钻井工作流体性能测定-润滑性、抗温性、荧光度、毒性、腐蚀性.ppt

第第2 2章章 钻井工作流体性能测定钻井工作流体性能测定 1 1 钻钻钻钻井液密度井液密度 2 2 钻钻钻钻井液流井液流变变变变性性 3 3 滤滤滤滤失造壁性失造壁性 4 pH4 pH值值值值和碱度和碱度 5 5 含砂量含砂量 6 6 固相含量固相含量 7 7 膨膨润润润润土含量土含量 8 8 滤滤滤滤液分析液分析 9 9 抑制性抑制性 10 10 润润润润滑性滑性 11 11 抗温性抗温性 12 12 荧荧荧荧光度光度 13 13 毒性毒性 14 14 腐腐蚀蚀蚀蚀性性 石油天然气工程学院 10 10 润滑性润滑性 钻井液的润滑性能一般包括钻井液形成的滤饼润滑性能和钻井液流钻井液的润滑性能一般包括钻井液形成的滤饼润滑性能和钻井液流 体自身的润滑性能体自身的润滑性能，是评价钻井液润滑性能的两个主要技术指标。钻井是评价钻井液润滑性能的两个主要技术指标。钻井 液摩阻系数，液摩阻系数，相当于物理学中的摩擦系数相当于物理学中的摩擦系数 钻井液的润滑性对钻井工作影响很大，特别是钻超深井、大斜度井钻井液的润滑性对钻井工作影响很大，特别是钻超深井、大斜度井 、水平井和丛式井时，钻柱的旋转阻力和提拉阻力会大幅度提高。由于、水平井和丛式井时，钻柱的旋转阻力和提拉阻力会大幅度提高。由于 影响钻井扭矩和阻力以及钻具磨损的主要可调节因素是钻井液的润滑性影响钻井扭矩和阻力以及钻具磨损的主要可调节因素是钻井液的润滑性 能，因此钻井液的润滑性能对减少井下复杂情况，保证安全、快速钻进能，因此钻井液的润滑性能对减少井下复杂情况，保证安全、快速钻进 起着至关重要的作用起着至关重要的作用 国内外研究者对钻井液的润滑性能进行了评价，认为空气与油处于国内外研究者对钻井液的润滑性能进行了评价，认为空气与油处于 润滑性的两个极端位置，水基钻井液的润滑性处于其间。用润滑性的两个极端位置，水基钻井液的润滑性处于其间。用BaroidBaroid公司公司 的钻井液极压润滑仪测定了三种基液的摩阻系数，空气为的钻井液极压润滑仪测定了三种基液的摩阻系数，空气为0.50.5，清水为，清水为 0.350.35，柴油为，柴油为0.070.07。在配制的钻井液中，大部分油基钻井液的摩阻系数。在配制的钻井液中，大部分油基钻井液的摩阻系数 在在0.080.080.090.09，水基钻井液的摩阻系数在，水基钻井液的摩阻系数在0.200.200.350.35，如加有油品或各类，如加有油品或各类 润滑剂等，则可降到润滑剂等，则可降到0.100.10以下以下 对大多数水基钻井液来说，摩阻系数为对大多数水基钻井液来说，摩阻系数为0.200.20以下认为是可以接受的以下认为是可以接受的 。但此值不能满足水平井的要求，对水平井要求钻井液的摩阻系数应尽。但此值不能满足水平井的要求，对水平井要求钻井液的摩阻系数应尽 可能保持在可能保持在0.080.080.100.10范围内，以保持较好的摩阻控制范围内，以保持较好的摩阻控制 因此，除油基因此，除油基钻钻钻钻井液外，其他井液外，其他类类类类型型钻钻钻钻井液的井液的润润润润滑性能很滑性能很难满难满难满难满 足水足水 平井平井钻钻钻钻井的需要，但可以井的需要，但可以选选选选用有效的用有效的润润润润滑滑剂剂剂剂改善改善润润润润滑性能，以滑性能，以满满满满足足实实实实 际际际际需要。近年来开需要。近年来开发发发发出的一些新型水基仿油基出的一些新型水基仿油基钻钻钻钻井液，其摩阻系数可井液，其摩阻系数可 小于小于0.100.10，很接近油基，很接近油基钻钻钻钻井液，其井液，其润润润润滑性能可滑性能可满满满满足水平井足水平井钻钻钻钻井需要井需要 10.1 10.1 钻井液的润滑性能钻井液的润滑性能 10.1 10.1 钻井液的润滑性能钻井液的润滑性能 在在钻钻钻钻井井过过过过程中，由于程中，由于动动动动力力设备设备设备设备 有固定功率，有固定功率，钻钻钻钻柱的抗拉、抗扭能柱的抗拉、抗扭能 力以及井壁力以及井壁稳稳稳稳定性都有极限，若定性都有极限，若钻钻钻钻井液的井液的润润润润滑性能不好，会造成滑性能不好，会造成钻钻钻钻具具 旋旋转转转转阻力增大，起下阻力增大，起下钻钻钻钻困困难难难难，甚至造成粘附卡，甚至造成粘附卡钻钻钻钻和断和断钻钻钻钻具事故；当具事故；当钻钻钻钻 具扭具扭转转转转阻力阻力过过过过大大时时时时，会，会导导导导致致钻钻钻钻具振具振动动动动，从而有可能引起断，从而有可能引起断钻钻钻钻具事故和具事故和 井壁失井壁失稳稳稳稳 从提高从提高钻钻钻钻井井经济经济经济经济 技技术术术术指指标标标标看，看，润润润润滑性能良好的滑性能良好的钻钻钻钻井液井液对钻对钻对钻对钻 井工程井工程 有以下作用：有以下作用： 减小减小钻钻钻钻具的扭矩、磨具的扭矩、磨损损损损和疲和疲劳劳劳劳，延，延长钻头长钻头长钻头长钻头 寿命寿命 减小减小钻钻钻钻柱的摩擦阻力，柱的摩擦阻力，缩缩缩缩短起下短起下钻时间钻时间钻时间钻时间 减少粘附卡减少粘附卡钻钻钻钻机率，防止机率，防止钻头钻头钻头钻头 泥包，同泥包，同时时时时易于易于处处处处理井下事故理井下事故 提高提高钻钻钻钻井工程整体效益井工程整体效益 那么，哪些因素制那么，哪些因素制约约约约者者钻钻钻钻井液的井液的润润润润滑性能呢？滑性能呢？ 