劉曉棟, 谷卉琳, 馬永樂, 張勇
(中國石油集團(tuán)海洋工程有限公司渤星公司,天津 300451)
在環(huán)境敏感地區(qū)高溫深井鉆井作業(yè),法規(guī)限制使用油基鉆井液,水基聚磺鉆井液及廢液被列入中國《國家危險廢物名錄》,XC/CMC/PAC/PHPA等聚合物鉆井液抗溫不足150 ℃,海上鉆井液排放要求生物毒性值LC50不小于30 000 mg/L[1]。這給高溫高壓水基鉆井液配方設(shè)計和現(xiàn)場施工帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[2]。目前,國外石油公司圍繞這一技術(shù)難題,在降低鉆井液毒性、提高處理劑抗溫性能,開發(fā)了以合成聚合物為主要處理劑的HydraGlyde、Pure-Bore、EHT、Envirotherm NT等高性能抗高溫聚合物鉆井液,滿足了環(huán)境敏感性海域高溫深井鉆井作業(yè)和環(huán)境保護(hù)要求,鉆井液和鉆屑可直接排放。高性能抗高溫聚合物鉆井液是以抗高溫合成聚合物為主要處理劑,輔以性能優(yōu)良的頁巖抑制劑和增速潤滑劑,兼顧與油基鉆井液相近的抑制泥頁巖水化的分散性能和潤滑性能,具有突出的高溫?zé)岱€(wěn)定性和較高機(jī)械鉆速,對環(huán)境友好,可直接排海。在借鑒國內(nèi)外技術(shù)成果和發(fā)展方向的基礎(chǔ)上,開展了高性能抗高溫聚合物鉆井液技術(shù)的研究,開發(fā)了一種抗溫達(dá)200 ℃、LC50值大于10×104mg/L的抗高溫聚合物海水基鉆井液體系。
近年來,國外石油公司在圍繞降低鉆井液毒性、提高處理劑抗溫性能、增強(qiáng)鉆井液防塌性能,在環(huán)境友好高溫聚合物水基鉆井液方面開展了一系列研究[3-6]。M-I公司開發(fā)了Ultradrill安全環(huán)保型高性能水基鉆井液體系及升級體系HydraGlyde,抗溫150 ℃,滿足了AFE及HSE要求,在高造斜率井段和長水平段鉆井,該體系可達(dá)到與油基鉆井液相近的機(jī)械鉆速、超強(qiáng)的井眼凈化能力及井壁穩(wěn)定性,主要處理劑為低分子量聚丙烯酰胺、ROP增速潤滑劑和聚胺抑制劑[7]。EXXON公司開發(fā)了EHT無毒高溫鹽水或海水基鉆井液體系,應(yīng)用于陸地和海洋鉆井中,主要處理劑是合成高溫聚合物,應(yīng)用井底最高溫度達(dá)215 ℃,密度為1.86 g/cm3,鉆井液在204 ℃老化16 h后,其懸浮液(SPP)生物毒性通過美國環(huán)保署(EPA)檢測,96 h半致死濃度在40×104~60×104mg/L之間,無毒,可排放[8]。斯倫貝謝公司研制了超高溫?zé)o鉻環(huán)境友好型聚合物鉆井液Envirotherm NT,用于頁巖地層和環(huán)境敏感區(qū)域鉆井,抗溫達(dá)232 ℃,最高密度為2.20 g/cm3,不含鉻元素,毒性低、海洋環(huán)境接受性好[9-10]??ú┨毓居盟苄约姿徜C加重,高溫合成聚合物Dristemp增黏降濾失,形成了密度高達(dá)2.37 g/cm3的無固相鉆井液,已經(jīng)有20個油田、超過100口海上大斜度大位移井、高溫高壓井使用,現(xiàn)場應(yīng)用最高密度達(dá)到2.25 g/cm3、最高溫度達(dá)到215 ℃[11-12]。