深井钻井液技术(中石化)

常用的抗高温降粘剂
抗高温降粘剂与一般降粘剂的不同之处主要表现在： 抗高温降粘剂与一般降粘剂的不同之处主要表现在：不仅能有效 地拆散钻井液中粘土晶片以端-面和端-端连接而形成的网架结构， 地拆散钻井液中粘土晶片以端-面和端-端连接而形成的网架结构，而 且能通过高价阳离子的络合作用，有效地抑制粘土的高温分散。 且能通过高价阳离子的络合作用，有效地抑制粘土的高温分散。
钻杆内与环空的温度剖面
Fluid Type - HTHP wells
HTHP Reference wells by mud type
SBM 1% W BM 37% OBM 62% OBM W BM SBM
膨润土含量对钻井液热稳定性的影响
7.5%
Байду номын сангаас
5% 2.5%
1-lb/bbl= 2.855kg/m3 ≈0.286%
高温去水化作用: 高温去水化作用
在高温下，粘土颗粒表面和处理剂分子中亲水基团的水化能力会降低， 在高温下，粘土颗粒表面和处理剂分子中亲水基团的水化能力会降低， 使水化膜变薄，从而导致处理剂护胶能力减弱。 使水化膜变薄，从而导致处理剂护胶能力减弱。 导致滤失量增大，严重时会促使高温胶凝和高温固化等现象的发生。 导致滤失量增大，严重时会促使高温胶凝和高温固化等现象的发生。
钻井液中粘土的高温分散作用
在高温作用下，钻井液中的粘土颗粒， 在高温作用下，钻井液中的粘土颗粒，特别是膨润土颗粒 的分散度进一步增加，从而使颗粒浓度增多、 的分散度进一步增加，从而使颗粒浓度增多、比表面增大 的现象称为高温分散。其实质是水化分散， 的现象称为高温分散。其实质是水化分散，高温进一步促 进了水化分散。 进了水化分散。 影响高温分散的因素：（1）粘土的种类。在常温下越容易 影响高温分散的因素： ）粘土的种类。 水化的粘土，高温分散作用也越强；（ ；（2）温度越高， 水化的粘土，高温分散作用也越强；（ ）温度越高，作用 时间越长，高温分散也就越显著；（ ；（3） 时间越长，高温分散也就越显著；（ ）随pH值升高而增 值升高而增 ；（4）一些高价无机阳离子， 强；（ ）一些高价无机阳离子，如Ca2+、Mg2+、Al3+等对 粘土高温分散具有抑制作用。 粘土高温分散具有抑制作用。
可逆和不可逆的性能变化
不可逆的性能变化关系到钻井液的热稳定性； 不可逆的性能变化关系到钻井液的热稳定性；可逆的 性能变化则反映了钻井液从井口到井底， 性能变化则反映了钻井液从井口到井底，然后再返回 到井口这个循环过程中的性能变化。 到井口这个循环过程中的性能变化。 为了研究钻井液不可逆的性能变化， 为了研究钻井液不可逆的性能变化，需要模拟井下温 用滚子加热炉对钻井液进行滚动老化， 度，用滚子加热炉对钻井液进行滚动老化，然后冷至 室温，评价其经受高温之后的性能 高温之后的性能； 室温，评价其经受高温之后的性能； 为了研究可逆的性能变化， 为了研究可逆的性能变化，则需要测定钻井液在高温 高压条件下的流变性和滤失量，评价其高温下的性能 高温下的性能。 高压条件下的流变性和滤失量，评价其高温下的性能。
高温对处理剂与粘土相互作用的影响
高温解吸附作用: 高温解吸附作用
在高温下，处理剂在粘土表面的吸附作用会明显减弱， 在高温下，处理剂在粘土表面的吸附作用会明显减弱，其原因主要是分 子热运动加剧所造成的。 子热运动加剧所造成的。 高温解吸附会影响处理剂的护胶能力，使粘土颗粒更加分散， 高温解吸附会影响处理剂的护胶能力，使粘土颗粒更加分散，从而影响 钻井液的热稳定性和其它各种性能，常表现出高温滤失量剧增， 钻井液的热稳定性和其它各种性能，常表现出高温滤失量剧增，流变性失 去控制。 去控制。
美国
1938年 第一口深井（4572m） 年 第一口深井（ ） 1949年 第一口超深井（6250m） 年 第一口超深井（ ） 1974年 第一口特深井（9583m） 年 第一口特深井（ ）
中国
