中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)精品課程課件

1、DRILLING FLUID SYSTEMS鉆井液體系Chapter 7Principle of Drilling Fluids鉆井液工藝原理Prof. Dr. Xiuhua Zheng E-mail: XExploration Dept. School of Engineering and Technology, China University of Geosciences(Beijing)中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)工程技術(shù)學(xué)院勘查教研室Test Inorganic agentsWeighting MaterialsSodium carbonateclay beneficiationprecip

2、itationcomplexingCalcium hydroxidePotassium chloride sodium polyphosphatessequestrationAnswers無機(jī)處理劑加重劑碳酸鈉粘土改性沉淀作用絡(luò)合作用氫氧化鈣氯化鈉聚磷酸鈉螯合作用Glossary for 7Water base mudsSubsurface formation pressuressuspending agentweighting materialsThinnersFluid loss controlDispersedNon-InhibitedInhibited Non-dispersed水基鉆

3、井液地層壓力懸浮劑加重劑稀釋劑濾失控制分散非抑制抑制不分散 ContentClassification of Bentonite Drilling Fluid Systems(膨潤(rùn)土鉆井液體系分類)Deflocculants Used in Dispersed Systems(分散體系中的抗絮凝劑)Dispersed Non-Inhibited Systems(分散非抑制體系)Dispersed Inhibited Systems(分散抑制體系) Non-Dispersed non-inhibited Systems(不分散非抑制性體系)Non-Dispersed Inhibited Syst

4、ems(不分散抑制體系)水基鉆井液及其分類分散鉆井液(Dispersed Drilling Fluids)鈣處理鉆井液(Calcium-treated Drilling Fluids)鹽水鉆井液(Saltwater Drilling Fluids)飽和鹽水鉆井液(Saturated Saltwater Drilling Fluids) 聚合物鉆井液(Polymer Drilling Fluids)鉀基聚合物鉆井液(Potassium-based Polymer Drilling Fluids) 2. Deflocculants Used in Dispersed Systems（分散體系中的抗

5、絮凝劑）Dispersed systems（分散體系） are systems where the viscosity and fluid loss control properties are essentially those imparted by a dispersed, deflocculated sodium-bentonite system.Deflocculants control the viscosities and gels and reduce the fluid loss.Bentonite must be hydrated（水解） in water containi

6、ng less than 1% sodium chloride and less than 120 ppm calcium ion.Thinners define the overall system application and its limitations. 2.1 Inorganic Phosphates無機(jī)磷酸鹽SAPP (sodium acid pyrophosphate-酸式焦磷酸鈉), with a pH of about 4.0, and STP (sodium tetraphosphate-四磷酸鈉), with a pH of about 7.0React by neu

7、tralisation of positive sites on the clays, particularly those arising from aluminium ionsThe efficiency of this class of deflocculants is limited by two factors:Temperature: 65Calcium: less than 100 ppm calcium2.2 Tannins(丹寧)Fig.6-1 Gallic acid hydrolyzed from double gallic acidFig.6-2 Deflocculati

8、on Mechanism of Sodium TannateGallic acid is then neutralized(中和) by NaOH to produce Sodium Tannate, and to deflocculate(解絮凝) by breaking up（拆散 ）the Gel-Structure of the Muds. Temperature around 120 Concentrations of 1.43-8.56kg/m3pH ranges above 9.5, in lime muds with pH 11-12 Densities 1.4Low tole

9、rance to salt2.3 Lignites and Chrome Lignites(褐煤)moderate deflocculation action,only in fresh water mudsonly limited solubility and has to be treated with caustic soda, with higher additions of 11.41-25.68 kg/m3 fluid loss control temperatures 2302% salt, and 9200 ppm max.poor4462304-9 lb/bbl11.41-2

10、5.68 kg/m3Fluid loss at high temp. in fresh water fluidsEmulsifier for oilChrome ligno-sulphonates FCL 9.5goodgood3471752-4 lb/bbl5.71-11.41 kg/m3Fresh, salt and calcium fluidsSynthetic Polymers IDTHIN 500IDSPERSE HT8-10excellentexcellentgoodexcellent482500250-2600.2-2 lb/bbl0.57-5.71 kg/m3Low dose,

11、 temperature stableSurfactants8-12gooddepends on type320160-1-2 lb/bbl2.85-5.71 kg/m3Stabilises fluids密度為1.061.44gcm3分散鉆井液的典型組成組 分作 用加量/kgm-3常用商品名稱膨潤(rùn)土提粘及濾失量控制42.871.3Aquagel，Magcogel等鐵鉻木質(zhì)素磺酸鹽降低動(dòng)切力和靜切力，以及濾失量控制2.811.4FCLS, Q-Broxin, VC-10, Spensene等褐煤(或配制成褐煤堿液)濾失量控制，以及降低動(dòng)切力和靜切力2.81.4NaC, Carbonix, Lig

12、eo, Tannathin等燒 堿調(diào)節(jié)pH值0.75.7/多聚磷酸鹽降低動(dòng)切力和靜切力0.31.4SAPP，Magcophos，Barafos等CMC濾失量控制，提粘0.75.7CMC，Cellex等聚陰離子纖維素濾失量控制，提粘0.7v5.7Drispac，Monpac，Poly-pac等重晶石增加密度0499Baroid，Magcobar, Milbar泥漿是粘土顆粒（大都小于 ）分散在水（或油）中所形成的溶膠-懸浮體系。泥漿中粘土顆粒的大小相差很懸殊，大多數(shù)在懸浮體范圍內(nèi)（ ），少數(shù)在溶膠范圍（1100 ）的分散體系。典型粘土的造漿率曲線 純堿（Na2CO3）配制原漿時(shí)，還需加入適量純堿