改善钻井液润滑性能的目的主要是为了降低钻井过程中钻柱的扭矩 和阻力。按摩擦付表面润滑情况，钻井过程中摩擦可分为（见图2.98） ： 图2.98 三种不同润滑模式示意图 边界摩擦边界摩擦：两接触面间有一层极薄：两接触面间有一层极薄 的润滑膜，摩擦和磨损不取决润滑剂的的润滑膜，摩擦和磨损不取决润滑剂的 粘度，而是与两表面和润滑剂的特性有粘度，而是与两表面和润滑剂的特性有 关，如润滑膜的厚度和强度、粗糙表面关，如润滑膜的厚度和强度、粗糙表面 的相互作用以及液体中固相颗粒间的相的相互作用以及液体中固相颗粒间的相 互作用。有钻井液的情况下，钻铤在井互作用。有钻井液的情况下，钻铤在井 眼中的运动等属边界摩擦眼中的运动等属边界摩擦 干摩擦（无润滑摩擦）或称为障碍干摩擦（无润滑摩擦）或称为障碍 摩擦摩擦：如空气钻井中钻具与岩石的摩擦：如空气钻井中钻具与岩石的摩擦 ，或井壁极不规则光滑情况下，钻具直，或井壁极不规则光滑情况下，钻具直 接与部分井壁岩石接触时的摩擦接与部分井壁岩石接触时的摩擦 流体摩擦流体摩擦：由两接触面间流体的粘：由两接触面间流体的粘 滞性引起的摩擦滞性引起的摩擦 10.2 10.2 钻井液润滑性的影响因素钻井液润滑性的影响因素 边边界摩擦 干摩擦或障碍摩擦 流体摩擦 10.2.1 10.2.1 钻钻钻钻井作井作业业业业中摩擦中摩擦现现现现象的特点象的特点 可以认为，钻进过程中的摩擦是混合摩擦，即部分接触面为边界摩 擦，另一部分为流体摩擦。在高负荷边界面上，塑性表面的边界摩擦更 为突出。在钻井作业中，摩擦系数是两个滑动或静止表面间的相互作用 以及润滑剂所起作用的综合体现 钻井作业中的摩擦现象较为复杂，摩阻力的大小不仅仅与钻井液的 润滑性能有关，而且与钻柱、套管、地层、井壁泥饼表面的粗糙度； 接触表面的塑性； 接触表面所承受的负荷； 流体粘度与润滑性 ；流体内固相颗粒的含量和大小； 井壁表面泥饼润滑性； 井斜 角； 钻柱重量； 静态与动态滤失效应等 在这些众多的影响因素中，钻井液的润滑性能是主要的可调节因素 10.2 10.2 钻井液润滑性的影响因素钻井液润滑性的影响因素 影响钻井液润滑性的主要因素有：钻井液的粘度、密度、钻井液中影响钻井液润滑性的主要因素有：钻井液的粘度、密度、钻井液中 的固相类型及含量、钻井液的滤失情况、岩石条件、地下水的矿化度以的固相类型及含量、钻井液的滤失情况、岩石条件、地下水的矿化度以 及溶液及溶液pHpH值、润滑剂和其他处理剂的使用情况等值、润滑剂和其他处理剂的使用情况等 （1 1）粘度、密度和固相的影响）粘度、密度和固相的影响 （2 2）滤滤滤滤失性、岩石条件、地下水和失性、岩石条件、地下水和滤滤滤滤液液pHpH值值值值的影响的影响 （3 3）有机高分子）有机高分子处处处处理理剂剂剂剂的影响的影响 （4 4）润润润润滑滑剂剂剂剂的影响的影响 10.2 10.2 钻井液润滑性的影响因素钻井液润滑性的影响因素 10.2.2 10.2.2 钻钻钻钻井液井液润润润润滑性的影响因素滑性的影响因素 （1 1）粘度、密度和固相的影响）粘度、密度和固相的影响 随着钻井液固相含量、密度增加，通常其粘度、切力等也会相应增大随着钻井液固相含量、密度增加，通常其粘度、切力等也会相应增大 。因此，钻井液的润滑性能也会相应变差。这时其润滑性能主要取决于固。因此，钻井液的润滑性能也会相应变差。这时其润滑性能主要取决于固 相的类型及含量。砂岩和各种加重剂的颗粒具有特别高的研磨性能相的类型及含量。砂岩和各种加重剂的颗粒具有特别高的研磨性能 钻井液中固相含量对其润滑性影响很大。随着钻井液固相含量增加，钻井液中固相含量对其润滑性影响很大。随着钻井液固相含量增加， 除使泥饼粘附性增大外，还会使泥饼增厚，易产生压差粘附卡钻除使泥饼粘附性增大外，还会使泥饼增厚，易产生压差粘附卡钻 另外，固相颗颗粒尺寸的影响也不可忽视视。研究结结果表明，钻钻井液在 一定时间时间 内通过过不断剪切循环环，其固相颗颗粒尺寸随剪切时间时间 增加而减小 ，其结结果是双重性的：钻钻井液滤滤失有所减小，从而钻钻柱摩阻力也有所降 低；颗颗粒分散得更细细微，使比表面积积增大，从而造成摩阻力增大。可见见 ，严严格控制钻钻井液粘土含量，搞好固相控制和净净化，尽量用低固相钻钻井 液，是改善和提高钻钻井液润润滑性能的最重要的措施之一 10.2 10.2 钻井液润滑性的影响因素钻井液润滑性的影响因素 10.2.2 10.2.2 钻钻钻钻井液井液润润润润滑性的影响因素滑性的影响因素 （2 2）滤失性、岩石条件、地下水和滤液）滤失性、岩石条件、地下水和滤液pHpH值的影响值的影响 致密、表面光滑、薄的泥饼具有良好的润滑性能。降滤失剂和其致密、表面光滑、薄的泥饼具有良好的润滑性能。降滤失剂和其 他改进泥饼质量的处理剂如磺化沥青，主要是通过改善泥饼质量来改他改进泥饼质量的处理剂如磺化沥青，主要是通过改善泥饼质量来改 善钻井液的防磨损性和润滑性能善钻井液的防磨损性和润滑性能 在钻井液条件相同的情况下，岩石的条件是通过影响所形成泥饼在钻井液条件相同的情况下，岩石的条件是通过影响所形成泥饼 的质量以及井壁与钻柱之间接触表面粗糙度而起作用的的质量以及井壁与钻柱之间接触表面粗糙度而起作用的 地下水、井底温度、压差和滤液地下水、井底温度、压差和滤液pHpH值等因素也会在不同程度上影值等因素也会在不同程度上影 响润滑剂和其他处理剂的作用效能，从而影响泥饼的质量，对钻井液响润滑剂和其他处理剂的作用效能，从而影响泥饼的质量，对钻井液 的润滑性能产生影响的润滑性能产生影响 10.2 10.2 钻井液润滑性的影响因素钻井液润滑性的影响因素 （3 3）有机高分子处理剂的影响）有机高分子处理剂的影响 许多高分子处理剂都有良好的降滤失、改善泥饼质量、减少钻柱摩许多高分子处理剂都有良好的降滤失、改善泥饼质量、减少钻柱摩 阻力的作用。