（油气井工程专业论文）高温深井水基钻井液技术研究.pdf

r e s e a r c ho f h i g h t e m p e r a t u r ed e e p w e uw a t e r - b a s e d d r i l l i n gf l u i d w a n gl i ( o i i & g a sw 色l le n g i n e e r i n g1 d i r e c t e db y a s s o c i a t ep r o f e s s o rw a n gf u - h u a a b s t r a c t t h ed e e pa n du l t r a d e e pw e l ld r i l l i n gf l u i dt e c h n o l o g yw a sc o n s i d e r e dt o b es i g n i f i c a n ts i g no ft h ed r i l l i n gf l u i da n dd r i l l i n gt e c h n o l o g y d e v e l o p i n g n e w d r i l l i n gf l u i da d d i t i v e sa n dd r i l l i n gf l u i ds y s t e mw i t hg o o dp e r f o r m a n c ei s t h ep r i m a r yp r o b l e mi nt h ed e e pa n du l t r a d e e pw e l ld r i l l i n g af l u i dl o s sa g e n t a n dat h i n n e ra r es y n t h e t i s e du p o nt h et r e m i n gc h e m i c a la c t i o nm e c h a n i s m t h r o u g hr a d i c a lp o l y m e r i z a t i o nw i t hm o l e c u l a rs t r u c m r ed e s i g n ，s u i t e df o r h i g ht e m p e r a t u r ea n dh i 【g hd e n s i t yw a t e r - b a s e dd r i l l i n gf l u i ds y s t e mi nd e e p w e l l a n a l y s i n g t h ei n f l u e n c ef a c t o r so f p r o d u c tp e r f o r m a n c e ，s u c ha sr e a c t i o n t e m p e r a t u r e ，t h ei n i t i a t o ra m o u n t ，t h es o l i d a m o u n t ，t h er e a c t a n ta l l o c a t e d p r o p o r t i o n ，t h e r e a c t i o nt i m e ，t h er e a c t i o np ha n ds o o n ，t h eo p t i m a l s y n t h e t i s i n gt e c h n o l o g i c a l c o n d i t i o n sa r eo b t a i n e d t h ea v a i l a b i l i t i e so f t e m p e r a t u r er e s i s t e d ，s a l tr e s i s t e d , c a l c i u mr e s i s t e da n de f f e c tu s e di nd r i l l i n g f l u i ds y s t e mh a v eb e e na p p r a i s e da n dc o m p a r e dw i t hs i m i l a rp r o d u c t s b a s e do nt h et w os y n t h e s i z e dt r e a t i n gc h e m i c a l ，as e to fw a t e r b a s e d d r i l l i n gf l u i ds y s t e mw h i c hc a nr e s i s th i g ht e m p r e t u r e ( 2 2 0 。