13、，以提高粘土的造漿率。純堿的加入量依粘土中鈣離子的含量而異，可通過小型試驗(yàn)確定。一般約為配漿土質(zhì)量的5。加入純堿的目的是除去粘土中的部分鈣離子，將鈣質(zhì)土轉(zhuǎn)變?yōu)殁c質(zhì)土，從而使粘土顆粒的水化作用進(jìn)一步增強(qiáng)，分散度進(jìn)一步提高。因此，在原漿中加入純適量堿后，一般會(huì)使表觀粘度增大，濾失量減小。如果隨著純堿加入濾失量反而增大，則表明純堿加過量了。 Mechanism? mc- 所需膨潤(rùn)土的質(zhì)量，t - 膨潤(rùn)土密度，gcm3 Vm- 所配制原漿的體積，m3 - 原漿密度，gc m3 Vw- 所需水量，m3配制一定密度原漿所需的膨潤(rùn)土及水量 分散劑及鉆井液的典型組成主要起降粘作用的分散劑有多聚磷酸鹽、丹寧堿液

14、、鐵鉻木質(zhì)素磺酸鹽、褐煤及改性褐煤等；主要起降濾失作用的分散劑有CMC和聚陰離子纖維素等。此外，用于調(diào)節(jié)pH值的NaOH也具有較強(qiáng)的分散作用。 Solids. Excessive concentrations of solids can produce unacceptably high viscosities and gel strengths. This can lead to an excessive consumption of chemicals. The level is controlled by dilution with water to the desirable leve

15、l.Viscosity. decreased by water additions and increased by bentonite and solids additions. Yield point and gel strengths. decreased by the addition of thinners and increased by bentonite additions.Fluid Loss Control. bentonite alone will give a fluid loss in the region of 5 ccs, if lower levels are

16、required CMC or IDFLO may be added.AdvantagesMake maximum use of drilled solids and thus may potentially reduce overall material consumption.Be converted to a dispersed inhibitive type fluid when required.Tolerate fairly high levels of drilled solids at the lower mud weights.應(yīng) 用控制膨潤(rùn)土的加量；通過固控設(shè)備的使用，盡可

17、能降低體系的總固相含量；膨潤(rùn)土的含量應(yīng)隨鉆井液密度和井溫的高低加以調(diào)整。密度和井溫越高，膨潤(rùn)土含量應(yīng)該越低；分散劑和NaOH的加量亦不宜過高，pH值一般應(yīng)控制在9.511.0范圍內(nèi)；此外，由于大多數(shù)分散劑的抗鹽性不夠強(qiáng)，故分散性鉆井液中應(yīng)保持較低的無機(jī)鹽含量。 鉆井液的受侵及其處理鉆井過程中，常有來自地層的各種污染物進(jìn)入鉆井液中，使其性能發(fā)生不符合施工要求的變化，這種現(xiàn)象常稱為鉆井液受侵。鈣侵：(1)鉆遇石膏層；(2)鉆遇鹽水層，因地層鹽水中一般含有Ca2+；(3)鉆水泥塞，因水泥凝固后產(chǎn)生氫氧化鈣；(4)使用的配漿水是硬水；(5)石灰用做鉆井液添加劑等。常溫下：CaSO4溶解度為0.20%;

18、 CaO溶解度為0.16%。幾萬分之一的Ca2+就足以使鉆井液失去懸浮穩(wěn)定性。使用化學(xué)劑清除Ca2+ 水泥引起的污染，pH值升高：酸式焦磷酸鈉(sodium Acid Pyrophosphate), SAPP鹽侵和鹽水侵。當(dāng)鉆遇巖鹽層時(shí)，由于井壁附近巖鹽的溶解使鉆井液中NaCl濃度迅速增大，從而發(fā)生鹽侵；鉆達(dá)鹽水層時(shí)，若鉆井液的靜液壓力不足以壓住高壓鹽水流，鹽水便會(huì)進(jìn)入鉆井液發(fā)生鹽水侵。 Salt contamination and treatments及時(shí)補(bǔ)充抗鹽性強(qiáng)的各種處理劑。將分散鉆井液轉(zhuǎn)化為鹽水鉆井液。例如，加入降濾失劑CMC的分子鏈中含有許多羧鈉基(-COONa)，阻止粘土顆粒間相

19、互聚并的趨勢(shì)，有助于保持鉆井液的聚結(jié)穩(wěn)定性，使其在鹽侵后仍然具有較小的濾失量。除CMC外，聚陰離子纖維素、磺化酚醛樹脂和改性淀粉等也是常用的抗鹽降濾失劑，鐵鉻鹽(FCLS)等是常用的抗鹽稀釋劑。 端-面和端-端連接的趨勢(shì)增強(qiáng)：絮凝面面：聚結(jié) 鉆井液的受侵及其處理清除各種污染物所需處理劑的用量污染物污染離子處理措施處理劑加量石膏或石灰Ca2若pH值合適加Na2CO3若pH值過高加SAPP若pH值過高加NaHCO30.002 650.002 750.004 19水泥和石灰Ca2及OHSAPPNaHCO30.002 770.004 19硬水Mg2Ca2NaOH（將pH提至10.5）再加Na2CO30

20、.003 310.002 65硫化氫H、HS和S2調(diào)節(jié)pH10，然后加Zn2（OH）2 CO30.003 51二氧化碳CO32HCO3若pH值合適加CaSO4 若pH值過低加Ca（OH）2 Ca（OH）2 0.002 850.001 230.001 214. Dispersed Inhibited Systems(分散型抑制體系) The hydration of bentonite could be decreased by an increase in the salt level. The electrolyte may be present for a number of reason

