我国钻井液技术难题、新进展及发展建议.pdf

DOI:10.12358/j.issn.1001-5620.2024.01.001我国钻井液技术难题、新进展及发展建议孙金声1，2，3，王韧1，3，龙一夫1，3（1.中国石油集团工程技术研究院有限公司,北京102206；2.中国石油国家卓越工程师学院,北京102208；3.油气钻完井技术国家工程研究中心,北京102206）孙金声，王韧，龙一夫.我国钻井液技术难题、新进展及发展建议 J.钻井液与完井液，2024，41（1）：1-30.SUNJinsheng,WANGRen,LONGYifu.Challenges,developments,andsuggestionsfordrillingfluidtechnologyinChinaJ.Drilling Fluid&Completion Fluid，2024,41（1）：1-30.摘要系统地梳理了超深/特深层、非常规、深水、干热岩、极地、天然气水合物等复杂地层钻探过程中面临的钻井液技术难题，探讨了关键科学问题与核心工程难题，结合近年来的钻井液技术进展，介绍了钻井液技术最新进展。针对复杂地层钻井过程中遇到的高温高压高盐、泥页岩水化严重、井壁失稳、大温差、井漏、储层损害，以及钻井液维护自动化程度低等问题，国内外学者研发了抗高温高盐水基/油基钻井液、恒流变钻井液、抗超高温泡沫钻井液、环境友好型超低温钻井液、智能温压响应承压堵漏材料、可降解储层保护材料、钻井液在线监测与自动加料系统等关键材料、体系与装备。但随着地质、工程环境愈加复杂，钻井液材料仍面临抗超高温高盐、超长时间稳定、防塌固壁、恶性漏失以及钻井液性能自动化调控等重大技术瓶颈。为满足复杂地层钻探过程中钻井液性能需求，未来还需深入研究钻井液处理剂在极端条件下的起效/失效机理，钻井液处理剂在微观-介观-宏观等不同尺度下的构效关系变化及作用机制，建立安全高效的钻井液多功能一体化调控方法，构建智能钻井液理论与技术，为实现复杂地层安全高效经济环保钻井提供关键技术支撑。关键词钻井液；超深/特深层；非常规地下资源；防漏堵漏；储层保护；钻井液性能调控中图分类号：TE254.3文献标识码：A文章编号：1001-5620（2024）01-0001-30Challenges,Developments,andSuggestionsforDrillingFluidTechnologyinChinaSUNJinsheng1,2,3,WANGRen1,3,LONGYifu1,3(1.CNPC Engineering Technology R&D Company Limited,Beijing 102206;2.National College of Excellent Engineers of China Petroleum,Beijing 102208;3.National Engineering Research Center for Oil and Gas Drilling and Completion Technology,Beijing 102206)AbstractThetechnicalproblemsofdrillingfluidinultra-deep,unconventionaloil/gas,deepwater,hotdryrock,polar,naturalgashydrateandothercomplexformationsaresystematicallysortedout.Thekeyscientificproblemsandcoreengineeringproblemsarediscussed.Combined with the research progress of drilling fluid technology in recent years,thedevelopmentof drilling fluidtechnologyforultra-deep,unconventionaloil/gas,deepwater,hotdryrock,polar,naturalgashydrateandothercomplexoilandgasisprovided.Theproblemsinthedrillingofcomplexformations,suchashightemperature,high-pressureandhigh-salinity,serious基金项目：国家重点研发计划“国家质量基础设施体系”重点专项，课题“复杂环境下钻井工作液检测技术集成与示范应用”（2023YFF0611104）；国家自然科学基金基础科学中心项目“超深特深层油气钻采流动调控”（52288101）；中国石油集团关键核心技术攻关项目“抗温 240 以上的环保井筒工作液新材料”（2020A-3913）；中国石油重大科技专项“万米超深层钻探关键工程技术与装备研制”（2023ZZ20）；中国石油集团工程技术研究院有限公司科学研究与技术开发课题（CPET202316、CPET202317）。