工艺技术_钻井液工艺学

CP6WaterbasedDrillingFluids第六章水基钻井液 艺术的大道上荆棘丛生 这也是件好事 常人都望而却步 只有意志坚强的人例外 雨果论文学 6 1分散钻井液 一 分散钻井液的组成1 膨润土及原浆的配制 1 膨润土 2 配浆土量计算 2 分散剂丹宁 褐煤 铁铬木质素 CMC NaOH等 3 分散钻井液特点 1 所用药品多为分散剂 2 矿化度低NaCl 1 Ca2 120ppm 3 性能不稳定 易受污染 4 优点 工艺简单 成本低细分散泥浆虽然缺点较多 但配制工艺简单 处理剂用量少 成本低因此有的地方仍在使用 二 钻井液受侵及处理 泥浆受侵指钻井过程中 地层中的物质进入泥浆使其性能变坏的现象可溶性盐 岩盐 石膏 侵污可分为三类型地层粘土 细砂地层流体 油 气 水 一 钙侵 1 污染源 1 钻遇石膏层CaSO4Ca2 SO42 2 钻水泥塞水泥凝固后产生Ca OH 2Ca OH 2Ca2 2OH 这两种情况在泥浆中可提供500 700ppm的Ca2 2 性能变化第一阶段 粘 切 失水 泥饼增厚第二阶段 粘 切 失水 泥饼增厚3 作用机理阳离子交换Ca2 与Na交换 钠土转换为钙土 粘土 电势减小 水化膜变薄 4 石膏侵 水泥侵区别石膏侵 PH值一直下降水泥侵 PH值增加 5 石膏侵的处理 6 防止水泥侵 1 用清水钻水泥塞 2 进行预处理 二 盐侵及盐水侵 1 性能变化前期 NaCl 1 性能变化不大中期 NaCl 3 粘切达到最大值 失水 后期 NaCl 3 粘切 失水 2 机理NaCl 压缩粘土双电层 粘土 电势降低水化膜变薄 粘土絮凝 聚结 3 处理 三 泥浆性能调节 一 密度的调节1 泥浆密度的要求平衡地层压力 不喷 不漏2 提密度 1 加重剂用量根据物料平衡 加重前的要求 加重前泥浆粘度不宜过高 加重应提切力 0 5Pa 为了满足以上两点要求 搬土含量应控制在一定范围 注意降低泥饼摩擦系数 可加表面活性剂 3 降密度方法 加水 稀处理剂 低密度泥浆 二 粘度的调节1 提粘度 1 处理时机当井壁垮塌 沉砂过多或者堵漏时 2 方法 分为三种情况 提塑粘a 加分散剂 CMC b 加油c 加惰性固体 提结构粘度加电解质 氯化钙 2 降粘切 1 处理时机钻进泥质岩石 配加重泥浆 以及泥浆受可溶盐侵污导致的粘切上升 2 方法a 加稀释剂b 加水或稀处理剂c 加明矾 三 失水钻达生产层 易垮塌及吸水膨胀地层 方法 1 使用降失水剂2 有助于形成致密泥饼的物质 如磺化沥青 四 调节PH值方法 1 一般使用NaOH2 防塌泥浆中用KOH3 深井可配合表面活性剂 可有效的稳定PH值 五 混油1 优点 1 降失水 2 降摩阻 3 保护油气层 4 防塌2 工艺要求 1 调节好泥浆性能 粘度不宜太高 2 混油量5 10 3 注意搅拌均匀 4 可加适量亲水性活性剂 如AS OP等按油量的0 1 0 3 6 2钙处理泥浆 一 粘土的分散状态与泥浆性能 适当絮凝的粗分散状态 有适当的粘度 切力和失水 满足钻井工艺要求 二 配制原理 利用钙的絮凝作用和分散剂的分散作用相互制约 使粘土处于适度絮凝状态 来维持泥浆性能 当Ca2 作用强时 絮凝程度增加 分散剂作用强时 絮凝程度降低 通过调节Ca2 和分散剂的量 调节粘土颗粒的絮凝程度和颗粒的粗细 以得到适宜的粘度 切力和失水 满足钻井工艺需要 当Ca2 略有变化时 泥浆性能变化不大 即处理泥浆对钙侵不敏感 三 钙处理泥浆抗污染机理 1 同离子效应泥浆中含有较高浓度的Ca2 地层石膏的溶解受到抑制 2 泥浆钝化粘土颗粒基本为钙质土 Ca2 离子浓度略有变化 粘土颗粒的状态变化不大 对泥浆性能影响小 即表现出 泥浆对可溶盐的侵入的敏感程度降低 3 电解质浓度高 抑制钻屑分散对泥浆性能的影响 四 性能调节 1 控制 Ca2 1 通过控制氯化物的加量 2 通过调节PH值控制 Ca2 2 选用分散剂选用原则 低钙泥浆加NaC中高钙泥浆加FCLS 或SMK NaC 