Halliburton公司研制了新型合成高溫聚合物增黏提切劑FLA,開發(fā)了抗204 ℃無土相高溫高性能聚合物鉆井液體系,通過了墨西哥灣、北海三種生物毒性測試(海藻、幼魚、糠蝦),可直接排海[13]。英國MGS公司開發(fā)出了一種納米水溶性聚合物Pure-Bore增黏降濾失劑,并在此基礎(chǔ)上形成了Pure-Bore高性能水基鉆井液,其典型鹽水體系配方為:0.75% Pure-Bore+1.0% Pure-BoreLV+1.7%封堵劑+5%KCl+25% NaCl+重晶石。Pure-Bore分子大小為納米尺度,可有效地封堵地層的微裂縫,降低鉆井液的濾失量,僅采用Pure-Bore聚合物形成的鉆井液就可以產(chǎn)生有效的無固相泥餅,可以減少高滲透儲層無固相鉆井液濾失過大發(fā)生黏附卡鉆的風(fēng)險;Pure-Bore水溶性聚合物是一種富含羥基、胺基等吸附基團(tuán)的超高抑制性聚合物,可快速吸附于井壁,同時分子間和分子內(nèi)可相互締合,可與鉆屑和井壁表面相互作用,形成微包被結(jié)構(gòu),增強(qiáng)鉆井液的抑制性能;Pure-Bore具有高剪切稀釋性,分子間可相互交聯(lián)形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),提高大口徑井眼和長水平段的井眼清潔能力;Pure-Bore鉆井液體系環(huán)境友好,易生物降解,在北海的英國和挪威可直接向海排放。
中國高性能高溫聚合物鉆井液以聚磺鉆井液為主,引入甲酸鹽,優(yōu)選了磺化材料、抗溫聚合物及特殊加重劑,提高了鉆井液的抗高溫性能,滿足了高溫高壓深井鉆井工程需求[14-16],但部分抗高溫處理劑生物毒性高,且不可替代,配制的鉆井液體系顏色深、毒性高,不能滿足環(huán)保要求。
以2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)為主要單體,合成了抗高溫低黏聚合物降濾失劑BDF-100S,其分子量在80萬左右,抗溫為200 ℃,主要作用是降低鉆井液高溫高壓濾失量。用AMPS和N-乙烯基己內(nèi)酰胺(CVL)、二乙烯苯(DVB)共聚合成了抗高溫增黏劑SDKP,分子量為200萬左右,抗溫180~200 ℃,主要作用是提高鉆井液黏度和切力。高溫聚合物降濾失劑BDF-100S為渤星公司工業(yè)化產(chǎn)品,抗高溫增黏劑SDKP為中國石油大學(xué)(華東)工業(yè)化產(chǎn)品,納米封堵劑PNP為渤海鉆探工程研究院工業(yè)化產(chǎn)品,植物油極壓潤滑劑HGRH-1為中石油鉆井院工業(yè)化產(chǎn)品,高溫穩(wěn)定劑有機(jī)鋯鹽BDTS-1和抑制劑多元醇GLYCOL為渤星公司產(chǎn)品,其它均為商業(yè)化產(chǎn)品。
高溫聚合物鉆井液性能檢測的2項關(guān)鍵指標(biāo):①高溫老化后鉆井液黏度和切力性能穩(wěn)定,或者下降幅度不超過50%,有一定的切力以保證重晶石不沉降;②較低的中溫中壓和高溫高壓濾失量,中溫中壓濾失量在2~6 mL,高溫高壓濾失量在15~25 mL,以保證致密的泥餅質(zhì)量[17-20]。不同配方高溫聚合物,在200 ℃、16 h熱滾后的鉆井液性能見表1。含不同泥餅填充劑的鉆井液泥餅及濾失量見圖1。鉆井液配方如下。
1#400 mL海水 +8 g聚合物 BDF-100S+2 g增黏劑SDKP+20 g細(xì)目CaCO3,密度為1.08 g/cm3。
2#1#+6 g納米封堵劑PNP,密度為1.08 g/cm3。