21、s.4.1 Addition of Electrolyte or Salt（鹽水鉆井液）鹽水鉆井液的定義和分類凡NaCl含量超過1(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，Cl含量約為6000mgl)的鉆井液統(tǒng)稱為鹽水鉆井液。一般將其分為以下三種類型：一般鹽水鉆井液:其含鹽量自1直至飽和之前均屬此類。飽和鹽水鉆井液:是指含鹽量達(dá)到飽和，即常溫下濃度為 3.15105mg/l(Cl含量為1.89105mg/l)左右的鉆井液。注意NaCl溶解度隨溫度變化而變化。海水鉆井液:是指用海水配制而成的含鹽鉆井液。體系中不僅含有約3104mgl的NaCl，還含有一定量的Ca2和Mg2。鹽水鉆井液的配制原理及特點(diǎn)與鈣處理鉆井液的配制原理相

22、同，鹽水鉆井液也是通過人為地添加無機(jī)陽離子來抑制粘土顆粒的水化膨脹和分散，并在分散劑的協(xié)同作用下，形成抑制性粗分散鉆井液的。在使用中要特別注意含鹽量的大小，一般應(yīng)根據(jù)含鹽的多少來決定所選用的分散劑的類型和用量。在使用鹽水鉆井液時(shí)應(yīng)注意及時(shí)補(bǔ)充燒堿，以便維持一定的pH值。一般情況下，鹽水鉆井液的pH值應(yīng)保持在9.511.0之間。 鹽水鉆井液的主要特點(diǎn)是：由于礦化度高，因此這種體系具有較強(qiáng)的抑制性，能有效地抑制泥頁巖水化，保證井壁穩(wěn)定；不僅抗鹽侵的能力很強(qiáng)，而且能夠有效地抗鈣侵和抗高溫，適于鉆含巖鹽地層或含鹽膏地層，以及在深井和超深井中使用；其濾液性質(zhì)與地層原生水比較接近，故對(duì)油氣層損害較輕；由于

23、鉆出的巖屑不易在鹽水中水化分散，在地面容易被清除，因而有利于保持較低的固相含量；鹽水鉆井液還能有效地抑制地層造漿，流動(dòng)性好，性能較穩(wěn)定。但該類鉆井液的維護(hù)工藝比較復(fù)雜，對(duì)鉆柱和設(shè)備的腐蝕性較大，鉆井液配制成本也相對(duì)較高。 4.1.1 一般鹽水鉆井液一般鹽水鉆井液主要應(yīng)用于以下情況：配漿水本身含鹽量較高；鉆遇鹽水層時(shí)，淡水鉆井液體系不可能繼續(xù)維持；鉆遇含鹽地層或厚度不大的巖鹽層以及為了抑制強(qiáng)水敏泥頁巖地層的水化等。 用膨潤(rùn)土配漿，則必須先在淡水中經(jīng)過預(yù)水化，再加入各種處理劑，最后加鹽至所需濃度。目前國(guó)內(nèi)使用的最簡(jiǎn)單的體系為鐵鉻鹽鹽水鉆井液，其基本成分為1.53的膨潤(rùn)土、5的固體食鹽、5的鐵鉻鹽、

24、1.5的NaOH及一定量的重晶石。按以上配方可達(dá)到下列性能指標(biāo)：密度1.20gcm3、漏斗粘度2050s、濾失量36ml。 57.06 kg/m3 干膨潤(rùn)土配制的原漿中 表觀粘度隨含鹽量的變化 4.1.2 飽和鹽水鉆井液飽和鹽水鉆井液是指NaCl含量達(dá)到飽和時(shí)的鹽水鉆井液體系。它主要用于鉆大段巖鹽層和復(fù)雜的鹽膏層，也可在鉆開儲(chǔ)層時(shí)配制成清潔鹽水鉆井液使用。由于其礦化度極高，因此抗污染能力強(qiáng)，對(duì)地層中粘土的水化膨脹和分散有很強(qiáng)的抑制作用。鉆遇巖鹽層時(shí)，可將鹽的溶解減至最小程度，避免大肚子井眼的形成，從而使井徑規(guī)則。該類鉆井液的配制方法是，在地面配好飽和鹽水鉆井液，鉆達(dá)巖鹽層前將其替入井內(nèi)，然后鉆

25、穿整個(gè)巖鹽層。但也可采用另一種方法，即在上部地層使用淡水或一般鹽水鉆井液，然后提前在循環(huán)過程中進(jìn)行加鹽處理，使含鹽量和鉆井液性能逐漸達(dá)到要求，在進(jìn)入巖鹽層前轉(zhuǎn)化為飽和鹽水鉆井液。4.1.3 海水鉆井液海水鉆井液與一般鹽水鉆井液的不同之處在于使用海水配漿。海水中除含有較高濃度的NaCl外，還含有一定濃度的鈣鹽和鎂鹽，其總礦化度一般為3.33.7，pH值在7.58.4之間，密度為1.03gcm3。 表6-12 海水的主要成分名稱NaClMgCl2MgSO4CaSO4KCl其它鹽類質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%78.329.446.403.941.690.21IonFormulaConcentration (mg/l

26、)ChlorideSulphateCarbonateBicarbonateBromideBorateNitratePhosphateFluorideSodiumMagnisiumCalciumPotassiumHydrogenCl-SO42-CO32-HCO3-Br-BO33- and HBO32-NO3-HPO42-F-Na+Mg+Ca+K+H+19,4002,71014566250.70.11.310,8001,290410390pH 7.5-8.5Sea water海水鉆井液的配方有兩種類型 先用適量燒堿和石灰將海水中的Ca 2+、Mg 2+清除，然后再用于配漿。其中燒堿主要用于清除Mg

27、 2+，而石灰主要用于清除Ca 2+。這種體系的pH值應(yīng)保持在11以上，其特點(diǎn)是分散性相對(duì)較強(qiáng)，流變和濾失性能較穩(wěn)定且容易控制，但抑制性較差。在體系中保留Ca 2+、Mg 2+，顯然這種海水鉆井液的pH值較低，由于含有多種陽離子，護(hù)膠的難度較大，所選用的護(hù)膠劑既要抗鹽，又要抗鈣、鎂，但這種體系的抑制性和抗污染能力較強(qiáng)。4.2 Calcium Treated Systems鈣處理鉆井液鈣處理鉆井液是在使用分散性鉆井液的基礎(chǔ)上，于20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的具有較好抗鹽，鈣污染能力和對(duì)泥頁巖水化具有較強(qiáng)抑制作用的一類鉆井液。該類鉆井液體系主要由含Ca 2的無機(jī)絮凝劑、降粘劑和降濾失劑組成。由于體系中

