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1、1,2023/3/28,第六章 水基钻井液第一节 分散钻井液 由淡水、配浆膨润土和各种对粘土、钻屑起分散作用的处理剂(简称分散剂)配制成的水基钻井液称为分散钻井液。是油气钻井中最早使用并且使用时间相当长的一类水基钻井液。随着钻井液工艺技术的不断发展，分散钻井液的使用范围已不如过去广泛，但是配制方法简便、处理剂用量较少，成本较低，适于配制密度较大的钻井液，特别是在钻开表层时普遍使用。,2,2023/3/28,1膨润土及原浆的配制 膨润土是分散钻井液中不可缺少的配浆材料。主要作用：提高塑性粘度、静切力和动切力，增强钻井液对钻屑的悬浮和携带能力；同时降低滤失量，形成致密泥饼，增强造壁性。膨润土逐渐分
2、散在淡水中使泥浆的粘度、切力不断增加的过程称为造浆，在添加主要处理剂之前的预水化膨润土浆常称做原浆或基浆。将每吨粘土能配出表观粘度为15mPas的钻井液体积称做粘土的造浆率，通常是衡量配浆土的质量参数。,一、分散钻井液发展及组成,3,2023/3/28,配制原浆需加入适量纯碱，目的是除去粘土中的部分钙离子，将钙质土转变为钠质土，增强粘土颗粒的水化作用，提高分散度和粘土的造浆率。纯碱的加入量一般约为配浆土质量的5。在原浆中加入适量纯碱后，一般增大表观粘度，减小滤失量。如果随着纯碱加入滤失量反而增大，表明纯碱加过量。,4,2023/3/28,2分散剂及钻井液的典型组成 主要起降粘作用的分散剂有多聚
3、磷酸盐、丹宁碱液、铁铬木质素磺酸盐、褐煤及改性褐煤等；主要起降滤失作用的分散剂有CMC和聚阴离子纤维素等。调节pH值的NaOH具有较强的分散作用。分散钻井液体系中常用组分的名称、作用及加量见表61和表62。,5,2023/3/28,6,2023/3/28,7,2023/3/28,二、分散钻井液的特点,分散钻井液的主要特点是粘土高度分散。优点1、配制方法简便、成本较低；2、形成的泥饼致密，而且韧性好，具有较好的护壁 性，API滤失量和HTHP滤失量均相应较低；3、可容纳较多固相，较适于配制高密度钻井液。4、抗温能力较强，比如三磺钻井液是我国常用于钻深井的分散钻井液体系，抗温可达160-200。,
4、8,2023/3/28,分散钻井液在使用、维护过程中存在着缺点和局限性，主要表现在：(1)性能不稳定，容易受钻屑中粘土和可溶性盐类的污染。抗钙、岩盐能力差；(2)滤液矿化度低，抑制性能差，不利于防塌；(3)体系中固相含量高，对机械钻进有明显的影响，不宜在强造浆地层中使用(4)滤液侵入储层易引起储层中粘土水化膨胀，不能有效地保护油气层。,9,2023/3/28,在实际应用中，将分散性钻井液中亚微米颗粒所占比例减到最小程度，一方面控制膨润土的加量，另一方面通过固控设备的使用，降低体系的总固相含量。膨润土的含量随钻井液密度和井温的高低调整。密度和井温越高，膨润土含量越低。分散剂和NaOH的加量不宜过
5、高，PH值一般控制在9.5-11范围内。大多数分散剂的抗盐性不强，分散性钻井液中保持较低的无机盐含量。,10,2023/3/28,三、分散钻井液的受侵及处理,钻井过程中，常有来自地层的各种污染物进入钻井液中，使钻井液性能发生不符合施工要求的变化，这种现象常称为钻井液受侵。当污染严重时，只有及时地对配方进行有效的调整，或者采用化学方法清除它们，才能保证钻进的正常进行。常见的是钙侵、盐侵和盐水侵，还有Mg2+、CO2、H2S和O2等造成的污染。,11,2023/3/28,1钙侵 Ca2+可通过以下途径进入钻井液：(1)钻遇石膏层；(2)钻遇盐水层，地层盐水中一般含有Ca2+；(3)钻水泥塞；(4)
6、使用的配浆水是硬水；(5)石灰用做钻井液添加剂等。Ca2+易与钠蒙脱石中的Na+发生离子交换，使钠蒙脱石转化为钙蒙脱石，Ca2+的水化能力比Na+要弱得多，Ca2+的引入会增加蒙脱石絮凝程度，增大钻井液的粘度、切力和滤失量。,12,2023/3/28,当钻井液遇钙侵时，有两种有效的处理方法：1、在钻达含石膏地层前转化为钙处理钻井液；2、化学剂将Ca2+清除。通常是根据滤液中Ca2+浓度，加入适量纯碱除去钻井液中的Ca2+，反应式为：这种处理方法的好处是钙蒙脱石转变为钠蒙脱石。纯碱加量不能过多以免引起CO32-污染。,13,2023/3/28,如果是水泥引起的污染，由于Ca2+和OH-同时进入钻