3#400 mL海水+10 g鈉膨潤土+8 g BDF-100S+1 g SDKP+6 g納米封堵劑PNP+20 g細(xì)目CaCO3,密度為 1.08 g/cm3。
4#3#+0.8 g穩(wěn)定劑BDTS-1+8 g潤滑劑HGRH-1+8 g 抑制劑GLYCOL,密度為1.08 g/cm3。
5#400 mL海水+10 g鈉膨潤土+8 g聚合物A+1 g增黏劑80A51+0.8 g BDTS-1+6 g納米封堵劑PNP+20 g細(xì)目CaCO3+8 g潤滑劑HGRH-1+8 g抑制劑GLYCOL,密度為1.08 g/cm3。
6#360 mL海水+8 g鈉膨潤土+8 g BDF-100S+1 g SDKP+0.8 g BDTS-1+12 gHGRH-1+12 g GLYCOL+6 g納米封堵劑PNP+10 g細(xì)目CaCO3+100 g重晶石,密度為1.25 g/cm3。
7#320 mL海水+10 g鈉膨潤土+12 g BDF-100S+2 g SDKP+0.8 g BDTS-1+12 gHGRH-1+12 g GLYCOL+6 g納米封堵劑PNP+10 g細(xì)目CaCO3+150 g甲酸鉀,密度為1.25 g/cm3。
由此可知,1#、2#、3#配方表明超細(xì)碳酸鈣、納米封堵劑、鈉膨潤土可有效地降低高溫聚合物鉆井液的中溫中壓濾失量,其中鈉膨潤土改善泥餅質(zhì)量及降低鉆井液高溫老化后的濾失效果最好(見圖1),但鈉膨潤土的增黏效果隨溫度升高下降明顯,室溫下能大幅度增加聚合物鉆井液的黏度;200 ℃高溫老化后,鈉膨潤土的增黏作用能完全喪失,從而引起整個聚合物鉆井液黏度的大幅度下降,所以高溫聚合物鉆井液鈉膨潤土加量一般低于3%;4#配方為以聚合物BDF-100S和增黏劑SDKP組成的高溫聚合物鉆井液,可抗溫200 ℃以上;5#配方為以常規(guī)聚合物降濾失劑A和增黏劑80A51組成的聚合物鉆井液,在200 ℃下熱滾后黏度和切力下降均大于50%,中壓失水為100 mL,表明抗溫達(dá)不到200 ℃;6#與7#以重晶石和甲酸鉀加重的高溫聚合物鉆井液,抗溫均達(dá)到200 ℃以上,達(dá)到相同的鉆井液黏度,但甲酸鉀鉆井液需要加入更多的聚合物和鈉膨潤土。
表1 不同配方高溫聚合物鉆井液性能
圖1 不同泥餅填充劑在不同鉆井液中的泥餅及濾失量
聚合物鉆井液在高溫下長時間熱滾,聚合物會快速降解,出現(xiàn)基漿顏色由乳白色向黃色、褐色、黑色轉(zhuǎn)變,失去切力,水土分層,重晶石沉降,甚至有異臭味發(fā)出。評價了高溫聚合物鉆井液的16、24、48、72 h高溫?zé)岱€(wěn)定性能。
2.3.1 高溫?zé)釢L16 h性能
配制3種環(huán)保型聚合物鉆井液,分別在高速攪拌20 min,放入滾子爐高溫老化16 h。老化后取出,觀察鉆井液顏色及稠度情況,結(jié)果見圖2。由圖2可知,生物黃原膠鉆井液經(jīng)120 ℃熱滾后,顏色由乳白色變成淺褐色,150 ℃熱滾后,基漿顏色變成深褐色,表明聚合物降解明顯,黏度降低,失去懸浮能力;由丙烯酸鹽類聚合物降濾失劑DSP和增黏劑80A51配制的聚合物鉆井液180 ℃熱滾后,基漿顏色由乳白色變成淺褐色,膠體黏切性能下降;高溫聚合物鉆井液200 ℃熱滾后,基漿顏色仍然為乳白色,漿體黏切性能穩(wěn)定。鉆井液配方如下。
生物黃原膠鉆井液 海水+3%膨潤土+2%淀粉+0.5%XC+0.3%PAC-LV
80A51聚合物鉆井液 海水+3%膨潤土+1.5%抗鹽降濾失劑DSP+0.3%增黏劑80A51+3%超細(xì)CaCO3
