超深井抗高溫鉆井液

超深井抗高溫鉆井液一般情況下5、6千米以上的井都稱為超深井。我國已成功鉆探多口超深井。常用超深井鉆井液有水基鉆井液和油基鉆井液，國內(nèi)一般用水基鉆井液。7、8千米的超深井地溫可達(dá)200－250度，（地溫梯度一般為每百米3度），壓力可達(dá)15－20Mpa，所以超深井對(duì)鉆井液的性能影響比較大。第一節(jié)：高溫對(duì)鉆井液中的粘土的影響高溫分散作用粘土的高溫分散：高溫促進(jìn)鉆井液中的粘土粒子分散，使分散度增大。粘土粒子濃度增大的現(xiàn)象稱為粘土的高溫分散。其表現(xiàn)為粘度增大。主要原因：①高溫增強(qiáng)了水分子滲入粘土內(nèi)部的能力；②高溫使粘土表面的陽離子擴(kuò)散能力增強(qiáng)，擴(kuò)散雙電層增厚，電位提高，有利于分散；③高溫使粘土礦物的片狀微粒運(yùn)動(dòng)加劇，有利于分散。影響高溫分散的因素有：①粘土的種類，它是影響高溫分散作用強(qiáng)弱的決定因素，易水化的高溫分散強(qiáng)，不易水化的高溫分散弱；②所經(jīng)受的溫度及作用時(shí)間；③PH值有利于高溫分散，因?yàn)镺H－的存在有利于粘土的水化，而粘土高溫水化的同時(shí)PH值降低；④鈣、鎂、鋁、鐵、鉻、鋅等高價(jià)離子不利于粘土分散，它對(duì)粘土分散有抑制作用；⑤處理劑的影響，凡對(duì)高溫分散有抑制能力的處理劑都能抑制高溫分散作用，如磺甲基類、磺酸鹽類。高溫鈍化作用高溫鈍化：鉆井液中粘土粒子經(jīng)高溫作用后，表面活性降低的現(xiàn)象稱為高溫鈍化。產(chǎn)生鈍化的機(jī)理認(rèn)為是：粘土礦物表面或者是表面和內(nèi)部都與鉆井液中鈣離子、氫氧根離子等發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生水化硅酸鈣，使粘土呈現(xiàn)較大的惰性，而溫度則加速這個(gè)反應(yīng)進(jìn)行，同時(shí)在溫度高于150度時(shí)，反應(yīng)會(huì)深入礦物晶體內(nèi)部，其表現(xiàn)為塑性粘度增加的同時(shí)屈服值和切力卻增加不多，有時(shí)甚至降低，在含有鈣、鎂、鋁、鐵、鉻、鋅等高價(jià)離子時(shí)更加明顯，剩余力場（表面活性）有所降低。第二節(jié)：高溫對(duì)鉆井液處理劑的影響高溫降解作用：有機(jī)高分子化合物受高溫作用而裂解稱為高溫降解。高溫降解包括使高分子主鏈斷裂和使親水基團(tuán)與主鏈連接鍵斷裂兩方面，前者大大降低處理劑的分子量，甚至使之失去高分子性質(zhì)；后者使處理劑親水性降低，二者都會(huì)使處理劑效能大幅度降低，以至完全失效。影響高溫降解的因素有溫度和作用時(shí)間外，主要取決于處理劑的分子結(jié)構(gòu)。高溫降解對(duì)鉆井液性能的影響可能有增稠、膠凝、固化，也可能是減稠、失水猛增等。磺甲基酚醛樹脂抗溫220－230度以上腐植酸及其衍生物抗溫200－230度以上，水解聚丙烯腈抗溫200－230度，磺甲基丹寧抗溫在180－200度。高溫交聯(lián)作用：處理劑分子結(jié)構(gòu)中存在的各種不飽和鍵和活性基團(tuán)，在高溫作用下產(chǎn)生交聯(lián)、增大分子量，這種現(xiàn)象稱為高溫交聯(lián)，由于反應(yīng)結(jié)果增大了分子量，故它可看成為是與高溫降解相反的作用。