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现代钻井液技术二零零六年八月主要内容一、概论二、水基钻井液三、油基钻井液四、气基钻井液五、合成基钻井液六、钻井液处理剂的应用状况及发展趋势一、概论狭义钻井液:粘土以小颗粒状态(2μ)分散在水中所形成的溶胶-悬浮体.(mud)广义钻井液:一切有助于从井眼中产生和清除钻屑的流体.(drillingfluid)API定义:用于钻井的具有各种各样功用以满足钻井工作需要的循环流体。㈠钻井完井液定义㈡钻井液的功用清除井底钻屑并将其携带至地面稳定井壁及控制地层压力冷却和润滑钻头、钻具提供低渗透、韧性好的泥饼保护井壁停止循环时悬浮环空中的钻屑及加重材料给钻头传递水力能量㈢钻井液的分类液体气体气—液混合物水基钻井液油基钻井液合成基钻井液泡沫钻井液充气钻井液空气钻井液天然气钻井液㈣优质钻井液的标准有利于安全、快速、优质、低耗钻井；有利于取全、取准各项工程、地质资料；有利于发现、保护油气层；既不能伤害钻井人员，又不能损害或污染环境；对所设计的地层评估有良好的性能；对产层不产生伤害；对钻井设备和管材不造成腐蚀。㈤钻井液工作者的基本任务根据所钻井类型、地层特性、孔隙压力及破裂压力、井温、测井及环保要求正确选择钻井液类型；自始至终维护、保持良好的钻井液性能；预防、处理各种井下复杂情况和事故；保证安全顺利钻井前提下，尽可能降低钻井液成本。㈥钻井工作面临的主要问题随着钻井工作的进行，油气藏隐蔽性增加，油气藏类型变得复杂多样，低渗透、特低渗透油气藏所占的比例增加，井的深度从浅——中向中——深、甚至超深发展，使钻井工作面临新的挑战，即要解决“低、深、难”等问题。1.“低”意味着低渗透、特低渗透储层比中、高渗透储层更容易受到损害，特别是目前还没有很好地解决钻井液滤液引起的水锁和水敏损害问题；2.“深”意味着储层温度升高和钻井周期延长，对钻井液的抗温性和保护油气层的效果要求更高；3.“难”意味着井下容易出现复杂情况，这就要求钻井液既能有效地保护油气层，又能减少井下复杂情况的发生。所以，国内外从事钻井液工作的人士，针对目前钻井形势和需求，进一步加大了新型钻井液的研究工作，并取得一定的进展。二、水基钻井液定义：以水为分散介质的钻井液。水基钻井液是目前国内外各油田使用最普遍的一类。特点：该体系是以水为配方中的连续相，因而具有成本低、配制和维护简单、处理剂来源广、可供选择的配方多、性能容易控制和调节、保护油气层的效果较好等优点。1.定义：用淡水、膨润土和各种对粘土与钻屑起分散作用的处理剂配制而成的水基钻井液。2.特点：⑴可容纳较多的固相，适合于配制较高密度的钻井液；⑵容易在井壁上形成较致密的泥饼，失水较低；⑶某些分散钻井液具有较强的抗温能力，适合于深井和超深井使用；⑷配制成本低。㈠分散钻井液体系3.组成：水+膨润土+分散剂4.分散剂：对粘土和钻屑起分散作用的处理剂。如起降粘作用的聚磷酸盐、单宁碱液、铁铬木质素黄酸盐、褐煤。起降滤失作用的CMC和聚阴离子纤维素等。5.缺点：⑴性能不稳定，容易受到可溶性盐和粘土的污染；⑵固相含量高，粘度、切力较大，机械钻速低；⑶滤液侵入产层引起粘土膨胀，不能有效地保护油气层；⑷滤液为淡水、容易引起水敏性泥页岩垮塌，污染产层。6.用途：⑴钻表层⑵打水泥塞㈡钙处理钻井液1.定义：体系中含有一定浓度的Ca2+和分散剂。2.特点：⑴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；⑵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⑶能在一定程度上抑制页岩水化膨胀，滤失量少，泥饼薄且韧性好，有利于井壁稳定⑷由于体系中粘土颗粒含量较少，对油气层的损害程度相对较少。3.作用机理：在分散体系中同时加入一定量的Ca2+和分散剂，Ca2+通过与水化作用很强的钠膨润土发生离子交换，使一部分钠膨润土转变成钙膨润土，从而减弱水化的程度。4.