第2章 聚合物钻井液

二、达到不分散低固相的措施
(2)选择性絮凝剂
PHP水解度H=30%时，絮凝效果最好。
Hn、0/p、水眼略有上升； 分子量M水眼、0/p、n变化不正常。
粘土：水化膜厚，带负电量大 膨润土：水化膜厚，带负电量大
不易吸附于PHP上(电性斥力大)
岩屑：水化膜薄，带负电量小，易吸附于PHP上(电性斥力小)。
六、聚合物钻井液的缺点
1、钻速快时，固相不能及时清除； 2、配制容易，维护困难； 3、在大多数情况下，固控设备不能配套； 4、受聚合物特性限制，抗温能力有限； 5、静切力大，电测困难； 6、静滤失量与滤饼质量之间难以兼顾，滤饼虚； 7、在造浆地层，不易真正实现低固相。 所以，在国外聚合物钻井液只占20%，一般情况下， 对于软地层(即：V钻>22.86m/h的地层)，因为岩屑多，不 宜使用聚合物钻井液。
五、聚合物钻井液的优点
1、无用固相少，钻井液密度低，压差小； 2、岩屑较粗，固相体积含量较小； 3、由于聚合物的增效作用，使膨润土造浆率高，因而膨润土可 以很低，亚微米颗粒含量少； 4、剪切稀释特性好，钻头水眼处的粘度低； 5、具有较强的携砂能力，有利于井眼清洁； 6、由于聚合物的抑制和包被作用，可以保持较好的井眼稳定性； 7、能减少油气层损害，有利于保护生产层。 8、能抗高温。
一、聚合物钻井液的定义：
广义上地讲，凡是使用线型水溶性聚合物作处理剂 的钻井液体系都可成为聚合物钻井液。
二、聚合物钻井液的分类：
1、按照活性固相含量高低分： 清水或盐水、油水乳状液、低固相聚合物钻井液(包括加重和非 加重低固相聚合物钻井液)。 2、按照聚合物品种分： 单一丙烯酰胺聚合物钻井液、多种大分子金属盐复合聚合物钻井 液、阳离子聚合物钻井液、两性离子聚合物钻井液。 3、从使用角度分： 聚合物快速钻井液、聚合物防塌钻井液、保护油气层的钻井完 井液、聚合物深井钻井液等。
七、聚合物钻井液的发展概况
A、国外发展概况
58年首次合成PAM，使钻速得到提高，但PAM对膨润土也絮 凝，人们称这种钻井液为“无法控制的低固相钻井液”。 60年代以后，人们对PAM进行了深入的研究，制成水解PAM 和醋酸乙烯脂与马来酸酐的共聚物(VAMA)，使聚合物钻井液的 性能得到很好的改善。 在加拿大、美国等地钻井，使钻速得到了很大的提高， 并节省了成本。
二、达到不分散低固相的措施
(3)絮凝效果评价
a、形成一定清液所需要的时间； b、找最佳絮凝值C佳。
C 佳
V1d1 D V2 d 2 V1
式中：V1絮凝剂溶液体积； d1絮凝剂溶液比重； D絮凝剂百分含量； V2钻井液体积； d2钻井液比重。
相同聚合物不同盐基絮凝能力大小为：K+>NH4+>Na+>Ca2+ 如：K-PAM>Na-PAM等。
只要C和保持很低，即使使用低B，仍能获得大的钻速。
一、钻井液组成、性能对钻速的影响
4、固相含量
固含 、P液钻速。 (1)惰性固相(加重剂)，对钻速影响小； (2)岩屑、劣质土，对钻速影响居中； (3)活性土、高造浆率土(粘土类)，对钻速的影响大。 小于1微米的固相颗粒对钻速影响为粗颗粒的13倍，故钻井 液中亚微米颗粒越多，钻速降低得越严重。


