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1、钻井液技术发展态势 中国石油大学（北京） 鄢捷年 2005年3月,钻井液,钻井液（Drilling Fluids）是指油气钻井过程中以其多种功能满足钻井工作需要的各种循环流体的总称。钻井液又称作钻井泥浆（Drilling Muds），或简称为泥浆（Muds）。 钻井液的循环通过泥浆泵来维持。从泥浆泵排除的高压钻井液经地面高压管汇立管水龙带水龙头方钻杆钻杆钻铤到钻头，从钻头喷嘴喷出。再沿钻柱与井壁（或套管）形成的环形空间向上流动，到达地面后经排出管线流入泥浆池，再经各种固控设备进行处理后进入泥浆泵循环再用。 钻井液流经的各种管件设备构成了一整套钻井液循环系统。,钻井液的基本功用,携带和悬浮岩屑
2、稳定井壁和平衡地层压力 冷却和润滑钻头钻具 传递水动力,钻井液循环系统,钻井液固相的分类,按固相密度分类： 可分为高密度固相和低密度固相两种类型； 前者主要指密度为4.2 g/cm3的重晶石，还有铁矿粉、方铅矿等其它加重材料； 后者主要指膨润土和钻屑，还包括一些不溶性的处理剂，一般认为这部分固相的平均密度为2.6 g/cm3。,钻井液固相的分类,按固相性质分类： 可分为活性固相（Active Solids）和惰性固相（Inert Solids）。 凡是容易发生水化作用或与液相中其它组分发生反应的均称为活性固相，反之则称为惰性固相。 前者主要指膨润土，后者包括砂岩、石灰岩、长石、重晶石以及造浆率
3、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。,振动筛,具有最先、最快分离钻井液固相的特点，担负着清除大量钻屑的任务。 如振动筛发生故障，其它固控设备（除砂器、除泥器、离心机等）都会因超载而不能正常、连续地工作。 是钻井液固控的关键设备。,除砂器,通常将直径为150300 mm的旋流器称为除砂器。在输入压力为0.2 MPa时，各种型号的除砂器处理钻井液的能力为20120 m3/h。 处于正常工作状态时，它能够清除大约95%大于74 mm的钻屑和大约50%大于30 mm的钻屑。,除泥器,通常将直径为100150 mm的旋流器称为除泥器。 正常工作状态下的除
4、泥器可清除约95%大于40 mm的钻屑和约50%大于15 mm的钻屑。,泥浆清洁器（Mud Cleaner）,是一组旋流器和一台细目振动筛的组合。上部为旋流器，下部为细目振动筛； 泥浆清洁器处理钻井液的过程分为两步：第一步是旋流器将钻井液分离成低密度的溢流和高密度的底流，其中溢流返回钻井液循环系统，底流落在细目振动筛上； 第二步是细目振动筛将高密度的底流再分离成两部分，一部分是重晶石和和其它小于网孔的颗粒透过筛网，另一部分是大于网孔的颗粒从筛网上被排出。,离心机,可用于处理加重钻井液以回收重晶石和清除细小的钻屑颗粒。 常用于处理非加重钻井液以清除粒径很小的钻屑颗粒，以及对旋流器的底流进行二次分
5、离，回收液相，排除钻屑。 当工作转速为3250 转/分钟时，对水基钻井液可分离重晶石至2 mm，钻屑至3 mm；而工作转速为2500 转/分钟时，可分离重晶石至6 mm，钻屑至9 mm。,非加重钻井液的固控流程,一、钻井液技术的发展阶段,19141916年，清水作为旋转钻井的洗井介质，即开始使用“泥浆”。 从2060年代，以分散型水基钻井液为主要类型的阶段 细分散体系向粗分散体系的转变，同时出现了早期使用的油基泥浆。其中有代表性的技术措施包括： （1）19211922年，重晶石和氧化铁粉开始用作加重材料； （2）1926年，开始使用膨润土作为悬浮剂；,（3）1930年，研制出最早的泥浆处理剂
