第六章水基鉆井液方案

12023/12/6第六章水基鉆井液第一節(jié)分散鉆井液由淡水、配漿膨潤土和各種對粘土、鉆屑起分散作用的處理劑(簡稱分散劑)配制成的水基鉆井液稱為分散鉆井液。是油氣鉆井中最早使用并且使用時間相當長的一類水基鉆井液。隨著鉆井液工藝技術(shù)的不斷發(fā)展，分散鉆井液的使用范圍已不如過去廣泛，但是配制方法簡便、處理劑用量較少，成本較低，適于配制密度較大的鉆井液，特別是在鉆開表層時普遍使用。

22023/12/61．膨潤土及原漿的配制膨潤土是分散鉆井液中不可缺少的配漿材料。主要作用：提高塑性粘度、靜切力和動切力，增強鉆井液對鉆屑的懸浮和攜帶能力；同時降低濾失量，形成致密泥餅，增強造壁性。膨潤土逐漸分散在淡水中使泥漿的粘度、切力不斷增加的過程稱為造漿，在添加主要處理劑之前的預(yù)水化膨潤土漿常稱做原漿或基漿。將每噸粘土能配出表觀粘度為15mPa·s的鉆井液體積稱做粘土的造漿率，通常是衡量配漿土的質(zhì)量參數(shù)。

一、分散鉆井液發(fā)展及組成32023/12/6

配制原漿需加入適量純堿，目的是除去粘土中的部分鈣離子，將鈣質(zhì)土轉(zhuǎn)變?yōu)殁c質(zhì)土，增強粘土顆粒的水化作用，提高分散度和粘土的造漿率。純堿的加入量一般約為配漿土質(zhì)量的5％。在原漿中加入適量純堿后，一般增大表觀粘度，減小濾失量。如果隨著純堿加入濾失量反而增大，表明純堿加過量。42023/12/62．分散劑及鉆井液的典型組成

主要起降粘作用的分散劑有多聚磷酸鹽、丹寧堿液、鐵鉻木質(zhì)素磺酸鹽、褐煤及改性褐煤等；主要起降濾失作用的分散劑有CMC和聚陰離子纖維素等。調(diào)節(jié)pH值的NaOH具有較強的分散作用。分散鉆井液體系中常用組分的名稱、作用及加量見表6—1和表6—2。

52023/12/662023/12/672023/12/6二、分散鉆井液的特點

分散鉆井液的主要特點是粘土高度分散。

優(yōu)點1、配制方法簡便、成本較低；2、形成的泥餅致密，而且韌性好，具有較好的護壁性，API濾失量和HTHP濾失量均相應(yīng)較低；3、可容納較多固相，較適于配制高密度鉆井液。4、抗溫能力較強，比如三磺鉆井液是我國常用于鉆深井的分散鉆井液體系，抗溫可達160-200℃。

82023/12/6

分散鉆井液在使用、維護過程中存在著缺點和局限性，主要表現(xiàn)在：

(1)性能不穩(wěn)定，容易受鉆屑中粘土和可溶性鹽類的污染?？光}、巖鹽能力差；

(2)濾液礦化度低，抑制性能差，不利于防塌；

(3)體系中固相含量高，對機械鉆進有明顯的影響，不宜在強造漿地層中使用

(4)濾液侵入儲層易引起儲層中粘土水化膨脹，不能有效地保護油氣層。92023/12/6

在實際應(yīng)用中，將分散性鉆井液中亞微米顆粒所占比例減到最小程度，一方面控制膨潤土的加量，另一方面通過固控設(shè)備的使用，降低體系的總固相含量。膨潤土的含量隨鉆井液密度和井溫的高低調(diào)整。密度和井溫越高，膨潤土含量越低。分散劑和NaOH的加量不宜過高，PH值一般控制在9.5-11范圍內(nèi)。大多數(shù)分散劑的抗鹽性不強，分散性鉆井液中保持較低的無機鹽含量。

102023/12/6三、分散鉆井液的受侵及處理

鉆井過程中，常有來自地層的各種污染物進入鉆井液中，使鉆井液性能發(fā)生不符合施工要求的變化，這種現(xiàn)象常稱為鉆井液受侵。當污染嚴重時，只有及時地對配方進行有效的調(diào)整，或者采用化學(xué)方法清除它們，才能保證鉆進的正常進行。常見的是鈣侵、鹽侵和鹽水侵，還有Mg2+、CO2、H2S和O2等造成的污染。112023/12/6

1．鈣侵

Ca2+可通過以下途徑進入鉆井液：(1)鉆遇石膏層；(2)鉆遇鹽水層，地層鹽水中一般含有Ca2+；(3)鉆水泥塞；(4)使用的配漿水是硬水；(5)石灰用做鉆井液添加劑等。Ca2+易與鈉蒙脫石中的Na+發(fā)生離子交換，使鈉蒙脫石轉(zhuǎn)化為鈣蒙脫石，Ca2+的水化能力比Na+要弱得多，Ca2+的引入會增加蒙脫石絮凝程度，增大鉆井液的粘度、切力和濾失量。

122023/12/6當鉆井液遇鈣侵時，有兩種有效的處理方法：

1、在鉆達含石膏地層前轉(zhuǎn)化為鈣處理鉆井液；

2、化學(xué)劑將Ca2+清除。通常是根據(jù)濾液中Ca2+濃度，加入適量純堿除去鉆井液中的Ca2+，反應(yīng)式為：這種處理方法的好處是鈣蒙脫石轉(zhuǎn)變?yōu)殁c蒙脫石。純堿加量不能過多．以免引起CO32-污染。132023/12/6

如果是水泥引起的污染，由于Ca2+和OH-同時進入鉆井液，致使鉆井液的pH值偏高。最好用碳酸氫鈉(NaHCO3)或SAPP(即酸式焦磷酸鈉)清除Ca2+。反應(yīng)方程式為：清除了Ca2+

，又適當?shù)亟档土藀H值。142023/12/62．鹽侵和鹽水侵當鉆遇巖鹽層時，由于井壁附近巖鹽的溶解使鉆井液中NaCl濃度迅速增大，從而發(fā)生鹽侵；鉆達鹽水層時，若鉆井液的靜液壓力壓不住高壓鹽水流，鹽水便進入鉆井液發(fā)生鹽水侵。分散鉆井液受到鹽侵或鹽水侵之后，鉆井液的流變和濾失性發(fā)生如圖6—2所示的規(guī)律性變化。152023/12/6

受侵鹽侵以及鹽水侵表現(xiàn)：

1、粘度切力急劇上升；

2、濾失量增加；

3、粘度切力增加到一定值后急劇下降。

4、PH值下降162023/12/6

鉆井液中的粘土礦物由于晶格取代顆粒表面帶有負電荷，吸附陽離子形成擴散雙電層。隨著進入鉆井液的Na+濃度不斷增大，增加粘土顆粒擴散雙電層中陽離子的數(shù)目，壓縮雙電層，使擴散層厚度減小，顆粒表面的ξ電位下降。粘土顆粒間的靜電斥力減小，水化膜變薄，顆粒的分散度降低，顆粒之間端—面和端—端連接的趨勢增強。絮凝結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生，導(dǎo)致鉆井液的粘度、切力和濾失量均逐漸上升。當Na+濃度增大到一定程度之后，壓縮雙電層的現(xiàn)象更為嚴重，粘土顆粒的水化膜變得更薄，使粘土顆粒發(fā)生面—面聚結(jié)，分散度降低，鉆井液的粘度和切力在分別達到最大值后又轉(zhuǎn)為下降，濾失量繼續(xù)上升。

172023/12/6

鹽侵的另一表現(xiàn)是隨含鹽量增加，鉆井液的PH值逐漸降低，Na+將粘土中的H+及其它酸性離子不斷交換出去。當鉆井液受到鹽侵或鹽水侵之后，采取化學(xué)方法除去鉆井液中的Na+是十分困難的，目前常用的處理方法是及時補充抗鹽性強的各種處理劑，將分散鉆井液轉(zhuǎn)化為鹽水鉆井液。

182023/12/6

降濾失劑CMC的分子鏈電離后生成的羧基(-C00-)帶負電荷，可以補償被Na+壓縮雙電層所降低的ξ電位。加入CMC可阻止粘土顆粒間相互聚并的趨勢，有助于保持鉆井液的聚結(jié)穩(wěn)定性。聚陰離子纖維素、磺化酚醛樹脂和改性淀粉等是常用的抗鹽降濾失劑，鐵鉻鹽（FCLS）等是常用的抗鹽稀釋劑。海泡石和凹凸棒石等抗鹽粘土是用于配制鹽水鉆井液以及對付鹽侵、鹽水侵的優(yōu)質(zhì)材料。192023/12/63．二氧化碳污染

CO2混入鉆井液后會生成HCO3-和CO32-，鉆井液的流變參數(shù)特別是動切力受HCO3-和CO32-的影響很大，高溫下的影響更為突出。一般隨著HCO3-濃度增加τ0上升，隨著CO3-濃度增加τ0先減后增。這兩種離子污染后鉆井液性能很難用加入處理劑的方法加以調(diào)整，一般采用化學(xué)方法將它們它們除。通常加入適量Ca(OH)2清除這兩種離子。反應(yīng)方程式為：202023/12/6

4．硫化氫污染

H2S主要來自含硫地層，某些磺化有機處理劑以及木質(zhì)素磺酸鹽在井底高溫下分解產(chǎn)生H2S。對人有很強的毒性，對鉆具和套管有極強的腐蝕作用。212023/12/6

