1.2.2 关键科学问题

1）满足复杂工况的处理剂分子结构设计及其与储层的物理-化学作用

        处理剂分子结构是决定处理剂性能的关键，不同分子结构的处理剂在高温高压高盐等复杂工况条件下的空间分布形态及与地层矿物的作用机制不同，极易引发深层及深水钻井过程中井壁失稳、储层损害等问题。因此，亟需研发抗超高温高盐及环境响应型处理剂，揭示其与储层的物理-化学作用机制，构建高性能钻完井液体系及性能调控方法。

2）天然气水合物抑制机制及一体化调控方法

        深入研究深水浅层天然气水合物抑制剂与储层间的作用机制，防止出现因水合物堵塞管汇而造成井壁失稳问题，构建钻探天然气水合物的专用钻完井液体系；通过揭示钻完井液与储层间复杂的物理化学作用机制，阐明钻完井液侵入对力学稳定性影响机制，建立深水油气地层钻完井液封堵、防漏堵漏、保护储层及井壁稳定一体化调控方法，保障安全高效钻井。

2.深层及深水油气钻探钻完井液技术研究进展

2.1 抗高温环保钻完井液体系

        随着环境管理法规和环境限制指标的加强，在进行钻井设计时，都将钻井现场的环保作为一项重要指标来考核。《中华人民共和国海洋石油勘探开发环境保护管理条例实施办法》明确规定：“含油量超过10%的水基钻完井液禁止向海中排放；使用油基钻完井液时，钻屑中的含油量超过15%时，禁止排放入海。”虽然目前废弃钻完井液处理技术取得了一定成效，但解决钻完井液环境污染的根本方法还是开展环保型钻完井液技术的研究，从源头控制污染。自20世纪90年代以来，国内外相继开发出了具有环保性能的钻完井液体系。目前，抗高温环保型体系主要有高性能水基类、聚合醇类、烷基糖苷类及合成基类等。

2.1.1 高性能水基类

        近年来，为了降低成本、减少环境污染，研发出了一种性能好、成本低的高性能水基钻完井液。高性能水基钻完井液主要由页岩抑制剂、包被剂、分散剂和降滤失剂等组成。

        国外，以斯伦贝谢公司的HydraGlyde和UltraDrill、贝克休斯公司的PerforMax和Latidrill、哈里伯顿公司的Shall-Drill及Newpark公司的Evolution等高性能环保水基钻完井液体系为代表，这些体系均具有良好的流变性、润滑性及优异的页岩抑制性，能够适用于深水钻井及复杂页岩层钻井，在美国多个区块成功应用。国内，中国石化中原石油工程公司研发了GOF环保高性能水基钻完井液体系，能够有效解决泥页岩层钻井过程中井壁失稳、卡钻、钻速慢等技术难题，安全环保且成本较低。

        针对四川及云南龙马溪组页岩地层遇水易垮塌，微裂缝、裂缝发育等问题，康圆等、闫丽丽等和孙金声等以改性二氧化硅封堵剂为核心配制了一种疏水强封堵水基钻完井液，该钻完井液的页岩回收率达90.2%，对40~60目砂床渗入深度仅为1.5 cm，具有优异的抑制、封堵、疏水和抗污染能力。此外，该团队还研制了一种强抑制强封堵水基钻完井液体系，经现场应用，电测一次成功，井径规则，平均井径扩大率为5.71%。蒋官澄等基于“封堵、抑制、固化、双疏、润滑”理论，形成了仿生固壁剂、仿生润滑剂及双疏型高性能水基钻完井液。现场试验表明，该钻完井液体系可以降低井底复杂情况，缩短建井周期，满足安全、高效、环保钻井的需要。

2.1.2 聚合醇类

        聚合醇钻完井液是以聚合醇为主剂配制的环保型水基钻完井液体系，能够增强钻完井液的抑制性、封堵性和润滑性。20世纪90年代，国外便已经开发了聚乙二醇共聚物（COP/PPG）钻完井液体系。研究表明，聚合醇与氯化钾协同作用，可显著增强体系的抑制性能，针对水敏性地层易出现掉块、垮塌等井壁失稳问题，具有良好的效果。此外，聚合醇钻完井液在海洋深水钻井得到了应用。刘晓栋等研制了抗温200 ℃的聚合醇体系，并在环渤海油田现场应用，该体系EC₅₀（半数效应浓度）大于3×10⁵ mg/L，符合一级海区生物毒性排放要求，有效解决了环境敏感性海域高温深井钻探问题。

2.1.3 烷基糖苷类

        烷基糖苷钻完井液是一种具有较好的抑制性和润滑性，流变性能稳定，兼具环保性的水基钻完井液，适用于钻大位移井和大斜度井及海洋等环境敏感地区。其中，甲基葡萄糖苷钻完井液最先得到广泛应用，如中国南海地区WZ-6-9油田、大港油田滨26X1井、墨西哥湾Tick钻井平台等。为提高甲基葡萄糖苷钻完井液的抑制性，改性烷基糖苷钻完井液得到发展。赵虎等对烷基糖苷进行阳离子改性，研制了抗温达150 ℃的烷基糖苷钻完井液，成功解决了小河坝组、龙马溪组等页岩地层的井壁失稳问题。此外，通过对烷基糖苷进行磺化改性，也可提高烷基糖苷钻完井液的综合性能。