注意使用顺序

大颗粒— — 小颗粒 按钻井液最大排量的125%配备

设备处理能力

二、达到不分散低固相的措施
2、化学方法絮凝
利用高聚物的吸附－桥联作用，絮凝清除钻井液中较小的固体颗粒。
(1)絮凝剂分类
a、压缩双电层； b、有机类：吸附－架桥作用。高分子有旋转运动，可把吸附 粘土的高分子链缠在一起。 (a)完全絮凝剂：粘土、岩屑全部絮凝。如：PAM； (b)增效选择性絮凝剂：只絮凝岩屑，增效是指还增加钻井液的 粘度。如：VAMA； (c)非增效选择性絮凝剂：只絮凝岩屑，对钻井液的粘度不增加。
三、不分散低固相聚合物钻井液组成和性能指标
1、组成：淡水、膨润土、高聚物(选择性絮凝剂)、有 时还有降滤失剂组成。
(1)固含量不大于5%(指体积百分数)； (2)岩屑与膨润土含量之间的比值不超过2：1； (3)0(Pa)/p(mPa.s)约0.3～0.5左右；
2、性能指标
(4)pH值保持在7～8.5之间； (5) 0一般达15～29mg/cm2时，效果最佳；对于加重 钻井液体系则应注意保持重晶石的悬浮。 (6)滤失量以保持井壁稳定，井下正常为宜。 (7)在整个钻井过程中，基本不用有机分散剂。
三、聚合物钻井液的应用
1966年，泛美石油公司在加拿大西部油田首次系统 地使用了这种不分散低固相聚合物钻井液，大幅度提高 了钻速。 60年代前期，每台钻机一年能打2万米。60年代后 期，每台钻机一年能打3万米。 在我国，73年首先在胜利油田使用，使钻速得到很大 的提高。目前，我国在各种聚合物钻井液体系的基础研究、 新产品开发和推广应用方面，已接近或达到世界先进水平。
五、流变参数优选技术及有关计算
1、常用的流变模式
宾汉模式：＝0＋pD 幂律模式：＝KDn 带屈服值的幂律模式(Herchel-Bulkley模式)：＝0＋KDn 卡森模式： 或

