建要素、处理剂构效关系入手，建立了温度、密度对性能影响的多元方程，明确了“跷跷板”效应的影响因素，揭示了超高温对关键组分的作用机理，奠定了体系构建、处理剂设计的理论基础。
  为了探究高温导致钻井液性能变差的深层次原因，面对常规仪器难以同时满足高温高压条件下微观尺度表征的难题，技术团队大胆引入当时在钻井液领域鲜有应用的分子模拟设计技术，将超高温下钻井液关键组分的相互作用研究精细到了分子尺度。
  要让“血液”无惧极端环境，关键处理剂就好比“特效药”，必不可少。于是，技术团队给钻井液开起了“药方”，集合了高分子材料、物理化学、应用化学等多专业骨干，发挥跨专业融合优势，集中力量逐一攻关处理剂设计与研制难题。为解决处理剂抗温能力不足、滤失量高的问题，技术团队从分子结构设计、分子量控制出发，研发了超高温降滤失剂SMPFL系列产品；针对超高固相下钻井液黏切升高，流变性、润滑性差的问题，他们从分子界面作用出发，研发了具有多点吸附结构的分散剂SMS-19和酯类润滑剂SMLUB；为有效清除钻井液中的有害固相，他们研制出双季铵盐固相化学清洁剂。不仅如此，所有处理剂均为拥有自主知识产权的核心产品，具有良好的协同作用，形成了“治病良方”。
  深部地层高压，常规密度的钻井液难以平衡地层压力，易发生井眼垮塌等事故，需要加入重晶石等加重材料形成高密度钻井液。一直以来，业内普遍认为采用重晶石加重的钻井液密度极限为2.45克/立方厘米，相当于将1.4吨重晶石粉加入0.4立方米水基液中。想要在这个极限上继续用重晶石加重是极其困难的，需要采用昂贵的国外加重材料。而工程院研发的耐盐耐高温/超高密度钻井液技术实现了重晶石加重钻井液密度为2.9克/立方厘米，相当于将2.5吨重晶石粉加入0.4立方米水基液中，显著扩大了重晶石的加重范围，体现了明显的成本优势，受到了国内外同行的一致认可和高度赞赏。
  钻研改进重实践，为深地油气资源勘探开发提供可靠支撑
  “目前，耐盐耐高温/超高密度钻井液已实现技术自主化，其核心处理剂均为中国石化专利产品，在中国石化西北油田、西南油气、东北油气等油气区块进行了广泛应用，经历了油气资源开发迈向深层、超深层的快速发展，支撑创造了多项石油工程新纪录。”集团公司工程领域首席专家曾义金介绍。
  在西南官渡地区，工程院技术团队和西南油气、中原石油工程合作，在官深1井以2.75～2.89克/立方厘米的超高密度实际钻进745米，创造了钻井液密度最大2.87克/立方厘米的世界纪录，得偿地质工作者30多年来梦想穿越嘉陵江超高压地层的夙愿。该技术完全使用重晶石加重，仅加重材料一项就节约了85%的钻井液成本。
  携手江苏石油工程，工程院在涠洲盆地徐闻X3井应用耐盐耐高温/超高密度钻井液，支撑创造了超高温多目标定向井最深6010米的石油工程新纪录；在松辽盆地梨深2-1井，新型钻井液表现出了优良的高温稳定性、流变性、润滑性，四开节约钻井周期36.12%。
  在塔里木盆地，工程院和西北油田合作，在顺北蓬1井、顺北鹰1井等多次创造亚洲第一深井纪录，在顺北84X井创造了亚洲陆上垂直深度最深的千吨井纪录，有效保障了多口重点井的安全成井，支撑了深地油气资源的高效开发。
  “虽然当前耐盐耐高温/超高密度钻井液已成功应用于深层、超深层钻探，但耐温240摄氏度以上的钻井液稳定性仍需持续攻关和提升。”工程院原院长、中国石化特深层重大项目负责人路保平说。
  随着中国石化油气勘探向万米深层迈进，超深、特超深地层对钻井液性能将提出更高、更严苛的要求，新技术研发迫在眉睫。工程院将始终以端牢能源饭碗、保障能源安全为己任，在钻井液体系构建、关键核心处理剂研发等方面突破常规思路，集中力量攻克一批“卡脖子”核心技术，为加快实现石油工程高水平科技自立自强、推动深地油气资源勘探开发高质量发展贡献力量。