存在H2S、HS-、S2-以及FeSx，電離出的H+迅速地吸附在金屬表面，并滲入金屬晶格內(nèi)，轉(zhuǎn)變?yōu)樵託洹．斀饘賰?nèi)有夾雜物、晶格錯位現(xiàn)象或其它缺陷，原子氫在易損部位聚結(jié)結(jié)合成H2。這一過程在瞬間完成，氫的體積增加，在金屬內(nèi)部產(chǎn)生很大應(yīng)力，強度高或硬度大的鋼材產(chǎn)生晶格變形，變脆產(chǎn)生微裂縫，通常將這一過程稱“氫脆”。在拉應(yīng)力和鋼材殘余應(yīng)力的作用下，鋼材上因氫脆引起的微裂縫很容易迅速擴大，鋼材發(fā)生脆斷破壞。

222023/12/6

一旦發(fā)現(xiàn)鉆井液受到H2S污染，應(yīng)立即進行處理。一般采取的清除方法是加入適量燒堿，使鉆井液的PH值保持在10以上。反應(yīng)式如下：

鉆井液的PH值降低，生成的硫化物重新轉(zhuǎn)變?yōu)榱蚧瘹?。為使清除徹底，在適當提高pH值之后，再加入適量堿式碳酸鋅等硫化氫清除劑，反應(yīng)式為：232023/12/6

5.氧的污染

鉆井液中氧加速對鉆具的腐蝕，腐蝕形式主要為坑點腐蝕和局部腐蝕。

鉆井液中的氧主要來自大氣，大氣含有的氧通過泥漿池、高壓泥漿槍等設(shè)備在鉆井液的循環(huán)過程中被混入、甚至達到飽和狀態(tài)。氧的含量越高，腐蝕速度越快。如果鉆井液中有H2S或CO2氣體存在，氧的腐蝕速度急劇增加。氧腐蝕的化學(xué)反應(yīng)式表示為：242023/12/6

解決方法：

1、采取物理脫氧的方法，充分利用除氣器等設(shè)備，在攪拌過程中控制氧的侵入量。

2、PH值維持在10以上抑制氧的腐蝕，在較強的堿性介質(zhì)中，氧對金屬鐵產(chǎn)生鈍化作用，在鋼材表面生成一種致密的鈍化膜，降低腐蝕速率。

3、化學(xué)清除法。選用除氧劑與氧發(fā)生反應(yīng)，降低鉆井液中氧的含量。常用的除氧劑有亞硫酸鈉(Na2SO3)252023/12/6第二節(jié)鈣處理鉆井液

鈣處理鉆井液有較好抗鹽、鈣污染能力和對泥頁巖水化有較強抑制作用的一類鉆井液。鈣處理鉆井液體系主要由含Ca2+的無機絮凝劑、降粘劑和降濾失劑組成。鈣處理鉆井液體系中的粘土顆粒處于適度絮凝的粗分散狀態(tài)，稱為粗分散鉆井液。目前常用的無機絮凝劑主要有三種：石灰、石膏和氯化鈣，即石灰鉆井液，石膏鉆井液與新型的鉀石灰鉆井液。鈣處理鉆井液是以Ca2+提供抑制性化學(xué)環(huán)境，使鉆井液中的鈉土轉(zhuǎn)變?yōu)殁}土，使粘土顆粒由高度分散轉(zhuǎn)變?yōu)檫m度絮凝。鈣處理鉆井液具有防塌、抗污染和在含有較多Ca2+時使性能保持穩(wěn)定的特點。262023/12/6一、鈣處理鉆井液的配制原理及特點Ca2+改變粘土分散度的作用機理：

1、Ca2+通過Na+/Ca2+交換，將鈉土轉(zhuǎn)變?yōu)殁}土。鈣土水化能力弱，分散度低，轉(zhuǎn)化后體系分散度明顯下降。轉(zhuǎn)化的程度取決于粘土的陽離子交換容量和鈣離子濃度。粘土的陽離子交換容量越大，吸附Ca2+的量越大。控制濾液Ca2+的濃度，可以控制鈉土轉(zhuǎn)變?yōu)殁}土的數(shù)量，控制鉆井液中粘土的分散度。

272023/12/62、Ca2+本身是一種無機絮凝劑，壓縮粘土顆粒表面的擴散雙電層，使水化膜變薄，ζ電位下降，引起粘土晶片面-面和端-面聚結(jié)，造成粘土顆粒分散度下降。鈣處理鉆井液在加入Ca2+的同時，還必須加入NaT、FCLS和CMC等分散劑。分散劑的分子中含有大量的水化基團，吸附在粘土顆粒表面后，引起水化膜增厚，ξ電位增大，阻止粘土晶片之間的聚結(jié)和分散度降低。282023/12/6

鈣處理鉆井液的配制原理，是通過調(diào)節(jié)Ca2+和分散劑的相對含量，使鉆井液處于適度絮凝的粗分散狀態(tài)，鉆井液性能能夠保持相對穩(wěn)定，并達到滿足鉆井工藝要求。292023/12/6與分散鉆井液相比，鈣處理鉆井液的優(yōu)點：

(1)性能較穩(wěn)定，抗鈣、鹽和粘土污染能力強。

(2)固相含量相對較少，容易在高密度條件下維持較低的粘度和切力有利于提高鉆速。

(3)能在一定程度上抑制泥頁巖的水化膨脹；濾失量較小，泥餅薄且韌性好，有利于井壁穩(wěn)定；

(4)鉆井液中粘土細顆粒含量較少，對油氣層的損害程度相對較小。302023/12/6

以石灰為鈣源的鉆井液稱為石灰鉆井液，影響其性能的關(guān)鍵因素是Ca2+濃度，Ca2+濃度主要受到石灰溶解度的影響。二、石灰鉆井液

石灰是難溶強電解質(zhì)，溶解度主要受溫度和溶液PH值影響。隨溫度升高，溶解度減小，溶液中Ca2+濃度減小。溶解時發(fā)生以下反應(yīng)：

在一定溫度下，隨PH值增大石灰鉆井液中Ca2+濃度降低。312023/12/6PH值對控制石灰鉆井液鉆井液的Ca2+濃度起很大作用。一般石灰鉆井液的pH值應(yīng)控制在11-12，Ca2+含量保持在120-200mg/l。PH值過低，Ca2+含量增大，粘度與切力超過范圍；PH值過高，Ca2+含量很少。按照石灰用量及PH值的不同，石灰鉆井液分為高石灰和低石灰鉆井液。當遇到有鹽、鈣污染或在造漿地層鉆進時，經(jīng)常用高石灰鉆井液；另一方面，高石灰鉆井液在高溫下發(fā)生固化，鉆井液變稠，失去流動性，在深井的深部井段鉆進時，使用低石灰鉆井液。322023/12/63.石灰鉆井液的使用要點石灰鉆井液經(jīng)常是在原有分散鉆井液基礎(chǔ)上經(jīng)轉(zhuǎn)化而成。轉(zhuǎn)化程序為：先加入一定量的水降低固相含量，同時加入石灰、燒堿和稀釋劑。注意高溫固化問題。當鉆達井底溫度超過135℃時，鉆井液中的各種粘土?xí)c石灰、燒堿發(fā)生反應(yīng)，生成水合硅酸鈣等類似于水泥凝固后的物質(zhì)，鉆井液急劇增稠。這種情況下，必須降低石灰含量、鉆井液堿度和固相含量，轉(zhuǎn)化為低石灰低固相鉆井液。有使用固控設(shè)備，保持低的固相含量是將石灰鉆井液用于高溫深井的前提條件。

332023/12/6三、石膏鉆井液1.石膏鉆井液的特點

選用石膏作為絮凝劑，用鐵鉻鹽和CMC作為稀釋劑和降濾失劑，維持PH值在9.510.5范圍內(nèi)，濾液中Ca2+含量約為600一1200mg/l，配制成石膏鉆井液。與石灰鉆井液相比較，石膏鉆井液具有以下特點：(1)石膏的溶解度比石灰大得多，石膏鉆井液比石灰鉆井液更高的鈣離子含量。鉆井液的絮凝程度增大。與石灰鉆井液相比、石膏鉆井液具有更強的抗鹽污染和石膏污染的能力。

342023/12/6(2)與石灰相比，石膏的溶解度受PH值的影響較小。Ca2+含量較高，更有利于抑制粘土的水化膨脹和分散，防塌效果優(yōu)于石灰鉆井液。多用于鉆厚的石膏層和容易坍塌的泥頁巖地層。

(3)石膏鉆井液比石灰鉆井液有更高的抗溫能力，發(fā)生固化的臨界溫度在175℃左右，高于石灰鉆井液。352023/12/6

2石膏鉆井液使用要點石膏鉆井液也常由分散鉆井液轉(zhuǎn)化而成。轉(zhuǎn)化時，首先加入適量淡水，防止鉆井液過稠，然后，在1-2個循環(huán)周期內(nèi)加入燒堿、鐵鉻鹽和的石膏。在添加以上處理劑之后，再在1-2個循環(huán)周期內(nèi)加入降濾失劑CMC。對石膏鉆井液進行維護時，除應(yīng)經(jīng)常檢測濾液中Ca2+含量和pH值外，鉆井液中游離的石膏含量控制在5-9kg/m3。362023/12/6四、氯化鈣鉆井液

