（油气井工程专业论文）抗高温高密度水基钻井液作用机理及性能研究.pdf

r e s e a r c h e so nt h em e c h a n i s ma n dp r o p e r t i e so fh i g ht e m p e r a t u r e r e s i s t a n tw a t e r - b a s e dd r i l l i n gf l u i d sw i t hh i g hd e n s i t y w a n gf u h u n ( o i l & g a sw e l ld r i l l i n ge n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f w a n gr u i h e a b s t r a c t t h ee f f e c t i v er e g u l a t i o na n dc o n t r o lo nt h er h e o l o g ya n df i l t r a t i o nl o s su n d e r h i g h - t e m p e r a t u r ea n dh i g h - p r e s s u r ei so n eo ft h em a j o rt e c h n i c a lp r o b l e m sf o rw a t e r - b a s e d d r i l l i n gf l u i d s 谢t l lh i g h - d e n s i t yi nd e e pw e l l s ，t h ek e yo fw h i c hi st oi n c r e a s et h ec o l l o i d a l s t a b i l i t yo fd r i l l i n gf l u i d su n d e rh i g h - t e m p e r a t u r e a n dt of u l l yu n d e r s t a n dt h em e c h a n i s mo f h i g h - t e m p e r a t u r er e s i s t a n c eo fd r i l l i n gf l u i di st h ek e yt e c h n o l o g yi nd e s i g n i n ga n dp r o d u c i n g t h e h i g h - t e m p e r a t u r er e s i s t a n t w a t e r - b a s e d d r i l l i n g f l u i d s b a s e do nt h e d e s i g n e d h i g h - t e m p e r a t u r eh i g h - p r e s s u r e ( h t h p ) m u l t i - f u n c t i o ne x p e r i m e n t a la p p a r a t u sl h lf o r d y n a m i ce v a l u a t i o n , t h r e ek i n d so fh i g h - t e m p e r a t u r er e s i s t a n ta d d i t i v e s ，w h i c ha r eh i g h t e m p e r a t u r ec o l l o i dp r o t e c t i n ga g e n tg i - i j 1 ，h i g h t e m p e r a t u r ef l u i dl o s sa d d i t i v eg j z a - 1a n d h i g h - t e m p e r a t u r ec a l c i u m s a l tr e s i s t i n gm u dt h i n n e rj n l - 1 ，a n dt w oh i g h - t e m p e r a t u r e r e s i s t a n ts a l t f r e s hw a t e r - b a s e dd r i l l i n gf l u i ds y s t e m s 丽n ll l i g hd e n s i t yw e r ed e v e l o p e di nt h i s p a p e r f o c u s i n g o nt h et w os y s t e m s ，r e s e a r c h e so nt h em e c h a i l l s mo fh i l g ht e m p e r a t u r e r e s i s t a n c e ，f l u i do v e r a l lp e r f o r m a n c ea n d f l u i dr h e o l