木質(zhì)素及其衍生物、腐植酸及其衍生物、栲膠及其衍生物、合成樹脂處理劑等分子中含有大量的可供交聯(lián)反應(yīng)的官能團(tuán)和活性基團(tuán)。高溫交聯(lián)反應(yīng)對(duì)鉆井液性能的影響有好壞兩種：若交聯(lián)過頭生成體型高分子，將鉆井液喪失流動(dòng)性，且失水猛增，鉆井液完全破壞；若交聯(lián)適當(dāng)，則可相當(dāng)于將處理劑進(jìn)一步改性增效，鉆井液因高溫反而變好，表現(xiàn)為高溫后性能穩(wěn)定，失水下降。第三節(jié)：高溫所引起的物理化學(xué)變化高溫解吸附作用：在高溫條件下處理劑在粘土表面的吸附量將大大降低，結(jié)果由于粘土粒子失去了處理劑的保護(hù)，使粘土的高溫分散、鈍化、膠凝等作用無阻礙地進(jìn)行，鉆井液喪失熱穩(wěn)定性。吸附與解吸附是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡過程。高溫去水化作用：高溫會(huì)降低粘土粒子表面和處理劑親水基團(tuán)的水化能力，減薄其水化膜厚度，這種作用稱高溫去水化作用。溫度、親水基團(tuán)、PH值、礦化條件等都直接影響高溫去水化作用。高溫去水化作用的結(jié)果大大降低處理劑分子對(duì)粘土的保護(hù)，導(dǎo)致失水量增大，并使高溫膠凝、高溫固化發(fā)生。高溫降粘作用：溫度升高，液相粘度降低，鉆井液中各種粒子熱運(yùn)動(dòng)加劇，流動(dòng)阻力減少，粘度降低。高溫加劇可溶性鹽類對(duì)鉆井液的侵污。高溫下鉆井液對(duì)鹽類的侵污比較敏感。第四節(jié)：高溫對(duì)鉆井液性能的影響不可逆的性能變化：由于高溫分散、鈍化作用和高溫降解、交聯(lián)作用引起的鉆井液高溫增稠、高溫膠凝、高溫固化、高溫減稠以及失水量上升、泥餅增厚等屬于不可逆的變化。不可逆性能變化關(guān)系到鉆井液性能的熱穩(wěn)定性，是抗高溫鉆井液首先考慮的問題！高溫增稠：鉆井液在高溫條件下粘度、切力、屈服值上升的現(xiàn)象。它是高溫分散的必然結(jié)果，與土的性質(zhì)、土的多少有密切關(guān)系。高溫膠凝：當(dāng)粘土含量大到一定的數(shù)值，高溫分散造成鉆井液中粘土粒子的濃度很大，片狀粘土粒子之間的距離很近，在高溫去水化作用下它們彼此粘結(jié)形成布滿整個(gè)容積的連續(xù)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，即膠凝，這個(gè)過程稱為高溫膠凝。高溫固化：在高溫膠凝的同時(shí)，若粘土粒子相結(jié)合的部位產(chǎn)生了水化硅酸鈣（類似于水泥硬化物質(zhì)），彼此就會(huì)固結(jié)成具有一定的強(qiáng)度，這種現(xiàn)象稱為高溫固化。高溫減稠：當(dāng)粘土含量較少土質(zhì)較差時(shí)，即使高溫分散后粘土粒子的濃度、粒子之間的距離仍然較大，但由于粘土的鈍化而使屈服值、切力減小，當(dāng)屈服值減小導(dǎo)致表觀粘度降低時(shí)便出現(xiàn)高溫減稠現(xiàn)象。具體每種鉆井液在高溫條件下會(huì)出現(xiàn)什么現(xiàn)象取決于下列因素：土的類型、土的數(shù)量、高價(jià)金屬離子的存在與否及其濃度、PH值、處理劑的抗溫能力以及溫度的高低、溫度的作用時(shí)間等。