28、的粘土顆粒處于適度絮凝的粗分散狀態(tài)，因此又稱之為粗分散鉆井液。目前常用的無機(jī)絮凝劑主要有三種：石灰、石膏和氯化鈣。 用石灰處理者稱為石灰鉆井液，用石膏處理者稱為石膏鉆井液，用CaCl2處理者稱為CaCl2鉆井液。為了進(jìn)一步增強(qiáng)其抑制性能，采用石灰和KOH聯(lián)合處理，又發(fā)展了一種新型的鉀石灰鉆井液。這四種鈣處理鉆井液都是以Ca 2提供抑制性化學(xué)環(huán)境，使鉆井液中的鈉土轉(zhuǎn)變?yōu)殁}土，從而使粘土顆粒由高度分散轉(zhuǎn)變?yōu)檫m度絮凝。鈣處理鉆井液可在很大程度上克服細(xì)分散鉆井液的缺點(diǎn)，具有防塌、抗污染和在含有較多Ca 2時(shí)使性能保持穩(wěn)定的特點(diǎn)。低鈣含量鉆井液(Ca 2含量為120200mg1)，后來又相繼出現(xiàn)了石膏中

29、鈣含量鉆井液(Ca 2含量為3 00500mg1)和氯化鈣高鈣含量鉆井液(Ca 2含量為500mg1以上)。 鈣處理鉆井液的配制原理及特點(diǎn)Ca2通過NaCa2交換，將鈉土轉(zhuǎn)變?yōu)殁}土。鈣土水化能力弱，分散度低，故轉(zhuǎn)化后體系分散度明顯下降。轉(zhuǎn)化的程度取決于粘土的陽離子交換容量和濾液中Ca2的濃度。粘土的陽離子交換容量越高，所吸附Ca2的量就越大。同時(shí)，通過控制制濾液中Ca2的濃度，可以控制鈉土轉(zhuǎn)變?yōu)殁}土的數(shù)量，從而控制鉆井液中粘土的分散度。Ca2本身是一種無機(jī)絮凝劑，會(huì)壓縮粘土顆粒表面的擴(kuò)散雙電層，使水化膜變薄，電位下降，從而引起粘土晶片面面和端面聚結(jié)，造成粘土顆粒分散度下降。 鈣處理鉆井液在加入

30、Ca 2的同時(shí)，還必須加入NaT、FCLS和CMC等分散劑。由于這類分散劑的分子中含有大量的水化基團(tuán)，當(dāng)吸附在粘土顆粒表面后，會(huì)引起水化膜增厚，(電位增大，從而阻止粘土晶片之間的聚結(jié)和分散度降低。鈣處理鉆井液的配制原理，就是通過調(diào)節(jié)Ca2和分散劑的相對(duì)含量，使鉆井液處于適度絮凝的粗分散狀態(tài)，從而使其性能能夠保持相對(duì)穩(wěn)定，并達(dá)到滿足鉆井工藝要求的目的。粘土類型和Ca2+質(zhì)量濃度對(duì)吸附量和影響1-膨潤(rùn)土；2-低造漿率粘土 使鉆井液處于適度絮凝的粗分散狀態(tài)有兩條途徑：一是在分散鉆井液中同時(shí)加入適量的鈣鹽(或石灰)和分散劑，使圖中的(a)變?yōu)?d)；二是在受鈣侵后處于絮凝狀態(tài)的鉆井液中及時(shí)加入分散劑，

31、使圖中的(b)變?yōu)?c)。在適度絮凝的粗分散狀態(tài)中，其絮凝和分散程度也有所區(qū)別，正如圖中的(c)和(d)之間的相互轉(zhuǎn)化，加入分散劑可使顆粒變細(xì)，絮凝程度降低；反之加鈣鹽則使顆粒變粗，絮凝程度提高。 鈣處理鉆井液的優(yōu)點(diǎn)性能較穩(wěn)定，具有較強(qiáng)的抗鈣污染、鹽污染和粘土污染的能力。固相含量相對(duì)較少，容易在高密度條件下維持較低的粘度和切力，有利于提高鉆速。能在一定程度上抑制泥頁巖水化膨脹；濾失量較小，泥餅薄且韌性好，有利于井壁穩(wěn)定。由于鉆井液中粘土細(xì)顆粒含量較少，對(duì)油氣層的損害程度相對(duì)較小。4.2.1 Lime-Treated Fluids石灰鉆井液以石灰作為鈣源的鉆井液被稱為石灰鉆井液（ Ca2含量為1

32、20200mg/l），影響其性能的關(guān)鍵因素是Ca2濃度，而Ca2濃度主要受到石灰溶解度的影響。石灰溶解度的影響因素：石灰是一種難溶的強(qiáng)電解質(zhì)。它在水中的溶解度主要受溫度和溶液pH值的影響。溫度和NaOH含量對(duì)Ca(OH)2溶解度的影響 石灰溶解度的影響因素 隨溫度升高，石灰的溶解度反而減小 在一定溫度下，隨pH值增大石灰鉆井液中Ca 2濃度降低。一般情況下，石灰鉆井液的pH值應(yīng)控制在1112，使Ca 2含量保持在120200mg1的范圍內(nèi)。石灰鉆井液的推薦配方與性能配方性能材料名稱加量/kgm-3項(xiàng)目指標(biāo)膨潤(rùn)土80150密度/gcm-31.151.20純堿47.5漏斗粘度/s2530磺化栲膠4

