钻井液-第2章--聚合物钻井液20100304

1、第二章第二章 聚合物钻井液聚合物钻井液2-1 概述概述2-2 不分散低固相聚合物钻井液不分散低固相聚合物钻井液2-3 在聚合物钻井液中常用的处理剂在聚合物钻井液中常用的处理剂2-4 聚合物钻井液的理论基础聚合物钻井液的理论基础2-5 两性离子聚合物钻井液两性离子聚合物钻井液2-6 阳离子聚合物钻井液阳离子聚合物钻井液主要内容主要内容2-1 概述概述 6060年代以来，大家认识到钻井液中固相含量是影响钻速年代以来，大家认识到钻井液中固相含量是影响钻速和成本的主要因素，因而近代在钻井液中引入了高聚物絮凝和成本的主要因素，因而近代在钻井液中引入了高聚物絮凝剂，便于地面上清除固相，使钻井效果得到了很好

2、的提高，剂，便于地面上清除固相，使钻井效果得到了很好的提高，提高了钻速、节省了成本。提高了钻速、节省了成本。一、聚合物钻井液的定义一、聚合物钻井液的定义： 广义上地讲，凡是使用线型水溶性聚合物作处理剂广义上地讲，凡是使用线型水溶性聚合物作处理剂的钻井液体系都可成为聚合物钻井液。的钻井液体系都可成为聚合物钻井液。二、聚合物钻井液的分类：二、聚合物钻井液的分类：清水或盐水、油水乳状液、低固相聚合物钻井液清水或盐水、油水乳状液、低固相聚合物钻井液( (包括加重和非包括加重和非加重低固相聚合物钻井液加重低固相聚合物钻井液) )。2、按照聚合物品种分：、按照聚合物品种分：单一丙烯酰胺聚合物钻井液、多种大

3、分子金属盐复合聚合物钻单一丙烯酰胺聚合物钻井液、多种大分子金属盐复合聚合物钻井液、阳离子聚合物钻井液、两性离子聚合物钻井液。井液、阳离子聚合物钻井液、两性离子聚合物钻井液。3、从使用角度分：、从使用角度分：聚合物快速钻井液、聚合物防塌钻井液、保护油气层的钻井完聚合物快速钻井液、聚合物防塌钻井液、保护油气层的钻井完井液、聚合物深井钻井液等。井液、聚合物深井钻井液等。1、按照活性固相含量高低分：、按照活性固相含量高低分：三、聚合物钻井液的应用三、聚合物钻井液的应用 1966 1966年，泛美石油公司在加拿大西部油田首次系统年，泛美石油公司在加拿大西部油田首次系统地使用了这种不分散低固相聚合物钻井液

4、，大幅度提高地使用了这种不分散低固相聚合物钻井液，大幅度提高了钻速。了钻速。 60 60年代前期，每台钻机一年能打年代前期，每台钻机一年能打2 2万米。万米。6060年代后年代后期，每台钻机一年能打期，每台钻机一年能打3 3万米。万米。 在我国，在我国，7373年首先在胜利油田使用，使钻速得到很年首先在胜利油田使用，使钻速得到很大的提高。目前，我国在各种聚合物钻井液体系的基础大的提高。目前，我国在各种聚合物钻井液体系的基础研究、新产品开发和推广应用方面，已接近或达到世界研究、新产品开发和推广应用方面，已接近或达到世界先进水平。先进水平。四、不分散低固相聚合物钻井液的特点四、不分散低固相聚合物钻

5、井液的特点不分散低固相聚合物钻井液包括两个要求：不分散低固相聚合物钻井液包括两个要求： “不分散不分散”：指钻井液中包含的各种固相粒子的粒度分布，：指钻井液中包含的各种固相粒子的粒度分布，一直保持在所需的范围内，不再进一步分散；钻井液对新一直保持在所需的范围内，不再进一步分散；钻井液对新钻出岩屑的进一步分散起抑制作用。钻出岩屑的进一步分散起抑制作用。低固相低固相”：指钻井液中低密度活性固相的含量较抵：指钻井液中低密度活性固相的含量较抵( (主要主要指膨润土指膨润土) )。 不分散是为了尽量减少小于一微米颗粒的含量，提高钻不分散是为了尽量减少小于一微米颗粒的含量，提高钻速。低固相则是要求包被所有

6、的钻屑，阻止其分散变细，利速。低固相则是要求包被所有的钻屑，阻止其分散变细，利于地面清除。于地面清除。五、聚合物钻井液的优点五、聚合物钻井液的优点1 1、无用固相少，钻井液密度低，压差小；、无用固相少，钻井液密度低，压差小；2 2、岩屑较粗，固相体积含量较小；、岩屑较粗，固相体积含量较小；3 3、由于聚合物的增效作用，使膨润土造浆率高，因而膨润土、由于聚合物的增效作用，使膨润土造浆率高，因而膨润土可以很低，亚微米颗粒含量少；可以很低，亚微米颗粒含量少；4 4、剪切稀释特性好，钻头水眼处的粘度低；、剪切稀释特性好，钻头水眼处的粘度低；5 5、具有较强的携砂能力，有利于井眼清洁；、具有较强的携砂能

7、力，有利于井眼清洁；6 6、由于聚合物的抑制和包被作用，可以保持较好的井眼稳定性；、由于聚合物的抑制和包被作用，可以保持较好的井眼稳定性；7 7、能减少油气层损害，有利于保护生产层。、能减少油气层损害，有利于保护生产层。8 8、能抗高温。、能抗高温。六、聚合物钻井液的缺点六、聚合物钻井液的缺点1 1、钻速快时，固相不能及时清除；、钻速快时，固相不能及时清除；2 2、配制容易，维护困难；、配制容易，维护困难；3 3、在大多数情况下，固控设备不能配套；、在大多数情况下，固控设备不能配套；4 4、受聚合物特性限制，抗温能力有限；、受聚合物特性限制，抗温能力有限；5 5、静切力大，电测困难；、静切力大

