文章编号:100125620(2007)0120071205
高性能水基钻井液研究进展
王建华 鄢捷年 丁彤伟
(中国石油大学,北京昌平)
摘要 高性能水基钻井液(HPWBM )是为了满足环保需要而研制的一类可以替代油基钻井液(OBM )的新型钻井液体系,该项技术在国外引起了高度重视。介绍了国外高性能水基钻井液的室内研究和工艺技术方面取得的重要进展,包括其性能特点、井壁稳定机理、组成及处理剂作用、抑制性评价方法和现场应用效果。高性能水基钻井液已广泛应用于各种复杂井的钻井作业。现场应用效果表明,高性能水基钻井液提高了机械钻速,实现了低的稀释率和较高的固相清除效率,摩擦系数与油基钻井液基本相当,最大程度地减少了钻头泥包和聚结现象,大大节省了钻井和完井时间,提高了页岩地层的井壁稳定性,保护了环境。
关键词 水基钻井液 抑制性 井眼稳定 研究进展中图分类号:TE254.3
文献标识码:A
为满足环保要求和降低钻井液成本,近年来国外一直在寻求一种具有油基钻井液性能的水基钻井液。在过去几年内,采用了多种方法提高水基钻井液性能,如:阳离子聚合物钻井液、聚合醇钻井液和硅酸盐钻井液等[1]。然而,这些钻井液在抑制泥页岩水化以及钻井液润滑性等方面均存在多种局限性。针对这些情况,国外开发出了一种新型的高性能水基钻井液(HPWBM ),以替代油基钻井液,用于钻进工艺复杂井和高成本井[2]。高性能水基钻井液具有非水基钻井液的许多优良性能,如:①页岩稳定性;②黏土和钻屑抑制性;③提高了机械钻速;④减小了钻头泥包;⑤减少扭矩和摩阻;⑥高温稳定性;⑦抑制天然气水合物的生成;⑧减少储层伤害。同时,还具有保护环境和配浆成本较低的优点。
1 HPWBM 性能特点
111 抑制性强
不同钻井液对页岩的抑制效果评价结果见表
1。由表1可以看出,高性能水基钻井液对页岩的抑制性和OBM 相当,明显高于KCl/聚合物钻井液,对活性页岩具有很强的抑制作用,能减少井下复杂情况发生[3]。112 机械钻速高
使用水基钻井液经常会出现钻头泥包,影响机
械钻速。高性能水基钻井液通过加入一种高效的防泥包剂,在金属和岩石表面形成一层油膜,使金属和钻屑表面的润湿性发生改变,防止钻屑的聚结和黏附,从而提高机械钻速。特别是当高性能水基钻井液与PDC 钻头联合使用时,可以节省钻时。
表1 不同钻井液体系对页岩的抑制结果钻井液
回收率/%
水化率/%线性膨胀率/%
KCl/聚合物97.617.623.0OBM 100-3.012.8HPWBM
100
4.2
11.3
113 储层保护效果好
从使用贝雷砂岩测定渗透率恢复值的实验结果可以看出,在经过高性能水基钻井液污染后,其渗透
率恢复值大于90%。由于在下套管后通常采用压裂充填方式完井,对近井壁带的伤害可忽略不计,同时还增大井眼的有效半径,不存在表皮因子影响[4]。114 保护环境
高性能水基钻井液采用各种环保型处理剂,因
而能保护环境,钻井液和钻屑均允许直接排放,从而大大节约了用于废浆和钻屑处理的费用。此外,高性能水基钻井液还具有以下钻井特性:①对海洋生
第一作者简介:王建华,1981年生,现为中国石油大学石油与天然气工程学院05级在读博士研究生,主要从事油田化学和储层保护研究。地址:北京市昌平区中国石油大学博2005级131信箱;邮政编码102249;电话(010)89733893;E 2mail :
wjhzhm @https://www.doczj.com/doc/a115958277.html, 。
第24卷第1期 钻 井 液 与 完 井 液 Vol.24No.12007年1月 DRILL IN G FL U ID &COM PL ETION FL U ID J anu.2007
物的影响较小;②能最大程度避免循环漏失;③在海洋钻井平台上可操作性强。
2 HPWBM 稳定井壁的机理
211 减弱孔隙压力传递
保持井壁稳定最重要的因素是阻止钻井液侵入页岩基质中,同时保持静液柱压力对井壁的支撑。就页岩稳定性而言,一种理想的钻井液应该是无侵
入的流体。常采用PP T 装置测量钻井液对页岩样品的膜效率和渗透作用。目前已发现聚合醇、硅酸盐和铝盐络合物等几种处理剂可降低孔隙压力传递。据报道,聚合醇主要通过浊点效应降低孔隙压力传递,而硅酸盐和铝络合物是通过其沉淀过程来控制孔隙压力传递[5]。室内和现场试验表明,上述处理剂在高浓度盐水中作用效果更好。多种钻井液体系的PP T 试验曲线见图1
。
注:实验条件为:围压3.3MPa ;井眼压力2.4MPa ;初始压差1.75MPa ;温度70℃;使用Pierre Ⅱ页岩岩心
图1 多种钻井液体系的PPT 试验曲线
由图1可知,随着时间的推移,地层孔隙压力最终达到平衡并稳定在某一状态,此时在页岩两端的压差保持稳定。20%NaCl 和氢氧化铝络合物(A HC )能延缓孔隙压力的传递;而高性能水基钻井液的情况是地层孔隙压力随着时间的增加而减小,这表明页岩孔隙中的流体单向流入了高性能水基钻井液中。这种地层压力的降低,得益于高性能水基钻井液比传统的WBM 体系具有更高的膜效率。合成基钻井液(SBM )也表现出相同的趋势,随着时间的增加,由于页岩中的水被驱出,地层孔隙压力趋于降低,这说明高性能水基钻井液在压力传递及膜效率特性方面与SBM 体系十分接近。212 半透膜稳定井壁机理
高性能水基钻井液可在力学封堵和化学沉淀的共同作用下形成选择性半透膜,这样可降低页岩的渗透率。该体系使用了一种微米级的可变形聚合物
封堵易剥落页岩上的微孔隙和微裂缝。而常规的封
堵剂,如超细碳酸钙,其粒度不能与这些微孔隙和微裂缝很好地匹配,因此不能实施有效封堵。这种可变形的聚合物封堵剂不仅粒度分布与页岩上的微孔隙相匹配,而且在淡水和饱和盐水溶液中均可保持同样的粒度分布,是一种可应用于抑制性水基钻井液的理想封堵剂,可变形的特点使它能嵌入孔喉或裂缝中,从而提高封堵效率。此外,高性能水基钻井液使用了一种铝盐混合物,它可与页岩基岩发生反应而生成沉淀,从而形成了一种内部桥堵。在钻井液体系的正常p H 值条件下,这种化合物是可溶的,而当其进入页岩后,由于p H 值的降低或与地层中的二价阳离子发生反应,便会生成沉淀。213 铝化学稳定井壁机理
采用铝化学方法增强井壁稳定性,其依据是改变页岩的物理和化学性质[6]。与目前研究的钻井液与页岩之间发生离子交换的方法不同,该方法根据铝化学原理,通过生成氢氧化铝沉淀,最终与地层矿物的基质结合成一体。这种铝的沉淀物能显著增强井壁稳定性,提高敏感性页岩的物理强度,并形成一种物理的屏蔽带,阻止钻井液滤液进一步侵入页岩。
3 HPWBM 组成及处理剂作用
311 页岩抑制剂31111 胺类抑制剂
高性能水基钻井液中的页岩抑制剂是一种胺基
多官能分子,完全溶于水并且低毒。生物毒性试验结果表明,96h 的L C 50大于500000mg/L [7]。页岩水化抑制剂的分子结构如下。
HO —(OR )X αN H -CH 2-CH 2—C H 2—O —C H 2—C H 2—N H δ(R ′O )Y —H 页岩水化抑制剂也可从具有下列化学分子式的产品中进行选择。
HO —R —N H —CH 2—C H 2—C H 2—O —C H 2
—C H 2—N H 2
H 2N —C H 2—C H 2—CH 2—O —C 2H 4—N H —R —O H
HO —R —N H —CH 2—C H 2—C H 2—O —C H 2
—C H 2—N H —R ′—O H
分子式中R 和R ′均为含2～4个碳原子的烃基,X 和Y 为独立可选的数值,最小为1。由环氧烷烃与烷氧基二胺反应的产物烷氧基二胺可用作页岩抑制剂,其分子结构为:
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钻 井 液 与 完 井 液 2007年1月
H2N—R—[OR′]X—N H2
分子式中R和R′均为含有1～6个碳原子的烷基,X值在1—10之间。根据理论分析,页岩抑制剂独特的分子结构使其分子能很好地镶嵌在黏土层间,并使黏土层紧密结合在一起,从而降低黏土吸收水分的趋势。结合用蒙特卡洛方法和分子动态学方法,采用页岩抑制剂的水溶液和蒙脱土片对新型抑制剂进行分子设计和X2射线衍射研究,结果表明,这类新型页岩抑制剂抑制页岩膨胀的机理不同于聚乙二醇类,它主要是通过胺基特有的吸附而起作用,而不是通过驱除页岩层空间内的水起作用。这种作用机理是中性的胺类化合物分子通过金属离子吸附在黏土上,或者是质子态的胺分子通过离子交换作用替代金属离子。对浸泡在页岩抑制剂溶液中的蒙脱石样品进行X2射线衍射实验,结果表明,随页岩抑制剂浓度的增加,黏土层间距减小,这种变化趋势与观测到的聚乙二醇正好相反,同时印证了对其抑制机理作出的推断。测量结果表明,页岩抑制剂的质子化程度对吸附机理至关重要,同时也表明黏土层间确实存在页岩抑制剂。此外,用不同分子量的中性胺类页岩抑制剂进行分子建模研究,结果表明某种分子量的胺类化合物以桥联方式复合吸附在黏土层间,这种化合物抑制效率优于其它类型化合物。31112 铝盐
高性能水基钻井液常用的铝盐及特性见表2。
表2 常见的铝盐化合物
铝盐化合物分子式水溶性p H 氯化铝AlCl3溶<7
硫酸铝Al2(SO4)3?16H2O溶<7
硫酸铝钾KAl(SO4)2?12H2O溶<7
乳酸铝Al(C3H5O3)3溶<7
硬脂酸铝Al[O2C(CH2)16CH3]3不溶
铝酸钠NaAlO2或Na2O?Al2O3溶>7
铝的化学多变性由该元素的固有特性所决定。与钻井作业相关的铝元素的化学特性可归纳如下。
