摘要：通过研究超高密度、高温对钻井液性能的影响，提出了高温高密度钻井液的技术难题。
针对这些技术难题，通过研制适用于超高密度钻井液、超高温高密度钻井液的处理剂，配制出
抗温150℃密度2.9g/cm3超高密度钻井液，形成了抗温220℃、抗温240℃不同密度的淡水、饱
和盐水钻井液体系。针对元坝地区的地质条件，提出了关于元坝地区高温高密度钻井液的有关
建议。
关键词：超高密度；超高温；钻井液；流变性能；元坝地区
0 前言
一月十四日是什么情人节1 高温高密度钻井液技术难点
随着国内外石油工业的发展和对石油需求的不断增长，油气田勘探开发逐渐动用和开采环境苛刻的油气藏，其中一个重要的表现就是井深的增加。钻井实践表明，随着井深的增加，钻井技术难题逐渐增加，井下高温、高压严重影响钻井液性能。主要表现在高温高密度条件下钻井液的粘度不易控制、滤失量大
、固相容量限低、抗污染性能差等方面。
中原钻井院针对高温高密度钻井液的技术难点进行了攻关，通过研制润湿分散剂、非增粘抗高温护胶剂和对密度 4.2g/cm3重晶石进行表面处理，在室内配制出抗温150℃密度2.9g/cm3超高密度钻井液。通过研制抗高温不增粘降滤失剂、抗高温解絮凝剂、抗盐高温高压降滤失剂等抗高温处理剂，形成了抗温220℃密度 2.65g/cm3的淡水钻井液体系、密度2.3g/cm3的饱和盐水钻井液体系，抗温240℃密度2.57g/cm3的淡水钻井液体系、密度2.0g/cm3的饱和盐水钻井液体系。
针对元坝地区地质条件，根据室内对高温高密度钻井液的研究成果，提出了元坝地区高温高密度钻井液流变性和滤失量控制的技术措施。
1.1 高密度对钻井液性能影响
超高密度钻井液由于固相含量高，导致钻井液增稠，粘切上升，内摩擦大，流变性不易控制等难题，给钻井施工带来困难。超高密度钻井液技术难点是流变性控制问题，主要有以下原因：
⑴高固相含量带来的粘度高
超高密度钻井液固相含量高，体系中自由水含量低，导致钻井液固相容量低。其主要矛盾是高固相与流动性之间的问题。
伊能静图片⑵活性固相颗粒分散带来的粘度高
重晶石中存在劣质固相或者在钻进过程中大量钻屑侵入钻井液，钻屑颗粒的粘度效应使钻井液性能发生变化，钻井液增稠，粘切急剧上升，流变性变差。
⑶固相颗粒间相互作用产生的粘度高
由于超高密度钻井液中固相含量较高，固相颗粒之间的内摩擦大，容易导致钻井液增稠、润滑性变差，钻井过程中容易出现摩阻大、粘卡等井下复杂。
⑷抗污染性能差
由于高固相使钻井液中处理剂加量较少，导致钻井液抗污染能力、抗温能力差。在钻进过程中，特别在高温条件下，盐膏、盐水等侵入钻井液后，滤失量增大，泥饼质量差，流变
性失去控制，容易造成井下事故。
1.2 高温对钻井液性能影响
随着温度的增加，钻井液的各种性能都会随之而发生改变。高温对钻井液性能的破坏主要表现在：高
温恶化钻井液的流变性和增加滤失量、影响钻井液热稳定性、降低钻井液pH 值、增加处理剂的用量。高温对钻井液的影响原因主要有以下几个方面：
⑴高温对粘土的影响
①粘土的高温分散作用
影响高温分散作用与粘土种类、温度及作用时间、pH值、抑制剂等有关。高温分散作用使钻井液中粘土颗粒浓度增加，易使钻井液高温增稠，这种影响是不可逆和不可恢复的。
②粘土的高温聚结作用
粘土颗粒高温聚结增大了泥饼的渗透率，使泥饼质量降低，增加钻井液滤失量。高温聚结作用与粘土表面的水化能力、温度的高低、电解质浓度与种类、处理剂用量等有关。
③钻井液中粘土颗粒的高温钝化
高温钝化后粘土颗粒的表面活性降低，表现为钻井液粘度增加，动切力和静切力却增加不多，有时甚至下降。在钻井液中表现为：高温减稠、高温固化两个方面。
⑵高温对钻井液处理剂的影响
①高温降解
钻井液处理剂高温降解包括高分子主链断裂，亲水基团与主链断裂两个方面。高温降解与处理剂的分子结构、温度的高低及作用时间的长短、pH值及矿化条件等有关。
