深井钻井液技术发展趋势

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1、石油工程学会：深井钻井试油及装备技术研讨会论文选集深井钻井液技术发展趋势张克勤 + 刘雨日青(中国石油天然气总公司石油勘探开发科学研究院钻井工艺研究所 )摘要综述了国外深井钻井液发展动态和我国深井钻井液技术发展的三个阶段，重点对聚 磺钻井液进行了阐述。从水基钻井液 “体系 ”的发展和 “处理剂 ”的发展结合国外情况进行了分析和 预测：综述了第三代油基钻井液 (合成基油包水钻井液 )形成与发展、发展趋势，初步预测了将来的 发展方向。主题词深井钻井液 合成基钻井液 聚磺钻井赢 发展趋势不易掌握和控制。这是由于在高温的作用下，钻井前 言液中的各种成分和添加剂均将因高温的影响而变国外一般把井深超过 4

2、570m(15000 英尺 )的井 质，发酵、降解、增稠、失效等。除无机盐如 KCl、 叫深井。超过 6100m(20000 英尺 )的井叫超深井。 CacI：， NaCl等外所有有讥物部将随着温度增高而 超过 9144m(30000 英尺 )的井叫特深井。 变质。如配浆用的膨润土当温度超过 12I 美国是钻深井、超深井一直领先的国家。 1938 (250 。 F)时就会明显增稠。淀粉类处理剂当温度超 年钻成功世界第一口深井 (4572m) 。 1949 年钻成功 过 121) 时容易发酵。纤维素类和一般高聚合物类第一口超深井 (6250m) 。 1974 年钴成功 9583 2m 当温度超过

3、 140 就会断链，降解失去作用。这些的特深井。 处理剂的化学、物理变化最终反映在钻井液性能的我国于 1966 年钻成功第一口深井论基六井 变化和失效，如滤失量增大，粘度增高，最后导致钻(4718 77m) ，在 70年代接着钻成了几口 5000m 的 井工程不能正常进行。井，如东风二井 (5006m) 、新港 57井 (5127rn) 、王深 (2)地层的高压力造成了钻井液必须高密度如二井 (5163m) 等。 1976 年钻成功了 6011m 的超深 密度高于 2 09 cm3。为了保持一定的钻并液性能， 井 (女基井 )。又必须高固相 (达到 45 )和高浓度的处理剂。再显然，井越深技术

4、难度越大。也可以说，钻井深加上高温的作用，将促进各类添加剂间的反应速度。 度是衡量一个国家的钻探技术水平的重要标志之一。而钻井液技术则是协助完成深井安全钻进的一 如果又遇到地层的污染如盐、石杼、高压油、气和水项主要技术手段。井越深，所遇到的任何一种情况 等更会促使钻井液性能的变化，较难控制和掌握。都将彬响钻井液性能的加速变化。例如，钻遇石 1氘 (3)增加了钻井工程难度，如由于高压会造成孔岩盐、大段泥页岩、易坍塌地层、高异常压力地层 隙压力值与破裂压力值非常接近钻井液密度的活(油、气、水)、严重漏失层等。也就是通常所说的：喷 动区间很小，容易造成井喷或井漏；由于密度高增加 漏、塌卡、高含硫、高

5、温、高压等复杂情况，部需要育 了造成压差卡钻的讥会；造成循环压力高，产生压力 一定“特性 ”的钻井液去克服。因此，国内外对深井 激动以及如钻具喜损、钻头使用寿命减少等困难。钻井液技术的研究部投入了较多的精力。 特别在海上钻井当处理不及时、措施不当时，还会引发严重工程 qf故危及生命安全。深井钻井液的特殊性和要求 2对深井钻井液的要求I深井钻井液的特殊性 (1)具有抗高温的能力 (又称高温稳定能力 )这(1)在高温的影响下，钻井液性能的变化加剧 就需要选择可耐高温的主处理刺例如褐煤类 (抗温*张克勤教授级商 1：。 JIIj：编： 100083，地址：北 j再 盯学院路 9111f占符 7阳 “