1966年 第一口深井 年 第一口深井——大庆松基六井（4719m） 大庆松基六井（ 大庆松基六井 ） 70年代 东风 井（5006m）、新港 井（5127m）、王深 井 年代 东风2井 ）、新港 ）、王深 ）、新港57井 ）、王深2井 （5163m） ） 1976年 第一口超深井 年 第一口超深井——女基井（6011m） 女基井（ 女基井 ） 1978年 最深超深井 年 最深超深井——关基井（7175m） 关基井（ 关基井 ）
高温交联
在高温作用下， 在高温作用下，处理剂分子中存在的各种不饱和键和活性基团 会促使分子之间发生各种反应，相互联结， 会促使分子之间发生各种反应，相互联结，从而使分子量增大 的现象称为高温交联。 的现象称为高温交联。可将其看作是与高温降解相反的一种作 用。 高温交联对钻井液性能的影响有好和坏两种可能。 高温交联对钻井液性能的影响有好和坏两种可能。如果交联适 适度增大处理剂的分子量， 当，适度增大处理剂的分子量，则可能抵消高温降解的破坏作 用，甚至可能使处理剂进一步改性增效。比如，在高温下磺化 甚至可能使处理剂进一步改性增效。比如， 褐煤与磺化酚醛树脂复配使用时的降滤失效果要比它们单独使 用时的效果好得多。 用时的效果好得多。 如果交联过度，形成体型网状结构， 如果交联过度，形成体型网状结构，则会导致处理剂水溶性变 这种必然破坏钻井液的性能，严重时整个体系变成凝胶， 差，这种必然破坏钻井液的性能，严重时整个体系变成凝胶， 丧失流动性。 丧失流动性。
一些常用钻井液处理剂的抗温能力
处理剂名称 单宁酸钠 栲胶碱液 铁铬盐 CMC 腐植酸衍生物 磺甲基单宁 磺甲基褐煤 磺甲基酚醛树脂 水解聚丙烯腈 淀粉及其衍生物 抗温能力 130℃ ℃ 80～100℃ ～ ℃ 130～180℃ ～ ℃ 140～180℃ ～ ℃ 180～200℃ ～ ℃ 180～200℃ ～ ℃ 200～220℃ ～ ℃ 200℃ ℃ 200～230℃ ～ ℃ 115～130℃ ～ ℃
关于高温胶凝
由于高温分散引起的高温增稠与钻井液中粘土含量密切相 当粘土含量大到某一数值时， 关。当粘土含量大到某一数值时，钻井液在高温下会丧失 其流动性而形成凝胶，这种现象被称为高温胶凝。 其流动性而形成凝胶，这种现象被称为高温胶凝。 防止钻井液高温胶凝是深井钻井液的一项关键技术。 防止钻井液高温胶凝是深井钻井液的一项关键技术。目前 有以下两项措施可有效地预防高温胶凝的发生： 有以下两项措施可有效地预防高温胶凝的发生：一是使用 抗高温处理剂抑制高温分散，二是将钻井液中的粘土（ 抗高温处理剂抑制高温分散，二是将钻井液中的粘土（特 别是膨润土）含量控制在其容量限以下。 别是膨润土）含量控制在其容量限以下。 某种钻井液的粘土容量限可通过室内实验确定。 某种钻井液的粘土容量限可通过室内实验确定。高温深井 水基钻井液必须将粘土的实际含量严格控制在其容量限以 内。
A、磺甲基单宁（SMT） 简称磺化单宁，是磺甲基单宁酸钠与铬 、磺甲基单宁（ ） 简称磺化单宁， 离子的络合物。外观为棕褐色粉末，吸水性强， 离子的络合物。外观为棕褐色粉末，吸水性强，其水溶液呈碱 抗温可达180～200℃。其加量一般在 以下， 性。抗温可达 ～ ℃ 其加量一般在1%以下，使用的 以下 使用的pH 范围为9～ 。 范围为 ～11。 B、磺甲基栲胶（SMK） 简称磺化栲胶。为棕褐色粉末或细 、磺甲基栲胶（ ） 简称磺化栲胶。 颗粒，易溶于水，水溶液呈碱性。不含重金属离子，无毒， 颗粒，易溶于水，水溶液呈碱性。不含重金属离子，无毒，无 污染，抗温可达180℃。其降粘性能与 相似， 污染，抗温可达 ℃ 其降粘性能与SMT相似，可任选一种 相似 使用。 使用。
高温对钻井液处理剂的影响
高温降解： 高温降解：
