目前，我國已探明深層、超深層油氣資源達671億噸油當量，占全國油氣資源總量的34%，是保障國家能源安全的戰(zhàn)略接替區(qū)。深層、超深層具有埋藏深、溫度高、地質(zhì)條件復雜的特點，鉆井工程挑戰(zhàn)極大，常規(guī)鉆井液難以滿足安全施工要求，耐高溫、高壓、高鹽的鉆井液技術成為實現(xiàn)安全高效鉆井的關鍵技術之一。

為破解難題，石油工程技術研究院自主研發(fā)了耐鹽耐高溫/超高密度鉆井液技術，在國內(nèi)進行了廣泛應用，全面支撐了深層、超深層油氣資源勘探開發(fā)。該技術相關成果榮獲中國石化“十三五”技術創(chuàng)新創(chuàng)效獎、第48屆日內(nèi)瓦國際發(fā)明展金獎，技術團隊被評為集團公司優(yōu)秀創(chuàng)新團隊。

超高溫、超高密度、高鹽三重挑戰(zhàn)疊加

鉆井液通常被喻為鉆井的“血液”，在入井出井的循環(huán)過程中發(fā)揮著傳遞動力、攜帶巖屑、平衡地層壓力和潤滑鉆具等關鍵作用，對安全高效鉆井至關重要。而在高溫高壓環(huán)境下，每5～10攝氏度的變化，對于鉆井液來說都是嚴峻的考驗。

“在這種極端條件下，鉆井液性能會發(fā)生嚴重惡化，引發(fā)各種‘疾病’：或出現(xiàn)變稀，無法攜帶功能性材料，造成‘供氧不足’；或發(fā)生稠化，出現(xiàn)‘血液黏稠’，堵塞‘血管’；或濾失量過大，‘血液’功能失衡，引發(fā)‘貧血’。這些‘疑難雜癥’會嚴重影響鉆井安全，危及井的‘生命’?！奔瘓F公司高級專家林永學打了個形象的比方。

這也說明，想要給鉆井液“調(diào)血壓”“穩(wěn)流型”，可能會遇到各種情況：超高溫下常規(guī)處理劑失效；超高密度下沉降穩(wěn)定性與流變性存在嚴重的“蹺蹺板”效應，調(diào)控極其困難；若同時遭遇高壓鹽水侵入，更是雪上加霜。超高溫、超高密度、高鹽三重挑戰(zhàn)疊加，難度劇增。

針對這些難題，工程院組建了由林永學領銜的技術團隊，集中力量開展技術攻關，經(jīng)過大量理論和實驗研究，研發(fā)形成了耐鹽耐高溫/超高密度鉆井液技術。該技術以超高溫降濾失劑、分散劑、潤滑劑等6個具有協(xié)同作用的專利處理劑產(chǎn)品為核心，形成的鉆井液體系耐溫220攝氏度、耐鹽15%，采用重晶石可加重至密度2.90克/立方厘米，具有良好的高溫流變性、長期沉降穩(wěn)定性、潤滑性，可滿足深層、超深層及復雜地層鉆井對高鹽、高溫、高密度鉆井液的需求。

研發(fā)關鍵處理劑“特效藥”

知其然，更要知其所以然。面對鉆井液在極端環(huán)境下性能惡化的表象，技術團隊在研究初期便制定了“先把脈找準病因，再對癥下藥”的思路。他們從體系構建要素、處理劑構效關系入手，建立了溫度、密度對性能影響的多元方程，明確了“蹺蹺板”效應的影響因素，揭示了超高溫對關鍵組分的作用機理，奠定了體系構建、處理劑設計的理論基礎。

為了探究高溫導致鉆井液性能變差的深層次原因，面對常規(guī)儀器難以同時滿足高溫高壓條件下微觀尺度表征的難題，技術團隊大膽引入當時在鉆井液領域鮮有應用的分子模擬設計技術，將超高溫下鉆井液關鍵組分的相互作用研究精細到了分子尺度。

要讓“血液”無懼極端環(huán)境，關鍵處理劑就好比“特效藥”，必不可少。于是，技術團隊給鉆井液開起了“藥方”，集合了高分子材料、物理化學、應用化學等多專業(yè)骨干，發(fā)揮跨專業(yè)融合優(yōu)勢，集中力量逐一攻關處理劑設計與研制難題。為解決處理劑抗溫能力不足、濾失量高的問題，技術團隊從分子結構設計、分子量控制出發(fā)，研發(fā)了超高溫降濾失劑SMPFL系列產(chǎn)品；針對超高固相下鉆井液黏切升高，流變性、潤滑性差的問題，他們從分子界面作用出發(fā)，研發(fā)了具有多點吸附結構的分散劑SMS-19和酯類潤滑劑SMLUB；為有效清除鉆井液中的有害固相，他們研制出雙季銨鹽固相化學清潔劑。不僅如此，所有處理劑均為擁有自主知識產(chǎn)權的核心產(chǎn)品，具有良好的協(xié)同作用，形成了“治病良方”。

