第六章鉆井液固控和聚合物鉆井液課件

第六章鉆井液固控和聚合物鉆井液《鉆井液工藝原理》講義第六章《鉆井液工藝原理》講義1第一節(jié)鉆井液固控第一節(jié)鉆井液固控2一、鉆井液中固相物質(zhì)的分類(lèi)鉆井液中的固相（或稱(chēng)團(tuán)體）物質(zhì)，除按其作用分為有用固相和無(wú)用固相外，還有以下幾種不同的分類(lèi)方法：一、鉆井液中固相物質(zhì)的分類(lèi)鉆井液中的固相（或稱(chēng)團(tuán)體）31.按固相密度分類(lèi)（1）高密度固相主要指密度為4.2g/cm3的重品石，還有其它加重材料。（2）低密度固相膨潤(rùn)土、鉆屑、不溶性的處理劑，一般認(rèn)為這部分固相的平均密度為2.6g/cm3。1.按固相密度分類(lèi)（1）高密度固相42.按固相性質(zhì)分類(lèi)

(1)活性固相容易發(fā)生水化作用以及與液相中其它組分發(fā)生反應(yīng)，主要指膨潤(rùn)土。（2）惰性固相包括砂巖、石灰?guī)r、長(zhǎng)石、重晶石以及造漿率極低的粘土等。除重晶石外，其余的惰性固相均被認(rèn)為是有害固相，即固控過(guò)程中需清除的物質(zhì)。2.按固相性質(zhì)分類(lèi)(1)活性固相53.按固相粒度分類(lèi)根據(jù)美國(guó)石油學(xué)會(huì)(API)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，可將鉆井液中的固相按粒度大小分為三大類(lèi)：(1)粘土（或稱(chēng)膠粒）：粒徑<2μm(2)泥:粒徑為2~74μm(3)砂(或稱(chēng)API砂):粒徑>74μm3.按固相粒度分類(lèi)根據(jù)美國(guó)石油學(xué)會(huì)(API)6備注：非加重鉆井液備注：非加重鉆井液7

一般情況下，非加重鉆井液中粒徑大于2000μm的粗顆粒和粒徑小于2μm的膠粒在鉆井液中所占的比例都不大。如果以74μm(相當(dāng)于通過(guò)200目篩網(wǎng))為界，大于74μm的顆粒只占3.7~25.9%，表明大多數(shù)是小于74μm的顆粒。由此可見(jiàn)，僅以含砂量（>74μm）的多少作為檢驗(yàn)鉆井液一般情況下，非加重鉆井液中粒徑大于208二、固控方法鉆井液固控有各種不同的方法：（1）機(jī)械方法（2）稀釋法（3）化學(xué)絮凝法二、固控方法鉆井液固控有各種不同的方法：9（1）機(jī)械方法固控應(yīng)首先考慮機(jī)械方法。原理：通過(guò)振動(dòng)篩、除砂器、除泥器、清潔器和離心機(jī)等機(jī)械設(shè)備，

利用篩分和強(qiáng)制沉降的原理，將鉆井液中的固相按密顆粒大小不同而分離開(kāi)，并根據(jù)需要決定取舍,以達(dá)到控制固咀的。優(yōu)點(diǎn)：處理時(shí)間短、效果好、

而且本較低。（1）機(jī)械方法固控應(yīng)首先考慮機(jī)械方法。10（2）稀釋法

稀釋法既可用清水或其它較稀的流體直接稀釋循環(huán)系統(tǒng)中的鉆井液。

如果用機(jī)械方法清除有害固相仍達(dá)不到要求,可用稀釋的方進(jìn)一步降低固相含量,有時(shí)是在固控設(shè)備缺乏或出現(xiàn)故障的情況下不得不采用這種方法。（2）稀釋法稀釋法既可用清水或其它較稀的流體直接11優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)便、見(jiàn)效快缺點(diǎn)：在稀釋的同時(shí)必須補(bǔ)充足夠的處理劑，如果是