6 3盐水泥浆 一 原理二 类型及特点NaCl含量5 10 1 盐水钻井液抗盐侵污染不能阻止井壁岩盐溶解 Cl 1 含量 17000 L2 饱和盐水钻井液抗盐侵可阻止亍壁岩盐溶解 三 饱和盐水泥浆特点 1 矿化度高 粘土 0 护胶是关键 2 护胶剂用量大 全靠护胶剂护胶 3 提粘困难 可用海泡石提粘 4 深井饱和盐水泥浆有盐析问题5 易起泡 四 工艺要点 1 配制方法 1 首先保证原浆充分预水化 2 加足护胶剂 3 最后加盐至饱和即配制程序 粘土预水化 加护胶剂 加盐至饱和2 维护处理 加饱和盐水处理剂混合液 五 常用饱和盐水泥浆 1 FCLS CMC饱和盐水泥浆 1 配方 用井浆转化 Na2CO3 FCLS NaOH 1 5 CMC 盐 红矾1 5 1 5 0 2 2 饱和0 2 2 维持要点 a 用饱和盐水混合剂维护 使饱和盐水限在20 30 b PH 9 10 2 SMC SMP饱和盐水泥浆 1 特点 抗高温 泥饼摩阻小 适用于超深井 2 维护要点a 搬土含量4 6 体积比b PH 7 10c SMP为主处理剂 配合SMC使用 6 4聚合物钻井液 一 泥浆组成及性能对钻速的影响 一 比重的影响机理分析1 由于超平衡钻井产生较大的 P 在 P的作用下将钻头破碎的岩屑贴在井底被 压持 而不容易被清除 即压持效率 使钻速降低 P P液 P地 P 压持作用 二 粘度对钻速的影响 粘度 水眼粘度 对钻速的影响是间接的 钻井液综合性能可以用一个变量雷诺数Re来代表 它表示如下 机理分析 1 钻头破碎岩石之前需先将钻头与地层之间的流体排开 泥浆粘度高相当于在两者间提供了粘性缓冲垫子 即是减小了钻头对岩石的冲击力 导致Vt下降 2 粘度 岩屑下沉速度 固含 导致了 和粘度上升 Vt 三 失水量对钻速的影响 在其它参数一定时 Vt高是因为在井底形成厚而松散的泥饼 抵抗钻头对岩石的破碎作用要比低失水钻井液形成的韧而不渗透的泥饼低 Vf Vt 机理分析 1 高的瞬时失水 滤液立刻填充钻头破碎岩石的微裂缝 可使裂缝扩展 张开不愈合 减小压持效应和钻头牙齿将破碎岩石以破碎坑中剔出 2 瞬时失水高 岩石表面的压差减小岩石抗压强度降低 所以在钻井过程中要尽量保证全井累计失水不变的情况下 尽量增大瞬时失水 四 固相含量及类型对速的影响 1 固相含量的影响固含增加 泥浆的密度随之增加 粒度增加 钻速降低 此外固含增加 使钻头和岩石的接触受到的阻碍增加 钻头对地层的冲击力减弱 导致钻速下降 淡水钻速为100 固含升高7 时 钻速降为50 2 固相类型的影响搬土 劣土 砂 重晶石 对粒度影响不同 3 粒度分布的影响塑粘大小主要由小于1um粒子浓度来决定 如果亚微米粒子浓度愈大 因此 使用分散泥浆和不分散泥浆体系将会得到不同的钻速 机理分析 亚微米粒子易卡住或封闭井底裂缝使瞬时失水降低 同时亚微粒子造成粘度上升 结论 泥浆中的固相含量增加钻速降低 同时固含增加 泥浆的密度和粘度增加 失水量随之改变 从而使钻速降低 故泥浆固相含量是影响钻速最主要因素 二 聚合物处理剂及作用 一 高聚物絮凝剂1 醋酸乙烯脂 顺丁烯二酸酐共聚物 VAM 2 聚丙烯酰胺 PAM 3 水解聚丙烯酰胺 PHP 1 水解反应 2 水解度 4 PHP PAM的性质 1 水溶性 水溶性愈差 PHP的水溶性优于PAM 2 粘滞性a 分子量愈大 粘度愈大 b 水解度愈大 粘度愈大 c 温度 粘度 3 交联 4 抗温可达200 5 PH 8时絮凝效果最佳 PH 10时 PHP继续水解 6 抗盐抗钙能力PHP抗Ca2 200转化为完全絮凝剂 抗Cl 2000PPm 二 聚合物处理剂的作用 1 絮凝作用 1 絮凝机理 吸附 PHP分子中的 CONH2与粘土表面的氧形成氢键发生多点吸附 桥联 分子链共同吸附粘土颗粒桥联一起 网络 每条分子链之间通过粒子而缠绕 形成网络 土粒和长链分子的电荷密度 水化减弱 彼此吸附强 脱水收缩 絮凝沉降 粒子在重力作用下沉降 2 影响因素 分子量目前国内使用的 