深部地層高壓，常規(guī)密度的鉆井液難以平衡地層壓力，易發(fā)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鉆井液。一直以來，業(yè)內(nèi)普遍認為采用重晶石加重的鉆井液密度極限為2.45克/立方厘米，相當于將1.4噸重晶石粉加入0.4立方米水基液中。想要在這個極限上繼續(xù)用重晶石加重是極其困難的，需要采用昂貴的國外加重材料。而工程院研發(fā)的耐鹽耐高溫/超高密度鉆井液技術實現(xiàn)了重晶石加重鉆井液密度為2.9克/立方厘米，相當于將2.5噸重晶石粉加入0.4立方米水基液中，顯著擴大了重晶石的加重范圍，體現(xiàn)了明顯的成本優(yōu)勢，受到了國內(nèi)外同行的一致認可和高度贊賞。

鉆研改進重實踐，為深地油氣資源勘探開發(fā)提供可靠支撐

“目前，耐鹽耐高溫/超高密度鉆井液已實現(xiàn)技術自主化，其核心處理劑均為中國石化專利產(chǎn)品，在中國石化西北油田、西南油氣、東北油氣等油氣區(qū)塊進行了廣泛應用，經(jīng)歷了油氣資源開發(fā)邁向深層、超深層的快速發(fā)展，支撐創(chuàng)造了多項石油工程新紀錄?！奔瘓F公司工程領域首席專家曾義金介紹。

在西南官渡地區(qū)，工程院技術團隊和西南油氣、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實際鉆進745米，創(chuàng)造了鉆井液密度最大2.87克/立方厘米的世界紀錄，得償?shù)刭|(zhì)工作者30多年來夢想穿越嘉陵江超高壓地層的夙愿。該技術完全使用重晶石加重，僅加重材料一項就節(jié)約了85%的鉆井液成本。

攜手江蘇石油工程，工程院在潿洲盆地徐聞X3井應用耐鹽耐高溫/超高密度鉆井液，支撐創(chuàng)造了超高溫多目標定向井最深6010米的石油工程新紀錄；在松遼盆地梨深2-1井，新型鉆井液表現(xiàn)出了優(yōu)良的高溫穩(wěn)定性、流變性、潤滑性，四開節(jié)約鉆井周期36.12%。

在塔里木盆地，工程院和西北油田合作，在順北蓬1井、順北鷹1井等多次創(chuàng)造亞洲第一深井紀錄，在順北84X井創(chuàng)造了亞洲陸上垂直深度最深的千噸井紀錄，有效保障了多口重點井的安全成井，支撐了深地油氣資源的高效開發(fā)。

“雖然當前耐鹽耐高溫/超高密度鉆井液已成功應用于深層、超深層鉆探，但耐溫240攝氏度以上的鉆井液穩(wěn)定性仍需持續(xù)攻關和提升。”工程院原院長、中國石化特深層重大項目負責人路保平說。

隨著中國石化油氣勘探向萬米深層邁進，超深、特超深地層對鉆井液性能將提出更高、更嚴苛的要求，新技術研發(fā)迫在眉睫。工程院將始終以端牢能源飯碗、保障能源安全為己任，在鉆井液體系構建、關鍵核心處理劑研發(fā)等方面突破常規(guī)思路，集中力量攻克一批“卡脖子”核心技術，為加快實現(xiàn)石油工程高水平科技自立自強、推動深地油氣資源勘探開發(fā)高質(zhì)量發(fā)展貢獻力量。（楊帆 王琳 李勝 錢曉琳 任麗麗）

——企業(yè)應用——

西南油氣超高密度鉆井液助力超高壓地層天然氣開采

四川盆地天然氣資源量巨大，是中國石化天然氣大發(fā)展的主陣地。30年來，西南油氣扎根于此，相繼發(fā)現(xiàn)并建成了川西中淺層氣田、元壩氣田、威榮頁巖氣田、中江氣田等大型氣田。

近年來，為保障資源持續(xù)供給，油氣勘探開發(fā)目標逐漸向復雜山前構造帶、高壓/異常高壓地層等轉(zhuǎn)移，位于四川盆地川南地區(qū)的官渡構造就是典型代表。