c 2 4 0 * ( 2 ) w i t h h i g hd e n s i t y ( 2 2 9 c m ) w a sf o u n d e d t h er h e o l o g ya n dt h eh t h pf i l t r a t i o n h a v eb e e nt e s t e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h ea b i l i t yo ft h en e w p r o d u c t st h a tc a nr e s i s th i g ht e m p e r a t u r e ，a l c i u ma n ds a l t ，a n dt h e ya l s oh a v e g o o dr h e o l o g i c a l a n dt h eh t h pf i l t e rl o s s p e r f o r m a n c e w i t l l g o o d i i i c o m p a t i b i l i t yw i t hs u l f o n a t e da g e n t w i t l lg o o dh t h pt h e o l o g ya n df i l t r a t i o n , t h ed r i l l i n gf l u i ds y s t e mh a se x t e n s i v ep r o s p e c t o f a p # i c a f i o n k e yw o r d s ：w a t e r - b a s e dd r i l l i n gf l u i d , h i 曲t e m p e r a t u r e ，h i 曲d e n s i t y , r h e o l o g i c a l ，e x p e r i m e n t 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国 石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 签名： 王一妞一 弘。7 年垆月i - 6 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名：垒龙 导师签名：，递经 卅年中月i 日 伽叼年争月 f6 日 中国石油人学( 华尔) 硕十论文第1 章前言 第1 章前言 1 1 问题的提出 国外一般把井深超过4 5 7 0 m ( 1 5 0 0 0 英尺) 的井叫深井。超过6 1 0 0 m ( 2 0 0 0 0 英尺) 的井叫超深井。超过9 1 4 4 m ( 3 0 0 0 0 英尺) 的井叫特深井。 美国是钻深井、超深井一直领先的国家。1 9 3 8 年钻成功世界第一口深井 ( 4 5 7 2 m ) ，1 9 4 9 年钻成功第一口超深井( 6 2 5 0 m ) ，1 9 7 4 年钻成功9 5 8 3 2 m 的特深井。我国于1 9 6 6 年钻成功第一口深井松基六井( 4 7 1 8 7 7 m ) ，在 7 0 年代接着钻成了几口5 0 0 0 m 的井，如东风二井( 5 0 0 6 m ) 、王深二井 ( 5 1 6 3 m ) 等。1 9 7 6 年钻成功6 0 1 l m 的超深井( 女基井) 。随着世界能 源需求的增加和石油钻探j i ：发向地层深处和海上进行，世界平均钻探深 度逐年增加。在我围，这种现象尤为明显，因为作为全国石油天然气产 量的主力接替区的西部，其石油资源量的7 3 、天然气资源量的5 2 都 埋藏在深地层。而在当今世界，由于石油勘探开发技术水平的不断提高 和经济利益的驱使，那些中、浅地层的油气资源己经基本被完全开发。 在这种情况_ 卜_ ，深井、超深井的钻探就必将成为我国乃至全世界石油工 业的一个重要方面。 世界各国常把钻井深度及深井钻速作为衡量钻井技术水平的一个重 要标志。因为井越深，技术上的困难越多。而钻井液技术正是协助完成 深井安全钻进的一项主要技术手段。因此，国内外对深井钻井液技术的 研究都投入了较多的精力i lj 。井越深，所遇到的任何一种情况都影响钻 井液性能的加速变化。例如，钻遇石膏、岩盐、大段泥页岩、易坍塌地 层、高异常压力地层( 油、气、水) 、严重漏失层等。也就是通常所说的： “喷、漏、塌、卡”，高含硫、裔温、高压等复杂情况。都需要有一定“特 性”的钻井液去克服。深井高温高压作用加剧了钻井液、完井液各组分 间的物理、化学作用，从而影响钻井液、完井液的性能。现有的天然及 天然改性的降滤失剂已不能满足需要。这些处理剂的化学、物理变化最 终反映为钻井液性能的变化和失效，如滤失量增大，粘度增高，最后导 致钻井工程不能正常进行。因此，研制适合于深井高温高密度条件下使 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 用的，能够抗高温、抗盐钙污染的新型聚合物降滤失剂、降粘剂具有重 要的现实意义。 1 2 论文的主要研究内容 ( 1 ) 从钻井液处理剂的作用原理出发，设计处理剂的分子结构，选 择适当的反应单体，合成出了适合于深井高温条件下高密度水基钻井液 体系使用的降滤失剂、降粘剂。 ( 2 ) 通过实验研究，优选出最佳的合成反应工艺条件。 ( 3 ) 对研制产品性能进行评价分析，进一步对合成处理剂在钻井液 中的作用机理进行了研究探讨。 ( 4 ) 以自制处理剂为基础，研制出了一套抗温2 2 0 2 4 0 ，密度 2 2 9 ，c m 3 的抗盐、钙的高密度深井水基钻井液体系，并对钻井液体系的性 能进行了综合评价。 ( 5 ) 对高密度钻井液体系的流变性进行了初步研究。 