1
2
c D
2 2
2 1 1 2
1
1
1
2
c D
2
1
12
五、流变参数优选技术及有关计算 2、流变参数优选技术
循环压耗 效地携带岩屑 井壁冲蚀 钻井液排量不能太大 环空中的上返速度
钻井液在环空应有较高的有效粘度 平板型层流
为了提高喷射钻井的效率，必须要求钻井液在井下循环过程 中，不同部位所具有的不同粘度间应有一个最优组合。必须进行 流变参数优选，包括紊流条件下的流变参数优选。
五、流变参数优选技术及有关计算
七、聚合物钻井液的发展概况
B、国内发展概况
1、初级使用阶段(73～78年) 1973年山东大学与胜利油田合作，首次把PHP引入到钻井 液，钻速得到了提高，成本也得到了降低。 2、大分子金属盐复配阶段(79～85年) 油科院先后研制成功了80A、PAC和143和SK三个系列共11个新 产品，解决了不配套，所达性能指标较低，不适用于深井的问题。 3、流变参数优选阶段(86～现在) 针对钻头水眼处的粘度较高、滤饼软、静切力大三大难 题，西南石油学院首先进行了探索，得到了很大的进展。
(3)处理剂的配比及加量应根据具体要求加以调整；
三、不分散低固相聚合物钻井液组成和性能指标
造浆能力强的地层 渗透性好的地层 大分子处理剂为主 小分子处理剂为主 抑制能力 提高造壁性能 改善滤饼质量
ห้องสมุดไป่ตู้
(4)应根据不同盐基的特性加以选用。 如：钠盐适合淡水及微咸水钻井液，钙盐适用于 海水、咸水钻井液，而钾盐适用于防塌。
一、钻井液组成、性能对钻速的影响
钻速
影响
压差P
粘度
滤失量B
固相含量
一、钻井液组成、性能对钻速的影响
1、压差P的影响
压差：钻井液液柱压力与地层流体压力之差。
浆PV钻速
原因：井底压差对刚破碎的岩屑有压持作用，阻碍了井 底岩屑的及时清除，影响钻头的破岩效率。
2、粘度
影响钻速的粘度是指钻头喷嘴处紊流情况下的钻井液粘度。
括号内为第一、二代的聚合物钻井液的参数。
0
Pa 0 . 36 ~ 0 . 478 p mPa. s
五、流变参数优选技术及有关计算
p＝5～12mPa.s；
对于非加重钻井液：
0＝1.4～14.4Pa；
对于加重钻井液：P119～121中的4个图； 能悬浮重晶石的最低初始静切力s＝1.44Pa。 对于第一、二代的聚合物钻井液，、c、Im总是难以 兼顾。当降低时(膨润土含量降低)，c和Im也降低。
(1) 粘度压耗 Q、井底功率钻速； (2) 粘度环空静水压头相当于钻速； (3) 粘度时，钻速。
一、钻井液组成、性能对钻速的影响
3、滤失量B
(1)B岩石强度钻速； (2)BP孔P钻速； (3)架桥粒子浓度C B瞬钻速。
(5)基浆固相含量高、粘切大时，大分子比例要低， 因为大分子的增绸效应大，不易控制。
四、不分散钻井液配方的组配
由于各种处理剂的分子量不同、结构不同，则在钻井液中所起的作 用也不同，必须了解各种处理剂的性能特点，取长补短，进行组配。 1、作为降滤失剂，分子量要求小一些，一般分子量在5～20 万左右，同时具有水化能力较强的阴离子官能团； 2、作为降粘剂，要求比降滤失剂更小的分子量，同时 具有更多的水化基团； 3、作为流型改进剂或抑制包被剂，则要其分子量较大，同时具有吸 附性较强的非离子官能团，或一定数量的阳离子官能团； 4、当钻井液使用高矿化度水时，选用含有磺酸基团或含有极 性较强的非离子基团处理剂，而尽量不用含有羧基的； 5、当钻井液处于高温时，选用带有苯乙烯和适当烷基的乙烯基单体，而 避免用醚链联结的聚合物。
四、不分散低固相聚合物钻井液的特点
不分散低固相聚合物钻井液包括两个要求： “不分散”：指钻井液中包含的各种固相粒子的粒度分 布，一直保持在所需的范围内，不再进一步分散；钻井液 对新钻出岩屑的进一步分散起抑制作用。
低固相”：指钻井液中低密度活性固相的含量较抵(主要 指膨润土)。 不分散是为了尽量减少小于一微米颗粒的含量，提高钻 速。低固相则是要求包被所有的钻屑，阻止其分散变细，利 于地面清除。
(1)流变参数优选的定量表示
Eckels曾对此进行了理论计算，结论是：为更好地发挥喷 射钻井的效果，钻井液应具有以下的流变参数组合。 环＝15～30mPa.s； ＝2～6mPa.s(8～16mPa.s)； c＝5～30mg/cm20.5～3Pa(0.3～0.5Pa)； Im＝300～600(100～280)；
三、不分散低固相聚合物钻井液组成和性能指标
3、不分散钻井液体系处理剂的选用原则
(1)采用单一的处理剂是不可能满足不分散性钻井液所需 性能的要求，应将处理剂复配使用； (2)复配的基本原则应该是大分子(分子量为200万以上) 与中、小分子(分子量为60万以内)相结合。
大分子控制固相、稳定井壁及改善流型 小分子降滤失及改善滤饼质量；
2-2 不分散低固相聚合物钻井液
不分散型钻井液：以具有包被、絮凝能力聚合物为主要 处理剂，通过机械和化学手段，有效地控制钻井液中固相含 量和固体颗粒的粒度分布，使钻井效率大幅度提高。
不分散固相颗粒保持所需的粒度范围内不分散； 低固相粘土含量要低。
维护钻井液中固相的合理粒度级配，尽量减少亚微米颗 粒的含量，以保持优良性能。利用聚合物分子包被所用岩屑 以便于清除，实现低固相，达到提高钻速的目的。
因为固含影响、P、B等，故固含是影响钻速的直接因素。
二、达到不分散低固相的措施
1、固控设备：
振动筛 除砂剂 除泥剂 超级旋流器旋流分离器 沉降离心机、转筒离心机离心分离机
1）振动筛 （Shale shakers）


2）旋流器（Hydrocyclones）

结构组成

支架、锥体、砂泵

3）离心机（Decanting centrifuges）

工作原理
内、外筒 同向高速向旋 转,离心力使岩 屑甩向外筒壁。 由于内外筒转 速差异产生的 螺旋推力，使 岩屑推向排屑 端。液体从排 液端返回。

固控设备的正确使用

合理配置
振动筛+除砂器+除泥器 振动筛+除砂器+除泥器+离心机 振动筛+除砂器+清洁器

类型
除砂器（Desander） 除泥器（Desilter） 超级旋流器


工作原理 影响因素

流量(压力) 尺寸 处理量 底流密度 底流形状

主要参数


3）离心机（Decanting centrifuges）
结构组成
外筒、内筒、离心泵、电机
类型
标准离心机 高速离心机
第二章 聚合物钻井液
主要内容
2-1 概述 2-2 不分散低固相聚合物钻井液 2-3 在聚合物钻井液中常用的处理剂 2-4 聚合物钻井液的理论基础 2-5 两性离子聚合物钻井液 2-6 阳离子聚合物钻井液
2-1 概述
60年代以来，大家认识到钻井液中固相含量是影响钻速 和成本的主要因素，因而近代在钻井液中引入了高聚物絮凝 剂，便于地面上清除固相，使钻井效果得到了很好的提高， 提高了钻速、节省了成本。