第七章 钻井液体系简介110920

另一方面，Ca2+本身是一种无机絮凝剂，会压缩粘土颗粒表面的扩散 双电层，使水化膜变薄，电动电位下降，从而引起粘土晶片面—面和端— 面聚结，造成粘土颗粒分散度下降。
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使钻井液处于适度絮凝的粗分散状态有两条途径：一是在分散钻井液 中同时加入适量的钙盐(或石灰)和分散剂；二是在受钙侵后处于絮凝状态 的钻并液中及时加入分散剂。在适度絮凝的粗分散状态中，其絮凝和分散 程度也有所区别，加人分散剂可使颗粒变细，絮凝程度降低；反之加钙盐 则使颗粒变粗，絮凝程度提高。
§7-1 分散钻井液
2、分散剂和钻井液
用于分散型钻井液的降粘剂（分散剂）种类较多，主要降粘剂有丹 宁碱液、铁铬木质素磺酸盐、褐煤及其改性产品；主要降滤失剂有：钠羧 甲基纤维素CMC、聚阴离子纤维素、磺化褐煤或磺化酚醛树脂；烧碱调 节pH值；重晶石做加重剂。
国内深井、超深井使用的抗高温钻井液-三磺钻井液配方：磺化丹宁 或磺化栲胶、磺化褐煤、磺化酚醛树脂。重铬酸钾和Span-80提高抗温性。
当高，因此对机械钻速有明显的影响，尤其不宜在强造浆地层中使用； (4) 滤液侵入易引起粘土膨胀，因而不能有效地保护油气层，钻遇油气
层时必须加以改造才能达到要求。
§7-1 分散钻井液
三、钻井液的受侵及其处理
其中最常见的是钙侵、盐侵和盐水侵，此外还有Mg2+、CO32-、H2S 和O2等造成的污染。
1．钙侵 Ca2+进入钻井液的途径： 危害： 处理方法：
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，可以从以下两方面来理解。 一方面，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，故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滤液中Ca2+的浓度。粘土的阳离子交换容量越高，所 吸附Ca2+的量就越大。同时，通过控制滤液中Ca2+的浓度，可以控制钠土 转变为钙土的数量，从而控制钻井液中粘土的分散度。
韧性好，有利于井壁稳定。 （4）由于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。
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一、盐水钻井液的定义和分类
凡NaCl含量超过1％的钻井液统称为盐水钻井液。一般将其分为以下
三பைடு நூலகம்类型：
(1)一般盐水钻井液 其含盐量自1％直至饱和之前均属此类。
§7-1 分散钻井液
2、盐侵和盐水侵 （1）变化规律及作用机理： （2）处理
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。
§7-1 分散钻井液
3．硫化氢污染
H2S主要来自含硫地层，此外某些磺化有机处理剂以及木质素磺酸盐 在 井底高温下 也会分解产生 H2S。H2S对 人有很强的 毒性 ，在其浓度为 800mg／L以上的环境中停留就可能因窒息而导致死亡。同时，H2S对钻具和 套管有极强的腐蚀作用。总的腐蚀过程可用下式表示：(臭鸡蛋味)
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优点： （1）由于矿化度高，因此这种体系具有较强的抑制性，能有效地抑制
泥页岩水化，保证井壁稳定； （2）不仅抗盐侵的能力很强，而且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，以及在深井和超深井中使用； （3）由于其滤液性质与地层原生水比较接近，故对油气层的损害较轻； （4）由于钻出的岩屑不易在盐水中水化分散，在地面容易被清除，因
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目前，根据聚合物处理剂的离子特性，可将聚合物钻井液分为阴离子聚 合物钻井液、阳离子聚合物钻井液和两性离子聚合物钻井液。
自20世纪70年代以来，聚合物钻井液技术已在我国得到普遍推广应用。 同时，还对聚合物处理剂的抑制性、降滤失和降粘等作用机理进行了系统 研究。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。主要介绍不分散低固相聚合物 钻井液的组成、特点、涉及的基本理论以及现场应用等。