8、，电测困难；6 6、静滤失量与滤饼质量之间难以兼顾，滤饼虚；、静滤失量与滤饼质量之间难以兼顾，滤饼虚；7 7、在造浆地层，不易真正实现低固相。、在造浆地层，不易真正实现低固相。 所以，在国外聚合物钻井液只占所以，在国外聚合物钻井液只占20%，一般情况下，一般情况下，对于软地层对于软地层(即：即：V钻钻22.86m/h的地层的地层)，因为岩屑多，不，因为岩屑多，不宜使用聚合物钻井液。宜使用聚合物钻井液。七、聚合物钻井液的发展概况七、聚合物钻井液的发展概况A、国外发展概况、国外发展概况 58 58年首次合成年首次合成PAMPAM，使钻速得到提高，但，使钻速得到提高，但PAMPAM对膨润土也絮对膨润

9、土也絮凝，人们称这种钻井液为凝，人们称这种钻井液为“无法控制的低固相钻井液无法控制的低固相钻井液”。 60 60年代以后，人们对年代以后，人们对PAMPAM进行了深入的研究，制成水解进行了深入的研究，制成水解PAMPAM和醋酸乙烯脂与马来酸酐的共聚物和醋酸乙烯脂与马来酸酐的共聚物(VAMA)(VAMA)，使聚合物钻井液的，使聚合物钻井液的性能得到很好的改善。性能得到很好的改善。 在加拿大、美国等地钻井，使钻速得到了很大的提高，在加拿大、美国等地钻井，使钻速得到了很大的提高，并节省了成本。并节省了成本。 七、聚合物钻井液的发展概况七、聚合物钻井液的发展概况B、国内发展概况、国内发展概况 1 1、

10、初级使用阶段、初级使用阶段(73(737878年年) )7373年山大与胜利油田合作，首次把年山大与胜利油田合作，首次把PHPPHP引入到钻井液，钻速得引入到钻井液，钻速得到了提高，成本也得到了降低。到了提高，成本也得到了降低。2 2、大分子金属盐复配阶段、大分子金属盐复配阶段(79(798585年年) )油科院先后研制成功了油科院先后研制成功了80A80A、PACPAC和和143143和和SKSK三个系列共三个系列共1111个新产品，个新产品，解决了不配套，所达性能指标较低，不适用于深井的问题。解决了不配套，所达性能指标较低，不适用于深井的问题。3 3、流变参数优选阶段、流变参数优选阶段(8

11、6(86现在现在) )针对钻头水眼处的粘度较高、滤饼软、静切力大三大难题，针对钻头水眼处的粘度较高、滤饼软、静切力大三大难题，西南石油学院首先进行了探索，得到了很大的进展。西南石油学院首先进行了探索，得到了很大的进展。2-2 不分散低固相聚合物钻井液不分散低固相聚合物钻井液 不分散型钻井液：以具有包被、絮凝能力聚合物为主要不分散型钻井液：以具有包被、絮凝能力聚合物为主要处理剂，通过机械和化学手段，有效地控制钻井液中固相含处理剂，通过机械和化学手段，有效地控制钻井液中固相含量和固体颗粒的粒度分布，使钻井效率大幅度提高。量和固体颗粒的粒度分布，使钻井效率大幅度提高。不分散不分散固相颗粒保持所需的粒

12、度范围内不分散；固相颗粒保持所需的粒度范围内不分散；低固相低固相粘土含量要低。粘土含量要低。 维护钻井液中固相的合理粒度级配，尽量减少亚微米颗维护钻井液中固相的合理粒度级配，尽量减少亚微米颗粒的含量，以保持优良性能。利用聚合物分子包被所用岩屑粒的含量，以保持优良性能。利用聚合物分子包被所用岩屑以便于清除，实现低固相，达到提高钻速的目的。以便于清除，实现低固相，达到提高钻速的目的。影响影响 一、钻井液组成、性能对钻速的影响一、钻井液组成、性能对钻速的影响1、压差、压差 P的影响的影响压差：钻井液液柱压力与地层流体压力之差。压差：钻井液液柱压力与地层流体压力之差。 浆浆PV钻速钻速 原因：井底压差

13、对刚破碎的岩屑有压持作用，阻碍了井原因：井底压差对刚破碎的岩屑有压持作用，阻碍了井底岩屑的及时清除，影响钻头的破岩效率。底岩屑的及时清除，影响钻头的破岩效率。2、粘度、粘度 影响钻速的粘度是指钻头喷嘴处紊流情况下的钻井液粘度。影响钻速的粘度是指钻头喷嘴处紊流情况下的钻井液粘度。(1) 粘度粘度压耗压耗 Q 、井底功率、井底功率钻速钻速 ；(2) 粘度粘度环空静水压头环空静水压头相当于相当于钻速钻速 ；(3) 粘度粘度时，钻速时，钻速 。一、钻井液组成、性能对钻速的影响一、钻井液组成、性能对钻速的影响3、滤失量、滤失量B(1)B岩石强度岩石强度钻速钻速 ；(2)BP孔孔P钻速钻速 ；(3)架桥粒

14、子浓度架桥粒子浓度C B瞬瞬钻速钻速 。只要只要C和和 保持很低，即使使用低保持很低，即使使用低B，仍能获得大的钻速。，仍能获得大的钻速。一、钻井液组成、性能对钻速的影响一、钻井液组成、性能对钻速的影响4、固相含量、固相含量固含固含 、P液液钻速钻速 。(1)惰性固相惰性固相(加重剂加重剂)，对钻速影响小；，对钻速影响小；(2)岩屑、劣质土，对钻速影响居中；岩屑、劣质土，对钻速影响居中；(3)活性土、高造浆率土活性土、高造浆率土(粘土类粘土类)，对钻速的影响大。，对钻速的影响大。小于小于1微米的固相颗粒对钻速影响为粗颗粒的微米的固相颗粒对钻速影响为粗颗粒的13倍，故钻井倍，故钻井液中亚微米颗粒