第一作者简介：孙金声，正高级工程师，博士生导师，油气钻井工程专家，中国工程院院士。长期致力于油气井工程理论与技术创新，先后承担国家自然科学基金基础科学中心项目、重大基金和重点基金项目、国家 863、国家油气重大科技专项和省部级重大科技项目 50 余项，承担完成 2020-2035 国家油气科技重大专项战略规划、国家中长期能源科技油气子领域规划，主持完成多项中国工程院咨询项目，为我国深层超深层和非常规油气资源高效开发，重大油气工程建设以及国家重大战略决策提供了重要技术支撑。第41卷第1期钻井液与完井液Vol.41No.12024年1月DRILLINGFLUID&COMPLETIONFLUIDJan.2024shale hydration,wellbore instability,large temperature difference,loss circulation,formationdamage,and low degree ofautomation of drilling fluid maintenance,domestic and foreign researchershave developed key material,systemsandequipmentssuchashigh-temperatureandhigh-salinitywater-based/oil-baseddrillingfluid,constantrheologicaldrillingfluid,anti-ultra-hightemperaturefoamdrillingfluid,environmentallyfriendlyultra-lowtemperaturedrillingfluid,intelligenttemperatureandpressureresponsepluggingmaterial,degradablereservoirprotectionmaterial,drillingfluidonlinemonitoringandautomaticfeedingsystem.However,withtheincreasinglycomplexformationconditionsofdrilling,therearestilldeficienciesindrillingfluidmaterialsin terms of ultra-high temperature resistance,ultra-long-term stability,clay swelling inhibition,and environmental protectionperformance.Severe/totallosscirculation,reservoirprotection,anddrillingfluidautomationcontrolstillfaceseverechallenges.Inordertomeettheperformancerequirementsofdrillingfluidintheprocessofdrillingincomplexformations,itisnecessarytofurtherstudytheworking/failuremechanismofdrillingfluidadditivesundercomplexformationconditions,thestructure-activityrelationshipchangesandactionmechanismofdrillingfluidadditivesatdifferentscalessuchasmicro-meso-macroscales,establishasafeandefficientmulti-functionalintegratedcontrolmethodofdrillingfluid,constructintelligentdrillingfluidtheoryandtechnology,andprovidetechnicalsupportforthedevelopmentofcomplexundergroundresources.KeywordsDrillingfluid;Ultra-deep;Unconventionalundergroundresources;Losspreventionandplugging;Formationprotection;Performaceregulationofdrillingfluid0引言根 据 能 源 信 息 署（Energy InformationAdministration，EIA）预测，至 2050 年石油与天然气将保持世界能源总消耗量的首位，油气行业将长期呈现出蓬勃发展的态势，20102050 年全球能源消耗趋势见图 1。为满足旺盛的能源需求，2022 年起全球油气勘探开发投资持续增加，据国际能源署（InternationalEnergyAgency，IEA）测算，2023 年全球油气勘探开发投资总金额预计为5280亿美元，同比增加约 11%。来自瑞斯塔德能源公司（RystadEnergy）的统计报告显示，2023 年全球新钻井数达到约 70000 口，同比增加约 8.5%；相比探井、评价井，开发井数量占比相对较高约为 95.7%。而 2024 年全球钻井工作量将保持增长趋势，较 2023 年增长约 5.5%。当前，我国国民经济处于中高速发展阶段，石油和天然气消费量大，油气供应对外依存度长期居高不下。由图 2 可见，2023 年我国原油对外依存度为 72.93%，远高于国际石油安全警戒线的50%，天然气对外依存度为 42.2%，能源安全面临严峻挑战，迫切需要提升油气自给能力。2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 202320304050607080对外依存度/%时间/年份原油天然气图2我国原油和天然气对外依存度趋势2023 年，国内各大油田围绕老油田、深层、页岩油气加快上产，增强油气自主供应能力，继续发挥能源安全供应“压舱石”的作用。全年原油产量 2.09108t，同比增加 2.1%，自 2018 年以来连续六年保持增长。同时，加大新气田勘探开发力度，坐稳常规天然气主体地位，推动非常规气快速上产，天然气产量达 2353108m3，同比增加5.7%，年增产量连续七年超百亿立方米。全国累计完钻超 21000 口，占全球钻井口数的 32%以上，为油气增储上产和保障国家能源安全做出重大贡献，20132023 年中国原油和天然气产量见图 3。120100年产量/亿吨油当量时间/年份油气可再生煤炭核能80604020020102020203020402050图120102050 年全球能源消耗趋势2钻井液与完井液2024年1月2023 年，我国油气资源勘探开发进一步向深层/超深层、深水/超深水、非常规等复杂油气拓展。在超深层油气资源勘探开发方面，我国大力推进深地钻探工程，塔里木盆地托探 1、雄探 1 井分别在 5700、6700m 井段获得高产，取得了库车南斜坡寒武系陆相油气勘探重大突破；富满、顺北等深层/超深层大油气田全年累计原油产量 1180104t，标志着我国已成为全球陆上 6000m 以深超深层油气领域引领者。与此同时，在紧邻富满油田的沙雅县，正在实施我国首口万米深井“深地塔科 1 井”的超高难度钻井作业，成为了中国深地科学和油气勘探领域的一个重要里程碑。在非常规油气资源勘探开发方面，页岩油勘探开发稳步推进，新疆吉木萨尔、大庆古龙、胜利济阳 3 个国家级示范区及庆城页岩油田加快建设，苏北溱潼凹陷多井型试验取得商业突破，2023 年全国页岩油产量突破 400104t；页岩气新区新领域获重要发现，中深层生产基地不断巩固，深层持续突破，2023 年全国产量超过 250108m3。图 4 所示未来一段时间页岩油气占我国油气总产量的比重将持续增加。除此之外，深海是我国油气储量的重要接替区之一，2023 年我国在珠江口盆地发现了首个深水深层大油田开平南油田，累计探明地质储量达到1.02108t 油当量。