300 600万 水解度H 30 效果最佳 絮凝剂浓度小于临界浓度 PH值PH 7 8 5时 此时H 30 PHP的絮凝效果最佳 分散剂分散剂抵消PHP的絮凝效果 电解质电解质加入 如CaCl2 NaCl等加入 使PHP成为完全絮凝剂 使用不分散低固相钻遇石膏层时 要加适量纯碱处理 3 为什么PHP会有选择絮凝的性质这主要是因为PHP分子链上的 COO 与搬土表面上的静电斥力 以及搬土表面上的水化膜厚等 因此PHP在粘土颗粒表面上的吸附能力降低 但PHP与钻屑和其它劣土间没有这种排斥效应 所以PHP是絮凝劣土而不絮凝搬土 2 防塌作用PAM和PHP具有一定的防塌作用 这是与淡水相比较而言 它的防塌机理有这些 1 长链高分子横过泥页岩井壁的微裂缝 在井壁上多点吸附 阻止泥页岩的剥落 由于PHP分子链伸展 因此分子链卷曲的PAM防塌能力强 2 在井壁上形成吸附膜 增大滤液流动阻力和减小滤矢量 3 剪切稀释紊流减阻聚丙烯酰胺是一种紊流减阻剂 把它加入在清水中 可在不改变排量情况下降低泵压 当PAM和PHP在溶液具有剪切稀释性 紊流减阻的机理几种看法 1 由于机械干扰使紊流运动时消耗让能量减少 泵压降低 吸附产生褐煤的能量 2 聚合物溶液中的有将能量吸附储存于聚合物分子中的趋势不会发展在干扰中 三 无固相钻井液 聚合物清水 一 聚合物清水使用条件1 所钻井段无高压油气层2 所钻井段无力学不稳定而需要用高比重泥浆来克服井塌地层 二 聚合物清水钻井工艺1 对于井壁稳定的地层 可以絮凝为主 尽可能降低比重 最大限度提高钻速 简单工艺如下 1 使用PAM 50 100PPm 或者使用PHP 10 30PPm H 30 即可将所有钻屑全部絮凝 2 采用振动筛和沉砂池除砂 2 对于易发生井塌的地层 1 在振动筛后加入PAM 50 100PPm 同时加入CaCl2和KCl抑制钻屑分散 2 在入口处加入PHP 50 100PPm H 30 让井浆内保持高浓度PHP溶液 以利于井壁上形成保护膜巩固井壁 3 沉砂池不能有效沉砂 因此应考虑使用除砂器和除泥器 三 防卡措施1 保证双泵循环2 起钻前循环两周以上3 接单根动作要快4 断钻具后 打捞对准落穴 循环两周方能起钻 四 转化工作1 转化时机 1 井内垮塌物较多 需要长段划眼 影响正常钻井时 2 即将钻遇高压地层 3 已钻达下套管井深时2 转化工艺 1 加入预水化搬土与井上PHP溶液按一定比例相混 2 在溶液中Ca2 含量高时要加碱处理 四 两性复合离子聚合物泥浆 FA367复合离子强包被剂组成XY 27抑制型稀释剂LS 惰性降失水剂1 FA367是由多种阴阳离子 非离子的乙烯基单体共聚而成的复合离子型高分子水溶性聚合物 在高分子链节中 阴离子是钾 胺等抑制性盐类形式存在 并引入有机阳离子 对粘土颗粒进行氢键及化学键吸附 同时利用自身分子间的缔合 对粘土颗粒进行包被 进而成网作用 抑制粘土颗粒分散 2 XY 27是由多种阴 非离子基团与有机阳离子单体共聚而成的复合离子型低分子水溶性聚合物 分子中引入有机阳离子 它能优先吸附于粘土颗粒上 且能与主聚剂分子链键合形成络合物 这阻止了主聚剂对粘土粒子有效吸附和成网 不仅具有很好的抑制性而且能有效地降低聚合物钻井液的粘度和切力 3 LS 主要成分有沥青 石灰石粉及少量的CMC 这些成分在泥浆中作泥饼的架桥粒子和填充粒子 从而改善颗粒级配 降低泥饼的渗透率 并提高泥饼的形成速度 形成薄而致密的泥饼 同时 这些小分子物质对钻井液流变性较小 甚至基本无影响 该体系可以与其它聚合物配伍 相溶性较好 利于必要时的钻井液体系转换 易于实现其流变参数的优选优控 能保证较好的失水造壁性 具有较好的防塌性能和抗污染能力 与过去的多元聚合物钻井液相比 可获得更低的水眼粘度 更强的抑制泥岩分散造浆能力及配伍组分简化 实现处理剂高效化方面有了成效 并使维护 处理简化易于掌握 五 不分散低固相钻井液 一 不分散低固相钻井液性能指标1 总的固含 4 密度 1 06 