15、越多，钻速降低得越严重。液中亚微米颗粒越多，钻速降低得越严重。因为固含影响因为固含影响 、 P、B等，故固含是影响钻速的直接因素。等，故固含是影响钻速的直接因素。一、钻井液组成、性能对钻速的影响一、钻井液组成、性能对钻速的影响二、达到不分散低固相的措施二、达到不分散低固相的措施1、固控设备：、固控设备：振动筛振动筛除砂剂除砂剂 除泥剂除泥剂 超级旋流器超级旋流器旋流分离器旋流分离器 沉降离心机、转筒离心机沉降离心机、转筒离心机离心分离机离心分离机 n1 1）振动筛）振动筛（Shale shakersShale shakers）n2 2）旋流器（）旋流器（HydrocyclonesHydrocy

16、clones）n结构组成结构组成n支架、锥体、砂泵支架、锥体、砂泵n类型类型n除砂器（除砂器（DesanderDesander）n除泥器（除泥器（DesilterDesilter）n超级旋流器超级旋流器n工作原理工作原理n影响因素影响因素n 流量流量( (压力压力) )n 尺寸尺寸n主要参数主要参数n 处理量处理量n 底流密度底流密度n 底流形状底流形状n3 3）离心机（）离心机（Decanting centrifugesDecanting centrifuges）结构组成结构组成外筒、内筒、离心泵、电机外筒、内筒、离心泵、电机类型类型标准离心机标准离心机高速离心机高速离心机n3 3）离心机（

17、）离心机（Decanting centrifugesDecanting centrifuges）n工作原理工作原理内、外筒内、外筒同向高速向旋同向高速向旋转转, ,离心力使岩离心力使岩屑甩向外筒壁。屑甩向外筒壁。由于内外筒转由于内外筒转速差异产生的速差异产生的螺旋推力，使螺旋推力，使岩屑推向排屑岩屑推向排屑端。液体从排端。液体从排液端返回。液端返回。n固控设备的正确使用固控设备的正确使用n合理配置合理配置n振动筛振动筛+ +除砂器除砂器+ +除泥器除泥器n振动筛振动筛+ +除砂器除砂器+ +除泥器除泥器+ +离心机离心机n振动筛振动筛+ +除砂器除砂器+ +清洁器清洁器n注意使用顺序注意使用顺

18、序n大颗粒大颗粒小颗粒小颗粒n设备处理能力设备处理能力n按钻井液最大排量的按钻井液最大排量的125%125%配备配备2、化学方法、化学方法絮凝絮凝利用高聚物的吸附桥联作用，絮凝清除钻井液中较小的固体颗粒。利用高聚物的吸附桥联作用，絮凝清除钻井液中较小的固体颗粒。 (1)(1)絮凝剂分类絮凝剂分类a、压缩双电层；、压缩双电层；b、有机类：吸附架桥作用。高分子有旋转运动，可把吸附、有机类：吸附架桥作用。高分子有旋转运动，可把吸附粘土的高分子链缠在一起。粘土的高分子链缠在一起。(a)(a)完全絮凝剂：粘土、岩屑全部絮凝。如：完全絮凝剂：粘土、岩屑全部絮凝。如：PAMPAM；(b)(b)增效选择性絮凝

19、剂：只絮凝岩屑，增效是指还增加钻井液的增效选择性絮凝剂：只絮凝岩屑，增效是指还增加钻井液的粘度。如：粘度。如：VAMAVAMA；(c)(c)非增效选择性絮凝剂：只絮凝岩屑，对钻井液的粘度不增加。非增效选择性絮凝剂：只絮凝岩屑，对钻井液的粘度不增加。二、达到不分散低固相的措施二、达到不分散低固相的措施(2)(2)选择性絮凝剂选择性絮凝剂 PHP水解度水解度H=30%时，絮凝效果最好。时，絮凝效果最好。 Hn 、 0/ p 、 水眼略有上升；水眼略有上升；分子量分子量M水眼水眼 、 0/ p 、n变化不正常。变化不正常。不易吸附于不易吸附于PHP上上(电性斥力大电性斥力大)粘土：水化膜厚，带负电量

20、大粘土：水化膜厚，带负电量大膨润土：水化膜厚，带负电量大膨润土：水化膜厚，带负电量大岩屑：水化膜薄，带负电量小，易吸附于岩屑：水化膜薄，带负电量小，易吸附于PHP上上(电性斥力小电性斥力小)。二、达到不分散低固相的措施二、达到不分散低固相的措施(3)(3)絮凝效果评价絮凝效果评价a、形成一定清液所需要的时间；、形成一定清液所需要的时间；b、找最佳絮凝值、找最佳絮凝值C佳。佳。12211VdVDdVC佳式中：式中：V1絮凝剂溶液体积；絮凝剂溶液体积； d1絮凝剂溶液比重；絮凝剂溶液比重； D絮凝剂百分含量；絮凝剂百分含量； V2钻井液体积；钻井液体积； d2钻井液比重。钻井液比重。相同聚合物不同

21、盐基絮凝能力大小为：相同聚合物不同盐基絮凝能力大小为：K+NH4+Na+Ca2+ 如：如：K-PAMNa-PAM等。等。二、达到不分散低固相的措施二、达到不分散低固相的措施三、不分散低固相聚合物钻井液组成和性能指标三、不分散低固相聚合物钻井液组成和性能指标1、组成：淡水、膨润土、高聚物、组成：淡水、膨润土、高聚物(选择性絮凝剂选择性絮凝剂)、有、有 时还有降滤失剂组成。时还有降滤失剂组成。 2、性能指标、性能指标 ( (1)固含量不大于固含量不大于5%(指体积百分数指体积百分数)； (2)岩屑与膨润土含量之间的比值不超过岩屑与膨润土含量之间的比值不超过2：1； (3) 0(Pa)/ p(mPa