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对钻屑的分散具有良好的抑制能力，处理过的钻井液体系中亚微米颗粒 含量明显低于其它类型的水基钻井液，这对提高钻井速度是十分有益的。 这类新型的聚合物钻井液体系称为“不分散低固相聚合物钻井液”。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。随后，这种钻井液体系在世界范围内 推广应用，经受了不同地层、不同井深和不同密度等方面的考验，在提高 钻井速度和降低钻井成本等方面效果显著，证明是一种技术先进的钻井液 体系。1971年，在第八届世界石油大会上，不分散低固相聚合物钻井液的 成功开发被列为70年代初钻井工艺最有影响的新进展之一，表明对钻井技 术发展的促进作用是显著的。
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一、聚合物钻井液概述
1．发展概况 聚合物钻井液最初是为提高钻井效率开发研究的。研究资料指出：钻
井液的固相含量是影响钻井速度的一个主要因素。所以，清水的钻井速度 应最高。但当时并没有能够有效清除钻井液中固相的手段。直到1958年首 次应用了聚合物絮凝剂聚丙烯酰胺(简称PAM)后，才实现了真正的清水钻 井。PAM可同时絮凝钻屑和蒙脱土，称为完全絮凝剂。在钻井液中加入极 少量的PAM即可使钻屑絮凝而全部除去。清水钻井大大提高了钻速，但因 其携带钻屑能力差，滤失量大，影响井壁稳定等缺点，不能广泛使用，只 能用于地层特别稳定的浅层井段。1960年，发现有两类高聚物，即部分水 解 聚 丙 烯 酰 胺 ( 简 称 PHPA 或 PHP) 和 醋 酸 乙 烯 酯 — 马 来 酸 酐 共 聚 物 ( 简 称 VAMA)，具有选择性絮凝作用。
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为进一步提高聚合物钻井液的防塌能力，70年代后期发展了聚合物与 无机盐(主要是氯化钾)配合的钻井液体系，发现该体系对水敏性地层的防 塌效果显著。近20年来，聚合物处理剂的发展也很快，除带阴离子基团的 处理剂如PHPA、VAMA、水解聚丙烯腈铵盐(简称NPAN)、聚丙烯酸盐等 以外，近期又开发出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，使聚合物钻 井液技术得到不断发展和完善。
钻钻井井液液工工艺艺原原理理电电子子教教案案—第七第章二章
钻井液体系简介
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钻井液工艺原理电子教案—第七章
• 本章要点： • 1、了解常见钻井液体系及其特点 • 2、了解几种新型钻井液及其特点
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§7-1 分散钻井液
由淡水、配浆膨润土和各种分散剂（对粘土、钻屑起分散作用的处 理剂）配制而成的水基钻井液称为分散钻井液。为了与钙处理钻井液相 区别，有时又称为细分散钻井液或淡水钻井液。它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。
§7-1 分散钻井液
2、缺点：（分散钻井液在使用、维护过程中存在难克服的缺点和局限
性）： (1) 性能不稳定，容易受粘土和可溶性盐类的污染。钻遇盐膏层时，少
量石膏、岩盐就会使钻井液性能发生较大的变化； (2) 滤液的矿化度低，容易引起井壁附近的泥页岩水化、松散、垮塌，
并使井壁的岩盐溶解，即钻井液抑制性能差，不利于防塌； (3)体系中固相含量高，特别是粒径小于1 um的亚微米颗粒所占比例相
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优点：与分散钻井液相比，钙处理钻井液的优点主要表现在以下方
面： （1）性能较稳定，具有较强的抗钙污染、盐污染和粘土污染的能力。 （2）固相含量相对较少，容易在高密度条件下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水化膨胀；滤失量较小，泥饼薄且
(2) 饱 和 盐 水 钻 井 液
是指含盐量达到饱和，即常温下浓度为