6、丹宁酸钠； （4）19311937年，研制出泥浆测量仪器； （5）19441945年，Na-CMC（钠羧甲基纤维素）降 滤失剂； （6）1955年，FCLS（铁铬木质素磺酸盐）作为稀释剂，开始应用于钻井液中； （7）从60年代开始，石灰钻井液、石膏钻井液和氯化钙钻井液等粗分散体系开始广泛使用。,20世纪70-80年代，以聚合物不分散钻井液为主要类型的阶段 聚合物钻井液的出现标志着钻井液工艺技术进入了科学发展阶段。主要有以下类型： （1）部分水解聚丙烯酰胺体系； （2）氯化钾聚合物钻井液体系； （3）羟乙基纤维素体系； （4）聚磺钻井液,在此期间，油基钻井液也有了进一步的发展： 在50年代柴油为
7、基油的油基钻井液基础上， 70年代发展了低胶质油包水乳化钻井液， 80年代低毒油包水乳化钻井液。 在抗高温深井钻井液方面： 研制出三磺处理剂（国内）、以Resinex为代表的抗高温处理剂（国外），使深井钻井液技术取得了很大进展。,20世纪90年代以来， （1）聚合物、聚磺钻井液进一步发展 （两性离子、阳离子聚合物等） （2）MMH钻井液 （3）合成基钻井液 （4）聚合醇钻井液 （5）甲酸盐（有机）钻井液 （6）仿油基钻井液（MEG等） （6）硅酸盐钻井液 （7）气体型钻井流体,二、我国钻井液技术 发展概况,20世纪50-60年代,分散钻井液 钙处理钻井液（以石灰、石膏及氯化钙为絮凝剂） 盐水钻
8、井液,70年代末至80年代中期 我国钻井液技术有了很大的发展。主要表现在： 三磺（磺化丹宁或烤胶、磺化褐煤和磺化酚醛树脂）钻井液在全国推广，创下了钻超井7175m的纪录。 低固相不分散聚合物钻井液技术在我国得到全面推广。钾基聚合物钻井液在很大程度上解决了泥、页岩地层的坍塌问题。 80年代初期，研制成功了油包水乳化加重钻井液，并在华北、新疆和中原等油田得到成功应用。 钻井液处理剂、原材料品种迅速增加，质量不断提高。1978年，我国钻井液处理剂仅有40多种，1985年已达到16个门类，共129种。,1986-1990年（“七五”期间） 聚合物处理剂的类型从阴离子扩展到阳离子、两性离子 研制出以FA
9、-367、XY-27和JT-888等处理剂组成的两性离子聚合物钻井液体系 研制出以阳离子包被剂、降滤失剂、降粘剂、防塌剂等组成的全阳离子聚合物钻井液体系；,1986-1990年（“七五”期间） 为实现欠平衡压力钻井，研制出泡沫和充气钻井液。 为解决井壁失稳问题，研制出了具有强抑制性的防塌钻井液体系，包括可对付复杂盐膏层的饱和盐水钻井液。 研制出应用于深井、超深井的聚磺钻井液体系。该体系兼有聚合物钻井液和三磺钻井液的优点，既有很强的抑制性，又改善了高温高压条件下钻井液的性能。,19911995年（“八五”期间） 聚合物钻井液技术又有了新的进步。两性离子聚合物钻井液技术更加成熟，已在我国15个油田
10、的数千口井上推广使用，并研制出两性离子聚合物加重钻井液，最高密度可达2.03g/cm3。 阳离子聚合物钻井液技术亦更加配套、完善。 发展了混合金属层状氢氧化物（MMH）钻井液（又称为正电胶钻井液）技术。这类钻井液有其独特的流变特性，还具有强抑制性、防漏、减少油气层损害程度； 发展了水平井钻井液配套技术，成功地解决了钻水平井时所遇到的携岩、井壁稳定、防漏堵漏、钻井液润滑性和保护油气层等技术难题，总体上达到90年代国际先进水平。 钻井液处理剂继续以较快速度发展，并逐步形成系列。1993年，我国钻井液处理剂已有16个门类，共计246种。,钻井液工艺的技术关键,深井高温、高密度钻井液技术； 特殊工艺井
11、钻井液技术； 井壁稳定和防塌钻井液技术； 新型处理剂和钻井液体系的发展与应用； 保护储层的钻井液、完井液技术； 钻井液润滑性及防卡、解卡技术； 钻井液防漏、堵漏技术； 钻井液流变性及其与携岩的关系； 钻井液固控技术； 废弃钻井液处理技术。,三、新型钻井液概述,合成基钻井液,是以人工合成的有机化合物作为连续相，盐水作为分散相，以及乳化剂、降滤失剂、流型改进剂等组成的体系。 与油基钻井液的区别在于，将油基泥浆中的基油柴油或矿物油替换成可生物降解又无毒性的改性植物油类。 对合成基钻井液的一般要求：（1）合成有机物的物理性质应与矿物油的物理性质相似；（2）其毒性必须很低；（3）无论在好氧或厌氧的的条件