2 中国石油人学( 华东) 硕士论文第2 章高温高密度钻井液技术与应用现状 第2 章高温高密度钻井液技术研究与应用现状 钻井液是钻井的血液，是关系钻井尤其是深井钻井成败及质量好坏 的决定因素。从具体工艺上来看，钻井液技术的发展总是围绕着如何能 更好地解决“地层井壁稳定”与“钻井液性能稳定”这一对矛盾而进行 着，特别是在深井阶段这一对矛盾表现得更加突出。深井和超深井钻井 液工艺技术一直被认为是钻井液技术乃至于钻井水平高低的重要标志 1 2 1 。开发钻井液处理剂和性能优良的钻井液体系，是深井和超深井钻进 过程中面临的首要问题【2 j o 超深井钻井液的最大特点是使用子高温高压的条件下，5 0 0 0 m 深井 的井底温度可达1 5 0 c 2 5 0 c ，井越深，地层越老，越可能出现温度梯 度异常，井底温度越高。面一般5 0 0 0 m 以l ：深井的井底压力可能达到 1 0 0 m p a 以上。如此高温高蚯必然会对钻井液体系产生严重影响。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它性能，如流变 性、滤失造壁性等均无明显的影响，但是温度的影响却十分显著。 2 1 深井高温水基钻井液的特点 在满足性能要求的条件下，配制深井钻井液的原则是越简单越好， 尽量使用单功能产品。稳定的深井水摹钻井完井液体系的成分至少包括： 一定量的优质造浆粘七，以产生相应的粘度和切力： 控制滤失量的降滤失剂； 控制流变性的降粘剂； 调节密度的加重材料： 适量的高温稳定剂： 适量的润滑剂和堵漏剂。 因此，所配制的钻井液体系要有如下特性【3 j ： 具有抗高温的能力( 义称高温稳定能力) 。这就需要选择可耐 高温的主处理剂，例如褐煤类( 抗温2 0 4 ) 的产品就较木质素类( 抗 温1 7 0 ) 产品有较高的耐温能力。在合成聚合物类设计分子结构时要 求其结构是由c c 、c n 、c s 键相连接，而避免一0 一键相连接以提高其 3 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章高温高密度钻井液技术与应用现状 抗温性能。其功能团则要求亲水性能强，抗高温去水化小的基团，如 一s 0 3 一，一c o o h 等。 具有较强的抑制能力。如无机盐k c l 、n a c i 、c a ( o h h 均有较好 的抑制能力。有机高聚物类，带有阳离子功能团和易形成氢键的高聚物 较以前的带阴离子官能团( - c o o n a ) 的抑制能力强。再如m m h ( 正电 胶) 、聚乙二醇、甘油、以及a m p s a m 等高聚物都具有较好的防止粘 土水化、分散和抗污染能力。 具有较好的润滑性。加入可抗高温的液体润滑剂或固体润滑剂， 或加入油类或酯类来降低摩阻。 具有良好的流变性能。选用合适的配浆土，如海泡石或凹凸棒石 ( 抗温3 7 1 ) 或控制膨润土的含量( 测m b t 含量) 来避免钻井液高温 增稠。当钻井液密度在2 0 9 e r a 3 以上时，要求膨润土含量小于1 7 1 k g m 3 。 加入m m h 或生物聚合物等提高携屑能力，加入解絮凝剂控制静切力等。 具有保护油气层，减少对地层损害的作用。 对生物无毒性，达到环保的要求。 从钻进速度与钻井液性能指标的关系，以及现代钻探对钻井液性能 的新要求，可归纳出新型钻井液应还应具有如下特点【4 】： 钻井液中固相含量要少，特别粘土含量要少，以减少重复破碎。 钻井液应具有尽量小的粘度和界面张力( 与岩石间的) ，以提高 井底的清洗能力和对岩石的冲击力。 钻井液在保证井壁稳定的情况下应尽可能放大滤失量，特别是初 失水要大，以减少井底的岩粉垫； 较大范围的密度调节能力和良好的热稳定性； 水力特性优良，能以较小的沿程水力损失传送水马力； 页岩抑制性强，能在维持井眼完整性的同时利于提高井眼清洁效 果： 污染容限大，与各种处理剂配合性能好，不损害产层且能回收利 用。 4 中国石油大学( 华东) 硕十论文第2 章高温高密度钻井液技术与应用现状 2 1 1 高温恶化钻井液性能 随着温度的增加，钻井液的各种性能都会随之而发生改变。一般而 言，升温使钻井液的造壁性能变坏，即泥饼变厚，渗透性变大，滤失量 增高。 高温对钻井液流变性的影响比较复杂，其影响情况可根据粘度与温 度的关系分为以下几种形式1 5 j ： 第一种是粘度随着温度的升高反而降低。它属于抗温能力较强但粘 士含量较低的分散钻井液。这类钻井液流变性的构成中，非结构粘度所 占的比重大于结构粘度。而聚结性强、粘士含量高的钻井液，它的粘度 反应为第二种形式，即粘度随着温度升高而增大。此种钻井液的结构很 强( 包括“卡片膀予结构”和聚合物一粕上粒f 的空间网架结构) ，大大 超过塑性粘度对于粘度的贞献。 各类水基钻井液在较宽的温度范围内( 常温一高温) 普遍表现为随温 度的升高粘度先降低再增大的第三种趋势。研究表明，这种因温度而变 化的性质有可能是呵逆的。 因此，它能较好地反映钻井液使用中从井口井底一井口的循环过程中 钻井液性能的实际变化情况。 2 1 2 高温降低钻井液的热稳定性 高温使钻井液中各组分本身及各组分之间在低温下本来不易发生的 变化、不剧烈反应、不显著的影响都变得激化了。这些作用的结果必然 严重改变、损害以至完全破坏钻井液的原有性能，而这种影响是不可逆 的永久性变化。