第六章钻井液固控和聚合物钻井液课件

第六章钻井液固控和聚合物钻井液《钻井液工艺原理》讲义第六章《钻井液工艺原理》讲义1第一节钻井液固控第一节钻井液固控2一、钻井液中固相物质的分类钻井液中的固相（或称团体）物质，除按其作用分为有用固相和无用固相外，还有以下几种不同的分类方法：一、钻井液中固相物质的分类钻井液中的固相（或称团体）31.按固相密度分类（1）高密度固相主要指密度为4.2g/cm3的重品石，还有其它加重材料。（2）低密度固相膨润土、钻屑、不溶性的处理剂，一般认为这部分固相的平均密度为2.6g/cm3。1.按固相密度分类（1）高密度固相42.按固相性质分类

(1)活性固相容易发生水化作用以及与液相中其它组分发生反应，主要指膨润土。（2）惰性固相包括砂岩、石灰岩、长石、重晶石以及造浆率极低的粘土等。除重晶石外，其余的惰性固相均被认为是有害固相，即固控过程中需清除的物质。2.按固相性质分类(1)活性固相53.按固相粒度分类根据美国石油学会(API)规定的标准，可将钻井液中的固相按粒度大小分为三大类：(1)粘土（或称胶粒）：粒径<2μm(2)泥:粒径为2~74μm(3)砂(或称API砂):粒径>74μm3.按固相粒度分类根据美国石油学会(API)6备注：非加重钻井液备注：非加重钻井液7

一般情况下，非加重钻井液中粒径大于2000μm的粗颗粒和粒径小于2μm的胶粒在钻井液中所占的比例都不大。如果以74μm(相当于通过200目筛网)为界，大于74μm的颗粒只占3.7~25.9%，表明大多数是小于74μm的颗粒。由此可见，仅以含砂量（>74μm）的多少作为检验钻井液一般情况下，非加重钻井液中粒径大于208二、固控方法钻井液固控有各种不同的方法：（1）机械方法（2）稀释法（3）化学絮凝法二、固控方法钻井液固控有各种不同的方法：9（1）机械方法固控应首先考虑机械方法。原理：通过振动筛、除砂器、除泥器、清洁器和离心机等机械设备，

利用筛分和强制沉降的原理，将钻井液中的固相按密颗粒大小不同而分离开，并根据需要决定取舍,以达到控制固咀的。优点：处理时间短、效果好、

而且本较低。（1）机械方法固控应首先考虑机械方法。10（2）稀释法

稀释法既可用清水或其它较稀的流体直接稀释循环系统中的钻井液。

如果用机械方法清除有害固相仍达不到要求,可用稀释的方进一步降低固相含量,有时是在固控设备缺乏或出现故障的情况下不得不采用这种方法。（2）稀释法稀释法既可用清水或其它较稀的流体直接11优缺点：优点：操作简便、见效快缺点：在稀释的同时必须补充足够的处理剂，如果是

加重钻井液还需补充大的加重材料，因而使钻

井液成本显著增加。此外还有一部分被废弃旧

浆的排放问题需要考虑。优缺点：优点：操作简便、见效快缺点：在稀释的同时必须补充足够12为了尽可能降低稀释费用,有以下几个般原则应该遵循：（１）钻井液总体积不宜保留过大（２）部分旧浆的排放应在加水稀释前进行,不要边稀释边排放（３）一次较大量的稀释比分多次少量稀释的费用小。为了尽可能降低稀释费用,有以下几个般原则应该遵循：（１）13（3）化学絮凝法

化学絮凝法是在钻井液中加入适量的絮凝剂，使固相细颗粒聚集成较大颗粒，然后用机械方法排除或在沉砂池中沉除，这种方法是机械方法清除固相的补充，两者相辅相成。（3）化学絮凝法化学絮凝法是在钻井液中加入适量的絮凝剂，14

化学方法还可用于清除钻井液中过量的膨润土。由于膨润土的最大粒径在5μm左右,而离心机一般只能清除粒径6μm以上的颗粒,因此用机械方法无法降低钻井液中膨润土的含量。显然，在这种情况下，化学絮凝应安排在钻井液通过所有固控设备之后进行。化学方法还可用于清除钻井液中过量的膨润土。15第二节聚合物钻井液一、聚合物钻井液的理论基础二、聚合物作用机理三、不分散低固相聚合物钻井液第二节聚合物钻井液一、聚合物钻井液的理论基础二、聚合16一、聚合物钻井液的理论基础一、钻井液组成与性能对钻速的影响压持效应岩石可钻性强度循环压耗大ρm钻速（1）钻井液密度ρm对钻速的影响一、聚合物钻井液的理论基础一、钻井液组成与性能对钻速的影响压17（2）粘度对钻速的影响结论：η∞