33、12靜切力/Pa01.0/1.04.0鐵鉻鹽69API濾失量/ml510石灰515HTHP濾失量/ml20CMC或淀粉59濾餅厚度/mm0.51.0NaOH38pH值1112過量石灰1015含砂量/%1.0石灰鉆井液經(jīng)常是在原有分散鉆井液基礎(chǔ)上經(jīng)轉(zhuǎn)化而形成。轉(zhuǎn)化程序?yàn)椋合燃尤胍欢康乃越档凸滔嗪浚缓笸瑫r(shí)加入石灰、燒堿和稀釋劑。以上各組分的加量均需通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)確定，整個(gè)處理過程大約在一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)完成。若需要，再補(bǔ)充適量降濾失劑。石灰鉆井液的使用要點(diǎn)4.2.2 Gypsum Treated Fluids石膏鉆井液石膏鉆井液的特點(diǎn)：選用石膏作為絮凝劑，分別用鐵鉻鹽和CMC作為稀釋劑和降濾失劑

34、，維持pH值在9.510.5范圍內(nèi)，濾液中Ca2含量約為600-1 200mgl，即可配制成石膏鉆井液。 石膏鉆井液的使用要點(diǎn)：與石灰鉆井液相似，石膏鉆井液也常由分散鉆井液轉(zhuǎn)化而成。 由于石膏的溶解度比石灰大得多，因而石膏鉆井液具有比石灰鉆井液更高的Ca 2含量。這種情況下，鉆井液的絮凝程度必然增大，相應(yīng)地所需稀釋劑和降濾失劑的加量也應(yīng)有所增加，才能使性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求并保持穩(wěn)定。顯然，與石灰鉆井液相比，石膏鉆井液具有更強(qiáng)的抗鹽污染和石膏污染的能力。與石灰相比，石膏的溶解度受pH值的影響較小。這樣，石膏鉆井液的pH值和堿度可維持較低，又由于Ca 2含量較高，因而更有利于抑制粘土的水化膨脹和分散，

35、即防塌效果明顯優(yōu)于石灰鉆井液。因此，該類鉆井液多用于鉆厚的石膏層和容易坍塌的泥頁巖地層。石膏鉆井液具有比石灰鉆井液更高的抗溫能力，其發(fā)生固化的臨界溫度在175左右，明顯高于石灰鉆井液。據(jù)資料報(bào)導(dǎo)，它可以在某些5 000m以上的井段使用。石膏鉆井液的推薦配方與性能 配方性能材料名稱加量/kgm-3項(xiàng)目指標(biāo)膨潤(rùn)土80130密度/gcm-31.151.20純堿46.5漏斗粘度/s2530鐵鉻鹽1218靜切力/Pa01.0/1.05.0燒堿24.5API濾失量/ml58CMC34HTHP濾失量/ml20磺化栲膠視需要而定濾餅厚度/mm0.51.0石膏1220pH值9.510.5重晶石視需要而定含砂量/

36、%1.0 石膏鉆井液的使用要點(diǎn)與石灰鉆井液相似，石膏鉆井液也常由分散鉆井液轉(zhuǎn)化而成。轉(zhuǎn)化時(shí)，首先加入適量淡水，以防止鉆井液過稠，所需水量可根據(jù)實(shí)驗(yàn)確定。然后，在12個(gè)循環(huán)周期內(nèi)加入約4 kgm3的燒堿、1015kgm3的鐵鉻鹽和1218kgm3的石膏。在添加以上處理劑之后，再在12個(gè)循環(huán)周期內(nèi)加入34.5kgm3的降濾失劑CMC。有時(shí)若要將高pH值鉆井液或石灰鉆井液轉(zhuǎn)化為石膏鉆井液，則需加更多的淡水進(jìn)行稀釋，并將石膏和稀釋劑的加量適當(dāng)提高，此時(shí)不必再加入燒堿。4.2.3 Calcium Chloride氯化鈣鉆井液氯化鈣鉆井液的特點(diǎn) ： 在這類鈣處理鉆井液中，使用CaCl2作為絮凝劑，一般仍分

37、別選用鐵鉻鹽和CMC等作稀釋劑和降濾失劑，并用石灰調(diào)節(jié)pH值，使pH值保持在910之間。美國(guó)和俄羅斯都使用過這種高鈣鉆井液，多用于易卡鉆、易坍塌的泥頁巖地層，其濾液中Ca2濃度一般在1 0003 500mgl范圍內(nèi)。我國(guó)成功地將褐煤堿液應(yīng)用于該類鉆井液中，形成了具有特色的褐煤-CaCl2鉆井液體系。 氯化鈣鉆井液具有更強(qiáng)的穩(wěn)定井壁和抑制泥頁巖坍塌及造漿的能力。有利于維持較低的密度， 但濾失量容易增大。由于體系中Ca 2含量很高，因此與前兩類鈣處理鉆井液相比，它具有更強(qiáng)的穩(wěn)定井壁和抑制泥頁巖坍塌及造漿的能力。由于鉆井液中固相顆粒絮凝程度較大，分散度較低，因而流動(dòng)性好，固控過程中鉆屑比較容易清除，

38、有利于維持較低的密度，可對(duì)提高機(jī)械鉆速及保護(hù)油氣層提供良好的條件。另一方面，正是由于Ca 2+含量高，嚴(yán)重影響了粘土懸浮體的穩(wěn)定性，粘度和切力容易上升，濾失量也容易增大，從而增加了維護(hù)處理的難度。褐煤-氯化鈣鉆井液的典型配方、性能及維護(hù)配方性能材料名稱加量/kgm-3項(xiàng)目指標(biāo)膨潤(rùn)土80130密度/gcm-31.151.20純堿35漏斗粘度/s1824褐煤堿劑500左右API濾失量/ml58CaCl2510濾餅厚度/mm0.51.0CMC36pH值1011.5重晶石視需要而定靜切力/Pa01.0/1.04.04.2.4 鉀石灰鉆井液簡(jiǎn)介鉀石灰鉆井液是在石灰鉆井液基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種更有利于防塌的

