水基成膜钻井液体系的研究与应用

1I水基成膜钻井液体系的研究与应用摘要目前，随着金刚石绳索取心工艺在地质取心钻探工程中的普及，钻井液与绳索取心工艺相匹配的问题也随之凸显出来，诸如钻井液的流变性能不满足绳索取心工艺对钻井液的要求、钻遇复杂地层尤其是强水敏性地层时，传统钻井液体系不能达到较好的护壁效果，从而导致孔内垮塌等问题。在石油钻探工程中出现了新型水基钻井液成膜技术理论，这类技术理论强调钻井液的成膜性能，能较好的解决复杂地层的护壁问题。该理论认为，通过在水基钻井液中加入一种或几种具有成膜性能的处理剂，使钻井液能在泥页岩等这类强水敏性地层孔壁上形成一种高质量的膜，减弱或阻止钻井液滤液侵入地层，从而维持孔壁稳定，防止孔内事故的发生。因此，将水基钻井液成膜技术与理论引入到地质取心钻探工程中，并加以研究，使之形成与绳索取心工艺相匹配的钻井液体系，以期解决这些问题是很有必要的。本文从金刚石绳索取心钻探工艺对钻井液的要求出发，运用水基钻井液成膜理论，通过大量正交试验，研究和开发了三种水基成膜钻井液体系，分别是植物胶成膜钻井液体系、硅酸盐成膜钻井液体系和聚合物成膜钻井液体系，这三种水基成膜钻井液体系具有良好的成膜性能，对水敏性地层具有较强的抑制能力。同时运用回归分析方法，找出了在这三种钻井液体系中，标准岩心膨胀量与时间之间的关系。植物胶成膜钻井液体系的研究采用正交试验的设计和分析方法，使用了KL植物胶作为成膜主剂，并通过与成膜助剂PAM、PVA以及NA2SIO3的复配试验，筛选出性能较好的复配方案，形成对水敏性和破碎性地层有较强抑制能力的植物胶成膜钻井液体系。硅酸盐成膜钻井液体系的研究同样采用正交试验的设计和分析方法，使用硅酸钠作为成膜主剂，并通过与成膜助剂PAM和抑制剂KCL的复配试验，筛选出性能较好的复配方案，形成对强水敏性地层有较强抑制、胶结能力的硅酸盐成膜钻井液体系。聚合物成膜钻井液体系包括XY系列聚合物成膜钻井液体系和DP聚合物成膜钻井液体系两大部分。XY系列聚合物成膜钻井液体系使用了丙烯酸类聚合物作为成膜主剂，并通过与成膜助剂WST100和S1的复配试验，筛选出性能较好的复配方案。DP聚合物成膜钻井液体系使用了聚合醇类聚合物作为成膜主剂，并通过与成膜助剂P和成膜助剂C的复配试验，筛选出性能较好的复配方案。这两种聚合物成膜钻井液体系对水敏性地层都有较好的综合护壁效果。植物胶成膜钻井液体系在四川地勘局113地质队所属古叙煤田石宝矿段ZK003孔和ZK6403孔和重庆巫山二郎庙滑坡勘察工程的BZK2孔和BZK19孔中得到应用，较好的解决了复杂地层的护壁问题和岩心采取率的问题，取得了较好的经济效益。2聚合物成膜钻井液体系在四川省木里县牦牛坪铜矿勘察项目的ZK0409孔和ZK0807孔和四川省筠连县孔雀乡塘坝煤田勘察中的ZK111和ZK91孔得到应用，较好的解决了水敏性地层的护壁问题和钻井液与绳索取心工艺的匹配问题，取得了良好的应用效果。关键词钻井液成膜绳索取心水敏地层RESEARCHANDAPPLICATIONOFWATERBASEDFILMFORMINGATTHEPRESENTTIME,WITHPOPULARIZATIONOFTHEDIAMONDWIRELINECORINGDRILLINGTECHNOLOGYINGEOLOGYCOREDRILLINGFILED,THEMATCHPROBLEMOFDRILLINGFLUIDANDDIAMONDWIRELINECORINGDRILLINGTECHNOLOGYHASEXPOSEDNOW,SUCHASRHEOLOGYBEHAVIOROFDRILLINGFLUIDISNTSATISFACTIONTHEREQUIREMENTOFDIAMONDWIRELINECORINGDRILLINGTECHNOLOGYTODRILLINGFLUID,WHENDRILLINGCOMPLEXSTRATAESPECIALLYTHEWATERSENSITIVESTRATA,THETRADITIONALDRILLINGFLUIDSYSTEMCANTACHIEVEAGOODEFFECTOFWALLPROTECTION,THUSLEADTOANHOLECOLLAPSINGACCIDENTANDOTHERISSUESWATERBASEDFILMFORMINGDRILLINGFLUIDTECHNOLOGYISBASEDONTHEFILMFORMINGTHEORYOFWATERBASEDDRILLINGFLUID,WHICHPROPOSEDINRECENTYEARSACCORDINGTOTHISTHEORY,BYADDINGONEORSEVERALKINDSOFFILMFORMERINTOWATERBASEDDRILLINGFLUID,SOENABLEITCANFORMAKINDOFHIGHQUALITYFILMONTHEHOLEWALLOFSTRONGWATERSENSITIVITYFORMATIONSUCHASSHALEETCTHUSWEAKENORPREVENTFILTRATEINVASIONTHEFORMATION,MAINTENANCETHESTABILITYOFHOLEWALL,ANDAVOIDTHEOCCURRENCEOFHOLEACCIDENTTHEREFORE,ITSVERYNECESSARYTOINTRODUCETHEFILMFORMINGTHEORYTOGEOLOGYCOREDRILLINGFILEDANDSTUDYIT,GIVEITAMATCHSYSTEMFORWIRELINECORINGDRILLINGTECHNOLOGY,FINALLYSOLVETHESEPROBLEMSTHISARTICLEFROMTHEBASICREQUIREMENTSOFDIAMONDWIRELINECORINGDRILLINGTECHNOLOGYTODRILLINGFLUID,USETHEFILMFORMINGTHEORYOFWATERBASEDDRILLINGFLUID,ANDTHROUGHAMASSOFORTHOGONALTESTS,RESEARCHANDDEVELOPTHREEWATERBASEDFILMFORMINGDRILLINGFLUIDSYSTEMSTHEFILMFORMINGDRILLINGFLUIDSYSTEMOFGUM,THEFILMFORMINGDRILLINGFLUIDSYSTEMOFSILICATEANDPOLYMERFILMFORMINGDRILLINGFLUIDSYSTEMTHESETHREEDRILLINGFLUIDSYSTEMHAVEAGOODFILMPERFORMANCEANDSTRONGRESTRAINABILITYTOTHEWATERSENSITIVESTRATAMEANWHILE,BYUSINGTHEREGRESSIONANALYSISMETHOD,FINDINGOUTTHERELATIONSHIPBETWEENEXPANSIONAMOUNTOFTHESTANDARDCOREANDTHETIMEFORRESEARCHTHEFILMFORMINGDRILLINGFLUIDSYSTEMOFGUM,ADOPTINGTHEDESIGNANDANALYSISMETHODOFORTHOGONALTESTS,USINGTHEKLGUMASTHEMAINFILMINGAGENT,THROUGHCOMPLEXFORMULATIONTESTSOFTHEADDITIVEFILMINGAGENTPAM,PVAANDNA2SIO3,SELECTEDTHEBETTERPERFORMANCECOMPLEXFORMULATIONPLANFORMFILMFORMINGDRILLINGFLUIDSYSTEMOFGUMWHICHHASASTRONGRESTRAINABILITYTOWATERSENSITIVEANDBROKENSTRATARESEARCHOFTHETHEFILMFORMINGDRILLINGFLUID3SYSTEMOFSILICATEALSOADOPTINGTHEDESIGNANDANALYSISMETHODOFORTHOGONALTESTS,USINGTHESODIUMSILICATEASTHEMAINFILMINGAGENT,THROUGHCOMPLEXFORMULATIONTESTSOFTHEADDITIVEFILMINGAGENTPAMANDINHIBITORKCL,SELECTEDTHEBETTERPERFORMANCECOMPLEXFORMULATIONPLANFORMFILMFORMINGDRILLINGFLUIDSYSTEMOFGUMWHICHHASASTRONGRESTRAINABILITYTOWATERSENSITIVESTRATAPOLYMERFILMFORMINGDRILLINGFLUIDSYSTEMINCLUDINGTWOPARTS,WHICHARETHEXYSERIESOFPOLYMERFILMFORMINGDRILLINGFLUIDSYSTEMANDDPPOLYMERFILMFORMINGDRILLINGFLUIDSYSTEMXYSERIESOFPOLYMERFILMFORMINGDRILLINGFLUIDSYSTEM,USINGTHEACRYLICPOLYMERASTHEMAINFILMINGAGENT,THROUGHCOMPLEXFORMULATIONTESTSOFTHEADDITIVEFILMINGAGENTWST100ANDS1SELECTEDTHEBETTERPERFORMANCECOMPLEXFORMULATIONPLANDPPOLYMERFILMFORMINGDRILLINGFLUIDSYSTEMUSINGTHEPOLYALCOHOLPOLYMERASTHEMAINFILMINGAGENT,THROUGHCOMPLEXFORMULATIONTESTSOFTHEADDITIVEFILMINGAGENTPANDADDITIVECSELECTEDTHEBETTERPERFORMANCECOMPLEXFORMULATIONPLANTHISTWOKINDSOFPOLYMERFILMFORMINGDRILLINGFLUIDSYSTEMHAVEAGOODSYNTHETICWALLPROTECTEDEFFECTSTOTHEWATERSENSITIVESTRATABYPRACTICALAPPLICATIONWITHFILMFORMINGDRILLINGFLUIDSYSTEMOFGUMINZK003ANDZK6403OFGUXUCOALFIELDSHIBAOORESECTION,WHICHBELONGTOTHEGEOLOGICALPROSPECTINGBUREAUOF113TEAMANDALSOINBZK2ANDBZK19OFLANDSLIDEINVESTIGATIONPROJECT,WHICHAREINTHEERLANGTEMPLEOFCHONGQINGWUSHANSOLVEDTHEPROBLEMOFWALLPROTECTIONANDTHERATEOFCORERECOVERYINCOMPLEXSTRATATHEPOLYMERFILMFORMINGDRILLINGFLUIDSYSTEMAPPLIEDINZK0409ANDZK0807OFCOPPERINVESTIGATIONPROJECT,WHICHAREINMULIMAONVPINGOFSICHUANANDALSOAPPLIEDINZK111ANDZK91OFTANGBACOALFIELD,WHICHISINJUNLIANOFSICHUANSOLVEDTHEPROBLEMOFWALLPROTECTIONINWATERSENSITIVESTRATAANDMATCHPROBLEMBETWEENDRILLINGFLUIDANDDIAMONDWIRELINECORINGDRILLINGTECHNOLOGY,GOODAPPLICATIONEFFECTISOBTAINEDKEYWORDSDRILLINGFLUIDFILMFORMINGWIRELINECORINGWATERSENSITIVESTRATA4目录摘要1ABSTRACT2目录4第1章引言611选题依据及研究意义612国内外研究现状6121水基成膜钻井液技术与理论现状2122水基成膜钻井液成膜质量的评价方法研究现状3123成膜技术的实现413论文研究内容和技术路线5131论文研究主要内容5132技术路线6第2章水基成膜钻井液配制步骤及评价方法821钻井液配制基本步骤822水基成膜钻井液成膜效果的评价方法9第3章植物胶成膜钻井液体系的研究1231植物胶成膜钻井液的配制方案12311植物胶钻井液概述12312植物胶成膜钻井液配制方案1332植物胶成膜钻井液复配方案15321植物胶成膜钻井液复配方案15322标准岩心膨胀试验18323植物胶交联试验2033小结22第4章硅酸盐成膜钻井液体系的研究2341硅酸盐成膜钻井液的配制23411硅酸盐成膜钻井液概述23412硅酸盐成膜钻井液的配制理论理论依据24413硅酸盐成膜钻井液的配制方案2442硅酸盐成膜钻井液的复配方案25421硅酸盐成膜钻井液复配方案26422标准岩心膨胀试验2743小结28第5章聚合物成膜钻井液体系的研究2951聚合物成膜钻井液的概述29552XY系列聚合物成膜钻井液体系的研究30521XY系列聚合物成膜钻井液配制方案32522XY系列聚合物成膜钻井液复配方案36523XY系列聚合物最佳复配方案综合性能4154小结46第6章工程应用4761植物胶成膜钻井液体系的应用47611煤田勘察中的应用48612地质灾害勘察工程中的应用4862聚合物成膜钻井液体系的应用48621金属矿产勘察中的应用49622煤田勘察中的应用49结论50参考文献51附录A钻井液及正交试验相关参数解释与计算53附录B回归分析相关参数解释及计算55附录CF检验的临界值表566第1章引言水基钻井液成膜技术就是使钻井液具有半透膜的性能，或在井壁上形成一层隔离膜，在井壁的外围形成保护层，阻止水及钻井液进入地层，从而有效地防止地层的水化膨胀，封堵地层裂隙，防止井壁坍塌，保护储层。11选题依据及研究意义近些年来，随着金刚石绳索取心工艺来地质取心钻探工程的普及，钻井液问题随之暴露出来，有些问题很突出，主要表现在以下几个方面（1）小口径金刚石绳索取心钻探，其钻杆与孔壁的环状间隙很小，这就要求钻井液的粘度不能过高，过高则会引起泵压的剧增，在孔内也容易造成激动压力，从而引发孔内事故，再者，粘度过高，也会造成钻井液的上返速度变慢，影响孔内排渣。（2）由于钻杆与孔壁的环状间隙很小，钻杆与孔壁的摩擦也会加剧，在松散破碎以及水敏性较强的地层中，这种摩擦就会导致孔内掉块、垮塌等事故的发生。因此，钻井液对松散破碎地层的胶结和保护作用，以及对水敏性较强地层的抑制作用显得非常重要。（3）绳索取心钻进工艺要求钻井液具有低固相（钻井液中的所有固相体积含量在4左右，相当于钻井液比重为105及以下）、良好的流变性能以及较好的护壁效果等，而由于地质取心钻探中大多使用传统钻井液体系，其性能大多不满足绳索取心工艺的要求，由此出现了钻井液体系与绳索取心工艺的匹配问题。（4）地质取心钻探逐渐向深部矿产钻探发展，深部矿产钻探中，地层将更加复杂，孔内事故发生的机率就更高，钻井液综合护壁性能就显得更加重要。面对深孔钻探，大多生产单位都会优先选用绳索取心钻探工艺，以避免频繁的起下钻，缩短辅助生产时间，从而提高钻进效率。然而，很多生产单位对钻井液的知识尤其是深孔钻探中的钻井液知识比较缺乏，对钻井液的认识不足，盲目照搬以前的经验，结果导致孔内事故。因此，我们必须认识到这些问题的严重性，以科学的态度认真对待，才能解决好这些问题。在石油钻探中，出现了新型水基钻井液成膜技术理论，这类技术理论强调钻井液的成膜性能，从而使钻井液对恶劣地层具有很强的抑制能力。因此，将水基成膜钻井液的技术理论引入到地质取心钻探中，并通过进一步的改进，使之形成能与小口径金刚石绳索取心钻进工艺相匹配的钻井液体系，对解决当前地质取心钻探钻井液问题是很有帮助的。