聚合物钻井液体系

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1、聚合物钻井液一、聚合物钻井液概述1．发展概况    聚合物钻井液最初是为提高钻井效率开发研究的。早在1950年就有研究资料指出：钻井液的固相含量是影响钻井速度的一个主要因素。这里的固相含量是指体积分数，起主要作用的是低密度固体的含量。依此推知，清水的钻井速度应最高。但当时并没有能够有效清除钻井液中固相的手段。直到1958年首次应用了聚合物絮凝剂聚丙烯酰胺(简称PAM)后，才实现了真正的清水钻井。PAM可同时絮凝钻屑和蒙脱土，称为完全絮凝剂。在钻井液中加入极少量的PAM即可使钻屑絮凝而全部除去。清水钻井大大提高了钻速，但因其携带

2、钻屑能力差，滤失量大，影响井壁稳定等缺点，不能广泛使用，只能用于地层特别稳定的浅层井段。因此，人们试图配制低固相钻井液，但随着钻井的进行，钻屑不断混入，时间一长就变成了高固相钻井液。当时人们对此束手无策，因而称之?quot;无法控制的低固相钻井液"。1960年，发现有两类高聚物，即部分水解聚丙烯酰胺(简称PHPA或PHP)和醋酸乙烯酯-马来酸酐共聚物(简称VAMA)，具有选择性絮凝作用。它们可絮凝除掉劣质土和岩屑，而不絮凝优质造浆粘土。同时，它们对钻屑的分散具有良好的抑制能力，处理过的钻井液体系中亚微米颗粒含量明显低于其它类型

3、的水基钻井液，这对提高钻井速度是十分有益的。这类新型的聚合物钻井液体系称为"不分散低固相聚合物钻井液"。1966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，大幅度提高了钻速。随后，这种钻井液体系在世界范围内推广应用，经受了不同地层、不同井深和不同密度等方面的考验，在提高钻井速度和降低钻井成本等方面效果显著，证明是一种技术先进的钻井液体系。1971年，在第八届世界石油大会上，有专家分析认为，当时对降低钻井成本最有影响的新进展主要有：(1)不分散低固相聚合物钻井液的成功开发；(2)镶嵌硬合金齿钻头

4、的设计和钻头轴承寿命的改进；(3)钻井最优化技术的应用。不分散低固相聚合物钻井液的成功开发被列为70年代初钻井工艺最有影响的新进展之一，表明对钻井技术发展的促进作用是显著的。    为进一步提高聚合物钻井液的防塌能力，70年代后期发展了聚合物与无机盐(主要是氯化钾)配合的钻井液体系，发现该体系对水敏性地层的防塌效果显著。近20年来，聚合物处理剂的发展也很快，除带阴离子基团的处理剂PHPA、VAMA、水解聚丙烯腈铵盐(简称NPAN)、聚丙烯酸盐等以外，近期又开发出带阳离子基团的阳离子聚合物和分子链中同时带阴离子基团、阳离子基团和

5、非离子基团的两性离子聚合物处理剂，使聚合物钻井液技术得到不断发展和完善。目前，根据聚合物处理剂的离子特性，可将聚合物钻井液分为阴离子聚合物钻井液、阳离子聚合物钻井液和两性离子聚合物钻井液。    自20世纪?0年代以来，聚合物钻井液技术已在我国得到普遍推广应用。同时，还对聚合物处理剂的抑制性、降滤失和降粘等作用机理进行了系统研究。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，已接近或达到世界先进水平。本章主要介绍不分散低固相聚合物钻井液的组成、特点、涉及的基本理论以及现场应用等。    2．聚合物钻井液

6、的特点    室内实验和现场应用表明，与其它水基钻井液相比，聚合物钻井液具有如下特点：    (1)固相含量低，且亚微米粒子所占比例也低。这是聚合物钻井液的基本特征，是聚合物处理剂选择性絮凝和抑制岩屑分散的结果，对提高钻井速度是极为有利的。对不使用加重材料的钻井液，密度和固相含量大约成正比的。研究表明，纯蒙脱土钻井液中亚微米粒子含量为13％左右，用分散剂木质素磺酸盐处理后，亚微米粒子含量上升为约80％，而用聚合物处理后的体系亚微米粒子的含量降为约6％。大量室内实验和钻井实践均证明，固相含量和固相颗粒的分散度是影响钻井速度的重要

7、因素。    (2)具有良好的流变性，主要表现为较强的剪切稀释性和适宜的流型。聚合物钻井液体系中形成的结构由颗粒之间的相互作用、聚合物分子与颗粒之间的桥联作用以及聚合物分子之间的相互作用所构成。结构强度以聚合物分子与颗粒之间桥联作用的贡献为主。在高剪切作用下，桥联作用被破坏，因而粘度和切力降低，所以聚合物钻井液具有较高的剪切稀释作用。由于这种桥联作用赋予聚合物钻井液具有比其它类型钻井液高的结构强度，因而聚合物钻井液具有较高的动切力。同时，与其它类型钻井液相比，聚合物钻井液具有较低的固相含量，粒子之间的相互摩擦作用相对较弱，因而

8、聚合物钻井液具有较低的塑性浓度。由于聚合物水溶液为典型的非牛顿流体，所以聚合物钻井液一般具有较低的n值。当然，在实际钻井过程中，各流变参数需控制在适宜的范围内，过高和过低对钻井工程都不利。    为获取平板型层流，一般应控制，。如。在0．36-0．48范围内。τ0/μ0太小，