o g yu n d e rh t h pa x ec a r r i e do u t w i t ht h ed e s i g n e dh t h pm u l t i f u n c t i o ne x p e r i m e n t a la p p a r a t u sl h - if o rd y n a m i c e v a l u a t i o n , t h ef l u i dp r o p e r t i e sc a nb ee v a l u a t e du n d e r3 0 0 ci nt e m p e r a t u r ea n d4 0 m p ai n p r e s s u r e , s u c ha sd y r m i ca n ds t a t i ch t h pf i l t r a t i o n , p l u g g i n g ，a g i n ga n dd y n a m i cd r i l l i n g c u t t i n g ss c a t t e r i n ga n ds e a l i n go fd r i l l i n gb r e a k s i ti sp r o v e dt h a tt h i si n s 粗u n e n ti so fh i g h a c c u r a c y a n dr e l i a b i l i t y , w i t hi n t e l l i g e n to p e r a t i o na n dd a t ap r o c e s s i n g g h j - 1 ， h i g h t e m p e r a t u r ec o l l o i dp r o t e c t i n ga g e n t ，i m p r o v e st h eo v e r a l lp e r f o r m a n c eo ft h ed r i l l i n g f l u i ds y s t e m sf o ri t sg o o dc o m p a t i b i l i t yw i t hs u l p h o n a t ea d d i t i v e sc o m m o n l yu s e di nd e 印 w e l l s ，i t sh i g hs a l t c a l c i u mr e s i s t a n c ea n de f f e c t i v ec o l l o i dp r o t e c t i o nu n d e rh i g l it e m p e r a t u r e ( 2 4 0 c ) g j z a - l ，f l u i dl o s sa g e n t , r e d u c e st h ev i s c o s i t yo ft h es y s t e me f f e c t i v e l y j n l - 1 ， p o l y m e rv i s c o s i t yr e d u c e r , h a sg o o dc a p a b i l i t yi na d j u s t i n gt h er h e o l o g yo ft h es y s t e mw i t h h i g h - d e n s i t yu n d e rh t h p f o ri t sh i g l lt e m p e r a t u r ea n ds a l t c a l c i u mr e s i s t a n c e t h ep r o d u c e d s a l tw a t e r - b a s e dd r i l l i n gs y s t e m , w i t hd e n s i t ya s2 2 毯m 3a n dt e m p e r a t u r er e s i s t a n c ea s2 2 0 c1 a n d 毹s hw a t e r - b a s e dd r i l l i n gs y s t e m ，w i t hd e n s i t ya s2 2 9 c m sa n dt e m p e r a t u r er e s i s t a n c ea s 2 4 0 cc a ne f f e c t i v e l yp r o t e c tt h eo i l g a sf o r m a t i o nb e c a u s eo ft h eg o o d - i n h i b i t i o n ，h i g h a n t i p o l l u t i o nc a p a b i l i t ya n da c l j u s t a b l er h e o l o g ya n df i l t r a t i o nl o s s f u r t h e r m o r e , t h ea n o