钻速原因：①在钻头喷嘴处紊流阻力小，钻井液对井底岩石的冲击力强；②更容易进入钻头冲击井底岩石时所形成的微裂缝中，有利于降低压持效应和井底岩石的可钻强度。（2）粘度对钻速的影响结论：η∞钻速原因18（3）滤失量对钻速的影响结论：瞬时滤失量Vsp越大，钻速越高原因：①瞬时滤失量Vsp越大，进入岩石微裂缝中的液体越多，对微裂缝的支撑作用越强，使微裂缝不闭合，易于破碎；②可减小压持效应，使岩屑及时地离开井底，避免造成重复切削。（3）滤失量对钻速的影响结论：瞬时滤失量Vsp越大，钻速越高19（4）固相对钻速的影响①固相含量结论：固相含量越高，钻速越低。原因：固相含量越高，ρm和

η∞越大，钻速越低。钻速固相含量10%（4）固相对钻速的影响①固相含量钻速固相含量10%20（2）固相颗粒直径结论：亚微米颗粒（粒径<1μm）含量越高，钻速越低。原因：亚微米（粒径<1μm）颗粒含量越高，固相分散度越大，η∞越大，钻速越小。（2）固相颗粒直径21钻速固相含量分散钻井液不分散钻井液（亚微米颗粒含量、大）钻速固相含量分散钻井液不分散钻井液（亚微米颗粒含量、22说明：在所有影响钻速的因素中，固相是最主要因素。原因就在于固相不但本身对钻速有影响，同时还影响ρm、

η∞

、Vsp。提高钻速措施：①降低无用固相含量；②在钻井液性能满足要求的前提下，尽可能降低配浆粘土含量。说明：在所有影响钻速的因素中，固相是最主要因素。原因就在于固23降低固相的方法：（1）使用固控设备：振动筛、除砂器、除泥器、离心机。（2）化学方法：使用化学絮凝剂。降低固相的方法：24二、聚合物的作用机理1、桥连与包被作用桥连作用：一个高分子同时吸附几个粘土颗粒，而一个粘土颗粒又可同时吸附几个高分子，从而形成网络结构的作用。其结果会导致钻井液增稠及粘土颗粒絮凝。包被作用：高分子链吸附在一个粘土颗粒上，并将其覆盖包裹的作用。包被作用有利于抑制钻屑分散。二、聚合物的作用机理1、桥连与包被作用252、絮凝作用：聚合物通过桥连吸附将一些细颗粒聚结在一起形成粒子团的作用。（1）絮凝剂：起絮凝作用的聚合物。（2）絮凝剂分类：全絮凝剂（即絮凝有用固相又絮凝无用固相，如聚丙烯酰胺PAM）；选择性絮凝剂（只絮凝无用固相，如部分水解聚丙烯酰胺PHPA）。2、絮凝作用：聚合物通过桥连吸附将一些细颗粒聚结在一起形成粒26PAM：—(CH2CH)—（不带电）CONH2n—CH2CH——CH2CH—（负电）（）（）COONaCONH2PHPA：膨润土（负电）钻屑（不带电或少量负电）吸附吸附吸附不吸附PAM：—(CH2CH)—（不带电）CONH2n273、抑制与防塌作用抑制作用：聚合物在钻屑表面吸附包被，阻止钻屑分散的作用。防塌作用：（1）聚合物在井壁表面发生多点吸附、阻止泥页岩剥落；（2）在浓度较高时，聚合物在井壁上形成致密的吸附膜，阻止或减缓水进入地层，减轻地层岩石的水化膨胀作用。3、抑制与防塌作用抑制作用：聚合物在钻屑表面吸附包被，阻止钻284、增粘作用（1）聚合物能增强钻井液液相粘度（2）钻井液通过桥连作用形成网络结构XC、HV-CMC，PHP。4、增粘作用（1）聚合物能增强钻井液液相粘度295、降滤失作用作用机理：（1）与粘土颗粒形成空间网架结构、防止细颗粒聚结变大；（2）提高粘土颗粒的水化程度；（3）聚合物分子本身起堵孔作用；（4）提高滤液粘度。举例：水解聚丙烯晴钠盐（Na-PAN）5、降滤失作用作用机理：306、降粘作用