0500010000150002000025000原油产量/104 t原油产量天然气产量天然气产量/108 m320132014201520162017201820192020202120222023050010001500200025003000时间/年份图320132023 年中国原油和天然气产量15%25000200001500010000500001614121086420原油产量/104 t7%19306页岩油占比/%其他页岩油页岩油占比7504%174451985720352025203030001500时间/年份203520252030时间/年份页岩气深层煤岩气页岩气+深层煤岩气占比20031%3504036025%47058016%202920602035350030002500200015001000500035%30%25%20%15%10%5%0%天然气产量/108 m3页岩气和深层煤岩气占比其他图42025-2035 年中国原油（左）天然气（右）产量及构成随着我国油气勘探开发重点向深、非、海、低、老持续拓展，工程技术已从寻找发现油气藏、建立维持油气通道，发展成为确定油气分布、提高单井产量、提高采收率、降低油气综合成本的重要手段。目前我国工程技术还存在一系列重大难题，见图 5。特别是在钻井工程领域，钻井液技术面临第41卷第1期孙金声等：我国钻井液技术难题、新进展及发展建议3诸多挑战，如处理剂抗温能力不足，钻井液流变性难于调控，井眼清洁差，容易引起井壁失稳、井下漏失等钻井风险，以及储层损害难以控制。深层特深层页岩气重油、油砂致密气致密油煤层气水合物干热岩难题:高性能工程装备耐高温钻完井流体耐高温高压工具仪器高效工程技术极地页岩油实现高效、经济图5深层及非常规油气领域存在的钻完井工程技术难题1钻井液技术关键难题1.1超深/特深层钻井液技术难题超深/特深层油气是重要的接替能源，据统计世界新增油气储量 60%来自深地，我国 83%深地油气有待探明和开发，向“地下珠峰”进军获取油气资源是保障国家能源安全的重大战略任务。截至 2023 年，中 石 油 累 计 完 钻 8000 m 以 深 井150 口，最深完钻直井蓬深 6 井的井深为 9026m。近年来塔里木、四川、准噶尔、柴达木等盆地相继探明深层/超深层油气，但受地质条件极端复杂影响，工程事故与复杂频发，钻井液技术面临重大难题。表 1 统计了全球主要深层油气藏实钻相关数据，图 6 则展示了不同阶段我国典型超深井/特深井的井深、产量数据。1.1.1塔里木盆地钻井液技术难题塔里木盆地富满、库车山前、顺北，具有油气埋藏深、井底温度高、盐膏层和高压盐水层发育、钻井液安全密度窗口窄等特点，图 7 展示了库车山前区块地质特点和钻井液技术难点。塔里木盆地超深/特深井钻井液技术主要面临油基钻井液环保压力大，水基钻井液抗温抗盐能力不足，破碎带地层垮塌严重、盐间和储层堵漏难度大等重大挑战。2023 年 5 月 30 日，我国首口万米深井深地塔科 1 井开钻，该井设计井深 11100m，设计五开井身结构，高温（预测 213）、高压、高盐、超高应力、超长裸眼段、压力系统复杂及大井径等地质工程、特征，为全井水基钻井液技术带来巨大挑战15。万米深井油气钻探要求钻井液具备“三高一长”的特征，即耐高温、高密度、耐高盐且长时间性能稳定，高温易导致材料失效、高压引发流变性难以控制、高盐加剧体系失稳、长时间工作无法避免加重材料沉降，四项功能需求叠加，导致技术难度极大。另外，超高温地层遇到相对表1全球主要深层油气藏实钻相关数据统计地区储层深度/m储层温度/储层压力/MPa砾石层最大厚度/m最大地层倾角/（）盐层最大厚度/m盐层特征最多盐层套数盐水最高压力系数最高硫化氢浓度/(mgL1)最高CO2物质的量浓度/%最大孔隙度/%最大渗透率/mD塔里木盆地60008882130190701435833875969复合盐层32.6445.7104168.00.1四川盆地600085001302036014720070800复合盐层12.2062.1104326.01墨西哥湾600012000240265702065500纯盐22.27461044034.11200英国北海5000650018020560179700302396复合盐层12.3450732.01000巴西近海300061009016050105803727多种盐夹层11.957836.02400中东地区3000670010020560152900603800复合盐层11.84351041427.0100中国南海300060001502497014292.30477020.0404钻井液与完井液2024年1月低温钻井液发生的冷却致裂和超高温条件下水活性变化导致井壁碎裂失稳（如图 8 所示），为超深/特深井水基钻井液技术带来极高的技术挑战。