12、下都是可以生物降解的。 目前，在墨西哥湾和北海油田等地区，合成基钻井液已推广应用。据不完全统计，在世界范围内已有500多口井使用了合成基钻井液。,第一代合成基钻井液 酯类 醚类 聚-烯烃（PAO）类 第二代合成基钻井液 线性-烯烃（LAO）类 内烯烃（IO）类 线性烷烃（LP）类 线性烷基苯类,合成基液的物理性能,1、酯基钻井液 酯类(Esters)最早用作钻井液的基液（1990年3月，挪威）。它是植物脂肪酸与醇类反应的生成物。 生物降解的测试结果表明，在有氧的条件下，35天后有82.5% 被细菌降解，而矿物油在同样条件下只有3.5% 被降解。 由于酯基钻井液毒性很低，允许将钻屑直接排放到海里
13、。 Statoil公司在北海Statfijord气田使用该类钻井液已成功钻成10口定向井，其中一口井水平位移达7290 m。,酯基钻井液典型配方及性能,2、醚基钻井液 R-O-R型有机物，可由醇类与酸反应生成。 醚类（Ethers）与酯类的物理性质相似，抗温可达240C。 由于其分子结构中没有活泼的基团，因而性能较稳定，有较强的抗盐、抗钙能力。,（3）聚-烯烃钻井液 （Polyalphaolefin, 缩写PAO） 由-烯烃聚合而成。 由于-烯烃在分子链的端部带有双键，经聚合后双键仍保留在生成物的分子中，因而易于降解。 其另一优点是，不随温度和pH值的变化而改变其特性，而酯基钻井液在碱性条件下
14、则可能发生分解。因此，该类钻井液比酯基钻井液更能抗高温和石灰污染。,聚合方式举例： 生成二聚物、三聚物、四聚物等。 C8H16 C16H32 + C24H48 + C32H64 辛烯-1 16烯 24烯 32烯 C10H20 C20H40 + C30H60 + C40H80 癸烯-1 20烯 30烯 40烯,PAO钻井液典型配方及性能,聚合醇钻井液,（1）能增强钻井液的抗温性，如JLX能将聚合物钻井液的抗温极限温度提高20C以上。 （2）能明显增强钻井液的抑制性和润滑性。在这两方面，其浊点温度以上的性能更优于其浊点温度以下的性能。 （3）与常用聚合物钻井液具有很好的配伍性。并且在聚合物钻井液中
15、，具有一定的稀释和降滤失作用。 （4）有利于保护油气层。这一方面是由于当聚合醇在其浊点温度以上时，对泥饼具有一定的堵孔作用，可防止钻井液固相颗粒和滤液的侵入；另一方面聚合醇能降低油水界面张力，减轻水锁损害，因而能较明显提高低渗岩样的渗透率恢复值。 （5）聚合醇毒性低，可生物降解，因而能满足环保要求。 （6）聚合醇的荧光度很低，有利于识别和发现油气层。,聚合醇钻井液典型配方,（1）33.5%膨润土浆 + 0.10.4%聚合物包被剂 + 0.5 1%改性淀粉（或NH4-HPAN）+ 25% JLX。 （2）膨润土海水浆 + 0.25%低粘聚阴离子纤维素 + 0.2%高粘聚阴离子纤维素 + 0.2%
16、 80A-51 + 0.9% NH4-HPAN + 3% JLX + 2% WLD,硅酸钾聚合物钻井液 （From Marquis Fluids),很强的抑制性 有利于提高钻速 环保型钻井液 无毒、安全 配制成本低 腐蚀性弱 被誉为最有发展前景的水基钻井液,硅酸钾聚合物钻井液的典型配方与性能(From Schlumberger),Sildril L（硅酸盐） 10% by Vol Duovis（黄原胶） 1.25-1.5 PPB (0.36-0.43%) Biocide（杀菌剂） 0.15 PPB (0.04%) KCl 26.0 PPB (7.4%) Polypac UL 3.0-4.0 PPB (0.86-1.14%) Soda Ash 0.25-0.5 PPB (0.07-0.14%),硅酸盐稳定井壁的机理,硅酸盐在水中可形成不同大小的颗粒，颗粒尺寸分布宽，通过吸附、扩散等途径可堵塞井壁裂缝、孔洞，可抑制泥页岩膨胀性和分散性。 硅酸根在pH值小于9时，与地层水作用，立即变成硅酸盐凝胶堵塞裂缝孔隙。 进入地层的硅酸根离子（SiO32-)与岩石表面或地层水中的Ca2+、Mg2+发生反应生成CaSiO3沉淀，覆盖在岩石表面起封堵作用。,