22、.s)约约0.30.5左右；左右； (4)pH值保持在值保持在78.5之间；之间； (5) 0一般达一般达1529mg/cm2时，效果最佳；对于加重时，效果最佳；对于加重钻井液体系则应注意保持重晶石的悬浮。钻井液体系则应注意保持重晶石的悬浮。(6)滤失量以保持井壁稳定，井下正常为宜。滤失量以保持井壁稳定，井下正常为宜。(7)在整个钻井过程中，基本不用有机分散剂。在整个钻井过程中，基本不用有机分散剂。 3、不分散钻井液体系处理剂的选用原则、不分散钻井液体系处理剂的选用原则(1)采用单一的处理剂是不可能满足不分散性钻井液所需采用单一的处理剂是不可能满足不分散性钻井液所需性能的要求，应将处理剂复配使

23、用；性能的要求，应将处理剂复配使用； (2)复配的基本原则应该是大分子复配的基本原则应该是大分子(分子量为分子量为200万以上万以上)与中、小分子与中、小分子(分子量为分子量为60万以内万以内)相结合。相结合。 大分子控制固相、稳定井壁及改善流型大分子控制固相、稳定井壁及改善流型 小分子降滤失及改善滤饼质量；小分子降滤失及改善滤饼质量；(3)处理剂的配比及加量应根据具体要求加以调整；处理剂的配比及加量应根据具体要求加以调整； 三、不分散低固相聚合物钻井液组成和性能指标三、不分散低固相聚合物钻井液组成和性能指标(4)应根据不同盐基的特性加以选用。应根据不同盐基的特性加以选用。 如：钠盐适合淡水及

24、微咸水钻井液，钙盐适用于如：钠盐适合淡水及微咸水钻井液，钙盐适用于海水、咸水钻井液，而钾盐适用于防塌。海水、咸水钻井液，而钾盐适用于防塌。(5)基浆固相含量高、粘切大时，大分子比例要低，基浆固相含量高、粘切大时，大分子比例要低， 因为大分子的增绸效应大，不易控制。因为大分子的增绸效应大，不易控制。造浆能力强的地层造浆能力强的地层 大分子处理剂为主大分子处理剂为主 抑制能力抑制能力 渗透性好的地层渗透性好的地层 小分子处理剂为主小分子处理剂为主 提高造壁性能提高造壁性能改善滤饼质量改善滤饼质量 三、不分散低固相聚合物钻井液组成和性能指标三、不分散低固相聚合物钻井液组成和性能指标四、不分散钻井液配

25、方的组配四、不分散钻井液配方的组配由于各种处理剂的分子量不同、结构不同，则在钻井液中所起的作用也由于各种处理剂的分子量不同、结构不同，则在钻井液中所起的作用也不同，必须了解各种处理剂的性能特点，取长补短，进行组配。不同，必须了解各种处理剂的性能特点，取长补短，进行组配。1 1、作为降滤失剂，分子量要求小一些，一般分子量在、作为降滤失剂，分子量要求小一些，一般分子量在5 52020万左右，同时具有水化能力较强的阴离子官能团；万左右，同时具有水化能力较强的阴离子官能团； 2 2、作为降粘剂，要求比降滤失剂更小的分子量，同、作为降粘剂，要求比降滤失剂更小的分子量，同时具有更多的水化基团；时具有更多的

26、水化基团；3 3、作为流型改进剂或抑制包被剂，则要其分子量较大，同时具有、作为流型改进剂或抑制包被剂，则要其分子量较大，同时具有吸附性较强的非离子官能团，或一定数量的阳离子官能团；吸附性较强的非离子官能团，或一定数量的阳离子官能团；4 4、当钻井液使用高矿化度水时，选用含有磺酸基团或含有极、当钻井液使用高矿化度水时，选用含有磺酸基团或含有极性较强的非离子基团处理剂，而尽量不用含有羧基的；性较强的非离子基团处理剂，而尽量不用含有羧基的； 5 5、当钻井液处于高温时，选用带有苯乙烯和适当烷基的乙烯基单体，、当钻井液处于高温时，选用带有苯乙烯和适当烷基的乙烯基单体，而避免用醚链联结的聚合物。而避免用

27、醚链联结的聚合物。五、流变参数优选技术及有关计算五、流变参数优选技术及有关计算1、常用的流变模式、常用的流变模式宾汉模式：宾汉模式： 0 pD 幂律模式：幂律模式： KDn 带屈服值的幂律模式带屈服值的幂律模式(Herchel-Bulkley模式模式)： 0KDn 卡森模式：卡森模式： 12121212cD12121212cD或或 2、流变参数优选技术、流变参数优选技术循环压耗循环压耗 钻井液排量不能太大钻井液排量不能太大 环空中的上返速度环空中的上返速度 效地携带岩屑效地携带岩屑 钻井液在环空应有较高的有效粘度钻井液在环空应有较高的有效粘度 井壁冲蚀井壁冲蚀 平板型层流平板型层流 为了提高喷

28、射钻井的效率，必须要求钻井液在井下循环过程为了提高喷射钻井的效率，必须要求钻井液在井下循环过程中，不同部位所具有的不同粘度间应有一个最优组合。必须进行中，不同部位所具有的不同粘度间应有一个最优组合。必须进行流变参数优选，包括紊流条件下的流变参数优选。流变参数优选，包括紊流条件下的流变参数优选。 五、流变参数优选技术及有关计算五、流变参数优选技术及有关计算(1)流变参数优选的定量表示流变参数优选的定量表示Eckels曾对此进行了理论计算，结论是：为更好地发挥喷曾对此进行了理论计算，结论是：为更好地发挥喷射钻井的效果，钻井液应具有以下的流变参数组合。射钻井的效果，钻井液应具有以下的流变参数组合。

