国内外钻井液技术发展概述.doc

国内外钻井液技术发展概述国内外钻井液技术发展概述摘摘 要：要：本文主要论述了国内外钻井液的发展状况及发展趋势，介绍了近年来国内外发展起来的 16 种新型钻井液技术，国内外钻井液技术仍以抗高温、高压、深井复杂地层的钻井液技术为主攻目标，指出了钻井液处理剂的发展方向是高效廉价、一剂多效、保护油气层、尽可能减轻环境污染，并寻求技术更先进、性能更优异、综合效益更佳的钻井液体系及钻井液处理剂对钻井液技术发展进行了展望，由于深井、复杂井、特殊工艺井以及特殊储藏的开发、环境保护的重视，对钻井液完井液的要求越来越高，所以抗高温、高压、深井复杂地层、油气层保护仍是钻井液完井液技术发展的重要方向关键词：钻井液 技术 发展一、国内外钻井液技术新发展概述一、国内外钻井液技术新发展概述钻井液作为服务钻井工程的重要手段之一从 90 年代后期钻井液的主要功能已从维护井壁稳定，保证安全钻进，发展到如何利用钻井液这一手段来达到保护油气层、多产油的目的一口井的成功完井及其成本在某种程度上取决于钻井液的类型及性能因此，适当地选择钻井液及钻井液处理剂以维护钻井液具有适当的性能是非常必要的钻井液及钻井液处理剂经过 80 年代的发展高潮以后，逐渐进入稳定期，亦即技术成熟期。

可以认为，由于钻井液及钻井液处理剂都有众多的类型及产品可供选择，因此现代钻井液技术已不再研究和开发一般钻井液及钻井液处理剂产品，而是在高效廉价、一剂多效、保护油气层、尽可能减轻环境污染等方面进行深入研究，以寻求技术更先进、性能更优异、综合效益更佳的钻井液及钻井液处理剂1．抗高温聚合物水基钻井液．抗高温聚合物水基钻井液所使用的聚合物在其 C-C 主链上的侧链上引入具有特殊功能的基团如：酰胺基、羧基、磺酸根（S03H）、季胺基等，以提高其抗高温的能力不论是其较新的产品，如磺化聚合物 Polydrill，或早己生产的产品如S.S.M.A.（磺化苯乙烯与马来酸酐共聚物）均是如此，并采取下列措施：①利用表面活性剂的两亲作用来改善钻井液的抗温性；②抗氧化剂可以大幅度提高磺化聚合物抗高温降滤失剂的高温稳定性能③膨润土一直是水基钻井液的基础但随着温度的升高和污染，它是最难控制和预测其性能的粘土矿物而皂石和海泡石最重要的特征是随着温度的升高而转变为薄片状结构的富镁蒙脱石，比膨润土能更好的控制流变性和滤失量2．强抑制聚合物水基钻井液．强抑制聚合物水基钻井液随着钻井液的发展，研制成功了阳离子聚合物钻井液这种抑制能力很强的新型钻井液与原阴离子的聚合物钻井液的本质区别就是在“有机聚合物包被剂”这一主剂上引入了阳离子基团即（-N 一）基基团（如阳离子聚丙烯酰胺），另外又添加了一种分子量较小的季胺盐类，（如羟丙基三甲基氯化胺）。

另外，在 PAM 分子链上引入阳离子基团、疏水基团和 AMPS（2-丙烯酰胺基—2—甲基丙磺酸），从而使改性的 PAM 赋予了新的性能通过改性，使聚合物分子中的阳离子中和了粘土颗粒上的负电荷而减小静电斥力，使聚合物能在更多位置上与粘土发生桥链，对粘土能够起到很好的保护作用由于分子链中含有疏水基团，使吸附在粘土表面的聚合物表现为憎水性质，故有利于阻止水分子的进入，从而能有效地抑制页岩的膨胀3．合成基油包水钻井液．合成基油包水钻井液合成基钻井完井液体系在组成上与传统的油基钻井液类似，主要由有机合成物基液、乳化剂、水相、加重剂和其它性能调节剂组成其中有机合成物为连续相，水相为分散相，加重剂用于调节密度，乳化剂和其它调节剂用于分散体系的稳定及调节流变性体系中常用的合成基液类型有酯类、醚类、聚-а-烯烃类和直链烷基苯类等，而尤以酯类用得最多，其次是聚-а-烯烃类多元醇（Polyols）类和甲基多糖（Methyl Glucoside）类是合成基钻井完井液中广为使用的两种多功能添加剂，它们具有乳化、降滤失、润滑和增粘的功效，也可以单独作为多元醇钻井液和甲基多糖钻井液两种新体系的主要添加剂合成基钻井液的乳化剂有专用的，如水生动物油乳化剂：但多数使用与普通油基钻井液相同的乳化剂，如脂肪酸钙、咪唑啉衍生物、烷基硫酸（酯）盐、磷酸酯、山梨糖醇酐酯类（Span）、聚氧乙烯脂肪胺、聚氧乙烯脂肪醇醚（平平加类）等。