3.15×105mg/L左右的钻井液。注意NaCl溶解度随温度变化而变化。
(3)海水钻井液 是指用海水配制而成的含盐钻井液。体系中不仅含有
约3×104mg/L的NaCl，还含有一定量的Ca2+和Mg2+。
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特别是在钻开表层时，至今仍然普遍使用。
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§7-1 分散钻井液
一、分散钻井液的组成
1．膨润土及原浆的配制
膨润土逐渐分散在淡水中致使泥浆的粘度、切力不断增加的过程 称为造浆，每吨粘土能配出表观粘度为15mpa·s的钻井液体积称做粘 土的造浆率。
在配置原浆时，还需要加入适量的纯碱，以提高粘土的造浆率。
§7-1 分散钻井液
4. 清除污染物所需处理剂用量的确定 在判断出进入钻井液的是何种污染物，并已决定选用
何种处理剂将其清除之后，剩下的问题就是如何确定处理 剂的用量。由于采取的是化学清除方法，因此确定处理剂 用量的基本原则是：所用处理剂与污染物在钻井液滤液中 的当量浓度应保持相等。
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而有利于保持较低的固相含量； （5）盐水钻井液还能有效地抑制地层造浆，流动性好，性能较稳定。
缺点： （1）维护工艺比较复杂； （2）对钻柱和设备的腐蚀性较大； （3） 配制成本相对较高。
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聚合物钻井液是自20世纪70年代初发展起来的一种新 型钻井液体系。广义地讲，凡是使用线型水溶性聚合物作 为处理剂的钻井液体系都可称为聚合物钻井液。但通常是 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液。
Fe+xH2S＝FeSx+xH2 关于腐蚀的机理，目前普遍认为是由于氢脆的发生。 由于H2S、HS-、S2-以及FeSx等的存在，电离出的H+会迅速地吸附在金 属表面，并进而渗入金属晶格内，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时(通常都比较严重)，原子氢便在这些易损部位聚结， 结合成H2。
这四种钙处理钻井液都是以Ca2+提供抑制性化学环境，使钻井液中的 钠土转变为钙土，从而使粘土颗粒由高度分散转变为适度絮凝。钙处理钻 井液可在很大程度上克服细分散钻井液的缺点，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。
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§7-1 分散钻井液
二、分散钻井液的特点
分散钻井液的主要特点是粘土在水中高度分散，正是通过高度分散的 粘土颗粒使钻井液具有所需的流变和降滤失性能。 1、优点
(1)配制方法简便、成本较低； (2)固相容量高，适于配制高密度钻井液，密度可高达2.00g／cm3以上； (3)抗温能力较强，比如以磺化栲胶、磺化褐煤和磺化酚醛树脂为主处理 剂的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160200℃。
钙处理钻井液是在使用分散钻井液的基础上，于20世纪60年代发展起 来的具有较好的抗盐、抗钙污染能力和对泥页岩水化具有较强抑制作用的 一类钻井液。
由于体系中粘土颗粒处于适度絮凝的粗分散状态，因此又称之为粗分 散钻井液。
目前常用的无机絮凝剂有三种：石灰、石膏和氯化钙。为了进一步增 强其抑制性能，采用石灰和KOH联合处理，称为钾石灰钻井液。
二、盐水钻井液的配制原理及特点 与钙处理钻井液的配制原理相同，通过人为地添加无机阳离子来抑制粘
土颗粒的水化膨胀和分散，并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而下降，这一方面是由于滤液中 的Na+与粘土矿物晶层间的H+发生了离子交换；另一方面则是由于工业食盐 中含有的MgCl2杂质与滤液中的OH-反应，生成Mg(OH)2沉淀，从而消耗了 OH-所导致的结果。因此，在使用盐水钻井液时应注意及时补充烧碱，以便 维持一定的pH值。一般情况下，盐水钻井液的pH值应保持在9.5~11.0之间。