(白杨)深井钻井液培训稿

抗高温深井水基钻井液关于深井的概念深井：井深4570m（15000英尺）超深井：井深6100m（20000英尺）特深井：井深9144m（30000英尺）美国1938年第一口深井（4572m）1949年第一口超深井（6250m）1974年第一口特深井（9583m）中国1966年第一口深井——大庆松基六井（4719m）70年代东风2井（5006m）、新港57井（5127m）、王深2井（5163m）1976年第一口超深井——女基井（6011m）1978年最深超深井——关基井（7175m）对深井钻井液的特殊要求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。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。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。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。高温对深井水基钻井液性能的影响7000m以上的深井，井温可高达200℃以上，压力可达150～200MPa。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、滤失造壁性等均无明显的影响。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。钻杆内与环空的温度剖面FluidType-HTHPwellsHTHPReferencewellsbymudtypeOBM62%WBM37%SBM1%OBMWBMSBM膨润土含量对钻井液热稳定性的影响1-lb/bbl=2.855kg/m3≈0.286%2.5%5%7.5%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，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、比表面增大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。影响高温分散的因素：（1）粘土的种类。在常温下越容易水化的粘土，高温分散作用也越强；（2）温度越高，作用时间越长，高温分散也就越显著；（3）随pH值升高而增强；（4）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。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。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：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（特别是膨润土）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。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。高温对钻井液处理剂的影响高温降解：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。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。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。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。一些常用钻井液处理剂的抗温能力处理剂名称抗温能力单宁酸钠130℃栲胶碱液80～100℃铁铬盐130～180℃CMC140～180℃腐植酸衍生物180～200℃磺甲基单宁180～200℃磺甲基褐煤200～220℃磺甲基酚醛树脂200℃水解聚丙烯腈200～230℃淀粉及其衍生物115～130℃高温交联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，从而使分子量增大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。如果交联适当，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。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。高温对处理剂与粘土相互作用的影响高温解吸附作用:在高温下，处理剂在粘土表面的吸附作用会明显减弱，其原因主要是分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，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，流变性失去控制。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，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。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；可逆的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。为了研究钻井液不可逆的性能变化，需要模拟井下温度，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；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。