①铝的化合物可能溶于水,也可能不溶于水,这主要取决于反离子和溶液的p H值。②可溶性铝盐溶解时产生的铝离子在一个八面体构象中以六角形的水化离子存在。铝离子所带的高电荷使水化层失去质子,因而会产生一系列水解产物。铝水解得到的酸性溶液实际上都是水溶性的铝盐。③在水溶液中铝盐会经历各种复杂的与p H值相关的化学过程。当p H值低于3时,铝盐溶液中只含有Al(H2O)63+;当p H值在3～5之间时,铝盐变成一种含有Al (O H)2+、Al(O H)+2以及各种聚核阳离子(含2或3个铝原子)的混合物。当p H值升至5～6之间时,生成Al(O H)3,而当碱性进一步增强时,主要以Al (O H)-4的形式存在。
Al3++H2O→Al(O H)2++H+
Al3++2H2O→Al(O H)+2+2H+
Al3++3H2O→Al(O H)3+3H+
Al3++4H2O→Al(O H)-4+4H+
④在适当的条件下,铝元素会生成一种两性氢氧化物。在p H值较高时,它会生成水溶性的四羟基铝阴离子。
Al3+
酸
Al(O H)3
碱
Al(O H)-4
⑤铝的氢氧化物以几种晶形或无定形的形式存在。⑥利用铝的氢氧化物在页岩孔喉内或微裂缝内的沉积作用,可增强井壁稳定性。
312 包被剂
高性能水基钻井液采用一种高分子量的部分水解聚丙烯酰胺(P HPA)作为包被剂,主要用来降低黏土分散的程度,并通过对页岩颗粒的包被作用抑制页岩水化。此外,新研制开发的一种聚合物具有一定分子量和电荷密度,其通过限制水渗透到黏土中而起到极好的包被作用。通过调整和控制包被剂的分子量,这种聚合物可应用于不同密度范围的钻井液体系和钻井液配方中。这种高电荷密度聚合物还具有较强的抗盐性,能有效地控制水敏性黏土的膨胀和分散,同时不影响钻井液体系的流变性。313 防聚结剂
高性能水基钻井液中的防聚结剂是由表面活性剂和润滑剂组成的特殊混合物。该处理剂能覆盖在钻屑和金属表面,从而降低黏土水化和在金属表面黏结的趋势,防止水化颗粒聚沉,阻止钻头泥包。使发生水化的黏土不易在钢金属表面黏附,从而有利于提高机械钻速,可确保起下钻顺利。防聚沉剂的化学作用还可防止井底钻屑累积,使钻头牙轮不断地与新地层接触而提高钻速。这种特殊的表面活性剂和润滑剂的混合物在钻井过程中不仅可减轻钻头和井底钻具的泥包,而且还通过降低摩擦系数来增强钻井液润滑性,降低钻柱的扭矩和拉力。
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第24卷第1期 王建华等:高性能水基钻井液研究进展
314 降滤失剂
降滤失剂主要采用聚阴离子纤维素(PAC),该处理剂与其它处理剂有很好的配伍性。
4 HPWBM抑制性评价方法
室内采用以下实验方法评价页岩抑制剂和高性能水基钻井液的抑制性能:膨润土抑制试验、屈曲硬度试验、耐崩试验、聚结试验[8]。用海水配制的该钻井液典型配方如下。
20%NaCl+1%PAC+0.06%聚合物增黏剂+ 1%包被剂+2.5%页岩抑制剂+4%防聚结剂
411 膨润土抑制性实验
抑制膨润土造浆和维持钻井液流变性的能力是评价页岩抑制剂最适用的方法。将28.4kg/m3膨润土加入到一桶等量的含22.8kg/m3页岩抑制剂的淡水中,在65℃下热滚16h后,测流变性,然后再加入另一部分膨润土,继续老化测其性能,直到老化后样品黏度太大不能测试为止。实验结果表明,高性能水基钻井液抑制性能与KCl和季胺盐相当。412 屈曲硬度实验
用屈曲硬度测试仪测量与钻井液接触后钻屑的硬度。实验时将页岩钻屑在65℃下热滚16h后,放置在筛布上,用盐水冲洗后放入测试仪。通过转动扭矩扳手加力,使钻屑通过一孔板挤出,施加的扭矩达到稳定值或在钻屑被挤出的过程中继续增加。钻屑越硬,扭矩的读数越大,表明钻井液的抑制性越强。分别对高性能水基钻井液、KCl/PL U S体系、CaCl2盐水钻井液和P H PA/NaCl钻井液进行了屈曲硬度实验。结果表明,在KCl/PL U S体系、CaCl2盐水钻井液和P HPA/NaCl钻井液热滚后的钻屑成条带状挤出,而在高性能水基钻井液中热滚的钻屑没有被全部压出,而成片状,扭矩也较大,这表明高性能水基钻井液抑制性能较好。
413 耐崩实验
用耐崩实验方法进一步评价高性能水基钻井液的性能。这种实验方法与热滚分散实验相类似,但其实验环境对岩样的摩擦性更强。将已知重量的一定尺寸的页岩岩样放入圆形的笼子内,笼子浸在盛有钻井液的老化罐中滚动一段时间。在滚动的过程中经水化的岩心将碎裂、分散并漏出笼子。试验结束后,将残留在笼子中的岩样进行冲洗、干燥、称重,并计算页岩岩样回收率。使用3种不同的天然岩样,分别对高性能水基钻井液和P H PA/KCl/NaCl 钻井液进行了评价实验。结果表明,在高性能水基钻井液中页岩回收率为60%～98%,P HPA/KCl/ NaCl钻井液中页岩回收率仅为25%～85%。
414 聚结实验
聚结试验是评价高性能水基钻井液的抑制性和特性的最重要实验之一。实验时将一个钢制金属棒插入盛有钻井液和钻屑的罐中,钻屑分布在棒的周围。将罐密封后在室温下滚动一定时间,取出棒子拍照。刮下棒子上的钻屑,然后干燥称重,计算聚结在棒上钻屑的质量百分数。其它几种水基钻井液的聚结百分数最大为80%,而在高性能水基钻井液中几乎没有聚结物出现。
5 现场应用
11高性能水基钻井液已在墨西哥湾、美国大陆、巴西、澳大利亚、利比亚及近期在沙特阿拉伯得到了应用,均取得好的效果,还准备在尼日利亚、突尼斯、意大利、挪威、北海的英国海域应用该体系。此外,在阿拉伯半岛及阿拉伯海湾地区一些油气井中也准备用该体系[9210]。
21采用高性能水基钻井液在巴林陆上油田钻了一口储层严重枯竭的深气井。该井所要求的钻井液密度为1.02g/cm3,用常规水基钻井液钻进时,压差卡钻事故频繁发生。而在高性能水基钻井液中加入可变形的聚合物封堵剂,同时辅之以少量的常规暂堵剂用于该井,使该井顺利钻达目的层,井壁稳定,无事故发生。
31哥伦比亚Monicongo21探井需钻穿Villeta 页岩地层,它属于硬脆性并带有微裂缝的页岩。当使用非抑制性钻井液钻进时,该类地层垮塌严重。使用A HC/P HPA/WDA(在水中可分散的沥青)高性能水基钻井液后,稳定了活性膨胀性页岩,而且在稳定带有微裂缝的易坍塌页岩方面也十分有效。
41在阿拉伯海湾地区,以往使用抑制性较差的常规WBM体系钻井时经常出现钻头泥包、环空流动遇阻、钻井液密度和当量循环密度过高、井漏、卡钻以及有时无法钻达目的层等问题。采用高性能水基钻井液则成功钻达目的层,井壁十分稳定,未出现垮塌及剥落掉块现象,测井、下套管和固井均顺利。6 结论
11高性能水基钻井液是一种环保型的多功能水基钻井液,完全能满足复杂井钻井作业的需要,可
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以替代OBM。
21高性能水基钻井液体系中采用一种特定分子结构的胺类页岩抑制剂,当与络合铝配合使用时,其抑制性与OBM相当。
31现场应用结果表明,高性能水基钻井液可以满足钻软泥页岩、硬脆性泥页岩、枯竭地层的要求,防塌性能类似于OBM。
41高性能水基钻井液特别适合于海上钻井。无论是陆上还是海上钻井,都具有广阔的应用前景。
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(收稿日期2006209202;H GF=071A2;编辑 张炳芹)
(上接第60页)
4 结论及建议
11非牛顿流体层流射流的轴心无量纲速度分布具有相似性,但与牛顿流体的湍流射流轴心无量纲速度分布相比具有较大的差别,射流轴心的速度在射流出口处发生骤降。
21无量纲轴向距离小于3时,不同的K和n对轴心速度分布影响很小,无量纲轴向距离大于3时, K和n越大,轴心速度衰减越慢。
31用流体力学数值模拟软件FL U EN T对非牛顿流体层流射流进行数值模拟是可行的,并可以取得一些与前人一致的结论。
41目前尚没有适用于非牛顿流体的专用湍流模型,同时也难于确定现有湍流模型是否适用于非牛顿流体。应加强适用于非牛顿流体湍流模型的研究,为非牛顿流体湍流的数值研究打下基础。
51实验的方法是研究非牛顿流体湍流射流的最直接方法,例如利用PIV或LDA测速度场,这是现阶段在没有适用于非牛顿流体湍流模型的情况下,对非牛顿流体湍流射流研究的唯一方法。
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(收稿日期2006208220;H GF=071W3;编辑 汪桂娟)
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第24卷第1期 王建华等:高性能水基钻井液研究进展
axial distances are greater t han 3,t he greater t he K and n values ,t he slower t he lo sses of t he axial flow velocity.These conclusio ns are in consistence wit h t hat o btained by ot her researchers ,and reveals t hat t he numerical simulation using FL U EN T on non 2Newtonian fluid laminar jet flow can give reasonable result s.It is suggested t hat more attention sho uld be paid to t he research on non 2Newtonian fluid t ubular flow https://www.doczj.com/doc/a115958277.html,boratory experiment is t he direct met hod of st udying t he non 2Newtonian fluid t ubular jet flow behavior.