②高温交联
高温交联是处理剂分子中的各种不饱和键或活性基团在高温作用下互相联结导致分子量增大。若交联过度，处理剂完全失效，钻井液完全破坏，滤失量猛增；若交联适当，则大大有利于钻井液性能，高温交联实际上可以抵消高温降解作用。
⑶高温对钻井液中粘土颗粒和处理剂相互作用的影响
①处理剂分子在粘土表面的高温解吸附
高温下由于处理剂大量解吸使粘土大量或全部失去处理剂的保护而使粘土的高温分散、聚结、钝化等作用无阻碍地发生，从而严重影响钻井液的热稳定性。
②高温对处理剂的去水化作用
高温下，由于粘土颗粒水化膜减薄，而促进了高温聚结作用，使钻井液滤失量上升，流变性变坏。影响高温去水化的因素与温度、亲水基团本性、电解质浓度、pH等有关。
1.3 高温高密度钻井液技术难点
高密度钻井液由于固相含量高，流变性难以控制。高温会导致钻井液出现流变性变差、滤失量增大、热稳定性变差等多方面的问题。高温高密度钻井液兼有高密度、高温两方面的问题，所以在钻井液性能控制方面存在更多技术难题，主要技术难点如下：
⑴流变性控制难
①高温条件下，钻井液中的粘土颗粒高温分散导致钻井液增稠，室内实验和现场经验均表明，当粘土含量大到某一数值时，钻井液在高温下会丧失流动性。
②高密度钻井液固相含量高，当劣质固相特别是亚微米颗粒进入钻井液，会导致钻井液流变性难以控制。
③高温高密度钻井液的抗盐、钙能力在高温作用下已明显降低，当遇到盐、钙污染后，钻井液流变性难以维持，由于固相含量较高，加大处理剂浓度又会给流变性的控制带来难度，钻井液的维护变得更加频繁。
⑵流变性与高温高压滤失量难以同时兼顾
高密度钻井液中，中压滤失量并不能模拟钻井液在井下高温高压情况下的滤失量，由于固相含量较高，较少的滤失量就可能形成较厚的泥饼，从而降低滤失量。所以高温高密度钻井液的滤失量应该用高温高压滤失量来评价。
高温条件下，处理剂断链分解加快，特别是聚合物类处理剂，这会导致钻井液滤失量增大，需要频繁维护，要降低滤失量就必须加大处理剂加量，这又给高密度钻井液带来流变性控制难题。
⑶适用于高温高密度钻井液处理剂少
目前国内针对高温高密度钻井液研发的处理剂较少，高温高密度决定了处理剂必须抗高温且在能有效降低钻井液滤失量的同时，尽可能小的增加钻井液的粘度。
⑷适用于超高密度钻井液加重材料选择困难
当密度高于2.50g/cm3后，选择合适的加重材料非常困难，加重材料密度越大，越有利于改善钻井液的流动性。目前市场供应的加重材料难以满足现场需要。
2 高温高密度钻井液室内研究
高温高密度钻井液研究的技术思路首先是研制、优选抗高温处理剂，然后建立抗高温钻井液体系。抗高温处理剂是高温高密度钻井液的核心。中原钻井院近年来通过研制适用于超高密度钻井液和超高温高密度钻井液的处理剂，在超高密度钻井液和超高温高密度钻井液研究方面取得一定的进展。
2.1 超高密度钻井液
⑴适用于超高密度钻井液的处理剂的研制
超高密度钻井液由于固相含量高，导致钻井液流变性难以控制、抗污染性能差。针对超高密度钻井液的流变性及抗污染问题研制了润湿分散剂、非增粘抗高温护胶剂。
①润湿分散剂
超高密度钻井液中，重晶石的体积分数为40%以上，固相之间的摩擦很大。要求有一种高效处理剂，不仅稀释分散能力强，同时还具有改善钻井液中的主要固相—重晶石表面性质的能力。根据这一思路研制了润湿分散剂，润湿分散剂具有以下性能：能降低重晶石的表面张力，起到分散重晶石的作用；能改变水分子在重晶石表面的润湿角，润湿重晶石，使钻井液中有更多的自由水；可以使加重材料的固-固摩擦变为液-液摩擦，降低加重材料的内摩擦力和粘度效应，提高钻井液的流动性。
②非增粘抗高温护胶剂
超高密度钻井液固相含量高，固相容限低，其他常规的护胶剂难以加入，钻井液抗污染能力差。研制了非增粘抗高温护胶剂，非增粘抗高温护胶剂是一种带有磺酸基团、主链上带环状结构的低分子量的降滤失剂。非增粘抗高温护胶剂有以下性能：不增加液相粘度，相对提高钻井液固相容量；增强钻井液抗污染能力。使钻井液在高温、高盐等复杂条件下保持钻井液性能稳定。