高溫聚合物鉆井液 海水+3%膨潤土+2.0%高溫聚合物降濾失劑BDF-100S+0.25%高溫增黏劑SDKP+3%超細(xì)CaCO3
圖2 不同鉆井液高溫?zé)釢L16 h后的漿體變化
2.3.2 高溫靜置老化72 h性能
測試6#(重晶石加重)配方和7#(甲酸鉀加重)配方在200 ℃下靜態(tài)老化24、48、72 h后,鉆井液顏色及重晶石沉降變化,結(jié)果見圖3。由此可知,重晶石鉆井液老化72 h后,基漿顏色由乳白色變咖啡色,底部沉降明顯。甲酸鉀鉆井液老化72 h后,基漿顏色由乳白色變灰褐色。表明高溫聚合物鉆井液200 ℃熱穩(wěn)定時間在48~72 h之間。
圖3 6#和7#配方200 ℃老化不同時間基漿漿體的變化
2.4.1 抗高溫性能
表2 不同溫度熱滾16 h后鉆井液的基本性能
由表2可知,以重晶石和甲酸鉀加重的高溫聚合物鉆井液在150、180、200 ℃溫度下熱滾后,均具有良好的流變性能、動切力和控制濾失性能;隨著老化溫度的升高,黏度和切力逐漸降低,中壓失水和高溫高壓失水逐漸升高;200 ℃老化后,重晶石聚合物鉆井液高溫高壓失水為22 mL,甲酸鉀聚合物鉆井液高溫高壓濾失量為25 mL,但重晶石鉆井液切力下降明顯,有重晶石沉降風(fēng)險,甲酸鉀聚合物鉆井液表現(xiàn)出更加穩(wěn)定的黏度和切力。
2.4.2 抗鹽抗鈣性能
當(dāng)聚合物溶液處于高溫、高鹽條件下,金屬離子與聚合物絡(luò)合以及高溫去水化作用會使聚合物分子鏈發(fā)生卷曲聚集,降低溶解性,影響聚合物的黏度和降濾失性能。實驗考察了被不同比例氯化鈉和氯化鈣干粉污染后,鉆井液的表觀黏度、動切力以及API濾失量的變化情況,結(jié)果見表3和表4。
表3 重晶石高溫聚合物鉆井液抗鹽、鈣污染性能
表4 甲酸鉀高溫聚合物鉆井液抗鹽鈣污染性能
由此可知,隨著氯化鈉和氯化鈣濃度的增加,高溫聚合物鉆井液黏度和切力逐漸降低,濾失量升高,氯化鈣對聚合物黏度的破壞明顯要強(qiáng)于氯化鈉。相關(guān)研究表明,Ca2+比Na+對聚合物的影響更為復(fù)雜,Ca2+和聚合物中的—COO-、—SO32-等陰離子基團(tuán)發(fā)生化學(xué)配合作用,導(dǎo)致聚合物疏水作用增強(qiáng),從而使聚合物分子鏈發(fā)生卷曲聚集,隨著疏水作用的增強(qiáng)直至發(fā)生聚合物的析出[19]。0.5%氯化鈣污染下,重晶石鉆井液老化后切力為0 Pa,重晶石沉降;而甲酸鉀鉆井液仍能保持很好的黏度和切力,可抗20%氯化鈉和0.5%氯化鈣污染,說明甲酸鉀加重的鉆井液比重晶石加重的鉆井液顯現(xiàn)出更優(yōu)越的抗溫抗鹽抗鈣性能。相關(guān)研究表明甲酸鹽能與增黏劑、降濾失劑等油田常用聚合物有良好的配伍性,能夠有效地提高聚合物的轉(zhuǎn)變溫度,減緩聚合物在高溫條件下的水解和氧化降解速度,從而提高聚合物的抗溫能力。甲酸鹽水溶性加重劑含有大量的甲酸根陰離子,該陰離子含有還原性基團(tuán),可除去鉆井液中的溶解氧,減緩聚合物處理劑發(fā)生熱氧化降解而分子鏈斷鏈,有效地保護(hù)了各種處理劑,使其可在高溫下穩(wěn)定地發(fā)揮作用。
2.4.3 抑制防塌性能
1)鉆屑分散性。取大港濱海6井3 000 m井深泥巖鉆屑,烘干后分別加入清水和聚合物鉆井液基液中,快速攪拌,鉆屑在溶液中的分散情況見圖4。
2)滲透性。鉆屑磨成粒徑小于0.154 mm鉆屑粉末,倒入燒杯中模擬地層,然后分別加入清水和聚合物鉆井液基液,觀察滲透深度(見圖5)。高溫聚合物鉆井液配方如下。
