摘要：钻井液技术作为石油工程必不可少的配套技术，经历了一个世纪的发展历程，从最初的自然分散体系发展到现在具备多项技术功能和极端情况（如异常高温、异常高压）处理能力的多种化工体系，井壁稳定技术一直是影响钻井液技术发展变化的核心因素，新材料研发与工艺技术的进步始终受到保持或提高井壁稳定能力这一基本要素的影响。围绕井壁稳定需求进行的相关研究多集中在钻井液体系、工艺材料、应力平衡技术以及能量变化对井壁稳定性影响的研究等方面。随着计算机技术及其他工业技术（如纳米技术）与钻井液技术结合程度的不断加深，钻井液技术呈现出一些变化趋势，现场作业中强调整体性平衡的全新技术思想也初露端倪，以推动我国钻井液技术的快速发展。

        钻井液技术的发展与钻井工程的技术需求不可分割，从20世纪初始以自然造浆方式进行钻探作业到今天专业化多功能的钻井流体的广泛应用（各种钻井液体系的应用情况详见表1），时间经过了大约一个世纪。在此期间，钻井液工艺和材料一直在不断发展。由于理论与手段（甚或思维方式）的局限性，其发展过程可能会出现反复，发生技术革命的因素正在积累，但最终的突破点在哪里，目前仍显得扑朔迷离。

        从表1可以看出三大特点, 一是应用于特定环境下的特种钻井流体，如气基、泡沫、盐基流体等，这类技术自出现以后一直应用至今。•二是效果稳定、操作简单的体系一直在沿用，如油基钻井液。三是具有持续技术传承的体系，如聚合物及其衍生体系，就目前的发展情况看，由于新材料研发因素的支撑，可能是最具生命力的一个领域。
 

        从本质上讲，钻井液的功能实际上有两个：一是保持井壁稳定，以确保井眼在钻达设计深度之前，上部裸眼井段几何形状的变化不会影响正常的钻进作业；二是及时高效地将钻头破碎的岩屑携带至地面，以保持井筒清洁。除此之外的所有功能都是钻井液的衍生或附加功能，从钻井工程的性质看，保持已钻成井眼的稳定是第一位的，没有这一基础，与钻井工程有关的所有技术环节都无从谈起。鉴于此，围绕井壁稳定需求进行的技术探索从未停止过，相关研究多集中在钻井液体系、工艺材料、应力平衡技术以及能量变化对井壁稳定性影响的研究等方面。

1. 钻井液体系研究

        这方面的研究一直是重点，且较为活跃。

1.1钾基聚合物体系

        为了尽可能发挥高价金属离子的化学抑制作用，在钻井液中常常同时加入KCl和石灰(CaO)，以利用Ca2+稳定矿物晶格的能力，这种体系国外被称为钾钙基或钾石灰聚合物体系。

        国内的高钙盐体系于2000年前后开始投入现场应用，其特点是采用抗钙能力很强的聚合物助剂与CaCl。共同形成Ca2+高于1000mg/L(滤液)的稳定钻井液体系。考虑到成本因素，现场维护时滤液中的Ca2+通常保持在1200--1400mg/L，很少超过1600mg/L。此技术有效发挥了Ca2+ 能够提高体系化学抑制能力的效率，极大地提高了钾钙基钻井液体系的化学防塌能力，可以认为是钻井液在防塌技术上的一个进步。

1.2 阳离子体系

        随着化学抑制理论的不断发展，人们认识到阳离子基团在有序吸附排列于黏土矿物晶层的同时可以有效地将 吸附水分子 排挤出来，使黏土矿物产生去水化效应，亦即阳离子化以后的钻井液体系能够最大限度地发挥抑制防塌作用。国内在1987年前后开始在现场试用阳离子钻井液体系（或者是以阳离子化的钻井液助剂对常规钻井液体系进行改造），1995年以后，关于阳离子钻井液体系及其相关助剂的研究与现场应用案例明显增加。在对以往10年阳离子钻井液技术研究与应用总结的基础上，殷平艺在1998午首次提出了“新的钻井液研究必将以带有正电固相颗粒的阳离子钻井液体系为主体”的观点。但就总体效果看，这方面的研究没有突破性进展，但探索性的工作一直没有停止，直到现在仍可看到个别井使用阳离子体系的报道，但大多数时候是将阳离子助剂作为抑制剂或包被剂使用。