7、井液，致使钻井液的pH值偏高。最好用碳酸氢钠(NaHCO3)或SAPP(即酸式焦磷酸钠)清除Ca2+。反应方程式为：,清除了Ca2+，又适当地降低了pH值。,14,2023/3/28,2盐侵和盐水侵 当钻遇岩盐层时，由于井壁附近岩盐的溶解使钻井液中NaCl浓度迅速增大，从而发生盐侵；钻达盐水层时，若钻井液的静液压力压不住高压盐水流，盐水便进入钻井液发生盐水侵。分散钻井液受到盐侵或盐水侵之后，钻井液的流变和滤失性发生如图62所示的规律性变化。,15,2023/3/28,受侵盐侵以及盐水侵表现：1、粘度切力急剧上升；2、滤失量增加；3、粘度切力增加到一定值后急剧下降。4、PH值下降,16,2023
8、/3/28,钻井液中的粘土矿物由于晶格取代颗粒表面带有负电荷，吸附阳离子形成扩散双电层。随着进入钻井液的Na+浓度不断增大，增加粘土颗粒扩散双电层中阳离子的数目，压缩双电层，使扩散层厚度减小，颗粒表面的电位下降。粘土颗粒间的静电斥力减小，水化膜变薄，颗粒的分散度降低，颗粒之间端面和端端连接的趋势增强。絮凝结构的产生，导致钻井液的粘度、切力和滤失量均逐渐上升。当Na+浓度增大到一定程度之后，压缩双电层的现象更为严重，粘土颗粒的水化膜变得更薄，使粘土颗粒发生面面聚结，分散度降低，钻井液的粘度和切力在分别达到最大值后又转为下降，滤失量继续上升。,17,2023/3/28,盐侵的另一表现是随含盐量增加
9、，钻井液的PH值逐渐降低，Na+将粘土中的H+及其它酸性离子不断交换出去。当钻井液受到盐侵或盐水侵之后，采取化学方法除去钻井液中的Na+是十分困难的，目前常用的处理方法是及时补充抗盐性强的各种处理剂，将分散钻井液转化为盐水钻井液。,18,2023/3/28,降滤失剂CMC的分子链电离后生成的羧基(-C00-)带负电荷，可以补偿被Na+压缩双电层所降低的电位。加入CMC可阻止粘土颗粒间相互聚并的趋势，有助于保持钻井液的聚结稳定性。聚阴离子纤维素、磺化酚醛树脂和改性淀粉等是常用的抗盐降滤失剂，铁铬盐（FCLS）等是常用的抗盐稀释剂。海泡石和凹凸棒石等抗盐粘土是用于配制盐水钻井液以及对付盐侵、盐水侵
10、的优质材料。,19,2023/3/28,3二氧化碳污染 CO2混入钻井液后会生成HCO3-和CO32-，钻井液的流变参数特别是动切力受HCO3-和CO32-的影响很大，高温下的影响更为突出。一般随着HCO3-浓度增加0上升，随着CO3-浓度增加0先减后增。这两种离子污染后钻井液性能很难用加入处理剂的方法加以调整，一般采用化学方法将它们它们除。通常加入适量Ca(OH)2清除这两种离子。反应方程式为：,20,2023/3/28,4硫化氢污染 H2S主要来自含硫地层，某些磺化有机处理剂以及木质素磺酸盐在井底高温下分解产生H2S。对人有很强的毒性，对钻具和套管有极强的腐蚀作用。,21,2023/3/2
11、8,存在H2S、HS-、S2-以及FeSx，电离出的H+迅速地吸附在金属表面，并渗入金属晶格内，转变为原子氢。当金属内有夹杂物、晶格错位现象或其它缺陷，原子氢在易损部位聚结结合成H2。这一过程在瞬间完成，氢的体积增加，在金属内部产生很大应力，强度高或硬度大的钢材产生晶格变形，变脆产生微裂缝，通常将这一过程称“氢脆”。在拉应力和钢材残余应力的作用下，钢材上因氢脆引起的微裂缝很容易迅速扩大，钢材发生脆断破坏。,22,2023/3/28,一旦发现钻井液受到H2S污染，应立即进行处理。一般采取的清除方法是加入适量烧碱，使钻井液的PH值保持在10以上。反应式如下：,钻井液的PH值降低，生成的硫化物重新转
12、变为硫化氢。为使清除彻底，在适当提高pH值之后，再加入适量碱式碳酸锌等硫化氢清除剂，反应式为：,23,2023/3/28,5.氧的污染 钻井液中氧加速对钻具的腐蚀，腐蚀形式主要为坑点腐蚀和局部腐蚀。,钻井液中的氧主要来自大气，大气含有的氧通过泥浆池、高压泥浆枪等设备在钻井液的循环过程中被混入、甚至达到饱和状态。氧的含量越高，腐蚀速度越快。如果钻井液中有H2S或CO2气体存在，氧的腐蚀速度急剧增加。氧腐蚀的化学反应式表示为：,24,2023/3/28,解决方法：1、采取物理脱氧的方法，充分利用除气器等设备，在搅拌过程中控制氧的侵入量。2、PH值维持在10以上抑制氧的腐蚀，在较强的碱性介质中，氧对