l y s i s o nt h er h e o l o g yd a t as h o w e dt h a th - bm o d e lw a st h eb e s ti nd e p i c t i n gf l u i dr h e o l o g yu n d e r h i g h - t e m p e r a t u r e am a t h e m a t i c a lm o d e lw a sb u i l tt os i m u l a t et h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e a p p a r e n tv i s c o s i t ya n dt e m p e r a t u r e p r e s s u r e k e y w o r d s ：d e e pw e l l ，w a t e r - b a s e dd r i l l i n gf l u i d , r h e o l o g y ，f i l t r a t i o nl o s s ， e x p e r i m e n t a la p p a r a t u s ，h i g ht e m p e r a t u r er e s i s t a n ta d d i t i v e s ，d y n a m i ce v a l u a t i o n 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 辞 同期：卿c 7 年牛月2 9 同 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门 ( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被 查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用 影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学何论文在解密后的使用授权同卜。 学位论文作者签 指导教师签名： f 1 期：2 驴d 9 年牛月2 9f i 同期：二加7 年年月2 f 同 抗高温高密度水基钻井液作用机理及性能研究 创新点摘要 1 为满足抗高温钻井液处理剂及体系高温高压动态性能评价实验的需要，研制了 l h - i 型钻井液高温高压多功能动态综合测试仪。该仪器可真实地模拟钻井过程中的井 下情况，准确评价钻井液性能，并将多项钻井液高温高压评价实验技术集于一体，达到 一仪多用的目的。实验温度为0 , - - 一3 0 0 c 、压力0 , - - 一4 0 m p a ，转速为0 1 2 0 0 r p m 。该仪器 可进行如下实验项目：钻井液高温高压动态、静态滤失，动态、静态老化，动态岩屑分 散动态，动态、静态堵漏和动态封堵实验等。经测试证明，该仪器实验数据准确可靠。 自动化程度高。( 第3 章) 2 根据处理剂抗高温作用机理，研制了钻井液高温护胶剂g h j - i 、抗高温降滤失 剂g j z a - 1 和抗高温降粘剂j n l - 1 。高温护胶剂g h j - 1 护胶效果好，抗温可达2 4 0 ， 抗盐、钙性能优良，与深井常用的磺化类处理剂配伍性良好，能大幅度提高钻井液体系 的整体性能。树脂类降滤失剂g j z a - 1 抗高温降滤失性能良好，对钻井液体系具有一定 的降粘效果。聚合物降粘剂j n l - i 抗温能力可达2 4 0 ，抗盐、钙性能优良，能够很好 地调节高密度钻井液体系的高温高压流变性能。( 第4 章) 3 利用研制的抗高温处理剂和高温高压多功能动态实验仪，通过流变性、高温高 压滤失性实验评价，突破钻井液传统研制思路，不使用大分子絮凝、包被剂和增粘剂， 研制出了抑制性能好、抗污染能力强、高温高压流变性和滤失性易调控、保护油气层效 果好的两种高密度钻井液体系，突破了传统水基钻井液的抗温能力，使高温水基钻井液 工艺技术达到一个新的水平。( 第5 章) 4 分析研究了增强体系的抑制性，降低钻井液中低固相粘土的含量和采用不易分 散的海泡石作为配浆土是控制高密度钻井液流变性的有效途径。根据高密度钻井液在高 温高压下的流变特征，建立起了表观粘度与温度、压力之间的数学模型，计算结果与实 测值吻合程度良好，并便于现场应用。( 见第6 章) 。 l v 中国石油大学( 华东) 博士学位论文 第1 章引言 随着国际石油工业的发展和对石油需求的不断增加，油气勘探的地层深度不断增 加，深井、超深井的钻探规模日益扩大。钻井实践表明，随着井深的增加，钻井技术难 度逐渐增大，对钻井液性能的要求也越来越高。而钻井液的性能对于确保深井和超深井 安全、快速钻进起着十分关键的作用。 众所周知，在钻井过程中，由于地温梯度和压力梯度的存在，井眼越深，井筒内的 温度和压力就会变得越高。在高温条件下，钻井液处理剂会发生降解、交联、发酵、失 效等变化，从而使钻井液性能发生剧变，并且不易调整和控制，严重时将导致钻井作业 无法正常进行；为了平衡高的地层压力，钻井液必须具有很高的密度。