1．氯化鈣鉆井液的特點

(1)氯化鈣鉆井液中Ca2+含量很高，具有更強的穩(wěn)定井壁和抑制泥頁巖坍塌及造漿的能力；

(2)氯化鈣鉆井液中固相顆粒絮凝程度較大、分散度較低，流動性好，固控過程中鉆屑容易清除，有利于維持較低的密度，可對提高機械鉆速及保護油氣層提供良好的條件。

(3)Ca2+含量高，影響粘土懸浮體的穩(wěn)定性，粘度和切力容易上升，濾失量容易增大，增加了維護處理的難度。

372023/12/6五、鉀石灰鉆井液簡介

是在石灰鉆井液基礎(chǔ)上發(fā)展起來有利于防塌的鈣處理鉆井液。鉀石灰鉆井液在組成上的改進包括以下兩方面：

(1)用改性淀粉取代了原石灰鉆井液中使用的強分散劑鐵鉻鹽，鉆井液中粘土和鉆屑的分散程度減弱，改性淀粉在井壁上的吸附有利于增強防塌效果。PH值和石灰含量降低，克服了石灰鉆井液的高溫固化問題。

(2)用KOH控制鉆井液堿度。通過引入K+，提高鉆井液的抑制性。382023/12/6第三節(jié)鹽水鉆井液一、鹽水鉆井液的定義和分類

NaCl含量超過1％(質(zhì)量分數(shù)，C1-含量約為6000mg/l）的鉆井液稱為鹽水鉆井液。一般分為三種類型；

(1)一般鹽水鉆井液含鹽量1％直至飽和之前。

(2)飽和鹽水鉆井液含鹽量達到飽和，常溫濃度為3.15*106mg/l左右的鉆井液。

392023/12/6

（3)海水鉆井液用海水配制成的含鹽鉆井液。體系中含有約3×104mg/l的NaCl，還含有一定量的Ca2+和Mg2+。國外將鹽水鉆井液分為：含鹽量1%-2%微咸鉆井液、2%-4%海水鉆井液、4%與近飽和之間為非飽和鹽水鉆井液、含鹽量達到最大值31.5%為飽和鹽水鉆井液402023/12/6二、鹽水鉆井液的配制原理及特點在鉆井過程中，經(jīng)常鉆遇大段巖鹽層、鹽膏層或鹽膏與泥頁巖互層。使用分散鉆井液，會有大量的NaCl和其它無機鹽溶解于鉆井液中，鉆井液的粘度、切力升高，濾失量劇增。鹽的溶解造成井徑擴大，給鉆進帶來困難，影響固井質(zhì)量。鉆遇高壓鹽水層時，鹽水的侵入對影響鉆井液性能。采取了在鉆井液中同時加入工業(yè)食鹽和分散劑的方法，使水基鉆井液具有更強的抗鹽能力和抑制性。412023/12/6

鹽水鉆井液是通過人為添加無機陽離子來抑制粘土顆粒的水化膨脹和分散，在分散劑的協(xié)同作用下，形成抑制性粗分散鉆井液的。鹽水鉆井液的PH值一般隨含鹽量的增加下降，一方面是由于濾液中的Na+與粘土礦物晶層間的H+發(fā)生離子交換，另一方面是由于工業(yè)食鹽中含有的MgCl2雜質(zhì)與濾波中的OH-反應(yīng)，生成Mg(OH)2沉淀，消耗了OH-。在使用鹽水鉆井液時應(yīng)及時補充燒堿，維持一定的PH值。一般情況下，鹽水鉆井液的pH值保持在9.5-11.0之間。

422023/12/6鹽水鉆井液的主要特點：

(1)礦化度高，具有較強的抑制性，能有效地抑制泥頁巖水化，保持井壁穩(wěn)定；

(2)抗鹽侵的能力很強，能夠有效地抗鈣侵和抗高溫，適于鉆含巖鹽地層或含鹽膏地層，在深井和超深井中使用

(3)濾液性質(zhì)與地層原生水比較接近，對油氣層的損害較輕；

432023/12/6(4)鉆出的巖屑不易在鹽水中水化分散，在地面容易清除，有利于保持較低的固相含量；

(5)鹽水鉆井液能有效地抑制地層造漿，流動性好，性能較穩(wěn)定。維護工藝比較復(fù)雜，對鉆柱和設(shè)備的腐蝕性較大，鉆井液配制成本相對較高。

442023/12/6一般鹽水鉆井液主要應(yīng)用于以下情況：

1、配漿水本身含鹽量較高；

2、鉆遇鹽水層時，淡水鉆井液體系不可能繼續(xù)維持；

3、鉆遇含鹽地層或厚度不大的巖鹽層以及為了抑制強水敏泥頁巖地層的水化等。

三、一般鹽水鉆井液452023/12/6

在配制鹽水鉆井液時，最好選用抗鹽粘土(海泡石、凹凸棒石等)作為配漿土，在鹽水中可以很好地分散獲得較高的粘度和切力，配制方法比較簡單。若用膨潤土配漿，必須先在淡水中經(jīng)過預(yù)水化，再加入各種處理劑，最后加鹽至所需濃度。鹽水鉆井液中常用的分散劑有鐵鉻鹽、CMC、褐煤堿液和聚陰離子纖維素等。

462023/12/6四、飽和鹽水鉆井液

使用范圍：主要用于鉆大段巖鹽層和復(fù)雜的鹽膏層、鉆開儲層。礦化度高，抗污染能力強，對地層中粘土的水化膨脹和分散有很強的抑制作用。鉆遇巖鹽層時，可將鹽的溶解減至最小程度，避免大肚子井眼的形成。配制方法:1、在地面配好飽和鹽水鉆井液，鉆達巖鹽層前將其替入井內(nèi)，然后鉆穿整個巖鹽層。

2、在鉆遇鹽膏層前提前在循環(huán)過程中進行加鹽處理，使含鹽量和鉆井液性能逐漸達到要求，在進入巖鹽層前轉(zhuǎn)化為飽和鹽水鉆井液。

472023/12/6使用飽和鹽水鉆井液時，注意以下三點：

(1)如果巖鹽層較厚，埋藏較深，在地層壓力作用下巖鹽層容易發(fā)生蠕變，造成縮徑。應(yīng)根據(jù)巖鹽層的蠕變曲線，確定較合理的鉆井濃密度，克服因鹽層塑性變形而引起的卡鉆或擠毀套管。

(2)最好選用海泡石、凹凸棒石等抗鹽粘土配制飽和鹽水鉆井液。如選用膨潤土，體系中總固相和膨潤土含量均不宜過高，防止在配制過程中粘度、切力過高。482023/12/6(3)需加入適量的重結(jié)晶抑制劑；在地面配制的飽和鹽水，當循環(huán)到井底變得不飽和。為解決因溫差可能引起的巖鹽層井徑擴大的問題，一種比較有效的方法是在鉆井液中加入適量的重結(jié)晶抑制劑，在巖鹽層井段的井溫下使鹽達到飽和，當鉆井液返至地面時，抑制住鹽的重結(jié)晶。

492023/12/6

飽和鹽水鉆井液有多種不同的配方。國外一般使用抗鹽粘土(如凹凸棒石)造漿并調(diào)整粘度和切力，用淀粉控制濾失量。目前傾向于用各種抗鹽的聚合物降濾失劑(如聚陰離子纖維素)代替淀粉，利于實現(xiàn)低固相。飽和鹽水鉆井液的維護以護膠為主，降粘為輔，飽和鹽水鉆井液中，粘土顆粒不易形成端-端或端-面連接的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，容易發(fā)生面-面聚結(jié)，變成大顆粒聚沉，需要大量的護膠劑維護性能。502023/12/6

海水鉆井液與一般鹽水鉆井液的不同之處在于使用海水配漿。海水中除含有較高濃度的NaCl外，還含有一定濃度的鈣鹽和鎂鹽。五、海水鉆井液

海水鉆井液的作用原理和配制、維護方法與一般淡水鉆井液基本相同。不同之處在于體系中Mg2+的含量較高一般鹽水鉆井液的含鹽量可隨時調(diào)整，比如鉆穿鹽層后可轉(zhuǎn)化為淡水鉆井液，而海水鉆井液由于受施工條件的限制，礦化度一般不作調(diào)整。512023/12/6

海水鉆井液的配方有兩種類型：

1、先用適量燒堿和石灰將海水中的Ca2+、Mg2+清除，然后再用于配漿。PH值保持11以上、分散性相對較強，流變和濾失性能穩(wěn)定且容易控制，抑制性較差。

2、在體系中保留Ca2+、Mg2+

，PH值較低，含有多種陽離子，護膠的難度較大，選用的護膠劑要抗鹽，又要抗鈣、鎂，抑制性和抗污染能力較強。522023/12/6

海洋目前使用黃原膠和聚陰離子纖維素等聚合物維護海水鉆井液。聚合物的包被作用，使井壁更為穩(wěn)定。通過合理地使用固控設(shè)備，機械鉆速提高。我國使用的海水鉆井液配方體系有多種。532023/12/6第四節(jié)聚合物鉆井液