分散剂的作用：分散剂的作用是防止Ca2+引起体系中的粘土颗粒絮凝过度，使其保持在适度絮凝的状态。5.技术关键：钙处理钻井液的关键是钻井液中的颗粒处于适度絮凝状态，使钻井液具有适宜粘度、切力和失水。6.分类⑴石灰钻井液①pH:11～12②Ca2+:120～200mL/L③悬浮石灰：3000～6000mg/L⑵石膏钻井液①pH:9.5～10.5②Ca2+:600～1200mL/L③悬浮石灰：6000～12000mg/L⑶CaCl2钻井液7.应用：含少量盐、石膏、芒硝的地层，中浅井。㈢盐水钻井液1.定义：钻井液中NaCl的含量达到饱和的钻井液体系。一般地：NaCl含量超过1％（Cl-含量为6000mg/L）直到饱和（Cl-含量为189000mg/L）2.特点：⑴由于矿化度较高，能有效地防止粘土的分散而防塌；⑵对盐的敏感性低，耐盐和耐钙、镁的能力强；⑶滤液性质与原生水比较接近，对油气层的损害较轻；⑷岩屑不易在盐水中分散，容易被清除。3.应用：⑴造浆水本身含盐量较高，如海水;⑵地层中有盐水流;⑶钻遇盐脉或岩盐层以及水敏性页岩。㈣钾基钻井液体系1.定义：以各种聚合物的钾（或铵、钙）盐和KCl为主处理剂的防塌钻井液体系。2.组成：以各种聚合物钾、铵、钙盐和KCl为主处理剂的防塌钻井液。3.特点：⑴在各种无机盐中，以KCl抑制粘土水化的效果最好。聚合物处理剂的存在使该钻井液体系具有聚合物钻井液的各种优良特性。⑵在钻遇泥页岩地层时，具有理想的防塌效果。⑶对蒙脱石含量高，水敏性强的泥页岩地层的防塌效果好。⑷抑制泥页岩造浆的能力强。⑸体系中亚微米级的颗粒含量低，可维持较低的钻井液密度和固相含量。⑹用作完井液时，对储层的粘土矿物也有一定的稳定作用。㈤聚合物钻井液1.定义:以某些具有絮凝和包被作用的高分子聚合物作为主处理剂的水基钻井液体系。由于聚合物的存在，体系所包含的各种固相颗粒可保持在较粗的范围内，同时，钻屑因受到包被保护而不易分散成微细颗粒。2.特点：⑴各种固相颗粒可以保持在较粗的范围内⑵钻屑不易分散成细微颗粒3.优点：⑴钻井液密度和固相含量低，机械钻速高。⑵剪切稀释特性强。环空粘度、切力较高；而极限高剪粘度低，钻头处流动阻力小，有利于提高钻速。⑶主处理剂有较强的包被和不分散作用，抑制了岩石的吸水分散作用，有利于保护井壁。⑷对产层的损害小（密度低、固相含量低）。⑸钻井液成本较低。4.性能指标：⑴固相含量应维持在5％（体积分数)以内；⑵钻屑与膨润土的比例不超过2：1；膨润土含量在1.5%-2%(体积比);⑶动切力（Pa）与塑性粘度（mPa.s）之比控制在0.48左右，实现平板型层流携岩；⑷非加重钻井液的动切力维持在1.5-3Pa；⑸适当控制滤失量；地层稳定时可适当放宽，进入产层控制得低些；⑹在整个钻井过程中应尽量不使用分散剂。5.聚合物的主要作用机理⑴桥联和包被作用①桥联：一个高分子聚合物同时吸附在几个颗粒上，一个颗粒又可同时吸附几个高分子聚合物；②包被：高分子链吸附在一个粘土颗粒上，并将其覆盖包裹。⑵絮凝（或选择性絮凝）作用通过与粘土离子吸附、架桥、成网和沉降，而实现絮凝作用。⑶增粘作用①游离的聚合物分子能增加水相的粘度；②聚合物的桥联作用所形成的网状结构增加了体系的结构粘度。⑷防塌作用①长链聚合物在泥页岩井壁表面发生多点吸附，封堵了微裂缝，阻止泥页岩剥落。②聚合物浓度较高时，在泥页岩井壁形成较致密的吸附膜，可以阻止或减缓水进入泥页岩。⑸对流型的改进(剪切稀释性及紊流减阻)取决于聚合物的品种、加量。⑹需要在聚合物泥浆中加入惰性降滤失剂（超细CaCO3、白碳黑、磺化度适当的磺化沥青）以改善泥饼质量。6.典型的聚合物泥浆体系⑴两性离子聚合物钻井液体系①特点：–能有效地降低钻井液的结构粘度–能使非结构粘度降低，特别是也有所降低，下降的越多越好。–在保证良好钻井液工艺性能的前提下能增强而不是削弱体系的抑制能力。②两性离子聚合物：现有产品主要有两个型号：降粘剂(XY)、强包被剂(FA)降粘剂（XY系列）–分子量较小（10000）–分子链中同时具有阳离子基团（10-40%）、阴离子基团（20-60%）和非离子基团（0-40%）%–是线性两性离子聚合物。