加重鉆井液還需補(bǔ)充大的加重材料，因而使鉆

井液成本顯著增加。此外還有一部分被廢棄舊

漿的排放問(wèn)題需要考慮。優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)便、見(jiàn)效快缺點(diǎn)：在稀釋的同時(shí)必須補(bǔ)充足夠12為了盡可能降低稀釋費(fèi)用,有以下幾個(gè)般原則應(yīng)該遵循：（１）鉆井液總體積不宜保留過(guò)大（２）部分舊漿的排放應(yīng)在加水稀釋前進(jìn)行,不要邊稀釋邊排放（３）一次較大量的稀釋比分多次少量稀釋的費(fèi)用小。為了盡可能降低稀釋費(fèi)用,有以下幾個(gè)般原則應(yīng)該遵循：（１）13（3）化學(xué)絮凝法

化學(xué)絮凝法是在鉆井液中加入適量的絮凝劑，使固相細(xì)顆粒聚集成較大顆粒，然后用機(jī)械方法排除或在沉砂池中沉除，這種方法是機(jī)械方法清除固相的補(bǔ)充，兩者相輔相成。（3）化學(xué)絮凝法化學(xué)絮凝法是在鉆井液中加入適量的絮凝劑，14

化學(xué)方法還可用于清除鉆井液中過(guò)量的膨潤(rùn)土。由于膨潤(rùn)土的最大粒徑在5μm左右,而離心機(jī)一般只能清除粒徑6μm以上的顆粒,因此用機(jī)械方法無(wú)法降低鉆井液中膨潤(rùn)土的含量。顯然，在這種情況下，化學(xué)絮凝應(yīng)安排在鉆井液通過(guò)所有固控設(shè)備之后進(jìn)行。化學(xué)方法還可用于清除鉆井液中過(guò)量的膨潤(rùn)土。15第二節(jié)聚合物鉆井液一、聚合物鉆井液的理論基礎(chǔ)二、聚合物作用機(jī)理三、不分散低固相聚合物鉆井液第二節(jié)聚合物鉆井液一、聚合物鉆井液的理論基礎(chǔ)二、聚合16一、聚合物鉆井液的理論基礎(chǔ)一、鉆井液組成與性能對(duì)鉆速的影響壓持效應(yīng)巖石可鉆性強(qiáng)度循環(huán)壓耗大ρm鉆速（1）鉆井液密度ρm對(duì)鉆速的影響一、聚合物鉆井液的理論基礎(chǔ)一、鉆井液組成與性能對(duì)鉆速的影響壓17（2）粘度對(duì)鉆速的影響結(jié)論：η∞

鉆速原因：①在鉆頭噴嘴處紊流阻力小，鉆井液對(duì)井底巖石的沖擊力強(qiáng)；②更容易進(jìn)入鉆頭沖擊井底巖石時(shí)所形成的微裂縫中，有利于降低壓持效應(yīng)和井底巖石的可鉆強(qiáng)度。（2）粘度對(duì)鉆速的影響結(jié)論：η∞鉆速原因18（3）濾失量對(duì)鉆速的影響結(jié)論：瞬時(shí)濾失量Vsp越大，鉆速越高原因：①瞬時(shí)濾失量Vsp越大，進(jìn)入巖石微裂縫中的液體越多，對(duì)微裂縫的支撐作用越強(qiáng)，使微裂縫不閉合，易于破碎；②可減小壓持效應(yīng)，使巖屑及時(shí)地離開(kāi)井底，避免造成重復(fù)切削。（3）濾失量對(duì)鉆速的影響結(jié)論：瞬時(shí)濾失量Vsp越大，鉆速越高19（4）固相對(duì)鉆速的影響①固相含量結(jié)論：固相含量越高，鉆速越低。原因：固相含量越高，ρm和

η∞越大，鉆速越低。鉆速固相含量10%（4）固相對(duì)鉆速的影響①固相含量鉆速固相含量10%20（2）固相顆粒直徑結(jié)論：亞微米顆粒（粒徑<1μm）含量越高，鉆速越低。原因：亞微米（粒徑<1μm）顆粒含量越高，固相分散度越大，η∞越大，鉆速越小。（2）固相顆粒直徑21鉆速固相含量分散鉆井液不分散鉆井液（亞微米顆粒含量、大）鉆速固相含量分散鉆井液不分散鉆井液（亞微米顆粒含量、22說(shuō)明：在所有影響鉆速的因素中，固相是最主要因素。原因就在于固相不但本身對(duì)鉆速有影響，同時(shí)還影響ρm、