有机高分子处理剂能提高钻井液的润滑性能，还与其在钻阻力的作用。有机高分子处理剂能提高钻井液的润滑性能，还与其在钻 柱和井壁上的吸附能力有关，吸附膜的形成，有利于降低井壁与钻柱之柱和井壁上的吸附能力有关，吸附膜的形成，有利于降低井壁与钻柱之 间的摩阻力间的摩阻力 某些处理剂，如聚阴离子纤维素、磺化酚醛树脂等具有提高钻井液某些处理剂，如聚阴离子纤维素、磺化酚醛树脂等具有提高钻井液 润滑性的作用。不少高分子化合物通过复配、共聚等处理，可成为具有润滑性的作用。不少高分子化合物通过复配、共聚等处理，可成为具有 良好润滑性能的润滑材料良好润滑性能的润滑材料 10.2 10.2 钻井液润滑性的影响因素钻井液润滑性的影响因素 （4）润滑剂 试验表明，使用清水作钻井液，摩擦阻力是较大的。而往清水中 加入千分之一至千分之几的以阴离子表面活性剂为主的润滑剂后，润 滑性能会得到明显改善。因此，使用润滑剂是改善钻井液润滑性能， 降低摩擦阻力的主要途径 正确地使用润滑剂可以大幅度提高钻井液的防磨损性能和润滑性 能。钻井液润滑剂一般可分为两大类：液体类和固体类。前者如矿物 油、植物油、表面活性剂等；后者如石墨、塑料球、玻璃球等 近年来钻钻井液润润滑剂剂品种发发展最快的是惰性固体类润类润 滑剂剂，液 体润润滑剂剂主要发发展了高负负荷下起作用的极压润压润 滑剂剂及有利于环环境的 无毒润润滑剂剂；由于环环境保护护的原因沥沥青类润类润 滑剂剂的用量则则逐年减少 目前，常用的改善钻钻井液润润滑性能的方法，主要是通过过合理使用 润润滑剂剂降低摩阻系数，以及通过过改善泥饼质饼质 量来增强泥饼饼的润润滑性 10.2 10.2 钻井液润滑性的影响因素钻井液润滑性的影响因素 知道了知道了钻钻钻钻井液井液润润润润滑性的影响因素外，我滑性的影响因素外，我们们们们如何如何评评评评价价钻钻钻钻井液的井液的润润润润滑性滑性 钻井液和泥饼的摩阻系数，是常用的两个评价钻井液润滑性能的 技术指标 由于摩阻的大小不仅与钻井液的润滑性能有关，而且还与钻具和 地层接触面的粗糙程度、接触面的塑性变形情况、钻柱侧向力的大小 和分布情况、钻柱的尺寸和旋转速度等有关。因此，要全面的评价和 测定钻井过程中钻井液和泥饼摩阻系数，正确地评选钻井液和润滑剂 是很困难的 目前，国内外对钻井液润滑性能的检测尚无公认的通用仪器和方 法，各种评价方法的客观性尚需进一步提高。因此，在目前限定的测 试仪器和条件下，只能从某一侧面评价和优选钻井液基液和润滑剂， 确定在该条件下的摩阻系数 10.3 10.3 钻井液润滑性能的评价方法钻井液润滑性能的评价方法 国外许多公司和研究机构研制了一些检测钻井液润滑性能的仪器和 模拟装置。投入实际应用的主要有滑板式泥饼摩阻系数测定仪、泥饼粘 附系数测定仪、钻井液极压润滑仪简称EP润滑仪、润滑性能评价仪简称 LEM润滑仪、泥饼针入度计、井眼摩擦模拟装置以及多种卡钻系数测定 仪等。在类似钻头轴承工作条件的高比载荷下，为检验钻井液的润滑性 能，广泛使用四球摩擦测定仪。而在钻柱和井壁相互接触的低比荷条件 下，广泛使用极压润滑仪 多数润润滑性能测测定仪仪的基本原理都是通过测过测 定滑动动摩擦系数，或 通过测过测 定转动转动 面和静止面之间间的扭矩，或通过测过测 定旋转转静止表面的液 层层所需动动力来表示润润滑性能。因此，通常以摩擦系数、扭矩及转动动转动动 力作为评为评 价钻钻井液润润滑性能的指标标。下面仅对仅对 常用的4种仪仪器作以介 绍绍 10.3 10.3 钻井液润滑性能的评价方法钻井液润滑性能的评价方法 滑板式泥饼饼摩阻系数测测定仪仪：Mud Cake Sluggish Coefficient meter；泥饼饼粘附系数测测定仪仪 ：Differential Sticking Tester；钻钻井液极压润压润滑仪仪：Extreme Pressure and Lubricity Tester ；润润滑性能评评价仪仪：Lubricity Evaluation Monitor；泥饼针饼针入度计计：Filter Cake Penetrometer 滑板式泥饼摩阻系数测定仪是一种极简易的测量泥饼摩阻系 数的仪器。在仪器台面倾斜的条件下，放在泥饼上的滑块受到向 下的重力作用，当滑块的重力克服泥饼的粘滞力后开始滑动 测量开始时，将由滤失试验得到的新鲜泥饼放在仪器台面上 ，滑块压在泥饼中心停放5分钟。然后开动仪器，使台面升起， 直至滑块开始滑动时为止。读出台面升起的角度。此升起角度的 正切值即为泥饼的粘滞系数。仪器台面的转动速度为5.5 6.5rpm，该仪器的测量精度为0.50 滑 板 式 泥 饼 摩 阻 系 数 测 定 仪 10.3 10.3 钻井液润滑性能的评价方法钻井液润滑性能的评价方法 钻 井 液 极 压 EP 润 滑 仪 极压润滑仪见图2.99。