6、勘掠耽计 Jf： J行，电 i I： 11-621197529石油工程学会：漂井钻井试油及装备技术研讨会论文选集204*(2) 的产品就较术质素类 (抗温 170) 产品有较 给出某处地层的横断面情况以了解其构形及裂缝状高的耐温能力。在合成聚合物类设计分子结构时要 态；求其结构是由“cc，C-Ncs”键相连接，丽避 (4)利用 x射线荧光法 (XBF) 来测量钻井液的 免“一O”键相联结以提高其抗温性能。其功能团 组分，重晶石，低固相等的浓度； 则要求亲水性能高温去水化小的集团如 (5)利用多孔弹性理沦，把力学因素和化学因素 “一s03，一cOO一”根等。 联系在一起考虑，使钻井液和页岩中水的

7、摩尔自由(2) 具有较强的抑制能力。如无机盐 KCI 、 能差引起的化学诱发应力变化与力学诱发应力变化NaCl ， Ca(OH) ，均有较好的抑制能力。有机高聚物 相结合、开发出了一种井壁稳定性新模式，利用这一 类目前以带有阳离子功能团和易形成氢键的高聚物 模式计算可以使井壁稳定问题大为减轻。 较以前的带阴离子功能团 (一 c【)ONa) 的抑制能力 (6)用不同的方法和仪器对泥页岩中钻井液组 强。再如 MMH( 正电胶 )、聚乙二醇、甘油、以及 份迁移动力学方面进行了研究。如： Mody 和 130l 等 AMPs AAM 和 AMPs AM等高聚物都具有较好 人分析了钻井液组份沿泥页岩迁移

8、的 4种力 (水力 的防止粘土水化、分散和抗污染能力。 压差、化学势差、温差、毛管力 )； Balland等人用同位(3)具有较好的润滑性。加入可抗高温的液体 素示迹法研究了水、离子沿泥页岩传输的状态： c11_ 润滑剂或固体润滑剂，或加入油类或酯类来降低朦 enevert 等人利用应变感应测定技术，量测了页岩含 阻。 水量随时间和侵入深度的变化规律； Wong等人利 (4)具有良好的流变性能。选用合宜的配浆土： 用非平衡热力学方法，并兼顾力学守恒和质量守恒 如：海泡石或凹凸棒土 (抗温 371) 或控制膨润土 的关系建立了一种非平衡连续热力学分析模型； A的含量 (测定 MBT含量 )来避免

9、钻井液高温增嗣。 manuah等人研究了水fkx：-应力、应变的关系等。 当钻井液密度在 2 ()cm3 以上时，要求膨润土含量 综合 “上技术，可以认为 90年代以来更加重视 小于 17 1kg m。加入 MMH或生物聚台物等提高 泥页岩钻井液相互作用的微观帆理研究，逐步从宏 携屑能力；加入解絮凝剂控制静切力等。 观到微观，由定性到定量，采用力学与化学相结合的(5)对生物无毒性达到环保的要求。 方法 (化学一力学耦台研究 )来实现钻井液配方的优 选达到实现井壁稳定的目的。国外深井钻井液技术发展动态 2在处理剂的研制方面解决可抗高温、高匿、深井复杂地层的钻井液技 新型的处理剂是新型钻井液配方的

10、基础，没有 术，始终是国际上各有关单位特别是各大泥浆公司 新的处理剂也就没有新的钻井液体系，自 1972年美 所关注的重点问题。可以说是全方位的从各个方面 国研制出可抗高温的降粘剂酚磺化本质素磺酸铬以 进行了探索如测试仪器的研制和评价方法，井壁失 来，美国、法国、前苏联等国家都先后研制出了多种 稳 几理的模拟和克服方法的研究，处理制及钻井液 类型的抗高温、抗盐的处理剂，比早期的 SSMA( 苯材料的选择和研制：高温高压条件下钻井液的流变 乙烯马来酸酐共聚物，抗温 230*(2、分子量 1000 混 ?特性，现场工艺技术；钻井液配方的组合；环保，包装 5000； vSvA(乙烯磺酸盐和乙烯酰胺共

11、聚物 )，分子自动化，标准化等问题，均进行了大量的探索科研工 量 100万抗温 200 ，前苏联研制的甲基而烯酰胺 作。 共聚物抗温 2501；原西德研制的 Hostaddri( 乙烯1在井壁稳定机理技术方面 酰胺乙烯磺酸盐共聚物 )抗温 2iOt；美国生产的 ； 11井壁稳定一直被认为是卡钻及一系列井下复杂 Resinex(褐煤 f； ff脂 )，抗温 220*(2等近期原西德研制问题的根源，也是其他研究工作的基础，国外近期的 的 PolydriH( 磺化聚合物 )和 COP l和 COP-2( 乙 研究内容约略如下： 烯基磺酸盐共聚物 )利用单体 AMPS(2 丙烯酰胺 (1) 用 X射线