它表明了钻井液体系受高温作用后的稳定能力的变化。 实际反映钻井液在使用过程中井口进出口性能的变化。 2 1 2 1 高温对钻井液流变性热稳定性的影响 ( 1 ) 高温增稠 钻井液经高温作用后表观粘度、塑性粘度、动切力及静切力上升的 现象，属不可逆组分的变化和影响各组分间的化学及物理化学作用的结 果。其中，高温对钻井液中粘七的作用是基础，对处理剂的作用是关键 的变化。高温增稠是深井钻井液最常见的现象，在使用中表现为钻井液 5 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章高温高密度钻井液技术与应用现状 井口粘、切力不断上升，特别在起下钻后升幅更大。因此，造成钻井液 性能不稳定，处理频繁。 ( 2 ) 高温减稠 钻井液经高温作用后，动、静切力下降的现象称为高温减稠。主要 表现为动静切力下降。高温减稠作用纯粹是高温引起的变化，在实际使 用中它表现为钻井液井口粘、切力逐渐缓慢下降。而这种下降用常规的 增稠剂也难以提高。由于严重的高温减稠可导致重晶石沉淀。因此，在 使用中也应充分注意。 ( 3 ) 高温固化 钻井液经高温作用后成型且具有一定强度的现象称为高温固化。凡 发生高温固化的钻井液不仅完全丧失流动性而且失水猛增。 钻井液体系经高温作用后，常表现出以上几种不同的现象。这些现 象不仅发生在不同的钻井液体系中，同体系在不同的条件下，也有可 能都出现。这些都充分说明了高温对钻井液体系影响的复杂性。 2 1 2 2 高温降低钻井液的p h 值 钻井液经高温作用后p h 值下降，其下降程度视钻井液体系不同而 异。钻井液矿化度越高，其下降程度越大，经高温作用后的饱和盐水钻 井液p h 值一般下降到7 8 。p h 下降必然会恶化钻井液性能，影响钻井 液的热稳定性，钻井液体系经高温后p h 值下降的情况一般采用表面活 性剂则可抑制。 2 1 2 3 高温增加处理剂用量 经验表明，高温钻井液比浅井常规钻井液消耗更多的处理剂，下表 是美国的统计数据。 表2 1不同温度时处理剂的用量变化 温度变化范围，处理荆用量增加值， 9 3 1 2 l5 0 1 2 l 1 4 81 0 0 1 4 8 1 7 61 0 0 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章高温高密度钻井液技术与应用现状 从以上资料可看出，随着井深增加温度升高，钻井液处理剂用量明 显增加。主要是维持高温高压下所需的钻井液性能要比低温消耗更多的 处理剂以及弥补高温的破坏作用所带来的损失而做的必要补充。因此， 温度越高，使用时间越长，处理剂耗量必然会越大，且增加了深井钻井 液维护的技术难度。 2 2 高温水基钻井液作用原理 2 2 1 钻并液中粘土粒子的高温分散作用 在高温作用下，钻井液中的粘土粒子特别是膨润土颗粒的分散度进 一步增加，从而使颗粒浓度增大，比表面增大的现象称为粘土粒子的高 温分散作用。实验发现，粘十粒子的高温分散能力与其水化分散能力相 对应，即钠膨润_ ： 钙膨涧l ： 岛岭 ： 海泡f i 。而任何粘土在油中的悬浮 体都未见到高温分散现象。因此，可以认为，钻井液中粘土的高温分散 本质上仍然是水化分散，高温只不过激化了这种作用而已。 产生高温分散的原因，主要是由于高温使粘土矿物片状微粒的热运 动加剧，这一方面增加了水分子渗入粘上晶层内部的能力，另一方面是 粘土表面的阳离子扩散能力增强，导致扩散双电层增厚，电位提高，更 有利于分散。 影响高温分散的主要因素有： ( 1 ) 粘土的种类的影响，在常温下越容易水化的粘土高温分散作用 也越强。 ( 2 ) 温度及作用时问的影响，温度越高，作用时间越长，高温分散 也就越显著。 ( 3 ) p h 值的影响，由于o h 的存在有利于粘土的水化，因此高温 分散作用随p h 值升高而增强。 ( 4 ) 一些高价无机阳离子的影响，如c a 2 + 、a 1 3 十、f e 3 + 、c ，等的 存在不利于粘土水化，因而它们对粘土高温分散具有抑制作用。 室内实验和现场试验均表明，由于高温分散引起的钻井液高温增稠 与钻井液中粘土含量密切相关。当粘士含量大到某一数值时，钻井液在 高温下会丧失流动性而形成凝胶，这种现象称为高温胶凝。凡是发生了 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章高温高密度钻井液技术与应用现状 高温胶凝的钻井液，必然丧失其热稳定性，性能受到破坏。在使用中常 表现为钻井液在井口的性能不稳定，粘度和切力上升很快，处理频繁， 且处理剂用量大。因此，防止钻井液高温胶凝是深井钻井液的一项关键 技术。目前有两种措施可以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。实验表明，只有当粘土含量超过了容量限，才有 发生高温胶凝的可能，而低于此容量限时，钻井液只发生高温增稠，但 不会发生胶凝。对于某一给定的钻井液体系，其粘土的容量限可通过室 内实验确定。因此，对于高温深井水基钻井液，在使用中必须将粘士的 实际含量严格控制在其容量限以内。 2 2 2 钻井液中粘土粒子的高温聚结作用 高温下，粘土粒子热运动加剧，这增加了粘土颗粒碰撞的频率：同 时，这也降低了水分子在粘土表面或极性基团周围定向的趋势，即减弱 了它们的水化能力使其外层保护水化膜减薄( 高温去水化作用) ：另外， 温度的升高促进了处理剂在粘土颗粒表面的解吸附。