通常是將聚合物作為主處理劑或主要用聚合物調(diào)控性能的鉆井液體系稱為聚合物鉆井液。1．聚合物鉆井液發(fā)展概況

一、聚合物鉆井液概述542023/12/6

提高聚合物鉆井液的防塌能力，聚合物與無機鹽(主要是氯化鉀)配合的鉆井液體系，對水敏性地層的防塌效果顯著。聚合物處理劑的發(fā)展很快，帶陰離子基團的處理劑外，帶陽離子基團的陽離子聚合物和分子鏈中同時帶陰離子基團、陽離子基團和非離子基團的兩性離子聚合物處理劑。

552023/12/62．聚合物鉆井液的特點(1)固相含量低，亞微米粒子所占比例低

。對提高鉆井速度有利。(2)具有良好的流變性，有較強的剪切稀釋性和適宜的流型。聚合物鉆井液有較高的動塑比，剪切稀釋性好，有較強的觸變性，以及在環(huán)形空間形成平板型層流等優(yōu)良性能，懸浮和攜帶鉆屑的效果好，減少鉆屑的重復(fù)破碎，使鉆頭進尺提高。

562023/12/6

聚合物鉆井液體系中形成的結(jié)構(gòu)由顆粒之間的相互作用、聚合物分子與顆粒之間的橋聯(lián)作用以及聚合物分子之間的相互作用構(gòu)成。在高剪切作用下，橋聯(lián)作用被破壞，粘度和切力降低，聚合物鉆井液具有較高的剪切稀釋作用。聚合物鉆井液具有較高的動切力。聚合物鉆井液具有較低的固相含量，粒子之間的相互摩擦作用相對較弱，聚合物鉆井液有較低的塑性粘度。聚合物鉆井液一般具有較低的n值。572023/12/6

聚合物鉆井液有較強的觸變性。鉆井液流動時，部分結(jié)構(gòu)被破壞，停止循環(huán)時能迅速形成適當?shù)慕Y(jié)構(gòu)，均勻懸浮固相顆粒，不易卡鉆，下鉆可一次到底。觸變性太大，形成的結(jié)構(gòu)強度太高，開泵困難，易導(dǎo)致壓力激動，對易漏地層可能憋漏。聚合物鉆井液的固相含量較低，結(jié)構(gòu)主要是聚合物與顆粒間的橋聯(lián)作用，觸變性適宜，不會造成開泵困難，固相含量過高時，應(yīng)注意開泵要慢，泵的閥門要由少到多逐漸加壓，避免造成壓力激動。

582023/12/6(3)鉆井速度快。聚合物鉆井液固相含量低，剪切稀釋性好，懸浮攜帶鉆屑能力強，洗井效果好，有利于提高機械鉆速。592023/12/6(4)穩(wěn)定井壁的能力較強，井徑比較規(guī)則。聚合物抑制巖石的吸水分散作用?？刂沏@井液的流型，減少對井壁的沖刷。602023/12/6(5)對油氣層的損害小，有利于發(fā)現(xiàn)和保護產(chǎn)層。聚合物鉆井液的密度低，可實現(xiàn)近平衡壓力鉆井；固相含量少，可減輕固相的侵入，減小損害程度。

612023/12/6(6)可防止井漏的發(fā)生。聚合物鉆井液固相含量低，降低產(chǎn)生漏失的壓力。聚合物鉆井液在環(huán)形空間的返速較低，有較強的剪切稀釋性和觸變性，在環(huán)形空間有一定的結(jié)構(gòu)，一般處于層流或改型層流的狀態(tài)，鉆井液不容易進入地層孔隙，滲透速度很慢，鉆井液在孔隙內(nèi)形成凝膠而產(chǎn)生堵塞。聚合物分子在漏失孔隙中吸附在孔壁上，連同分子鏈上吸附的其它粘土顆粒一起產(chǎn)生堵塞，水流過時，吸附在孔壁上的親水性大分子有伸向孔隙中心的趨勢，形成很大的流動阻力。622023/12/6

較大的裂縫向鉆井液中加入水解度高（50%-70%）的PHPA提高鉆井液的粘度，適當提高鉆井液的PH值，使漏失停止。嚴重漏層可同時將泥沙混雜的粗泥漿與聚合物強絮凝劑溶液混合擠入漏層，利用聚合物的絮凝作用使粗泥漿絮凝，被分離出的清水很快漏走，絮凝物留下來堵塞漏層。絮凝堵漏的缺點是絮凝物強度低?？杉尤霟o機物或有機物交聯(lián)劑，與聚合物產(chǎn)生交聯(lián)形成不溶物，再與粘土結(jié)合產(chǎn)生強度高的堵塞物質(zhì)，提高堵漏效果。

632023/12/6(7）鉆井成本低。鉆井速度高，縮短完井周期，降低鉆井總成本?，F(xiàn)場應(yīng)用中也遇到一些問題。例如，當鉆速太快時，無用固相不能及時清除，難以維持低固相，強分散地層，有時抑制能力也顯得不足，鉆井液的流變性變得難以控制，如切力太高，鉆屑不容易清除。642023/12/63．不分散低固相聚合物鉆井液的性能指標

1）“不分散”含義：

a)組成鉆井液的粘土顆粒盡量維持在1-30μm范圍內(nèi)，不向小于1μm的方向發(fā)展；

b)混入鉆井液體系的鉆屑不容易分散變細?！暗凸滔唷笔侵傅兔芏裙滔?主要指粘土礦物類)的體積分數(shù)要在鉆井工程允許的范圍內(nèi)維持到最低。

2）性能指標

(1)固相含量(主要指低密度粘土和鉆屑，不包括重晶石)應(yīng)維持在4％(體積分數(shù))或更小，是提高鉆速的關(guān)鍵。

652023/12/6(2）鉆屑與膨潤土的比例不超過2:1。鉆井液中的固相越少越好，如果完全不要膨潤土，不能建立鉆井液所必需的各項性能，不能保證凈化井眼所必需的流變性能，以及保護井壁和減輕儲層污染所必需的造壁性能。應(yīng)含有一定量的膨潤土。

662023/12/6(3)動切力與塑性粘度之比控制在0.48左右。為滿足低返速（如0.6m/s）攜砂的要求，保證鉆井液在環(huán)形空間實現(xiàn)平板型層流。(4)非加重鉆井液的動切力應(yīng)維持在1.5-3Pa。動切力是鉆井液攜帶鉆屑的關(guān)鍵參數(shù)，對加重鉆井液應(yīng)注意保證重晶石的懸浮。

672023/12/6(5)濾失量控制據(jù)具體情況而定。以穩(wěn)定井壁為前提，適當放寬，以利提高鉆速。對易坍塌地層，從嚴，進入儲層后，為減輕污染控制得低些。(6)優(yōu)化流變參數(shù)。(7)在整個鉆井過程中應(yīng)盡量不用分散劑。682023/12/64.聚合物處理劑的主要作用機理

(1)橋聯(lián)與包被作用當一個高分子同時吸附在幾個顆粒上時，而一個顆粒又同時吸附幾個高分子時，形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，聚合物這種作用稱為橋聯(lián)作用。當高分子鏈吸附在一個顆粒上，并形成覆蓋包裹時，稱為包被作用。橋聯(lián)和包被是聚合物在鉆井液中的兩種不同的吸附狀態(tài)。

692023/12/6

(2)絮凝作用當聚合物在鉆井液中主要發(fā)生橋聯(lián)吸附時、會將一些細顆粒聚結(jié)在一起形成粒子團，這種作用稱為絮凝作用，相應(yīng)的聚合物稱為絮凝劑。形成的絮凝塊易于靠重力沉降或固控設(shè)備清除，有利于維持鉆井液的低固相。絮凝作用是鉆井液低固相和不分散的關(guān)鍵。

702023/12/6

根據(jù)絮凝效果和對鉆井液性能的影響，絮凝劑分為兩類：一是全絮凝劑，能同時絮凝鉆屑、劣質(zhì)土和蒙脫土，如非離子型聚合物PAM；二是選擇性絮凝劑，只絮凝鉆屑和劣質(zhì)土，不絮凝蒙脫土，如PHPA、VAMA。絮凝劑能提高鉆井液粘度稱為增效型選擇性絮凝劑，對粘度影響不大稱為非增效型選擇性絮凝劑。

712023/12/6

選擇性絮凝的機理：鉆屑和劣質(zhì)土顆粒的負電性較弱，蒙脫土的負電性較強。選擇性絮凝劑帶負電，由于靜電作用易在負電性弱的鉆屑和劣質(zhì)土上吸附，通過橋聯(lián)作用將顆粒絮凝成團塊清除；在負電性較強的蒙脫土顆粒上吸附量較少，同時蒙脫土顆粒間的靜電排斥作用較大不能形成密實團塊，橋聯(lián)作用形成的空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)提高蒙脫土的穩(wěn)定性。

722023/12/6

(3)增粘作用增粘劑多用于低固相和無固相水基鉆井液，提高懸浮力和攜帶力。增粘作用的機理：一是游離(未被吸附)聚合物分子增加水相的粘度，二是聚合物的橋聯(lián)作用形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)增強鉆井液的結(jié)構(gòu)粘度。常用的增粘劑有相對分子質(zhì)量較高的PHPA和高粘度型羧甲基纖維素(CMC)等。732023/12/6(4)降濾失作用聚合物降濾失劑的作用機理：①保持鉆井液中的粒子具有合理的粒度分布，使泥餅致密；②提高粘土顆粒的水化程度；③聚合物降濾失劑的分子大小在膠體顆粒的范圍內(nèi)，對泥餅起堵孔作用，使泥餅致密；④降濾失劑提高濾液粘度，降低濾失量。742023/12/6(5)抑制與防塌作用聚合物在鉆屑表面的包被吸附阻止鉆屑分散包被能力越強，對鉆屑分散的抑制作用越強。聚合物有良好的防塌作用。