39、鈣處理鉆井液。該類鉆井液在組成上的改進(jìn)包括以下兩方面：用改性淀粉取代了原石灰鉆井液中使用的強(qiáng)分散劑鐵鉻鹽，從而使鉆井液中粘土和鉆屑的分散程度減弱，改性淀粉在井壁上的吸附有利于增強(qiáng)防塌效果。由于pH值和石灰含量均有所降低，因而克服了石灰鉆井液的高溫固化問題。用KOH控制鉆井液的堿度，而不再使用NaOH。K提高了鉆井液的抑制性。 5. Non-Dispersed non-inhibited Systems(不分散非抑制性體系)Lower solids（低固相）and lower densities low loss of circulation and high penetrationFlow p

40、roperties better hole cleaning Shear thinning lower bit viscositiesPolymer Treated Systems）聚合物鉆井液廣義地講，凡是使用線型水溶性聚合物作為處理劑的鉆井液體系都可稱為聚合物鉆井液。但通常是將聚合物作為主處理劑或主要用聚合物調(diào)控性能的鉆井液體系稱為聚合物鉆井液。 Polymer Treated Systems）聚合物鉆井液5.1 聚合物鉆井液概述發(fā)展概況清水 提高機(jī)械鉆速聚丙烯酰胺(簡(jiǎn)稱PAM) 部分水解聚丙烯酰胺(簡(jiǎn)稱PHPA或PHP)和醋酸乙烯酯馬來酸酐共聚物(簡(jiǎn)稱VAMA) 帶陽離子基團(tuán)的陽離子聚合

41、物和分子鏈中同時(shí)帶陰離子基團(tuán)、陽離子基團(tuán)和非離子基團(tuán)的兩性離子聚合物處理劑 聚合物鉆井液的特點(diǎn)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，與其它水基鉆井液相比，聚合物鉆井液具有如下特點(diǎn)：(1)固相含量低，且亞微米（1微米）粒子所占比例也低 （6%）細(xì)分散80%）。(2)具有良好的流變性，主要表現(xiàn)為較強(qiáng)的剪切稀釋性和適宜的流型。聚合物鉆井液體系中形成的結(jié)構(gòu)由顆粒之間的相互作用、聚合物分子與顆粒之間的橋聯(lián)作用以及聚合物分子之間的相互作用所構(gòu)成。(3)鉆井速度高。 (4)穩(wěn)定井壁的能力較強(qiáng)，井徑比較規(guī)則。 (5)對(duì)油氣層的損害小，有利于發(fā)現(xiàn)和保護(hù)產(chǎn)層。 (6)可防止井漏的發(fā)生。 (7)鉆井成本低。 不分散低固相聚合物鉆

42、井液的性能指標(biāo)所謂“不分散”具有兩個(gè)含義：其一是指組成鉆井液的粘土顆粒盡量維持在130m范圍內(nèi)，不要向小于1m的方向發(fā)展；其二是指混入這種鉆井液體系的鉆屑不容易分散變細(xì)。所謂“低固相”是指低密度固相(主要指粘土礦物類)的體積分?jǐn)?shù)要在鉆井工程允許的范圍內(nèi)維持到最低。(1)固相含量(主要指低密度的粘土和鉆屑，不包括重晶石)應(yīng)維持在4(體積分?jǐn)?shù))或更小，大約相當(dāng)于密度小于1.06gcm3。這是核心指標(biāo)，是提高鉆速的關(guān)鍵，應(yīng)盡力做到。(2)鉆屑與膨潤(rùn)土的比例不超過2:1。鉆井液中應(yīng)含有一定量的膨潤(rùn)土，其加量在保證建立各項(xiàng)鉆井液所必需性能的前提下越低越好。一般認(rèn)為不能少于1，1.31.5比較合適。(3)

43、動(dòng)切力(Pa)與塑性粘度(mPas)之比控制在0.48左右。這是為了滿足低返速(如0.6m/s)攜砂的要求，保證鉆井液在環(huán)形空間實(shí)現(xiàn)平板型層流而規(guī)定的。(4)非加重鉆井液的動(dòng)切力應(yīng)維持在1.53Pa。動(dòng)切力是鉆井液攜帶鉆屑的關(guān)鍵參數(shù)，為保證良好的攜帶能力，首先必須滿足動(dòng)切力的要求。對(duì)加重鉆井液應(yīng)注意保證重晶石的懸浮。(5)濾失量控制應(yīng)視具體情況而定。在穩(wěn)定井壁的前提下，可適當(dāng)放寬，以利提高鉆速。在易坍塌地層，應(yīng)當(dāng)從嚴(yán)。(6)優(yōu)化流變參數(shù)，若采用卡森模式，要求c0.53Pa，Im(剪切稀釋指數(shù))300600。(7)在整個(gè)鉆井過程中應(yīng)盡量不用分散劑。不分散低固相聚合物鉆井液的典型性能參數(shù)密度gcm

44、-3 固相含量 g1 -1膨潤(rùn)土含量gl -1 巖屑：膨潤(rùn)土 動(dòng)切力Pa塑性粘度 mPas動(dòng)塑比Pa(mPas) -1 1.03 1.04 1.05 1.07 1.08 57.0 77.O 96.9 116.9 136.8 28.5 34.2 39.5 42.8 45.8 1:1 1.3:1 1.4:1 1.7:l 2:l 1.5 2.0 2.0 2.5 3.0 3 4 6 8 10 O.5 0.5 0.4 0.4 0.3不分散低固相鉆井液的配制清洗鉆井液罐。配新漿應(yīng)徹底清除罐底沉砂用純堿除去配漿水中的Ca 2+按以下配方配制基漿：1723kgm3的優(yōu)質(zhì)膨潤(rùn)土或用量相當(dāng)?shù)念A(yù)水化膨潤(rùn)土漿，加0.