相当于固含 4 2 搬含 1 5 2 5钻屑与搬含D B 2 13 动切应力为1 5 2 9Pa4 失水 15ml5 PH值 7 8 56 Cl 2000PPm Ca2 200Pa 二 组成1 预水化搬土搬土 纯碱 水 300 500 20 10002 聚合物PHP300万 6 5抗高温深井水基钻井液 一 概述 一 深井泥浆主要特点影响深井泥浆性能的主要因素是温度 最高温度计算式如下 当地年平均气温地温梯度井愈深 地质愈老 岩盐 石膏层及软泥页岩的下部地温梯度偏高 全球性地温梯度3 3 5 m 四川地区地温梯度2 5 m 结论高温后的性能反映了泥浆在高温作用下的不可逆变化 研究这种变化做热稳定性实验 实验方法 把泥浆置于恒温罐中 在高温及其对应饱和蒸气压下恒温一定时间后 在低温条件下测定其性能 比较泥浆恒温前后性能差别 恒温时间一般规定为24h 二 结论和实验方法 三 合格的深井泥浆条件 1 从井口至井低之间任何温度下都具有满足工程 地质要求的性能 即有良好合格井口性能 又有良好合格的井下性能 2 热稳定性好实验证明 建立抗高温泥浆体系的方法 选用适当的抗高温处理剂和粘土类型及含量 二 高温对泥浆中粘土的作用及对泥浆性能的影响 一 泥浆中粘土粒子的高温分散作用 泥浆中粘土粒子经高温作用分散度提高现象 高温使泥浆中每cm3土所分散成的粒子增加个数 1 实质高温促进粘土粒子水化分散作用 2 原因 高温增强水分子渗入晶层内表面能力 CO32 OH Na 随之进入晶层内表面 增强水化能力 PH下降 高温促使粘土中Al3 离解 同时补偿阳离子高温解吸 使粘土离子 电位增加 渗透水化能力提高 高温热运动加剧 加速水化后的粘土粒子进入水中 3 影响高温分散的因素 1 粘土种类钠搬土 钙搬土 高岭石 2 温度的高低和作用时间长短t T 高温分散愈强 3 介质的化学环境 OH CO32 有利于粘土水化分散 高价阳离子Ca2 Fe2 Fe3 Al3 Cr3 Zn2 对高温分散有抑制作用 价数愈高 浓度愈大 抑制作用愈强 结论 由于高温分散是粘土本性及介质环境特性 在高温下的表现 故是任何粘土矿物存在的现象 与粘土含量多少无关 而且高温分散是不随温度变化的不可逆的永久性变化 4 高温分散对泥浆性能的影响 1 对流变性的热稳定性的影响 导致泥浆高温后增稠 定义 泥浆经高温后 粘度 T 上升的现象 曲线1理想悬浮体 t 曲线2高温分散泥浆t 但粘度高于对应温度的正常粘度 曲线3高温度分散影响 理想悬浮体粘度下降 1 2 3 影响高温增稠程度的因素a 高温分散的强弱b 粘土含量 现场表现a 进出口性能差别大 出口增稠 b 泥浆在井内静止一段时间后 粘切提高明显 高温增稠的特点a 性能不稳b 处理频繁 c 一般稀释剂不起作用 高温 后 胶凝 当土量大到一定数值后 泥浆经高温作用后表失流动性形成凝胶的现象 高温粘土容量限 在一定温度下 泥浆体系发生高温胶凝所需的最低土量 量限与泥浆中粘土类型 处理剂效能 介质环境 温度高低等因素有关 因而不可能存在一个适用于所有泥浆体系的量限 它是个理论概念 不能通过技术求得其大小 对于某一种体系泥浆用实验方法可找出其量限 高温 后 胶凝的防止与处理防止 a 严格控制粘土量 使其低于体系量限b 抑制粘土的高温分散 加高价离子 抗高温处理剂 处理 a 加水b 加高价离子和稀释剂c 加红矾 2 高温分散对造壁性的影响 没有坏的影响 二 泥浆中粘土粒子高温聚结 高温引起泥浆中粘土粒子结合的现象 1 原因 1 高温减薄水化膜 水分子热运动的结果 2 高温促使处理剂在粘土表面解吸附 使粘土粒子 电位降低 水化膜减薄 3 粘土粒子的布朗运动随升温增加 高温增加粘土粒子碰撞频率 2 特点 1 一般而言 聚结程度不高 2 随温度可逆 一般情况 高矿化度除外 3 对泥浆性能的影响 1 对流变性的影响 理想状态 粘度按曲线正常规律下降 分散泥浆 不考虑高温分散 粘土粒子E E E F联结可逆变化 升温曲线和降温曲线重合 1 