该钻井完井液体系已应用了上千口井，取得了井眼稳定、井下安全提高钻速、有利于保护环境和油气层等较好的效果和效益4．有机盐盐水钻井液．有机盐盐水钻井液有机盐钻井液完井液的核心是高密度和强的抑制性它是基于低碳原子（C1—C6）碱金属（第一主族）有机酸盐、有机酸铵盐、有机酸季铵盐的钻井液完井液体系优点为：① 配方简单：一种主处理剂有机盐构成一个钻井液体系；② 类油基特点：该钻井液是一种高浓度有机物连续相流体；③ 抑制性强：能够有效地抑制储层泥岩胶结物的水化膨胀和水化分散，有利于井壁稳定、井眼规则，有效地保护油气层；④ 低固相，高密度；⑤ 有利于提高机械钻速；⑥ 无毒、无害、易生物降解、无生物富集，有利于保护环境有机盐钻井液完井液技术机理分析：有机盐钻井液完井液的五种作用机理都能有效地抑制泥岩水化膨胀、水化分散，有利于井壁稳定和油气层保护1）、类油基钻井液性质：有机盐钻井液中较长链有机酸根浓度较高，呈有机物连续相性质，可达到趋近于油基钻井液的抑制能力，可有效抑制粘土、钻屑的分散和膨胀，同时有利于保护油气层2）、水的活度较低： 有机盐钻井液中有机盐含量较高，可束缚大量自由水，水活度低（例如：15%水溶液水的活度为 0.85），粘土颗粒、钻屑在其中浸泡时水化应力较低，在其中的分散趋势被强烈抑制，同时能够有效地抑制储层泥岩胶结物的水化膨胀、水化分散，有利于保护油气层。

3）、阳离子吸附和阳离子嵌入机理：有机盐钻井液中含大量的 K＋、NH4＋、NR4＋可通过化学键吸附于带负电的粘土颗粒表面，也可嵌入粘土颗粒晶格内，增大粘土颗粒的水化阻力，起到抑制其分散、膨胀的作用，同时有利于保护油气层4）、有机酸根阴离子吸附机理：有机盐钻井液中大量的有机酸根阴离子可吸附于带正电的粘土颗粒端面上，阻止水进入粘土颗粒，抑制其表面水化及渗透水化，同时有利于保护油气层5）、有机盐钻井液的滤失造壁性分析：有机盐钻井液中大量的有一定链长的有机酸根阴离子，可与土结合形成薄而韧的泥饼，从而有效地保护井壁和降低滤失量，也有利于保护油气层钻井液的典型配方：有机盐水溶液(1.00-2.30 g/cm3) 综合考虑抑制性、流变性、价格等因素，首先确定有机盐基液的密度：烧碱 NaOH 0.1-0.2%+降滤失剂 Redu11-2%降失水+无萤光白沥青 NFA-250.5-2%改善泥饼质量注：根据现场具体情况，有时需要加入包被剂 IND10、提切剂 Visco1、黄原胶 Xc、聚合醇 PGCS-15．甲酸盐类水基钻井液．甲酸盐类水基钻井液甲酸盐钻井液是国外 90 年代研制并使用的一种新型钻井液将甲酸与氢氧化钠或氢氧化钾在高温高压下反应制成碱性金属盐如甲酸钠、甲酸钾、甲酸铯配制成甲酸盐类水基钻井液。

甲酸盐盐水钻井液体系是在盐水钻井液和完井液基础上发展起来的，因而除具有盐水钻井液的特点外，还具有其独特的优点甲酸盐的优点：（1）由于其强抑制性，可有效地抑制泥页岩的水化膨胀和分散，也有利于减少钻井液对油气层的损害2）易生物降解，不会造成对环境的污染3）钻具、套管等金属材料在这种钻井液中的腐蚀性小，有利于延长它们的使用寿命4）不需要加重材料就可以配制高密度钻井液，甲酸纳和甲酸钾盐类的水溶液密度分别为 l.34g/cm3和1.60g/cm3，甲酸铯水溶液密度可高达 2.3g/cm3不仅有利于提高机械钻速，而且有利于保护油气层5）这种钻井液体系的低粘度、高动态瞬时滤失量有利于提高机械钻速6）这种钻井液体系具有良好的抗高温、抗污染的能力，并可以降低所使用的各类添加剂在高温条件下的水解和氧化降解的速度甲酸盐盐水具有作为深井和小井眼钻井的无固相钻井液的特性：（1）在高温下能维持携屑2）在高温下能阻止固相沉降3）降低了压差卡钻的可能性（滤饼很薄）4）在长且狭窄的井筒中具有低的当量循环密度5）可以向钻井液马达和钻头传送最大的动力6）与油层的矿物和油层中的液相相容7）与完井设备的硬件和人造橡胶相容8）符合环保要求而且易被生物降解。