1.1.2四川盆地钻井液技术难题四川盆地储层埋藏深、温度高、压力系统复杂，近年来完钻的 8000m以上超深井主要集中在川西北部双鱼石区块、川中古隆起北斜坡蓬莱气区。多口异常高温井和重点风险探井均采用油基钻井液，但钻井液漏失、井壁坍塌、卡钻等井下复杂与事故仍未很好地解决，川西地区深井特深井钻井周期如图 967所示。2023 年 7 月 20 日，我国第 2 口万米深井深地川科 1 井开钻，该井设计井深为 10520m，设计六开备八开井深结构，面临高温（预测224）、高压、高含 H2S、压力系统复杂（10套压力系统）、漏失风险高、超大井径及岩石可钻性差（10 级以上）等关键工程难题8。深地川科 1 井钻井液技术面临以下核心工程难题：上部地层泥页岩发育、岩石胶结性差，井壁垮塌失稳风险高；水基钻井液体系受石膏、高压盐水、碳酸根、硫化氢侵入等影响，钻井液性能严重劣化；油基钻井液体系，在高温下乳化剂解吸附速度增加，界面膜强度降低，油包水乳状液稳定性降低，钻井液体系易分层、失稳；随着井温、垂深增加，起下钻、下套管1966 年,大庆松基 6 井,4719 m1976 年,西南女基井,6011 m1978 年,川西北关基井,7175 m2006 年,塔深 1 井,8408 m2016 年,中石化马深 1 井,8418 m2017 年,中石化顺北评 2H 井,8433 m起步阶段1960-1970 年规模化增储上产阶段1970-2000 年跨越式发展阶段2000 年至今2019 年,塔里木轮探 1 井,8882 m,测试获日产油 133.46 m3、天然气 4.87104 m32021 年,中石化塔深 5 井,9017 m2022 年 6 月,西南双鱼 001-H6 井,斜深 9010 m,测试获日产 106.66104 m3 高产工业气流2022 年 8 月,中石化顺北 802X 井,斜深 9300 m,测试日产油 226.7 t,气 125.7104 m32023 年 2 月,中石油亚洲最深直井蓬深 6 井,垂深 9026 m，测试日产气 146104 m32023 年 3 月,中石油亚洲最深斜井果勒 3C 井,斜深 9396 m60117175840880238418 84338060 80988420 8450 85208102888285888874860093009017 90109300902693960200040006000800010000女基井关基井塔深1井1井1井1井1井1井1井21井克深7井马深顺北评2H井五探克深川深顺北蓬顺北5-5H井双鱼X133井轮探顺北鹰顺北53-2H井双鱼001-X3顺北56X井塔深5井双鱼001-H6井顺北802X井蓬深6井果勒3C井197619772006201120162017201820192020202120222023井深/m图6不同阶段我国典型超深井/特深井井深统计地质特点钻井液技术难点巨厚复合盐层复杂，埋藏深，盐底变化大高压盐水层普遍发育，且分布无规律地应力高，研磨性强，可钻性差，裂缝发育埋藏深，具有超高压高温特征对钻井液性能影响大盐间易溢流，井下事故复杂多发窄安全密度窗口导致溢流、井漏同存，钻井风险大造成高密度钻井液性能恶化引起井下复杂易卡钻和井漏，井壁失稳严重对钻井液流变性要求极高盐上盐层盐下褐色泥岩夹粉砂岩，细砂岩底部为一套细砂岩、粉砂岩。地层深度油气层储盖组合资料来源岩性剖面岩性简述厚度/m系组第四系新近系西域组20050010001500200025003000350040004500500055006000古近系康村组吉迪克组巴什基奇克组舒善河组巴西盖组苏维依组库姆格列木群白垩系库车组107031526732210021211432625上部岩性为灰色细砂岩与褐色泥岩等厚互层，中下部为厚层状褐灰色含砾砂岩、细砂岩、粉砂岩夹褐色、灰褐色、黄褐色泥岩。上部岩性为灰色砾岩与褐色泥岩略等厚互层，中下部为厚层状褐灰色含砾砂岩、细砂岩、粉砂岩与略等厚的褐色、灰褐色、黄褐色泥岩、粉砂质泥岩互层。厚层灰黄色砾岩、风成灰色细、粉粒散砂。