K ey w ords foam fluid ;power law fluid ;laminar flow ;jet flow ;numerical simulatio n
First author ’s address College of Pet roleum Engineering ,U niversity of Pet roleum (East China ),Dongying 257061,China
Development in Drilling Fluid T echnologies Abroad in 2005.D FCF ,2007,24(1):61270Authors XU Tong 2tai ,ZHAO Zhong 2ju ,FEN Jing 2hai
Abstract This paper int roduces t he p rogresses made on drilling fluid technologies such as new drilling flu 2ids ,reservoir p rotection ,lo st circulation p revention and remedy ,and bore hole stabilization in 2005.The new drilling fluids include high performance water base muds ,t he INNOV ER T mud system t hat can p re 2vent barite f rom settling ,drilling fluids containing supercritical carbon dioxide ,cesium formate fluid ,and emulsified spacing fluids.In reservoir p rotection ,research work on t he new generatio n drill 2in fluids ,and t he effect s of t he filt rate of oil base muds on t he gas reservoirs ,is int roduced.In lost circulation prevention and remedy ,lo st circulation material co ntaining expandable polymers and colloidal particles ,a deformable sealing polymer (MAX 2SHIELD TM ,a new mechanism governing t he mud losses 2cold water injection may induce mud lo sses during drilling ,and a cross 2linked cement L CM are reviewed.In bore hole stabilization ,an understanding of bore hole stability mechanism by polymers utilizing molecular model is int roduced.Ot her aspect s regarding drilling fluid p rogresses in t his paper are :an H T H P filtrate reducer 2Hosta 2drill4706(a copolymer ),a model to p redict t he density of oil base muds and synt hetic base muds ,a tool for reduce ECD ,and new A PI standard for shale shaker screens etc.
K ey w ords drilling fluid system ;drilling fluid additive ;formation damage prevention ;lost circulation ;bore hole stabilization ;summarize
First author ’s address CN PC Retirement Bureau ,Beijing 100729,China
Progresses in the R esearches on High Perform ance W ater B ase Muds.D FC F ,2007,24(1):71275Authors WAN G Jian 2hua ,YAN Jie 2nian ,DIN G Tong 2wei
Abstract High performance water base muds (H PWBM )are developed to replace oil base muds (OBM )to satisfy t he needs for environment protection.HPWBM is widely accepted in foreign count ries.This paper int roduces t he p rogresses in laboratory st udy and field application of t he H PWBM in foreign count ries.The characteristics ,bore hole stabilization mechanism ,composition and t he use of t he mud additives ,t he evaluatio n of t he shale inhibitive capacity ,and t he field application of t he H PWBM will be discussed in t his paper.H PWBM has been widely applied in various complicated well drilling.Field p ractices show t hat t he use of H PWBM can increase ROP ,reduce t he mud dilution rate and higher solids removal efficiency.The f riction coefficient of t he H PWBM is similar to t hat of t he OBM.H PWBM has played an important role in reducing t he bit balling and saving drilling/completion time.The stability of t he bore hole in shale forma 2tions has been greatly enhanced ,and t he damage to t he environment has been reduced to a minimum level.K ey w ords water base muds ;inhibitive capacity ;bore hole stabilizing ;research progress First author ’s address University of Pet roleum ,Beijing 102249,China
R esearch Progresses in Formation Damage R elated Rock Mechanics 2Chemistry Coupling.D FCF ,2007,24(1):
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DRILL IN G FL U ID &COM PL ETION FL U ID J anu.2007