高分子有机处理剂受高温作用而导致分子链发生断裂的现象称为高温 降解。包括高分子主链断裂和亲水基团与主链连接键断裂这两种情况。 降解。包括高分子主链断裂和亲水基团与主链连接键断裂这两种情况。 前一种情况会降低处理剂的分子量，失去高分子化合物的特性； 前一种情况会降低处理剂的分子量，失去高分子化合物的特性；后一 种情况会降低处理剂的亲水性，使其抗污染能力和功效减弱。 种情况会降低处理剂的亲水性，使其抗污染能力和功效减弱。 任何高分子处理剂在高温下均会发生降解， 任何高分子处理剂在高温下均会发生降解，但由于其分子结构和外界 条件不同，发生明显降解的温度也有所不同。 条件不同，发生明显降解的温度也有所不同。影响高温降解的首要因 素是处理剂的分子结构，同时与钻井液的pH值以及剪切作用等因素有 素是处理剂的分子结构，同时与钻井液的pH值以及剪切作用等因素有 pH 关。 一般以处理剂在水溶液中发生明显降解时的温度来表示其抗温能力。 一般以处理剂在水溶液中发生明显降解时的温度来表示其抗温能力。
抗高温降滤失剂
A、磺甲基褐煤（SMC） 简称磺化褐煤，既是抗高温降粘剂， 同时又是抗高温降滤失剂。抗温可达200～220℃。一般用 量为3～5%。 B、磺甲基酚醛树脂 简称磺化酚醛树脂，分为1型产品 （SMP-1）和2型产品（SMP-2）。在200～220℃甚至更 高温度下，不会发生明显降解。
SMP-1与SMC复配使用的效果更好。这是由于与SMC复配后， SMP-1在粘土表面的吸附量可增加5～6倍，又由于在高温和碱性条件 下，SMP-1 和SMC易发生交联反应。若交联适度，则会增强降滤失的 效果。两种处理剂的配比以1:1较为合适，一般加量均为3～5%。
高温对深井水基钻井液性能的影响
7000 m以上的深井，井温可高达 以上的深井， 以上的深井 井温可高达200℃以上，压力 ℃以上， 可达150～200 MPa。 可达 ～ 。 由于水的可压缩性相对较小， 由于水的可压缩性相对较小，故压力对水基钻井 液的密度及其他性能，如流变性、 液的密度及其他性能，如流变性、滤失造壁性等 均无明显的影响。 均无明显的影响。 温度对深井钻井液性能的影响十分显著， 温度对深井钻井液性能的影响十分显著，深井水 基钻井液的主要问题是抗高温。 基钻井液的主要问题是抗高温。
抗高温处理剂的分子结构特征
为提高热稳定性，处理剂分子主链的连接键，以及主链与亲水基团的 连接键应为“ 连接键应为“C—C”、“C—N”和“C—S”等键，应尽量避免分子中有易氧 C”、 N”和 S”等键，应尽量避免分子中有易氧 化的醚键和易水解的酯键。 为了使处理剂在高温下对粘土表面有较强的吸附能力，常在处理剂分 子中引入Cr3+、Fe3+ 等高价金属阳离子，使之与有机处理剂形成络合 子中引入Cr 物，如铬物，如铬-腐植酸钠和铁铬盐等。 为了减轻高温去水化作用，处理剂分子中的主要水化基团应选用亲水 性强的离子基，如磺酸基（— 性强的离子基，如磺酸基（—SO3–）、磺甲基（—CH2SO3–）和羧基 ）、磺甲基（— （—COO–）等，以保证处理剂吸附在粘土颗粒表面后能形成较厚的 COO– 水化膜，使钻井液具有较强的热稳定性。
对深井钻井液的特殊要求
具有抗高温的能力。 具有抗高温的能力。应优选出各种能够抗高温的处理剂。例如，褐煤 类产品（抗温204℃）就比木质素类产品（抗温170℃）有更高的抗温 能力； 在高温条件下具有强的抑制能力。 在高温条件下具有强的抑制能力。除常用的KCl、NaCl等无机盐和 Ca(OH)2外，在有机聚合物处理剂中，阳离子聚合物就比带有羧钠基 的阴离子聚合物具有更强的抑制性； 具有良好的高温流变性。 具有良好的高温流变性。对深井加重钻井液，尤其应加强固控，并控 制膨润土含量以避免高温增稠。通过加入生物聚合物等改进流型，提 高携屑能力；加入抗高温的稀释剂控制静切力； 具有良好的润滑性。 具有良好的润滑性。通过加入抗高温的液体或固体乳化剂，以及混油 等措施来降低摩阻。
抗高温深井水基钻井液
中国石油大学（北京） 中国石油大学（北京）
鄢捷年 2010年11月 2010年11月
关于深井的概念
深井： 英尺） 深井：井深 > 4570m（15 000英尺） （ 英尺 超深井：井深 > 6100m（20 000英尺） 英尺） 超深井： （ 英尺 特深井： 英尺） 特深井：井深 > 9144m（30 000英尺） （ 英尺