摘要
在如今传统能源储量日益减少的趋势下，干热岩这类新型地热资源的开发显得尤为重要，而干热岩钻井由于其井下的超高温环境，对传统钻井液系统提出了非常严格的要求。传统钻井液在高温作用下滤失量大大增加，钻井液开始增稠，普通的辅助添加剂往往不能发挥出功效。常用的以“三磺材料”为核心的钻井液虽然具有令人满意的耐温效果，但因其含有大量有毒物质，污染程度十分严重，需要开发新的环保型耐高温钻井液体系。国外干热岩项目早于国内30余年，拥有很多重要的耐高温钻井液经验与技术；作为刚起步的国内干热岩研究，也有着青海“共和盆地恰不恰干热岩”这样十分重要的项目工程。本文首先介绍了当前干热岩钻井概况以及对钻井液的性能要求，并结合国内外学者对耐高温钻井液与环保钻井液的研究进展，了解其配方组分与设计思路，结合干热岩特点探讨干热岩耐高温钻井液发展趋势，旨在为干热岩钻井液技术研究提供支持。
随着工业与科技的进步，以常规化石燃料为核心的能源结构，已经对环境产生了巨大的负面效应，为了缓解人类与环境的矛盾问题，必须改善能源结构，开发清洁能源作为能源结构的核心势在必行。其中，地热资源是地球内部的可再生能源，包括水热型地热资源与干热岩型地热资源等，而在已探明的地热资源中，我国干热岩型地热资源约合856万亿t标准煤，占世界资源量的1/6。所谓干热岩（Hot Dry Rock，HDR）是埋深超过2 km，内部没有水或仅存少量流体，温度高于180 ℃的异常高温岩体，其蕴藏的可利用热能相当于全球石油、天然气、煤炭所含能量的30
目前钻井仍是干热岩勘探开发的唯一手段，主要的钻采方法是沿用较为成熟的石油钻采设备与技术，通过开采注水井与出水井，利用天然和压裂手段形成的裂隙使两口井之间连通，从地表注入冷水与地下干热岩高温层段进行换热从而获取热量资源（参见
图1 干热岩开发示意
Fig.1 Schematic diagram of HDR development
如何提高钻井液的耐高温性能，往往通过提高粘土和处理剂的高温稳定性2个大的方向来考虑。无论是用来提高粘土高温稳定性的“粘土保护剂”，还是其他抗高温的处理剂，想要达到200 ℃左右理想的耐温温度，“三磺”体系以及“聚磺”体系都是当今各大钻井工程的主流选择，从20世纪80年代起，该类体系已广泛应用于各油田深井钻井工程中。然而磺化体系的钻井液中含有大量甲醛、苯酚等有毒物质，浆液与泥饼均呈现黑色，在高温作用下还伴随着强烈的刺激性气味，对周边生态环境造成了严重的污染。
除了考虑钻井液辅助钻进效果，其对环境产生的副作用也不容忽视。钻井液处理剂种类丰富多样，各类试剂之间化学反应复杂，加大了处理废弃钻井液的难度，同时考虑到工程经费问题，无论用哪种处理方法，废弃钻井液的处理往往是耗时耗力、“徒添成本”，人们并不愿意进行善后工作，再加之遇到地层裂隙较多的孔段，发生钻井液大量漏失的井下事故，环境污染便无法避免。因此，本着治本的原则，从源头改善钻井液的环保问题，必须开发新的耐高温环保钻井液体系，保证钻井液达到应有的辅助钻进效果。同时可以响应国家号召，建立环境友好型社会、进行可持续性资源开发，不给当地人民留下环境污染所造成的安全隐患。
高温环境有时易使膨润土颗粒分散度增强，从而引起钻井液增稠、流动性变差、高温高压失水量增加的情
高温环境对于一部分有机处理剂来说，一方面会使其分子链发生断裂，降低高分子处理剂的相对分子质量，使其失去原有活性，降低亲水性，减弱其抗污染的能力，另一方面会使不饱和键和活性基团之间发生高温交联，使分子量增大，导致整个钻井液体系失去流动