钻井液体系和配方 一.不分散聚合物体系 不分散聚合物钻井液体系指的是经过具有絮凝及包被作用的有机高分子集合物处理的水基钻井液。常用的不分散集合物钻井液类型大体有三种：及多元素聚合物体系、复合粒子性聚合物体系、阳离子聚合物体系。 1.不分散聚合物体系特点 （1）具有很强的抑制性。通过使用足量额高分子聚合物作为絮凝包被剂，实现强包被“被包”钻屑，在钻屑表面形成一层光滑的保护膜，抑制钻屑分散，使钻出的钻屑基本保持原状而不分散，以立于地面机械清除，从而实现低密度、低固相，提高钻速。 （2）具有较强的悬砂、携砂功能。通过控制适当的般土，使聚合物钻井液形成较强的网架结构，确保其悬砂、携砂功能，满足井眼净化需求。 （3）通过使用磺化沥青、超细碳酸钙等降低泥饼渗透率，能偶获得良好的泥饼质量。 （4）该体系以其良好的稀释特性是的钻头水眼粘度小，环空粘度打，
有利于喷射钻井、优化钻井钻头水马力的充分发挥，从而提高机械钻速。 （5）低密度、低固相、有利于实现近平衡压力钻井 （6）抑制性强，且粘土微粒含量较低，滤液对底层所含粘土矿物有抑制膨胀作用，故可减轻对油气层的损害。 2.配方
3.技术关键 1.加大包被剂用量（171/2″井眼平均约3.5千克/米，121/4″井眼约3.0 千克/米），并采用2种以上包被剂复配以达互补增效功能，突然强包被，抑制钻屑钻分散，防止钻屑粘聚包被剂以胶液形式钻进时细水长流式补充到井浆中。 2.控制适当的般土含量以获得良好的流变性集携砂、悬砂功能（MBT最佳 范围为30～45克/升）。般土含量的控制以淡水预化般土浆形式需要时直接均匀补充道井浆中。 3.使用磺化沥青（2%）和超细碳酸钙（2%）改善和提供聚合物钻井液的泥 饼质量。 4.使用足量的润滑剂RH-3(0.5%～0.8%)及防泥包剂RH-4（0.3%～0.5%），降
和田1井高密度钻井液技术 和田1井是新疆塔里木盆地一口超深预探井,完钻井深6813.50m。该井地质条件复杂,上部地层易水化膨胀,造浆严重;下部地层有大段盐膏层和高压盐水层。在钻井施工过程中,易发生泥包钻头、缩径、井塌、井漏、卡钻等复杂情况。针对不同地层特点,分段采用了不同的钻井液体系及相应的维护处理措施。现场应用表明:该套钻井液体系具有很好的的抑制性、悬浮携带、稳定井壁、润滑防卡能力,满足了钻井施工的要求。 标签：高密度钻井液;井眼稳定;防塌;抑制性;超深井 和田1井位于新疆和田市境内,是和田河西区块的一口预探井。钻探目的是勘探石炭系、奥陶系油气藏。该地区在钻井施工过程中,因地层复杂,易发生阻卡、泥包、掉快、井塌、井漏等复杂情况,引起长井段划眼、卡钻等复杂事故。针对该井不同地层段的实际情况,分段采取了不同的钻井液体系及相应的维护措施。现场应用表明该套钻井液体系具有强的抑制性,较好的悬浮携带、稳定井壁、润 滑防卡能力,成功解决了该区块易出现的复杂情况。 1 地质工程概况 和田1井地质分层及岩性特征如下:第四系(0-50m):流砂层;第三系(50-795m):泥岩夹中细砂岩;三叠系(795-924m):褐色泥岩、紫红色砾状砂岩;二叠系(924-2614m):泥岩、粉砂岩、火成岩、褐色泥岩夹膏岩;石炭系(2614-3430m):泥岩、砂岩、灰岩不等互层;泥盆系(3430-3489m):中砾岩、砂岩与泥岩互层,石英细砂岩夹棕色泥岩;志留系(3489-3918m):粉砂岩、暗褐色泥岩;奥陶系(3918-5522m):灰岩、泥灰岩、白云岩、褐色、灰褐色灰岩、泥灰岩、白云岩;寒武系(5522-6813.50m): 灰色、深灰色白云岩、灰质云岩。 和田1井一开使用φ660.4mm钻头钻至123.12m,下入φ508mm*123.12m表层套管;二开使用φ444.5mm钻头钻至1949m,下入φ339.7mm*1948.03m技术套管;三开使用φ311.15mm的钻头钻至4155m,下入φ244.5mm*4153.81m技术套管;四开使用φ215.9mm的钻头钻至6100m,下入φ177.8mm*6097m技术套管。五开使 用φ149.2mm的钻头钻至井深6813.5m完钻。 2 钻井液技术难点 本井为五开预探井,套管程序多且地层复杂。一开、二开井径大,大段软泥岩、
钻井液（drilling fluid） 钻井液是钻探过程中，孔内使用的循环冲洗介质。钻井液是钻井的血液，又称钻孔冲洗液。钻井液按组成成分可分为清水、泥浆、无粘土相冲洗液、乳状液、泡沫和压缩空气等。清水是使用最早的钻井液，无需处理，使用方便，适用于完整岩层和水源充足的地区。泥浆是广泛使用的钻井液，主要适用于松散、裂隙发育、易坍塌掉块、遇水膨胀剥落等孔壁不稳定岩层。 旋转钻井初期，钻井液的主要作用是把岩屑从井底携带至地面。目前，钻井液被公认为至少有以下十种作用： （1）清洁井底，携带岩屑。保持井底清洁，避免钻头重复切削，减少磨损，提高效率。 （2）冷却和润滑钻头及钻柱。降低钻头温度，减少钻具磨损，提高钻具的使用寿命。 （3）平衡井壁岩石侧压力，在井壁形成滤饼，封闭和稳定井壁。防止对油气层的污染和井壁坍塌。 （4）平衡（控制）地层压力。防止井喷，井漏，防止地层流体对钻井液的污染。 （5）悬浮岩屑和加重剂。降低岩屑沉降速度，避免沉沙卡钻。 （6）在地面能沉除砂子和岩屑。 （7）有效传递水力功率。传递井下动力钻具所需动力和钻头水力功率。 （8）承受钻杆和套管的部分重力。钻井液对钻具和套管的浮力，可减小起下钻时起升系统的载荷。 （9）提供所钻地层的大量资料。利用钻井液可进行电法测井，岩屑录井等获取井下资料。 （10）水力破碎岩石。钻井液通过喷嘴所形成的高速射流能够直接破碎或辅助破碎岩石。 钻井液的运用历史 很久以前，人们钻井通常是为了寻找水源，而不是石油。实际上，他们偶然间发现石油时很懊恼，因为它把水污染了！最初，钻井是为了获得淡水和海水，前者用于饮用、洗涤和灌溉；后者用作制盐的原料。直到19 世纪早期，由于工业化增加了对石油产品的需求，钻井采油才逐渐普及。 有记载的最早的钻井要追溯到公元前三世纪的中国。他们使用一种叫做绳式顿钻钻井的技术，实现方式是先使巨大的金属钻具下落，然后用一种管状容器收集岩石的碎片。中国人在这项技术上比较领先，中国也被公认为是第一个在钻探过程中有意使用流体的国家。此处所讲的流体是指水。它能软化岩石，从而使钻具更容易穿透岩石，同时有助于清除被称作钻屑的岩石碎片。（从钻孔中清除钻屑这一点非常重要，因为只有这样，钻头才能没有阻碍地继续深钻。）
塔里木常用钻井液体系简介 塔里木常用的钻井液体系主要以水基钻井液体系为主，油基钻井液只在少数几口井使用，一是为开发而进行的油基钻井液取心做业，二是用来解决极为严重的井下复杂情况，总的归纳起来大致有以下几种：不分散聚合物体系，分散型聚合物体系（即塔里木聚合物磺化体系），钾基（抑制性）钻井液体系，饱和盐水钻井液体系，正电胶钻井液体系，油基钻井液体系，”三低”正电胶钻井液体系。 1. 不分散聚合物钻井液体系 不分散聚合物钻井液体系指的是经过具有絮凝及包被作用的有机高分子聚合物处理的水基钻井液。塔里木使用的不分散聚合物钻井液体系大致有三种；既多元聚合物体系，复合离子型聚合物体系，阳离子聚合物体系。 塔里木不分散聚合物钻井液体系特点： （1）具有很强的抑制性。通过使用足量的高分子聚合物作为 絮凝包被剂，实现强包被钻削，在钻削表面形成一层 光滑的保护膜，抑制钻削分散，使所钻出来的钻削基 本保持原状而不分散，以利于地面固控清除，从而实 现低密度，低固相，提高钻速。 （2）具有较强的悬砂，携砂功能。通过控制适当的板土含量， 使聚合物钻井液形成较强的网架结构，确保其悬砂， 携砂功能，满足井眼净化需求。 （3）通过使用磺化沥青，超细碳酸钙等降低泥饼渗透率，能 够获得良好得泥饼质量。 （4）该体系以其良好的剪切稀释特性使得钻头水眼小，环空 粘度大，有利于喷射钻井，能使钻头水马力充分发挥， 钻速提高。 （5）低密度。低固相有利于实现近平衡钻井，
（6）抑制性强，且粘土微粒含量较低，滤液对地层所含粘土 矿物有抑制膨胀作用，故可减轻对油气层的损害。 2.配方(1).多元聚合物体系（2）.复合离子型聚合物 体系 材料名称加量材料名称 加量 扳土4% 扳土 4% KPAM PMNK 80A51任意两种0.6-1% FA-367 0.4-0.6% HPAN 0.15% XY-27 0.15% MAN101 0..1% JT-888 0.2-0.3 SAS 5.0% SAS 5.0 QS-2 2.0% QS-2 2.0% RH-3D 0.4-0.6% RH-4 0.3-0.5% RH-4 0.3-0.5% RH-3D 0.4-0.6 % （3）阳离子聚合物体系 材料名称加量 扳土4% SP-2 0.3-0.4% CSW-1 0.1%