两性离子聚合物（XY-27）磺化苯乙烯-顺丁烯二酸酐共聚物（SSMA）醋酸乙烯酯-顺丁烯二酸酐共聚物（VAMA）6、降粘作用两性离子聚合物（XY-27）31三、不分散低固相聚合物钻井液不分散：指无用固相（钻屑）不分散低固相：低密度固相（造浆粘土和钻屑）含量低（<4%）聚合物：选择性絮凝剂（PHPA、VAMA）三、不分散低固相聚合物钻井液不分散：指无用固相（钻屑）不分散321、不分散低固相聚合物钻井液基本组成（1）分散介质：水（淡水、盐水）。（2）固相：膨润土。（3）处理剂：选择性絮凝剂、降失水剂。（说明：不用或少用分散性降粘剂）1、不分散低固相聚合物钻井液基本组成（1）分散介质：水（淡水33（1）固相含量（不包括加重材料）一般<4%，约相当于ρm<1.06g/cm3。这是核心指标，是提高钻速的关键。（2）钻屑与膨润土含量之比≤2：1，膨润土含量不能少于1%，1.3-1.5%比较合适，以保证钻井液具有合适的流变性和滤失造壁性。2、不分散低固相聚合物钻井液主要性能指标（1）固相含量（不包括加重材料）一般<4%，约相当于ρm<343、，使钻井液具有良好的剪切稀释性及在环形空间形成平板型层流。4、对非加重钻井液，τ0=1.5-3.0Pa，以保证钻井液具有良好的携带和悬浮能力。3、35第六章钻井液固控和聚合物钻井液《钻井液工艺原理》讲义第六章《钻井液工艺原理》讲义36第一节钻井液固控第一节钻井液固控37一、钻井液中固相物质的分类钻井液中的固相（或称团体）物质，除按其作用分为有用固相和无用固相外，还有以下几种不同的分类方法：一、钻井液中固相物质的分类钻井液中的固相（或称团体）381.按固相密度分类（1）高密度固相主要指密度为4.2g/cm3的重品石，还有其它加重材料。（2）低密度固相膨润土、钻屑、不溶性的处理剂，一般认为这部分固相的平均密度为2.6g/cm3。1.按固相密度分类（1）高密度固相392.按固相性质分类

(1)活性固相容易发生水化作用以及与液相中其它组分发生反应，主要指膨润土。（2）惰性固相包括砂岩、石灰岩、长石、重晶石以及造浆率极低的粘土等。除重晶石外，其余的惰性固相均被认为是有害固相，即固控过程中需清除的物质。2.按固相性质分类(1)活性固相403.按固相粒度分类根据美国石油学会(API)规定的标准，可将钻井液中的固相按粒度大小分为三大类：(1)粘土（或称胶粒）：粒径<2μm(2)泥:粒径为2~74μm(3)砂(或称API砂):粒径>74μm3.按固相粒度分类根据美国石油学会(API)41备注：非加重钻井液备注：非加重钻井液42

一般情况下，非加重钻井液中粒径大于2000μm的粗颗粒和粒径小于2μm的胶粒在钻井液中所占的比例都不大。如果以74μm(相当于通过200目筛网)为界，大于74μm的颗粒只占3.7~25.9%，表明大多数是小于74μm的颗粒。由此可见，仅以含砂量（>74μm）的多少作为检验钻井液一般情况下，非加重钻井液中粒径大于2043二、固控方法钻井液固控有各种不同的方法：（1）机械方法（2）稀释法（3）化学絮凝法二、固控方法钻井液固控有各种不同的方法：44（1）机械方法固控应首先考虑机械方法。原理：通过振动筛、除砂器、除泥器、清洁器和离心机等机械设备，

利用筛分和强制沉降的原理，将钻井液中的固相按密颗粒大小不同而分离开，并根据需要决定取舍,以达到控制固咀的。优点：处理时间短、效果好、

而且本较低。（1）机械方法固控应首先考虑机械方法。45（2）稀释法

稀释法既可用清水或其它较稀的流体直接稀释循环系统中的钻井液。

如果用机械方法清除有害固相仍达不到要求,可用稀释的方进一步降低固相含量,有时是在固控设备缺乏或出现故障的情况下不得不采用这种方法。（2）稀释法稀释法既可用清水或其它较稀的流体直接46优缺点：优点：操作简便、见效快缺点：在稀释的同时必须补充足够的处理剂，如果是

加重钻井液还需补充大的加重材料，因而使钻

井液成本显著增加。此外还有一部分被废弃旧

浆的排放问题需要考虑。优缺点：优点：操作简便、见效快缺点：在稀释的同时必须补充足够47为了尽可能降低稀释费用,有以下几个般原则应该遵循：（１）钻井液总体积不宜保留过大（２）部分旧浆的排放应在加水稀释前进行,不要边稀释边排放（３）一次较大量的稀释比分多次少量稀释的费用小。为了尽可能降低稀释费用,有以下几个般原则应该遵循：（１）48（3）化学絮凝法

化学絮凝法是在钻井液中加入适量的絮凝剂，使固相细颗粒聚集成较大颗粒，然后用机械方法排除或在沉砂池中沉除，这种方法是机械方法清除固相的补充，两者相辅相成。（3）化学絮凝法化学絮凝法是在钻井液中加入适量的絮凝剂，49