要求在进行配方设计时，必须优选出各种能够抗高温的处理剂，例如褐煤产品（抗温200 ℃左右）比木质素类产品（抗温150 ℃左右）、淀粉及其衍生物（抗温130 ℃左右）、CMC（抗温140~180 ℃）等产品有更好的抗温性能。通常干热岩井下温度在200 ℃左右，不符合要求的处理剂在200 ℃高温作用下，会出现动切大幅降低，静切甚至为0的情况，导致钻井液无法携带、悬浮岩屑，因此常见的淀粉类、纤维素类处理剂通常难以满足井底高温要求。
膨润土的选择也十分重要。在热稳定性方面，海泡石、凹凸棒土、纳土等粘土比高岭石、伊利石有更好的表现，而且来自不同产地的同一土粉也会表现出不同的耐温能力，因此在购买膨润土时应充分了解其产地与生产标准，选择与处理剂最适配的膨润土类型。如若膨润土与处理剂不适配或者耐温能力不够，高温环境下钻井液就会出现沉淀、絮凝、结块等现象，导致钻井液粘度不稳定、滤失量增加。
干热岩地层大部分是花岗岩，属硬岩，要求钻井液有一定的粘度和润滑性来悬浮岩屑和保护钻头。在注水井与出水井之间充满了裂隙，因此要根据地层压力设计合适的钻井液密度来保持地层压力平衡，同时要求泥饼质量要均匀、光滑、紧致，避免出现裂隙持续发育导致井壁坍塌的事故。为了获取更大的换热面积，出水井设计为直井与定向井相结合，对钻井液的护壁性与悬浮岩屑的能力又有了更高的要求。
在美国，环境保护署（EPA）发布了有关钻井泥浆材料及其废料的严格规定。而国内固相治理主要参考《土壤环境质量标准》（GB 15618—2008）、《农用污泥污染物标准》（GB 4284—84）和当地环保部门的相关规定，浸出液主要参考《污水综合排放标准》（GB 12356-2018）。由于没有明确的统一指标，执行起来差异较大，对当地的环境影响各不相
GALINDO K A
注： l lb/bbl=2.853 kg/
南澳大利亚的库珀-埃罗曼加盆地钻了几口井底温度超过400 ℉（约200 ℃）的井，两口前期钻的井使用的是木质素磺酸盐钻井液，两口后期钻井使用新引进的高温聚合物体系。Aung T. H
注： 1 ppb=1 ug/L,下同。
国内“胜科一井”井深7026 m，井底温度235 ℃，采用了水基钻井液钻井。从4155 m开始，井段内分别采用聚磺酸盐封堵防塌钻井液（4155~4598 m）、高密度聚磺酸盐钻井液（4598~5800 m）和超高温超高密度钻井液（5800~7026 m
“松科二井”是松辽盆地大陆深部科学钻探工程的主孔，目的是穿透白垩纪地层，恢复近完整的白垩纪陆相沉积记录。井底温度约180 ℃，为了满足“松科二井”的高温取心钻井，Wenlong ZHENG等按
位于青海省共和恰卜恰镇河谷内的GR1井，是青海干热岩计划的一口井，完钻深度3705.42 m，井底温度236 ℃。GR1井高温段主要为花岗岩，未涉及水敏性地层，因此钻井液重点考虑高温下的流变性与滤失控制，采取了耐高温聚合物防塌钻井液体
Villafortuna/Trecate是意大利的主要油田，位于波谷的提契诺河国家公园，井底温度高于170 ℃。要开发这一区域，不仅要解决深井的极端钻井条件，由于在国家公园内，还需要进行全面污染防治。对于任何要使用的钻井液，其性能必须与严格的环境控制相协调。使用油基钻井液虽然往往能达到钻进要求，但为了更好的钻井性能和最低的环境风险，最终选择了水基钻井液。Cesaroni R.