1.3 正电钻井液体系

        2000年以后，正电钻井液开始进入现场试用，这实际上是一种完全阳离子化的体系，其标志是体系（或滤液）的ξ电位至少应大于0。考虑到正、负两种电荷中和效率极高，最终形成的正电钻井液的ξ电位应不低于20mV，以便能够有足够多的正电荷用于支付以钻屑为主的负电性物质的消耗，如此方可投入现场试用。从部分井的现场应用情况看，正电体系实质上是阳离子化程度较高的阳离子体系，其ξ电位一般不高于-20mV（传统水基钻井液的ξ电位通常在-40～-30mV），这主要是因为现场条件下进入浆体的各种物质大多是负电性的，加之体系配伍的正电助剂不成熟，维护处理时仍以常规助剂为主，正电助剂反而成为辅助添加剂，导致正电体系在短时间内回归为常规体系。纵观钻井液化学抑制理论的发展历程，在防塌技术实践中，正电钻井液体系的研究原本是最有希望出现革命性突破的节点，但因理论的运用与现实发生了严重冲突，最终导致这种技术性的探索工作前景黯淡。

1.4 KC1--聚胺强抑制体系

        这是一种以聚季胺为主的小分子(MW≤1000)型强抑制剂，从分子类型看，聚胺钻井液隶属于阳离子钻井液一族。由于该体系抑制能力很强，并且没有油基钻井液带来的环境问题，因此研究与现场应用非常迅速，国内从2007年前后开始投入项目研究，2011年已经规模化推广应用。现场应用情况表明，聚醚胺类抑制剂与无机盐具有很好的协同配伍效应，例如聚醚胺与常规的KC1体系配伍后能够极大提高化学防塌抑制能力，在比较理想的情况下其效果接近油基体系，这是单纯以提高体系附含量无法做到的。

1.5 硅酸盐体系

        硅酸盐体系具有与其他常见钻井液体系不同的防塌与抑制机理，现在比较公认的防塌机理有4种：

        （1） 通过硅酸盐与地层水中无机盐反应后产生的化学沉积物封堵地层微裂隙，并具有弥合破碎地层效应；

        （2） 与中性或弱酸性地层水相遇后产生胶凝物，并随着液柱压力进入到地层一定深度后凝结形成具有膜效应的封堵壳；

        （3） 高温下(T≥105℃)硅酸盐的硅醇基与黏土矿物的铝醇基发生缩合反应产生胶结性物质，对破碎地层具有较好的黏接作用；

        （4） 与硅酸盐配伍的各种无机盐能够有效降低滤液的活度，降低或消除滤液进入地层的渗透压，使地层产生去水化过程改善其稳定性。硅酸盐钻井液早在20世纪30年代即投入现场使用，但因技术原因直到90年代中期才在个别井应用成功。现场应用情况表明，该体系具有突出的井壁稳定能力，能够在复杂地层中以较低密度实现安全钻进。

1.6 其他体系

        比较典型的如2000年前后开始投入现场应用的有机盐体系，于20世纪90年代末期首先应用于中国西部地区，从推广应用情况看，有机盐主要被用于如下情况：①作为抑制剂或水活度控制剂使用；②作为无固相体系加重剂使用；③用于储层保护体系的配制；④与其他盐共同作为复合盐使用。

        在深井和复杂地层，有机盐一般被用于保持或提高体系的化学抑制能力。其他如聚合醇体系、MEG仿油基体系等也均是首先基于提高体系防塌抑制能力目的而研制开发的，由此可以看出，钻井液体系井壁稳定能力的强弱是其是否具有进一步研究推广价值的基础。

2 钻井液工艺技术与材料研究

2.1工艺技术方面

2 1.1 固控设备

        工艺技术方面，对钻井液工艺影响比较显著的是固控设备的进步。1990以前现场固控设备多为"一筛(振动筛)+两除(除砂、除泥器)",1995年以后情况开始改善，最为显著的变化是振动筛筛分能力的提高和固控系统配置方案的优化；其次是旋流装置和离心机的改进与离心机配置的普及化；第三是结合现场作业需要研制开发的专用系统，如钻屑流量分析与计量系统。这些改进与提高带来了3种结果：钻屑清除效率明显提高，因井眼清洁问题导致的井下复杂情况大幅减少；由于振动筛激振能力的提高和振动方式的改进，细筛布的使用逐渐普及，极大地提高了劣质固相的一次清除效率，降低了维护成本，提高了泥饼的综合性能，振动筛下游固控装置的配备在组合上趋于简单化，最新的固控系统则直接将振动筛部分也纳入到一体化装置中，这种组合方式可以很好地发挥不同固控装置的协同效能，提高40μm以下细微粒子的清除效率。

2.1.2 井壁涂覆工艺
        利用树脂的光固化反应原理在井壁上生成井筒衬，即井壁“贴膜”，这是一种集稳定井壁、防漏堵漏、提高地层承压与储层保护一体化的新技术。目前国内钻井现场经常采用的“化学抑制剂十温敏性沥青质涂覆材料”技术实际上就是一种针对裸露岩石的“自然贴膜”工艺，实践表明这种手段比单一采用化学抑制或沥青防塌技术效果更好。