化学方法还可用于清除钻井液中过量的膨润土。由于膨润土的最大粒径在5μm左右,而离心机一般只能清除粒径6μm以上的颗粒,因此用机械方法无法降低钻井液中膨润土的含量。显然，在这种情况下，化学絮凝应安排在钻井液通过所有固控设备之后进行。化学方法还可用于清除钻井液中过量的膨润土。50第二节聚合物钻井液一、聚合物钻井液的理论基础二、聚合物作用机理三、不分散低固相聚合物钻井液第二节聚合物钻井液一、聚合物钻井液的理论基础二、聚合51一、聚合物钻井液的理论基础一、钻井液组成与性能对钻速的影响压持效应岩石可钻性强度循环压耗大ρm钻速（1）钻井液密度ρm对钻速的影响一、聚合物钻井液的理论基础一、钻井液组成与性能对钻速的影响压52（2）粘度对钻速的影响结论：η∞

钻速原因：①在钻头喷嘴处紊流阻力小，钻井液对井底岩石的冲击力强；②更容易进入钻头冲击井底岩石时所形成的微裂缝中，有利于降低压持效应和井底岩石的可钻强度。（2）粘度对钻速的影响结论：η∞钻速原因53（3）滤失量对钻速的影响结论：瞬时滤失量Vsp越大，钻速越高原因：①瞬时滤失量Vsp越大，进入岩石微裂缝中的液体越多，对微裂缝的支撑作用越强，使微裂缝不闭合，易于破碎；②可减小压持效应，使岩屑及时地离开井底，避免造成重复切削。（3）滤失量对钻速的影响结论：瞬时滤失量Vsp越大，钻速越高54（4）固相对钻速的影响①固相含量结论：固相含量越高，钻速越低。原因：固相含量越高，ρm和

η∞越大，钻速越低。钻速固相含量10%（4）固相对钻速的影响①固相含量钻速固相含量10%55（2）固相颗粒直径结论：亚微米颗粒（粒径<1μm）含量越高，钻速越低。原因：亚微米（粒径<1μm）颗粒含量越高，固相分散度越大，η∞越大，钻速越小。（2）固相颗粒直径56钻速固相含量分散钻井液不分散钻井液（亚微米颗粒含量、大）钻速固相含量分散钻井液不分散钻井液（亚微米颗粒含量、57说明：在所有影响钻速的因素中，固相是最主要因素。原因就在于固相不但本身对钻速有影响，同时还影响ρm、

η∞

、Vsp。提高钻速措施：①降低无用固相含量；②在钻井液性能满足要求的前提下，尽可能降低配浆粘土含量。说明：在所有影响钻速的因素中，固相是最主要因素。原因就在于固58降低固相的方法：（1）使用固控设备：振动筛、除砂器、除泥器、离心机。（2）化学方法：使用化学絮凝剂。降低固相的方法：59二、聚合物的作用机理1、桥连与包被作用桥连作用：一个高分子同时吸附几个粘土颗粒，而一个粘土颗粒又可同时吸附几个高分子，从而形成网络结构的作用。其结果会导致钻井液增稠及粘土颗粒絮凝。包被作用：高分子链吸附在一个粘土颗粒上，并将其覆盖包裹的作用。包被作用有利于抑制钻屑分散。二、聚合物的作用机理1、桥连与包被作用602、絮凝作用：聚合物通过桥连吸附将一些细颗粒聚结在一起形成粒子团的作用。（1）絮凝剂：起絮凝作用的聚合物。（2）絮凝剂分类：全絮凝剂（即絮凝有用固相又絮凝无用固相，如聚丙烯酰胺PAM）；选择性絮凝剂（只絮凝无用固相，如部分水解聚丙烯酰胺PHPA）。2、絮凝作用：聚合物通过桥连吸附将一些细颗粒聚结在一起形成粒61PAM：—(CH2CH)—（不带电）CONH2n—CH2CH——CH2CH—（负电）（）（）COONaCONH2PHPA：膨润土（负电）钻屑（不带电或少量负电）吸附吸附吸附不吸附PAM：—(CH2CH)—（不带电）CONH2n623、抑制与防塌作用抑制作用：聚合物在钻屑表面吸附包被，阻止钻屑分散的作用。防塌作用：（1）聚合物在井壁表面发生多点吸附、阻止泥页岩剥落；（2）在浓度较高时，聚合物在井壁上形成致密的吸附膜，阻止或减缓水进入地层，减轻地层岩石的水化膨胀作用。3、抑制与防塌作用抑制作用：聚合物在钻屑表面吸附包被，阻止钻634、增粘作用（1）聚合物能增强钻井液液相粘