712国内外研究现状121水基成膜钻井液技术与理论现状水基成膜钻井液的理论与控制技术是近年来国内外研究较多和发展较快的一类新型钻井液技术和理论。该理论与技术的提出基于解决两方面问题一是非酸化屏蔽暂堵保护储层；二是成膜护壁维持井壁稳定。这种技术在理论上认为，在水基钻井液中，通过加入一到几种成膜剂，可以使钻井液体系在泥页岩等类地层井壁表面形成较高质量的膜，这样可阻止钻井液滤液进入地层，从而在保护储层和稳定井壁方面发挥类似油基钻井液的作用。国外MI钻井液公司对页岩的膜效率进行过比较系统的研究，并取得了一些成果，他们研究认为，在水基钻井液中可以形成三种类型的膜（1）水基钻井液成膜（I型膜）。这类膜形成于页岩表面，钻井液滤液、页岩粘土、孔隙流体的化学性、孔隙尺寸、滤液粘度、渗透率、粘土组分和页岩的胶结作用都会影响膜的形成。在水基钻井液中能够成膜的物质有糖类化合物及其衍生物如甲基葡糖贰MEG、丙烯酸类聚合物、硅氧烷、木质素磺酸盐、乙二醇及其衍生物和各种表面活性剂如山梨糖醇配的脂肪酸盐；（2）封堵材料成膜型膜。如硅酸盐、铝酸盐、铝盐、氢氧化钙和酚醛树脂等封堵材料。在试验中发现在硅酸盐钻井液中加入糖类聚合物可保持实际渗透压接近理论渗透压。硅酸盐钻井液的成膜效率可达到70以上；（3）合成基和逆乳化钻井液成膜型膜。钻井液中的流体和页岩作用导致了毛细管力和较高的膜效率，此膜是由连续相的可移动薄膜、表面活性剂薄膜和钻井液的水相的薄膜组成的膜。型膜形成了一道防止水和溶质扩散的屏障，也就是形成了一种隔离膜。其中型膜的膜效率最高，前面两种都是形成的半透膜。各种类型膜的渗透机理是完全不同的。毕业设计论文代做平台580毕业设计网是专业代做团队也有大量毕业设计成品提供参考WWWBYSJ580COMQQ3449649974就能形成膜的钻井液种类来讲有合成基钻井液、硅酸盐钻井液、逆乳化钻井液、植物胶基钻井液和聚合醇类钻井液等。中国石油勘探开发研究院已研制出的BTM1、BTM2水基钻井液成膜剂，具有良好的半透膜效能，抑制泥页岩水化膨胀能力强。另外国内以乙烯、乙酸、甲酸和磺化剂为主要原料，通过高温氧化、酯化、聚合、醇解及磺化合成了一种新型抗高温、能形成隔离膜的降滤失剂CMJ1、CMJ2，都具有很好的降滤失性能和良好的成膜质量。此外，当今基于纳米技术的水基成膜钻井液技术正在研究和开发之中。由于纳米微粒尺寸小、比表面积大，表面原子数、表面能和表面张力随粒径的下降急剧增大，表现出四大效应小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等特点，从而使纳米粒子出现了许多不同于常规粒子的特性。目前把钻井液处理剂纳米化的主要出发点是钻井液材料颗粒的细化，必然使其比表面积增大，这样就大大增加了它与其它物质发生吸附反应的机会和程度，这将大大改善和提高钻井液的使用性能。纵观水基钻井液成膜技术与理论，可以看出，水基成膜钻井液体系与其他钻井液体系相比，其侧重点是不同的。水基成膜钻井液体系一是强调成膜作用，8二是强调膜的吸附作用，三是强调膜的抑制作用。122水基成膜钻井液成膜质量的评价方法研究现状在成膜评价方面，目前成膜钻井液的成膜评价方法没有统一的标准，研究尚处于起步阶段。已应用的成膜评价方法主要有（1）液面高度法。这种测定方法是利用滤失试验后的滤饼，通过测定膜两侧溶液的液面高低差值和透过膜的液体体积量来评价成膜的效果。膜的一侧是清水，另一侧是具有一定浓度的盐溶液，由于膜两侧溶液的浓度不一样，就会促使浓度高的溶质透过膜转移到浓度低的一侧。这是一种测定半透膜的试验方法。（2）溶质截留浓度法。这种方法的基本原理同液面高度法基本相同，所不同的是，这种测定方法是通过膜截留溶质的分子数量来评价膜质量。截留定义是，90能被膜截留的分子数量。这种测试方法比较复杂，不大适合用于钻井液成膜性能的评价。（3）原子力显微镜法（AFM）。这种方法是用直径小于10NM的探针以恒定的力扫过被测表面时，探针里面的原子会与样品发生LONDONVANDERWAALS相互作用。通过检测这些力就可以得到样品的扫描结果，运用微尺度悬臂，可以实现在小于1NM的相互作用力下检测，因此可以使用该方法检测像聚合物膜这样的软表面，是一种微观分析法。可以将滤失试验后的滤饼取出一小部分，制成样品。（4）扫描电镜法（SEM）。用扫描电镜可以清楚地观测膜的全部结构，表层、断层和底面均可以很好地观察。从扫描电镜图片上可以获得多孔膜的孔径、孔径分布及表面孔隙率，也可以观察孔的几何结构，从而可以做为分析膜的微观方法。用淡水钻井液将HTHP（120/16H）作用后的滤饼，经过液氮冷冻，临界干燥后，制成扫描电镜分析样品。滤饼表面形态经二次电子图像进行观察研究，配合能谱和波谱研究滤饼的结构组成。这也是一种微观分析法。上述的几种评价方法，有定性和定量分析，但这几种分析方法，都不能很好的反映膜在岩石表面的吸附速度和膜的强度，同时也不能很好的反映钻井液在孔内成膜的实际情况，钻井液在孔内成膜是存在着压力和钻井液对孔壁冲刷、隔绝空气，甚至是高温高压、低温的情况下形成的。所以，为了更好的模拟钻孔的实际情况，找出方便、实用的钻井液成膜评价方法是很重要的。123成膜技术的实现1、聚合物类材料的成膜高分子聚合物的成膜一般是指每个大分子的每个单体单元都能附着在成膜基底上。