45、02kg/m3的雙功能聚合物必要時(shí)，加入0.31.5kgm3的純堿，使膨潤(rùn)土充分水化測(cè)定新配制的基漿性能，并調(diào)整到下述范圍內(nèi)：漏斗粘度 3030s 塑性粘度 47mPas動(dòng)切力 4 Pa 靜切力(1010) 1213 PaAPI濾失量 1530ml聚合物處理劑的主要作用機(jī)理橋聯(lián)與包被作用：當(dāng)一個(gè)高分子同時(shí)吸附在幾個(gè)顆粒上，而一個(gè)顆粒又可同時(shí)吸附幾個(gè)高分子時(shí)，就會(huì)形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，聚合物的這種作用稱為橋聯(lián)作用。當(dāng)高分子鏈吸附在一個(gè)顆粒上，并將其覆蓋包裹時(shí)，稱為包被作用。橋聯(lián)和包被是聚合物在鉆井液中的兩種不同的吸附狀態(tài)。實(shí)際體系中，這兩種吸附狀態(tài)不可能嚴(yán)格分開，一般會(huì)同時(shí)存在，只是以其中一種狀態(tài)為主而

46、已。吸附狀態(tài)不同，產(chǎn)生的作用也不同，如橋聯(lián)作用易導(dǎo)致絮凝和增粘等，而包被作用對(duì)抑制鉆屑分散有利。 絮凝作用：當(dāng)聚合物在鉆井液中主要發(fā)生橋聯(lián)吸附時(shí)，會(huì)將一些細(xì)顆粒聚結(jié)在一起形成粒子團(tuán)，這種作用稱為絮凝作用，相應(yīng)的聚合物稱為絮凝劑。根據(jù)絮凝效果和對(duì)鉆井液性能的影響，絮凝劑又可分為兩類：一是全絮凝劑，能同時(shí)絮凝鉆屑、劣質(zhì)土和蒙脫土，如非離子型聚合物PAM就屬于此類；二是選擇性絮凝劑，只絮凝鉆屑和劣質(zhì)土，不絮凝蒙脫土，如離子型聚合物PHPA、VAMA就屬于此類。當(dāng)絮凝劑能提高鉆井液粘度時(shí)，稱為增效型選擇性絮凝劑，而對(duì)粘度影響不大時(shí)稱為非增效型選擇性絮凝劑。選擇性絮凝的機(jī)理是：鉆屑和劣質(zhì)土顆粒的負(fù)電性較

47、弱，蒙脫土的負(fù)電性較強(qiáng)。選擇性絮凝劑也帶負(fù)電，由于靜電作用易在負(fù)電性弱的鉆屑和劣質(zhì)土上吸附，通過橋聯(lián)作用將顆粒絮凝成團(tuán)塊而易于清除；而在負(fù)電性較強(qiáng)的蒙脫土顆粒上吸附量較少，同時(shí)由于蒙脫土顆粒間的靜電排斥作用較大而不能形成密實(shí)團(tuán)塊，橋聯(lián)作用所形成的空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)還能提高蒙脫土的穩(wěn)定性。PHPA 相對(duì)分子量和水解度對(duì)絮凝能力的影響增粘作用 ：增粘劑多用于低固相和無固相水基鉆井液，以提高懸浮力和攜帶力。 降濾失作用：鉆井液濾失量的大小主要決定于泥餅的質(zhì)量(滲透率)和濾液的粘度。降濾失作用主要是通過降低泥餅的滲透率來實(shí)現(xiàn)的。 抑制與防塌作用：聚合物在鉆屑表面的包被吸附是阻止鉆屑分散的主要原因。 降粘作用

48、：降粘劑就是拆散部分結(jié)構(gòu)而起降粘作用。 5.2 anion-polyme陰離子聚合物鉆井液主要處理劑聚丙烯酰胺(Polyacrylamide)及其衍生物是用得最多且比較理想的一類處理劑。 鉆井液中使用的主要有：一種是100500萬，主要作為絮凝劑；再一種是10萬90萬，為降濾失劑；第三種是10萬以下，主要用在缺少優(yōu)質(zhì)粘土?xí)r作為穩(wěn)定劑，或與相對(duì)分子質(zhì)量較高的聚丙烯酰胺配合使用，作為選擇性絮凝和降濾失劑。部分水解聚丙烯酰胺 部分水解聚丙烯酰胺(簡(jiǎn)稱PHPA或PHP)是由聚丙烯酰胺水溶液加堿水解制得。 控制濾失量和提粘堵漏時(shí)：水解度為6070的PHPA，而絮凝時(shí)：2040的PHPA。 水解度為30絮

49、凝劑水解聚丙烯腈(鈉鹽)水解聚丙烯腈(鈉鹽)是由腈綸(實(shí)際使用的是腈綸廢料)在堿水溶液中水解后的產(chǎn)物，水解溫度一般為95-100。腈綸的主要成分是聚丙烯腈。 一般產(chǎn)品的平均相對(duì)分子質(zhì)量為12.520萬，平均聚合度n為23503760。聚丙烯腈不溶于水，不能直接用于處理鉆井液。鉆井液用的水解聚丙烯腈(鈉鹽)是水溶性的。丙烯酸鈉鏈節(jié)數(shù)和丙烯酰胺鏈節(jié)數(shù)的和與總聚合度之比，即(yz)(x+y+z)，稱為水解度。實(shí)際上水解聚丙烯腈(鈉鹽)是丙烯酸鈉、丙烯酰胺和丙烯腈的共聚物，因而也可由丙烯酸鈉、丙烯酰胺和丙烯腈三種單體共聚制得。水解聚丙烯腈(鈉鹽)主要用做降濾失劑。水解度和聚合度是影響降濾失效果的主要因