这种情况下，发 生压差卡钻及井漏、井喷等井下复杂情况的可能性会大大增加，要保持钻井液良好的流 变性和较低的滤失量亦会更加困难【1 1 。因此，如何解决钻井液在高温高压条件下的性能 稳定问题，是深井、超深井钻井液技术面临的首要问题。鉴于环保、安全以及荧光和成 本问题，目前用于深井钻探的钻井液倾向于采用水基钻井液体系。 1 1 抗高温高密度水基钻井液体系国内外研究与应用现状 1 1 1 抗高温水基钻井液处理剂国内外研究与应用现状 钻井液一般是由配浆土、处理剂、钻屑和水组成的，其性能的好坏与组成钻井液的 各种处理剂性能密切相关。对于超深井抗高温高密度钻井液体系来说，其关键技术是如 何维持和控制钻井液高温高压状态下的流变性和滤失性。因此，钻井液处理剂( 尤其是 降滤失剂和降粘剂) 必须具有较好的抗温能力和抗污染能力。 1 1 1 1 国外抗高温水基钻井液处理剂 国外深井、超深井钻井起步较早，上个世纪6 0 年代，研究成功了抗盐、抗钙和抗 1 5 0 1 7 0 的铁铬盐降粘剂；7 0 年代，研究成功了磺化褐煤、磺化丹宁、磺化酚醛树 脂以及它们与磺化褐煤的缩合复合物，这类处理剂的抗温能力大部分在1 8 0 - - 2 0 0 ( 2 之间；同时，也研制出改善高温流变性的低分子量聚丙烯酸盐和降高温高压滤失量的中 分子量聚丙烯酸盐。由于褐煤类产品高温氧化降解，钻井液被盐和钙污染后增稠1 ，降滤 失效果下降；聚丙烯酸盐类不含铬，热稳定性好，但抗二价阳离子能力差；磺化酚醛树 脂类必须和磺化褐煤类配合使用效果明显，但抗温和抗盐效果有限。为此国外钻井液工 作者在8 0 年代进行了广泛而深入地研究，研制出了v s - v a 3 羽、p o l y d r i l l 3 1 1 6 7 ( 或德国 的h t - p o l y m e r ) 、c o p - 1 ( a m p s a m 或p y r o t r 0 1 ) 、c o p 2 ( a m p s a a m 或k c ms e a l ) 第1 章引言 和磺化聚合物等抗温、抗盐降滤失剂，以及c d p 或t s d 、s s m a 或m i l t e m 等抗温、 抗盐降粘剂【3 一一。另外，相当于我国s m p 和s m c 复配物的r e s i n e x 、褐煤与聚合物 的络合物l p c 、聚阴离子木质素p a l 和改性褐煤c a r b o n o x 等抗高温降滤失剂【3 h o 】， t h e r m a l t h i n 、木质素磺酸盐1 8 等抗高温降粘剂目前仍被广泛应用。 1 1 1 2 国内抗高温水基钻井液处理剂 国内上个世纪7 0 年代以罗平亚院士为代表的一批学者研究开发出一系列抗高温处 理剂。诸如：磺甲基褐煤( s m c ) 、磺化酚醛树脂( s m p 1 、s m p 2 ) 及酚醛树脂与腐殖 酸的缩和物( s p n h ) 等抗高温降滤失剂，以及磺化丹宁( s m t ) 、磺化栲胶( s 凇) 铁 格木质素磺酸盐( f c l s ) 等抗高温降粘剂，从而以此为基础研制出了抗高温深井钻井 液体系【l 】。目前，这些处理剂仍被广泛地应用于深井钻井中。随后一些学者围绕磺化类 处理剂的合成路线和作用机理，通过对天然高分子物质进行改性，相继开发出磺化木质 素磺甲基酚醛树脂( s l s p ) 【3 】、褐煤与聚合物接枝的特种树脂s h r t l l l 、s p x t l 2 1 、s c u r 1 3 】、 改性g s p n h 1 4 1 、改性s m p 1 5 6 1 、两性离子型磺化酚醛树脂a p r 【1 7 1 和磺化沥青s a s 、 f t 1 1 3 等抗高温降滤失剂，磺化木质素类及木质素络合物p f c 3 、m b g m 1 【1 8 1 、x g - 1 t 1 9 】 等降粘剂。8 0 年代，形成了以p a c 1 4 1 为代表的丙烯酸多元共聚物降滤失剂，诸如： 水解聚丙烯腈钠盐和水解聚丙烯腈钙盐。这类聚合物为线型高分子化合物，其主链及亲 水基与主链的连接键均为c c 键，热稳定性好，但在降滤失的同时有增粘和絮凝作用， 主要适用于低固相不分散钻井液体系【3 2 0 。进入9 0 年代以后，聚合级a m p s ( 2 丙烯酰 胺基一2 - 甲基丙磺酸) 的问世和国产化，使国内学者开始进行钻井液用a m p s 共聚物的 研究，并取得了一定的成效。其中以中原油田王中华为代表的一些学者先后用a m p s 与丙烯酰胺、丙烯酸等单体共聚研制出多种耐温抗盐降滤失剂和降粘剂 2 1 - 3 9 1 ，其中一 些产品已在现场成功应用。9 0 年代中期，由中国石油勘探开发研究院刘盈、刘雨晴、孙 金生等人利用褐煤作主要原料，研究出新型阳离子抗高温降滤失剂c a p 4 0 和抗高温抗 盐阳离子降滤失剂c h s p i t 4 1 1 。近几年，由河北硅谷化工有限公司和秦永宏等人研制开 发了有机硅氟降滤失剂和降粘剂等系列产品【4 2 “3 1 ，这些产品先后在辽河、胜利和大庆等 油田应用。 