这些原因使钻井液 中粘土粒子易于聚结，且这种作用可随温度的变化而部分可逆。 粘土粒子高温聚结对钻井液性能的影响很明显，主要是因为高温聚 结使钻井液中的颗粒数目减少，粒径增大，从而增大了泥饼的渗透率， 使泥饼质量降低，增加钻井液滤失量。影响高温聚结作用的因素很多， 主要有以下几种：粘土表面的水化能力，温度高低，钻井液中的电解质 浓度和种类，处理剂及其用量，粘土粒子的分散度和浓度等。 2 2 3 钻井液中粘土微粒的高温饨化 实验发现，粘土悬浮体经高温作用后，粘土粒子表面活性降低，这 就是粘土粒子表面高温钝化。高温钝化后钻井液的分散度、粘度增加的 同时，动切力和静切力却增加不多，有时甚至下降，这个现象在悬浮体 中粘土含量较低时普遍存在。这充分说明粘土粒子经高温后，其表面活 性降低，这可从测定高温前后粘土粒子单位表面的吸附量减少而得到证 实。这种现象叫粘土粒子表面高温钝化。高温钝化对钻井液性能的影响 主要有高温减稠和高温固化两个方面。 8 中国彳i 油大学( 华东) 硕士论文第2 章高温高密度钻升液技术与应用现状 2 2 4 高温对钻井液处理剂的影响 钻井液中的处理剂包括无机处理剂和有机处理剂两种，高温对无机 处理剂的作用主要是加剧了无机离子的热运动从而增强了其穿透能力。 着重描述高温对有机处理剂的影响。 2 2 4 1 高温降解 有机高分子化合物因高温而产生分子链断裂的过程称为高温降解。 对于钻井液处理剂，高温降解包括高分子主链断裂和亲水基团与主链联 结链的断裂两个方面。前者使处理剂相对分子质量降低，部分或全部失 去高分子性质，从而导致大部分或全部失效；后者降低处理剂亲水性， 从而使处理剂抗盐、抗钙能力和效能降低，以致丧失其作用。 任何高分子化合物在高温f 都要发，j i 高温降解，只是随其结构和环 境条件不同，发乍明显降解的温度不同向已。因此，高温降解是抗高温 钻井液必须考虑的另一重大问题。其中影响高温降解的主要因素，首先 是处理剂的分子结构，由处理剂分子的各种键在水溶液中高温热稳定性 所决定，比如醚键在水溶液中容易被氧化，而高温和p h 值将促进这种 作用发生。所以凡由醚键联接的高分子化合物在高温下都不稳定，容易 降解，而这种降解多与氧化作用有关，故称热氧降解。在高温下含醚键 的化合物就比以碳一碳、碳一硫和碳一氧连接的化合物更易降解。此外，高 温降解还与钻井液的p h 值以及剪切作用钉关。高p h 值的往往会促进降 解的发生，强烈的剪切作用也会加剧分子链的断裂。 处理剂的抗温能力与由它处理钻井液的抗温能力是紧密相关而又完 全不同的两个概念。处理剂抗温能力是就单剂而言，而钻井液一般是由 配浆土、多种处理剂、钻屑和水组成的完整体系，其抗温能力是指该体 系失去热稳定时的最低温度，显然它除了与各种处理剂的抗温能力有关 外，还取决于各种组分问的相互作用。常用各种处理剂的抗温能力( 即 自身的热稳定性) 见表2 2 。高温降解的发生，将给钻井液性能造成很大 影响。如果用于调节钻井液某种性能的处理剂降解，那么该性能即被破 坏。因此处理剂热降解对钻井液性能的影响涉及所有方面，它可能是增 稠、胶凝甚至固化，也可能是减稠( 高分子增稠剂降解) ，还可能表现为 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章高温高密度钻井液技术与应用现状 滤失量增大等等。实践证明，高温降解也可能减轻，现在行之有效的办 法是使用抗氧剂。如酚及其衍生物、苯胺及其衍生物、亚硫酸盐、硫化 物等，均可将纤维素类处理莉的抗温能力从1 2 0 1 4 0 提高到1 8 0 2 0 0 。另一方面，也可巧妙地应用高温降解以能够更好地调整和维 护钻井液性能，这在国内外都有成功的经验1 6 】。 表2 2 各种常用处理剂的抗温能力 种类降解温度， 腐殖酸及其衍生物 2 0 0 2 3 0 铁铬盐及其衍生物1 3 0 l 舳 纤维素及其衍生物 1 4 0 1 6 0 栲胶及其改性产品 1 8 0 磺甲基酚醛树脂 2 0 0 2 2 0 淀粉及其衍生物 1 1 5 1 3 0 2 2 4 2 处理剂的高温交联作用 处理剂分子中存在着各种不饱和的键和活性基团，在高温作用下， 可促使分子之间发生各种反应，互相联结，从而增大相对分子质量，这 种作用叫高温交联。显然，可以把它看作是与处理剂高温降解相反的作 用。一般的有机高分子处理剂( 特别是天然高分子) 都能发生高温交联， 而高温交联可能产生两个结果： ( 1 ) 高分子交联过度，形成三维的空间网状结构，成为体型高聚物， 则处理剂失去水溶性，整个体系成为冻胶，处理剂完全失效。 ( 2 ) 若交联适当，则大大有利于钻井液性能，而且使钻井液在高温 作用下，性能愈来愈好，其结果必然是现场使用效果优于室内实验。在 一定范围内，井愈深，温度愈高，效果愈好。由于高温交联实际上可以 抵消高温降解作用，所以，可以用加入有机交联剂来有效地防止处理剂 的高温降解作用。但是，由于高温交联及其影响因素，至今研究很少， 对于如何控制适当还没有个较为成熟的看法和方法，然而对于高温交 联作用的认识和有关概念的建立至少给了科研工作者利用高温交联反应 中国石油人学( 华东) 硕十论文第2 章高温高密度钻井液技术与应用现状 以改善深井钻井液体系的可能，从而能把高温对深井钻井液性能的破坏 转化为利用高温改善钻井液体系。