新型钻井液加重材料 1 四氧化锰 贝克体斯公司使用专利加重材料---Micromax开发出了一种逆乳化钻井液。这种加重材料是四氧化锰，与重晶石颗粒相比，四氧化锰具有粒径小、颗粒呈球形的特点。由于球形颗粒的粒间摩擦很小，故钻井液的塑性粘度大幅度降低。虽然四氧化锰的密度比重晶石大得多，但其颗粒的尺寸却比重晶石小得多，这就意味着这些颗粒可以被弱结构的钻井液所支撑，同时在较低的屈服值下不会增加沉降的风险。Micromax可以改善钻井液的流变性能，同时降低加重材料发生沉降的趋势，可在高温/高压井和小井眼中使用。对于高温/高压井，减轻沉降趋势和降低塑性粘度能大幅度缩短钻井时间，减少井下漏失。连续管钻井和过油管钻井的发展也为该钻井液的使用提供了潜在市场。 从健康与安全的角度来说，由于细颗粒尺寸和粉尘所带来的问题可以通过事先将加重材料与钻井液混合来避免。压井用的钻井液被运输到井场上，其中部分钻井液被油和盐水稀释成所需的钻井液密度。这一操作安全可靠，并能极大地简化采用非标准加重材料所带来的诸多问题。 超高密度钻井液 技术难点： 由于深井并底温度高，对高密度钻井液的处理异常复杂。经常陷人“加重一增稠—降粘一加重剂沉降—密度下降一再次加重”的恶性循环.影响钻井的正常进行，甚至可能引起严重卡钻事故。而本次研究的钻井液密度高达3.0.g/cm3.体系中的固相含量极高(若用重晶石作加重剂，其体积分数将大于60%)。体系的流变性和沉降稳定性之间的矛盾十分突出。C'hiligcrian G V等认为，重晶石的加重极限可以达到2. 64 g/ cm3，超过此极限，钻井液的流变性与沉降稳定性之间的矛盾将不可调和，出现顾此失彼的困难。显然，解决好密度为3.00 g/cm3钻井液的流变性和沉降稳定性之间的矛盾是超高密度钻井液研究成功的技术关键。 重晶石粉技术指标的研究 加重剂密度越大.钻井液中固相的体积分数就越小。Gary G R和Young Jr F S认为，方铅矿可将钻井液密度提高到3.85 g/cm3。但在中国，方铅矿尚未真正开发用于钻井行业。为此着重研究了重晶石。 1.重晶石粉密度 如果选用的重晶石密度大，则其在钻井液中的体积分数就较小.从而有利于改善钻井液流变性。在研究中选用了密度为4.4 g/cm''左右的重晶石粉。 2.重晶石粉的粒度 根据斯笃克斯定律，在重晶石粉密度一定的情况下况下，影响钻井液沉降稳定性的因素主要为重晶石粉粒度分布和钻井液液相粘度。二者必须相互协调，液相粘度太高影响钻井液流动性，太低则无法满足对钻井液沉降稳定性的要求;重晶石粒度太粗则沉降速率大，增加维持钻井液良好稳定性的难度.太细则钻井液流动性能难以调节。研究中发现，虽然Chiligcrian G V'等人提出了重晶石的理沦加重极限，但观点是建立在“重晶石各项技术指标均符合AYI标准”的基础上，对有特殊密度要求的钻井液，重晶石粒度可以不符合AP1标准。Briscoe B J等人认为，随着重晶石含量的增加。钻井液中粘土与重晶石颗粒间的相互作用存在三种方式，当重晶石的体积分数大于15%时，重晶石颗粒之间相互靠近，重晶石本身可能参与形成网状结构，从而增强了体系的凝胶强度(见图1>；而在密度为3. 00 g/cm3的钻井液中.重晶石的体积分数在60%以上，它在钻井液中形成的网状结构的强度不可忽视。
第二章钻井液体系 目前，国内常用的钻井液体系分为水基、油基和含气钻井液三大系列。水基钻井液因使用方便、配制简单、价格低廉、对环境污染较小而应用广泛；油基钻井液由于其良好的抗泥页岩水化膨胀缩径性能而主要应用于泥页岩水化缩径严重的区块和对油气层保护要求较高的井；含气钻井液主要用于钻易漏的低压底层。 上世纪90年代又成功发展出合成基钻井液、超低渗透钻井液和不渗透钻井液并在大量井现场应用中取得良好的效果。合成基钻井液对环境污染更小，并具有部分油基钻井液的特性，能很好的保持井壁稳定；超低渗透钻井液和不渗透钻井液在防止地层损害和提高油气井产量上有较突出的效果而得到较广泛的应用； 各种钻井液体系是人们在钻井液技术发展过程中不断实践创造和完善的，不要死记硬背，生搬硬套，而应该对其熟练掌握、灵活应用，并在解决所遇到的各种钻井液问题中不断总结，积累并不断的加以完善。 一、膨润土浆（坂土浆） 1、膨润土浆是常用的水基钻井液的基础结构，用于代替清水开钻，形成泥饼以加固上部地层井壁防止冲坏基础和防止井漏；也用于储备钻井液，在钻井过程中各种事故复杂处理后钻井液量不足时用于做配制钻井液的基浆。 2、常规膨润土浆配方： （1）钠膨润土：水+ 0.1-0.2%烧碱+ 0.2-0.3 纯碱+ 6-10% 钠膨润土 （2）钙膨润土：水+ 0.3-0.5%烧碱+ 8-12% 钙膨润土+ 纯碱（钙膨润土的6%）配置好水化24小时以后可加入0.1-0.3%的CMC-LV护胶降失水。 土是膨润土浆的基础结构，烧碱用于除去水中镁离子和调节膨润土浆PH值并促进膨润土水化，纯碱用于除去水中钙离子和促进膨润土水化；实际应用中，烧碱和纯碱的加量可根据配浆水中的钙镁离子含量来适当增减调节。 3、配置步骤 （1）清淘干净一个配浆罐，用清水清洗干净后装入配浆水（配浆水要求总矿化度小于1000mg/L）。 （2）软化配浆水：检测配浆水中钙镁离子含量，根据钙镁离子含量加入纯碱、烧碱除去配浆水中钙镁离子，软化水质，以提高膨润土的造浆率，使配制出的膨润土浆有较理想的粘度。 （3）室内小型实验，配制小样，检测小样性能。 （4）通过加重泵按实验合格的小样配浆，配浆前应用配浆水排替管线，配好后连续搅拌并用泵循环2-4小时，然后预水化24小时备用。 （5）如有必要，加入一定数量的护胶剂护胶，通常是加入0.1-0.3%CMC-LV或中小分子处理剂。 4、膨润土浆性能指标：
第２４卷第５期２００７年９月 钻井液与完井液 ＤＲＩＬＬＩＮＧＦＬＵＩＤ＆ＣＯＭＰＬＥＴＩＯＮＦＬＵＩＤ ＶｏＩ．２４Ｎｏ．５ Ｓｅｐｔ．２００７ 文章编号：１００１—５６２０（２００７）０５—００１５—０５ 高温（２２０℃）高密度（２．３ｇ／ｃｍ３）水基钻井液技术研究 杨泽星孙金声 （中国石油集面钻井工程技术研究院，北京） 摘要针对钻井工程莆求，评价优选出了抗高温钻井渍用高温保护捌、降蒋失剂、封堵剂辱钻井液处理剂，井进一步优选出了抗高温（２２０℃）高密度（１．８０～２．３０ｇ／ｃｍ３）水基钻井液配方。室内评价结果表明；谈体系具有魁好的抑制性和抗钻肩污染性能，抗钻周格污荣达１０％；具有一定的抗电解质能力，抗盐达２％，抗氯也钙选０．５％，具有盘好的润滑性能ｌ容易配制和维护。 关键词高密度钻井液高温钻井液钻井液配方钻井液露加剂 中圈分类号：ＴＥ２５４．３文献标识码：Ａ 近年来，随着超深井、特殊井和复杂井数量的增多，钻井作业对钻井液处理剂的抗温性要求越来越高［１］。中国目前的水基钻井液体系最高使用温度在１８０℃以内．但海洋钻井所钻遇的地层温度最高达２００℃，所使用的钻井液密度最高达２．３３ｇ／ｏｎｌ３。这些高密度钻井液由外国公司承包，所使用的主要处理剂也由外国公司提供ｏ］。基于以上情况，在调研国外资料的基础上，经过大量的室内试验研究，成功地研制出了抗高温（２２０℃）高密度（１．８０～ｚ．３０ｇ／ｃｍ３）水基钻井液体系。用不大，在井壁上能形成低渗透、柔韧、薄而致密的泥饼，与其它处理剂的配伍性好。 １．３防塌封墙剂ＧＦＤ 防塌封堵剂ＧＦＤ具有良好的抑制页岩水化膨胀的作用，高温下能有效封堵井壁地层裂缝，有利于深井防塌和储层的保护，同时它可以有效地填充于泥饼中，改善泥饼质量，降低泥饼的渗透性、摩阻系数和高温高压滤失量。 ２抗高温高密度水基钻井液的性能 １处理剂的优选与评价２．１１．１高温保护剂ＧＢＨ 高温保护剂ＧＢＨ是一种磺化多元共聚物，具 有以下功能：①抗温性能好，在膨润土颗粒表面吸附 能力强，高温下具有护胶作用；②在钻井液中具有协 同增效的作用，与其它处理剂作用可形成络合物，有 效地提高其它处理剂的抗温性能，因而提高了钻井 液体系的抗温能力；③在高密度水基钻井液中具有 高温稀释作用，能改善钻井液的流变性能和高温高 压滤失性能｛④具有一定的抑制页岩水化膨胀的作 用，可稳定井眼。 １．２降滤失剂ＧＪ?Ｉ、ＧＪ－Ⅱ 降滤失剂ＧＪ—Ｉ、ＧＪ一Ⅱ均为磺化树脂型降滤失 荆，抗温性能好，降滤失能力强，对钻井液的增黏作 配方的确定 通过室内系列配方的优选实验，最终确定新型 高温高密度钻井液的基本配方为： ２％夏子街土＋２％ＧＢＨ＋６％ＧＪ—ＩＩ＋４％ＧＪ—Ｉ ＋４％封堵剂ＧＦＤ＋重晶石 ２．２抗温性能 按照配方，在低速搅拌下依次加人各种处理剂 后，高速搅拌２０ｒａｉｎ，装人瓶中密封养护２４ｈ。把 养护好的钻井液移人高搅杯中，高速搅拌１０ｒａｉｎ， 测其流变性能和ＡＰＩ滤失量．然后装入老化罐中 在不同的温度下老化１６ｈ，冷却至室温．移人高搅 杯中高速搅拌５ｍｉｎ。测其流变性能、中压滤失量 和高温高压滤失量。不同密度的钻井液在不同温度 老化后的流变性能及滤失性能见表１。 第一作者简介：杨泽星，现在中国石油集团钻井工程技术研究院钻井寝所工作。从事抗高温水基钻井戚技术方面的研究。地址ｔ北京市学院路２０。中国石ｊ卣集团钻井工程技术研究皖；邮破编码１０００８３，电话（０１０）６２０９７４１２。 万方数据 万方数据