2.1.3 极端工艺技术

        由于现场施工中出现的极端化情况，相应的特殊作业技术也应运而生并不断成熟。例如钻进超高压地层时使用的超高密度钻井液，钻进裂缝发育漏失频繁地层和低压力或压力衰竭层时使用的超低密度钻井液（r ≤1.00kg/L）、充气（或泡沫）钻井液，钻进大位移井、水平井、井壁失稳频繁等需要的高性能强抑制体系所采用的烃基（OBM）或合成基（SBM）钻井液技术，以及在异常高温地区采用的超高温（T≥200℃）钻井液技术。从工业角度看，这类技术的发展显然受到很大制约，其原因：一是能够满足这种极端技术要求的地区很少，限制了技术的应用和评价；二是具备极端技术指标的高性能材料研发难度高，周期长，往往需要跨专业合作方能完成。这种情况决定了极端化技术仍处于不断探索中，并且无论在材料的研发还相关理论的研究均有很高的难度。

2.2 材料方面

2. 2.1开发具有抗伤害能力的化学助剂

        20世纪90年代前后无机盐(主要是NaCl和CaSO4或二者的复合物)特别是Ca2伤害还是钻井现场的难点技术问题，随着材料抗伤害能力的提高，到了2000年以后，现场因无机盐伤害所导致的复杂情况开始明显减少，2005年以后便基本上能够在各种Cl-含量下随意调整钻井液性能了。

2.2.2 开发与各种极端情况相适应的化学助剂

        如用于220℃以上地层的抗高温材料，具有改善黏土颗粒水化膜状态的降滤失剂和超高固相含量情况下具有固相粒子均匀功能的分散剂，具有化学抑制能力的降滤失剂等已经投入现场使用，并取得了很好的效果。

2.2.3 开发化学抑制剂

        比较具有代表性的是胺基聚醚类抑制剂的研发和使用，与常规化学抑制剂相比，聚胺类抑制剂具有更强的去水化能力，因此己被用于易破碎页岩地层的钻井作业中。随着相关技术研究的深入，化学抑制剂的防膨去水化能力将会不断提高。

2.2.4 纳米技术在钻井液技术领域的应用研究

        纳米技术在钻井液行业的应用最早可以追溯到2000年。国内2003年崔迎春首次发表了关于纳米技术在钻井液行业中应用的论文，同年柯扬船采用纳米处理技术制得了有机一无机纳米复合蒙脱土，这也是国内首例采用纳米技术制取钻井液助剂的报道。与非渗透钻井液技术研究相比，纳米钻井液技术的研究表现得比较理性。笔者认为真正的纳米钻井液至少应具备以下4种特征：自我净化能力;自我修复能力;根据地层特点自动衍生所需功能;借助电脑辅助功能完全实现钻井液日常管理的程序化。简言之，真正的纳米钻井液实际上就是一种“智能化”的工作流体，纳米状态下的一切操作过程都会发生根本性的改变。目前在钻井液领域的应用情况而言，只是部分处理剂在经过纳米技术改造以后强化了原有的功能或衍生了一些新的功能，尚不具备形成“纳米体系”的技术基础，故只能称之为“有限运用”。

3. 应力平衡技术研究
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        井眼稳定的本质是一个力学问题，即各种己知或未知因素对井壁稳定性的影响最终表现为地层创面附近岩石力学平衡状态的改变。
从当代钻井技术实践看，提高井壁稳定性不外乎以下4种方案：①提高钻井液的化学抑制能力；②提高钻井液的微裂缝封堵能力；⑧提高滤液黏度以增大其进入地层的阻力进而减少进入地层的数量④采用合理的钻井液密度平衡地层应力。

        上述方案中，①、②、④这3种技术的本质实际上就是设法保持地层应力的原始平衡状态，或者是尽可能降低或消除外来因素对地层应力平衡状态的影响；③则是人为提高地层孔隙的渗透阻力，这在当今已逐渐演变为“膜理论”的研究，其最终目标就是阻断钻井液液柱压力向井筒周围深部岩石的传递过程。从最新的研究动态看，大地应力场与井壁稳定性的关联性也被作为影响因素之一结合到了研究实践中。笔者认为，大地应力场与井壁稳定性关系的探索研究对于井壁失稳的预测具有重要意义，尤其对于大位移井井眼轨迹的设计与超深井的安全钻进作业具有重大的指导意义。

4. 能量变化对井壁稳定性影响的研究

        由于影响井壁稳定的因素非常多，并且各因素相互之间又存在着比较复杂的制约关系，导致钻井工程中防塌技术措施的盲目性和低效或无效性。部分学者试图从能量守恒角度分析井壁的失稳问题，如徐加放经过研究后认为，当能量积累到岩石内部无法承受时，能量便以微裂缝扩展的形式释放，这时内能通过微裂缝的生成和相互作用导致的扩展转变为表面能。从物理学角度看，这种观点实际上是岩石力学平衡状态变化的另外一种表述方式，它使我们明确了井壁稳定也能够通过降低或延缓岩体内部能量的积累过程得以实现，但问题的关键在于如何将这种理论转变为有效的技术手段。在关于井壁稳定问题的研究与处理上，这是理论与实践二者之间最大的矛盾所在，也是导致这一领域在技术上形成灰色区域的主要原因。