若同时考虑高温分散和聚结 井温曲线比曲线高 且降温曲线比升温曲线高 若粘土含量过高 高温聚结作用形成网架结构增加 造成高温增稠或胶凝 高矿化度盐水泥浆 高温分散弱 高温聚结主要引起粘土粒子的F F结合 降低粘土粒子浓度 使泥浆在高温下的粘度低于理想状态粘度 如曲线 3 且降温曲线比升温曲线低 上述现象在土量低时表现尤为突出 这种影响可能造成井下粘度低而带不出砂子 所以高温下泥浆的土量 这一土量称为下限 2 对造壁性的影响聚结的结果使粒子的分散度降低 造成HTHP失水量增加 但随温度而可逆 现场经验 HTHP失水量20ml左右为合格 使泥饼增厚 如低温失水正常 高温失水不正常 降温后又正常 则是高温聚结问题没解决 故应针对性处理 三 高温表面钝化 去活性 高温后泥浆中粘土粒子表面活性降低 而使它形成卡片房子结构能力减弱的现象 1 原因泥浆中粘土粒子表面的O Al Si等与泥浆中的Ca2 OH Al3 等发生类似水泥硬化或与石灰粘土类似的反应结果 多发生在粘土端面 2 对泥浆性能的影响 1 高温 后 减稠 泥浆经高温作用后 粘度下降的现象 2 高温固化成型 泥浆经高温作用后 成为具有一定强度的固态体型现象 如土量超过容量限 高温分散作用及泥浆中粘土粒子激增形成凝胶 在其凝胶的钢架结构中的粘土粒子边侧 面的联结部位上发生了水泥硬化似的表面钝化反应 使刚架结构得以强化 而有一定强度 从而产生高温固化 高温固化成型是土量超过量限后 由泥浆中粘土粒子高温分散 胶凝 钝化的综合作用 形成具有一定强度的固态体型 原因 泥浆中发生高温胶凝的同时 发生高温表面钝化的综合作用 防止方法 土量在 量限 以下 抑制高温分散 减弱高温聚结 降低PH值 结论 解决体系抗高温能力应从以下几个方面入手 粘土含量在上下限之间 偏向下限 有效控制泥浆中粘土分散 聚结 钝化 控制OH 含量 用表面活性剂 三 高温对处理剂及其作用效能影响 一 高温降解 高温使处理剂分子链断裂降低分子量的作用称为高温降解 1 影响因素 1 介质的种类如CMC在空气中200 不会发生明显降解 2 分子结构 醚键 O 酯键易断裂C CN CC S比较稳定 芳环比开链稳定 支链的形成 3 矿化条件 PH愈高易降解 盐 钙有影响 4 温度高低 作用时间长短 5 其它因素 如氧化含量 细菌作用 光辐射 搅拌 常用处理剂抗温能力 2 处理剂的抗温能力处理剂在它的水溶液中发生明显降解的温度 24h 检验方法 1 检查处理剂的主链配成一定浓度 如1 溶液测粘度 高温24hr后在同一条件下测粘度 如粘度明显下降说明降解 可采用漏斗 旋转粘度和毛细管粘度计 2 检验亲水基脱落 以抗盐能力检验 配成一定浓度溶液 测抗盐性 经24h高温再测抗盐性 3 对泥浆性能的影响 1 使处理剂失效 泥浆性能破坏 且随温度不可逆 所以降解作用主要影响热稳定性 例 稀释剂降解 泥浆高温后增稠 胶凝增稠剂降解 泥浆高温后减稠降水剂降解 B K 2 降解副产品使泥浆性能破坏高温降解后产生副产品如CO2 H2S等使PH值下降 同时还对钻具产生腐蚀作用 4 高温降解的抑制加入抗氧剂抑制氧化反应进行 常用抗氧剂苯酚及衍生物 苯胺及衍生物 亚硫酸盐 硫化物 二 处理剂的高温交联高温促进处理剂分子链连结长大分子量的过程 不随温度可逆 1 对泥浆性能的影响 1 高温胶联过头的影响高温胶联过头使处理剂形成体型结构 处理剂不溶于水 形成冻胶 结果造成泥浆高温 后 胶凝 失水猛增 PH值下降 这种直接看到 块状 物可以判断是哪一类胶凝 2 高温交联适当的影响 抵消高温降解作用 保持泥浆热稳定性 常用交联剂 乙二醇 低分子聚丙烯酸钠 甲醛 处理剂增效例 SMC与SMP交联 SMC SMP 水 10 5 100加盐至饱和 粘度SMC不溶解 滤液红色 200 24hr SMC溶解抗盐至饱和 SMC吸附能力强 SMP的水化能力强 高温交联后 两者优点中和 使处理剂增效 现场表现在以下方面 现象效果比室内好 现场愈用愈好 井愈深愈好 失水下降 