29、环环1530mPa.s； 26mPa.s(816mPa.s)； c530mg/cm2 0.53Pa(0.30.5Pa)； Im300600(100280)； 00360478pPamPa s . .括号内为第一、二代的聚合物钻井液的参数。括号内为第一、二代的聚合物钻井液的参数。 五、流变参数优选技术及有关计算五、流变参数优选技术及有关计算对于非加重钻井液：对于非加重钻井液： p512mPa.s； 01.414.4Pa； 对于加重钻井液：对于加重钻井液：P119121中的中的4个图；个图；能悬浮重晶石的最低初始静切力能悬浮重晶石的最低初始静切力 s1.44Pa。对于第一、二代的聚合物钻井液，对于

30、第一、二代的聚合物钻井液， 、 c、Im总是难以总是难以兼顾。当兼顾。当 降低时降低时(膨润土含量降低膨润土含量降低)， c和和Im也降低。也降低。 五、流变参数优选技术及有关计算五、流变参数优选技术及有关计算(2)流变参数计算流变参数计算1260012100121195. (mPa.s)1/2 c1210012126001204755 6.(Pa)1/2 Imc 1100122Imc 11000122 其中：mPa.s c：dyn/cm2 其中：mPa.s c：Pa五、流变参数优选技术及有关计算五、流变参数优选技术及有关计算环环环DDVDDnnwp环12213VQDDwp400022泵Dw：

31、井眼直径，：井眼直径，cm；Dp：钻具直径，：钻具直径，cm；n：流性指数；：流性指数；V：平均流速，：平均流速，cm/s；Q泵：钻井液泵排量，泵：钻井液泵排量，l/s； 环则根据流变模式来计算。环则根据流变模式来计算。s-1 五、流变参数优选技术及有关计算五、流变参数优选技术及有关计算3、其它有关计算、其它有关计算(1)不同流体雷诺数和临界流速的计算不同流体雷诺数和临界流速的计算(都是在环空中的雷诺数都是在环空中的雷诺数)a、宾汉流体：、宾汉流体：雷诺数的计算雷诺数的计算 Re DDVDDVpp2102118式中：式中：D1内管的外直径，内管的外直径，cm； D2外管的内直径，外管的内直径，

32、cm； p泊泊(=dyn.s/cm2)； 0dyn/cm2； g/cm3； Vcm/s。五、流变参数优选技术及有关计算五、流变参数优选技术及有关计算 (b)临界流速临界流速Vk的计算的计算Vg DDg DDkpp1010141023212021式中：式中：D1内管的外直径，内管的外直径，cm； D2外管的内直径，外管的内直径，cm； p泊泊(=dyn.s/cm2)； 0dyn/cm2； g/cm3； g980cm/s2。五、流变参数优选技术及有关计算五、流变参数优选技术及有关计算b、幂律流体：、幂律流体：Re 122131212nnnnDDVKnnVKnng DDknnnn2021312001

33、2112雷诺数雷诺数 临界流速临界流速 式中：D1内管的外直径，cm；D2外管的内直径，cm；g/cm3；V cm/s；Kdyn.sn/cm2；g980cm/s2。五、流变参数优选技术及有关计算五、流变参数优选技术及有关计算 c、卡森模式雷诺数的计算、卡森模式雷诺数的计算 Re DDVDDVDDVcc212211221122120053 d、带屈服值的幂律模式雷诺数的计算、带屈服值的幂律模式雷诺数的计算 Re 1213121211412121210KnnDDVnnnDDVKnnnnnnn式中：D1内管的外直径，cm；D2外管的内直径，cm；g/cm3；V cm/s；泊(dyn.s/cm2)；c

34、dyn/cm2。 0dyn/cm2； Kdyn.sn/cm2。五、流变参数优选技术及有关计算五、流变参数优选技术及有关计算(2)钻井液循环一周所需要的时间钻井液循环一周所需要的时间a、处理钻井液时加药一个循环周所需时间计算、处理钻井液时加药一个循环周所需时间计算TVQ60泵式中：Tmin； V钻井液循环量，l或m3； Q泵l或m3/s。b、由入井口到出井口所需的循环时间计算、由入井口到出井口所需的循环时间计算TVVQ井柱泵60V井井眼容积，l或m3；V柱钻柱容积，l或m3；Q泵l或m3/s。五、流变参数优选技术及有关计算五、流变参数优选技术及有关计算(3)钻井液上返速度计算钻井液上返速度计算V

35、QDd返泵井柱12722. 式中：式中：V返返m/s； D井、井、d柱柱cm； Q泵泵l/s。五、流变参数优选技术及有关计算五、流变参数优选技术及有关计算(1) 聚丙烯酰胺及衍生物聚丙烯酰胺及衍生物聚丙烯酰胺聚丙烯酰胺（PAM）相对分子量相对分子量100500万万 絮凝剂絮凝剂1090万万 降滤失剂降滤失剂10万以下万以下 稳定剂稳定剂部分水解聚丙烯酰部分水解聚丙烯酰胺（胺（PHPA）水解聚丙烯腈水解聚丙烯腈水解度水解度60-70% 60-70% 降滤失降滤失 堵漏堵漏20-40% 20-40% 絮凝剂絮凝剂做降滤失剂，羧基含量在做降滤失剂，羧基含量在70-80%。2-3 在聚合物钻井液中常用