13、金属铁产生钝化作用，在钢材表面生成一种致密的钝化膜，降低腐蚀速率。3、化学清除法。选用除氧剂与氧发生反应，降低钻井液中氧的含量。常用的除氧剂有亚硫酸钠(Na2SO3),25,2023/3/28,第二节 钙处理钻井液,钙处理钻井液有较好抗盐、钙污染能力和对泥页岩水化有较强抑制作用的一类钻井液。钙处理钻井液体系主要由含Ca2+的无机絮凝剂、降粘剂和降滤失剂组成。钙处理钻井液体系中的粘土颗粒处于适度絮凝的粗分散状态，称为粗分散钻井液。目前常用的无机絮凝剂主要有三种：石灰、石膏和氯化钙，即石灰钻井液，石膏钻井液与新型的钾石灰钻井液。钙处理钻井液是以 Ca2+提供抑制性化学环境，使钻井液中的钠土转变为钙
14、土，使粘土颗粒由高度分散转变为适度絮凝。钙处理钻井液具有防塌、抗污染和在含有较多 Ca2+时使性能保持稳定的特点。,26,2023/3/28,一、钙处理钻井液的配制原理及特点,Ca2+改变粘土分散度的作用机理：1、Ca2+通过Na+/Ca2+交换，将钠土转变为钙土。钙土水化能力弱，分散度低，转化后体系分散度明显下降。转化的程度取决于粘土的阳离子交换容量和钙离子浓度。粘土的阳离子交换容量越大，吸附Ca2+的量越大。控制滤液Ca2+的浓度，可以控制钠土转变为钙土的数量，控制钻井液中粘土的分散度。,27,2023/3/28,2、Ca2+本身是一种无机絮凝剂，压缩粘土颗粒表面的扩散双电层，使水化膜变薄
15、，电位下降，引起粘土晶片面-面和端-面聚结，造成粘土颗粒分散度下降。钙处理钻井液在加入 Ca2+的同时，还必须加入 NaT、FCLS 和 CMC等分散剂。分散剂的分子中含有大量的水化基团，吸附在粘土颗粒表面后，引起水化膜增厚，电位增大，阻止粘土晶片之间的聚结和分散度降低。,28,2023/3/28,钙处理钻井液的配制原理，是通过调节Ca2+和分散剂的相对含量，使钻井液处于适度絮凝的粗分散状态，钻井液性能能够保持相对稳定，并达到满足钻井工艺要求。,29,2023/3/28,与分散钻井液相比，钙处理钻井液的优点：(1)性能较稳定，抗钙、盐和粘土污染能力强。(2)固相含量相对较少，容易在高密度条件下
16、维持较低的粘度和切力有利于提高钻速。(3)能在一定程度上抑制泥页岩的水化膨胀；滤失量较小，泥饼薄且韧性好，有利于井壁稳定；(4)钻井液中粘土细颗粒含量较少，对油气层的损害程度相对较小。,30,2023/3/28,以石灰为钙源的钻井液称为石灰钻井液，影响其性能的关键因素是Ca2+浓度，Ca2+浓度主要受到石灰溶解度的影响。,二、石灰钻井液,石灰是难溶强电解质，溶解度主要受温度和溶液PH值影响。随温度升高，溶解度减小，溶液中Ca2+浓度减小。溶解时发生以下反应：,在一定温度下，随PH值增大石灰钻井液中Ca2+浓度降低。,31,2023/3/28,PH值对控制石灰钻井液钻井液的 Ca2+浓度起很大作
17、用。一般石灰钻井液的 pH 值应控制在 11-12，Ca2+含量保持在120-200 mg/l。PH值过低，Ca2+含量增大，粘度与切力超过范围；PH值过高，Ca2+含量很少。按照石灰用量及PH值的不同，石灰钻井液分为高石灰和低石灰钻井液。当遇到有盐、钙污染或在造浆地层钻进时，经常用高石灰钻井液；另一方面，高石灰钻井液在高温下发生固化，钻井液变稠，失去流动性，在深井的深部井段钻进时，使用低石灰钻井液。,32,2023/3/28,3.石灰钻井液的使用要点 石灰钻井液经常是在原有分散钻井液基础上经转化而成。转化程序为：先加入一定量的水降低固相含量，同时加入石灰、烧碱和稀释剂。注意高温固化问题。当钻
18、达井底温度超过 135时，钻井液中的各种粘土会与石灰、烧碱发生反应，生成水合硅酸钙等类似于水泥凝固后的物质，钻井液急剧增稠。这种情况下，必须降低石灰含量、钻井液碱度和固相含量，转化为低石灰低固相钻井液。有使用固控设备，保持低的固相含量是将石灰钻井液用于高温深井的前提条件。,33,2023/3/28,三、石膏钻井液,1.石膏钻井液的特点,选用石膏作为絮凝剂，用铁铬盐和CMC作为稀释剂和降滤失剂，维持PH值在9.510.5范围内，滤液中Ca2+含量约为600一1200 mg/l，配制成石膏钻井液。与石灰钻井液相比较，石膏钻井液具有以下特点：,(1)石膏的溶解度比石灰大得多，石膏钻井液比石灰钻井液更
19、高的钙离子含量。钻井液的絮凝程度增大。与石灰钻井液相比、石膏钻井液具有更强的抗盐污染和石膏污染的能力。,34,2023/3/28,(2)与石灰相比，石膏的溶解度受PH值的影响较小。Ca2+含量较高，更有利于抑制粘土的水化膨胀和分散，防塌效果优于石灰钻井液。多用于钻厚的石膏层和容易坍塌的泥页岩地层。(3)石膏钻井液比石灰钻井液有更高的抗温能力，发生固化的临界温度在175左右，高于石灰钻井液。,35,2023/3/28,2 石膏钻井液使用要点 石膏钻井液也常由分散钻井液转化而成。转化时，首先加入适量淡水，防止钻井液过稠，然后，在1-2个循环周期内加入烧碱、铁铬盐和的石膏。在添加以上处理剂之后，再在