除高温分散剂外 还有处理剂增效作用 3 影响高温交联的因素 1 温度高低与作用时间长短 2 处理剂结构腐植酸类易交联 不易交联过头 含不饱和键多 本质素易交联过头 聚丙烯酸类不易交联 3 PH的影响凡是苯环参加的交联反应 PH值愈高交联反应愈剧烈 随着OH 的消耗 PH值又下降 4 处理剂浓度愈高 愈易交联 5 矿化条件含盐量高时 处理剂因盐析使水化膜变薄 相互间靠拢而发生交联反应 另外 有的离子Ca2 Fe2 本身就是交联剂 三 处理剂高温解吸作用高温升高 处理剂在粘土表面吸附量下降的现象 1 高温解吸对泥浆性能的影响 1 淡水泥浆 E E E F联结 增稠 B 2 高矿化度泥浆F F联结 减稠 B 2 解决方法 1 引入高价金属离子 与粘土表面产生强烈静电吸附 2 提高处理剂浓度 3 低PH值 PH值增加 处理剂溶解能力 吸附能力减弱 四 处理剂的高温去水化 高温使处理剂水化膜减薄的现象 它随温度可逆 主要影响的是高温聚结 1 使用离子基作水化基 且增大水化基的比例 高温去水化的强弱 取决于水化基的本性 靠极性链及氢键水化基团 去水化作用强 由离子基水化作用形成的水化膜高温去水化弱 2 PH值高有利因为PH值高 处理剂的溶解能力增强 即水化膜增厚 但高PH值 对其它性能影响较大 所以不能用提高PH值方法来防止去水化作用 而采用酸性水化基团 如 SO3 因它是强的酸性基团 不受PH值影响 五 抗高温处理剂的基本要求及分子结构特征 六 抗高温处理剂的作用机理 1 抗高温稀释剂作用机理加丹宁酸钠 优先吸附在粘土端面 带去足够的水化膜和提高 电位 从而抵散卡片房子结构 使下降 现代理论认为 若稀释剂含有高价金属离子 使粘土粒子F F结合 降低分散度 使粘度下降 另外稀释剂能优先吸附在粘土端面拆散卡片方子结构 使下降 最终使下降 可用的高价金属离子有Cr3 Fe3 Al3 等 最常用的是Cr3 这就是为什么抗高温稀释剂大都有Cr3 及国内外所用的体系为Cr3 体系的原因 抗高温稀释剂的作用 1 抑制粘土高温分散 2 抑制高温下聚结2 抗高温失水剂 1 控制失水的途径 提 改善泥饼渗透性降低高温下泥饼渗透性 高温护胶 泥饼的可压缩性 2 作用机理失水控制剂有效地吸附在粘土粒子表面上 带来足够的水化膜厚度和提高粒子电位 以防止粘土粒子聚结 保持粒子的合理级配 从而保证泥饼的致密性 使泥饼渗透率下降 失水量降低 七 抗高温处理剂简介1 腐植酸及其衍生物该类处理剂的连结键为C N C C键 稳定性好 故热稳定性高 但分子量不太大 故热稳定性高 但分子结构复杂活性基团多 易发生高温交联 但分子量不太大 故交联后不易产生三维结构 腐植酸分子结构中的亲水基主要为能电离的离子基如 COO Na 所以抗盐 抗钙能力弱 此处腐植酸在粘土表面的吸附主靠酚羟基酚羟基的极性与粘土表面的氧或氢氧形成氢键吸附 这样造成吸附能力弱 腐植酸的改性所谓改性即是引入高价阳离子与腐植酸进行络合 让高价金属离子与带负电的粘土表面结合来增加吸附力 再引入磺酸基 SO33 以增强水化性 1 SMC使用条件 SMC为腐植酸的磺甲基衍生物 经重络酸盐络合而成 凡是NaC在泥浆中使用规律 原则上都适用于SMC 它主要用作抗高温失水控制剂效能 a 抗温能力抗温200 220 b 抗盐能力抗盐 3 200 时 与其它处理剂配合使用可提高c 使用PH值为9 11d 适用于SMC SMP盐水体或饱和盐水SMC搬土淡水体系 e 加量为3 7 干粉 2 SMT 性状 黑褐色 晶形粉末 使用条件 略 SMT为五倍于丹宁经磺化后再由重络酸盐络合而成 主要用于高温泥浆稀释剂 目的是在丹宁分子上引入一个或多个磺甲基 CH2SO3 以增强水化能力 络合反应在磺甲基丹宁中加入一定量的重络酸盐 在一定条件下选使CrO42 氧化磺甲基丹宁 一方面释放出Cr3 与被氧化的磺甲基丹宁进行络合过程如下 CrO42 磺甲基丹宁 4H2O 氧化磺甲基丹宁Cr3 氧化磺甲基丹宁 磺甲基丹宁 铬 效能a 