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“C—C”、“C—N”和“C—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（—SO3–）、磺甲基（—CH2SO3–）和羧基（—COO–）等，以保证处理剂吸附在粘土颗粒表面后能形成较厚的水化膜，使钻井液具有较强的热稳定性。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：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，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。A、磺甲基单宁（SMT）简称磺化单宁，是磺甲基单宁酸钠与铬离子的络合物。外观为棕褐色粉末，吸水性强，其水溶液呈碱性。抗温可达180～200℃。其加量一般在1%以下，使用的pH范围为9～11。B、磺甲基栲胶（SMK）简称磺化栲胶。为棕褐色粉末或细颗粒，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SMT相似，可任选一种使用。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%。SMP-1与SMC复配对钻井液滤失量和泥饼渗透率的影响钻井液配方API滤失量，mlK，(10-6mm2)r=1.06g/cm3原浆+3%SMP-111.61.39r=1.06g/cm3原浆+3%SMP-1+3%SMC5.60.99r=1.06g/cm3原浆+3%SMP-1+15%NaCl22.63.42r=1.06g/cm3原浆+3%SMP-1+3%SMC+15%NaCl6.81.24抗高温降滤失剂SMP-1几乎可与所有处理剂相配伍，并适用于目前国内任何一种钻井液体系。通过SMP-1和SMC复配，可将各种分散钻井液、钙处理钻井液、盐水钻井液和聚合物钻井液等转变为抗温、抗盐的深井钻井液体系。SMP-2主要用于抗180～200℃的饱和盐水钻井液和Cl–含量大于11万mg/L的高矿化度盐水钻井液。国内常用的抗温降滤失剂还有磺化木质素磺甲基酚醛树脂（SLSP）、水解聚丙烯腈（HPAN）、酚醛树脂与腐植酸的缩合物（SPNH）以及丙烯酸与丙烯酰胺的共聚物（PAC-141、PAC-142、PAC-143）等。国外抗高温钻井液处理剂美国早期研制的SSMA（磺化苯乙烯马来酸酐共聚物）：一种分子量为1000～5000，抗温可达230℃的稀释剂；Resinex：磺化褐煤树脂，可抗温220℃的降滤失剂；德国研制的COP-1和COP-2（乙烯基磺酸盐共聚物）：抗温可达260℃，抗盐、钙能力强，以上处理剂在分子组成上有一个共同点，即在碳链上都含有磺酸根（SO3–），这是研制抗高温聚合物处理剂所必须的一个官能团。常用抗高温钻井液体系及其应用我国抗高温深井钻井液技术的发展可分为三个阶段：钙处理钻井液磺化（三磺）钻井液聚磺钻井液磺化钻井液以SMC、SMP-1、SMT（或SMK）等配制而成的钻井液。磺化钻井液是典型的分散钻井液体系。20世纪70年代后期，四川女基井和关基井分别用此类钻井液钻达6011m和7175m。其主要特点是热稳定性好，在高温高压下可保持良好的流变性和较低的滤失量，抗盐侵能力强，泥饼致密且可压缩性好。SMP-1与SMC复配，使钻井液的HTHP滤失量得到有效的控制；SMT或SMK由于调整高温下的流变性能，从而大大地提高了钻井液的防塌、防卡、抗温以及抗盐、钙侵的能力。若加入适量Na2Cr2O7，抗温可达200～220℃。该体系中膨润土的允许含量视钻井液密度而定（见下表），所选用处理剂的品种和加量则与钻井液含盐量有关。“三磺”钻井液的密度与膨润土允许含量的关系钻井液密度，g/cm31.41.61.82.02.2膨润土允许含量，g/l45~8040~7040~6035~5030~40聚磺钻井液聚磺钻井液是将聚合物钻井液和磺化钻井液结合在一起而形成的一类抗高温钻井液体系。既保留了聚合物钻井液的优点，又对其在高温高压下的泥饼质量和流变性进行了改进，从而有利于深井钻速的提高和井壁的稳定。该类钻井液的抗温能力可达200～250℃，抗盐可至饱和。从20世纪80年代起，已广泛应用于我国深井钻井作业中。聚磺钻井液的配方和性能应根据井温、所要求的矿化度和所钻地层的特点，在室内试验基础上加以确定。一般情况下膨润土含量为40～80mg/l，随井温升高和含盐量、钻井液密度增加，其含量应有所降低。聚磺钻井液的组成高分子聚合物聚丙烯酸盐，如80A-51、FA-367、PAC-141和KPAM等在体系中用作包被剂，其加量随钻井液含盐量增加而增大，随井温升高而减少，一般加量范围为0.1～1.0%。中等分子量的聚合物处理剂，如水解聚丙烯腈的盐类，常在体系中起降滤失和适当增粘的作用，其加量为0.3～1.0%。低分子量的聚合物，如XY-27等，在体系中主要起降粘、切的作用，其一般加量为0.1～0.5%。磺化酚醛树脂类产品，如SMP-1、SPNH和SLSP等。SMP-1常与SMC复配使用，用于改善泥饼质量和降低钻井液的HTHP滤失量。前者加量一般为1～3%，后者为0～2%。1～3%的磺化沥青常用于封堵泥页岩的层理裂隙，增强井壁稳定性和进一步改善泥饼质量。必要时还需加入0.1～0.3%Na2Cr2O7或K2Cr2O7，以提高钻井液的热稳定性。聚磺钻井液的使用要点由上部地层所使用的聚合物钻井液在井内转化而成。转化最好在技术套管中进行。使用与配方等浓度的各种处理剂的混合液来对井浆进行维护。若发现井浆性能发生变化，可适