该仪器可 以测量钻井液的润滑性能和评价润滑 剂降低扭矩的效果，以及预测在该条 件下的金属部件的磨损速率。该润滑 试验仪是用一个钢环模拟钻柱，给它 施以一定的载荷，使它压紧在起井壁 作用的金属材料上 摩擦过程在钻井液中进行，摩擦环旋转时产生惯性力，从 而使钻井液流动。在固定的转速下转动钢环，记录钢环和金属 材料间的接触压力、力矩和仪表上的读数，经换算可得到评价 液体的摩擦阻力值。这种仪器的明显缺点是不能评价温度和压 力对润滑性产生的影响 图2.99 极压润滑仪 10.3 10.3 钻井液润滑性能的评价方法钻井液润滑性能的评价方法 泥饼针入度计 泥饼针入度计 见图2.100。它可测 量低压或高压、静 态或动态滤失试验 中所形成的泥饼的 质量和厚度，可以 手动或电动操作， 用纸带记录数据 图2.100 自动型泥饼针入度计结构简图 10.3 10.3 钻井液润滑性能的评价方法钻井液润滑性能的评价方法 图2.101为LEM润滑仪的结构原理简图和取样容器结构图，是用来 润滑性评价及钻头泥包测定分析系统 图2.101 LEM润滑仪（左）结构原理简图 （右）取样容器 10.3 10.3 钻井液润滑性能的评价方法钻井液润滑性能的评价方法 可以看出在取样容器中有一个内环形空间以便使钻井液能够通过 砂岩岩心的孔连续循环。该仪器可在大气和地层条件下进行钻井液润 滑性能的静态或动态试验，测量钻具和井壁间的扭矩和摩擦系数、在 不同介质条件下泥包形成的钻屑量以及在地层条件下动滤失量 在该系统中，受载的不锈钢轴靠在岩心孔眼一侧旋转；轴的扭矩 由传感器监控，并自动给出扭矩与时间的关系，真空泵与取样容器相 连以便让泥饼沉积在岩心孔眼的壁上。试验可以用轴贴在裸露的砂岩 泥饼上或用一根钢管内壁上来做（模拟套管里的扭矩情况）。每一组 试验施加几种载荷，并绘出扭矩与载荷的关系 LEM润润滑性评评价及钻头钻头 泥包测测定分析系统统是一种系列产产品，技 术规术规 范如表2.28所示 10.3 10.3 钻井液润滑性能的评价方法钻井液润滑性能的评价方法 表2.28 LEM系列技术规范指标 LEM-2000LEM-3000LEM-3100 温度室温室温21-204 压压力大气压压0-690kPa0-6900kPa 压压差0-690kPa0-690kPa0-6900kPa 泥浆泵压浆泵压 力690kPa690kPa6900kPa 回压调节压调节 器压压力0-1379kPa 试验类试验类 型静态态静/动态动态静/动态动态 接触力22-223N111-890N同左 转转速50-380rpm同左同左 扭矩0.34-22.6 N-m同左同左 另外还有LEM-4000和LEM-4100型。这两种型号的技术规范指标同LEM-3100 型，不同之处是LEM-3100及以前的型号采用的是直径和长度均为25.4 mm的试 验轴，而LEM-4000和LEM-4100采用的是直径63.5 mm、长度76.22 mm的试验 轴，并且LEM-4100型配有自动化控制装置 10.3 10.3 钻井液润滑性能的评价方法钻井液润滑性能的评价方法 除了上述评价钻井液的仪器外，Exxon公司的还提出了一种预测 卡钻的方法，称为卡钻因子法。该方法是从与压差卡钻有关的14种参 数中，选取了井斜角A、最大裸眼长度OH、井底总成长度BHA、钻 井液密度MW和滤失量FL这5种主要因素，采用数理统计分析方法， 提出了卡钻因子方程，以预测不同井斜度井眼中压差卡钻的发生率及 解卡率 通过实际资料统计，利用该方法可以作出卡钻因子与卡钻发生率 及解卡几率的关系，从此关系中可以得到：把卡钻因子控制在2.5以内 较为合适 10.3 10.3 钻井液润滑性能的评价方法钻井液润滑性能的评价方法 目前，国内也分别提出了两种综合预测卡钻的方法（1）摩阻系数 法和（2）人工神经网络法。摩阻系数法是在所建立的拉力和扭矩模型 的基础上，利用现场实时采集的钻压、扭矩和大钩载荷数值，以及井 身结构和钻具组合参数，计算出起下钻和钻进时的摩阻系数。正常情 况下，摩阻系数的值为0.10.3。一旦摩阻系数值超过此范围，并有增 长的趋势，就表明已存在卡钻的可能性 人工神经网络法所需参数较多，包括所使用钻井液情况、钻井参 数、地层条件、井身结构和钻具组合等，并需要采集训练用样本，所 建立的模型经过正确训练后，可进行卡钻实时预测 10.3 10.3 钻井液润滑性能的评价方法钻井液润滑性能的评价方法 第第2 2章章 钻井工作流体性能测定钻井工作流体性能测定 1 1 钻钻钻钻井液密度井液密度 2 2 钻钻钻钻井液流井液流变变变变性性 3 3 滤滤滤滤失造壁性失造壁性 4 pH4 pH值值值值和碱度和碱度 5 5 含砂量含砂量 6 6 固相含量固相含量 7 7 膨膨润润润润土含量土含量 8 8 滤滤滤滤液分析液分析 9 9 抑制性抑制性 10 10 润润润润滑性滑性 11 11 抗温性抗温性 12 12 荧荧荧荧光度光度 13 13 毒性毒性 14 14 腐腐蚀蚀蚀蚀性性 石油天然气工程学院 随着井深增加，钻进井段及裸眼增长，地层复杂程度增加，作业条 件比浅井恶劣得多，对钻井液性能要求应提高更多。