2、可逆的性能變化由于高溫解吸附、高溫去水化和高溫降粘作用所引起的鉆井液失水增大、粘度降低等屬于可逆的變化?？赡孀兓阢@井液循環(huán)過程中的性能變化是超深井鉆井液應(yīng)該考慮的第二方面的問題！第五節(jié)：高溫鉆井液處理劑的作用原理1、對(duì)抗高溫處理劑的要求：高溫穩(wěn)定性好，高溫條件下不易降解；對(duì)粘土粒子有較強(qiáng)的吸附能力，受高溫影響??；抗高溫稀釋劑必須能抑制粘土的高溫分散；有較強(qiáng)的親水基團(tuán)，使處理劑在高溫條件下（有的要求在高溫、高礦化度條件下）有良好的親水性質(zhì)；在PH值較低時(shí)（7－10）也能充分發(fā)揮效力（超深井鉆井液PH值一般較低），也利控制高溫分散，防止高溫膠凝和高溫固化；作為抗高溫失水劑，在有效加量范圍內(nèi)不能使鉆井液嚴(yán)重增稠?？垢邷靥幚韯┑姆肿咏Y(jié)構(gòu)特征：處理劑分子的主鏈和主鏈與親水基團(tuán)聯(lián)結(jié)鍵應(yīng)為碳－碳、碳－氫、碳－硫等鍵，若為易氧化的醚鍵和易水解的酯鍵則不宜采用；采用下列方式增強(qiáng)處理劑分子在粘土表面的吸附能力（螯合吸附、靜電吸附、孔徑吸附）。適當(dāng)使用高價(jià)金屬離子，如鉻、鋁、鈣、鐵、鋅等離子控制高溫水化分散主要水化基團(tuán)應(yīng)采用離子基，如磺酸基、磺甲基、羧基等強(qiáng)的親水基，以保證粘土粒子表面吸附處理劑后能夠構(gòu)成厚的水化膜，保證鉆井液的熱穩(wěn)定性。不能依靠加堿（提高PH值）來提高處理劑的親水性，以保證處理劑低PH值時(shí)也能充分發(fā)揮效力。處理劑分子量不宜過大，以避免在有效加量范圍內(nèi)造成鉆井液嚴(yán)重增稠的現(xiàn)象。常用抗高溫處理劑：抗高溫稀釋劑：鐵鉻鹽、磺甲基丹寧、磺甲基褐煤；抗高溫降失水劑：CMC（抗溫能力不強(qiáng)，但抗鹽）、Cr-NaC、SMC、SMP、水解聚丙烯腈及其衍生物等；抗高溫防塌劑：磺化瀝青、氧化瀝青、有機(jī)硅腐植酸類。表面活性劑：SP80、OP10、AS、固體乳化劑等第六節(jié)：超深井鉆井液體系的類型根據(jù)井下溫度、壓力、地層情況、工程情況，可把超深井水基鉆井液分為：抗高溫淡水鉆井液、抗高溫鹽水鉆井液、抗高溫飽和鹽水鉆井液等?？垢邷厮@井液體系的特點(diǎn)：①粘土的種類和含量是超深井鉆井液體系的基礎(chǔ)（粘土的體積比一般不超過7%）；②抗高溫處理劑是鉆井液具有良好的高溫性能及熱穩(wěn)定性的關(guān)鍵；考慮使用表面活性劑。第七節(jié)：深井復(fù)雜情況下的鉆井液工藝一、深井井塌問題：1、井塌的征兆：①在振動(dòng)篩上可以見到比正常情況下多得多的巖屑；②從鉆進(jìn)時(shí)巖屑取樣進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)有大量已鉆地層的砂樣占很大的比例，而正鉆的砂樣很少，說明發(fā)生了井塌；③每次起下鉆后循環(huán)都有異常多的已鉆地層的砂子，且有蹩泵現(xiàn)象；④停泵遇卡開泵又能正常也有井塌的可能。