5. 其他方面研究

        除以上主要领域之外，国内外的钻井液研究人员还对实验手段和评价方法、计算机技术的应用等进行了研究，取得了一些进展。

5.1 实验手段与评价方法分析评价

        研究认为，现行的以API规范为基础的测试方法存在一些问题，无法有效地评价钻井液助剂的使用效果：

        (1) API规范属于“静态”标准，采用这类标准得到的结论或数据也是一个静态的点，无法客观地反映动态条件下钻井液各项参数的变化情况。

        (2) 实际作业中钻井液的直接作用对象是地层（井壁），钻井液技术参数的变化主要也是由于地层的变化所引起，但所有的实验过程均没有涉及地层因素，因此参照API规范所得到的一系列参数只表明客观环境与实验环境比较接近时的情况，具有很大的偶然性。

        (3) 一些关键问题没有引起重视，原因是没有相应的实验手段对其进行分析评价，比较典型的如滤饼的形成与破坏过程和膨润土的分散过程。钻井液对地层的作用效果最终体现在滤饼的质量上，如果没有具体的量化指标，是没有办法评判具体作用效果的。

        (4)目前现行标准无法对工程中宏观与微观两个端点的技术状态进行有机整合，主要表现在两个方面：室内无法模拟现场的真实作业环境，采用模拟真实环境的动态试验台得到的实验数据缺乏规范性；由于操作环节的差异，导致室内得到的放大样与工业化产品性能差异较大，无法以实验手段进行客观评价。

        (5) 现代化的微观观测与测量手段尚没有能够与现行标准有效结合，导致研究人员只能依据物理或化学原理对钻井液中各种成分的变化过程进行推测，对真实变化过程的了解则基本处于盲目状态。

5.2 计算机技术应用

        随着计算机应用的普及，20世纪90年代后期国内先后出现了“储层保护专家系统”、“地层损害诊断专家系统”、“钻井液专家系统知识库”以及专门用于钻井工程水力学计算的软件包等各种版本的“专家系统”，业内通俗地称之为“人工智能技术”。西方各工业国家在这方面的研究与技术开发较之国内要早10年左右，目前国外关于钻井液设计方面的软件如Weatherford公司的设计软件、Landmark钻井设计系统、Schlumberger公司的DrillingOffice设计系统在石油工程界是较具代表性且人工智能化程度比较高的技术。这些软件可以实时预测各种作业情况下井眼的实际状态，辅助技术人员制订符合井下情况的技术措施。从目前的情况看，国内在该领域的水平仍然较低，主要表现在计算方法繁杂、数学模式单一、设计思路僵化、可操作性差等方面，尚不能很好地辅助设计入员进行相关的工程施工设计。

        即便是西方各大石油公司所研制开发的专用软件，尽管其具有强大的数据分析与管理功能，但本质上仍然是一个逻辑运算和数理分析功能强大的电脑程序，还称不上是“人工智能”。但由于现场操作的需要，各种能够帮助技术人员进行快速计算且能够保证结果精确性的专用电算程序在不断出现和更新，这预示着计算机已经成为现场操作中不可缺少的辅助工具，这些独立的电算程序结合成为对现场作业具有强大指导功能的完整系统只是时间问题，这种进步将促使现场操作过程日趋定量化。

6. 结论

        纵观钻井液技术的发展与变化历程，笔者认为未来的钻井液技术发展具有如下趋势：

        (1) 组成体系的连续相的非极性性质应尽可能强，即连续相应具备烃类物质的某些特性，以便降低或消除钻井液连续相与地层之间的水化反应过程。

        (2) 计算机技术与钻井液操作技术日益紧密的结合将导致出现系统平衡技术，即现场钻井液的维护与处理不再以解决某种技术问题为目的，而是在考虑已知的所有技术因素基础上能够自动保持体系的动态平衡，最终结果是外界因素的变化对钻井液性能造成的影响可以被工程过程忽略。

        (3) 钻井液应付极端情况（超高温、异常高压与异常低压、成分复杂的地层流体等）的能力不再被当做行业高技术对待，而是可以根据工程需要实时变换操作技术，保证钻井作业安全顺利进行。

        (4) 化学抑制剂去水化能力提升的最终目标可能是达到或接近烃基类物质的防膨水平，目前技术界普遍看好并正在致力于技术攻关的高性能水基钻井液就是此趋势的体现。

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