在淡水泥浆中可抗温至180 200 b 抗钙能力强 可抗游离Ca浓度达20ppm c 抗盐能力弱 NaCl含量大于1 之后 稀释能力显著下降 d PH值9 11e 适用于含Cr泥浆体系f 加量一般在1 以下 3 磺化酚醛树脂 1 SMP 1结构和特性 SMP的分子结构特点 分子量一般在1万以上 因此5 水溶液粘度与淡水差不多 且分子不是直链型 故对粘土无絮凝作用 不会引起泥浆增稠 亲水基为 CH2SO3 且比例大 SMP 1的理论磺化度为75 所以它的亲水性好 抗盐 抗钙能力强 较低的PH值不会影响亲水性 吸附基为酚羟基故PH高对吸附不利 而且受高温影响 2 SMP降失水机理带有大量负电荷和很厚水化膜SMP 它吸附在粘土表面上 增加了粘土表面的 电位和水化膜厚度 防止粘土颗粒聚结和提高粒子的堵孔能力 保证泥浆中有较多的胶体粒子 形成的泥饼致密 使失水量降低 3 SMP 1的使用规律 抗温能力强 200 220 抗盐能力强 加盐越多效果越好 但5 NaCl加量时效果不好 机理无法解释SMP吸附量增加使 电位上升的数值 抵消了加盐使 电位下降的数值还有余 抗钙能力强SO3能溶于水 同时Ca 的交联使成为分子结构的组成部分 它在粘土表面建立静电吸附 使吸附量增加 必须经过复配使用才有效果 单独使用没有降失水效果 PH值愈高 SMP 1抗盐能力越强 因为磺化度一定时 PH值增加 SMP分子中酚羟基酚钠基 酚钠基有一定的亲水能力 因此抗盐能力增强 但PH值愈高 吸附量愈低 失水量愈大 适用PH 8 11 在盐水泥浆有稀释作用 在分散泥浆中有增拈作用 搅拌作用与SMP 1效能的发挥关系很大 因为SMP 1是通过护胶作用来改善泥饼质量而降低失水的 所以只有通过对粘土粒子有足够的搅拌前提下 SMP 1才能将粒子保护起来发挥作用 分子量愈大 吸附量愈大 降失水效果越好 加量一般在2 5 4 表面活性剂 1 任何深井都使用表面活性剂 2 但没有普遍规律 3 使用阴离子型时注意发泡 4 表面活性剂与其它处理剂配合使用 可以提高泥浆热稳定性 如吸附在粘土断键边缘 遮盖其端面 防止高温固化等 从而提高热稳定性 5 使用非离子型注意升温析出 6 表面活性剂可以改善高温下流变性能 即控制粘度与切力 如清除泥浆中泡沫 可降低粘度等 7 非离子型表面活性剂可降低HTHP的失水 HT下析出小颗粒改善泥饼质量 8 降低泥饼摩擦系数 9 调节PH值 四 高温深井水基重泥浆流变性的控制与调整 一 流变性控制1 深井高温水基重泥浆流变性的主要表现 流变性的高温稳定性 高温后增稠 泥浆经高温后粘度 切力增加 直至丧失流动性 高温后胶凝 高温固化 表现 泥浆经井下循环使用后粘度不断增加 严重时流不动 降粘剂效果愈来愈小 直至失效 带来的问题 井愈深 温度愈高 使用时间愈长 泥浆愈重 密度愈高 泥浆处理愈难 引发井下问题愈大 常常导致无法使用 钻井无法正常进行 高温后减稠 泥浆经高温作用后粘度 切力下降的现象 表现 泥浆经井下循环使用后粘度愈来愈低 且目前一般提粘剂难以扭转 带来问题 井下携带能力 悬浮能力下降 停泵沉砂 起钻井下重晶石沉淀 泥浆槽 池 内重晶石沉淀 流变性随温度而变化高温降粘 泥浆粘度 切力随温度升高而下降 随温度可逆变化 可能引起泥浆在深井高温井段携带能力及悬浮能力下降 严重时井下重晶石沉淀 高温增粘 泥浆粘度 切力随温度升高而上升 严重时可丧失流动性 随温度可逆变化 将引起井下一系列问题 2 作用机理及影响因素 作用机理高温引起泥浆中各组份 粘土 各种处理剂 本身及各组份之间的相互作用发生物理 化学等变化 影响因素 温度 温度愈高影响愈大 高温作用时间愈长影响愈大 处理剂 抗温能力 抗降解 抗高温解吸附能力交联能力 固相含量 特别是粘土含量 高温泥浆粘土容量限 泥浆在高温下流变性的热稳定性和粘 温性能保持良好 所能允许的最高和最低容量 上 下限 它是泥浆体系的一个固有性质 泥浆中实际粘土超过其容量上限 高温后增稠 胶凝 固化 高温下增粘 