井深增加，使得高 温高压成了需要研究的重点 在高温条件下，钻井液中的各种组分均会发生降解、发酵、增稠及 失效等变化，从而使钻井液的性能发生变化，并且不易调整和控制，严 重时导致钻井作业无法正常进行；而伴随高的地层压力，钻井液必须具 有很高的密度（常在2.0 g/cm3以上），密度增加钻井液中固相含量增加 这种情况下，发生压差卡钻及井漏、井喷等井下复杂情况的可能性 大大增加，欲保持钻井液良好的流变性和较低的滤失量亦会更困难。此 时使用常规钻井液已无法满足钻井工程的要求，必须使用具有以下4个 特点的深井钻井液 11 11 抗温性抗温性 （1）具有抗高温的能力。这就要求在进行配方设计时，必须优选 出各种能够抗高温的处理剂。例如，褐煤类产品（抗温204）就比木 质素类产品（抗温170）有更高的抗温能力 （2）在高温条件下对粘土的水化分散具有较强的抑制能力。除常 用的KCl、NaCl等无机盐和Ca(OH)2外，在有机聚合物处理剂中，阳 离子聚合物就比带有羧钠基的阴离子聚合物具有更强的抑制性 （3）具有良好的高温流变变性。在高温下能否保证钻证钻 井液具有很 好的流动动性和携带带、悬悬浮岩屑的能力至关重要。对对于深井加重钻钻井液 ，尤其应应加强固控，并控制膨润润土含量以避免高温增稠。当钻钻井液密 度在2.0 g/cm3以上时时，膨润润土含量一般不得超过过1.7 %。必要时时可通 过过加入生物聚合物等改进进流型，提高携屑能力；加入抗高温的稀释剂释剂 控制静切力 11 11 抗温性抗温性 （4）具有良好的润滑性。当固相含量很高时，防止卡钻尤为重 要。此时可通过加入抗高温的液体或固体乳化剂以及混油等措施来降 低摩阻 11 11 抗温性抗温性 7000 m以上的深井，井温可高达200以上，压压力可达150200 MPa 。由于水的可压缩压缩 性相对较对较 小，故压压力对对水基钻钻井液的密度及其它性能 ，如流变变性、滤滤失造壁性等均无明显显的影响。但是，温度的影响却十分 显显著，深井水基钻钻井液的主要问题问题 是抗高温 在高温作用下，钻井液中的粘土颗粒，特别是膨润土颗粒的分散度 进一步增加，从而使颗粒浓度增多、比表面增大的现象常称为高温分散 。实验发现，粘土颗粒的高温分散作用与其水化分散的能力相对应。如 钠蒙脱土水化分散能力最强，其高温分散作用亦最为明显。因此高温分 散的实质仍然是水化分散，只不过高温进一步促进了水化分散而已 产生高温分散作用的原因，主要是由于高温使粘土矿物片状微粒的 热运动加剧，这一方面增强了水分子渗入粘土晶层内部的能力，另一方 面使粘土表面的阳离子扩散能力增强，导致扩散双电层增厚，电位提 高，更有利于分散。影响因素有4： 11.1 11.1 高温对深井水基钻井液性能的影响高温对深井水基钻井液性能的影响 11.1.1 11.1.1 钻钻钻钻井液中粘土的高温分散作用井液中粘土的高温分散作用 粘土的种类。在常温下越容易水化的粘土，高温分散作用也越强 温度及作用时间。温度越高，作用时间越长，高温分散越明显 pH值。由于OH的存在有利于粘土的水化，因此高温分散作用随 pH值升高而增强 一些高价无机阳离子，如Ca2+、Mg2+、Al3+、Cr3+和Fe3+等的存在 不利于粘土水化，因而它们对粘土高温分散具有抑制作用 11.1 11.1 高温对深井水基钻井液性能的影响高温对深井水基钻井液性能的影响 高温分散作用使钻井液中粘土颗粒浓度增加，因此对钻井液的流变 性有很大的影响，而且这种影响是不可逆的和不可恢复的。高温分散对 钻井液表观粘度的影响情况见图2.102 图2.102 高温分散对钻井液表观粘度 与温度关系曲线的影响 钻井液滤液的粘度是随温度钻井液滤液的粘度是随温度 升高而降低的，如果假设粘土颗升高而降低的，如果假设粘土颗 粒的分散度不受温度的影响，那粒的分散度不受温度的影响，那 么按正常规律，其悬浮体（可称么按正常规律，其悬浮体（可称 为为理想悬浮体理想悬浮体）的表观粘度应随）的表观粘度应随 温度升高而下降（如曲线温度升高而下降（如曲线1 1）。但）。但 实际情况是，高温分散作用使钻实际情况是，高温分散作用使钻 井液中粘土颗粒浓度增加，从而井液中粘土颗粒浓度增加，从而 造成钻井液的粘度和切力均比相造成钻井液的粘度和切力均比相 同温度下理想悬浮体的对应值要同温度下理想悬浮体的对应值要 高（如曲线高（如曲线2 2和和3 3） 11.1 11.1 高温对深井水基钻井液性能的影响高温对深井水基钻井液性能的影响 若由此引起的表观粘度增加 值大于升温所引起理想悬浮体的 表观粘度下降值，则可能出现高 温下钻井液的粘度高于常温粘度 的现象。如果升温后再逐渐降低 温度，则可发现降温时的粘温曲 线总比升温时要高，如图2.102中 曲线2和4所示。这表明粘土颗粒 的高温分散是一种不可逆的变化 ，若粘土含量越高，高温分散作 用越强，则两条曲线偏离越远 图2.102 高温分散对钻井液表观粘度 与温度关系曲线的影响 11.1 11.1 高温对深井水基钻井液性能的影响高温对深井水基钻井液性能的影响 实验和现场经验均表明，由于高温分散引起的钻井液高温增稠与钻 井液中粘土含量密切相关。当粘土含量大到某一数值时，钻井液在高温 下会丧失其流动性而形成凝胶，这种现象被称为高温胶凝。凡是发生了 高温胶凝的钻井液，其热稳定性丧失，性能受到破坏。在使用中常表现 为钻井液性能不稳定，粘度和切力上升很快，处理频繁，且处理剂用量 大。因此，防止钻井液高温胶凝是深井钻井液的一项关键技术。