η∞

、Vsp。提高鉆速措施：①降低無(wú)用固相含量；②在鉆井液性能滿(mǎn)足要求的前提下，盡可能降低配漿粘土含量。說(shuō)明：在所有影響鉆速的因素中，固相是最主要因素。原因就在于固23降低固相的方法：（1）使用固控設(shè)備：振動(dòng)篩、除砂器、除泥器、離心機(jī)。（2）化學(xué)方法：使用化學(xué)絮凝劑。降低固相的方法：24二、聚合物的作用機(jī)理1、橋連與包被作用橋連作用：一個(gè)高分子同時(shí)吸附幾個(gè)粘土顆粒，而一個(gè)粘土顆粒又可同時(shí)吸附幾個(gè)高分子，從而形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的作用。其結(jié)果會(huì)導(dǎo)致鉆井液增稠及粘土顆粒絮凝。包被作用：高分子鏈吸附在一個(gè)粘土顆粒上，并將其覆蓋包裹的作用。包被作用有利于抑制鉆屑分散。二、聚合物的作用機(jī)理1、橋連與包被作用252、絮凝作用：聚合物通過(guò)橋連吸附將一些細(xì)顆粒聚結(jié)在一起形成粒子團(tuán)的作用。（1）絮凝劑：起絮凝作用的聚合物。（2）絮凝劑分類(lèi)：全絮凝劑（即絮凝有用固相又絮凝無(wú)用固相，如聚丙烯酰胺PAM）；選擇性絮凝劑（只絮凝無(wú)用固相，如部分水解聚丙烯酰胺PHPA）。2、絮凝作用：聚合物通過(guò)橋連吸附將一些細(xì)顆粒聚結(jié)在一起形成粒26PAM：—(CH2CH)—（不帶電）CONH2n—CH2CH——CH2CH—（負(fù)電）（）（）COONaCONH2PHPA：膨潤(rùn)土（負(fù)電）鉆屑（不帶電或少量負(fù)電）吸附吸附吸附不吸附PAM：—(CH2CH)—（不帶電）CONH2n273、抑制與防塌作用抑制作用：聚合物在鉆屑表面吸附包被，阻止鉆屑分散的作用。防塌作用：（1）聚合物在井壁表面發(fā)生多點(diǎn)吸附、阻止泥頁(yè)巖剝落；（2）在濃度較高時(shí)，聚合物在井壁上形成致密的吸附膜，阻止或減緩水進(jìn)入地層，減輕地層巖石的水化膨脹作用。3、抑制與防塌作用抑制作用：聚合物在鉆屑表面吸附包被，阻止鉆284、增粘作用（1）聚合物能增強(qiáng)鉆井液液相粘度（2）鉆井液通過(guò)橋連作用形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)XC、HV-CMC，PHP。4、增粘作用（1）聚合物能增強(qiáng)鉆井液液相粘度295、降濾失作用作用機(jī)理：（1）與粘土顆粒形成空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、防止細(xì)顆粒聚結(jié)變大；（2）提高粘土顆粒的水化程度；（3）聚合物分子本身起堵孔作用；（4）提高濾液粘度。舉例：水解聚丙烯晴鈉鹽（Na-PAN）5、降濾失作用作用機(jī)理：306、降粘作用