36、的处理剂在聚合物钻井液中常用的处理剂水解聚丙烯腈铵盐水解聚丙烯腈铵盐NH4-HPAN抗高温降滤失剂，也是一种较好的防塌剂。抗高温降滤失剂，也是一种较好的防塌剂。聚丙烯酸钙聚丙烯酸钙抗抗Ca2+、Mg2+降滤失剂，改善钻井液流变性。降滤失剂，改善钻井液流变性。磺甲基化聚磺甲基化聚丙烯酰胺丙烯酰胺SPAM高温降滤失剂，也具有一定的防塌和改善钻井液流变性的能力。高温降滤失剂，也具有一定的防塌和改善钻井液流变性的能力。2-3 在聚合物钻井液中常用的处理剂在聚合物钻井液中常用的处理剂（2）醋酸乙烯酯）醋酸乙烯酯-顺丁烯二酸酐共聚物（顺丁烯二酸酐共聚物（VAMA）选择性絮凝剂选择性絮凝剂对膨润土不絮凝，还

37、可以增效。对膨润土不絮凝，还可以增效。对钻屑和劣质土迅速絮凝对钻屑和劣质土迅速絮凝（3）磺化苯乙烯）磺化苯乙烯-顺丁烯二酸酐共聚物（顺丁烯二酸酐共聚物（SSMA）优良的降粘剂优良的降粘剂很强的抗温抗盐能力，抗高温至很强的抗温抗盐能力，抗高温至260以上。以上。2-3 在聚合物钻井液中常用的处理剂在聚合物钻井液中常用的处理剂聚合物在钻井液中颗粒上的聚合物在钻井液中颗粒上的吸附是其发挥作用的前提吸附是其发挥作用的前提。当一个高。当一个高分子同时吸附在几个颗粒上，而一个颗粒又可同时吸附几个高分子分子同时吸附在几个颗粒上，而一个颗粒又可同时吸附几个高分子时，就会形成网络结构，聚合物的这种作用称为时，就

38、会形成网络结构，聚合物的这种作用称为桥联作用桥联作用。当高分。当高分子链吸附在一个颗粒上，并将其覆盖包裹时，称为子链吸附在一个颗粒上，并将其覆盖包裹时，称为包被作用包被作用。桥联。桥联和包被是聚合物在钻井液中的两种不同的吸附状态。只是吸附状态和包被是聚合物在钻井液中的两种不同的吸附状态。只是吸附状态不同，产生的作用也不同，如桥联作用易导致絮凝和增粘等，而包不同，产生的作用也不同，如桥联作用易导致絮凝和增粘等，而包被作用对抑制钻屑分散有利。被作用对抑制钻屑分散有利。2-4聚合物处理剂的主要作用机理聚合物处理剂的主要作用机理 (1)桥联与包被作用桥联与包被作用(2)絮凝作用絮凝作用2-4聚合物处理

39、剂的主要作用机理聚合物处理剂的主要作用机理 当聚合物在钻井液中主要发生桥联吸附时，会将一些细颗粒聚结在当聚合物在钻井液中主要发生桥联吸附时，会将一些细颗粒聚结在一起形成粒子团，这种作用称为一起形成粒子团，这种作用称为絮凝作用絮凝作用，相应的聚合物称为絮凝剂。，相应的聚合物称为絮凝剂。形成的絮凝块易于靠重力沉降或固控设备清除，有利于维持钻井液的低形成的絮凝块易于靠重力沉降或固控设备清除，有利于维持钻井液的低固相。所以，固相。所以，絮凝作用是钻井液实现低固相和不分散的关键絮凝作用是钻井液实现低固相和不分散的关键。 根据絮凝效果和对钻井液性能的影响，絮凝剂又可分为两类：一根据絮凝效果和对钻井液性能的

40、影响，絮凝剂又可分为两类：一是是全絮凝剂全絮凝剂；二是；二是选择性絮凝剂选择性絮凝剂。 增粘剂多用于低固相和无固相水基钻井液，以提高悬浮增粘剂多用于低固相和无固相水基钻井液，以提高悬浮力和携带力。增粘作用的机理，一是游离力和携带力。增粘作用的机理，一是游离(未被吸附未被吸附)聚合物聚合物分子能分子能增加水相的粘度，增加水相的粘度，二是聚合物的桥联作用形成的网络二是聚合物的桥联作用形成的网络结构能结构能增强钻井液的结构粘度增强钻井液的结构粘度。2-4聚合物处理剂的主要作用机理聚合物处理剂的主要作用机理 (3)增粘作用增粘作用常用的增粘剂有相对分子质量较高的常用的增粘剂有相对分子质量较高的PHPA

41、和高粘度型和高粘度型羧甲基纤维素羧甲基纤维素(CMC)等。等。2-4聚合物处理剂的主要作用机理聚合物处理剂的主要作用机理 钻井液滤失量的大小主要决定于钻井液滤失量的大小主要决定于泥饼的质量泥饼的质量(渗透率渗透率)和和滤液滤液的粘度的粘度。降滤失作用主要是通过降低泥饼的渗透率来实现的。聚。降滤失作用主要是通过降低泥饼的渗透率来实现的。聚合物降滤失剂的作用机理主要取决于以下几方面：合物降滤失剂的作用机理主要取决于以下几方面： (4)降滤失作用降滤失作用a. a. 保持钻井液中的粒子具有保持钻井液中的粒子具有合理的粒度分布，使泥饼致密合理的粒度分布，使泥饼致密。b. b. 提高粘土颗粒的水化程度提

42、高粘土颗粒的水化程度。c. c. 聚合物降滤失剂的分子大小在胶体颗粒的范围内，聚合物降滤失剂的分子大小在胶体颗粒的范围内，本身可本身可对对 泥饼起堵孔作用，使泥饼致密泥饼起堵孔作用，使泥饼致密。d. d. 降滤失剂可降滤失剂可提高滤液粘度提高滤液粘度，从而降低滤失量。，从而降低滤失量。 聚合物在钻屑表面的包被和吸附是阻止钻屑分散的主要聚合物在钻屑表面的包被和吸附是阻止钻屑分散的主要原因。包被能力越强，对钻屑分散的抑制作用也越强。原因。包被能力越强，对钻屑分散的抑制作用也越强。(5)抑制与防塌作用抑制与防塌作用 聚合物具有良好的防塌作用，其原因有以下两个方面：聚合物具有良好的防塌作用，其原因有以

