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智能钻井液的化学体系及辅助系统研究进展

发表时间：2020/9/9 来源：《基层建设》2020年第14期作者：朱玉华

[导读] 摘要：目前，我国的科技在不断发展，社会在不断进步，传统钻井液的指向性不足、自适应能力弱、监测困难且人工操作过于繁琐，智能钻井液拥有更好的针对性、钻井液性能也更加突出，同时能够大幅缩减人工干预程度。

        大庆钻探钻井一公司黑龙江省大庆市 163000
        摘要：目前，我国的科技在不断发展，社会在不断进步，传统钻井液的指向性不足、自适应能力弱、监测困难且人工操作过于繁琐，智能钻井液拥有更好的针对性、钻井液性能也更加突出，同时能够大幅缩减人工干预程度。该文对智能化钻井液化学体系的合成研发、钻井液智能辅助系统的功能强化、开发应用以及当前主要研究现状进行综述，指出了当前智能钻井液技术虽在化学体系、智能传送及监测装置、智能平台等研究方向都有所发展，但在智能化学体系方面尚不能实现对钻井液性能参数的精准控制，智能钻井液的研制及其平台建设方面智能方向过于单一，不能满足当前钻井现场需要，建议未来的钻井液智能化应向综合性多元化方向发展。
        关键词：智能化；钻井液；化学处理剂；稳定性；控制系统；管理系统
        引言
        在实际发展阶段，我国钻井液技术主要是根据钻井生产方面的实际工作需求，对生产中产生的各类问题进行及时妥善处理，是增强钻井工作安全并提升工作效率的目标。但是，随着这一领域工作持续深入发展，钻井生产和技术应用中出现了越来越多的问题。本文对钻井液技术的现状及其未来的发展方向进行研究，具有鲜明的现实意义。
        1钻井技术现状
        1.1钻井液技术
        根据油气田的实际开发情况以及钻井特点，在不同的地层、不同的地质以及不同的井深下，也要选择不同的钻井液。例如，井深较长或者是盐水层油井，主要使用聚磺高温钻井液；含蒙脱石较多、或者是比较容易发生坍塌的地层，主要使用钾基聚合物型的钻井液。现代化社会中，钻井液技术的改进与发展，在很大程度上推动着钻井技术的优化与提高，从而可以为油气开采效率、油气开采水平的提供良好的帮助。
        1.2水基成膜技术
        水基成膜技术是钻井液技术的主要代表，这一技术不仅具有常规钻井液技术的良好性能，而且在实际的施工应用阶段，还不会对大气环境以及地质录井等方面造成干扰。经过了相关领域技术人员的试验以及应用实践之后，工作人员可以明确地认识到，在井壁上铺设一层保护膜，能够达到井壁稳定以及保护井壁稳定的效果。而具体应用中，这一技术还可以进一步细化分为水基钻井液成膜、合成基钻井液成膜以及封堵材料成膜等多种不同的技术模式，三者之间既有区别又有着密切的联系，经研究证实，合成基站钻井液成膜的效果最好。
        2智能钻井液的化学体系及辅助系统研究进展
        2.1智能钻井液传送设备
        钻井液传送设备可以形象的称之为智能钻井液的“双脚”，其作用为将钻井液有效运送到井下，并实时监测钻井液数据是否正常，并及时反馈到地上平台。因此，智能钻井液传送设备研究十分重要。当前的智能传送设备主要为智能钻杆及其附属设备。以双层有线钻杆、微处理下位机、井下测量传感器、地面控制系统等设计出一种智能钻柱，实现了对钻井液数据实时监测，确保在2min内判断出溢流地点及溢流程度大小；另外在井眼轨迹方面能够依据智能钻柱高频信号传输及时反馈地面系统，同时配合钻具实时监控系统以便对钻进方向做出校正，确保钻井工作顺利进行。为解决井下工具在其使用寿命范围内被磨损破坏、无法高效传送钻井液、操作员频繁操作等问题，开发了“智能干预”系统。该系统的核心部件为模块化MWD式传感器接头，可在井下收集钻头重量、扭矩、转速、弯矩、振动、环空压力和钻孔压力等测量值，然后通过钻井液泥浆脉冲遥测技术将信息传输到地面，并在钻台监视器上进行展示，以便更清楚的了解井下工具及其周围发生的情况，使操作员作出决定并采取行动，达到进行智能优化干预的目的。经过现场测试，证明了该系统能够显著提高钻井效率，减少不确定性因素发生。