1、長鏈聚合物在泥巖井壁表面發(fā)生多點吸附，封堵微型縫，阻止泥頁巖剝落；

2、聚合物濃度較高，在泥頁巖井壁上形成致密的吸附膜，阻止或減緩水進入泥頁巖，對泥頁巖的水化膨脹有抑制作用。752023/12/6(6)降粘作用降粘作用的機理主要有：①吸附在粘土顆粒帶正電荷的邊緣上，使粘土顆粒轉(zhuǎn)變成帶負電荷，形成厚的水化層，拆散粘土顆間“端-面”、“端-端”結(jié)構(gòu)，放出包裹的自由水，降低體系粘度。降粘劑吸附提高粘土顆粒的ζ電位，增強顆粒間的靜電排斥作用。②分子質(zhì)量較低的聚合物降粘劑與鉆井液的主體聚合物(如PHPA)形成氫鍵絡(luò)合物時，與粘土爭奪吸附基團，拆散粘土與聚合物間結(jié)構(gòu)，使聚合物形態(tài)收縮，減弱聚合物分子問的相互作用。762023/12/6二、陰離子聚合物鉆井液

1主要處理劑①聚丙烯酰胺聚丙烯酰胺(簡稱PAM)的結(jié)構(gòu)式為隨聚丙烯酰胺相對分子質(zhì)量的增大，絮凝能力、提粘效應(yīng)、堵調(diào)和防塌效果提高。主要使用聚丙烯酰胺的衍生物。

772023/12/6

②部分水解聚丙烯酰胺是由聚丙烯酰胺水溶液加堿水解制得。分子結(jié)構(gòu)式為：水解度是影響PHPA性能的重要參數(shù)。水解度增大，分子鏈伸展，在鉆井液中橋聯(lián)作用增強，對劣質(zhì)土的絮凝作用增強。水解度過大，在粘土顆粒上的吸附作用減弱，加上羧酸根基團間的靜電排斥作用增強，對劣質(zhì)土的絮凝作用降低?，F(xiàn)場控制濾失量和提粘堵漏用水解度為60％-70％的PHPA，絮凝用30％-40％的PHPA。782023/12/6③水解聚丙烯腈(鈉鹽）分子式為：

水解聚丙烯腈(鈉鹽)主要用做降濾失劑。水解度和聚合度是影響降濾失效果的主要因素。羧基含量在70％-80％時降濾失效果最好。

水解聚丙烯腈(鈉鹽)有降濾失作用外，一般對淡水鉆井液有增粘作用；對鹽水鉆井液有降粘作用。

水解聚丙烯腈(鈉鹽)的抗鈉鹽能力較強，抗鈣能力較弱。792023/12/6④水解聚丙烯腈銨鹽

水解聚丙烯腈銨鹽（簡稱NPAN或NH4-HPAN）NPAN的結(jié)構(gòu)式為：

水解聚丙烯腈銨鹽是一種抗高溫降濾失劑?？商峁㎞H4+

，抑制粘土分散的能力強，是一種較好的防塌劑。使用濃度一般為0.3%～0.4%。802023/12/62.聚合物淡水鉆井液

(1)無固相聚合物鉆井液使用無固相聚合物鉆井液(又稱清水鉆井液)可提高鉆速，但必須注意解決三個方面的問題。

1、是必須使用高效絮凝劑使鉆屑始終保持不分散狀態(tài)，在地面循環(huán)系統(tǒng)中發(fā)生絮凝全部清除；

2、要有一定的提粘措施，并能夠按工程上的要求，實現(xiàn)平板型層流攜帶巖屑；

3、有一定的防塌措施，保證井壁的穩(wěn)定。生物聚合物和聚丙烯酰胺及衍生物是配制無固相鉆井液常用的處理劑。812023/12/63.聚合物鹽水鉆井液

(1)膨潤土頂水化。粘土在鹽水中不易分散，鉆井前將膨潤土粉預(yù)先用淡水充分分散，同時加入足夠的純堿除去高價離子，使鈣質(zhì)土轉(zhuǎn)化成鈉土。然后加入聚合物處理劑使鉆井液性能保持穩(wěn)定。鉆穿石膏層或其它鹽層時，預(yù)先向鉆井液中加入小蘇打或純堿來抵抗陽離子的聚沉作用。822023/12/6(2)采用耐鹽的配漿材料，如海泡石、凹凸棒石等。(3)采用耐鹽的降濾失劑。如磺化酚醛樹脂、酯酸乙烯和丙烯酸酪的共聚物及CMC鈉鹽等。(4)預(yù)處理水。含鎂離子較多的用燒堿，含鈣離子較多的用純堿。832023/12/64.不分散聚合物加重鉆井液

在用重晶石加重的不分散聚合物鉆井液中，聚合物的作用主要有三種：一是絮凝和包被鉆屑；二是增效膨潤土；三是包被重晶石，減少粒子間的聯(lián)接。重晶石對聚合物的吸附，在處理加重鉆井液時聚合物的加量高于非加重鉆井液。加入重晶石時一般也相應(yīng)加入適量聚合物。842023/12/6三、陽離子聚合物鉆井液

陽離子聚合物鉆井液是20世紀80年代以來發(fā)展起來的一種新型聚合物鉆井液體系。陽離子聚合物鉆井液是以高相對分子質(zhì)量陽離子聚合物(簡稱大陽離子)作包被絮凝劑，小相對分子質(zhì)量有機陽離子(簡稱小陽離子)作泥頁巖抑制劑，配合降濾失劑、增粘劑、降粘劑、封堵劑和潤滑劑等處理劑配制成。

852023/12/6

陽離子聚合物分子帶有大量正電荷，在粘土或巖石上的吸附除取氫鍵外，主要的是靠靜電作用、比陰離子聚合物的吸附力更強。陽離子聚合物能中和粘土或巖石表面的負電荷，絮凝能力和抑制巖石分散能力也比陰離子聚合物強。陽離子聚合物鉆井液具有優(yōu)良的流變性、抑制性、穩(wěn)定井壁能力、攜帶鉆屑能力和防卡、防泥包等性能。862023/12/61.主要的陽離子聚合物處理劑(1)泥頁巖抑制劑(俗稱小陽離子)

現(xiàn)場應(yīng)用的泥頁巖抑制劑(粘土穩(wěn)定劑)是環(huán)氧丙基三甲基氯化銨，結(jié)構(gòu)式為：抑制作用評價采用熱滾回收率、粒度分布、膨脹儀評價泥頁巖抑制劑抑制性能。

872023/12/6小陽離子抑制巖屑分散的機理：一是小陽離子是陽離子型表面活性劑，靠靜電作用吸附在巖屑表面，另外與巖屑層間可交換陽離子發(fā)生離子交換作用進入巖屑晶層間。表面吸附的小陽離子的疏水基形成疏水層，阻止水分子進入巖屑粒子內(nèi)部，層間吸附的小陽離子靠靜電作用拉緊層片，抑制巖屑水化膨脹和分散。二是小陽離子所帶的正電荷中和巖屑帶的負電荷，削弱巖屑粒子問的靜電排斥作用，降低巖屑的分散。882023/12/6

用小陽離子作抑制劑比用KCl還有一些優(yōu)越之處。一是吸附了小陽離子的鉆屑表面有一定的疏水性，不易粘附在親水性的鉆頭、鉆鋌和鉆桿表面，有明顯的防泥包作用；二是小陽離子具有一定的殺菌作用，可防止某些處理劑如淀粉類的生物降解；三是小陽離子不會明顯影響鉆井液的礦化度，具有不影響測井解釋和減弱鉆具在井下的電化學(xué)腐蝕等優(yōu)點。

892023/12/6(2)絮凝劑(大陽離子)

陽離子聚丙烯酰胺(CPAM)，結(jié)構(gòu)式為：

絮凝作用與抑制能力：大陽離子的主要作用是絮凝鉆屑，清除無用固相，保持聚合物鉆井液的低固相。大陽離子帶有陽離子基團，靠靜電作用吸附在鉆屑上，吸附力較強，相對分子量較大，分子鏈足夠長，橋聯(lián)作用較好；大陽離子可降低鉆屑的負電性，減小粒子間的靜電排斥作用，形成密實絮凝體，絮凝效果優(yōu)于陰離子聚合物。大陽離子有良好抑制性，主要是因為有對巖屑的包被吸附作用和負電性降低作用。

902023/12/6陽離子抑制劑和絮凝劑的協(xié)同作用：

小陽離子的主要作用是抑制鉆屑分散，大陽離子的主要作用是絮凝鉆屑。小陽離子在鉆屑上的吸附速度一般比大陽離子快。在鉆進過程中、小陽離子首先吸附在新產(chǎn)生的鉆屑上抑制分散，大陽離子再吸附在鉆屑上靠橋聯(lián)作用形成絮凝體，利用固控設(shè)備清除鉆屑絮凝體。對負電性很強的有用固相膨潤土顆粒，吸附的小陽離子比較多，削弱了大陽離子的吸附，大陽離子對膨潤土的絮凝作用相對較弱，鉆井液中保持適量的有用固相。大、小陽離子的協(xié)同配合產(chǎn)生了一定的“選擇性”絮凝作用。陽離子聚合物鉆井液中，現(xiàn)場使用的大陽離子加量一般為0.2%-0.4%，小陽離子一般為0.2%-0.5%。