综上所述，国内外抗高温的处理剂多为改性木质素、褐煤、树脂类产品，但能够抗 2 4 0 高温的水基钻井液用降滤失剂和降粘剂并不多见，有待进一步研究和开发。 2 中国石油大学( 华东) 博士学位论文 1 1 2 抗高温水基钻井液体系国内外研究与应用现状 1 1 2 1 国外抗高温水基钻井液体系 国外从上个世纪6 0 年代开始，一些公司开始研究深井钻井液和抗高温高压地热井 钻井液，先后研究出一批深井钻井液体系，但其中一部分由于环境因素被限制使用或新 产品的替代而消失。目前，国外成功应用于现场的深井、超深井钻井液体系有： ( 1 ) s i v 钻井液体系【8 9 1 s i v 钻井液体系是一种独特的钻井液体系。这种钻井液体系的主要成分s i v 是一种 由钠、锂、镁和氧组成的合成多层硅。s i v 是一种白色粉末，其结构类似于天然的膨胀 性微晶高岭石粘土，热稳定性高达3 7 0 。其特点是杂质含量低，剪切后粘度恢复快， 包被能力强，抗高温能力强；水溶液透明度高，对钻屑和岩心的损害很小。钻井过程中 常用的典型配方为： 表1 - 1s i v 钻井液配方 t a b l e1 - 1t h ef o r m u l ao fs i vd r i l l i n gf l u i d 材料用量 淡水 s 聚合物抗絮凝剂 氯化钾 纯碱 亚硫酸钠( 除氧剂) 重晶石 碳酸钙( 细粒) 三元共聚物降滤失剂 消泡剂 粘土混杂物 这种钻井液体系在2 3 3 的温度下仍然保持良好的粘度，不发生高温絮凝等问题。 现场和地热井实验表明，s i v 钻井液效果良好，特别是钻结晶岩，其应用温度范围广， 对岩心和岩屑损害小。在西德k t b h b 工程中使用了这种钻井液，现场应用表明，s i v 体系具有较好的悬浮性、抗污染性、高温高压流变性。 ( 2 ) 海泡石、皂石海泡石聚合物钻井液【8 ，4 4 海泡石钻井液 海泡石是一种富含纤维质和镁的粘土矿物，其结构与坡缕石相似。海泡石的特点是 其颗粒为条状，随着温度的升高而转变为薄片状结构的富镁蒙脱石( s t e v e n s i t e ) ，使得 海泡石比凹凸棒土能更好地控制流变性和滤失量，更适合用于抗高温钻井液中。使用海 泡石的钻井液配方是由c a r n e y 和m e y e r1 9 7 5 年第一次设计的。海泡石粘土基浆能抗电 3 啦够馏弼够僻鹏潞鸺瓣潞汛瑰搬恤恤她恤瑰弛眦 m”鲥叫帖勰屯王啪屯 第1 章引言 解质，有较高的热稳定性，高的胶凝强度和优良的抗剪切能力。在高温静止情况下，海 泡石基浆能保持可逆的胶体结构，在剪切条件下粘度不降低。另外，海泡石是通过增加 基浆的屈服值来增粘的，与基浆的塑性粘度无关。海泡石钻井液抗温能力高，在2 3 8 。c 条件下仍具有较好的性能。 表1 2 海泡石钻井液体系高温性能 t a b l e1 - 2t h eh i g ht e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c e so f s e p i o l i t ed r i l l i n gf l u i d 翌查笪丕! ! ! 壁：堑：!堡丕型! 丝：堕：! 海泡石 4 44 4 n a o h 2 92 9 改性褐煤 磺化褐煤 丙烯酸钠 钻屑 1 4 5 q 5 8 7 3 o 1 4 5 5 8 7 3 加利福尼亚南部1 0 口井的现场使用数据也表明，在2 3 8 的情况下，海泡石的热稳 定性优于其它粘土。8 0 年代末，美国和加拿大9 0 多口井中使用了海泡石钻井液。现场 实践说明，海泡石钻井液具有较高的热稳定性、增粘作用好、酸溶性好等特点，是一种 良好的高温深井钻井液。 皂石海泡石聚合物钻井液体系 皂石- 海泡石聚合物钻井液体系主要由皂石、海泡石、高相对分子质量聚合物降滤 失剂、低相对分子质量聚合物解絮凝剂等组成。这种钻井液体系可用各种类型的水( 淡 水、海水和盐水) 配浆，在2 6 0 ( 5 0 0 下) 条件下仍具有良好的流变性和较低的滤失量， 且具有良好的抗污染( 盐、钙、镁、碳酸盐等) 能力，并易于测试、维护和处理。其典 型配方和性能见表1 3 。 4 中国石油大学( 华东) 博士学位论文 表1 3 皂石海泡石聚合物钻井液体系的典型配方和性能 t a b l e1 - 3t h ef o r m u l aa n dp e r f o r m a n c eo fs a p o n i t e - s e p i o l i t ep o l y m e rd r i l l i n gf l u i d s 附注1 ：8 0 水+ 4 2 9 盐+ 2 皂石+ 2 海泡石+ 2 褐煤+ 1 1 4 天然沥青+ 5 7 1 模拟钻屑 + o 2 9 k o h + 6 4 2 9 重晶石+ 1 1 4 低相对分子质量丙烯酸共聚物4 0 2 9 0 o 表面张力降低剂。 ( 3 ) 低胶体钻井液体系【7 ，明 低胶体水基钻井液由麦克巴公司研制成功，热稳定性达2 6 0 c ，当温度达2 0 4 ， 钻井液的稠度不会增加。这种钻井液在高温下与油基钻井液的流变性一样。