强包被剂–引入阳离子基团的线性大分子主聚物，用来抑制页岩分散和增加钻井液粘度。⑵阳离于聚合物钻井液：①定义：由高分子量的大阳离子聚合物和低分子量的小阳离子季铵盐配置出的钻井液。②适用范围：主要解决泥页岩中粘土膨胀引起井壁坍塌和储层中的粘土矿物膨胀引起水敏损害的问题。常用于水敏性较强的储层。③优点：抑制储层水敏性损害的能力比较强。④缺点：成本较高、性能控制和维护比较因难。㈥屏蔽暂堵钻井液1.定义：该体系是在暂堵型钻井液和改性钻井液基础上发展起来的新型保护油气层钻井完井液技术。2.适用范围：该项技术主要解决多压力层系储层的长裸眼井段钻井，并采用射孔完成的孔隙型油气藏的保护问题。3.优点：屏蔽暂堵钻井完井液技术的优点是成本低、适用于多压力层系储层、工艺比较简单、具有较好的保护储层效果。4.缺点：缺点是地层孔喉资料很难取得和多层系储层有时孔喉相差较大，给暂堵剂粒径的选择带来不准确性，以及屏蔽暂堵钻井完井液技术目前还不适用于裂缝性油气层和要进行中途测试的探井。㈦正电胶钻井液1.定义：该体系又称为MMH钻井液。MMH为一种混合金属层状氢氧化物。该钻井液体系的特征是配方中含有混合金属层状氢氧化物MMH。2.优点：应用范围广、具有抑制地层造浆的能力、防止井壁坍塌的效果好、提高机械钻速明显、携屑能力强、可有效地清除水平井的岩屑床、保护油气层的效果好。3.缺点：缺点是滤失量较大、在强造浆地层中使用时增稠严重。㈧甲酸盐钻井完井液1.定义：甲酸盐钻井完井液体系主要由甲酸的碱金属(钾、铀、铅)盐、聚合物增粘剂和降滤失剂等组成，其中甲酸的碱金属盐为钻井完井液提供适当的密度，在不加固相加重剂的情况下，通过改变使用的甲酸碱金属盐类型和加量，可使甲酸盐钻井完井液体系的密度达到1.7～2.3g/cm3。2.优点：循环压降小、腐蚀性小、极易生物降解、对环境污染小、可使增粘剂和降滤失剂热稳定性提高到150℃、易于配制、维护简单、保护储层效果好。3.缺点：成本高。㈨无渗透钻井液技术定义：该钻井液主要由增粘剂、动态降滤失剂、润滑剂等组成，是一种可以在超低固相含量下，使所钻地层损害接近于零的钻井液。特点：无侵入钻井完井液体系滤失量接近于零，具有封堵作用，抑制性强，能有效保护油气层。目前国内对该技术已开始进行研究。作用机理：无渗透钻井完井液技术的核心是一种高分子量表面活性剂(油溶或水溶)，它具有极其广泛的HLB值，能有效封堵储层。当加入水基液中时，该聚合物形成可变形的聚集体或膜(膜在溶液中是分子成组式的，形成球状、棒状和片状)，在井眼内液体的压力下，这些膜迅速地封闭地层喉道，从而大大限制了流体的侵入；当压力继续增大时，由于这些成层的膜是可以变形的，从而更好地封闭地层孔隙喉道，进一步降低了渗透率。㈩硅酸盐钻井完井液1.定义：添加有3～5%硅酸盐的钻井液。2.优点：硅酸盐钻井完井液能够稳定各种复杂地层，具有类似于油基钻井液的优良抑制稳定性能，无毒、无荧光、低成本。3.作用机理：①膨润土对硅酸盐的吸附在粘土颗粒端面进行，水化分散的粘土颗粒在端面吸附带负电的硅酸根微粒后，难以再形成凝胶结构，从而使粘度和切力降低；尚未水化分散的粘土颗粒端部层片间隙被硅酸胶粒封堵住，水分很难进人粘土内，从而粘土不能分散，粘度和切力都不能升高；②硅酸盐有降低页岩水化趋势的作用。③硅酸盐与地层矿物之间的化学反应。(十一)聚合醇(PEM)钻井完井液1.定义：含有一定数量聚合醇的钻井液。聚合醇：在我国也被称为多元醇、复合醇，包括聚乙二醇、聚氧丙烯多元醇、聚丙三醇、聚乙二醇、聚合甘油、芳基聚乙二醇等。2.优点：①能够有效地抑制泥页岩水化膨胀，稳定井壁；②润滑性好，能防止卡钻、提高钻速；③保护储层；④与其他处理剂配伍性好；⑤易降解、对环境无污染等。3.作用机理：(1)浊点机理：具有浊点特性，当钻井液的井底循环温度高于浊点时，PEM发生相分离，不溶解的聚合物能封堵泥页岩的孔喉，阻止钻井液滤液进入地层；同时相分离作用使聚合醇分子粘附在页岩的表面，形成涂层