钻井液体系和配方 不分散聚合物体系 不分散聚合物钻井液体系指的是经过具有絮凝及包被作用的有机高分子集合物处理的水基钻井液。常用的不分散集合物钻井液类型大体有三种：及多元素聚合物体系、复合粒子性聚合物体系、阳离子聚合物体系。 1. 不分散聚合物体系特点 （1）具有很强的抑制性。通过使用足量额高分子聚合物作为絮凝包被剂，实现强包被“被包”钻屑，在钻屑表面形成一层光滑的保护膜，抑制钻屑分散，使钻出的钻屑基本保持原状而不分散，以立于地面机械清除，从而实现低密度、低固相，提高钻速。 （2）具有较强的悬砂、携砂功能。通过控制适当的般土，使聚合物钻井液形成较强的网架结构，确保其悬砂、携砂功能，满足井眼净化需求。 （3）通过使用磺化沥青、超细碳酸钙等降低泥饼渗透率，能偶获得良好的泥饼质量。 （4）该体系以其良好的稀释特性是的钻头水眼粘度小，环空粘度打, 有利于喷射钻井、优化钻井钻头水马力的充分发挥，从而提高机械钻速。 （5）低密度、低固相、有利于实现近平衡压力钻井 （6）抑制性强，且粘土微粒含量较低，滤液对底层所含粘土矿物有抑制膨胀作用，故可减轻对油气层的损害。
2. 配方 3. 技术关键1.加大包被剂用量（17人〃井眼平均约3.5千克/米,127 4〃井眼约3.0 千克/米），并采用2种以上包被剂复配以达互补增效功能，突然强包被, 抑制钻屑钻分散，防止钻屑粘聚包被剂以胶液形式钻进时细水长流式补充到井浆中。 2. 控制适当的般土含量以获得良好的流变性集携砂、悬砂功能（MBT最佳范 围为30?45克/升）。般土含量的控制以淡水预化般土浆形式需要时直接均匀补充道井浆中。
3. 使用磺化沥青（2%和超细碳酸钙（2%改善和提供聚合物钻井液的泥饼质量。 4. 使用足量的润滑剂RH-3（0.5%?0.8%）及防泥包剂RH-4（0.3%?0.5%）,降 低磨阻，防止钻头泥包。 5. 使用适量的HPAN双聚铵盐等中小分子聚合物与高分子聚合物匹配（大/ 小分子 聚合物的最佳比例2.5?3:1 ），降低滤失，有利于形成优质泥饼。 6. 不使用稀释剂。 4. 推荐性能 5. 使用环境 主要用于解决遇巨厚地址年代较晚的第三系强胶性泥岩地层（粘土矿物以伊 利石为主，其次为绿泥石和高岭石及少量伊利石、蒙脱石混层2000以上的地层）时所遇到的井眼缩小导致起下钻阻卡严重等复杂问题。 分散型聚合物体系——聚合物磺化体系 聚合物磺化钻井液指的是以磺化处理剂及少量聚合物作为主要处理剂配制成而成的水基钻井液。 1.体系特点 1）具有良好的高温稳定性，抗温可高达180C以上，适用于深井段、超深井段钻井。 2）使用磺化沥青类页岩抑制剂稳定硬脆性泥岩、少量高分子聚合物稳定伊/ 蒙混层粘土矿物的机理来防止井壁坍塌。故具有一定防塌能力。
第八章水基钻井液滤液化学分析 一、氯离子含量的测定 钻遇岩盐层或盐水层时，NaCl等无机盐会进入钻井液造成污染，使其性能变坏，因此需要检测钻井液滤液中Cl-浓度。检测方法，取1毫升钻井液滤液，用0.0282M 标准AgNO3溶液滴定，指示剂为K2CrO4，当试样中出现橘红色Ag2CrO4沉淀时为终点。 1、仪器和试剂 （1）硝酸银溶液 : 浓度为0.0282N和0.2820N ； （2）铬酸钾溶液 : 5g/100 ml水； （3）硫酸或硝酸溶液: 0.02N 标准溶液； （4）酚酞指示剂：将1g酚酞溶于100 ml浓度为50%的酒精水溶液中配制而成； （5）沉淀碳酸钙：化学纯； （6）蒸馏水； （7）带刻度的移液管: 1 ml和10 ml的各一支； （8）锥形瓶: 100-150 ml，白色。 （9）搅拌棒。 2、测定步骤 （1）取1ml或几ml滤液于滴定瓶中，加2～3滴酚酞溶液。如果显示粉红色，则边搅拌边用移液管逐滴加入酸，直至粉红色消失。如果滤液的颜色较深，则 先加入2 ml 0.2N硫酸或硝酸并搅拌，然后再加入1g碳酸钙并搅拌。（现 场实际操作中此步意义不大，粗略测定情况下此步可省略）（2）加入25-50 ml蒸馏水和5-10滴铬酸钾指示剂。在不断搅拌下，用滴定管或移液管逐滴加入硝酸银标准溶液，直至颜色由黄色变为橙红色并能保持30s 为止。记录达到终点所消耗的硝酸银的ml数。如果硝酸银溶液用量超过10 ml，则取少一些滤液进行重复测定。如果滤液中的氯离子浓度超过 1000mg/l，应使用0.2820N的浓度的硝酸银溶液。 3、计算 AgNO3 + CL-→ AgCL↓ + NO3- 如果取样1ml滤液，用0.282N当量浓度的AgNO3的标准溶液滴定，0.282N当量浓度的AgNO3摩尔浓度为0.282 mol/L，硝酸银和氯离子反应的关系是1：1，假如滴定时消耗Xml的硝酸银，就消耗了0.282*X mol的硝酸银，就说明有0.282X mol的CL-，在把它转换成自量浓度mg/L，就成了0.282*X*35.45*1000mg/L。（其中35.45为CL-的摩尔质量分数，1000为ml到L的换算系数）
水基钻井液配方组合的回顾与展望 摘要：本文是对我国水基钻井液技术的发展的一篇综合分析及发展趋向。介绍及叙述了聚磺钻井液的形成过程、硬脆性泥页岩地层分析及处理措施、从半透膜机理发展出的4种新体系（聚多醇类，甲酸盐类，甲基葡糖苷，硅酸盐类）、无渗透钻井液、胺基钻井液配方的组成和处理剂的发展新技术，最后提出了几点展望意见。 关键词：水基钻井液配方组合回顾综述我国钻井液处理剂技术在几十年的 发展中有两次关键性的突破。一次是70年代在四川地区钻7000米的深井三磺钻井液处理剂的研制成功，解决了深井钻井的井壁稳定问题。另一次是80年代研制成功的多类型有机聚合物处理剂，解决了浅井膨胀性泥页岩地层的“井壁稳定”问题。通过多年摸索，最终形成了目前的“聚磺钻井液”模式和十几种常用的钻井液处理剂。 1聚磺钻井液的形成 上世纪50年代初我国的钻井液类型属于细分散型，不久(1952年)即开始向用钙（石灰、石膏）处理的粗分散阶段过渡；70年代中期，三磺处理剂（磺化丹宁，磺化酚醛树脂，磺化褐煤）的研制成功，为四川地区钻探7000米深井提供了保障，到现在仍为深井不可缺少的主要处理剂。80年代初全国开展了“不分散低固相聚合物”钻井液的攻关工作，以丙烯酰胺或丙烯腈为主要原料的产品如雨后春笋，很快研制出了十几个品种，最终解决了钻浅部地层（2500m以上）、富含蒙脱土地层的膨胀、缩径等问题，进而形成了以“聚合物钻井液”命名的钻井液。但是这一钻井液不能适应井深超过2500m的地层，当进入伊利石含量较多的硬脆性地层时，所用钻井液就不能“不分散”了，必须加入某些磺化物或分散性类处理剂。当时为了克服各地区使用钻井液时出现的问题，全国开展了各种探索攻关课题。80年代由原石油部钻井司组织了一个全国性的基础课题,即“钻进地层和油层岩石矿物组份和理化性能的研究及分区分层钻井液标准设计的研究”。这一课题有全国19个油田和一个科研单位参加，共分析了全国的2万多块泥页岩，历时8年，综合后拟定了我国的“钻进地层的分类方法”和各地区的“分区分层的标准钻井液设计”。当时的想法是通过深入全面的地层岩石矿物分析和理化性能分析，拟定各地区的钻井液标准配方,以解决当时各油田遇到的井壁稳定问题但是对各地区的标准钻井液设计进行综合分析后却意外地发现：尽管全国各油田所处地区不同，地层性质有差异,但在钻井液技术的对策方面却有明显的规律可循,而且惊人地相似。 2硬脆性泥页岩地层分析及处理措施 尽管已经形成了较成熟的水基钻井液配方组合模式（聚磺钻井液），但还是不能得心应手，时有事故发生。这时开展了全国性的硬脆性泥页岩稳定问题科研攻关工作（列入中石油总公司的研究课题）。（根据已发表的30多篇文献）有关硬脆性泥页岩的主要观点和建议归纳如下。 （1）“七五”期间，由原石油部钻井司组织开展了“钻进地层和油层岩石矿物组成和理化性能的研究及分区分层钻井液标准设计的研究”课题[1]，对全国19个油田的钻进地层和油层岩石矿物组成和理化性能作了全面、系统的剖面分