⑵超高密度钻井液配方形成
①加重材料的研究
超高密度钻井液中，加重材料体积分数占40%以上，高固相导致钻井液易于稠化，流变性控制困难。目前加重材料主要是重晶石和铁矿粉，重晶石的密度在 4.0～4.2g/cm3，更高密度的重晶石几乎没有。其它高密度的加重材料尚待研究开发。对密度4.2g/cm3重晶石进行表面处理，降低加重材料的粘度效应，提高加重效率，改善钻井液流动性。
②超高密度钻井液配方形成
润湿分散剂可以改善重晶石的表面活性、降低重晶石的内摩擦，从而改善钻井液的流变性。非增粘抗高温护胶剂可以提高钻井液的抗污染能力。通过润湿分散剂、非增粘抗高温护
胶剂的协同作用以及对密度4.2g/cm 3重晶石进行表面处理，在室内配制出密度2.9g/cm 3超高密度钻
井液，配置的超高密度钻井液具有良好的流变性。性能评价表明：钻井液在3%NaCl 加量、Ca 2+含量在2000mg/l 、0.7%石膏和7%钻屑加量以内污染后，仍具有良好的流变性，摩阻系数小于0.1，钻井液沉降稳定性良好。
2.2 超高温高密度钻井液
⑴ 抗高温处理剂合成
超高温高密度钻井液要求处理剂的抗温、抗盐能力强，且粘度效应不能太高。从抗高温方面讲，聚合物应具备分子链刚性强，分子主链上含有环状结构，最好含苯环，设计梳型结构的产品以提高支化程度。就抗盐而言，聚合物应满足盐对聚合物在粘土颗粒上的吸附量影响小，水化基团盐敏性低，最好以磺酸基为主要水化基团，且具备一定的抗钙镁污染能力。根据以上原则完成了抗高温处理剂的合成。
①抗高温不增粘降滤失剂CGW488
抗高温不增粘降滤失剂CGW488选用AOIAS 作为抗温抗盐单体，是一种具有梳型结构的聚合物降滤失剂。具有以下性能：抗温性能好（达到220℃），高温条件下护胶能力强，降滤失效果好； 具有不增粘性能，在有效加量范围内避免钻井液的高温增稠；具有一定的抑制性，能抑制粘土的高温水化分散；抗盐性能好，在盐水钻井液中具有较好的降滤失能力。水浒传好词好句
② 抗高温解絮凝剂CGW527-1
抗高温解絮凝剂CGW527-1选用AOIAS 作为抗温抗盐单体。是一种具有梳型结构的聚合物解絮凝剂，CGW527-1分子量较低，能吸附在粘土颗粒表面，减少或削弱粘土颗粒之间的面面和面边结合结构，拆散钻井液中絮凝的粘土颗粒，消除盐对钻井液的絮凝作用，起到解絮凝作用。
③ 抗盐高温高压降滤失剂CGW40
抗盐高温高压降滤失剂CGW40为褐煤树脂类降滤失剂，在饱和盐水钻井液中具有很好的降滤失性能，能有效的降低钻井液的高温高压滤失量。合成机理：利用分子修饰原理，在褐煤树脂分子链适度接枝上一定的抗盐分子链，来增加分子链的空间结构，提高其抗盐性能。
⑵ 超高温高密度钻井液配方形成及性能评价
通过以上合成的抗高温处理剂：抗高温不增粘降滤失剂CGW488、抗高温解絮凝剂CGW527-1、抗盐高温高压降滤失剂CGW40等的协同作用，形成了抗温220℃密度2.65g/cm 3的淡水钻井液体系、密度2.3g/cm 3的饱和盐水钻井液体系，抗温240℃密度2.57g/cm 3的淡水钻井液体系、密度2.0g/cm 3的饱和盐水钻井液体系，钻井液性能见表1。
表1 抗温220℃不同密度不同盐含量的钻井液性能
注：高温高压滤失量测定条件为180℃、压差3.5MPa 。 对抗温220℃密度2.65g/cm 3的淡水钻井液、密度2.3g/cm 3的饱和盐水钻井液，抗温240℃密度2.57g/cm 3的淡水钻井液体系、密度2.0g/cm 3的饱和盐水钻井液体系进行性能评价，实验结果表明：钻井液抗钙可达5000ppm ，抗钻屑、土污染能力强，一次回收率达97%以上，沉降稳定性良好。
温度
(℃)