2.1.4 合成基类

        合成基钻完井液是以人工合成的有机化合物作为连续相，盐水作为分散相，并由乳化剂、降滤失剂、流型改进剂等组成的钻完井液。合成基钻完井液的环保性能及易于达到恒流变的特点，使其在海洋深水钻井中得到应用。FLAT-PRO合成基钻完井液流变性能稳定、携岩能力强、井眼清洁效果好，在南海东部超深水井荔湾22-1-1井成功应用。中江204H井成功应用了生物质合成基钻完井液，该体系抗温150 ℃，流变性、滤失性、润滑性和抑制性强，且环保风险和废弃物处理成本较低。然而，生物质基钻完井液仍存在一定缺陷。在长期高温和碱性条件下，生物质基钻完井液会发生水解，导致性能变差，维护处理难度增大。

2.2 抗高温高盐高密度钻完井液

2.2.1 磺化/聚磺类

        国内抗高温水基钻完井液大致经历了钙处理、磺化和聚磺3个阶段。钙处理钻完井液通过钙离子抑制黏土分散，改善高温条件下的滤失造壁性能和流变性能。20世纪70年代后，由王平金等学者研制的三磺钻完井液使抗温性能大幅提高。三磺材料主要是磺化褐煤（SMC）、磺化酚醛（SMP）和磺化单宁（SMT），抗温能力可达180 ℃。而聚磺钻完井液是在磺化钻完井液的基础上引入抗温抗盐性能优良的聚合物处理剂，提高了体系的流变性能和滤失性能，使体系的抗温能力提升至200 ℃以上。国外的DURATHERM体系是一种抗温性能良好的水基聚磺钻完井液，理论最高抗温能力达260 ℃，抗盐性能良好，抑制性强，同时具有良好的储层保护性能。该体系在莺歌盆地LD22-1-7井中使用时，最高井温为207 ℃，最高密度为2.24 g/cm³，且能够提高钻速，提高钻屑清除效率，降低钻井成本。

2.2.2 油基类

        近年来，随着国内外油气资源勘探开发的不断深入，深井、超深井数量逐渐增加，井底温度上限也不断刷新（例如，大庆松辽盆地古龙1井井深超6300 m，井底温度达260 ℃），油基钻完井液具有抑制性好、维持井壁稳定、保护储层、润滑性好及提高钻井速度的优点，逐渐成为了钻探深井、超深井、高难度井、水平井的必然选择。国外在20世纪60年代就十分重视油基钻完井液的研制与应用。MI-Swaco公司以无胺基乳化剂为核心，结合高性能抗温有机土、改性单宁混合型抗高温降滤失剂等构成了超高温高压油基钻完井液体系UHTHP，室内评价结果表明，该体系可在300 ℃高温下保持优异的流变性、乳液稳定性和滤失性，并在泰国成功应用。哈里伯顿公司研制的一种密度为2.2 g/cm³的油基钻完井液，可抗204 ℃高温，已在北海油田等多个国内外油田成功应用。在国内，王建华等采用乳液聚合法合成出油基钻完井液用纳米聚合物封堵剂，性能评价结果表明，高温高压滤失量降低34%，封堵率从90%提高到100%，该封堵剂能在微裂缝表面形成致密封堵层，有望解决页岩井壁稳定的问题。覃勇等以妥尔油脂肪酸和马来酸酐为主要原料合成了一种油基钻完井液抗高温主乳化剂HT-MUL和辅乳化剂HT-WET，以此为核心构建了一套抗高温油基钻完井液，在威204H5平台页岩气开发井进行试验取得了成功，并得到大规模推广应用。

2.2.3 聚合物类

        国外抗高温聚合物钻完井液技术起步早发展快，早在20世纪60年代就开始了聚合物类的研发与应用。壳牌公司研发的甲酸铯无固相体系，抗温性达220 ℃，密度可达2.37 g/cm³，具有良好的流变性和润滑性，可有效避免高密度条件下重晶石沉降问题，但是价格昂贵。MI-Swaco公司构建的抗高温聚合物体系Envirotherm NT，抗温可达232 ℃，密度达2.2 g/cm³，抗污染能力强，抗温耐盐，对地层损害小。

        目前，国内外成功应用的典型抗高温聚合物体系有：不分散低固相聚合物体系、仿生聚合物体系、双疏高效能聚合物体系、甲酸铯无固相体系、抗高温聚合物体系等。胜利油田于1973年首次采用不分散低固相聚合物技术，使钻速提高20%以上。王岩等合成了一种五元共聚物降滤失剂，实验结果表明，合成的五元共聚物抗温达180 ℃、抗盐至饱和、抗钙达1.25%，在聚合物钻完井液中具有良好的效果。Xuan等、Jiang等和Ni等研发了系列仿生钻完井液材料，并创新建立了仿生聚合物钻完井液理论与技术，在长庆苏里格的苏53区块水平段钻井时，平均提高钻速27%、钻完井液综合成本降低26.4%，效果显著。此外，Jiang等以研发的超双疏剂为核心，进一步构建了超双疏高效能聚合物钻完井液领先技术，实现了聚合物钻完井液技术的飞速发展。