6．硅酸盐钻井液．硅酸盐钻井液钻井液中添加了对页岩抑制性最好的可溶性硅酸盐这种硅酸盐钻井液体系已用于钻水敏性页岩地层、分散性白垩岩地层和含伊利石的地层硅酸盐钻井液的抑制能力比任何水基钻井液都高，实际上已达到油基钻井液的抑制能力1）硅酸盐的化学性质）硅酸盐的化学性质硅酸盐是一种无机材料，是由碳酸盐与二氧化硅混合后加热生成的硅钠比是硅酸钠最重要的物理性能改变 SiO2、Na2O 和 H2O 的比例能控制硅酸钠的化学和物理性能硅钠比决定了硅酸钠的下列特性：（1）固相和粉末的溶解度；（2）硅酸盐的反应能力；（3）诸如粘度等物理性能室内试验证明，高硅钠比的硅酸盐具有更高的抑制效率在一般情况下，硅钠比为 2.6 的硅酸盐就能达到基本的抑制能力2）钻井液配方和特性）钻井液配方和特性典型的硅酸盐钻井液配方见表 1体系普遍使用黄原胶和聚阴离子纤维素来达到要求的流变性和控制滤失硅基钻井液在 pH 值为 11～12.5 时稳定性最好高 pH 值可防止溶解硅的聚合因此，需要添加硅酸钠来达到要求的 pH 值pH 值下降是硅酸盐耗损的信号要添加硅酸盐来维持钻井液的抑制性钻井液中硅酸盐的浓度可用试验和从硅酸钠的浓度计算出来。

可通过直接把硅酸钠加到钻井液中或通过预混合加到钻井液中的方式来维持理想的浓度表 1 硅酸盐钻井液配方添加剂加量（kg/m3）作用黄原胶 3悬浮聚阴离子纤维素 8控制失水淀粉 10控制失水硅酸钠溶液 100抑制性杀菌剂 1杀菌碳酸钾 40增加抑制性盐（NaCl） 300氯含量、密度纯碱 0.2～0.4控制硬度、补水当可溶性硅酸盐与页岩表面接触时，pH 值下降并且与页岩中的两价离子（Ca＋2和 Mg＋2）反应，在页岩表面形成一道可以防止滤液和颗粒侵入地层的屏障当使用硅酸盐钻井液钻进时，要注意下列问题：（1）由于钻井液的抑制性强，所以钻屑等固相对钻井液的流变性可能不会产生影响；（2）在钻屑吸收钻井液的滤液之前，新配制的钻井液具有较高的滤失量；（3）钻进时，重要的是要定时记录泵入和返出钻井液中的硅酸盐含量，以便监测硅酸盐的消耗率和确定是否需要对钻井液进行处理；（4）硅酸盐钻井液的高抑制性保持了钻屑的完整性，需要钻井液具有较高的屈服值和较低的剪切粘度以保证井眼的清洁能力，同时振动筛的负荷也要比使用普通钻井液高；（6）由于硅酸盐与钙和镁反应产生沉淀物，所以钻井液体系的硬度为零；（7）硅酸盐钻井液的 pH 值一般为 11.0～12.5。

钻井液的 pH 值是从硅酸盐含量推导出来的，所以钻井液的碱度（Pm和 Pf）是监测硅酸盐含量的有效方法Pm为 10～30，而 Pf为 8～25在钻进时 pH 值和碱度下降归咎于硅酸盐消耗要通过加入硅酸钠来维持 pH 值和碱度在通常情况下，不需要通过加氢氧化钾和氢氧化钠来维持 pH 值8）硅酸盐是一种金属材料的防腐剂，所以不需要往钻井液中加防腐剂在盐饱和体系中游离态氧的含量非常少，硅酸盐与铁反应生成一种可防止发生化学反应的硅酸盐包被物硅酸盐钻井液可以有效地抑制页岩钻进时要把钻井液的 pH 值控制在 11～12.5使用硅酸盐钻井液时，固控设备对维持钻井液特性和降低钻井液成本起决定性作用，因此要选择处理量大的固控设备7．用减轻剂配制低密度钻井液．用减轻剂配制低密度钻井液钻进低压地层时，为减少漏失和对油气层的损害，采用密度小于 1.0g/cm3的钻井液目前使用的密度小于 0.83g/cm3的钻井液都含有气，而密度低于 1.0—0.83 g/cm3的钻井液均含油油会对录井资料产生影响，而使用泡沫、充气、氮气等会增加钻井成本，还会造成钻具腐。