20、1-2个循环周期内加入降滤失剂CMC。对石膏钻井液进行维护时，除应经常检测滤液中Ca2+含量和pH值外，钻井液中游离的石膏含量控制在5-9kg/m3。,36,2023/3/28,四、氯化钙钻井液,1氯化钙钻井液的特点(1)氯化钙钻井液中Ca2+含量很高，具有更强的稳定井壁和抑制泥页岩坍塌及造浆的能力；(2)氯化钙钻井液中固相颗粒絮凝程度较大、分散度较低，流动性好，固控过程中钻屑容易清除，有利于维持较低的密度，可对提高机械钻速及保护油气层提供良好的条件。(3)Ca2+含量高，影响粘土悬浮体的稳定性，粘度和切力容易上升，滤失量容易增大，增加了维护处理的难度。,37,2023/3/28,五、钾石灰钻
21、井液简介,是在石灰钻井液基础上发展起来有利于防塌的钙处理钻井液。钾石灰钻井液在组成上的改进包括以下两方面：(1)用改性淀粉取代了原石灰钻井液中使用的强分散剂铁铬盐，钻井液中粘土和钻屑的分散程度减弱，改性淀粉在井壁上的吸附有利于增强防塌效果。PH值和石灰含量降低，克服了石灰钻井液的高温固化问题。(2)用KOH控制钻井液碱度。通过引入K+，提高钻井液的抑制性。,38,2023/3/28,第三节 盐水钻井液,一、盐水钻井液的定义和分类 NaCl含量超过1(质量分数，C1-含量约为6000 mg/l）的钻井液称为盐水钻井液。一般分为三种类型；(1)一般盐水钻井液 含盐量1直至饱和之前。(2)饱和盐水钻
22、井液 含盐量达到饱和，常温浓度为3.15*106mg/l左右的钻井液。,39,2023/3/28,（3)海水钻井液 用海水配制成的含盐钻井液。体系中含有约3104mg/l的NaCl，还含有一定量的Ca2+和Mg2+。国外将盐水钻井液分为：含盐量1%-2%微咸钻井液、2%-4%海水钻井液、4%与近饱和之间为非饱和盐水钻井液、含盐量达到最大值31.5%为饱和盐水钻井液,40,2023/3/28,二、盐水钻井液的配制原理及特点 在钻井过程中，经常钻遇大段岩盐层、盐膏层或盐膏与泥页岩互层。使用分散钻井液，会有大量的NaCl和其它无机盐溶解于钻井液中，钻井液的粘度、切力升高，滤失量剧增。盐的溶解造成井径
23、扩大，给钻进带来困难，影响固井质量。钻遇高压盐水层时，盐水的侵入对影响钻井液性能。采取了在钻井液中同时加入工业食盐和分散剂的方法，使水基钻井液具有更强的抗盐能力和抑制性。,41,2023/3/28,盐水钻井液是通过人为添加无机阳离子来抑制粘土颗粒的水化膨胀和分散，在分散剂的协同作用下，形成抑制性粗分散钻井液的。盐水钻井液的PH值一般随含盐量的增加下降，一方面是由于滤液中的Na+与粘土矿物晶层间的H+发生离子交换，另一方面是由于工业食盐中含有的MgCl2杂质与滤波中的OH-反应，生成Mg(OH)2沉淀，消耗了OH-。在使用盐水钻井液时应及时补充烧碱，维持一定的PH值。一般情况下，盐水钻井液的pH
24、值保持在9.5-11.0之间。,42,2023/3/28,盐水钻井液的主要特点：(1)矿化度高，具有较强的抑制性，能有效地抑制泥页岩水化，保持井壁稳定；(2)抗盐侵的能力很强，能够有效地抗钙侵和抗高温，适于钻含岩盐地层或含盐膏地层，在深井和超深井中使用(3)滤液性质与地层原生水比较接近，对油气层的损害较轻；,43,2023/3/28,(4)钻出的岩屑不易在盐水中水化分散，在地面容易清除，有利于保持较低的固相含量；(5)盐水钻井液能有效地抑制地层造浆，流动性好，性能较稳定。维护工艺比较复杂，对钻柱和设备的腐蚀性较大，钻井液配制成本相对较高。,44,2023/3/28,一般盐水钻井液主要应用于以下
25、情况：1、配浆水本身含盐量较高；2、钻遇盐水层时，淡水钻井液体系不可能继续维持；3、钻遇含盐地层或厚度不大的岩盐层以及为了抑制强水敏泥页岩地层的水化等。,三、一般盐水钻井液,45,2023/3/28,在配制盐水钻井液时，最好选用抗盐粘土(海泡石、凹凸棒石等)作为配浆土，在盐水中可以很好地分散获得较高的粘度和切力，配制方法比较简单。若用膨润土配浆，必须先在淡水中经过预水化，再加入各种处理剂，最后加盐至所需浓度。盐水钻井液中常用的分散剂有铁铬盐、CMC、褐煤碱液和聚阴离子纤维素等。,46,2023/3/28,四、饱和盐水钻井液,使用范围：主要用于钻大段岩盐层和复杂的盐膏层、钻开储层。矿化度高，抗污