兩性離子聚合物（XY-27）磺化苯乙烯-順丁烯二酸酐共聚物（SSMA）醋酸乙烯酯-順丁烯二酸酐共聚物（VAMA）6、降粘作用兩性離子聚合物（XY-27）31三、不分散低固相聚合物鉆井液不分散：指無(wú)用固相（鉆屑）不分散低固相：低密度固相（造漿粘土和鉆屑）含量低（<4%）聚合物：選擇性絮凝劑（PHPA、VAMA）三、不分散低固相聚合物鉆井液不分散：指無(wú)用固相（鉆屑）不分散321、不分散低固相聚合物鉆井液基本組成（1）分散介質(zhì)：水（淡水、鹽水）。（2）固相：膨潤(rùn)土。（3）處理劑：選擇性絮凝劑、降失水劑。（說(shuō)明：不用或少用分散性降粘劑）1、不分散低固相聚合物鉆井液基本組成（1）分散介質(zhì)：水（淡水33（1）固相含量（不包括加重材料）一般<4%，約相當(dāng)于ρm<1.06g/cm3。這是核心指標(biāo)，是提高鉆速的關(guān)鍵。（2）鉆屑與膨潤(rùn)土含量之比≤2：1，膨潤(rùn)土含量不能少于1%，1.3-1.5%比較合適，以保證鉆井液具有合適的流變性和濾失造壁性。2、不分散低固相聚合物鉆井液主要性能指標(biāo)（1）固相含量（不包括加重材料）一般<4%，約相當(dāng)于ρm<343、，使鉆井液具有良好的剪切稀釋性及在環(huán)形空間形成平板型層流。4、對(duì)非加重鉆井液，τ0=1.5-3.0Pa，以保證鉆井液具有良好的攜帶和懸浮能力。3、35第六章鉆井液固控和聚合物鉆井液《鉆井液工藝原理》講義第六章《鉆井液工藝原理》講義36第一節(jié)鉆井液固控第一節(jié)鉆井液固控37一、鉆井液中固相物質(zhì)的分類(lèi)鉆井液中的固相（或稱(chēng)團(tuán)體）物質(zhì)，除按其作用分為有用固相和無(wú)用固相外，還有以下幾種不同的分類(lèi)方法：一、鉆井液中固相物質(zhì)的分類(lèi)鉆井液中的固相（或稱(chēng)團(tuán)體）381.按固相密度分類(lèi)（1）高密度固相主要指密度為4.2g/cm3的重品石，還有其它加重材料。（2）低密度固相膨潤(rùn)土、鉆屑、不溶性的處理劑，一般認(rèn)為這部分固相的平均密度為2.6g/cm3。1.按固相密度分類(lèi)（1）高密度固相392.按固相性質(zhì)分類(lèi)

(1)活性固相容易發(fā)生水化作用以及與液相中其它組分發(fā)生反應(yīng)，主要指膨潤(rùn)土。（2）惰性固相包括砂巖、石灰?guī)r、長(zhǎng)石、重晶石以及造漿率極低的粘土等。除重晶石外，其余的惰性固相均被認(rèn)為是有害固相，即固控過(guò)程中需清除的物質(zhì)。2.按固相性質(zhì)分類(lèi)(1)活性固相403.按固相粒度分類(lèi)根據(jù)美國(guó)石油學(xué)會(huì)(API)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，可將鉆井液中的固相按粒度大小分為三大類(lèi)：(1)粘土（或稱(chēng)膠粒）：粒徑<2μm(2)泥:粒徑為2~74μm(3)砂(或稱(chēng)API砂):粒徑>74μm3.按固相粒度分類(lèi)根據(jù)美國(guó)石油學(xué)會(huì)(API)41備注：非加重鉆井液備注：非加重鉆井液42

一般情況下，非加重鉆井液中粒徑大于2000μm的粗顆粒和粒徑小于2μm的膠粒在鉆井液中所占的比例都不大。如果以74μm(相當(dāng)于通過(guò)200目篩網(wǎng))為界，大于74μm的顆粒只占3.7~25.9%，表明大多數(shù)是小于74μm的顆粒。由此可見(jiàn)，僅以含砂量（>74μm）的多少作為檢驗(yàn)鉆井液一般情況下，非加重鉆井液中粒徑大于2043二、固控方法鉆井液固控有各種不同的方法：（1）機(jī)械方法（2）稀釋法（3）化學(xué)絮凝法二、固控方法鉆井液固控有各種不同的方法：44（1）機(jī)械方法固控應(yīng)首先考慮機(jī)械方法。原理：通過(guò)振動(dòng)篩、除砂器、除泥器、清潔器和離心機(jī)等機(jī)械設(shè)備，