近年來,圍繞著高等教育體系我國進(jìn)行了多方面的改革,但畢業(yè)生的實踐動手能力和科技創(chuàng)新能力仍是短板。其原因是多方面、深層次的,但與目前高等教育評價體系側(cè)重理論知識的考查、學(xué)生缺少實踐動手機(jī)會不無關(guān)系[1]。
海水+2.0%聚合物降濾失劑BDF-100S+1.0%高溫增黏劑SDKP+1.5%納米封堵劑PNP+5%抑制劑GLYCOL
圖4 鉆屑在清水和鉆井液中的分散對比
圖5 清水和鉆井液的滲透深度對比
由圖4可知,高速攪拌后清水中鉆屑很快水化分散并造漿,而聚合物鉆井液中的鉆屑保持原狀,基液清澈透明,并具有良好的懸浮作用,說明聚合物鉆井液具有很強(qiáng)的抑制鉆屑水化分散性能。由圖5可知,30 min后,清水滲透到巖心杯底,聚合物鉆井液可在鉆屑巖心表面形成一層薄泥餅,有效地減緩濾液在巖心中的滲透深度和滲入速度。
3)滾動回收率實驗。取2.00~3.20 mm干燥泥巖鉆屑50 g,分別加入清水和不同鉆井液中,在150 ℃下滾動16 h,用篩孔為0.66 mm的篩回收,并在105 ℃下干燥后測量剩余鉆屑,計算回收率,結(jié)果見圖6。由圖6可知,甲酸鉀加重高溫聚合物鉆井液比聚磺鉆井液和KCl聚合醇鉆井液有較大的提升。
圖6 高溫聚合物鉆井液和其它鉆井液滾動回收率對比
2.4.4 潤滑性能
分別配制重晶石加重油基鉆井液、甲酸鉀加重高溫聚合物鉆井液、重晶石加重高溫聚磺鉆井液,測試鉆井液密度在1.08、1.25、1.60 g/cm3的極壓潤滑系數(shù),結(jié)果見圖7。
圖7 高溫鉆井液潤滑性能對比
由圖7可知,甲酸鉀高溫聚合物鉆井液潤滑性能優(yōu)于聚磺鉆井液,接近于油基鉆井液,極壓潤滑系數(shù)可達(dá)0.09。
分別配制淀粉類天然高分子鉆井液、6#和7#高溫聚合物鉆井液、聚磺鉆井液,分別以Microtox發(fā)光細(xì)菌法和鹵蟲靜水式生物毒性試驗法測試生物毒性,結(jié)果見表5。測試方法分別參照QSY 111—2007《油田化學(xué)劑、鉆井液生物毒性分級及檢測方法 發(fā)光細(xì)菌法》和GB/T 18420.2—2009《海洋石油勘探開發(fā)污染物生物毒性第二部分:檢驗方法》。
表5 鉆井液生物毒性測試結(jié)果
由表5可知,根據(jù)GB 18420.1—2009《海洋石油勘探開發(fā)污染物生物毒性 第一部分:分級》,水基鉆井液一級海區(qū)生物毒性容許值為30 000 mg/L,高溫聚合物鉆井液(重晶石加重和甲酸鹽鉀加重)96 h半致死濃度LC50均大于10×104mg/L,符合一級海區(qū)生物毒性排放要求。同時以Microtox發(fā)光細(xì)菌法測試的高溫聚合物鉆井液生物毒性半數(shù)有效濃度EC50值均大于30×104mg/L,也滿足排放要求。而高溫聚磺鉆井液96 h半致死濃度LC50值為0.75×104mg/L,具有一定的毒性,不能滿足排放要求。
2014~2017年,高溫聚合物海水基鉆井液體系進(jìn)行了10余口井現(xiàn)場應(yīng)用,取得了良好的應(yīng)用效果,最深試驗井深6 066 m,最高井底溫度204 ℃。