50、素。實(shí)驗(yàn)證明，羧基含量在7080時(shí)降濾失效果最好。因?yàn)樗舛冗^大，會(huì)影響在粘土上的吸附；而水解度過小，水化能力不夠強(qiáng)。因此，生產(chǎn)時(shí)控制適當(dāng)?shù)乃鈼l件是十分重要的。聚合度較高的水解聚丙烯腈(鈉鹽)的降濾失能力比較強(qiáng)，但增加鉆井液粘度的作用也比較強(qiáng)；聚合度較低的水解聚丙烯腈(鈉鹽)的降濾失能力比較弱，增加鉆井液粘度的作用也相應(yīng)較弱。一般選用1的水解聚丙烯腈(鈉鹽)溶液的粘度作為判斷標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)證明，1水溶液的粘度在716mPa.s，適用于控制低含鹽量和中等含鹽量的鉆井液的濾失量；粘度高于上述范圍時(shí)，適用于控制高含鹽量鉆井液的濾失量。水解聚丙烯腈銨鹽水解聚丙烯腈銨鹽(簡(jiǎn)稱NPAN或NH4HPAN)是由

51、腈綸廢料在高溫高壓下水解而制得的產(chǎn)品，故也稱為高壓水解聚丙烯腈。NPAN是一種抗高溫降濾失劑。由于可提供NH4+，抑制粘土分散的能力很強(qiáng)，因此也是一種較好的防塌劑。其使用濃度一般為0.30.4。 聚丙烯酸鈣聚丙烯酸鈣不溶于水，使用時(shí)必須加Na2CO3或NaOH，使分子中的羧酸鈣部分地轉(zhuǎn)化為羧酸鈉，因此實(shí)際應(yīng)用時(shí)分子中亦存在-COONa基。相對(duì)分子質(zhì)量和各基團(tuán)的比例是影響性能的重要因素。現(xiàn)場(chǎng)常用的一個(gè)產(chǎn)品是以相對(duì)分子質(zhì)量150350萬的聚丙烯酰胺為原料，在堿性環(huán)境中水解，當(dāng)水解度達(dá)60以上后，加CaCl2溶液交聯(lián)聚沉而制得的。聚丙烯酸鈣是一種抗高Ca2+、Mg2+的降濾失劑，且具有改善鉆井液流變

52、性的性能?；羌谆郾０?SPAM)一般磺化度為70左右。引入磺酸基后，可明顯提高耐鹽能力和抗溫能力。因此，SPAM是一種性能良好的高溫降濾失劑，同時(shí)具有一定的防塌和改善鉆井液流變性的能力。如在密度為1.06 gcm3的膨潤(rùn)土原漿中加入3的SPAM，可使動(dòng)塑比由0.6提高到3.64。 5.3 聚合物清水鉆井液(1)無固相聚合物鉆井液 試驗(yàn)表明，使用無固相聚合物鉆井液(又稱清水鉆井液)可達(dá)到最高的鉆速，但要實(shí)現(xiàn)無固相的清水鉆進(jìn)，必須注意解決以下三個(gè)方面的問題：一是必須使用高效絮凝劑使鉆屑始終保持不分散狀態(tài)，在地面循環(huán)系統(tǒng)中發(fā)生絮凝而全部清除；二是要有一定的提粘措施，并能夠按工程上的要求，實(shí)現(xiàn)

53、平板型層流并能順利地?cái)y帶巖屑；三是有一定的防塌措施，以保證井壁的穩(wěn)定。生物聚合物和聚丙烯酰胺及其衍生物是配制無固相鉆井液較理想的處理劑。使用聚丙烯酰胺及其衍生物作無固相鉆井液處理劑，要求其相對(duì)分子質(zhì)量應(yīng)大于100萬，最好超過300萬，水解度應(yīng)小于40；加入適量無機(jī)離子，如可溶性鈣鹽、鉀鹽、銨鹽和鋁鹽等。這些無機(jī)鹽有助于絮凝分散好的粘土，同時(shí)可提高防塌能力?，F(xiàn)場(chǎng)配制與維護(hù)的要點(diǎn)如下：配聚合物溶液。先用純堿將水中的Ca 2除去(每除掉1mg1的Ca 2，需純堿4.29gm3)，以增加聚合物的溶解度，然后加入聚合物絮凝劑，一般加量為6 kgm3。處理清水鉆井液。將配好的聚合物溶液入清水鉆井液中，噴入

54、位置可以在流管頂部或振動(dòng)篩底部。噴入速度取決于井眼大小和鉆速。促進(jìn)絮凝。加適量石灰或CaCl2，通過儲(chǔ)備池循環(huán)，避免攪拌，讓鉆屑盡量沉淀。適當(dāng)清掃。在接單根或起下鉆時(shí)，用增粘劑與清水配幾立方米粘稠的清掃液打入循環(huán)，以便把環(huán)空中堆積的巖屑清掃出來。只要保證上水池內(nèi)的清水清潔，即可獲得最大鉆速。6. Non-Dispersed Inhibited Systems(不分散抑制體系)calcium ions, lime or gypsum（石灰或石膏）salt-sodium chloride or potassium chloride（氯化鈉或氯化鉀）Polymers such as Polysaec

55、harides（聚糖）Polyanionic cellulose（聚陰離子纖維素）Hydrolysed polyacrylamide（水解聚丙烯酰胺）Inhibitor-抑制劑： Canadian IDBOND Polymer-Potassium Chloride SystemFig.7-1: Diagram to illustrate the structure of shale. Water associated with the clay particlesShales ：clay minerals, with associated minerals such as sand grains, feldspars and carbonates. The grain to grain contact is born by the associated minerals and the interstitial space is occupied by hydrated packets of clay minerals orientated with the basal plane parallel to the sedimentary plane.6.1 Cati