26、染能力强，对地层中粘土的水化膨胀和分散有很强的抑制作用。钻遇岩盐层时，可将盐的溶解减至最小程度，避免大肚子井眼的形成。配制方法:1、在地面配好饱和盐水钻井液，钻达岩盐层前将其替入井内，然后钻穿整个岩盐层。2、在钻遇盐膏层前提前在循环过程中进行加盐处理，使含盐量和钻井液性能逐渐达到要求，在进入岩盐层前转化为饱和盐水钻井液。,47,2023/3/28,使用饱和盐水钻井液时，注意以下三点：(1)如果岩盐层较厚，埋藏较深，在地层压力作用下岩盐层容易发生蠕变，造成缩径。应根据岩盐层的蠕变曲线，确定较合理的钻井浓密度，克服因盐层塑性变形而引起的卡钻或挤毁套管。(2)最好选用海泡石、凹凸棒石等抗盐粘土配制饱
27、和盐水钻井液。如选用膨润土，体系中总固相和膨润土含量均不宜过高，防止在配制过程中粘度、切力过高。,48,2023/3/28,(3)需加入适量的重结晶抑制剂；在地面配制的饱和盐水，当循环到井底变得不饱和。为解决因温差可能引起的岩盐层井径扩大的问题，一种比较有效的方法是在钻井液中加入适量的重结晶抑制剂，在岩盐层井段的井温下使盐达到饱和，当钻井液返至地面时，抑制住盐的重结晶。,49,2023/3/28,饱和盐水钻井液有多种不同的配方。国外一般使用抗盐粘土(如凹凸棒石)造浆并调整粘度和切力，用淀粉控制滤失量。目前倾向于用各种抗盐的聚合物降滤失剂(如聚阴离子纤维素)代替淀粉，利于实现低固相。饱和盐水钻井
28、液的维护以护胶为主，降粘为辅，饱和盐水钻井液中，粘土颗粒不易形成端-端或端-面连接的网架结构，容易发生面-面聚结，变成大颗粒聚沉，需要大量的护胶剂维护性能。,50,2023/3/28,海水钻井液与一般盐水钻井液的不同之处在于使用海水配浆。海水中除含有较高浓度的NaCl外，还含有一定浓度的钙盐和镁盐。,五、海水钻井液,海水钻井液的作用原理和配制、维护方法与一般淡水钻井液基本相同。不同之处在于体系中Mg2+的含量较高一般盐水钻井液的含盐量可随时调整，比如钻穿盐层后可转化为淡水钻井液，而海水钻井液由于受施工条件的限制，矿化度一般不作调整。,51,2023/3/28,海水钻井液的配方有两种类型：1、先
29、用适量烧碱和石灰将海水中的Ca2+、Mg2+清除，然后再用于配浆。PH值保持11以上、分散性相对较强，流变和滤失性能稳定且容易控制，抑制性较差。2、在体系中保留Ca2+、Mg2+，PH值较低，含有多种阳离子，护胶的难度较大，选用的护胶剂要抗盐，又要抗钙、镁，抑制性和抗污染能力较强。,52,2023/3/28,海洋目前使用黄原胶和聚阴离子纤维素等聚合物维护海水钻井液。聚合物的包被作用，使井壁更为稳定。通过合理地使用固控设备，机械钻速提高。我国使用的海水钻井液配方体系有多种。,53,2023/3/28,第四节 聚合物钻井液,通常是将聚合物作为主处理剂或主要用聚合物调控性能的钻井液体系称为聚合物钻井
30、液。1聚合物钻井液发展概况,一、聚合物钻井液概述,54,2023/3/28,提高聚合物钻井液的防塌能力，聚合物与无机盐(主要是氯化钾)配合的钻井液体系，对水敏性地层的防塌效果显著。聚合物处理剂的发展很快，带阴离子基团的处理剂外，带阳离子基团的阳离子聚合物和分子链中同时带阴离子基团、阳离子基团和非离子基团的两性离子聚合物处理剂。,55,2023/3/28,2聚合物钻井液的特点(1)固相含量低，亚微米粒子所占比例低。对提高钻井速度有利。(2)具有良好的流变性，有较强的剪切稀释性和适宜的流型。聚合物钻井液有较高的动塑比，剪切稀释性好，有较强的触变性，以及在环形空间形成平板型层流等优良性能，悬浮和携带
31、钻屑的效果好，减少钻屑的重复破碎，使钻头进尺提高。,56,2023/3/28,聚合物钻井液体系中形成的结构由颗粒之间的相互作用、聚合物分子与颗粒之间的桥联作用以及聚合物分子之间的相互作用构成。在高剪切作用下，桥联作用被破坏，粘度和切力降低，聚合物钻井液具有较高的剪切稀释作用。聚合物钻井液具有较高的动切力。聚合物钻井液具有较低的固相含量，粒子之间的相互摩擦作用相对较弱，聚合物钻井液有较低的塑性粘度。聚合物钻井液一般具有较低的n值。,57,2023/3/28,聚合物钻井液有较强的触变性。钻井液流动时，部分结构被破坏，停止循环时能迅速形成适当的结构，均匀悬浮固相颗粒，不易卡钻，下钻可一次到底。触变性
