极 度高温高压下钻井液 的应用是一个艰难的 命题，其对生态系统 特别敏感。通常在井 底温度接近 260℃（500 ℉）、关 井压力达到 25,000 磅 / 平方英寸 （172.4 兆帕）的情况下，施工者更 愿意使用油基钻井液，而非水基钻 井液。许多地区正在禁止倾倒油基 钻井液及岩屑，倾倒会增加废物管 理成本和可能增加的债务。一些地 区，当地政府甚至完全不允许使用 原油和柴油的油基钻井液。
 
作为极度高温高压钻井应用的选 择产品， 一种新设计的由高等级黏土、 新型分散剂和特制的高分子合成聚合 物组成的无铬高密度水基钻井液表现 出良好的应用前景。这种钻井液是一 种对环境、技术和经济效益都切实可 行的选择产品，并在一口匈牙利管辖 的高温高压探井的现场试验证实其性 能和环境优势。
 
替代钻井液应势而出
 
长久以来，业界一直在寻找一 种水基钻井液，一种能够模仿或者 至少接近更高性能的油基钻井液， 用于高温高压钻井作业。通常以水 为分散剂的水基钻井液是用水、膨 润土和各种添加剂配置而成，以控 制失水和提供流变的稳定性。为应 对更加艰难的钻井挑战，技术的进 步已让水基钻井液成为诱人的选择， 尤其是那些需要最高等级的工程控 制和井眼稳定性的钻井作业。但专 为极度高温高压钻井施工设计水基 钻井液仍然富有挑战。 随着水基钻井液温度的升高， 凝胶则成为一个最棘手的问题。含 铬稀释剂和降滤失剂已被用来改善 流变稳定性和失水性能。铬木素磺 酸盐或铬铁络盐是增强黏土边缘吸 附作用首选的添加剂，可阻止粘土 薄片黏结在一起。然而，越来越多 的地区禁止在钻井液中使用有毒的 夹杂物，以及类似于铬一样的多价 金属物，促使研究开发无铬的替代 产品。一些添加剂，包括木素磺酸 盐，以及混有更多环境可以接受的 金属离子的添加剂已经过审查，得 出各种各样的结果。
 
当混入钛或锆 金属的木素磺酸盐和锆柠檬酸盐在 温度达到 204℃（400 ℉）时，显 示出相当有效的高温凝胶控制能力， 在更高温度下混入铬木素磺酸盐和 铬柠檬酸盐都被证明没有效果。 用化学的方法人工合成低分子 量阴离子聚合物，在中和黏土边缘 的正电荷、阻止絮凝方面的功效类 似于木素磺酸盐。随后的工作是检 验人造高分子聚合物、共聚物和三 元共聚物在更高温度环境下的功效。 这些物质是用于稳定流变性能和控 制失水的添加剂。 从失水角度来看， 人造高分子聚合物，包括上世纪 80 年代中期用于地热井钻井的高分子 量乙烯基磺酸盐共聚物已被证明是 最有希望的人造聚合物。随即一种 与含铬高温高压水基钻井液性能相 同的钻井液体系应势而出。
 
现场试验提供充足依据
 
新型水基钻井液的首次现场应 用在匈牙利东南的探井中进行。匈 牙利拥有严格的规定，限制使用和 倾倒含铬的油基钻井液（原油或柴 油） 或添加剂， 以及其它重金属物质。 在这个现场试验中，当井下温度达 到 204℃（400 ℉）时，钻井液比 重开始加到 16.7 磅 / 加仑（2.0）， 要求高温高压的水基钻井液保持性 能稳定。此外规定要求采用的方法 必须能够提高钻井液密度，需通过 采用添加加重剂的方法将钻井液比 重提高到 19.2 磅 / 加仑（2.3），并 且不影响钻井液的流变性能。 首次进行的一系列室内试验对 选择的配方进行微调，使其满足预 定的性能特征，测试出最佳配方和 试验结果，为最终钻井液的现场应用提供了室内试验依据。调整后的 高温高压钻井液很容易掺入现场的 钻井液中，替换 8 英寸、2,730 米 （8,957 英尺）井段的钻井液，高 密度的钻井液含有精选的耐高温聚 合物和稳定剂， 可以用来控制失水、 提高岩屑的悬浮力、井眼净化和泥 饼质量，由于可能会出现一氧化碳 污染，持续增加烧碱、石灰和石膏， 需保持钻井液的总硬度在 300~400 毫克/升， pH值在10.5和11.5之间， 并用离心机和絮凝控制钻井液的固 相含量。
 
随着钻井液密度上升至 19.0 磅 /加仑， 顺利钻进至3130米 （10,269 英尺），下入套管，井钻达总深度 时的最终钻井液比重为 17.5 磅 / 加 仑。专用工程软件包用来预测钻进 时的当量循环密度，以及起下钻时 的井涌或抽吸压力，钻井液的反应 强度和固相含量降至最低，阻止了 粘度的上升。钻井要使用不伤害环 境的钻井液， 遵守所有的环境法规， 后续井的数据证实了高温高压水基 钻井液的性能表现，对严格控制钻 井液性能、保持一个稳定的流变特 征起到了重要作用，具有方便控制 高温高压环境下失水的能力，产生 的实际效果使最终的流变学性能变 化低于实验室试验的结果。
 
配置最佳无铬钻井液
 
研 发 与 评 价 控 制 失 水 的 聚 合 物 和 稀 释 剂、 抗 絮 凝 剂 在 动 态 温 度 250 ℃（482 ℉）、15 磅 / 加 仑 比重的钻井液中进行。作为一种理 想钻井液，一般规范定义为 66℃ （150 ℉）温度下测量出流变学特性， 塑性黏度小于 30 厘泊、在 7 和 10 之间 6 转 / 分度值，149℃（300 ℉） 温度下高温高压失水滤出液小于 20 毫升、 500 磅 / 平方英寸 （3.45 兆帕） 的压差。研发之初，采用铬铁络盐 为一种基准添加剂，希望与后续开 发的无铬抗絮凝剂进行效果对比， 建立和控制混合与加入条件，优化 性能，确保各种配方的良好对比。 一旦候选的无铬稀释剂组合配 方和浓度比例得到确定和定型，这 种添加剂则用来与高等级膨润土和 海泡石进行混合试验，更好地确定 在极恶劣模拟环境下的试验效果。
 
六种抗絮凝剂试验，一个掺入金属 木素磺化盐和一个掺入二价金属木 素磺化盐的两个体系试验，实验效 果接近用木质素铬获得的基准流变 特征，包括凝胶强度。最后，将两 种最有希望的无铬金属木素磺酸盐 添加剂混合，加入 11.5 容量的人造 海水和另一种 140 磅 / 桶加重材料 的强力溶剂，将其与膨润土配成钻 井液进行试验。在这个更高技术要 求的实验环境下，研发出的二价金 属磺酸盐、低分子量和离子聚合物 的混合物表现出优越性能，保持了 一个稳定的流变学特征和高温高压 老化后的失水控制。跟据以上研发 成果，研究人员选配出最佳无铬水 基钻井液。