该钻井液的 突出特点就是在配制过程中，膨润土的用量要随井温和钻井液的密度增加而逐渐减小， 并且钻井液中主要加入木质素铬、褐煤和树脂、高温滤失控制剂和液体稳定剂、聚合物 增粘剂。这种钻井液对固相含量要求严格。在美国很多地区的深井中应用并取得了良好 的效果，顺利钻成一口井深为6 0 8 9 m 、井下温度为2 3 6 的井。 ( 4 ) 聚合物钻井液 高固相抗絮凝聚合物( h s d p ) 钻井液体系【4 5 】 h s d p 钻井液体系主要是由一种聚合物增粘剂、一种聚合物解絮凝剂和一种聚合物 降滤失剂组成的，用重晶石进行加重，用氢氧化钠来控制钻井液的p h 值。这种钻井液 体系的密度可高达2 5 1 9 c m 3 ，在温度为1 7 7 1 2 ( 3 5 0 t ) 的条件下能保持良好的流变性。 这种钻井液能抗钙、镁和钠等离子的污染，也能抗碳酸盐、水、油和各种气体的污染。 而且这种钻井液对钻屑含量限制不大。 新型抗钙聚合物钻井液体系 4 6 1 1 9 8 4 年西德制造商生产了一种磺化聚合物降滤失剂：能抗盐至饱和；能抗 7 5 m g l 的钙离子和1 0 0m g m 的镁离子；抗高温至2 0 4 。根据凝胶渗透色谱分析， 这种聚合物的平均相对分子质量为2 0 0 0 0 0 ，较低相对分子质量的聚合物可降低钻井液的 滤失量，但不会影响钻井液的流变性。进一步的研究结果表明，在特定的r 和r ，的情 况下，可确保抗钙能力超过2 0 0 m g l 的氯化钙。 5 第1 章引言 表l - 4h s p d 钻井液体系的配方 t a b l e1 - 4t h ef o r m u l ao fh s p dd r i l l i n gf l u i d 处理剂功能 处理剂加量( k g m 。3 ) 生物聚合物( x c )增粘剂0 7 1 1 4 3 聚阴离子木质素( p a l )降滤失剂1 1 4 3 - 2 2 8 6 丙烯酸共聚物解絮凝剂5 7 1 8 5 7 重晶石 加重剂依密度而定 氢氧化钠p h 控制剂p h 值；l o 5 1 1 5 膨润土 增粘剂 聚阴离子纤维素( p a c ) 降滤失剂 羧甲基纤维素( c m c ) 降滤失剂 部分水解聚丙烯酰胺( p 玎) a )降滤失剂 表面活性剂 分散剂 这种磺化聚合物与淀粉、纤维素衍生物类( c m c 、p a c 、c m h e c 等) 的协同效应 使它们的使用温度明显提高。新型磺化聚合物与纤维素衍生物复配的体系使用温度可达 1 7 1 ( 3 4 0 下) 。并且这种聚合物的成本低，是乙烯磺酸盐乙烯酰胺共聚物的1 2 6 4 。 在西德用这种新型体系钻了一口井深为4 8 7 5 m 的井，在有含钙量较高的水侵入到钻井液 时，这种磺化聚合物稳定了钻井液的滤失性和流变性。 t s d 和t s f 聚合物钻井液嘲 t s d 是一种低分子合成聚合物，溶解度为5 0 ，在2 3 2 温度下可有效地控制钻井 液的流变性，并且具有良好的抗钙性。t s f 是一种中分子聚合物，这种添加剂的稳定性 是2 3 2 。 用t s d 和t s f 配制的钻井液除具有较高的热稳定性外还具有很高的抑制性，在很 多油田中得到应用。t s d 与改性褐煤一起使用时，曾在井温为2 0 4 的莫比尔湾地区应 用。 抗高温聚合物钻井液【8 】 8 0 年代初，美国n l 白劳德公司研制出一种专门钻深井和地热井的聚合物钻井液， 这种钻井液的热稳定性达2 1 0 c 。但这种钻井液抗c 0 2 和h 2 s 以及其它电解质的污染能 力较差。具体配方见表1 5 。 低胶体p h p a 钻井液嗍 部分水解聚丙烯酰胺因为羧酸根离子的存在，抗二价阳离子侵蚀的能力较差，因此 极易受钙、镁离子的污染。但p h p a 是一种抑制性能极好的材料。 这种钻井液的设计原则是采用低的胶体含量；加少量的膨润土以便把钻头和钻柱造 成的压力控制到最低；用p h p a 高分子聚合物抑制钻屑和页岩的分散；所用的聚合物具 有较高的润滑能力并能在井壁上产生薄且具有低渗透性的泥饼；把钻井液的p h 值控制 6 中国石油大学( 华东) 博士学位论文 到8 5 - 9 0 之间；这种钻井液的温度稳定性约为2 0 7 。 表1 5 抗高温聚合物钻井液配方 t a b l e1 - 5t h ef o r m u l ao fh i g ht e m p e r a t u r er e s i s t i n gp o l y m e r d r i l l i n gf l u i d 材料 加量( k g m - 3 ) 膨润土406522 烧碱 2 7 p a c1 8 木质素磺酸盐04 褐煤钠盐 5 6 改性褐煤树脂 5 6 聚丙烯酸钠 3 2 丙烯酸丙烯酰胺聚合物 2 4 重晶石 4 2 9 ( 5 ) 分散性褐煤聚合物钻井液h 7 j 分散性褐煤聚合物钻井液体系一直广泛应用于墨西哥湾的钻井中，可用于各种井 下条件。其主要组成为：膨润土、烧碱、石灰、聚阴离子纤维素( p a c ) 、褐煤聚合物 分散剂、褐煤聚合物降滤失剂、铬褐煤、褐煤树脂降滤失剂、天然沥青基处理剂、低 相对分子质量共聚物解絮凝剂、阴离子型磺化聚合物降滤失剂、氯化钠、重晶石，且每 种处理剂性能单一。