2、影響井塌的主要因素：內(nèi)因有：①所含的粘土礦物，粘土礦物含量愈多，垮塌的可能性就愈大；②可溶性鹽的含量，頁巖中含有各種可溶性鹽類，就有可能會(huì)由于鹽在鉆井液中的溶解使頁巖失掉支撐而塌落井中；③微裂縫及層理發(fā)育情況，頁巖中有無數(shù)的微裂縫，當(dāng)鉆井液遇到該地層，其水分就會(huì)沿微裂縫進(jìn)入巖中使巖體增大產(chǎn)生極大的膨脹壓力而把頁巖擠入井中；④地層水平應(yīng)力；⑤地層孔隙壓力；⑥地層溫度及側(cè)壓力。外因有：①鉆井液濾液的大量侵入；②侵入液的性質(zhì)；③鉆井液的性能，包括造壁性和流變性；④鉆井工藝措施，包括井身質(zhì)量、壓力激動(dòng)、機(jī)械碰擊、液柱壓力突降等。3、深井防塌措施：①盡可能避免采取負(fù)壓鉆進(jìn)，采用DC指數(shù)法、聲波法等預(yù)測塌層的孔隙壓力，并依據(jù)此制定合理的鉆井液密度；②盡可能減少壓力激動(dòng)，防止憋壓、防止抽吸、防止對(duì)易塌層的劇烈沖刷、起鉆及時(shí)灌滿鉆井液，防止液面下降過猛；③嚴(yán)格控制好打開塌層以后的鉆井液各項(xiàng)性能；④選用與塌層性質(zhì)相適應(yīng)的防塌鉆井液體系方案。二、鉆遇鹽膏層問題：（1）、鉆遇鹽膏層的征狀：含有以氯化鈉為主及其它水溶性無機(jī)鹽類（如氯化鉀、氯化鎂、氯化鈣、石膏及芒硝等）的地層統(tǒng)稱為鹽膏層。①鉆井液性能惡化，極易發(fā)生粘卡事故；②使用飽和鹽水鉆井液和欠飽和鹽水鉆井液鉆進(jìn)時(shí)，出現(xiàn)起下鉆阻卡，措施不當(dāng)照樣發(fā)生卡鉆；③電測遇阻卡，固井質(zhì)量差；擠壞套管；④井噴井漏等。（2）、鉆遇鹽膏層時(shí)出現(xiàn)井下復(fù)雜情況原因分析：1、鹽的溶解：①造成鉆井液性能惡化，濾失時(shí)、粘度、切力上升，泥餅增厚、泥餅?zāi)Σ料禂?shù)增大，從而易造成粘卡；②井徑擴(kuò)大，擴(kuò)大率往往高達(dá)100%－300%，而泥巖段井徑擴(kuò)大率小，形成糖葫蘆井眼，造成電測遇阻，固井質(zhì)量差；③井塌卡鉆，含泥鹽巖及鹽膠結(jié)的同生角礫巖等均會(huì)因鹽被溶解而發(fā)生泥巖與角礫垮塌，嚴(yán)重會(huì)發(fā)生卡鉆。2、鹽巖的塑性變形：當(dāng)液柱壓力不足時(shí)鹽巖會(huì)發(fā)生塑性變形，使井徑變小，它與井溫、井深、鉆井液密度、鹽巖成因及組分、鉆開鹽層的時(shí)間等有關(guān)。3、含鹽膏泥巖遇水分散、吸水膨脹和塑性變形4、無水石膏、無水芒硝等的吸水膨脹5、與鹽的重結(jié)晶有關(guān)6、地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及沉積環(huán)境的影響（3）、鉆鹽膏層的鉆井液技術(shù)措施：①確定合理的鉆井液密度，鹽的塑性變形與井溫、井深、封閉壓力、壓差、時(shí)間、巖鹽組分等有關(guān)，因此必須根據(jù)具體情況制定合理的鉆井液密度；②鉆井液類型與配方的選擇，根據(jù)鉆遇鹽層的具體情況選擇體系用欠飽和鹽水鉆井液和飽和鹽水鉆井液或其它體系；③鉆井液流變參數(shù)的優(yōu)選，選擇合理的環(huán)空流態(tài)、適當(dāng)?shù)乃苄哉扯群颓辛Φ?。三、深井壓差卡鉆問題：1、壓差卡鉆：是鉆井工程中一種惡性事故之一，由于該事故主要是由鉆井液液柱壓力與地層壓力之間的壓差所引起的，故稱之為壓差卡鉆，又稱泥餅粘附卡鉆或粘卡。2、發(fā)生粘卡的必要條件：①靜液柱壓力大于地層孔隙壓力