912023/12/6陽離子與陰離子聚合物處理劑的相容性：

一般情況下，在溶液中陰、陽離子聚合物之間相互作用發(fā)生沉淀，在鉆井液中如果陰、陽離子聚合物處理劑發(fā)生沉淀會失去各自的效能。室內(nèi)實驗證明，在一定條件下，一些陰、陽離子聚合物可穩(wěn)定共存于一個體系中，表6-25是部分實驗結(jié)果。其中“+”表示相容，“-”表示不相容。922023/12/6932023/12/6陽離子聚合物鉆井液的特點①陽離子聚合物鉆井液是以高分子陽離子聚合物作為絮凝劑，以小分子陽離子聚合物作為粘土穩(wěn)定劑的一種新型水基鉆井液體系，具有良好的抑制鉆屑分散和穩(wěn)定井壁的能力。②流變性能比較穩(wěn)定，維護間隔時間較長。③防止起下鉆遇阻、遇卡及防泥包等方面具有較好效果。④有較好的抗高溫、抗鹽和抗鈣、鎂等高價金屬陽離子污染的能力⑤有較好的抗膨潤土和鉆屑污染的能力。942023/12/6四、兩性離子聚合物鉆井液

兩性離子聚合物是指分子鏈中同時含有陰離子基團和陽離子基團的聚合物，以兩性離子聚合物為主處理劑配制的鉆井液稱為兩性離子聚合物鉆井液。引入陽離子基團，聚合物分子在鉆屑上的吸附能力增強，同時中和部分鉆屑的負電荷，有較強的抑制鉆屑分散能力，在現(xiàn)場上，特別是對地層造漿比較嚴重的井段，可更好地實現(xiàn)聚合物鉆井液不分散低固相的效果。

952023/12/6

目前現(xiàn)場應(yīng)用的兩性復(fù)合離子聚合物處理劑主要有兩種：一是降粘劑，商品名為XY系列；二是絮凝劑，也稱強包被劑，商品名為FA系列。2．主要的兩性離子聚合物處理劑(1)降粘劑（XY系列）理想的降粘劑應(yīng)同時滿足以下三點要求：①能有效地降低鉆井液的結(jié)構(gòu)粘度；②能增強鉆井液的抑制能力；③能使非結(jié)構(gòu)粘度，特別是極限高剪切粘度下降962023/12/6XY系列降粘劑的分子結(jié)構(gòu)特點：

①相對分子質(zhì)量較小（<10000）。②分子鏈中有陽離子基團（10%～40％）、陰離子基團（20%-60%)和非離子基團（0-40%）;③是線性聚合物。①降粘效果

XY-27的降粘效果優(yōu)于典型的分散型降粘劑FCLS，XY-27兼有降濾失作用。

972023/12/6②抑制能力

頁巖滾動回收率

XY—27降粘劑可提高體系的抑制性，提高回收率，加量越大，提高幅度越大。聚合物分子鏈中引入陽離子基團能夠提高抑制能力。粒度分析

（？）書本P202XY-27基本不影響粘土粒子的粒徑中值和比表面積，表明沒有分散作用。982023/12/6(2)強包被劑（FA系列）

兩性離子聚合物強包被劑FA系列是相對分子質(zhì)量較大（100萬～250萬）的線性聚合物處理劑，主要作用是抑制鉆屑分散、增加鉆井液粘度和降低濾失量。FA367是目前常用的產(chǎn)品。①抑制能力滾動回收率粒度分析

992023/12/6兩性離子聚合物鉆井液特點：(1)抑制性強，剪切稀釋特性好，能防止地層造漿，抗巖屑污染能力強。(2）鉆出的巖屑成形，棱角分明，內(nèi)部是干的，易于清除。(3)FA367和XY-27與現(xiàn)有其它處理劑相容性好，可以配制成低、中、高不同密度的鉆井液。1002023/12/6

使用中存在問題:(l)鉆屑容量限尚不夠大,鉆屑含量超過20％，鉆井液性能變壞。（2）抗鹽能力有限，礦化度超過100000mg/1，鉆井液性能惡化。1012023/12/6第五節(jié)正電膠鉆井液MMH正電膠膠粒與粘土負電膠粒靜電作用形成空間連續(xù)結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定鉆井液，吸附在鉆屑和井壁上抑制鉆屑分散和穩(wěn)定井壁，MMH正電膠鉆井液具有極強的剪切稀釋性。MMH處理劑有三個劑型，溶膠、濃膠和膠粉。濃膠和膠粉在水中迅速分散形成溶膠。膠體顆粒帶永久正電荷，統(tǒng)稱為MMH正電膠。1022023/12/61化學(xué)組成、形貌和晶體結(jié)構(gòu)

MMH主要是由二價金屬離子和三價金屬離子組成的具有類水滑石層狀結(jié)構(gòu)的氫氧化物，化學(xué)組成的通式：

[M2+1-xM3+x(OH)2]x+Ax/nn-.mH2OM2+是指二價金屬陽離子，M3+是指三價金屬離子；A是指價數(shù)為n的陰離子；m是水合數(shù)。1032023/12/6MMH的晶體結(jié)構(gòu)（圖6-13）表示。兩相鄰結(jié)構(gòu)層或單元晶層的距離稱層間距，兩層間隙的高度稱通道高度。通道中存在陰離子，這些陰離子可以被其它陰離子交換，具有可交換性。1042023/12/62.正電膠的電性

（1）MMH的電荷來源

MMH膠粒的電荷主要來自同晶置換和離子吸附作用。MMH中的同晶置換作用與粘土粒子是相同的，MMH是高價陽離子取代低價陽離子使層片帶正電荷。MMH帶永久正電荷，粘土帶永久負電荷。

1052023/12/6MMH膠粒帶電荷的另一個原因是離子吸附作用，如高PH時吸附OH-帶負電荷，低PH時吸附H+帶正電荷，用下式表示：

Sur代替代表膠粒表面，膠粒表面電荷的密度與PH值有關(guān)。吸附作用產(chǎn)生的電荷與外界條件如PH值、電解質(zhì)種類和濃度等有關(guān)，隨外界條件的改變，稱可變電荷。1062023/12/6

膠粒的凈電荷是永久負電荷和可變電荷之和，在某種條件如高PH值或某些高價陰離子存在的情況下，MMH的凈電荷可能是負的，與粘土形成復(fù)合懸浮體時，粘土顆粒頂替MMH膠粒表面吸附的陰離子，帶正電荷的MMH核與粘土顆粒發(fā)生靜電吸引作用。1072023/12/6（2）MMH膠粒的零點荷點和永久電荷密度MMH膠粒所帶電荷分為永久正電荷和可變電荷兩部分，電荷密度有永久正電荷電荷密度、可變電荷密度、和凈電荷密度?？勺冸姾膳c環(huán)境有關(guān)，改變PH值或電解質(zhì)濃度等可改變可變電荷，影響凈電荷。當電荷密度為零時的PH值或電解質(zhì)濃度稱為零點荷密度點（簡稱ZPC）。ZPC分兩種，一是零可變電荷點（簡稱ZPVC），可變電荷密度為零時的PH值；二是零凈電荷點（簡稱ZPNC），凈電荷為零時的PH值。PH值高于PHZPNC，MMH膠粒的凈電荷為負，PH值低于PHZPNC，MMH膠粒的凈電荷為正。1082023/12/6（3）等電點MMH膠粒的電動電位為零時對應(yīng)的PH值稱為等電點（簡稱PHiep)。PH值高于PHiep時，MMH膠粒的電動電位為正；PH值低于PHiep時，MMH膠粒的電動電位為負。當MMH正電溶膠體系中存在高價離子時，一般存在于高價陰離子特性吸附，會降低PHiep；存在于高價陽離子特性吸附時，會升高PHiep。1092023/12/6二、MMH正電膠鉆井液性能1.電性的調(diào)節(jié)帶正電荷的MMH膠粒加入鉆井液體系后，降低體系的負電性，甚至?xí)D(zhuǎn)化為正電性，有利于抑制鉆屑分散和穩(wěn)定井壁。改變MMH正電膠的加量，調(diào)節(jié)MMH正電膠鉆井液電性。1102023/12/62、穩(wěn)定性MMH正電膠提高體系的結(jié)構(gòu)強度。MMH正電膠粒帶有高密度的正電荷，對極性水分子產(chǎn)生極化作用，在膠粒周圍形成一個穩(wěn)固的水化膜，水化膜外沿顯正電性。粘土顆粒帶負電荷，水化膜外沿顯負電性。兩個帶有強水化膜的粒子靠近時，首先接觸的是水化膜外沿，由于電性相反形成貫通的極化水鏈，兩個粒子保持一定的距離不再靠近。整個空間形成由極化水鏈連接的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。1112023/12/6