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介绍了一种智能钻井液传送设备的附属设备——Ra-D型智能钻机，其以轻型机械手钻杆操作系统为主，能够操作和运送各种钻杆设备，通过计算机系统实现远程控制，将钻杆以正确的顺序进行排放，并把管架固定在钻井平台上，以便传输所携带的设备。在机械手将钻杆在机头框架内转移的作用下，将装有钻杆的钻机保持在水平位置，完成安装操作，确保钻井液正常传送。缩短了人工操作时间，提升了钻井液运输速率。目前，智能钻井液传送设备作为钻井液传送的重要载体，利用附着在钻杆上的测量传感器以及地面控制系统，实现对钻井液参数的实时监测，使钻井液能够安全高效运达井下。但因钻井液为循环利用产品，而当前调研发现，对钻井液循环系统的智能化报道较少，笔者建议今后应加强该方向研究（如固控设备等）。
        2.2化学势的影响
        化学势表示的是钻井液成分变化情况对能量的影响，在多种物质混合的过程中，物质可以从高势能的部分转移到低势能的部分中，进而使得整个系统的总自由能降低，使得整个系统更加平衡。在钻井液进入到地层以后，由于钻井液与地层流体之间的组成以及浓度之间存在较大的差异，所以两者之间将会存在严重的势能差，在势能差的作用下，钻井液将会进入到地层缝隙之中，地层将会产生严重的体积膨胀，井壁更加松软，此时就会产生严重的井壁失稳问题。在另一方面，如果钻井液的化学势相对较低，钻井液也会被吸入到井壁之中，此时井壁的强度将会增加，这对井壁的稳定性十分有利，因此，为了防止井壁失稳问题的出现，需要保障钻井液的化学势低于地层中的流体。
        2.3pH值对井壁稳定性的影响
        相关研究表明，钻井液pH值（即OH—含量）对井壁稳定性的影响主要体现在泥页岩井段。含有OH—的水会加剧泥页岩层的裂解，加速泥页岩层中绿泥石、伊利石和高岭石及其他泥质物的分散，且OH—含量越多裂解越快。此外由OH—所造成的膨胀力也会使泥页岩层坍塌。因此在钻井液的配制过程中应少用甚至不用烧碱，尽可能减少钻井液中的OH—含量，适当用碳酸钠、碳酸钾或石灰调节pH值。当pH值接近7时，泥页岩的水化分散性较强，当pH值在8~9时，泥页岩的水化分散性下降，当pH值>9时，泥页岩的水化分散性又增强，所以相较于pH值高于9.5的粗分散泥浆，应选用pH值7.5~8.5的高聚物不分散无固相和低固相体系，使泥页岩井段被分散的作用减至最低限度，pH值保持在7.5~9。
        2.4钻井液智能化平台系统建设
        智能化钻井液技术不仅包括化学药剂配制、钻井液的传送以及实时监测等方面，同时还体现在钻井液智能化平台系统建设方面。其作为钻井液智能化的“大脑”，是钻井液实现智能化的重要技术支撑，是实现钻井液信息实时传输、钻井液智能化操控的主要手段。
        结语
        （1）在智能化钻井液化学体系的研究方面，虽已取得了一定的成果，但部分智能处理剂尚不能实现对钻井液性能参数的精准控制。建议在今后的发展过程中应加强钻井液智能调节剂的精准调控能力。此外，因为不同井段的压力不同，钻井液密度需要随时调整，操作繁琐，笔者建议未来可向“智能”密度调节剂方向进行探索。（2）对于智能化钻井液控制系统，在监测方面由于智能化研究较早，因此在数据精度、实时信息传输等方面比较出色；而在钻井液传送设备方面，可实现实时信息反馈、溢流监测等功能，但在钻井液流型数据模拟、实际信息通讯性能等方面仍需要继续研究。（3）在钻井液智能化平台系统的研究中，钻井液专家系统的单一化数据模拟、钻井信息数据共享、实时现场决策等方向都有所发展，但综合性能不足，无法满足当前钻井现场复杂情况的全方位信息指导。而钻井液操控系统可对钻井液智能化生产、设备高效调控等方面发挥重要作用，但操控精度方面稍有欠缺。所以，对于钻井液智能平台系统来说还有很大的发展空间。
        参考文献：
        [1]杨灵恒.石油钻井工程技术的应用现状与发展方向[J].化工设计通讯，2017，43（05）：78.
        [2]高莹.钻井液技术的现状及未来发展方向[J].石化技术，2016，23（03）：190.