可分为 5 个岩性段泥岩段:褐色泥岩夹薄层膏岩膏盐岩段:大套膏岩、盐岩白云岩段:3-4 m 厚白云岩膏泥岩段:泥岩与膏岩、盐岩互层砂砾岩段:厚约 20 m 的灰褐色细砂岩含砾细砂岩、粉砂岩褐色泥岩、含膏泥岩、膏质泥岩为主，夹粉、细砂岩。大套灰褐色细砂岩、粉砂岩夹薄层泥岩、粉砂质泥岩褐色泥岩为主，底部发育细砂岩大北 2 井大北1井上部为大套泥岩夹薄层粉砂岩下部为大套粉砂岩、细砂岩夹薄层泥岩图7塔里木盆地库车山前地质特点及钻井液技术难点第41卷第1期孙金声等：我国钻井液技术难题、新进展及发展建议5周期变长，对油基钻井液的超高温沉降稳定性要求极高，见图 10；超大尺寸井眼中，钻井液环空返速较低（0.3m/s），岩屑与掉块难以返出，岩屑反复切削不仅降低机械钻速，更增加了沉砂卡钻风险，且常规稠浆举砂效果有限，严重影响正常钻进与下套管作业，对井眼井筒清洁构成了严峻挑战。1.1.3柴达木盆地钻井液技术难题柴达木盆地地温梯度高，柴达木盆地主要钻井液技术难题见表 2。该区块碱探 1 井井深为 6343m，井底温度为 235；翼探 1 井设计井深为 6500m，井底温度预计大于 260、压力系统复杂，多段盐膏层不连续分布，单层厚度变化大。风险探井均采用水基钻井液施工，超高温高盐条件下钻井液性能恶化（见图 11图 12），引发井塌、井漏、卡钻等井下复杂与事故。翼探 1 井钻至井深 6194.22m，受超高温（约 242）、高压饱和盐水侵等影响，未能实现地质目的911。图11超高温条件下磺化钻井液成胶固化石英冷却致裂示意图深部高地应力下岩心破碎化/(mW/mK)/(mW/mK)050100 150 200 250 300 350 400T/液体5004003002001000650550600500450400350蒸汽图8冷却致裂示意图及水活性随温度变化6520572459186070557083657309762175107775752978557641726978388305810277567896769295938468739667377793686677796278910117043530925958843832828533726848224333426263327738383160647546241054544577110458310200400600800100012001400010002000300040005000600070008000900010000周期/d井深/m井深周期大探1大深1大深001-X1大深001-X3大深001-X4双鱼001-X9双探1双探3双鱼001-1双探7双探8双探9双探10双探12双探101双探6双鱼X133双探102双探106双探108双鱼001-H6双鱼001-X7双鱼001-H2龙探1龙岗70平探1红星1莲探1图9川西地区深井超深井钻井周期统计图10超高温条件下常规水基钻井液受污染后泥饼质量变差（左）常规油基钻井液长时间静止后体系失稳（右）6钻井液与完井液2024年1月图12高温高密度条件下有机盐钻井液重晶石沉降1.1.4准噶尔盆地钻井液技术难题准噶尔盆地南缘深层压力系统复杂，井底温度高，分布多套高压水层，白垩系为异常高压层，压力系数大于 2.35。并且，钻井液安全密度窗口狭窄，二叠系微裂隙发育。另外，现用高密度（2.55g/cm3）油基钻井液尚未很好解决安集海河组、紫泥泉子组掉块、坍塌等井壁失稳难题，钻井液封堵性能亟待提高。1.1.5小结总的来说，我国陆上超深井/特深井井底温度高、地质条件复杂，钻完井成本高、风险大，一口井的成本动辄上亿元甚至数亿元。钻井液面临超高温、超高压、超高盐、超高应力等共性难题，其中任一难题均为钻井液带来极其严峻的挑战，若四项叠加，则钻井液技术攻关难度呈指数级增长。1.2页岩油/气钻井液技术难题页岩油气在全球油气资源供应中的地位日益重要，美国页岩油气革命改变了全球能源格局，国内以中石油为例，20252035 年原油保持 1108t 稳产、天然气产量持续攀升。预计 2035 年，页岩油产量达到 2500104t，页岩气产量达 500108m3，分别占原油和天然气产量的 25%和 23%。四川、松辽、准噶尔等盆地持续加大页岩油气勘探开发力度，油基、水基钻井液及其技术组合有效保障了钻井工程的实施，但仍面临长水平段水平井摩阻扭矩高、坍塌、卡钻、漏失等系列重大技术难题，表 3对比了国内外的页岩油气钻井技术指标。