这样就为深井钻井液工作开辟了新的 途径。 2 2 5 高温对钻井液中粘土粒子和处理剂相互作用的影响 2 2 5 1 处理剂分子在粘土表面的高温解吸作用 温度升高，处理剂在粘土表面的吸附平衡向解吸方向移动，则吸附 量降低。而且此种变化是可逆性的。处理剂这种高温下的解吸作用必然 大大影响高温下的性能和热稳定性。 高温下由于处理剂大量解吸，大大加剧了粘土粒子各种电解质的高 温聚结作用，从而使钻井液高温滤失量猛增，流变性变坏。虽然这种变 化为可逆性的。但是 | r 粘上大量或令部失去处理剂的保护而使粘土的 高温分散、聚结、钝化等作用无阻碍的发生，从而严重地影响钻井液热 稳定性。因此，保证处理剂在高温下的吸附能力是深井钻井液工作又一 必须考虑的重要问题。它主要是由处理剂的吸附基团的本身特性和数量 决定的。 2 2 5 2 高温对处理剂的去水化作用 处理剂的亲水基团去水化作用也会发生在高温下。因此，即使高温 下不分散、不破坏、少解吸的处理剂，在高温下不一定就能有效地达到 保护粘土粒子的目的。 高温下，由于粘土粒子水化膜减薄，而促进了高温聚结作用，这样 必然使高温下滤失量上升，流变性变坏。这种变化亦具有可逆性。影响 高温去水化的因素，除温度高低外，还有亲水基团本身特性。凡靠极性 基水化或氢键水化的基团，一般高温去水化作用比较强，而电解质浓度 愈大，高温去水化作用表现愈强。 2 3 高温高密度钻井液流变性 在钻深井、大斜度定向井及钻遇各种复杂情况时，水基钻并液在井 下高温高压时的流变性，关系着悬浮和携带岩屑的能力，对钻井成败有 重要影响。为随时了解深部井段的钻井液性能，应及时采取相应的调整 措施，并满足钻井中进行水力计算的要求，应建立一个呵靠的数学模型 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章高温高密度钻井液技术与应用现状 来描述井眼内循环期间钻井液的流变性随温度、压力和剪切速率变化的 情况。针对配方提出了便于现场应用的高温高压流变参数计算模型。在 其它条件一定时，温度对水基钻井液流变性的影响比压力大得多，在高 温下，压力的影响一般可忽略【7 - 9 1 。 ( 1 ) 钻井液的流变特性很复杂，很难用一种流变模式表达出来，因 为钻井液的连续相和分散相在改变，其中固相、油、气含量也在改变， 其相互间还在不停地发生物理、化学作用，另外还受到流速、流道的几 何尺寸等因素的影响。 ( 2 ) 认为很少有钻井液的流变特性是符合宾汉模式的。目前测得的 彳矿( 表观粘度) 、p v ( 塑性粘度) 值等只是习惯，认为幂律模式较宾汉 模式准确。 ( 3 ) 认为卡森模式在低剪切速下较宾汉模式或幂律模式要好，但在 高剪切速率下不准确，不能用它来进行压力损失的计算。 ( 4 ) 对钻井液的粘弹性的研究正在深入。 2 3 1 高温对钻并液流变性的影响 高温使钻井液中粘土发生高温分散作用和高温钝化作用，影响钻井 液的流变性；高温使钻井液处理剂易发生高温降解或者高温交联作用， 影响钻井液的流变性。因此，需要加入性能优良的钻井液处理剂来确保 钻井液良好的流变特性。 2 3 2 高密度钻井液体系及流变性特点 高密度水基钻井液体系属于较稠的胶体悬浮体系，本身具有固相含 量大、固体颗粒的分散程度高、钻井液体系中自由水量少、钻屑的侵入 和积累不易清除这四个特点f l o 】。 ( 1 ) 钻井液体系流变性能的稳定性概念是指该体系能够较大程度地 经受环境条件( 温度、压力) 和外来物质( 钻屑、化学物) 等的影响， 其宏观流变性能不发生明显改变的特性。由于高密度水基钻井液自身的 特点并且不可避免地要受到外来物质的侵染，维护其流变性能的稳定性 比维护普通低密度钻井液流变性能的稳定性更加困难，主要体现在几个 方面： 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章高温高密度钻井液技术与应用现状 高固相含量带来的粘度高； 高固相粒子分散带来的粘度高； 固相粒子问相互作用产生的粘度高； 对外来物质的侵染敏感性更强。 ( 2 ) 增强高密度水基钻井液体系流变性的稳定性途径有：增强体系 的抑制性，改善钻井液中固相颗粒的分散度：大幅度降低钻井液中的膨 润土含量：大幅度降低钻井液的总固相含量。 在钻井过程中，钻井液在井下高温高压条件下的流变性好坏直接与 组成该钻井液的各处理剂溶液在高温高压条件下的流变性好坏有关。因 此在选择处理剂配制钻井液时，不仅要考虑这些处理剂的功用，还应考 虑在井下温度和压力条件下各处理剂溶液的流变特性，以求以最少的成 本和最快的速度完钻。 随着体系温度的升高，各处理剂水溶液的流变曲线发生相应的变 化，切力值有逐渐减小的趋势； 各处理剂水溶液在高温高压条件下的表观粘度和塑性粘度值皆 可用指数模式来进行描述； 随着温度的升高，各处理剂水溶液的表观粘度、塑性粘度和剪切 稀化作用逐渐下降，而压力增加时，粘度和剪切稀化作用又逐渐上升； 当其它条件一定时，温度对各处理剂水溶液流变性的影响较压力 的影响大；当温度较高时( 6 0 。c ) ，压力对处理剂水溶液的流变性几 乎没有影响。 因此，在选择处理剂时，不仅要考虑这螳处理剂的功用，还应考虑 在井下温度和压力条件下各处理剂溶液的流变特性，以求以最少的成本 和最快的速度完钻。 