但是，由于大分子内旋转，使每个大分子的每个单体单元都能实现附着是不太可能做到的。聚合物形成单分子膜的能力与聚合物分子大小和结构关系很大。由于高分子聚合物不存在挥发问题，因此，支配聚合物单分子膜形成的因素主要取决于其溶解性和聚合物本身的内聚力。只要对水的亲和力大于聚合物本身的内聚力，就有可能形成稳定的聚合物单分子膜。常用的成膜聚合物主要是在疏水主链上带有亲水侧基的大分子，如聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚乙酸乙烯酯、聚乙烯硬脂酸、聚丙烯酸、聚丙稀酰胺、聚丁酸乙烯酯等等。2、硅酸盐类材料的成膜以硅酸盐为代表的水基钻井液体系能够在井壁上形成半渗透膜，从而有效地控制空隙压力的传递，使孔壁具有较好的稳定性。主要原因是硅酸盐可在泥页岩内沉积，形成一层屏障或膜来阻止离子或者液体的运移，实现了对孔壁和岩心的保护。根据这一思路，首先进行了各种不同电解质和硅酸盐成膜材料的对9比试验，初步证明了硅酸盐型成膜材料具有较好的成膜特性。3、PVA材料的成膜为了选取合适的PVA，将醇解度不同的几种PVA（PVA04，醇解度4；PVA88，醇解度88；PVA99，醇解度99；）按相同浓度的配比，分别添加到植物胶溶液中，发现PVA99、PVA88在浓度配比较低的情况下成膜特性不好，相比之下PVA04有较好的成膜特性。试验表明，当PVA成膜材料浓度过低时，植物胶溶液成膜性能不好，成膜强度较差，随着PVA成膜材料浓度的提高，成膜性能得到改善。4、PAM/PVA复合材料的成膜聚丙烯酰胺（PAM）/聚乙烯醇（PVA）复合膜材料的设计目的是力图通过加入不同亲水性材料的适当化合物，以改变膜的亲水性，提高膜与渗透介质间的亲和性和改善渗透性能。PAM耐化学溶剂性能好，束缚自由水能力强，再通过添加高亲水性化合物PVA的方法，可大大提高其亲水性。同时,在PAM膜材料中引入第二聚合物PVA还可调节PAM膜材料的化学性质和聚集态结构，以改善PAM与渗透物间的亲合性和机械性，调节膜的表层和断面结构，提高膜的渗透/分离性能和耐污染的能力。5、植物胶类钻井液的成膜植物胶的使用始于60年代初，当时我国已将植物胶（如香叶粉）成功地用作钻井液处理剂，配制了无固相钻井液和饱和盐水钻井液。1962年，美国大西洋炼油公司首次提出，用瓜尔豆胶作压裂液凝胶材料，以硼化物作交联剂，由于它能降滤失、悬砂能力强，用量少，成本低，现已广泛应用于钻井液中；1972年，印度勒克脑国家植物园对田菁进行了分析并将这种植物胶用于钻井；1976年，德国学者将植物油脂（山苍子核油等）用作钻井液润滑剂，此外，在70年代，我国还将魔芋胶用作钻井液处理剂。植物胶主要成分是水溶性聚糖类、植物纤维等，其形成的膜为I型膜，配制成的钻井液具有较高的粘度和弹性，即粘弹性，具有较好的减震作用，同时，植物胶中也含有精油成分，也能起到润滑钻具的作用。但是，植物胶的失水量偏大，经过改良后，可以大大降低失水量。13论文研究内容和技术路线131论文研究主要内容论文研究内容是根据水基钻井液成膜技术与理论，结合现有的泥浆材料及测试设备，主要有以下几个方面1、植物胶成膜钻井液体系植物胶源于野生植物，多为植物的胚胎和根系部分，有效成分多为多糖类化合物20。该成膜钻井液体系选取具有显著增粘效果和良好成膜性能的KL植物胶作为成膜主剂，根据成膜理论，KL植物胶是可以形成I型和II型的复合膜结构。论文将对KL植物胶的性能进行充分的试验，在掌握KL植物胶钻井液基本性能的基础上，通过加入成膜助剂进而对KL植物胶钻井液的性能进行改进，强化其成膜性能，从而形成形成对松散、破碎地层具有胶结能力钻10井液体系。2、硅酸盐成膜钻井液体系根据成膜理论，硅酸盐类化合物可以形成II型膜，且成膜效率比较高。硅酸盐成膜钻井液体系选用硅酸钠溶液作为成膜主剂，由于单独使用硅酸钠溶液时，其粘度与清水一般，成膜效果不太明显，加之其碱性较强，直接使用会对钻具造成一定的腐蚀，所以论文将先选取与硅酸钠溶液配伍性较好的处理剂作为成膜助剂，然后通过硅酸盐溶液与成膜助剂的复配试验，筛选出性能较好的方案，从而形成对强水敏性地层具有较强抑制作用的成膜钻井液体系。3、聚合物成膜钻井液体系该体系钻井液以绳索取心工艺中最常用、最难控制的低固相钻井液体系为基础，加入聚合物类成膜剂，形成聚合物成膜钻井液体系。论文将利用具有良好成膜效果的XY系列聚合物和DP聚合物（表面活性剂）作为成膜主剂，通过与成膜助剂的复配，强化其成膜性能，使之形成对恶劣地层具有综合护壁效果的成膜钻井液体系。4、成膜评价方法通过对比，发现当前提出的成膜效果的评价方法并不适用于地质取心钻探中，因为该方法对最主要的的方面都无法反映，比如膜的强度以及膜的破坏方式等。论文根据目前使用的成膜效果评价方法和传统钻井液性能测定方法的对比，提出综合成膜效果的评价方法。132技术路线论文主要涉及三个成膜钻井液体系和成膜质量评价方法。三个成膜钻井液体系分五个步骤实现，首先分析KL植物胶、硅酸盐化合物、XY系列聚合物和DP聚合物的性能，提出各种成膜主剂的最佳加量范围，然后通过正交试验优选各配制方案，最终形成植物胶成膜钻井液体系、硅酸盐成膜钻井液体系和聚合物成膜钻井液体系。对于成膜评价方法，主要通过对比目前成膜评价方法，分析其不足之处，进而提出切实可行的成膜评价方法。