官渡構造存在的多個超高壓復雜鹽水層，是成功建井的“攔路虎”，嚴重制約了天然氣資源獲取進度。想要鉆開超高壓地層，必須匹配超高密度鉆井液。既要提高鉆井液密度，又要兼顧流動性、避免沉降，多方面的技術難題擺在鉆井液研發(fā)人員面前。

西南油氣和石油工程技術研究院研發(fā)團隊開展聯(lián)合攻關，研發(fā)出高固相分散劑和超低黏膠體穩(wěn)定劑，評價了加重材料對鉆井液流動性影響程度，形成了超高密度鉆井液體系，在高溫高壓地質(zhì)條件下具有良好流動性和低失水量，抗鹽污染性能及沉降穩(wěn)定性好。

“水的密度為1克/立方厘米，我們的超高密度鉆井液密度大于2.75克/立方厘米，接近水的3倍，應用在官渡構造再合適不過?！蔽髂嫌蜌夤こ碳夹g研究院副院長歐彪說。

西南油氣在四川盆地川南低褶帶官渡構造部署了官深1井，設計井深4110米，采用五開制鉆井。在2864~3700米三開井段鉆進過程中，超高密度鉆井液表現(xiàn)完美，創(chuàng)造了密度為2.87克/立方厘米以上鉆井液進尺745米的世界紀錄。

“每次起下鉆，都能順利下到井底?！蔽髂嫌蜌鈱＜覘罱〗榻B，“這說明井漿在井底高溫下性能穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)沉降情況?！?/p>

該技術為川南地區(qū)及其他超高、高壓井的順利實施提供了技術保障，為更大規(guī)?？碧介_發(fā)超高壓油氣資源積累了寶貴經(jīng)驗。

下一步，研發(fā)團隊將持續(xù)在超高密度鉆井液的穩(wěn)定性、可控性等方面深耕，為油氣資源高效開發(fā)提供技術支撐。（任茂）

西北油田技術人員現(xiàn)場觀察巖屑返出情況。李銀婷 攝

西北油田為順北“三超”油氣藏

塔里木盆地已知超深層油氣資源量位于全國各大盆地之首。實施超深層油氣資源勘探開發(fā)，既要有“找得到”的本事，又要有“拿得到”的能力。鉆井液在超深、超高溫、超高壓的環(huán)境下表現(xiàn)如何，成為衡量油田企業(yè)“拿得到”能力的重要指標。

被譽為“深地一號”的順北油氣田，儲層平均埋藏深度超過7300米，地層溫度超過180攝氏度，壓力超過120兆帕。在勘探開發(fā)初期，常規(guī)鉆井液性能難以保障安全快速成井。

為滿足超深層油氣勘探開發(fā)需要，西北油田集聚國內(nèi)外創(chuàng)新資源開展聯(lián)合攻關。石油工程技術研究院圍繞鉆井液這一“卡脖子”難題，經(jīng)過大量理論和實驗研究，自主研發(fā)形成了耐鹽抗高溫鉆井液技術系列。

該系列技術在順北油氣田應用表現(xiàn)良好，助力創(chuàng)造了多項施工紀錄。其中，順北蓬1井完鉆井深8450米，創(chuàng)當時亞洲垂深和斜深最深兩項鉆井紀錄。2021年，耐鹽抗高溫鉆井液技術在順北56X井應用，以9300米的井深安全成井，刷新當時亞洲陸上最深定向井紀錄。

近年來，科研人員持續(xù)攻關，不斷優(yōu)化核心處理劑，迭代升級耐鹽抗高溫鉆井液技術，有效支撐了“深地一號”鉆井作業(yè)由“打不成”向“打得快”“打得準”跨越。

順北84斜井井底溫度高達186攝氏度，技術人員應用新型耐鹽抗高溫鉆井液，配套優(yōu)化現(xiàn)場施工工藝，實現(xiàn)安全成井。今年，該井創(chuàng)陸上垂深最深千噸井紀錄。據(jù)了解，優(yōu)化升級后的耐鹽抗高溫鉆井液技術較好地解決了鉆井液高溫高壓濾失量、高溫流變性和沉降穩(wěn)定性等指標控制方面的難題，更適用于高溫高壓條件下復雜地層的鉆探作業(yè)。

目前，順北油氣田鉆井作業(yè)周期由初期的井均350天優(yōu)化為140多天，完鉆垂深超過8000米的井達到50口。在西北油田順南和外圍區(qū)塊的探井工程中，耐鹽抗高溫鉆井液技術也得到廣泛應用。未來，隨著順北油氣田鉆井作業(yè)深度向萬米挺進，超深層井段地質(zhì)復雜、溫壓環(huán)境接近液體工作極限等問題，又將對鉆井液穩(wěn)定性提出新挑戰(zhàn)。（王福全 何仲）

——專家視點——

挑戰(zhàn)技術“高地”實現(xiàn)高效勘探

□集團公司工程領域高級專家 林永學

當前，深層、超深層油氣藏已成為我國油氣資源勘探開發(fā)的主陣地，是油氣接替戰(zhàn)略重點層系之一，也是保證國家能源安全的關鍵領域。

深井、超深井鉆井是支撐上述儲層高效勘探開發(fā)的關鍵核心技術，面臨高溫高壓HTHP（150～200攝氏度、70～140兆帕）、超高溫超高壓UHT/UHP（200～260攝氏度、140～210兆帕）的地質(zhì)環(huán)境。

在這樣的環(huán)境中，鉆井液處理劑失效、高鹽加劇鉆井液體系失穩(wěn)、高密度高固相導致鉆井液流變性難以控制、鉆井液加重材料沉降……任一原因都會導致整個鉆井工程作業(yè)失敗。尤其是上述環(huán)境條件疊加，鉆井液的技術難度和成本劇增，已成為制約超深層油氣勘探開發(fā)的關鍵瓶頸之一。

在高溫特別是超高溫鉆井液技術領域，國外起步較早，技術相對成熟。此前，我國鉆井液關鍵材料基本以國外采購為主，成本高昂，無法規(guī)模應用。近年來，在借鑒國外技術的基礎上，我國開發(fā)了高溫環(huán)境下鉆井液關鍵化學材料與工藝技術，基本可滿足工程需求，但在超高溫環(huán)境下，鉆井液技術仍是“卡脖子”難題。

在超高密度鉆井液技術領域，特別是當鉆井液密度高于2.45克/立方厘米時，鉆井液中的固相加重材料體積約占50%，流動性與沉降穩(wěn)定性的控制存在一個難以克服的“蹺蹺板”效應。國內(nèi)外通常采用液相加重與高密度材料固相加重的方式降低鉆井液的固相體積分數(shù)，但也會導致鉆井液成本劇增，成為技術“高地”。

面對這些挑戰(zhàn)，石油工程技術研究院堅持借鑒與原始自主創(chuàng)新相結合，通過近十年持續(xù)攻關，建立了高溫高密度鉆井液體系構建的理論與方法，開發(fā)了耐鹽耐高溫和超高密度鉆井液關鍵化學劑和鉆井液技術，形成了超高溫高密度鉆井液技術系列。

項目團隊創(chuàng)造性地融合了不同學科的懸浮液黏度理論、溶劑化理論和沉降理論，首次揭示了“蹺蹺板”效應的內(nèi)在機理，創(chuàng)立了“低黏度效應、合理溶劑化膜厚度、強吸附能力”的鉆井液體系構建理論與方法，為處理劑設計及鉆井液體系研發(fā)奠定了理論基礎；設計并合成了具有獨特主側(cè)鏈結構、特殊官能團的分散劑SMS-19，實現(xiàn)了支化程度高、適度水化膜的功能設計；優(yōu)化吸附基團、水化基團的數(shù)量和比例，控制吸附能力和水化膜厚度、支化度與分子量，研發(fā)出低黏度效應濾失控制劑SML-4；以低分子量耐溫耐鹽的思路設計分子結構，研制出耐溫220攝氏度、抗飽和鹽的降濾失劑SMPFL-H/L，解決了超高溫鉆井液增黏和高溫高壓濾失量失控的難題；研發(fā)了具有良好流變性和沉降穩(wěn)定性的2.7～3.05克/立方厘米鉆井液，有效解決了超高密度鉆井液“蹺蹺板”效應難題，突破了國外專家認為采用重晶石加重鉆井液密度無法突破2.45克/立方厘米的應用禁區(qū)。

通過與各油田及工程公司的合作，該技術在國內(nèi)得到廣泛應用。在官深1井應用2.75～2.89克/立方厘米的鉆井液安全鉆進745米，成功鉆穿3套超高壓鹽水層，創(chuàng)造了鉆井液密度最大2.87克/立方厘米的世界紀錄，大幅降低了鉆井液成本。在徐聞X3井應用耐溫211攝氏度的鉆井液，創(chuàng)造了超高溫多目標定向井最深6010米的石油工程新紀錄。該技術也引起國際知名公司的關注，多次提出代理相關材料與技術的請求。

我國深層油氣資源豐富，隨著油氣勘探開發(fā)深度不斷增加，向萬米進軍勢在必行，相應地，井下高溫高壓環(huán)境會更加極端，挑戰(zhàn)更大。工程院將繼續(xù)踐行“大科技合作”理念，在攀登科技“珠峰”的道路上砥礪前行，打造我國特深層石油工程核心技術系列，支撐深地戰(zhàn)略高效實施。