中国石油天然气集团公司钻井液技术规范 第一章总则 第一条钻井液技术是钻井技术的重要组成部分，直接关系到钻探工程的成败和效益。为提高钻井液技术和管理水平，保障钻井工程的安全和质量，满足勘探开发需要，特制定本规范。 第二条本规范主要内容包括：钻井液设计，现场作业，油气储层保护，钻井液循环、固控和除气设备，泡沫钻井流体，井下复杂的预防和处理，钻井液废弃物处理与环境保护，钻井液原材料和处理剂的质量控制与管理，钻井液资料管理等。 第三条本规范适用于中国石油天然气集团公司所属相关单位的钻井液技术管理。 第二章钻井液设计 第一节设计的主要依据和内容 第四条钻井液设计是钻井工程设计的重要组成部分，主要依据包括但不限于以下几方面： 1.以钻井地质设计、钻井工程设计及其它相关资料为基础，依据有关技术规范、规定和标准进行钻井液设计。 2. 钻井液设计应在分析影响钻探作业安全、质量和效益等因素的基础上，制定相应的钻井液技术措施。主要有：地层岩性、地层应力、地层岩石理化性能、地层流体、地层压力剖面（孔隙压力、坍塌压力与破裂压力）、地温梯度等信息；储层保护要求；
本区块或相邻区块已完成井的井下复杂情况和钻井液应用情况；地质目的和钻井工程对钻井液作业的要求；适用的钻井液新技术、新工艺；国家和施工地区有关环保方面的规定和要求。 第五条钻井液设计内容主要包括：邻井复杂情况分析与本井复杂情况预测；分段钻井液类型及主要性能参数；分段钻井液基本配方、钻井液消耗量预测、配制与维护处理；储层保护对钻井液的要求；固控设备配置与使用要求；钻井液仪器、设备配置要求；分段钻井液材料计划及成本预测；井场应急材料和压井液储备要求；井下复杂情况的预防和处理；钻井液HSE管理要求。 第二节钻井液体系选择 第六条钻井液体系选择应遵循以下原则：满足地质目的和钻井工程需要；具有较好的储层保护效果；具有较好的经济性；低毒低腐蚀性。 第七条不同地层钻井液类型选择 1. 在表层钻进时，宜选用较高粘度和切力的钻井液。 2. 在砂泥岩地层钻进时，宜选用低固相或无固相聚合物钻井液；在易水化膨胀坍塌的泥页岩地层钻进时，宜选用钾盐聚合物等具有较强抑制性的钻井液。 3. 在地层破裂压力较低的易漏地层钻进时，宜选用充气、泡沫、水包油等密度较低的钻井液；在不含硫和二氧化碳的易漏地层钻进时，也可采用气体钻井。 4. 在大段含盐、膏地层钻进时，根据地层含盐量和井底温
钻井液常用计算公式 1、钻井液配制与加重的计算 （1）配制低密度钻井液所需粘土量 水 土水 泥土泥土 ）（ρ-ρρ-ρρ=V W 式中： 土W ---所需粘土重量，吨（t ）； 土ρ -- 粘土密度，克/厘米3（g/cm3） 水ρ -- 水的密度，克/厘米3（g/cm3） 泥ρ -- 欲配制的钻井液的密度，克/厘米3（g/cm3） 泥 V 欲配制的钻井液的体积，米3（m3） (2)配制低密度钻井液所需水量 土 土泥水ρ-=W V V 式中： 水V ---所需水量，米3（m3）； 土ρ -- 所用粘土密度，克/厘米3（g/cm3） 土 W -- 所用粘土的重量，吨（t ） 泥V -- 欲配制的钻井液的体积，米3（m3） （3）配制加重钻井液的计算 ①对现有体积的钻井液加重所需加重剂的重量
重 加原 重加原加 ） （ρ-ρρ-ρρ=V W 式中： 加W ---所需加重剂的重量，吨（t ）； 原ρ -- 原有钻井液的密度，克/厘米3（g/cm3） 重ρ -- 钻井液欲加重的密度，克/厘米3（g/cm3） 加ρ -- 加重剂的密度，克/厘米3（g/cm3） 原 V -- 原有钻井液的体积，米3（m3） ②配制预定体积的加重钻井液所需加重剂的重量 原 加原 重加重加 ） （ρ-ρρ-ρρ=V W 式中： 加W ---所需加重剂的重量，吨（t ）； 原ρ -- 原有钻井液的密度，克/厘米3（g/cm3） 重ρ -- 钻井液欲加重的密度，克/厘米3（g/cm3） 加ρ -- 加重剂的密度，克/厘米3（g/cm3） 重 V -- 加重后钻井液的体积，米3（m3） ③用重晶石加重钻井液时体积增加 2 1 224100(v ρ-ρ-ρ=.） 式中： v ---每100m3原有钻井液加重后体积增加量，米3（m3）；
第8章钻井液设计 本章主要介绍了新疆地区常用的钻井液体系，结合A1-4井及探井资料，设计了A区块井组所使用的钻井液体系、计算了所需钻井液用量，提出了钻井液材料计划等。 8.1 钻井液体系设计 钻探的目的是获取油气，保护地层是第一位的任务，因此，搞好钻井液设计，首先必须以地层类型特性为依据，以保护地层为前提，才能达到设计的目的。 新疆地区常用钻井液体系简介[16]： (1)不分散聚合物钻井液体系：不分散聚合物钻井液体系指的是具有絮凝及包被作用的有机高分子聚合物机理的水基钻井液。该体系的特点是：具有很强的抑制性；具有强的携沙功能；有利于提高钻速；有利于近平衡钻井；可减少对油气层的伤害。 (2)分散性聚合物体系（即聚合物磺化体系）：聚合物磺化体系是指以磺化机理及少量聚合物作用机理为主配置而成的水基钻井液。该体系的特点是：具有良好的高温稳定性，使用于深井及超深井；具有一定的防塌能力；具有良好的保护油层能力；可形成致密的高质量泥饼，护壁能力强。 (3)钾基（抑制性）钻井液体系：该体系是以聚合物的钾，铵盐及氯化钾为主处理剂配制而成的防塌钻井液。它主要是用来对付含水敏性粘土矿物的易坍塌地层。该体系特点：对水敏性泥岩，页岩具有较好的防塌效果；抑制泥页岩造浆能力较强；对储层中的粘土矿物具有稳定作用；分散型钾基钻井液有较高的固相容限度。 (4)饱和盐水钻井液体系：该体系是一种体系中所含NaCl达到饱和程度的钻井液，是专门针对钻岩盐层而设计的一种具有较强的抑制能力，抗污染能力及防塌能力的钻井液。该体系特点：具有较强的抑制性，由于粘土在其中不宜水化膨胀和分散，故具有较强的控制地层泥页岩造浆的能力；具有较强的抗污染能力，由于它已被NaCl所饱和，故对无机盐的敏感性较低，可以抗较高的盐污染，性能变化小；具有较强的防塌能力，尤其再辅以KCL对含水敏性粘土矿物的页岩具有较强抑制水化剥落作用；可制止盐岩井段溶解成大肚子井眼。由于钻井液中氯化钠已达饱和，故钻遇盐岩时就会减少溶解，以免形成大井眼；缺点是腐蚀性较强。 (5)正电胶钻井液体系是一种以带正电的混合层状金属氢氧化物晶体胶粒(MMH或MSF）为主处理剂的新型钻井液体该体系的特点：具有独特的流变性;有利于提高钻井速度；对页岩具有较强的抑制性；具有良好的悬浮稳定性；有较
钻井液体系和配方 一. 不分散聚合物体系 不分散聚合物钻井液体系指的是经过具有絮凝及包被作用的有机高分子集合物处理的水基钻井液。常用的不分散集合物钻井液类型大体有三种：及多元素聚合物体系、复合粒子性聚合物体系、阳离子聚合物体系。 1.不分散聚合物体系特点 （1）具有很强的抑制性。通过使用足量额高分子聚合物作为絮凝包被剂，实现强包被“被包”钻屑，在钻屑表面形成一层光滑的保护膜，抑制钻屑分散，使钻出的钻屑基本保持原状而不分散，以立于地面机械清除，从而实现低密度、低固相，提高钻速。 （2）具有较强的悬砂、携砂功能。通过控制适当的般土，使聚合物钻井液形成较强的网架结构，确保其悬砂、携砂功能，满足井眼净化需求。 （3）通过使用磺化沥青、超细碳酸钙等降低泥饼渗透率，能偶获得良好的泥饼质量。 （4）该体系以其良好的稀释特性是的钻头水眼粘度小，环空粘度打，有利于喷射钻井、优化钻井钻头水马力的充分发挥，从而提高机械钻速。 （5）低密度、低固相、有利于实现近平衡压力钻井 （6）抑制性强，且粘土微粒含量较低，滤液对底层所含粘土矿物有抑制膨胀作用，故可减轻对油气层的损害。
3.技术关键113.0/″井眼约″1217/米/井眼平均约3.5千克1.加大包被 剂用量（，42米/千克突然强包被，种以上包被剂复配以达互补增效功能，，并 采用2）防止钻屑粘聚包被剂以胶液形式钻进时细水长流式补充抑制钻屑钻分散，到井浆中。最佳范MBT2.控制适当的般土含量以获得良好的流变性集携砂、悬 砂功能（。般土含量的控制以淡水预化般土浆形式需要时直接升）45克/围为30～均匀补充道井浆中。）改善和提供聚合物钻井液的泥饼2%使用磺化沥青（2%）和超细碳酸钙（3. 质量。降，0.5%）及防泥包剂RH-4（0.3%～4.使用足量的润滑剂RH-3(0.5%～0.8%) 低磨阻，防止钻头泥包。/、双聚铵盐等中小分子聚合物与高分子聚合物匹配（大使用适量的HPAN5. ,降低滤失，有利于形成优质泥饼。2.5最佳比例～3:1）小分子聚合物的