目前有 两项措施可有效地预防高温胶凝的发生，一是使用抗高温处理剂抑制高 温分散，二是将钻井液中的粘土（特别是膨润土）含量控制在其容量限 以下 实验实验 表明，只有当粘土含量超过过了容量限，才有发发生高温胶凝的 可能；而低于此容量限时时，钻钻井液只发发生高温增稠，但不会发发生胶凝 。对对于某一给给定的钻钻井液体系，其粘土的容量限可通过过室内实验实验 确定 。因此，对对于高温深井水基钻钻井液，在使用中必须须将粘土的实际实际 含量 严严格控制在其容量限以内 11.1 11.1 高温对深井水基钻井液性能的影响高温对深井水基钻井液性能的影响 井下高温除对钻井液中的粘土造成影响外，还对某些处理剂造成 两方面的影响：高温降解和高温交联 （1） 高温降解 高分子有机化合物受高温作用而导致分子链发生断裂的现象称为 高温降解 对对于钻钻井液处处理剂剂，高温降解包括高分子化合物的主链链断裂和亲亲 水基团团与主链连链连 接键键断裂这这两种情况。前一种情况会降低处处理剂剂的 分子量，失去高分子化合物的特性；后一种情况则则会降低处处理剂剂的亲亲 水性，使其抗污污染能力和效能减弱 11.1 11.1 高温对深井水基钻井液性能的影响高温对深井水基钻井液性能的影响 11.1.2 11.1.2 高温高温对钻对钻对钻对钻 井液井液处处处处理理剂剂剂剂的影响的影响 任何高分子化合物在高温下均会发生降解，但由于其分子结构和外 界条件不同，发生明显降解的温度也有所不同。影响高温降解的首要因 素是处理剂的分子结构。研究表明，如果处理剂分子中含有在溶液中易 被氧化的键，那么这类处理剂一般都容易发生高温降解。例如，在高温 下含醚键的化合物就比以碳-碳、碳-硫和碳-氮连接的化合物更容易降解 。此外，高温降解还与钻井液的pH值以及剪切作用等因素有关。高pH 值往往会促进降解的发生，强烈的剪切作用也会加剧分子链的断裂 由于高温降解是导导致处处理剂剂失效的一个主要原因，因此一般以处处 理剂剂在水溶液中发发生明显显降解时时的温度来表示其抗温能力 11.1 11.1 高温对深井水基钻井液性能的影响高温对深井水基钻井液性能的影响 一些常用处理剂的 抗温能力见表2.29。需要 注意的是，由于降解温 度与pH值、矿化度、剪 切作用、含氧量以及细 菌的种类与含量等多种 外界条件有关，因此表 中数据是相对的、有条 件的，不同文献所列数 据也不尽相同 表2.29 一些常用钻井液处理剂的抗温能力 处处 理 剂剂 名 称抗 温 能 力 单单宁酸钠钠130 栲胶碱液80100 铁铬盐铁铬盐130180 CMC140180 腐植酸衍生物180200 磺甲基单单宁180200 磺甲基褐煤200220 磺甲基酚醛树醛树脂200 水解聚丙烯腈烯腈200230 淀粉及其衍生物115130 11.1 11.1 高温对深井水基钻井液性能的影响高温对深井水基钻井液性能的影响 处理剂的抗温能力与由它处理的钻井液的抗温能力是紧密相关而 又互不相同的两个概念。处理剂抗温能力是就单剂而言，而钻井液一 般是由配浆土、多种处理剂、钻屑和水组成的完整体系，其抗温能力 是指该体系失去热稳定性时的最低温度，显然它除了与各种处理剂的 抗温能力有关外，还取决于各种组分之间的相互作用 高温降解的发生，将给钻井液性能造成很大影响。如果用于调节 钻井液某种性能的处理剂降解，那么该性能即被破坏。因此处理剂热 降解对钻井液性能的影响涉及所有方面，它可能是增稠、胶凝甚至固 化（稀释剂降解），也可能是减稠（高分子增稠剂降解），还可能表 现为滤失量剧增（降滤失剂降解）等等 11.1 11.1 高温对深井水基钻井液性能的影响高温对深井水基钻井液性能的影响 （2） 高温交联联 在高温作用下，处理剂分子中存在的各种不饱和键和活性基团会 促使分子之间发生各种反应，相互联结，从而使分子量增大的现象称 为高温交联。由于反应的结果使分子量增大，因此可将其看作是与高 温降解相反的一种作用。例如，铁铬盐、腐植酸及其衍生物、栲胶类 和合成树脂类等处理剂的分子中都含有大量的可供发生交联反应的官 能团和活性基团，另外在这些改性和合成产品中还往往残存着一些交 联剂（如甲醛等），这样便为分子之间的交联提供了充分的条件 室内研究和现场试验均表明，高温交联对钻井液性能的影响有好 和坏两种可能。如果交联适当，适度增大处理剂的分子量，则可能抵 消高温降解的破坏作用，甚至可能使处理剂进一步改性增效 11.1 11.1 高温对深井水基钻井液性能的影响高温对深井水基钻井液性能的影响 比如，在高温下磺化褐煤与磺化酚醛树脂复配使用时的降滤失效 果要比它们单独使用时的效果好得多，则表明交联作用有利于改善钻 井液性能。在实验中有时发现，钻井液在经受高温老化后的性能要好 于老化前的性能，表现为高温后粘度、切力稳定，滤失量下降，这显 然是十分理想的一种情况。但是，如果一旦交联过度，形成体型网状 结构，则会导致处理剂水溶性变差，甚至失去水溶性而使处理剂完全 失效。这种情况下，必然破坏钻井液的性能，严重时整个体系变成凝 胶，丧失流动性 11.1 11.1 高温对深井水基钻井液性能的影响高温对深井水基钻井液性能的影响 （1） 高温解吸附作用 实验表明，在高温条件下，处理剂在粘土表面的吸附作用会明显减 弱，其原因主要是分子热运动加剧所造成的。