由帶正、負電荷的顆粒與極化水分子所形成的穩(wěn)定體系稱為“

MMH-水-粘土復(fù)合體”。圖6-15是MMH-水-粘土復(fù)合體的示意圖。這種特殊結(jié)構(gòu)使MMH正電膠鉆井液具有特殊的流變性。1122023/12/63.流變性MMH正電膠的流變性可通過MMH正電膠的加量來進行調(diào)控。MMH正電膠鉆井液靜止時假固體狀，有一定的彈性；攪拌時迅速稀化，變?yōu)榱鲃雍芎玫牧黧w，極強的剪切稀釋性。靜止時體系的水全部被極化后形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)粘度大，動切力較高，攪拌時很容易稀化。鉆井過程中停泵時，鉆井液在靜止的瞬間立即形成結(jié)構(gòu)，使鉆屑懸浮不動。開泵時，鉆具的輕微擾動，使結(jié)構(gòu)破壞，不會產(chǎn)生開泵困難或過大的壓力激動，避免壓漏地層。1132023/12/64.抑制性MMH正電膠鉆井液對鉆屑的粘土礦物有相當強的抑制性。常溫常壓膨脹儀熱滾回收率添加膨潤土測粘度變化1142023/12/65.抑制鉆屑分散和穩(wěn)定井壁的機理MMH正電膠鉆井液具有很強的抑制鉆屑分散和穩(wěn)定井壁的能力，（1）“滯流層”機理正電膠鉆井液具有“固-液”雙重性，近井壁出相對靜止狀態(tài)，容易形成保護井壁的“滯流層”，減輕鉆井液對井壁的沖蝕。在鉆屑表明形成“滯流層”，阻止鉆屑分散。1152023/12/6（2）“膠粒吸附膜穩(wěn)定地層活度”機理

MMH在與粘土形成復(fù)合體，將粘土表面的陽離子排擠出去，降低粘土礦物表面離子活度，削弱滲透水化作用。MMH的膠粒在與粘土礦物表面形成吸附膜，產(chǎn)生一個正電勢壘，阻止陽離子在液相和粘土相之間的交換，減弱了陽離子交換引起的滲透水化膨脹。膠粒吸附膜相當于在粘土表面形成一層固態(tài)水膜，減緩水分子的滲透。1162023/12/6（3）“束縛自由水”機理在MMH正電膠鉆井液中，水分子是形成復(fù)合體結(jié)構(gòu)的組分之一，在復(fù)合體中束縛大量的自由水，減弱水向鉆屑和地層中滲透的趨勢，有利于阻止鉆屑的分散和保持井壁穩(wěn)定。1172023/12/66.與常規(guī)處理劑的作用規(guī)律

MMH正電膠鉆井液是帶正電荷的MMH膠粒和帶負電荷的粘土顆粒組成的復(fù)合體系。從電性方面考慮最好使用陽離子型和非離子型處理劑。（1）配合使用的降濾失劑降濾失劑的負電性越強，影響越大，恢復(fù)起來也越快。（2）配合使用的降粘劑降低MMH膠粒正電性的處理劑能降粘，負電性的處理劑有一定的降粘效果，強負電性的處理劑降粘作用明顯。1182023/12/67.對滲透率恢復(fù)值的評價MMH正電膠鉆井液具有較高的滲透率恢復(fù)值，有良好的保護油氣層的效果。1192023/12/6三、MMH正電膠鉆井液在現(xiàn)場的應(yīng)用1.MMH正電膠鉆井液的配方

鉆進一般地層的正電膠鉆井液，多數(shù)情況下是在預(yù)水化膨潤土漿中加入MMH正電膠、降濾失劑和降粘劑等配制成。根據(jù)不同地層和井加入不同處理劑。易坍塌的地層加入防塌劑，鉆定向井和水平井加入潤滑劑等。1202023/12/62.正電膠鉆井液的處理與維護

正電膠鉆井液的結(jié)構(gòu)是以正電膠-水-粘土方式形成的，要求使用優(yōu)質(zhì)的鈉膨潤土，并經(jīng)過充分預(yù)水化后才能加入正電膠，配制順序不能顛倒。對正電膠鉆井液的處理方法不同，主要有兩種：a將正電膠作為主處理劑，用其它處理劑來調(diào)整鉆井液性能，滿足鉆井工程的需要。b將正電膠作為一般處理劑，調(diào)整鉆井液的流變性能，提高鉆井液動切力與動塑比。

1212023/12/64.正電膠鉆井液現(xiàn)場應(yīng)用的特點（1）獨特的流變性正電膠鉆井液所具有的獨特流變性主要表現(xiàn)在：a較低的塑性粘度，較高的動切力，動塑比高；b:旋轉(zhuǎn)粘度計3r/min和6r/min的讀數(shù)高，相應(yīng)地靜切力、卡森切力較高，終切力隨時間變化?。籧：很強的剪切稀釋性，特別表現(xiàn)為卡森極限粘度低；d:具有固液雙重性，靜止瞬間成固體，加很小力可以流動；e:較強的松弛能力。1222023/12/6（2）較強的抑制性正電膠鉆井液能有效地抑制粘土與鉆屑水化膨脹與分散，主要表現(xiàn)在：a:鉆屑回收率高，膨脹率低；b:鉆井液粘土容量高；c：各種膨潤土在正電膠膠液中不易膨脹，膨脹率低。

（3）較低的負電性

正電溶膠的粒子帶有較高的正電荷，正電膠鉆井液有較低的負電性。1232023/12/65.正電膠鉆井液在現(xiàn)場應(yīng)用中應(yīng)注意的問題（1）對于造漿性極強的地層，正電膠能有效控制粘土分散，需加入其它處理劑來共同抑制地層造漿?？蛇m量加入NaCl、KCl等。（2）正電膠鉆井液在井壁附近形成“滯流層”對防止井塌效果顯著，滯流層厚度過大，易粘附鉆屑，特別是在上部軟地層中鉆進時，易發(fā)生粘附卡鉆，應(yīng)控制滯流層厚度不宜過大。1242023/12/6（3）正電膠鉆井液在井壁附近形成“滯流層”會影響水泥漿的頂替效率，影響水泥、井壁和套管的膠結(jié)，造成固井質(zhì)量不好。為提高固井質(zhì)量，在固井前清除“滯流層”。在接近鉆達下套管深度之前50-100米，減少或停止加入正電膠，另一方面加入降粘劑，降低鉆井液動切力，改善鉆井液的流變性能；下套管通井時，加大環(huán)空返速來破壞滯流層和假泥餅。1252023/12/6（4）鉆井液PH值一般控制在8-10，正電膠鉆井液PH值過高，會引起鉆井液粘度與切力增高，造成流動困難。（5）使用好固控設(shè)備，搞好凈化是保持正電膠鉆井液良好性能的關(guān)鍵。正電膠鉆井液動切力較高，巖屑不易在地面循環(huán)系統(tǒng)中自然沉降，必須使用好固控設(shè)備。（6）使用陰離子型降粘劑，注意控制加量，加量過大，會將正電膠鉆井液的動切力及動塑比降得過低，繼續(xù)加入正電膠很難恢復(fù)正電膠鉆井液特有的流變特性。1262023/12/6第六節(jié)抗高溫深井水基鉆井液

一、深井水基鉆井液應(yīng)具備的特點

井深增加，井底處于高溫高壓的條件下，作業(yè)條件比一般井要求嚴格，鉆井液性能提出了更高要求。在高溫條件下，鉆井液中的各組分會發(fā)生降解、發(fā)酵、增稠及失效等變化，鉆井液性能不易調(diào)整和控制；高的地層壓力，鉆井液必須具有很高的密度，鉆井液中固相含量很高。保持鉆井液良好的流變性和較低的濾失量更加困難。1272023/12/6

在深井鉆井液的特點：（1）具有抗高溫能力。要求配方設(shè)計時，必須優(yōu)選出各種能夠抗高溫處理劑。（2）在高溫條件下對粘土的水化分散具有較強的抑制能力。（3）具有良好的高溫流變性。在高溫下保證鉆井液具有很好的流動性和攜帶、懸浮巖屑的能力。（4）具有很好的潤滑性。1282023/12/6二、高溫對深井水基鉆井液性能的影響

壓力對水基鉆井液的密度流變性、濾失造壁性等均無明顯的影響。深井水基鉆井液的主要問題是抗高溫。1.鉆井液中粘土的高溫分散作用在高溫作用下，鉆井液中的粘土顆粒分散程度增加，顆粒濃度增加、比表面增大的現(xiàn)象稱為高溫分散。產(chǎn)生高溫分散作用的原因主要是高溫使粘土礦物片狀顆粒的熱運動加劇，增強了水分子滲入粘土晶層內(nèi)部能力，一方面使粘土表面的陽離子擴散能力增強。擴散雙電層增厚，電動電位提高，有利于粘土分散。高溫分散實質(zhì)是水花分散，，高溫促進了水化分散。1292023/12/6影響高溫分散的因素：（1）粘土的種類，在常溫下越容易水化的粘土，高溫分散作用越強。（2）溫度及作用時間。溫度越高，作用時間越長，高溫分散越顯著。（3）PH值。OH-的存在有利于粘土的水化，高溫分散作用隨PH值升高增強。（4）部分高價無機陽離子存在不利于粘土水化，對高溫分散有抑制作用。1302023/12/6

高溫分散作用使鉆井液中粘土顆粒濃度增加，對鉆井液的流變性影響很大，這種影響是不可逆的和不可恢復(fù)的。高溫分散作用使鉆井液中粘土顆粒濃度增加，鉆井液的粘度和切力均比相同溫度下理想懸浮體（假設(shè)粘土顆粒的分散度不受溫度影響）的對應(yīng)值高（如曲線2和3）。升溫后再逐漸降低溫度，降溫時的粘溫曲線比升溫時要高，如圖6-21中曲線2和4所示。粘土顆粒的高溫分散是一種不可逆的變化。粘土含量越高，高溫分散作用越強，兩條曲線偏離越遠。