43、下两个方面：一是长链聚合物在泥页岩井壁表面发生多点吸附，封堵了微一是长链聚合物在泥页岩井壁表面发生多点吸附，封堵了微裂缝，可阻止泥页岩剥落；二是聚合物浓度较高时，在泥页裂缝，可阻止泥页岩剥落；二是聚合物浓度较高时，在泥页岩井壁上形成较为致密的吸附膜，可阻止或减缓水进入泥页岩井壁上形成较为致密的吸附膜，可阻止或减缓水进入泥页岩，对泥页岩的水化膨胀有一定的抑制作用。岩，对泥页岩的水化膨胀有一定的抑制作用。2-4聚合物处理剂的主要作用机理聚合物处理剂的主要作用机理 聚合物钻井液的结构主要由粘土颗粒与粘土颗粒、粘土颗粒聚合物钻井液的结构主要由粘土颗粒与粘土颗粒、粘土颗粒与聚合物和聚合物与聚合物之间的相

44、互作用组成，降粘剂就是拆与聚合物和聚合物与聚合物之间的相互作用组成，降粘剂就是拆散这些结构中的部分结构而起降粘作用的。降粘作用的机理主要散这些结构中的部分结构而起降粘作用的。降粘作用的机理主要有以下几个方面：有以下几个方面：2-4聚合物处理剂的主要作用机理聚合物处理剂的主要作用机理 (6)降粘作用降粘作用A A、降粘剂可吸附在粘土颗粒带正电荷的边缘上，使其放出包裹、降粘剂可吸附在粘土颗粒带正电荷的边缘上，使其放出包裹着的自由水，降低体系的粘度着的自由水，降低体系的粘度B B、可有效地拆散粘土与聚合物间的结构，从而具有明显的降粘作用。、可有效地拆散粘土与聚合物间的结构，从而具有明显的降粘作用。2

45、-4聚合物处理剂的主要作用机理聚合物处理剂的主要作用机理 综上所述，聚合物处理剂的作用机理与其它相综上所述，聚合物处理剂的作用机理与其它相对分子质量较低的处理剂的作用机理有其共同之处，对分子质量较低的处理剂的作用机理有其共同之处，但也有很大的区别。通过对作用机理的深入研究，但也有很大的区别。通过对作用机理的深入研究，一方面可为今后新型处理剂的研制提供理论依据，一方面可为今后新型处理剂的研制提供理论依据，另一方面可对聚合物处理剂在现场的合理使用起重另一方面可对聚合物处理剂在现场的合理使用起重要的指导作用。要的指导作用。2-5 两性离子聚合物钻井液两性离子聚合物钻井液一、研制的依据一、研制的依据造

46、浆井浆造浆井浆、上升很快上升很快 常规降粘剂常规降粘剂 结构粘度结构粘度(AV、YP、GS) 非结构粘度非结构粘度、. 、固含、固含 大量加水冲稀大量加水冲稀 大量放钻井液大量放钻井液 消耗了大量处理剂消耗了大量处理剂 增加了劳动强度增加了劳动强度 解决这个问题的关键是：研制一种新型聚合物降粘剂，它在解决这个问题的关键是：研制一种新型聚合物降粘剂，它在降低结构粘度降低结构粘度(AV、PV、GS)的同时，的同时，也能降低也能降低，且且不削弱最好能增强体系的抑制能力，使降粘和抑制统一。不削弱最好能增强体系的抑制能力，使降粘和抑制统一。二、主要处理剂二、主要处理剂1.降粘剂降粘剂以以XY系列为主，以

47、系列为主，以XY27为代表。为代表。分子结构特点分子结构特点 分子量小分子量小 分子链中含有阴、阳、非离子基团分子链中含有阴、阳、非离子基团是线性两性聚合物，它对岩屑有很强的抑制能力是线性两性聚合物，它对岩屑有很强的抑制能力 2.强包被剂强包被剂(FA系列系列)FA是两性离子线性聚合物，相对分子量较大（是两性离子线性聚合物，相对分子量较大（100250万）万）在抑制能力，增粘性能，降滤失等性能方面与英国在抑制能力，增粘性能，降滤失等性能方面与英国Alcomer507，Alcomer1773的性能相似，在某些方面还比它们好了。的性能相似，在某些方面还比它们好了。三、实用体系三、实用体系1.无固相

48、盐水无固相盐水 以长庆油田的使用为例，配方：以长庆油田的使用为例，配方：清水清水+0.10.3%FA367+0.1%CaCl2；效果：效果：V机高，速井周期短，钻井液性能达到四低机高，速井周期短，钻井液性能达到四低(. .APIVf、 )抑制性强，电测一次成功率高，成本低。抑制性强，电测一次成功率高，成本低。 在进入易塌开段前可将在进入易塌开段前可将FA367的加量提高到的加量提高到0.20.3%2.不分散低固相体系不分散低固相体系三、实用体系三、实用体系 配方：配方：6%预水化膨润土浆预水化膨润土浆+0.3%FA367+0.4%XY-27+0.3%JT41(或再加或再加FT342 3%)维护