胶凝泥浆中实际粘土低于其容量下限 高温后减稠 高温下降粘 泥浆粘土高温容量上 下限中 上限最为重要 上限愈高 上 下限差值愈大 泥浆流变性好控制 反之则困难 温度愈高 容量上限愈低 下限愈高二者差值愈小 粘土 泥浆中必含组分 种类 高温分散愈强 容量上限愈低 高温分散愈弱 容量上限愈高 处理剂 高温下抑制粘土高温分散能力及降粘能力愈强 则容量上限愈高 反之愈低 固相含量 泥浆密度愈高 容量上限愈低 水相抑制性愈高 容量上限愈高 反之则低 3 当前主要技术难题 无论深井泥浆高温后增稠 胶凝 固化 减稠 高温增粘 降粘都将引起人们熟知的钻井安全和技术问题 而且这些问题随井深而加剧 从而随着井愈深 井温愈高 使用时间愈长 性能愈差 处理愈困难 技术要求愈高 成本消耗也愈大 其中尤以泥浆高温流变性的稳定性 首先表现为高温后增稠 最常见 最难办 重点 二 解决办法与现状 1 解决思路及办法 尽量降低固相含量 减少加重剂的量 受泥浆密度和加重剂密度限制 尽量减少钻屑含量 用好固控技术 尽量降低般土含量 但受流变性本身及高温增稠 高温降粘等因素制约 研发抗高温 抗盐 重泥浆高效降粘剂提高抑制高温分散的能力提高高温降粘能力 高温下的吸附及水化能力 提高泥浆的水化抑制能力 解决好泥浆抑制性与配浆性的矛盾 现状目前从面上讲可以应付生产 但未形成成熟的系列配套技术 抗高温降粘剂至今无实质性突破 仍是一项没有真正解决的技术难题 而随处可见 目前较有希望的技术方向 在上述基本思路的基础上 加强三个方向 不影响泥浆密度而大量减少重晶石用量 泥浆加重不完全依靠重晶石 不影响泥浆流变性而能大幅度降低般土含量 流变性控制不完全依靠般土 对粘土分散的抑制性不依靠降粘剂 而是以大幅度提高水相的抑制性为重点 三 深井窄安全密度窗口时重泥浆安全钻井 这是当前国内外深井重泥浆钻井未能很好解决的另一重大技术难题 它是建立在深井 高温 重泥浆流变性的有效控制基础上的钻井 泥浆综合技术 1 钻井安全密度 压力 窗口井眼中有三个压力剖面 P破 P地 P塌P泥 P破井漏 P泥 P地井喷 P泥 P塌井塌因此 必须P破 P泥 P地 P地 P塌 或P破 P泥 P塌 P塌 P地 2 深井井段 P确定之后的重泥浆钻井技术 保证泥浆循环当量压耗 密度 小于 P 优化井眼结构及优化泥浆技术使井眼的 P尽量扩大 高温高压井内泥浆循环当量压耗的确定 i 井内循环过程中各点泥浆的温度 温度剖面 确定及调整和改变温度剖面的方法 由泥浆比热 地层岩石比热 各部分传热系数 地温梯度 泥浆排量 泥浆入井温度 井身结构 钻具组合 循环时间 等因素确定 ii 泥浆循环过程中按温度剖面分布的H T H P流变性的变化及其循环压耗的确定 iii 泥浆可压缩性与其密度的确定 iv 水力参数 井身结构 钻具组合的影响 符合上述要求的泥浆体系及应用技术 以泥浆循环压耗P耗 P为原则 调整井内泥浆循环温度 调整泥浆流变性 建立相应的泥浆体系及应用技术 6 6几种新的泥浆体系 一 微泡沫水基钻井 完井 液1 在水相中均匀分布布着未聚结 独立 的微气泡 10 100 m 的流体 微泡的存在对流体流变性无实质性影响 且具有以下特点 稳定 在井下使用及循环过程中保持不变 无需附加设备就可循环使用 不影响井下测试工具 动力工具的应用 不影响固控设备的应用 现有钻井工艺及设备无需大改就可应用 无需注入空气 天然气的情况下产生气泡 而是由高速搅拌 钻头喷射 等作用产生气泡 被特殊的发泡剂形成的多层膜包裹而形成 2 体系构成水加上必需的各种抑制剂 无机盐 有机酸盐 作为基液 发泡剂 抗盐 抗温 抗油的特种表面活性剂 泡沫动力稳定剂 能在水中提高粘度 产生切力 结构 的聚合物 流变性调节剂 保证体系具有携带能力及悬浮能力 一种可产生结构的水溶性聚合物与动力稳定剂 失水控制剂 不依靠粘土 3 3 使用范围 油层保护 防漏 堵漏 1的低压欠平衡钻井 低压低渗油气层 枯竭油田 侧钻水平井 低压漏失地层的钻井 低压产层的射孔液 洗井液 修井液 漏