1.2.1川渝页岩气钻井液技术难题四川盆地长宁-威远及涪陵国家级海相页岩气示范区建设加快推进，2023年长宁区块年产气50108m3，威远区块年产气 47108m3。但是，水平井高效钻井受制于摩阻高、托压严重、坍塌、卡钻、恶性漏失，以及油基钻井液携屑能力不足等技术难题。在重点勘探开发区块川南深层页岩气田，水平井钻井仍存在地层压力预测不准、井壁失稳严重、卡钻事故频发等难题，严重制约了川南深层页岩气经济有效开发。川渝页岩气井身结构、地质特点和主要漏层见图 13。表2柴达木盆地主要钻井液技术难题区带名称 油田/含油构造 钻探目的层位地质难点钻井液面临挑战英雄岭英西南带E32浅部井漏E32顶部盐层易缩颈E32中下部异常高压，溢漏同层局部含H2S水平井建井周期长限制效益开发浅部地层恶性井漏严重压力系统复杂，对钻井液密度和流变性要求高膏盐层蠕变缩径和污染钻井液，钻井复杂频繁含硫地层井控风险高英中E32英西南斜坡E32英西中、北带E32阿尔金山前尖北基岩目的层埋藏深地层倾角大存在异常高温地层破碎、断层多，易诱发井漏、卡钻钻井液面临高温稳定性牛中基岩碱山基岩盆地腹部冷湖七号基岩、J高压气水层发育高低压系统交互出现溢漏共存、安全钻井难度大水侵对钻井液性能影响较大冷湖五号基岩、J潜伏构造基岩柴西北风西N22井底温度高高温下钻井液面临挑战南翼山E32柴西南切克里克N1井壁稳定性差发育高压盐水层易发生掉块压差卡钻风险高第41卷第1期孙金声等：我国钻井液技术难题、新进展及发展建议71.2.2吉木萨尔页岩油钻井液技术难题吉木萨尔页岩油于 2022 年，获批成为国家级陆相页岩油示范区，2023 年投产 55 口（全部为水平井），平均单井日产油 34.6t，年产油 63.5104t。表3国内外的页岩油气钻井技术指标统计技术名称国内现状国外现状差距发展趋势高效PDC钻头中石油休斯敦技术研究中心形成选择性超深靶向脱钴工艺，研制出多种PDC钻头，取得积极进展页岩水平段单趟进尺普遍不超过1500m材料、设计和制造工艺发展迅速，技术不断推陈出新，耐磨性、攻击性强，占领大部分高端市场全面实现二开造斜段+水平段（3000m）一趟钻，单趟最高进尺达6215m高端复合片依赖进口，设计与制造能力不足钻头攻击性、耐磨性、可导向性存在差距高耐磨性、高抗冲击性、三维复合片、从被动破岩向自适应破岩旋转地质导向突破旋导导向模块结构设计等核心技术，研制出推靠式旋转导向系统，耐温150，稳定造斜率10/30m，指向式旋导尚处于样机试验阶段推靠式、指向式和复合式导向工具较为成熟，如Archer、AutoTrakCurve、iCruise、NeoSteer等七类工具，尺寸规格齐全，耐温175以上，最高造斜率18/30m可靠性、抗高温能力、系列化等方面存在一定差距造斜率12/30m以上的高造斜率旋转导向缺乏耐高温高造斜率智能化井筒工作液抗温160，密度1.22.5g/cm3，弹性模量48GPa，强度2040MPa体系单一，以常规柴油/白油基基钻井液为主，水平段最长达3583m形成低固相防塌、反渗透高性能水基钻井液，水平段突破5060m抗温240，密度1.12.6g/cm3，弹性模量38GPa，强度1435MPa无土相油基、合成基应用广泛哈里伯顿、斯伦贝谢、Newpark等公司个性化钻井液设计，区块不同，设计不同，水平段超过5000m抗温性、高密度加重材料、水泥石力学性能水平段长度、体系少长水平段井壁稳定高温、高强、低弹性模量无土相油基钻井液、有害固相清除长水平井稳、定井眼清洁及降摩阻技术自动化智能化钻井研发了“一键式”7000m自动化钻机，实现了起下钻等工况流程化作业，自动送钻，地面、二层台无人化研发了钻台机器人、起下钻自动控制、自动送钻系统、自动控压钻井等规模化应用在全流程自动化、连续管智能作业等革新方面与国外存在一定差距向电驱、高精度、自主感知发展，推动钻台面无人化进程层位岩性岩性简述第四系基岩风化后的浮土嘉陵江组灰岩、白云岩为主铜街子组砂质泥岩、页岩、灰岩为主飞仙关组泥岩、粉砂岩、灰岩为主乐平组泥岩、粉砂岩为主峨眉山玄武岩玄武岩茅口组灰岩栖霞组灰岩、泥质灰岩梁山组细砂岩、泥岩威宁群组灰岩缩头山组细、粉砂岩为主韩家店组泥岩、砂质泥岩、砂质灰岩石牛栏组泥岩、灰质砂岩龙马溪组页岩二开段电成像图(天然裂缝发育)表层溶洞龙马溪组页岩浸泡后裂纹须家河组雷口坡组嘉陵江组井身结构地质特点主要漏层飞仙关组茅口组栖霞组石牛栏组龙马溪组图13川渝页岩气井身结构、地质特点和主要漏层8钻井液与完井液2024年1月主力区块芦草沟组页岩油纵向发育2套甜点段，具有源储一体、纹层叠置、整体含油、连续分布等特征。