49、：维护：使使FA367浓度达到浓度达到0.3%以上，以防井塌，以上，以防井塌，控制控制Vf2.0时，处理剂用量加倍）：时，处理剂用量加倍）： H2O XY-27 SK-(或或PAC-142等等)=100 2.5 2.55.最大限度地用好固控设备最大限度地用好固控设备6.pH=88.5，pH9以后，以后，XY-27和稀释效果下降。和稀释效果下降。五、特点与展望五、特点与展望实践证明，这种新体系具有以下特点：实践证明，这种新体系具有以下特点：抑制性强，剪切稀释特性好，能较好地实现防塌抑躺，防止地层造浆，抑制性强，剪切稀释特性好，能较好地实现防塌抑躺，防止地层造浆，提高抗岩屑污染能力，为真正实现不分

50、散，低固相创造了条件。提高抗岩屑污染能力，为真正实现不分散，低固相创造了条件。用这种体系钻出的岩屑成形，棱角分明，内部是干的，易于用这种体系钻出的岩屑成形，棱角分明，内部是干的，易于清除，有利于充分发挥固控设备的效率。清除，有利于充分发挥固控设备的效率。FA367和和XY27与现有其它处理剂相容性好，可以配成不同密度的与现有其它处理剂相容性好，可以配成不同密度的钻进液用于不同深度井段。在高密度矿化钻井液中应用，有独特的效果。钻进液用于不同深度井段。在高密度矿化钻井液中应用，有独特的效果。XY27加量少，稀释好，见效快，钻井液性能稳定周期长，基本加量少，稀释好，见效快，钻井液性能稳定周期长，基本

51、上解决了在造浆地层大冲大放的问题，减轻了工人的劳动强度，节约上解决了在造浆地层大冲大放的问题，减轻了工人的劳动强度，节约钻井成本，经济效益显著。钻井成本，经济效益显著。2.展望展望 两性复合离子聚合物钻井液存在以下问题：两性复合离子聚合物钻井液存在以下问题： 粘土容限尚不够大，钻屑含量超过粘土容限尚不够大，钻屑含量超过20%钻井液性能即显著变坏，钻井液性能即显著变坏，对固控要求仍旧很高。对固控要求仍旧很高。抗盐能力有限，矿化度超过抗盐能力有限，矿化度超过10万万ppm，钻井液性能妈开始恶化，钻井液性能妈开始恶化，虽然现场已有用于饱和盐水钻井液的实例，但性能价格比并不十虽然现场已有用于饱和盐水钻

52、井液的实例，但性能价格比并不十分理想。分理想。机理研究有待深入。分子结构中引入阳离子基团以后，聚合机理研究有待深入。分子结构中引入阳离子基团以后，聚合物性能有了显著改善，但其作用机理尚待深入研究。物性能有了显著改善，但其作用机理尚待深入研究。 解决这类问题的思路仍然是从机理研究入手，弄清性能与结构的解决这类问题的思路仍然是从机理研究入手，弄清性能与结构的关系，进而合成，评选新的处理剂，建立新的体系，逐步把聚合物钻井关系，进而合成，评选新的处理剂，建立新的体系，逐步把聚合物钻井液工艺，提高到一个新的水平。液工艺，提高到一个新的水平。2-6 阳离子聚合物钻井液阳离子聚合物钻井液阳离子聚合物的作用：

53、阳离子聚合物的作用： 能中和粘土表面的负电荷，降低粘土的水化分散，能中和粘土表面的负电荷，降低粘土的水化分散，提高井眼稳定。提高井眼稳定。 同时大分子阳离子还能包被岩屑，防止其分数，抑制同时大分子阳离子还能包被岩屑，防止其分数，抑制地层造浆。地层造浆。 加之它稳定粘土能力强，加量少，效能高，适用于加之它稳定粘土能力强，加量少，效能高，适用于各种地层。各种地层。 所以阳离子聚合物能稳定粘土，防止粘土水化和运移。所以阳离子聚合物能稳定粘土，防止粘土水化和运移。 组成：阳离子聚合物钻井液的高分子聚合物为粘土包被抑组成：阳离子聚合物钻井液的高分子聚合物为粘土包被抑 制剂。小分子阳离子聚合物为粘土稳定剂

54、，再加之增粘剂，制剂。小分子阳离子聚合物为粘土稳定剂，再加之增粘剂，降降Vf剂、封堵剂等配制而成。剂、封堵剂等配制而成。优点：该钻井液有良好的流变性，较好的井壁稳定性、携带优点：该钻井液有良好的流变性，较好的井壁稳定性、携带岩屑、防卡、防泥包等性能。岩屑、防卡、防泥包等性能。 分类：分类：有粘土类有粘土类(解絮凝体系解絮凝体系)无粘土类无粘土类(不分散体系不分散体系)2-6 阳离子聚合物钻井液阳离子聚合物钻井液一、主要处理剂特点一、主要处理剂特点1.1.粘土稳定剂粘土稳定剂( (小阳离子小阳离子) )有代表性的是有代表性的是NW1(环氧丙基三甲基氯化铵环氧丙基三甲基氯化铵)，其结构为：，其结构

55、为：CH2CHCH2N+CH3CH3CH3.Cl-O对粘土稳定作用的评价对粘土稳定作用的评价(数据见数据见P149152表表)NW1与与KCl进进行对比的结果行对比的结果CTS值，钻屑回收率、粒度分布、粘土矿物层间距和粘土颗粒去电位。值，钻屑回收率、粒度分布、粘土矿物层间距和粘土颗粒去电位。CTS值越小，抑制性越好；层间距越小，抑制性越好；值越小，抑制性越好；层间距越小，抑制性越好；2.包被絮凝剂包被絮凝剂(大阳离子大阳离子)以季铵盐产品最多，稳定性强，不受以季铵盐产品最多，稳定性强，不受pH值影响。值影响。结构特点：结构特点： 代表性产品是聚胺甲基丙烯酰胺代表性产品是聚胺甲基丙烯酰胺(简称大阳离子简称大阳离子)，相对分子，相对分子量在量在100万左右，结构式为：万左右，结构式为：性能评价性能评价(抑制能力评价抑制能力评价) a.阳、阴