32、太大，形成的结构强度太高，开泵困难，易导致压力激动，对易漏地层可能憋漏。聚合物钻井液的固相含量较低，结构主要是聚合物与颗粒间的桥联作用，触变性适宜，不会造成开泵困难，固相含量过高时，应注意开泵要慢，泵的阀门要由少到多逐渐加压，避免造成压力激动。,58,2023/3/28,(3)钻井速度快。聚合物钻井液固相含量低，剪切稀释性好，悬浮携带钻屑能力强，洗井效果好，有利于提高机械钻速。,59,2023/3/28,(4)稳定井壁的能力较强，井径比较规则。聚合物抑制岩石的吸水分散作用。控制钻井液的流型，减少对井壁的冲刷。,60,2023/3/28,(5)对油气层的损害小，有利于发现和保护产层。聚合物钻井液
33、的密度低，可实现近平衡压力钻井；固相含量少，可减轻固相的侵入，减小损害程度。,61,2023/3/28,(6)可防止井漏的发生。聚合物钻井液固相含量低，降低产生漏失的压力。聚合物钻井液在环形空间的返速较低，有较强的剪切稀释性和触变性，在环形空间有一定的结构，一般处于层流或改型层流的状态，钻井液不容易进入地层孔隙，渗透速度很慢，钻井液在孔隙内形成凝胶而产生堵塞。聚合物分子在漏失孔隙中吸附在孔壁上，连同分子链上吸附的其它粘土颗粒一起产生堵塞，水流过时，吸附在孔壁上的亲水性大分子有伸向孔隙中心的趋势，形成很大的流动阻力。,62,2023/3/28,较大的裂缝向钻井液中加入水解度高（50%-70%）的
34、PHPA提高钻井液的粘度，适当提高钻井液的PH值，使漏失停止。严重漏层可同时将泥沙混杂的粗泥浆与聚合物强絮凝剂溶液混合挤入漏层，利用聚合物的絮凝作用使粗泥浆絮凝，被分离出的清水很快漏走，絮凝物留下来堵塞漏层。絮凝堵漏的缺点是絮凝物强度低。可加入无机物或有机物交联剂，与聚合物产生交联形成不溶物，再与粘土结合产生强度高的堵塞物质，提高堵漏效果。,63,2023/3/28,(7）钻井成本低。钻井速度高，缩短完井周期，降低钻井总成本。现场应用中也遇到一些问题。例如，当钻速太快时，无用固相不能及时清除，难以维持低固相，强分散地层，有时抑制能力也显得不足，钻井液的流变性变得难以控制，如切力太高，钻屑不容易
35、清除。,64,2023/3/28,3不分散低固相聚合物钻井液的性能指标 1）“不分散”含义：a)组成钻井液的粘土颗粒尽量维持在1-30m范围内，不向小于1m的方向发展；b)混入钻井液体系的钻屑不容易分散变细。“低固相”是指低密度固相(主要指粘土矿物类)的体积分数要在钻井工程允许的范围内维持到最低。2）性能指标(1)固相含量(主要指低密度粘土和钻屑，不包括重晶石)应维持在4(体积分数)或更小，是提高钻速的关键。,65,2023/3/28,(2）钻屑与膨润土的比例不超过 2:1。钻井液中的固相越少越好，如果完全不要膨润土，不能建立钻井液所必需的各项性能，不能保证净化井眼所必需的流变性能，以及保护井
36、壁和减轻储层污染所必需的造壁性能。应含有一定量的膨润土。,66,2023/3/28,(3)动切力与塑性粘度之比控制在0.48左右。为满足低返速（如0.6m/s）携砂的要求，保证钻井液在环形空间实现平板型层流。(4)非加重钻井液的动切力应维持在1.5-3Pa。动切力是钻井液携带钻屑的关键参数，对加重钻井液应注意保证重晶石的悬浮。,67,2023/3/28,(5)滤失量控制据具体情况而定。以稳定井壁为前提，适当放宽，以利提高钻速。对易坍塌地层，从严，进入储层后，为减轻污染控制得低些。(6)优化流变参数。(7)在整个钻井过程中应尽量不用分散剂。,68,2023/3/28,4.聚合物处理剂的主要作用机
37、理,(1)桥联与包被作用 当一个高分子同时吸附在几个颗粒上时，而一个颗粒又同时吸附几个高分子时，形成网络结构，聚合物这种作用称为桥联作用。当高分子链吸附在一个颗粒上，并形成覆盖包裹时，称为包被作用。桥联和包被是聚合物在钻井液中的两种不同的吸附状态。,69,2023/3/28,(2)絮凝作用 当聚合物在钻井液中主要发生桥联吸附时、会将一些细颗粒聚结在一起形成粒子团，这种作用称为絮凝作用，相应的聚合物称为絮凝剂。形成的絮凝块易于靠重力沉降或固控设备清除，有利于维持钻井液的低固相。絮凝作用是钻井液低固相和不分散的关键。,70,2023/3/28,根据絮凝效果和对钻井液性能的影响，絮凝剂分为两类：一是
38、全絮凝剂，能同时絮凝钻屑、劣质土和蒙脱土，如非离子型聚合物 PAM；二是选择性絮凝剂，只絮凝钻屑和劣质土，不絮凝蒙脱土，如PHPA、VAMA。絮凝剂能提高钻井液粘度称为增效型选择性絮凝剂，对粘度影响不大称为非增效型选择性絮凝剂。,71,2023/3/28,选择性絮凝的机理：钻屑和劣质土颗粒的负电性较弱，蒙脱土的负电性较强。选择性絮凝剂带负电，由于静电作用易在负电性弱的钻屑和劣质土上吸附，通过桥联作用将颗粒絮凝成团块清除；在负电性较强的蒙脱土颗粒上吸附量较少，同时蒙脱土颗粒间的静电排斥作用较大不能形成密实团块，桥联作用形成的空间网架结构提高蒙脱土的稳定性。,72,2023/3/28,(3)增粘作