在密度高达2 0 8 8g c m 3 、井底温度高达2 1 2 8 的情况下，钻井液 性能稳定，满足钻井和其它工程的要求。并且钻井液具有较强的抗污染能力和抑制能力， 对环境无影响。 ( 6 ) 流变性能稳定的无毒高温水基钻井液体系e h t 4 8 j e h t 是e x x o n ( 埃克森) 公司等研制的流变性稳定的无毒高温水基钻井液体系， 成功地应用于井底温度最高达2 1 5 5 的陆地和海上钻井中，且钻井液密度达1 8 6 砂锄? 。其典型配方见表1 6 。 e h t 体系的室内研究是根据以下假设进行的：高温诱发的粘土颗粒的分散是造成 钻井液体系不稳定的根本原因。基于这二点，采取了三种合理的解决办法： 选择适合于井底温度的粘土浓度，即在起下钻期间，在井底温度老化后仍能提 供足够的悬浮和携屑能力。 加入一种辅助增粘剂，以便在地面提供悬浮和携屑能力并在整个温度变化过程 中保证钻井液流变性稳定：辅助增粘剂的粘度随温度的升高而降低。 加入电解质以减缓高温诱发的钻屑分散。 7 第1 章引言 表1 - 6e h t 钻井液体系各种处理剂用量 t a b l e1 - 6t h ep r o p o r t i o n so fa d d i t i v e si ne h td r i l l i n gf l u i d ( 7 ) 石灰钻井液 低石灰t s p d - l p c 钻井液8 1 低石灰t s p d l p c 钻井液主要材料是基浆、l p c 、褐煤、t s p d 、d m s 、石灰。这 种钻井液可抗2 3 2 高温。 钾石灰钻井液【8 1 钾石灰钻井液主要有三类：k l m 钻井液、氢氧化钾低石灰接枝共聚木质素磺酸盐 钻井液、氯化钾石灰钻井液。这三种钻井液都具有优良的稳定井眼功能。特别是在页岩 井段，钾石灰钻井液稳定井眼性能尤为突出。 k l m 钻井液适合在深井中使用，当井温高达1 7 7 时，钻井液能保持良好的流变性 能。这种钻井液的另一突出特点是成本低。 高温高压条件下使用的石灰基钻井液体系【4 8 】 美国阿莫科公司研制了一种适用于高温高压条件下的石灰基钻井液体系，这种钻井 液主要使用抗高温添加剂来提高钻井液的高温稳定性，其配方和性能见表1 8 。 这种石灰基钻井液体系解决了常规石灰基钻井液( 特别是高密度钻井液) 在高温高 压下易发生胶凝，甚至发生固化的问题；不仅能抗高温，而且能抗c 0 2 的污染。该钻井 液体系成功应用于井深5 2 5 9 m 、井底温度达1 7 0 。c 的深井中。 8 中国石油大学( 华东) 博士学位论文 表1 7k l m 钻井液配方 t a b l e1 - 7t h ef o r m u l ao fk l md r i l l i n gf l u i d 材料 加量( k g m p ) 膨润土 石灰 k o h 多糖反絮凝剂。 改性钾基淀粉 c m c 乙烯基磺酸盐和乙烯酰胺共聚物 磺化苯乙烯和马来酸酐共聚物 5 8 7 2 5 1 1 6 1 7 4 2 9 8 7 5 8 1 1 6 5 8 11 6 1 4 5 2 9 0 1 4 5 o 1 4 5 表l _ 8 适用于高温高压条件下石灰基钻井液体系配方和性能 。 t a b e l1 - 8t h ef o r m u l aa n dp r o p e r t y e so fl i m eb a s ed r i l l i n gf l u i df o rh t h pc o n d i t i o n s 处理剂 ，( 翟刍) 1 7 7 ( 3 5 。下) 高温静止老化1 6 h 后的性能 膨润土 模拟钻屑( r e v - d u s t ) 石灰 改性木质素磺酸盐 褐煤 烧碱 乙烯酰胺乙烯磺酸盐共聚物 改性木质素 5 1 4 2 6 2 8 6 1 4 2 9 1 7 1 4 2 8 5 7 1 1 4 3 1 4 3 1 4 2 9 p ( g - c r a b 2 1 6 p v ( m p a s ) 3 0 珊a4 g 皿s p a 1 2 a p l f l l 强l 1 4 月御同：m i ，9 6 剪切强胁 5 0 毒性实验l c 如( m g l 1 ) 4 9 0 0 0 0 磺化沥青 1 4 2 9 低相对分子质量三元共聚物 1 1 4 3 重曼互! 墨塑 新型高温石灰钻井液体系【5 0 】 新型高温石灰钻井液体系是根据石灰钾褐煤钻井液的经验，加入了一种能提高钙 粒子溶解性的新型合成聚合物而研制的，见表1 - 9 。体系能抗2 2 0 c 高温。 ( 8 ) 抗高温钙处理钻井液体系高温石膏钻井液体系【5 川 用新型处理剂( p o l y t e r m e x d 和p o l y t e r m e x - a ) 和改性褐煤处理剂( t h e r m o h u m e x 和h m n i n s 0 1 ) 等处理现场钻井液，密度为2 0 5 9 e r a 3 的石膏钻井液在2 0 0 。c 热滚1 6 h 后 性能明显优于未处理钻井液。