高温解吸附会直接影响处 理剂的护胶能力，从而使粘土颗粒更加分散，严重地影响钻井液的热稳 定性和其它各种性能，常常表现出高温滤失量剧增，流变性失去控制 处理剂在粘土表面的吸附与解吸附是一个可逆的动平衡过程。一旦 温度降低，平衡又会朝着有利于吸附的方向进行，因而处理剂又将较多 地被粘土颗粒吸附，钻井液性能也会相应地得以恢复 11.1 11.1 高温对深井水基钻井液性能的影响高温对深井水基钻井液性能的影响 11.1.3 11.1.3 高温高温对处对处对处对处 理理剂剂剂剂与粘土相互作用的影响与粘土相互作用的影响 （2）高温去水化作用 在高温条件下，粘土颗粒表面和处理剂分子中亲水基团的水化 能力会有所降低，使水化膜变薄，从而导致处理剂的护胶能力减弱 ，这种作用常称为高温去水化。其强弱程度除与温度有关外，还取 决于亲水基团的类型。凡通过极性键或氢键水化的基团，高温去水 化作用一般较强；而由离子基水化形成的水化膜，高温去水化作用 相对较弱 由于高温去水化使处理剂的护胶能力减弱，因而常导致滤失量 增大，并且严重时会促使高温胶凝和高温固化等现象的发生 11.1 11.1 高温对深井水基钻井液性能的影响高温对深井水基钻井液性能的影响 高温所引起的钻井液性能变化可归纳为不可逆变化和可逆变化两个 方面 （1）不可逆的性能变化 由于钻井液中粘土颗粒高温分散和处理剂高温降解、交联而引起的 高温增稠、高温胶凝、高温固化、高温减稠以及滤失量上升、泥饼增厚 等均属于不可逆的性能变化 钻钻井液在高温条件下粘度、切力和动动切力上升的现现象称为为高温增稠 。一般来讲讲，高温增稠是高温分散所导导致的结结果，其程度与粘土性质质和 含量有密切的关系。当粘土含量继续继续 增大到一定数值值后，高温分散使钻钻 井液中粘土颗颗粒的浓浓度达到一个临临界值值，此时时在高温去水化作用下，相 距很近的片状粘土颗颗粒会彼此连结连结 起来，形成布满满整个容积积的连续连续 网 架结结构，即形成凝较较 11.1 11.1 高温对深井水基钻井液性能的影响高温对深井水基钻井液性能的影响 11.1.4 11.1.4 高温引起的高温引起的钻钻钻钻井液性能井液性能变变变变化化 在发发生高温胶凝的同时时，如果在粘土颗颗粒相结结合的部位生成了水 化硅酸钙钙，则则会进进一步固结结成型，这这种现现象称为为高温固化。据报导报导 ， 高pH值值的石灰钻钻井液发发生固化的最低温度为为130 实验还发现，除上述现象外，当钻井液中粘土的土质较差而含量又 较低时，会出现高温减稠的现象。此时，尽管仍有粘土高温分散等导致 钻井液增稠的因素，但高温所引起的钻井液滤液粘度降低以及固相颗粒 热运动加剧使颗粒间内摩擦作用减弱，有可能起主导作用，从而造成钻 井液表观粘度降低，即出现了高温减稠 高温下，某种钻井液的性能究竟会出现什么变化，主要取决于粘土 类型、粘土含量、高价金属离子存在与否及其浓度、pH值、处理剂抗 温能力以及温度的高低与作用时间等 11.1 11.1 高温对深井水基钻井液性能的影响高温对深井水基钻井液性能的影响 如果粘土的水化分散能力强、含量高，很可能出现高温增稠；反 之，则很可能出现高温减稠。研究表明，当粘土含量增至某一临界值 时，就会发生高温胶凝。通常将钻井液在某一温度下发生胶凝时所对 应的最低土量，称为这种粘土在该温度下的粘土容量限。当粘土含量 低于其容量限时，钻井液只发生增稠，而不发生胶凝；高于其容量限 时则发生胶凝。一般来讲，若粘土水化分散能力弱、温度低、pH值低 、处理剂抑制高温分散的作用强，则粘土容量限高；反之则低。至于 高温固化，只有当粘土含量超过其容量限、有较多Ca2+存在、pH值较 高，并且又缺乏有效的抗高温处理剂保护时才会发生。由此可见，搞 好固相控制，尽可能降低固相含量，并防止膨润土超量使用，对于维 持深井水基钻井液的良好性能是非常重要的 11.1 11.1 高温对深井水基钻井液性能的影响高温对深井水基钻井液性能的影响 （2）可逆的性能变变化 因高温解吸附、高温去水化以及按正常规律的高温降粘作用而引 起的钻井液滤失量增大、粘度降低等均属于可逆的性能变化 一般来讲，不可逆的性能变化关系到钻井液的热稳定性；可逆的 性能变化则反映了钻井液从井口到井底，然后再返回到井口这个循环 过程中的性能变化。对于抗高温水基钻井液，必须同时考虑这两个方 面的问题。为了研究钻井液不可逆的性能变化，需要模拟井下温度， 用滚子加热炉对钻井液进行滚动老化，然后冷至室温，评价其经受高 温之后的性能；为了研究可逆的性能变化，则需要测定钻井液在高温 高压条件下的流变性和滤失量，评价其高温下的性能 11.1 11.1 高温对深井水基钻井液性能的影响高温对深井水基钻井液性能的影响 通过以上论述，可归纳出对抗高温钻井液处理剂的一般要求是： 高温稳定性好，在高温条件下不易降解 对粘土颗粒有较强的吸附能力，受温度影响小 有较强的水化基团，使处理剂在高温下有良好的亲水特性 能有效地抑制粘土的高温分散作用 在有效加量范围内，抗高温降滤失剂不得使钻井液严重增稠；在 pH值较低时（710）也能充分发挥其效力，以利于控制高温分散，防 止高温胶凝和高温固化现象的发生 11.2 抗高温钻井液处理剂的作用原理 11.2.1 11.2.1 对对对对抗高温抗高温钻钻钻钻井液井液处处处处理理剂剂剂剂的一般要求的一般要求 为了能够满足上述要求，抗高温处理剂的分子结构应具备以下特征 ： （1）为了提高热稳定性，处理剂分子主链的连接键，以及主链与 亲水基团的连接键应为“CC”、“CN”和“CS”等键，应尽量避免 分子中有易氧化的醚键和易水解的酯键 （2）为了使处理剂在高温下对粘土表面有较强的吸附能力，常在 处理剂分子中引入Cr3+、Fe3+等高价金属阳离子，使之与有机处理剂形 成络合物，如铬-腐植酸钠和铁铬盐等。