12、层忻成像法进行 T井眼的模拟研 基 2甲基两烷磺酸 )和丙烯酰胺或 N烷基雨烯究； 酰胺共聚合成的抗高温处理剂比较突出。不仅可耐 1jJ 11(2)用计辫饥程序预测井壁的稳定度，并求出所 高温 (260) 同时抗钙盐和饱台盐水的污染已被需钻井液的密度； 几家大泥浆公司所采用 (洋见表 】) 。从表中可看出(3)通过超声波井下照像工具 (VBI) 以声波传 这些可抗高温的处理剂其所度用的聚台物在其 c_f1递时间和声幅的大小对井眼进行 360。的扫描可以c主链上都在侧基上岔有磺酸根 (s(H) ，以提高其石油工程学会：漂井钻井试油及装备技术研讨会论文选集 29I工 工工： H i i 5 i l

13、|： i懈 I j 0 二 0 z!=。=! i 。 i1 0 Zo Z z：口 j 毫窭 越 !：； z o 斟 弓邮 。如 妻娄要垂以一 雾竖蹀 霉二 粼 鬟囊 罄罹 韫翅 餐 球脚 柱 钼 亳球霎 监 一甾 蚕耄 n 一幢 磊器藤 器酵 掣辈 主亩当基 如盛 剽lN 圣虿覆忙 舔荽 墨蓑皂壶墨2 o=懈封茛朵酗茸瞅州鼹噬啊驾 !辖 j彗 1，丧圃 N懈 羹 鬻奏 量壹萋瓮砉 鱼壬宝g拿； 善 蝠 岳受圣p吾纂 l耳N _ N _ 翱 士 Z Z J是 o o o o 量蚕懈 Z0 o 0 0艇 暑 摧W g 鲁 p 比媒 喜 i喜 o 吕 鞍赠 三 o 擐赠 善圣 l趸 茁 出 h 篷

14、百缸匿 山 山 聪藩 - 口 g 圈婶 8 2 旦 oT西 g 一 子 盘 羔 32- 石油工程学会：漂井钻井试油及装备技术研讨会论文选集性能见对比表(3、4)。 井，井斜角大于 80。的有 6口井，其中有一口井水平 (1)酯基钻井液 位移达到 7290m ， 80 以上的斜井段有 5470m 长。 酯(Esrer) 是最早发现有可能成为连续相的物 这类酯基钻井液经环保部门 SFT(statell$Foruren 质，可抗温 26012 。酯是有机植物脂肪酸在水存在 sninig Stilsyh)检测得到肯定，这类钻井液的空气污 的条件下与醇反应并以酸为催化剂的产物。植物脂 染程度比油基钻井液

15、低 10，允许将钻屑直接排放 肪酸来源很广，如菜籽油、豆iltt、椰子油等。酯基钻 到海里。生物降解测试结果，在有氧的条件下， 35 井液最早由 statoil 公司在北海、挪威区域的 statfi 天后有 82 5被细菌降解；而矿物油在同样条件下jord气田使用，先后钻了 10口井均获得好的效果， 只有39被降解。 提高了钻井速度，节约了成本。这 10口井都是定向 (2)醚基钻井液表 4各种台成钻井液的分子结构特点及其基本性能瑟本性能分子结构特点 4(1时 闪点 芳香族密度 粘度(Pas) () 含世有两个辄，酯分子奋易进受酸或基本反应物的攻击，降解速度快。嘲能烃憾 0 8S 0 5 0 6 50 160 135 150 1 000()00井液颜色 占晰这类物质是由 n一烯烃聚合而成的 注：凡碳碳双键 (C=C) 在第 1和第 2个碳原子之间的烯烃统 称为 a一烯烃，即双键处于端位的烯烃，如 1一戍烯表 7 Syn-1lEq 体系配方及性能 烃、1一 18碳烯烃 。矿物油虽然毒性很低，但不易 密度(gera3) 096 2 16 降解，原因是其分子中有支链