2 4 国内外深井钻井液技术发展概况及面临的问题 2 4 1 国内发展概况 自大庆油田在6 0 年代钻成功我国第一口深井松基六井以来，各 油田已先后钻成许多深井。特别是1 9 7 8 年四川局钻成的超深井关基 井( 7 1 7 5 m ) 目前仍保持着最深井尺的记录。随着深井探井的增多，我 1 3 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章高温高密度钻井液技术与应用现状 国相应配套技术也得到了快速发展，特别是可适应深井复杂情况的处理 剂，已研制出许多品种，对地层的特性也进行了深入研究。近几年来， 由于现场实践的需要，我国( 如塔里木地区、滇黔贵地区、四川地区) 的深井钻井液技术也有了长足的发展，不仅在包被絮凝剂的相对分子质 量、宫能团( 如阳离子宫能团、阴离子官能团、非离子官能团) 上进行 了更深入的研究，同时在降粘剂、降滤失剂、润滑剂等方面也进行了探 索，取得了较好的效果。在机理研究方面，已经从偏重于泥页岩的理化 性能分析而发展到更注意力学因素。己经开始了从物理的方法( 如屏蔽 暂堵技术就是人为地向钻井液中加入一些超细颗粒来改善钻井液中的颗 粒级配，使泥饼质量坚实有韧性而达到增强井壁稳定性的作用) 向用化 学方法来增强井壁稳定性的探索( 如用硅酸盐钻井液) 。参考p o l y d r i l l 的结构，国内已研制一些中、低相对分子质量，带磺酸根基团的聚合物 作高温高压深井处理剂，这种类型的处理剂对提高钻井速度已见到明显 效果，如四川局的深井钻井液配方采用这一套聚合物体系后，平均机械 钻速从1 9 9 4 年的1 8 3 m h 提高到了1 9 9 6 年的2 7 1 m h 。 大体上来说，我国水基钻井液技术( 占9 0 井) 的发展可划分为三 个阶段f 1 2 1 ： ( 1 ) 钙处理钻井液阶段。六十年代到七十年代初使用的基本钻井液 类型主要是利用无机钙盐c a ( o h ) 2 或钠盐( n a c i ) 来提高“井壁稳定性”。 另外，再加上铁铬木质素磺酸盐( f c l s ) 、煤碱剂、羟甲基纤维素( c m c ) 及一些表面活性剂等来维持钻井液的流变性能。如松基六井( 钙基) 、 东风二井( 钙基) 、新港5 7 井( 盐水基) 、王深二井( 饱和盐水基) 等 均是用这一类钻井液钻成的。 ( 2 ) “三磺”钻井液阶段。七十年代后大多数深井所使用的钻井液 类型为“三磺”钻井液，所谓“三磺”即磺化酚醛树脂( s m p ) ，磺化 褐煤( s m c ) 和磺化栲胶( s m k ) 。这三种处理剂有效地降低了钻井液 的高温高压滤失量，进而提高了“井壁的稳定性”，四川石油管理局用 这三种处理剂再配合f c l s 、c m c 、c a ( o h ) 2 、重铬酸钾( k 2 c r 2 0 0 以 及表面活性剂等钻成了我国最深的关基井( 7 1 7 5 m ) ，女基井( 6 0 1l m ) 。 三磺钻井液的研制成功，是我国在深井钻井液技术上的一大进步， 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章高温高密度钻井液技术与应用现状 其主要标志是：这三种处理剂能有效地降低高温高压滤失量，特别是加 入磺化酚醛树脂后，随着井深及压差的增加，其滤失量增加很少，有时 还降低( 而这一特性是原钙处理钻井液体系达不到的) ，这样就大大改 善了泥饼质量，减少了井下坍塌、卡钻等复杂情况，提高了深井钻探的 成功率。 ( 3 ) “聚磺”钻井液阶段。所谓“聚磺钻井液”是指在实践过程中 将“聚合物钻井液”与“三磺钻井液”结合在一起而形成的一类目前仍 广泛应用的一种钻井液体系。“聚合物钻井液”丌始叫“不分散低固相 聚合物钻井液”，是在7 0 年代后期8 0 年代初期，为了推广“喷射钻井 技术”和“优选参数钻井技术”，利用丙烯酰胺类有机聚合物作为钻井 液的抑制剂而逐渐发展形成的一种钻井液体系。这类钻井液由于使用长 链仃机聚合物代替了原钙处理钻井液中使用的无机盐抑制剂，凶而有效 地抑制了地层造浆，大大提高了“井壁稳定性”，在提高钻井速度方面 见到了显著效果。这一类有机聚合物的产品也如雨后春笋，研制成功了 许多品种，但目前还不能适用于深井。特别是对付硬脆性的地层，还必 须加入一些磺化物来改善泥饼质量、降低高温高压滤失量。因此，很自 然地将这两种成份结合在一起而形成了“聚磺钻井液”。我们将组成“聚 磺钻井液”的主要处理剂分为两类：第一类为“抑制剂类”或简称“聚” 类，包括无机盐和有机聚合物类，这类处理剂的作用j 三要是抑制蒙脱石 含量较高地层的水化、膨胀、造浆：而另一类是分散剂类或叫“磺”类， 主要是磺化聚合物、褐煤类以及纤维素、淀粉等，这类处理剂的加入， 主要是有利于“钻井液性能的稳定”，使之形成稳定的胶体并具有钻井 丁：程所要求的流变性等。由资料看出，国外各钻井液公司的骨架配方是 基本雷同的( 即：无机盐+ 高温有机包被剂+ 高温稳定剂) ，所用原材料 也是大同小异。通过以上分析可以认为：从总体上来看，钻井液技术的 发展仍然足围绕着如何能更好地解决“地层井壁稳定”与“钻井液性能 稳定”这一对矛盾而进行着。特别是在深井阶段，这一对矛盾就表现得 更加突出。