但是页岩油水平井坍塌、井漏、漏塌同存等问题未能较好解决，主要原因在于芦草沟地层异常高压、微裂缝发育，特别是水平段井漏约占总复杂时间的 41%。1.2.3长庆页岩油钻井液技术难题经历评价探索、开发试验、示范建设 3 个阶段，长庆油田已建成百万吨整装页岩油示范区，2023 年共投产水平井 160 口，年产油 264104t，连续五年保持 3040104t 增长，庆城目前已经建成 200104t 页岩油大油田。在长水平段水平井（2000m 和4000m）及多分支井钻井过程中，显现出井壁易失稳、摩阻扭矩大、漏失严重、环保压力突出和储层保护针对性不强等难题。1.2.4小结对于油基钻井液，纳-微米孔缝封堵定量评价方法尚未建立，钻井液封堵能力亟需进一步提升。由于现有滤失介质孔隙为微米级，造成油基钻井液封堵性能难以准确评价；页岩孔缝直径普遍分布在 0.1100m 之间，缺少 1m 以下、76m 以上的油基钻井液封堵剂。对于水基钻井液，页岩表面水化这一引发井壁失稳的核心问题仍未解决。页岩地层黏土矿物以伊利石为主，含少量伊/蒙混层，常规抑制剂难以降低页岩表面自由能，抑制页岩表面水化难度大。其次，调节钻井液活度，对页岩水化膨胀与分散影响小。再次，水基钻井液润滑性能较油基钻井液仍有差距，尤其是高密度条件下摩阻扭矩大、托压严重，起下钻遇阻频繁、影响钻压传递等问题尚未彻底解决，制约了水平段的延伸。1.3深水钻井液技术难题海域已成为世界各国勘探与发现油气资源的主战场，近年来持续引领全球新增储量。2022 年，全球海上钻井总数量达 2.8104口，40%工作量来自我国。目前，我国最大作业水深达到 2619m，最大钻井深度超 5000m，压力达 70MPa 以上，温度超过 175，南海超高温高压井分布见图 14。钻井液技术主要面临以下 4 项难题：深水泥面温度低（2），钻井液黏稠，大温差下ECD控制难度大；高压低温易形成气体水合物，堵塞井筒；浅层流侵入井筒或地层漏失；深水浅层泥岩活性强，压实程度低，安全作业窗口窄，保持井壁稳定难度大。1.4干热岩钻井液技术难题干热岩是一种前景广阔的绿色环保、可再生资源。我国干热岩资源主要分布在西藏羊八井地区和青海共和地区，在西藏羊八井钻成的 ZK4002 井，井深为 2006.8m，井底温度为 329.8，保持目前国内钻遇干热岩最高温度纪录。青海共和 GR1井，井深 3705m，井底温度达到了 236。由于干热岩多为花岗岩地层，存在大量蚀变带，这类地层胶结差、易垮塌、掉块。另外，目的层温度普遍超过 180，钻井液与目的层在“冷热互换”作用下，近井带易产生诱导性裂缝，造成井漏。1.5极地钻井液技术难题南极大陆矿产资源丰富，已发现 220 个矿种。迄今为至，国际上仅美、俄、中 3 个国家在南极成功实施了5 个冰下基岩钻孔，最深钻孔深度为681m、最长取心长度为 8m（美国），中国在达尔克冰川钻取了 6cm 的基岩样品。南极地区环境恶劣，年平均气温低于55，每年可施工时间仅 40d，并且冰层内温差大（552），图 15 为南极大陆取心井分布及岩心、基岩照片，如何在“极低温、大温差、短时间”条件下顺利钻进，钻井液技术面临重大挑战。南极地质条件复杂，需钻穿由“高渗透粒雪层、脆冰层、暖冰层、冰岩夹层”构成的复杂冰层，再钻穿复杂冰岩界面（融水、未冻结冰碛物等），才能钻遇冰下基岩，在钻进过程中井壁失稳及夹层漏失问题严重。T地层/钻井液/(gcm3)2602402202001801601401.81.9Lotus-1LD10-1-1松涛 36-1-1崖城 21-1-1崖城 26-2-1崖城 19-2-1陵水 04-2-1陵水 15-1-1崖城 35-1-1崖城 21-1-2东方 1-1-11崖城 21-1-4崖城 21-1-3乐东 22-1-7乐东 30-1-1A崖城 26-1-1崖城 35-1-2临高 20-1-22.02.12.22.32.4图14南海超高温高压井分布第41卷第1期孙金声等：我国钻井液技术难题、新进展及发展建议9取心深度：681 m 取心长度：8 m中国基岩样品：6 cm图15南极大陆取心井分布及岩心、基岩照片1.6天然气水合物钻井液技术难题全球天然气水合物总有机碳含量约是传统化石能源总量的 2 倍，90%以上分布在海域。在中国南海海域，天然气水合物资源量约为 744108t 油当量。天然气水合物储层弱胶结、成岩性差、安全密