1312023/12/61322023/12/6

高溫分散引起的鉆井液高溫增稠與鉆井液中粘土含量密切相關(guān)。當粘土含量大到某一數(shù)值時，鉆井液在高溫下會喪失流動性形成凝膠，這種現(xiàn)象被稱為高溫膠凝，發(fā)生了高溫膠凝的鉆井液喪失熱穩(wěn)定性，性能受到破壞。表現(xiàn)為鉆井液在井口的性能不穩(wěn)定，粘度和切力上升很快。1332023/12/6

防止鉆井液高溫膠凝是深井鉆井液的一項關(guān)鍵技術(shù)。有兩項措施可有效地預(yù)防高溫膠凝的發(fā)生，一是使用抗高溫處理劑抑制高溫分散，二是將鉆井液中的粘土（特別是膨潤土）含量控制在容量限以下。當粘土含量超過了容量限，有發(fā)生高溫膠凝的可能；低于容量限時，鉆井液只發(fā)生高溫增稠，不會發(fā)生膠凝。對于高溫深井水基鉆井液，在使用中必須將粘土的實際含量嚴格控制在容量限以內(nèi)。

1342023/12/62.高溫對鉆井液處理劑的影響

井下高溫對鉆井液中的粘土造成影響外，影響某些處理劑。(1)高溫降解有機高分子化合物受高溫作用導(dǎo)致分子鏈發(fā)生斷裂的現(xiàn)象稱為高溫降解。鉆井液處理劑高溫降解有高分子化合物的主鏈斷裂和親水基團與主鏈連接鍵斷裂。主鏈斷裂會降低處理劑的相對分子量，失去高分子化合物的特性；親水基團斷裂會降低處理劑的親水性，抗污染能力和效能減弱。

1352023/12/6

調(diào)節(jié)鉆井液某種性能的處理劑高溫降解，處理劑熱降解對鉆井液性能影響有可能是增稠、膠凝甚至固化（稀釋劑降解），也可能是減稠（高分子增稠劑降解），濾失量增大（降濾失劑降解）。1362023/12/6（2）高溫交聯(lián)

在高溫作用下，處理劑分子中存在各種不飽和鍵和活性基團，分子間發(fā)生各種反應(yīng)，相互連接，相對分子質(zhì)量增大，這種現(xiàn)象稱為高溫交聯(lián)。交聯(lián)適當，適度增大處理劑的相對分子質(zhì)量，可能抵消高溫降解的破壞作用，甚至可能是處理劑進一步改性增效。如果交聯(lián)過度，形成體系網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，處理劑水溶性變差，甚至失去水溶性使處理劑完全失效，破壞鉆井液的性能。在高溫下磺化褐煤與磺化酚醛樹脂復(fù)配使用時的降濾失效果比單獨使用時的效果好，交聯(lián)作用有利于改善鉆井液性能。1372023/12/63.高溫對處理劑與粘土相互作用的影響（1）高溫解吸附作用在高溫條件下，處理劑在粘土表面的吸附作用減弱，主要是分子熱運動加劇。高溫解吸附影響處理劑的護膠能力，粘土顆粒更加分散，嚴重影響鉆井液的熱穩(wěn)定性和其它性能，高溫濾失量劇增，流變性失去控制。1382023/12/6（2）高溫去水化作用高溫條件下，粘土顆粒表面和處理劑分子中親水基團的水化能力降低，水化膜變薄，處理劑護膠能力減弱，這種作用稱高溫去水化。高溫去水化減弱處理劑的護膠能力，濾失量增大，嚴重時發(fā)生高溫膠凝和高溫固化等現(xiàn)象。極性鍵或氫鍵水化的基團，高溫去水化作用一般較強；由離子基水化形成的水化膜，高溫去水化作用相對較弱。1392023/12/64.高溫引起的鉆井液性能變化

高溫引起的鉆井液性能變化分為不可逆變化和可逆變化。（1）不可逆的性能變化鉆井液中粘土顆粒高溫分散和處理劑高溫降解、交聯(lián)引起的高溫增稠、高溫膠凝、高溫固化、高溫減稠、濾失量上升、泥餅增厚等屬于不可逆的性能變化。1402023/12/6

當粘土含量增大到一定數(shù)值，高溫分散使鉆井液中粘土顆粒的濃度達到一個臨界值，在高溫去水化作用下，相距很近的片狀粘土顆粒連接起來，形成布滿整個容積的連續(xù)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，形成凝膠。發(fā)生高溫膠凝的同時，如果在粘土顆粒相結(jié)合的部位生成了水化硅酸鈣，進一步固結(jié)成型，這種現(xiàn)象稱為高溫固化。1412023/12/6

在高溫下鉆井液的性能變化主要取決于粘土類型、粘土含量、高價金屬離子是否存在及濃度、PH值、處理劑抗溫能力，溫度的高低與作用時間等。粘土的水化分散能力強、含量高，可能出現(xiàn)高溫增稠；反之可能出現(xiàn)高溫減稠。粘土含量增至某一臨界值會發(fā)生高溫膠凝。通常將鉆井液在某一溫度下發(fā)生膠凝時所對應(yīng)的最低土量，稱為這種粘土在該溫度下的粘土容量限。當粘土含量低于容量限時，鉆井液只發(fā)生增稠，而不發(fā)生膠凝；高于其容量限時發(fā)生膠凝。1422023/12/6

粘土水化分散能力弱、溫度低、PH值低、處理劑抑制高溫分散的作用強，粘土容量限高；當粘土含量超過其容量限、有較多Ca2+存在、PH值較高，并且又缺乏有效的抗高溫處理劑保護時發(fā)生。1432023/12/6（2）可逆的性能變化

因高溫解吸附、高溫去水化以及按正常規(guī)律的高溫降粘作用引起的鉆井液濾失量增大、粘度降低等屬于可逆的性能變化。可逆性能變化反映鉆井液從井口到井底、再返回到井口的循環(huán)過程中的性能變化。研究不可逆性能變化，需要模擬井底溫度，用滾子加熱爐對鉆井液進行滾動老化，然后冷卻室溫，評價受高溫之后的性能；研究可逆性能變化，要使用專門儀器測定鉆井液在高溫高壓條件下的流變性和濾失量。1442023/12/6三、抗高溫鉆井液處理劑作用原理1.對抗高溫鉆井液處理劑的一般要求對抗高溫鉆井液處理劑的一般要求是（1）高溫穩(wěn)定性好，高溫條件不易降解；（2）對粘土顆粒有較強的吸附能力，受溫度影響??；（3）有較強的水化基團，使處理劑在高溫下有良好的親水性；（4）能有效抑制粘土高溫分散作用；（5）在有效加量范圍內(nèi)，抗高溫降濾失劑不得使鉆井液嚴重增稠；（6）在PH值較低（7-10）能充分發(fā)揮作用，有利于控制高溫分散，防止高溫膠凝和高溫固化現(xiàn)象發(fā)生。1452023/12/62.抗高溫處理劑的分子結(jié)構(gòu)特征抗高溫處理劑的分子結(jié)構(gòu)應(yīng)具備的特征：（1）為提高熱穩(wěn)定性，處理劑分子主鏈的連接鍵，以及主鏈與親水基團的連接鍵應(yīng)為“C-C”、“C-N”和“C-S”等鍵，避免分子中有易氧化的醚鍵和易水化的酯鍵。(2）為了使處理劑在較低PH值情況下也能充分發(fā)揮效力，要求處理劑親水基團的親水性盡量不受PH值的影響。1462023/12/6（3）為了處理劑在高溫下對粘土表面有較強的吸附能力，在處理劑分子中引入高價金屬陽離子，與有機處理劑形成絡(luò)合物。利用高價金屬陽離子作為吸附基，與帶負電的粘土表面靜電吸附，高價金屬陽離子同時能抑制粘土高溫分散。（4）為減輕高溫去水化作用，處理劑分子中的主要水化基團選用親水性強的離子基如（磺羧基-SO3-

、磺甲基-CH2SO3-、羧基-COO-)等，保證處理劑吸附在粘土顆粒表面后能形成較厚的水化膜，使鉆井液有較強的熱穩(wěn)定性。1472023/12/63.常用的抗高溫處理劑(l）抗高溫降粘劑

抗高溫降粘劑與一般降粘劑的不同之處：不僅能有效地拆散鉆井液中粘土晶片以端-面和端-端連接而形成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，而且能通過高價陽離子的絡(luò)合作用，有效地抑制粘土的高溫分散。目前國內(nèi)生產(chǎn)的抗高溫降粘劑除鐵鉻木質(zhì)素磺酸鹽（FCLS）外，還主要有：

1482023/12/6①磺甲基單寧（SMT）。簡稱磺化單寧，是磺甲基單寧酸鈉與鉻離子的絡(luò)合物。水溶液呈堿性,適于在各種水基鉆井液中作降粘劑，在鹽水和飽和鹽水鉆井液中仍能保持一定的降粘能力，抗鈣可達1000mg/L，抗溫可達180-200℃。加量一般在1%以下，使用的PH值范圍為9-11。1492023/12/6②磺甲基拷膠（SMK）。簡稱磺化栲膠，易溶于水，水溶液呈堿性。不含重金屬離子，無毒，無污染，抗溫可達180℃。降粘性能與SMT相似，可任選一種使用。

1502023/12/6(2）抗高溫降濾失劑

①磺甲基褐煤（