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章高温高密度钻井液技术与应用现状 2 4 2 面临的问题和不足 国内耐高温钻井液处理剂品种少，而且同国外产品相比性能差距大。 目前国内性能、结构能与r e s i n e x ( 褐煤树脂) 相当的抗高温处理剂是 s p n h 和s m p ( 磺甲基酚醛树脂) 。而与c o p - 1 、c o p - 2 ( 乙烯基磺酸 盐共聚物，利用单体a m p s 和丙烯酰胺或n 烷基丙烯酰胺共聚合成的抗 高温处理剂，不仅可耐2 6 0 高温，同时抗钙盐和饱和盐水的污染) 等 处理剂相当的产品还没有。 制备磺化聚合物，一般有两种形式： ( 1 ) 使用磺化剂直接或问接进行磺酸基化或磺烷基化。这一种途径 工艺过程简单较易实现，产品便宜，但不易控制产品的磺化度，且副产 物较多。 ( 2 ) 利用含磺酸基的单体与其它单体进行二元或多元共聚反应，从 而在聚合物分子链上引入磺酸基。该途径优点明显，就是磺化基团与其 它类型官能团的比例以及产物的磺化度比较容易控制，产品磺化度比较 均一，无磺化副产物，易于获得符合所设计的分子结构的产品；但是聚 合物能否大量生产，价格是否合理，这些都受到磺化反应单体来源和价 格的影响。 可以看出，国内耐高温处理剂大都是通过第一种途径引入磺酸基。 由于磺化反应性单体大量使用必须依靠进臼，因此由第二种途径得到耐 高温处理剂而应用于深井钻探的情况在国内还很少。 由于这类单体的国产化大大促进了高性能磺化型油田化学品的研制 与应用。 2 4 3 国外深井钻井液发展概况 解决可抗高温、高压、深井复杂地层的钻井液技术，始终是国际上 各有关单位特别是各大泥浆公司所关注的重点问题。可以说是全方位的、 从各个方面进行了探索：如测试仪器的研制和评价方法、井壁失稳机理 的模拟和克服方法的研究、处理剂及钻井液材料的选择和研制、高温高 压条件下钻井液的流变特性、现场工艺技术、钻井液配方的组合、环保、 包装自动化、标准化等问题。 1 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章高温高密度钻井液技术与应用现状 抗高温、高压、深井复杂地层的钻井液技术仍是国际上各大钻井液公司 的主攻目标，而且竞争剧烈，互相保密。各自命名了自己体系的名称， 但从配方组成来分析，基本上是大同小异的，也就是说其研制或选择处 理剂的机理是基本相同的。所用处理剂品种有的是自己研制的，有的是 借用别公司的产品冠以本公司的商标名称，组合后即成了其本公司的钻 井液体系。可概括为以下四个方面1 1 3 - 1 5 】： ( 1 ) 阴离子型聚合物水基钻井液的研制。其所使用的聚合物在其 c c 主链上的侧基上含有磺酸根( 一s 0 3 h ) ，如磺化聚合物p o l y d r i l l 。 ( 2 ) 阳离子型聚合物水基钻井液的研制。这种抑制能力很强的新型 钻井液与原阴离子聚合物钻井液的本质区别就是在“有机聚合物包被剂” 这一主剂上引入了阳离子基团。 ( 3 ) 非离子型聚合物水基钻井液( 聚多醇类) 。聚醇类是一种非离 子型表面活性剂，在一般水基钻井液中，将上述化合物加入一定的量就 可以明显提高该体系的页岩抑制性、润滑性，并且毒性低，可以生物降 解；也可加入磺乙基纤维素的碱金属盐、铝盐等复配使用。 ( 4 ) 合成基钻井液。合成基钻井液是以人工合成的有机物为连续相、 盐水为分散相，再加上乳化剂、降滤失剂流型改进剂等组成。 2 4 4 国外几种高温高压条件下的钻井液体系【l 3 j ( 1 ) 高温高压条件下使用的石灰基钻井液体系 美国新奥尔良地区的阿莫科公司研制的石灰基钻井液体系，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，该钻井液体系成功应用于井深5 2 8 9 r n 、井底温度 达1 7 0 的深井中，钻井液密度高达2 2 2 r d c m 3 。磺化沥青、乙烯磺酸盐 乙烯酰胺共聚物和改性丙烯酸盐三元共聚物解絮凝剂等处理剂不仅解决 了石灰基钻井液体系的高温稳定性问题，而且更充分地发挥了这种钻井 液体系的抗污染能力强等特点。 需要指出的是，和其它高密度水基钻井液体系一样，这种钻井液体 系在现场应用中的一个关键措施是充分发挥围控设备的效率，尽可能降 低钻井液中的低密度固相含量。 1 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章高温高密度钻井液技术与应用现状 ( 2 ) 新型抗钙聚合物钻井液体系 钻进深井高钙地层的钻井液的关键在于抗温、抗钙降滤失剂，像淀 粉或预胶化淀粉虽然抗钙能力强，但抗温能力差，因此，研究开发出了 一种既能抗高温，也能抗高钙、镁离子的新型降滤失剂。该聚合物降滤 失剂抗盐至饱和、抗7 5 0 0 0 m g l 的钙离子和1 0 0 0 0 0 m g l 的镁离子，抗 温至2 0 4 。其平均相对分子质量为2 0 0 0 0 0 ，既可降低钻井液滤失量， 又不会影响钻井液流变性。与淀粉、c m c 、p a c 等降滤失剂配合使用具 有协同作用，并可以提高这些处理剂的抗温性。新型磺化聚合物与淀粉 配制的饱和盐水钻井液体系具有良好的流变性、较低的滤失量和低的成 本，使用温度可达1 4 3 ：而新型磺