论文技术路线图如图11所示11第2章水基成膜钻井液配制步骤及评价方法21钻井液配制基本步骤较全面的钻井液配制的基本流程是设计钻井液的比重，计算所需，钻井液体积，计算膨润土用量，计算用水量，计算加重剂，用量，计算钻井液处理剂的用量配制1、钻井液比重的确定钻井液的比重是为了平衡地层的压力和地层空隙液体压力，理论上是根据HPC或HP0来确定，但实际在地质取心钻探中，PC和P0是未知的，因而就无法计算出钻井液的比重2。通常，在地质取心钻探中，钻井液的比12重都是根据经验来估计的，在地层压力正常的情况下，1000M以下的钻孔，钻井液比重在102108之间，然后再根据实际钻进过程中出现的地层压力异常调整泥浆的比重。2、计算所需钻井液体积所需钻井液的体积总量V是钻孔内钻井液体积V1、地表循环净化系统钻井液体积V2和漏失、其他损耗体积V3的总和，即VV1V2V3。其中，钻孔内钻井液的体积V1可近似为所钻孔的体积；地表循环净化系统钻井液体积V2是泥浆池、沉淀池、循环槽和地面管汇的体积之和；漏失、其他损耗体积V3是根据钻进实际情况所补充钻井液体积2。3、计算膨润土用量配制1M3钻井液所需膨润土重量Q按下式确定4、计算用水量配制1M3钻井液所需用水量VW按下式确定5、计算加重剂的用量钻井液的比重是由固相含量来决定的，固相含量的高低影响着钻速，在地质取心钻探中，钻井液的固相含量高，对钻速降低的程度就高，同时，也容易导致钻井液在钻杆内结成泥皮，造成泵压大幅度波动，从而增加孔内事故发生的机率。在遇到地层压力异常高的情况下，要平衡地层压力就需要提高钻井液的比重，这与钻速是一对矛盾，在这种情况下，就需要用到在钻井液中添加加重剂，使得钻井液在维持现有固相含量的情况下，提高钻井液的比重。加重1M3钻井液所需加重剂的重量W按下式确定6、计算钻井液处理剂的用量处理剂在钻井液的用量较少，按体积计一般只占钻井液总体积的0130，13具体用量是根据不同配方决定。但是要注意处理剂的加量单位，粉剂一般是以单位液体积钻井液中加入的重量来计，液剂是以单位体积钻井液中加入的体积量来计，在一些特殊情况下，还有以单位膨润土重量中加入多少处理剂来计，比如纯碱以及火碱在植物胶钻井液中的加量22水基成膜钻井液成膜效果的评价方法通过认真分析第13节中所提到的五种成膜效果的评价方法，认为这些方法都不能直观的反映出膜的强度，而膜的强度是成膜钻井液的重要性能，如果膜的强度不够，在钻进过程中，钻井液就会刺穿已形成的膜，或者根本无法在孔内形成膜。此外，钻井液是一个复杂的体系，配制钻井液所需的水和钻井液材料产地、质量都会影响到钻井液的性能，而钻探实际情况是因地而异的，比如，配制钻井液所用的水，在各个地方的酸碱度不同，生产单位所选用钻井液的材料都不可能跟室内试验所用的材料一样，由此产生了室内试验与实测性能不一致的问题，甚至会产生较大的差异。因此，室内试验只能作为现场配制钻井液的一个参考，其实用。毕业设计论文代做平台580毕业设计网是专业代做团队也有大量毕业设计成品提供参考WWWBYSJ580COMQQ3449649974常规钻井液性能的测试方法同样可以很好的反映出膜的综合质量的优劣，同时，成膜钻井液不能脱离钻井液这个综合的体系而单独去评价膜的质量，基于此，常规测试钻井液性能的三种方法同样可以用于评价成膜质量的优劣。1滤失量试验在钻井过程中，当钻头钻过渗透性地层时，由于钻井液的液柱压力一般总是大于地层孔隙力，在压差作用下，钻井液的液体便会渗入地层，这种特性常称为钻井液的滤失性。在液体发生渗透的同时，钻井液中的固相颗粒会附着并沉积在井壁上形成一层泥饼，随着泥饼的逐渐加厚以及在压差作用下被压实，会对裸眼井壁有效地起到稳定和保护作用，这就是钻井液的失水造壁性21。大量试验和现场实践表明，由于钻井液的滤失液大多是清水，清水渗入地层中，必然会破坏岩石之间的胶结力，引起水敏性地层坍塌。因此，滤失量是反映钻井液性能优劣的一个重要因素21。滤失量试验不仅能够反映出钻井液失水量的大小，而且对于成膜钻井液，还直观的反映了膜的强度和膜的致密程度，同时也直接反映了膜质量的优劣，是一种简单、快速和实用的评价方法。目前，滤失量的测量仪器主要有，静失水仪、动失水仪以及高温高压失水仪。本论文中，测量钻井液滤失量都采用气压式静失水仪，测试条件是，在07MPA的压差下，过滤断面453CM3，测量75MIN的失水量，然后由75MIN失水量的2倍，作为该钻井液的实际失水量2。2、岩样浸泡试验岩样浸泡试验，就是将岩样在常温、常压下浸泡在钻井液中，其目的是为了反映出钻井液在常温、常压下离子的吸附速度，以及吸附作用形成的高分子膜对岩样的胶结能力，以及对水敏性岩样的抑制能力。试验方案有1将试样浸泡在钻井液中1分钟，然后将试样转移到清水中继续浸泡，是为了反映出高分子膜的吸附速度、膜的致密程度以及钻井液的胶结作用；2将试样浸泡在钻井液中直到岩样坍塌，是为了反映钻井液对水敏性地层的抑制作用效果，也反映了成膜质量；3将试样浸泡在滤失液中，这是为了反映钻井液的滤液侵入地层后所造成的影响。143、膜的承压试膜的承压试验装置就是利用滤失量试验的装置，倒掉容器中的钻井液，换上清水，将滤失试验后的滤饼放在盛液器中，逐渐增加容器内的气压，直至有清水滴出，并测定每滴出1ML清水所需时间。这是一个比较简单的测试膜的强度的试验，能够快速反映出膜的承压强度以及其致密程度，通过被刺穿后的滤饼，还可以直观的反映出膜的破坏方式。