39、用 增粘剂多用于低固相和无固相水基钻井液，提高悬浮力和携带力。增粘作用的机理：一是游离(未被吸附)聚合物分子增加水相的粘度，二是聚合物的桥联作用形成的网络结构增强钻井液的结构粘度。常用的增粘剂有相对分子质量较高的PHPA和高粘度型羧甲基纤维素(CMC)等。,73,2023/3/28,(4)降滤失作用 聚合物降滤失剂的作用机理：保持钻井液中的粒子具有合理的粒度分布，使泥饼致密；提高粘土颗粒的水化程度；聚合物降滤失剂的分子大小在胶体颗粒的范围内，对泥饼起堵孔作用，使泥饼致密；降滤失剂提高滤液粘度，降低滤失量。,74,2023/3/28,(5)抑制与防塌作用 聚合物在钻屑表面的包被吸附阻止钻屑分散包
40、被能力越强，对钻屑分散的抑制作用越强。聚合物有良好的防塌作用。1、长链聚合物在泥岩井壁表面发生多点吸附，封堵微型缝，阻止泥页岩剥落；2、聚合物浓度较高，在泥页岩井壁上形成致密的吸附膜，阻止或减缓水进入泥页岩，对泥页岩的水化膨胀有抑制作用。,75,2023/3/28,(6)降粘作用 降粘作用的机理主要有：吸附在粘土颗粒带正电荷的边缘上，使粘土颗粒转变成带负电荷，形成厚的水化层，拆散粘土颗间“端-面”、“端-端”结构，放出包裹的自由水，降低体系粘度。降粘剂吸附提高粘土颗粒的电位，增强颗粒间的静电排斥作用。分子质量较低的聚合物降粘剂与钻井液的主体聚合物(如PHPA)形成氢键络合物时，与粘土争夺吸附基
41、团，拆散粘土与聚合物间结构，使聚合物形态收缩，减弱聚合物分子问的相互作用。,76,2023/3/28,二、阴离子聚合物钻井液,1 主要处理剂聚丙烯酰胺 聚丙烯酰胺(简称PAM)的结构式为 随聚丙烯酰胺相对分子质量的增大，絮凝能力、提粘效应、堵调和防塌效果提高。主要使用聚丙烯酰胺的衍生物。,77,2023/3/28,部分水解聚丙烯酰胺 是由聚丙烯酰胺水溶液加碱水解制得。分子结构式为：水解度是影响PHPA性能的重要参数。水解度增大，分子链伸展，在钻井液中桥联作用增强，对劣质土的絮凝作用增强。水解度过大，在粘土颗粒上的吸附作用减弱，加上羧酸根基团间的静电排斥作用增强，对劣质土的絮凝作用降低。现场控制
42、滤失量和提粘堵漏用水解度为60-70的PHPA，絮凝用30-40的PHPA。,78,2023/3/28,水解聚丙烯腈(钠盐）,分子式为：,水解聚丙烯腈(钠盐)主要用做降滤失剂。水解度和聚合度是影响降滤失效果的主要因素。羧基含量在70-80时降滤失效果最好。,水解聚丙烯腈(钠盐)有降滤失作用外，一般对淡水钻井液有增粘作用；对盐水钻井液有降粘作用。,水解聚丙烯腈(钠盐)的抗钠盐能力较强，抗钙能力较弱。,79,2023/3/28,水解聚丙烯腈铵盐 水解聚丙烯腈铵盐（简称 NPAN 或 NH4-HPAN）NPAN 的结构式为：水解聚丙烯腈铵盐是一种抗高温降滤失剂。可提供 NH4+，抑制粘土分散的能力强
43、，是一种较好的防塌剂。使用浓度一般为0.3%0.4%。,80,2023/3/28,2.聚合物淡水钻井液,(1)无固相聚合物钻井液 使用无固相聚合物钻井液(又称清水钻井液)可提高钻速，但必须注意解决三个方面的问题。1、是必须使用高效絮凝剂使钻屑始终保持不分散状态，在地面循环系统中发生絮凝全部清除；2、要有一定的提粘措施，并能够按工程上的要求，实现平板型层流携带岩屑；3、有一定的防塌措施，保证井壁的稳定。生物聚合物和聚丙烯酰胺及衍生物是配制无固相钻井液常用的处理剂。,81,2023/3/28,3.聚合物盐水钻井液,(1)膨润土顶水化。粘土在盐水中不易分散，钻井前将膨润土粉预先用淡水充分分散，同时加
44、入足够的纯碱除去高价离子，使钙质土转化成钠土。然后加入聚合物处理剂使钻井液性能保持稳定。钻穿石膏层或其它盐层时，预先向钻井液中加入小苏打或纯碱来抵抗阳离子的聚沉作用。,82,2023/3/28,(2)采用耐盐的配浆材料，如海泡石、凹凸棒石等。(3)采用耐盐的降滤失剂。如磺化酚醛树脂、酯酸乙烯和丙烯酸酪的共聚物及CMC钠盐等。(4)预处理水。含镁离子较多的用烧碱，含钙离子较多的用纯碱。,83,2023/3/28,4.不分散聚合物加重钻井液,在用重晶石加重的不分散聚合物钻井液中，聚合物的作用主要有三种：一是絮凝和包被钻屑；二是增效膨润土；三是包被重晶石，减少粒子间的联接。重晶石对聚合物的吸附，在处