利用篩分和強(qiáng)制沉降的原理，將鉆井液中的固相按密顆粒大小不同而分離開(kāi)，并根據(jù)需要決定取舍,以達(dá)到控制固咀的。優(yōu)點(diǎn)：處理時(shí)間短、效果好、

而且本較低。（1）機(jī)械方法固控應(yīng)首先考慮機(jī)械方法。45（2）稀釋法

稀釋法既可用清水或其它較稀的流體直接稀釋循環(huán)系統(tǒng)中的鉆井液。

如果用機(jī)械方法清除有害固相仍達(dá)不到要求,可用稀釋的方進(jìn)一步降低固相含量,有時(shí)是在固控設(shè)備缺乏或出現(xiàn)故障的情況下不得不采用這種方法。（2）稀釋法稀釋法既可用清水或其它較稀的流體直接46優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)便、見(jiàn)效快缺點(diǎn)：在稀釋的同時(shí)必須補(bǔ)充足夠的處理劑，如果是

加重鉆井液還需補(bǔ)充大的加重材料，因而使鉆

井液成本顯著增加。此外還有一部分被廢棄舊

漿的排放問(wèn)題需要考慮。優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)便、見(jiàn)效快缺點(diǎn)：在稀釋的同時(shí)必須補(bǔ)充足夠47為了盡可能降低稀釋費(fèi)用,有以下幾個(gè)般原則應(yīng)該遵循：（１）鉆井液總體積不宜保留過(guò)大（２）部分舊漿的排放應(yīng)在加水稀釋前進(jìn)行,不要邊稀釋邊排放（３）一次較大量的稀釋比分多次少量稀釋的費(fèi)用小。為了盡可能降低稀釋費(fèi)用,有以下幾個(gè)般原則應(yīng)該遵循：（１）48（3）化學(xué)絮凝法

化學(xué)絮凝法是在鉆井液中加入適量的絮凝劑，使固相細(xì)顆粒聚集成較大顆粒，然后用機(jī)械方法排除或在沉砂池中沉除，這種方法是機(jī)械方法清除固相的補(bǔ)充，兩者相輔相成。（3）化學(xué)絮凝法化學(xué)絮凝法是在鉆井液中加入適量的絮凝劑，49

化學(xué)方法還可用于清除鉆井液中過(guò)量的膨潤(rùn)土。由于膨潤(rùn)土的最大粒徑在5μm左右,而離心機(jī)一般只能清除粒徑6μm以上的顆粒,因此用機(jī)械方法無(wú)法降低鉆井液中膨潤(rùn)土的含量。顯然，在這種情況下，化學(xué)絮凝應(yīng)安排在鉆井液通過(guò)所有固控設(shè)備之后進(jìn)行?；瘜W(xué)方法還可用于清除鉆井液中過(guò)量的膨潤(rùn)土。50第二節(jié)聚合物鉆井液一、聚合物鉆井液的理論基礎(chǔ)二、聚合物作用機(jī)理三、不分散低固相聚合物鉆井液第二節(jié)聚合物鉆井液一、聚合物鉆井液的理論基礎(chǔ)二、聚合51一、聚合物鉆井液的理論基礎(chǔ)一、鉆井液組成與性能對(duì)鉆速的影響壓持效應(yīng)巖石可鉆性強(qiáng)度循環(huán)壓耗大ρm鉆速（1）鉆井液密度ρm對(duì)鉆速的影響一、聚合物鉆井液的理論基礎(chǔ)一、鉆井液組成與性能對(duì)鉆速的影響壓52（2）粘度對(duì)鉆速的影響結(jié)論：η∞