1)3-xx井。3-xx井為一口環(huán)渤海海上人工島五開定向井,完鉆井深為6 066 m,完鉆井底電測溫度為204 ℃。五開井段5 939~6 066 m,井眼尺寸為152.4 mm,進(jìn)行了高溫增黏劑SDKP及其低固相高溫聚合物鉆井液現(xiàn)場試驗。試驗階段全部重新配制低固相高溫聚合物鉆井液,鉆井液性能:密度為1.06 g/cm3,漏斗黏度為57 s,表觀黏度為21 mPa·s,塑性黏度為14 mPa·s,動切力為7 Pa,動塑比為0.5,API濾失量為6 mL,井口返出鉆井液溫度為85 ℃,鉆井液從井口到井底再返出至井口的循環(huán)周時間為2.5 h,出、入口鉆井液流變性及濾失性能見表6。由表6可知,從入口至出口鉆井液漏斗黏度、表觀黏度及動切力基本保持不變,API和180 ℃高溫高壓濾失量控制在合理設(shè)計范圍內(nèi),并較設(shè)計值大幅降低??垢邷鼐酆衔锛捌涞凸滔嚆@井液體系在五開152.4 mm小井眼、井深達(dá)6 066 m、井底溫度204 ℃、鉆井液密度1.06 g/cm3等苛刻條件下取得了良好的現(xiàn)場試驗效果。
表6 3-xx井五開抗204 ℃鉆井液性能
2)遼河龍王5井。龍王5井位于渤海灣盆地遼河淺灘海域,三開定向井,三開井段為2 900~4 248 m,進(jìn)行了高溫降濾失劑BDF-100S及其甲酸鹽高溫聚合物鉆井液現(xiàn)場試驗,井眼尺寸為215.9 mm,完鉆井底溫度為150 ℃,現(xiàn)場鉆井液體系配方:(1.5%~2.0%)高溫降濾失劑BDF-100S+0.25%高溫增黏劑+2.0%抑制劑GLYCOL+2.0%潤滑劑LUBE+2%白瀝青+3.0%細(xì)目鈣+20%甲酸鹽+重晶石,鉆井液密度1.40 g/cm3。現(xiàn)場鉆井液性能見表7,起鉆鉆頭情況和三開地層取芯見圖8。
表7 龍王5井現(xiàn)場鉆井液性能
由此可知,①鉆井液體系不含三磺處理劑,生物毒性通過了國家海洋局生物毒性檢測,LC50大于100 000 mg/L,獲得了國家海洋局的使用許可,鉆井液體系達(dá)到了可排放的技術(shù)水平;②高溫流變性能穩(wěn)定,動塑比基本保持在0.5以上,良好的井眼清潔能力;③井眼穩(wěn)定,平均井徑擴(kuò)大率為5.2%,起下鉆通暢,鉆頭無泥包現(xiàn)象,完井電測、下套管等作業(yè)一次成功,取心收獲率達(dá)100%。
圖8 龍王5井起鉆鉆頭和三開地層取心情況
1.為滿足環(huán)境敏感性海域高溫深井鉆井作業(yè)和環(huán)境保護(hù)要求,借鑒國外成熟經(jīng)驗,成功開發(fā)了抗溫200 ℃,LC50值大于10×104mg/L的高性能抗高溫聚合物鉆井液,并在渤海海上油田現(xiàn)場應(yīng)用取得了良好的試驗效果,試驗最深井深6 066 m,最高井底溫度204 ℃。高性能抗高溫聚合物鉆井液是以高溫合成聚合物為主要處理劑,輔以性能優(yōu)良的納米封堵劑、頁巖抑制劑、極壓潤滑劑,達(dá)到了與油基鉆井液相媲美的抑制泥頁巖水化分散性能和潤滑性能,環(huán)境友好,可直接排海。
2.高性能高溫聚合物鉆井液配制基漿顏色淺(乳白色),無毒可排放,環(huán)境友好,較抗高溫聚磺鉆井液、油基鉆井液顯現(xiàn)出卓越的環(huán)保性能,較XC/CMC/PAC/PHPA等常規(guī)聚合物鉆井液抗溫能力從120 ℃有效提高到200 ℃,可替代水基鉆井液的大部分處理劑,和甲酸鹽、納米材料配合使用,顯現(xiàn)出更加卓越的高溫流變穩(wěn)定性能和頁巖抑制性能,是高溫環(huán)保水基鉆井液的一項重大技術(shù)突破,有望成為高溫鉆井流體的一項主導(dǎo)技術(shù)。
參 考 文 獻(xiàn)
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