45、理加重钻井液时聚合物的加量高于非加重钻井液。加入重晶石时一般也相应加入适量聚合物。,84,2023/3/28,三、阳离子聚合物钻井液,阳离子聚合物钻井液是20世纪80年代以来发展起来的一种新型聚合物钻井液体系。阳离子聚合物钻井液是以高相对分子质量阳离子聚合物(简称大阳离子)作包被絮凝剂，小相对分子质量有机阳离子(简称小阳离子)作泥页岩抑制剂，配合降滤失剂、增粘剂、降粘剂、封堵剂和润滑剂等处理剂配制成。,85,2023/3/28,阳离子聚合物分子带有大量正电荷，在粘土或岩石上的吸附除取氢键外，主要的是靠静电作用、比阴离子聚合物的吸附力更强。阳离子聚合物能中和粘土或岩石表面的负电荷，絮凝能力和抑制
46、岩石分散能力也比阴离子聚合物强。阳离子聚合物钻井液具有优良的流变性、抑制性、稳定井壁能力、携带钻屑能力和防卡、防泥包等性能。,86,2023/3/28,1.主要的阳离子聚合物处理剂,(1)泥页岩抑制剂(俗称小阳离子),现场应用的泥页岩抑制剂(粘土稳定剂)是环氧丙基三甲基氯化铵，结构式为：抑制作用评价采用热滚回收率、粒度分布、膨胀仪评价泥页岩抑制剂抑制性能。,87,2023/3/28,小阳离子抑制岩屑分散的机理：一是小阳离子是阳离子型表面活性剂，靠静电作用吸附在岩屑表面，另外与岩屑层间可交换阳离子发生离子交换作用进入岩屑晶层间。表面吸附的小阳离子的疏水基形成疏水层，阻止水分子进入岩屑粒子内部，层
47、间吸附的小阳离子靠静电作用拉紧层片，抑制岩屑水化膨胀和分散。二是小阳离子所带的正电荷中和岩屑带的负电荷，削弱岩屑粒子问的静电排斥作用，降低岩屑的分散。,88,2023/3/28,用小阳离子作抑制剂比用 KCl还有一些优越之处。一是吸附了小阳离子的钻屑表面有一定的疏水性，不易粘附在亲水性的钻头、钻铤和钻杆表面，有明显的防泥包作用；二是小阳离子具有一定的杀菌作用，可防止某些处理剂如淀粉类的生物降解；三是小阳离子不会明显影响钻井液的矿化度，具有不影响测井解释和减弱钻具在井下的电化学腐蚀等优点。,89,2023/3/28,(2)絮凝剂(大阳离子),阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)，结构式为：,絮凝作用与抑
48、制能力：大阳离子的主要作用是絮凝钻屑，清除无用固相，保持聚合物钻井液的低固相。大阳离子带有阳离子基团，靠静电作用吸附在钻屑上，吸附力较强，相对分子量较大，分子链足够长，桥联作用较好；大阳离子可降低钻屑的负电性，减小粒子间的静电排斥作用，形成密实絮凝体，絮凝效果优于阴离子聚合物。大阳离子有良好抑制性，主要是因为有对岩屑的包被吸附作用和负电性降低作用。,90,2023/3/28,阳离子抑制剂和絮凝剂的协同作用：小阳离子的主要作用是抑制钻屑分散，大阳离子的主要作用是絮凝钻屑。小阳离子在钻屑上的吸附速度一般比大阳离子快。在钻进过程中、小阳离子首先吸附在新产生的钻屑上抑制分散，大阳离子再吸附在钻屑上靠桥
49、联作用形成絮凝体，利用固控设备清除钻屑絮凝体。对负电性很强的有用固相膨润土颗粒，吸附的小阳离子比较多，削弱了大阳离子的吸附，大阳离子对膨润土的絮凝作用相对较弱，钻井液中保持适量的有用固相。大、小阳离子的协同配合产生了一定的“选择性”絮凝作用。阳离子聚合物钻井液中，现场使用的大阳离子加量一般为0.2%-0.4%，小阳离子一般为0.2%-0.5%。,91,2023/3/28,阳离子与阴离子聚合物处理剂的相容性：一般情况下，在溶液中阴、阳离子聚合物之间相互作用发生沉淀，在钻井液中如果阴、阳离子聚合物处理剂发生沉淀会失去各自的效能。室内实验证明，在一定条件下，一些阴、阳离子聚合物可稳定共存于一个体系中
50、，表6-25是部分实验结果。其中“+”表示相容，“-”表示不相容。,92,2023/3/28,93,2023/3/28,阳离子聚合物钻井液的特点,阳离子聚合物钻井液是以高分子阳离子聚合物作为絮凝剂，以小分子阳离子聚合物作为粘土稳定剂的一种新型水基钻井液体系，具有良好的抑制钻屑分散和稳定井壁的能力。,流变性能比较稳定，维护间隔时间较长。,防止起下钻遇阻、遇卡及防泥包等方面具有较好效果。,有较好的抗高温、抗盐和抗钙、镁等高价金属阳离子污染的能力,有较好的抗膨润土和钻屑污染的能力。,94,2023/3/28,四、两性离子聚合物钻井液,两性离子聚合物是指分子链中同时含有阴离子基团和阳离子基团的聚合物，