Kay A.Galindo
注： 1 bbl=0.159
在海域钻井工程中同样存在高温敏感的环境，根据环境保护法律法规要求，钻井液生物毒性值LC50>3000 mg/L、汞含量<1 mg/L、镉含量<3 mg/L，因此油基钻井液、聚磺酸盐和其他有毒钻井液已被严格限制使用。为了满足高温深井作业和环境保护的要求，刘晓栋
以美国当地牧草为原料，Abo Taleb Tuama Al-Hameedi
表6 草粉、淀粉材料与参考流体滤失量和泥饼厚度对比
Table 6 Comparison of filtration loss and mud cake
thickness between grass powder and starch materials,
and reference fluid
与参考流体相比，草粉和淀粉都呈现出薄且不渗透的滤饼，且草粉有更好的滤失效果。虽然草粉无毒、可降解、细纤维，但文中并未讨论其耐温性能，也未做相关实验研究。
国内张永青
经过高温作用后，钻井液滤失量通常会增加。为了降低滤失量，就需要加入降滤失剂来保证钻井液“够粘”，但钻井液越“粘”，切力就会越大，加剧钻具磨损，因此加入降粘降失水剂可有效解决这一问题，库珀-埃罗曼加盆地使用了褐煤树脂，“松科二井”使用了磺化降滤失剂等，但这一类体系的钻井液对环境有非常大的负面作用，不符合持续发展的要求。 Kay A. Galindo
根据以上观点，耐高温钻井液发展过
（1）由最初单纯满足井底高温环境，忽视了环保问题。
（2）到环保问题逐渐被重视，但耐温能力较差。
（3）之后为了同时满足耐高温和环保要求，使用昂贵的钻井液材料导致成本也随之增加。
（4）与此同时高校院所也一直在研发新型耐高温环保材料，但由于其制作过程复杂，获取途径较难，缺乏实际运用。
由此可见，耐温能力、环保性能、成本控制是未来耐高温钻井液需要考虑的3个主要因素，结合干热岩特点，干热岩耐高温钻井液的设计需要考虑以下几个方
（1）选择热稳定性（至少200 ℃）较好的处理剂是最节省成本的方向。使用成熟的钻井液处理剂，可使成本与风险降至最小。考虑到环保型与耐温性，利用现有材料如何设计出最优性能的配方是一大难点，要想使钻井液达到理想的性能，往往需要多种处理剂进行复配，因此需要进行大量的配方实验。
（2）合成新型处理剂。干热岩井通常在3000 m以深，其井底越深，地层压力越大，高密度的钻井液才能与地层压力平衡，维持孔壁安全，但粘度与切力也随密度的增加而增大。目前降粘降失水剂主要包括FCLS、SMT、SMK、SMC等等一系列磺化材料，其成分均含有不同程度的有毒物质，而其他相对环保的降粘降失水剂，例如水解聚丙烯腈铵盐在200 ℃以上的高温环境下又无法保持稳定。如果可合成无毒类耐高温降粘降失水剂，满足高温度、高密度、低切力的要求，既保证了较小的滤失量，也解决了钻井液高密度动切值太高磨损钻具的情况，但创新难度较高。
（3）增加处理净化装置，减少污染。磺化体系的钻井液目前仍被广泛使用，在后期处理废浆时增加净化装置，将废浆净化后再排出可有效减少污染。也可以增加冷却循环装置，使钻井液始终保持较低的温度，避免高温失效的问题。由于机械装置可重复使用，从长远角度来看，增加装置成本在可接受范围内。
（4）围岩稳定性差、拥有发育的裂隙，直井与定向井的组合是干热岩井的特点。因此除了以上提到的耐温能力、环保性能，井壁的保护也至关重要。尤其是在高温环境下，泥饼由于失水产生龟裂（见
图2 泥饼裂纹多，易掉块
Fig.2 Mud cake: many cracks and prone to spall
图3 泥饼松软，不均匀
Fig.3 Mud cake: soft and uneven
耐高温钻井液是辅助开发干热岩的关键技术，随着社会的进步，钻井液体系整体趋势都在朝着环境友好型方向发展，并不断提高其抗温性能。我国对于干热岩钻井液体系研究仍处于起步阶
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