4、标准岩心膨胀试验由于岩样的性质差别较大，降低了岩心膨胀量试验的可对比性，为此采用统一制作的标准岩心来做岩心膨胀量试验。标准岩心膨胀试验是在常温、无液柱压力的情况下，通过测定标准岩心的线膨胀量来定量的反映钻井液的抑制性能，对于成膜钻井液来讲，钻井液的抑制性能又可以反映出成膜钻井液所形成的膜结构对水敏性岩层的化学吸附速度、渗析作用、胶结能力以及封堵作用的效果。试验时将制成的标准岩心浸泡在成膜钻井液中，利用高灵敏度的百分表测定标准岩样的纵向膨胀量，膨胀量越小，说明钻井液对水敏性地层的抑制能力越强。标准岩心是根据原地矿部1991年以“部颁标准”颁布的一种测定岩心线膨胀量的方法制作，其制作过程是，称取26G人工钠土，在105110下烘干2H，然后加入4ML蒸馏水搅拌均匀，装入特制压模中匀速加压至20MPA，恒压15分钟，取出后风干4天，等岩样重量在289G左右时，方可用于试验，岩样长度为2905MM。15第3章植物胶成膜钻井液体系的研究31植物胶成膜钻井液的配制方案311植物胶钻井液概述一些野生植物如瓜尔豆、田菁粉、香叶粉、榆树皮、葫芦巴、雷公蒿叶和魔芋粉等，经过一定的加工处理，可以作为钻井液处理剂和压裂液凝胶材料22。植物胶一般来源于野生植物的胚胎和根系，有效成分多为甘露糖和半乳糖，此外还含有纤维、蛋白质以及脂肪。植物胶在加量较少的情况下，可以达到较好的成膜性能、显著的增粘效果和较好的润滑性能等优点，并且在天然条件下可自行降解，因此对环境不产生污染。通过对试验室现有的植物胶进行综合性能的对比，选择性能较好的植物胶作为植物胶成膜钻井液体系的成膜主剂。其试验结果如表31所示。表31各种植物胶性能对比试验结果注表中参数解释见附录A由上表中的对比试验结果中可以看出，KL植物胶在加量较少的情况下，达到了较高的粘度，其剪切稀释作用也较好，因此选用KL植物胶作为植物胶成膜钻井液体系的成膜剂。KL植物胶系成都理工大学泥浆研究室开发的产品。该植物胶源于豆科野皂荚种子的内胚胎，主要成分是半乳甘露聚糖和皂荚油，分别占66和75，平均分子量20600020，外观呈灰白色粉末状，水溶性成分达90以上，制成的无固相钻井液粘度较高，具有较强的粘弹性和润滑性，且对环境无污染。312植物胶成膜钻井液配制方案植物胶成膜钻井液的配制主要分为两大阶段进行。第一阶段，主要通过KL无固相钻井液，掌握其基本性能；第二阶段，是在第一阶段试验结果的基础上，通过添加有机、无机的成膜辅助材料，从而强化其成膜性能。1、第一阶段植物胶成膜钻井液配制方案第一阶段植物胶成膜钻井液配制方案如表32所示。表32第一阶段植物胶成膜钻井液配制方案16第一阶段试验结果如表33所示。由于所配制的为无固相钻井液，失水量为全滤失，因此不必测定其失水量，用简单岩心浸泡试验测定岩心塌落时间来代替失水量试验。岩心采用现场取出的松散砂土样如图31所示。表33第一阶段试验结果注1、表中参数计算及解释见附录A。2、岩样在清水中的塌落时间是17S。岩心塌落时间的试验方法为22节提出的方法。从表33和图32中可以看出，KL植物胶具有良好的润滑性能，且随着KL植物胶加量的增加，岩心塌落的时间也随之增加，说明KL植物胶对泥页岩具有较强的抑制能力，也说明了KL无固相钻井液具有良好的成膜效果。当KL植物胶加量达到8G/L时，KL植物胶钻井液的粘度迅速增加，说明KL植物胶具有显著的增粘效果。17图32KL植物胶加量与粘度和岩心塌落时间关系当KL植物胶的加量为6G/L8G/L之间时，其粘度可在较大范围内进行调整，并且岩心塌落时间相差不大，N值也达到较好的状态，同时考虑到KL植物胶的成本及应用的范围，确定KL植物胶的加量范围为6G/L8G/L。32植物胶成膜钻井液复配方案321植物胶成膜钻井液复配方案从上节中可以看到，虽然KL植物胶成膜钻井液在增粘和抑制泥岩膨胀方面有较强的优势，但仅这些优势是远不够的。在试验过程中，通过对试验现象的观察，发现KL植物胶成膜钻井液虽然粘度较高，但并没有表现出粘弹性，这就意味着，在使用过程中，无疑会增加泥浆泵的负荷，再者KL植物胶成膜钻井液虽有一定的抑制能力，但其抑制能力还有较大的提升空间，为此需要对KL植物胶成膜钻井液的成膜性能进一步改善。根据试验室现有的材料，选用PAM、PVA（速溶型，下同）和NA2SIO3（溶液，下同）作为成膜助剂。PAM主要作用是使KL植物胶成膜钻井液具有粘弹性，在粘度过高时，不至于使泵压剧增；速溶型PVA属聚合醇类化合物，同时也是一种表面活性剂，具有一定的成膜性，可以强化KL植物胶的成膜性能。在正交试验设计中，将KL植物胶、PAM、PVA和NA2SIO3作为考虑的四个因素（表34），每个因素设置两个水平，不考虑各因素间的交互作用，以N值、简单岩心浸泡时间作为主要指标和漏斗粘度作为次要指标来衡量，采用L824正交试验表（附录A）。根据正交试验的结果，通过极差进行因素分析，筛选出最优因素组合，从而选出最佳复配方案。表34因素水平表经过对1和3方案的岩样浸泡时间（1方法），发现岩心完全塌落时间长达数天，因此为加快试验进度，采用第22节提出的简单浸泡试验的1试验18方法先将岩样浸泡在钻井液中1分钟，然后移至清水中浸泡，直至塌落，这种方法直接反映了膜的吸附速度，因而是可行的。成膜助剂对成膜质量的改善试验结果如表35所示。表35正交试验结果由上表中的试验数据中可以看出，KL植物胶成膜钻井液体系的粘度可以有较大范围内调整，且具有良好的润滑性能。