盐含量 (%) ρ (g/cm 3) A V (mPa•s) PV (mPa•s) YP (Pa) Gel (Pa /Pa) pH FL (mL) HTHP (mL) 220
0 2.65 119 108 11 3/8.5 9 2.0 10
饱和
2.3 123 81 42 20/30 8.5
3.4 18 240
赵丽颖和陈伟霆2.57 88 86 2 1.5/3 9 2.8 10 饱和 2.0 75 54 21 8/13 9 4.4 16
3 对元坝地区高温高密度钻井液有关建议
对元坝地区已完钻井进行了资料调研，元坝地区高温高密度钻井液面临如下难点：
⑴地层温度高
元坝地区地温梯度范围在2.3~2.5℃/100m，元坝地区的井的平均垂深在6800~7200m，井底温度的范围为150~180℃，个别井因垂深超出7200m使井温达到200℃左右。
⑵井底压力变化大
元坝2侧平1井在嘉陵江一段发现含硫高压水层，钻井液密度由1.42 g/cm3提高到2.05 g/cm3才将水层压住。元坝27井在嘉陵江五、四段也钻遇高压水层，钻井液密度由1.44 g/cm3提至2.15 g/cm3才压稳。元坝102井：嘉陵江五、四段5671m最低降密度到1.37g/cm3，地层出水、有垮塌现象，提高到2.08g/cm3恢复正常。元坝4井：飞仙关组三段6674.52m最低降密度到1.62g/cm3，地层出水，提高到2.04g/cm3基本压稳。
李治廷范冰冰⑶盐污染钻井液性能难以控制
嘉陵江组存在一段盐膏层，厚度100~300m，钻井液遇到盐膏污染，导致钻井液增稠、滤失量增大，性能难以维持。
根据超高密度钻井液和超高温高密度钻井液的研究成果，结合元坝地区的地层的地质特点，提出了关于元坝地区高温高密度钻井液的有关建议。
⑴流变性控制
①选用抗温抗盐的处理剂
聚合物降滤失剂尽量选用带有磺酸基等抗温抗盐基团的降滤失剂，且分子量不能太高，尽可能选用中低分子量的，保证在降低滤失量的同时，尽可能少的增加钻井液的粘度。
②控制膨润土、低密度固相含量来保证钻井液的流变性
选用优质土并严格控制钻井液的膨润土含量，MBT值控制在15g/L左右。加强固控设备的使用，根据井下情况合理更换振动筛筛布的目数，尽可能的除去劣质固相。对于亚微米粒子，建议采用固相化学清洁技术，固相化学清洁剂是小分子量的阳离子絮凝剂，带正电荷能絮凝钻井液中带负电荷的亚微米粒子，通过固控设备除去这些低密度固相。固相化学清洁技术在元坝1井成功应用，效果显著。
③引入表面活性剂改善钻井液流变性
表面活性剂可以提高超深井高温钻井液体系的热稳定性及改善高温钻井液的流变性，非离子表面活性
顶级改装车剂在溶液中不是以离子形式存在，所以稳定性较好，不易受到强电解质无机盐的影响。可以提高超深井高温钻井液的热稳定性和改善高温性能。SP-80是一种很好的抗高温处理剂，HLB值为4.3，油溶性决定它有润滑、消泡性能，可以很好的降低钻井液中固相颗粒之间的内摩擦，降低钻井液的粘切。
④采用KCl聚磺体系
在高温条件下，钻井液中的粘土颗粒会高温分散导致钻井液高温增稠，KCl有很强的抑制性，能抑制粘土的高温分散。对高密度钻井液来说，采用KCl聚磺体系，能改善钻井液的流变性，提高处理剂加量，提高钻井液的热稳定性和抗污染能力。
⑤控制钻井液pH在9~10
高温条件下，pH会促使粘土颗粒、钻屑的高温分散加剧，过高的pH会使钻井液增稠。盐水钻井液中OH-会进入粘土颗粒内部，使钻井液pH降低，pH过低，会导致流变性难以控制，合适的pH能减少处理剂的用量。因此在高温高密度钻井液中合适的pH在9~10。
⑵提高钻井液的抗温能力
严格控制产品质量，特别是SMP，高温高密度钻井液中SMP是控制高温高密度钻井液滤失量的最好的处理剂。目前市面上很多SMP掺辅料太多，这些辅料可以使检验合格，但
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