其目的是用这些高价金属阳离 子作为吸附基，它们在带负电荷的粘土表面上可发生牢固而受温度影响 较小的静电吸附。与此同时，高价金属阳离子的引入对抑制粘土颗粒的 高温分散也会起相当大的作用 11.2 抗高温钻井液处理剂的作用原理 11.2.2 11.2.2 抗高温抗高温处处处处理理剂剂剂剂的分子的分子结结结结构特征构特征 （3）为了尽量减轻高温去水化作用，处理剂分子中的主要水化基团 应选用亲水性强的离子基，如磺酸基（SO3）、磺甲基（CH2SO3） 和羧基（COO）等，以保证处理剂吸附在粘土颗粒表面后能形成较厚 的水化膜，使钻井液具有较强的热稳定性。这就是为什么要在单宁、褐 煤和酚醛树脂分子上引入磺甲基的原因。并且，处理剂的取代度、磺化 度应与温度和钻井液的矿化度相适应 （4）为了使处理剂在较低pH值情况下也能充分发挥其效力，则要求 其亲水基团的亲水性尽量不受pH值的影响。相比之下，带有磺酸基的处 理剂可以较好地满足这一要求 11.2 抗高温钻井液处理剂的作用原理 第第2 2章章 钻井工作流体性能测定钻井工作流体性能测定 1 1 钻钻钻钻井液密度井液密度 2 2 钻钻钻钻井液流井液流变变变变性性 3 3 滤滤滤滤失造壁性失造壁性 4 pH4 pH值值值值和碱度和碱度 5 5 含砂量含砂量 6 6 固相含量固相含量 7 7 膨膨润润润润土含量土含量 8 8 滤滤滤滤液分析液分析 9 9 抑制性抑制性 10 10 润润润润滑性滑性 11 11 抗温性抗温性 12 12 荧荧荧荧光度光度 13 13 毒性毒性 14 14 腐腐蚀蚀蚀蚀性性 石油天然气工程学院 钻井液添加剂所发射的荧光属于分子荧光。带有生荧团（生荧团 是指分子结构中的一些不饱和键，特别是共轭双键和苯环，尤其是稠 环，可以吸收紫外光并且发射荧光的官能团）的钻井液添加剂分子吸 收紫外辐射能后，电子跃迁到激发态，激发态为不稳定态，必须跃迁 回稳定的基态。电子由激发态跃迁回基态时能量以荧光发射的方式放 出，由于电子在从激发态跃迁回基态时，通常情况伴随着能量散失， 因此，荧光波长一般比激发波长大 钻井液添加剂发射荧光的波长和强度因添加剂的种类、分子结构 以及添加剂所处的钻井液体系类型不同而存在较大的差异，对原油荧 光显示的影响程度各不相同 因此，排除对对原油荧荧光显显示干扰扰程度大的添加剂剂既能保证钻证钻 井 施工的顺顺利进进行，又能及时发现时发现 原油荧荧光显显示的目的 12 12 荧光度荧光度 所有钻井液添加剂本身在紫外光照射下都能连续发射荧光，而且 荧光发射波长都在280520 nm范围内，与原油的荧光发射波长范围重 叠。钻井液添加剂本身的荧光强度大小与其原油荧光显示的影响程度 并不一致，因为岩屑与添加剂的相互作用程度不同，钻井液添加剂与 原油荧光显示的影响既取决于添加剂本身的荧光强度，还取决于添加 剂与岩屑的相互作用程度 温度变化对钻井液添加剂的荧光特性具有一定影响 从岩屑荧光录井的角度来看，钻井液添加剂引起的岩屑原油荧光 强度变化越小越好 12 12 荧光度荧光度 由于石油具有荧光的特性，国外地质学家于20世纪30年代将荧光 检测技术应用于钻井现场，对钻井中返出岩屑进行紫外光照，以了解 地层岩屑是否含油，从而判断地层的生油及储藏特性 50年代，该项荧光检测技术从苏联引入国内，并成功地应用到国 内钻井现场。经过方法上的一些改进成为今天仍在大多数钻井现场应 用的常规荧光检测技术，这项技术的实践表明，它在勘探开发中对现 场施工有着重要的指导作用，能及时地提示人们有效处理重点层段和 确定油气显示 12.1 12.1 荧光检测技术的产生与发展荧光检测技术的产生与发展 常规荧光检测技术作为地质录井技术的一种方法，是在现场将岩屑 样品放在暗箱中的紫外灯照射下，通过肉眼观察记录岩屑的荧光现象（ 颜色和级别），以氯仿或四氯化碳作为萃取剂，制定15个系列的标准样 品进行系列对比。其浓度与级别对应关系式如下： 式中，B为荧为荧 光显显示级别级别 ；C为为原油浓浓度mg/L 12.1 12.1 荧光检测技术的产生与发展荧光检测技术的产生与发展 然而，常规荧光有着显著的局限性，主要表现在： 常规荧光灯是用波长365nm的紫外光照射石油，不能充分激发 轻质油的荧光 用肉眼观察只能看到波长大于410nm的可见光，而轻质油、煤 成油、凝析油发出的荧光波长为小于400nm的不可见光，因此常规荧 光检测方法观察不到，容易漏掉轻质油、煤成油和凝析油显示层 常规荧光录井用氯仿或四氯化碳浸泡进行系列对比，而氯仿对 人体健康有害，四氯化碳则对荧光有猝灭作用，会降低仪器检测的灵 敏度，均不是理想的荧光试剂 常规荧光录井不能消除泥浆中荧光类有机添加剂的荧光干扰， 在特殊施工井中影响地质资料的准确录取 常规荧光用肉眼观察和描述，人为影响因素太大 12.1 12.1 荧光检测技术的产生与发展荧光检测技术的产生与发展 80年代，美国TEXACO公司与德克萨萨斯州A&M大学成功研制了新 一代荧荧光录录井仪仪：QFT