对表35的正交试验结果进行流性指标计算，其结果如表36所示。表36流性指标计算结果从上表中可以看出，这8种方案都具有较好的流变性能以及剪切稀释作用。将表35和表36的试验及计算结果汇总到表37中，以加以分析。19表37正交试验结果汇总表通过上表中的正交试验的结果，其极差分析结果如表38所示。表38正交试验极差分析结果20注各参数相关计算见附录A。根据表38计算分析结果，再通过对各项指标的重要性来综合权衡分析确定较为优良的方案。具体分析过程如下因素A对三个指标来看，都是A2较好，且对漏斗粘度和N值，A是主要影响因素，对岩心塌落时间，A是较次要因素，因此根据多数倾向和A因素的影响程度，选取A2。因素B对岩心塌落时间和漏斗粘度，都是B2较好，且对岩心塌落时间，B是主要因素，对漏斗粘度和N值，B都是较次要因素，因此，综合考虑，选取B2。因素C对三个指标，都是C2较好，因此根据大多数倾向和C因素的影响程度，选取C2。因素D对漏斗粘度和N值，都是D2较好，且对N值，D是较为次要影响因素，对岩心塌落时间，D是末位次要因素，因此综合考虑，选取D2。综合上述，通过正交试验，选出了各因素的最佳组合A2B2C2D2，也是KL植物胶成膜钻井液复配的最优方案。对应的复配方案为8G/LKL植物胶1000PPMPHP2G/LPVA10NA2SIO3，即正交试验的第8方案。322标准岩心膨胀试验由上节所选出的最优配制方案的基本性能可以看出，成膜助剂对植物胶成膜钻井液的成膜质量的改善是有明显效果的。由于植物胶成膜钻井液为无固相全失水钻井液，没有成膜介质，因此不能在滤纸上留下滤饼，为了更好的反映这种改善的效果，从标准岩心膨胀试验中体现。根据第22节提出的标准岩心膨胀试验的方法进行试验，试验结果如表39所示。表39标准岩心膨胀试验结果由表39可以看出，在最初的12小时内，标准岩心的膨胀量增长较快，而后膨胀的速度越来越慢。这种变化趋势由图33可以很清楚的看到。在总的48H膨胀试验时间内，标准岩心的膨胀量为540MM。21图33标准岩心膨胀试验由上图可以看出，在12H至48H的时间内，膨胀量与时间呈现较为明显的相关性，因此考虑使用统计学中的回归分析方法，来找出KL植物胶成膜钻井液体系标准岩心膨胀量与时间的关系。回归分析就是用于描述变量与变量之间相关关系的方法。在回归分析中，分别采用线性、二次多项式和三次多项式这三种模型考察膨胀量与时间的拟合程度，最终确定膨胀量与时间之间的关系。根据回归分析计算的方法，将这三种模型方差计算的结果归总如表310所示。表310回归模型方差计算结果22注表中各参数说明及计算见附录B。三种模型的回归拟合曲线与试验数据的对比如图34所示。图34回归拟合曲线由上表回归计算数据和图示，可以清楚的看到，使用三次多项式模型得出的回归方程和三次多项式模型曲线与试验数据点的吻合度比较高，由此得出，KL植物胶成膜钻井液体系标准岩心膨胀量与时间的关系可以表示为综合以上两个试验，可以看出，利用成膜助剂改善后的KL植物胶成膜钻井液的成膜效果比较好，虽然不能形成滤饼，但KL植物胶成膜钻井液的成膜速度比较快，主要是通过化学吸附和渗析作用，抑制泥页岩的水化膨胀。323植物胶交联试验大量试验表明植物胶具有可交联的特性，同样，KL植物胶也具有这种特性。植物胶的交联剂一般是硼酸盐类化合物，如硼酸钠等。适当的交联可使植物胶分子间形成空间网状结构，改善其成膜质量。KL植物胶交联试验采用四硼酸钠作为交联剂，采用黄原胶和NT助剂作为成膜介质，试验结果如表312所示。23表312KL植物胶交联试验结果由上表可以看出，通过用四硼酸钠交联后形成的KL植物胶呈凝胶状，具有很好的粘弹性，虽是滴流状态，但泥浆泵的负荷不会升高。同时失水量由开始时的全失量到失水量达到128ML/30MIN，可见交联作用确实能使KL植物胶分子间形成较致密的空间网状结构。由1和2方案对比中体现了黄原胶是可以与KL植物胶共混，在交联剂的作用下，对KL成膜质量的提高是有效果的。由2和3的方案对比中体现了NT助剂在KL植物胶交联试验中有着重要的作用，改善了KL植物胶钻井液的流动性能，同时，NT助剂也控制了KL植物胶交联的程度。33小结通过本章的试验，可以看出，植物胶成膜钻井液体系具有增粘、润滑、胶结以及较强的抑制能力等诸多优良性能。通过KL植物胶的复配试验，使得植物胶成膜钻井液体系的性能得到较大的提升，同时也表现出较好的粘弹性，一是在粘度较高的情况下，可以不至于引起泵压的剧增，二是这种粘弹性可以起到很好的减震的作用，有效的保护了钻具，三是对岩心的包裹能力增强，提高岩心采取率。由于KL植物胶成分中主要是多糖类化合物，在气温较高或储存湿度过高的情况下极易变质，变质后的钻井液主要表现为粘度急剧下降。而通过交联后的KL植物胶钻井液也存在破胶的情况，即交联后的KL植物胶在三到五天后交联作用消失，粘度急剧下降至与清水相当。因此这也限制了KL植物胶的应用范围，胶交联的程度。KL植物胶无固相钻井液不适用于深孔钻探，主要用了工程地质勘察等不大于200M的孔内，特别适用于地质灾害勘察孔，因为这类孔深大多不超过200M，且多为松散破碎地层，孔内漏失比较严重，且岩心采取率都很低，甚至达不到要求，此时KL植物胶成膜钻井液可以发挥对岩心的包裹能力，提高岩心采取率。而通过在交联后的KL植物胶钻井液中加入一种或几种惰性材料，可以对漏失地层起到很好的