水基钻井液及处理剂作用机理 蒲晓林 课程简介 本课程是“泥浆工艺原理”、“深井泥浆”的后续课程，是根据钻井液化学研究方向总结、整理的课程。着重从钻井液工艺性能和胶体化学的角度讲述钻井液处理剂作用原理。 1．课程特点 （1）课程目前还在完善中。 ①国外：对处理剂应用阐述多，作用机理研究少，在此研究领 域还没有这样一门专门课程； ②国内：近年来文章多，文献报道多，但不系统，各说各的； ③关于此方面的研究：大都以产品、专利出现，有关理论研究 的报道较少，尤其是许多研究还触及到许多商业秘密。因此，许多单位从机理出发，从理论出发去开发产品不多，缺乏理论指导。例如：中山大学、天津大学、山东大学、成都科大。 全国：产品成系列的仅两家：我院和勘探开发研究院。 根本原因：机理不清楚，研究失去方向。 （2）本课程主要从钻井液的发展和类型的角度讲述处理剂的作用机理。使学者掌握各种处理剂在不同钻井液条件下的作用原理和用途。 2．课程主要任务 ①分析、揭示水基钻井液作用机理，学习进一步深入研究这种作用机理的方法和思路；②讲述目前主要使用的国内外钻井液处理剂的作用机理。引导机理研究入手，力求把处理剂研究、研制理论化、条理化，为有目的地、有针对性地研制处理剂和研究新型
钻井液体系创造条件； ③从研究机理入手，掌握使用规律。更好地指导产品应用和质量提高，把处理剂研制、生产和应用规律有机地结合起来。3．课程的主要内容和思路 （1）核心内容 ●处理剂作用机理及其对钻井液宏观性能的影响； ●处理剂作用性质和作用效果的实验研究方法。 （2）处理剂研究的一般思路 ①从钻井工程对钻井液性能要求出发研究处理剂 适应钻井工程、地质勘探及其技术发展，钻井液性能应具备的性能要求；钻井工程、地质勘探技术发展同钻井液技术发展的相互促进关系。 ②考虑如何选用处理剂实现钻井液作用效能 通过什么样的（运用）处理剂，起什么作用，作用规律（机理）是什么？ 具有实现钻井液作用效能，处理剂应具有的性质， ——如水溶性、抗盐性和抗温性，同粘土的作用规律等等。 ③钻井液性能、作用效能要求与处理剂分子结构的关系 处理剂分子结构组成、分子量、分子链型、基团种类、比例、处理剂分子构象等等。 ——最终落实到处理剂的分子结构设计。 ④处理剂的合成、研制 要实现处理剂分子结构设计，所需的化学途径、合成工艺路线、合成条件。 ⑤处理剂应用规律和效能评价 处理剂效能评价的原则：满足优质、安全、低成本钻井、完井
《水基钻井液性能测试》 一、填空题25题 1、屈服值的计量单位是Pa ，英制单位常用lb/100ft2。 2、写出下列英文符号在泥浆行业中的中文意思：AV 表观粘度，PV 塑性粘度。 3、测定钻井液滤液中的氯根浓度，用硝酸银标准溶液滴定，用指示剂重铬酸钾指示终点。 4、泥浆报表中常见的英文符号的中文意义是：P f滤液碱度，M f 滤液的甲基橙碱度。 5、初切力是将钻井液充分搅拌后静止10s后测得的数值，终切力是将钻井液充分搅拌后静止10min测得的数值 6、API滤失量指在常温下,压686kPa ,渗滤面积7.1±0.1in2,30min 钻井液滤出的滤液体积。 7、碱度是指一种物质中和酸的能力。由于使钻井液维持碱性的无机离子除了OH-外，还可能有HCO3-和CO32-等离子。 8、钻井液密度是指单位体积的钻井液质量，单位为g/cm3或lb/gal 。 9、马氏漏斗粘度是取1500mL钻井液经马氏漏斗流出1夸脱
（946mL）所需的时间，单位为s。 10、酚酞指示剂在PH=8.3时，由粉红色变为无色。 11、甲基橙指示剂在PH=4.3时由黄色转变为橙红色。 12、现场用硝酸银滴定法对钻井液滤液中的Cl-质量浓度进行检测。 13、LSRV是指流体低剪切速率黏度。 14、钻井液中不能通过200目筛（0.074mm）的砂子体积占钻井液体积的百分数。 15、pH值是指水溶液中氢离子活度对数的负值 16、EDTA标准溶液是0.01mol/L 的二水合乙二胺四乙酸二钠盐溶液 17、以钙离子表示的总硬度TH(mg/L)= 400×(EDTA溶液体积，mL)/(试样体积，mL) 18、钻井液的亚甲基蓝容量是用亚甲基蓝测定法测得的一种膨润土含量指标。 19、钻完井液静切力使用六速旋转粘度计进行测定，测定静止 后的3r/min读值。 20、通常用pH试纸测量，有广泛试纸和精密试纸。 21、蒸馏器是用来分离和测定钻完井液样品所含水、油 和固相体积的仪器
国内外钻井液技术发展概述 (2012-05-2711:05:36)摘要：本文主要论述了国内外钻井液的发展状况及发展趋势，介绍了近年来国内外发展起来的16种新型钻井液技术，国内外钻井液技术仍以抗高温、高压、深井复杂地层的钻井液技术为主攻目标，指出了钻井液处理剂的发展方向是高效廉价、一剂多效、保护油气层、尽可能减轻环境污染，并寻求技术更先进、性能更优异、综合效益更佳的钻井液体系及钻井液处理剂。对钻井液技术发展进行了展望，由于深井、复杂井、特殊工艺井以及特殊储藏的开发、环境保护的重视，对钻井液完井液的要求越来越高，所以抗高温、高压、深井复杂地层、油气层保护仍是钻井液完井液技术发展的重要方向。 关键词：钻井液技术发展 一、国内外钻井液技术新发展概述 钻井液作为服务钻井工程的重要手段之一。从90年代后期钻井液的主要功能已从维护井壁稳定，保证安全钻进，发展到如何利用钻井液这一手段来达到保护油气层、多产油的目的。一口井的成功完井及其成本在某种程度上取决于钻井液的类型及性能。因此，适当地选择钻井液及钻井液处理剂以维护钻井液具有适当的性能是非常必要的。钻井液及钻井液处理剂经过80年代的发展高潮以后，逐渐进入稳定期，亦即技术成熟期。可以认为，由于钻井液及钻井液处理剂都有众多的类型及产品可供选择，因此现代钻井液技术已不再研究和开发一般钻井液及钻井液处理剂产品，而是在高效廉价、一剂多效、保护油气层、尽可能减轻环境污染等方面进行深入研究，以寻求技术更先进、性能更优异、综合效益更佳的钻井液及钻井液处理剂。 1．抗高温聚合物水基钻井液 所使用的聚合物在其C-C主链上的侧链上引入具有特殊功能的基团如：酰胺基、羧基、磺酸根（S03H）、季胺基等，以提高其抗高温的能力。不论是其较新的产品，如磺化聚合物P OLYDRILL，或早己生产的产品如S.S.M.A.（磺化苯乙烯与马来酸酐共聚物）均是如此，并采取下列措施：
《钻井液工艺技术》复习题 适用班级：10钻井—1、2、3、4、5班 绪论 一、选择题： 1．下列不属于钻井液组成的是（）d A、分散介质 B、分散相 C、各种化学处理剂 D、各种有用的物质 2．一般钻井液属于（）c A、分子分散系 B、胶体分散系 C、粗分散体系 D、全不是 3．钻井液按其中流体介质不同可分为多种，不属于此分类系统的是（）d A、水基钻井液 B、油基钻井液 C、合成基钻井液 D、加重钻井液 4．下列不属于气体型钻井流体特点的是（）b A、密度低 B、有很强的抑制性和抗盐、钙污染的能力 C、钻速快 D、能有效防止井漏等复杂情况的发生 5．钻井液的功用中不包括（）a A、控制在碱性条件下，使某些化学反应进行得更顺利 B、携带和悬浮岩屑 C、稳定井壁 D、平衡地层压力和岩石侧压力 E、传递水动力 F、冷却和润滑作用 G、获取地下信息 6、钻井施工对钻井液性能的要求中不包括（）c A、必须与所钻遇的油气层相配伍 B、必须有利于地层测试 C、必须是单项体系 D、必须对钻井人员和环境不产生伤害和污染7．下列说法错误的是（）a A、为了节省成本，尽可能采用自然造浆 B、聚合物不分散钻井液产生于20世纪70年代 C、新的钻井技术的不断出现，大大推动了钻井液技术的快速发展。 D、欠平衡钻井液技术是钻井液应用技术的发展方向之一 二、判断题 1.钻井液由分散介质（连续相）、分散相和化学处理剂组成的分散系。（）a 2.胶体分散系目测是澄清均匀的，但实际是多相不均匀体系。（）a 3.钻井液按固相含量不同可分为：低固相钻井液、基本不含固相钻井液。（）a 4.钙处理钻井液是指含有一定浓度Ca2+和分散剂的油基钻井液。（）b 5.气体型钻井流体是以空气或天然气为流体介质或分散有气体的钻井流体。（）a 6.钻井液必须与所钻遇的油气层相配伍，满足保护油气层的要求（）a 7.钻井液是“钻井的血液”。（）a 三、填空题 *1．钻井液工艺技术是油气钻井工程的重要组成部分。是实现健康、安全、快速、高效 钻井及保护油气层、提高油气产量的重要保证。 2．钻井液按其中流体介质不同可分为：水基钻井液、油基钻井液、气体型钻井流体、合成基钻井液 3．钻井液的功用主要有携带和悬浮岩屑、稳定井壁、平衡地层压力和岩石侧压力、冷却和润滑作用、传递水动力、获取地下信息。 4．水基钻井液的发展主要经历了自然造浆阶段、细分散泥浆阶段、粗分散泥浆阶段、聚合物