鉆速原因：①在鉆頭噴嘴處紊流阻力小，鉆井液對(duì)井底巖石的沖擊力強(qiáng)；②更容易進(jìn)入鉆頭沖擊井底巖石時(shí)所形成的微裂縫中，有利于降低壓持效應(yīng)和井底巖石的可鉆強(qiáng)度。（2）粘度對(duì)鉆速的影響結(jié)論：η∞鉆速原因53（3）濾失量對(duì)鉆速的影響結(jié)論：瞬時(shí)濾失量Vsp越大，鉆速越高原因：①瞬時(shí)濾失量Vsp越大，進(jìn)入巖石微裂縫中的液體越多，對(duì)微裂縫的支撐作用越強(qiáng)，使微裂縫不閉合，易于破碎；②可減小壓持效應(yīng)，使巖屑及時(shí)地離開(kāi)井底，避免造成重復(fù)切削。（3）濾失量對(duì)鉆速的影響結(jié)論：瞬時(shí)濾失量Vsp越大，鉆速越高54（4）固相對(duì)鉆速的影響①固相含量結(jié)論：固相含量越高，鉆速越低。原因：固相含量越高，ρm和

η∞越大，鉆速越低。鉆速固相含量10%（4）固相對(duì)鉆速的影響①固相含量鉆速固相含量10%55（2）固相顆粒直徑結(jié)論：亞微米顆粒（粒徑<1μm）含量越高，鉆速越低。原因：亞微米（粒徑<1μm）顆粒含量越高，固相分散度越大，η∞越大，鉆速越小。（2）固相顆粒直徑56鉆速固相含量分散鉆井液不分散鉆井液（亞微米顆粒含量、大）鉆速固相含量分散鉆井液不分散鉆井液（亞微米顆粒含量、57說(shuō)明：在所有影響鉆速的因素中，固相是最主要因素。原因就在于固相不但本身對(duì)鉆速有影響，同時(shí)還影響ρm、

η∞

、Vsp。提高鉆速措施：①降低無(wú)用固相含量；②在鉆井液性能滿(mǎn)足要求的前提下，盡可能降低配漿粘土含量。說(shuō)明：在所有影響鉆速的因素中，固相是最主要因素。原因就在于固58降低固相的方法：（1）使用固控設(shè)備：振動(dòng)篩、除砂器、除泥器、離心機(jī)。（2）化學(xué)方法：使用化學(xué)絮凝劑。降低固相的方法：59二、聚合物的作用機(jī)理1、橋連與包被作用橋連作用：一個(gè)高分子同時(shí)吸附幾個(gè)粘土顆粒，而一個(gè)粘土顆粒又可同時(shí)吸附幾個(gè)高分子，從而形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的作用。其結(jié)果會(huì)導(dǎo)致鉆井液增稠及粘土顆粒絮凝。包被作用：高分子鏈吸附在一個(gè)粘土顆粒上，并將其覆蓋包裹的作用。包被作用有利于抑制鉆屑分散。二、聚合物的作用機(jī)理1、橋連與包被作用602、絮凝作用：聚合物通過(guò)橋連吸附將一些細(xì)顆粒聚結(jié)在一起形成粒子團(tuán)的作用。（1）絮凝劑：起絮凝作用的聚合物。（2）絮凝劑分類(lèi)：全絮凝劑（即絮凝有用固相又絮凝無(wú)用固相，如聚丙烯酰胺PAM）；選擇性絮凝劑（只絮凝無(wú)用固相，如部分水解聚丙烯酰胺PHPA）。2、絮凝作用：聚合物通過(guò)橋連吸附將一些細(xì)顆粒聚結(jié)在一起形成粒61PAM：—(CH2CH)—（不帶電）CONH2n—CH2CH——CH2CH—（負(fù)電）（）（）COONaCONH2PHPA：膨潤(rùn)土（負(fù)電）鉆屑（不帶電或少量負(fù)電）吸附吸附吸附不吸附PAM：—(CH2CH)—（不帶電）CONH2n623、抑制與防塌作用抑制作用：聚合物在鉆屑表面吸附包被，阻止鉆屑分散的作用。防塌作用：（1）聚合物在井壁表面發(fā)生多點(diǎn)吸附、阻止泥頁(yè)巖剝落；（2）在濃度較高時(shí)，聚合物在井壁上形成致密的吸附膜，阻止或減緩水進(jìn)入地層，減輕地層巖石的水化膨脹作用。3、抑制與防塌作用抑制作用：聚合物在鉆屑表面吸附包被，阻止鉆634、增粘作用（1）聚合物能增強(qiáng)鉆井液液相粘