t h e r m o h u m e x 和h u m i n s o l 是适用于中、高温条件下的降 滤失剂和流变性稳定剂；p o l y t c r m e x - d 是解絮凝剂，也可稳定高温高压滤失量； p o l y t e r m e x - a 是高温高压降滤失剂及流变性稳定剂，见表1 1 0 。 9 第1 章引言 表1 - 9 新型高温石灰钻井液体系的性能 t a b l e1 - 9t h ep e r f o r m a n c eo fn e wh i g ht e m p e r a t u r el i m eb a s ed r i l l i n gf l u i d 表1 1 0 新型处理剂对现场石膏钻井液性能的影响 t a b e l1 1 0t h ee f f e c to fn e wa d d i t i v e so ns a l tl i m eb a s ed r i l l i n gf l u i do ns i t e 处理情况 嚣留t h e 黜箸盛p p o 。l 胁y t e r m e 跳x - d 0 3 0 01 2 21 2 2 9 6 1 2 0 f a r m 3 5 0 2 0 08 58 46 68 3 读值 0 1 0 04 74 53 6 4 4 0 6 852 4 0 36433 l o s 静切力p a4 13 71 52 1 l o m i n 静切力p a 3 0 72 0 51 4 32 1 9 么滤失i m l 6 02 6 2 2 2 2 h t h p 滤失量m l 4 32 11 4 31 3 0 堂笪! ! ：! 兰 一! ! ：! z ! ! ：q 兰! q ：q ! ( 9 ) 高密度抗高温水基钻井液【5 1 】 a g i p 公司和b a r o i d 公司为了解决位于意大利油田钻井过程中的高温高压问题，共 同研究并应用了高密度抗高温水基钻井液体系。这种钻井液体系的主要组成为：丙烯酸 盐聚合物高温解絮凝剂( 控制流变性) ，聚阴离子纤维素( p a j l ) ( 控制滤失性) ，氢氧 化钠( 控制碱度) 和重晶石( 用于加重) 。 这一钻井液体系的特点是组分简单且每种处理剂具有单一的功能。现场应用中，表 现出良好的高温高压流变性、较低的滤失量，不仅减少了钻井液循环处理时间，提高了 钻井速度，而且显著降低了钻井液成本。 ( 1 0 ) 高温稳定的无铬膨润土钻井液体系【5 2 】 1 0 中国石油大学( 华东) 博士学位论文 一c r ( i ) 与木质素磺酸盐降粘剂键合是处理剂降粘能力的关键。由此发现毒性非常 低的z r ( ) 络合物可配制出流变性能良好的无铬钻井液体系。 表1 1 1z r ( ) 柠檬酸盐和膨润土配制的钻井液在高温老化后的性能 t a b e l1 1 1t h ea g i n gp e r f o r m a c e so f d r i l l i n gf l u i df o r m u l a e db yz r ( ) c i r t r a t ea n db e n t o n i t e 老化前 7 9 2 5 2 92 5 2 90 00 3 0 5 0 5 2 1 5 0 c 1 6 h 后9 43 8 5 33 5 4 93 40 5 0 51 l 老化前 7 92 4 2 81 0 1 41 4 1 48 69 11 1 墨q 竺! ! 鱼垒亘! q ：垒! ! 丝曼! 丝兰! 丝! 垒丝型! 墨 ( 1 1 ) 新型环保抗高温水基钻井液【5 3 】 新型环保抗高温水基钻井液是m i 钻井液公司研制的一种耐高温( 2 3 2 ) 水基钻 井液。该钻井液体系使用一种不含铬、对环境无害的新型合成基聚合物，且体系简单， 只需要两种聚合物、p h 值控制剂、加重材料和少量用于控制滤饼质量的粘土。这种新 型合成基聚合物是一种新型交联聚合物，用丙烯酰胺( 单体a ) 、一种磺酸盐单体( 单 体s ) 和一种交联单体( 单体x ) 配制的新的交联共聚物。其在形态结构上是致密的球 形结构，与非交联直链聚合物的扩展形式相比，它在水溶液中保留了稍微致密的球形结 构。当该聚合物的特性与传统的线性分子相对分子质量相同时，交联聚合物在水溶液中 的水动力体积要小得多。交联聚合物的独特结构使其在空间上受到限制，从而增大了其 水解稳定性。同时，交联使其对固体不大敏感，而抗剪切。从而改进了水基钻井液的流 动特性和降滤失特性。 ( 1 2 ) 氧化铝凝胶交联的聚乙烯醇钻井液【8 】 氧化铝凝胶交联的聚乙烯醇钻井液由氧化铝( a l o ( o i - d x h 2 0 ) 与交联的聚乙烯醇 ( c i ，p v a ) 组成。氧化铝是一种矿物粉末，具有极高的剪切稀释特性( n 值小于o 2 ) ， 在钻井液中是一种很好的增粘剂；交联聚乙烯醇是一种良好的失水控制剂，而且对钻井 液的流变性能没有不良影响。 氧化铝凝胶钻井液具有较好的剪切稀释特性，具有较低的钻头水眼粘度，因此有利 于提高钻速。这种钻井液具有良好的页岩抑制性，其原因是交联的聚乙烯醇与氧化铝凝 胶一起包被