聚合物钻井液

聚合物钻井液PolymerDrillingFluids2本课程主要内容一、钻井液及处理剂发展情况二、分散性钻井液及其处理剂三、聚合物钻井液及其处理剂四、抗温抗盐处理剂简介3引言钻井液性能的微观本质是什么？水基钻井液组成：水+土+化学处理剂本质：分散相（粘土）的分散状态决定钻井液性能。量的体现：土含量加上分散状态数值大小。4引言粒度结合方式、形式、程度粒子的结合多级分散粒子的级配为粒子浓度）分散度（土量相同时，分散状态其中，分散状态测定方法：①粒度分布：沉降天平，库尔特计数器，激光粒度仪，光散射粒度仪等；②电镜分析。沉降法：重力沉降：2～100μm离心沉降：0.01～20μm显微镜法：光学显微镜：0.8～150μm电子显微镜：0.8μm透射电镜：0.001～5μm光散射法：0.02～2000μm5然而，分散状态由粘土粒子表面状态决定。作用相关与处理剂在粘土表面的水化膜表面状态吸附后的电荷吸附后的状态吸附量吸附键（吸附作用）处理剂作用吸附作用测定方法：①主要测吸附量、厚度；②波谱、红外、紫外、质谱。引言6处理剂所处介质环境交换性阳离子粘土表面晶型处理剂的分子结构影响吸附作用的因素以上众多关系中，任意寻找或研究两者的关系即为作用机理研究。引言7性能粘土分散状态表面状态处理剂作用流变性造壁性分散度级配粒子结合Zeta电位水化膜厚吸附键吸附量分子结构表面晶型8一、钻井液及处理剂的发展现代钻井技术对钻井液的要求：辅助钻井提高钻井速度。保证钻井井下安全，防止钻井过程中各种复杂问题发生，如井塌、卡钻、井喷、井漏等。保护油气层，提高油气井产量。钻井液及其处理剂正是在不断满足钻井工程要求的基础上发展起来的。9钻井液应用规律和效能评价评价的原则：满足优质、安全、低成本钻井、完井和环保要求。a.是否有利于井壁岩石稳定b.是否有利于钻井液性能稳定c.是否有利于保护油气储层d.是否有利于提高钻井速度f.是否有利于环境保护正确地掌握钻井液应用规律和采用准确的方法评价钻井液效能，对于建立钻井液体系和指导应用至关重要。101、钻井液工艺的发展（1）初步形成时期——18881928年；（2）快速发展时期——19281948年；（3）高速发展时期——19481965年；（4）科学化时期——1965年现在。11（1）初步发展时期—自然造浆阶段主要解决问题：携带钻屑控制地层压力典型技术：水+钻屑+地面土使用重晶石、铁矿粉（1920年)12（2）快速发展时期—细分散泥浆阶段主要解决问题：泥浆性能的稳定井壁稳定典型技术：性能测定仪器研制出来使用膨润土、单宁、烧碱、褐煤13（3）高速发展阶段—粗分散泥浆阶段主要解决问题：石膏、盐污染温度影响典型技术：各种盐水、钙处理泥浆油基泥浆处理剂品种16大类14（4）聚合物不分散钻井液阶段主要解决问题：快速钻井保护油气层典型技术：不分散低固相钻井液气体钻井保护油气层的完井液152、我国钻井液技术突出发展的几个阶段（1）钙处理钻井液阶段（60年代-70年代）特点：利用：无机盐CaO、NaCl提高井壁稳定性；利用：FCLS、NaC、CMC及一些表面活性剂维持钻井液性能的稳定。16（2）三磺钻井液阶段（70年代后期）主要用在深井。三磺处理剂：SMP、SMC、SMK（老三磺），有效地降低钻井液高温高压失水，进而提高井壁稳定性。用这类处理剂成功钻成我国最深的两口井：关基井（7175米）、女基井（6011米）。——有人称这是我国钻井液技术的第一大进步。17（3）聚磺钻井液阶段（70年代末-80年代）聚磺钻井液：聚合物钻井液+三磺钻井液。即：在三磺水基钻井液基础上引入阴离子型丙烯酰胺类聚合物抑制剂。——有人称这是我国钻井液技术的第二大进步。18（4）阳离子、两性离子聚合物钻井液阶段（80年代末-90年代）阳离子聚合物钻井液：聚合物分子结构上引入阳离子基团：（-N+-）如：阳离子聚丙烯酰胺、羟丙基三甲基氯化胺。两性离子聚合物钻井液：聚合物分子结构上引入阳离子和阴离子两种基团。如FA-367、XY-27等。——有人称这是我国钻井液技术的第三大进步。193、钻井液及处理剂发展趋势钻井液在发展过程中必须解决两个不能回避的问题：（1）“聚”与“分”的矛盾对于所钻井的地层，为了快速、安全钻进，究竟是聚结为主或是分散为主始终贯穿在钻井液技术实施过程中，从而得到不同的技术方案、思路，相应地，采用不同的处理剂系列。（2）“专”与“配”的矛盾“专”是指在一类聚合物分子上，利用分子结构设计，获得所需要作用效果的处理剂。“配”是指利用多种处理剂的协同复配作用达到某些作用效果。20a.“聚”类处理剂：主要指抑制剂，包括无机盐和有机聚合物类。特点：抑制蒙脱土含量较高地层的水化、膨胀、造浆，有利于钻井时地层的稳定。（主要是上部地层）缺点：不利于钻井液性能的稳定。21b.“分”类处理剂：主要是磺化聚合物、褐煤、纤维素及淀粉等。特点：有利于钻井液性能稳定，使钻井液成为稳定胶体并具有钻井工程所需要的流变性和造壁性。缺点：对地层的稳定有时不利。22采用钻井液原则少聚多磺或者只磺不聚只聚不磺（分）第四系独山子组塔西河组沙湾组安集海河组紫泥泉子组N1d187233263837417250805500上部地层：多聚少分原则QN1tN1SE2-3aE1-2z下部地层：多分少聚或者：只分不聚23二、分散性钻井液及其处理剂钻井液性能的维持和实现是靠处理剂在钻井液中对粘土粒子的分散作用实现的。特点：1、处理剂主要起分散作用，给钻井液带来分散环境，对所有粘土粒子均起分散作用。2、内部结构：以卡片式房子结构为主，即：E—E、E—F。24分散性钻井液的基本组成：降粘剂降失水剂粘土分散性钻井液组成水膨润土降粘剂降滤失剂PH调节剂水+x1%土+x2%降滤失剂+x3%降粘剂+x4%PH调节剂251、分散性钻井液降粘剂—降低粘度处理剂降粘剂概念：不降低钻井液粘土含量下降低粘度、切力的处理剂（因为盐也可能降低粘度）。——降粘剂又称稀释剂、解絮凝剂。钻井液粘度构成：粘度=η结+η非结降粘剂定义：通过降低钻井液结构粘度来降低钻井液表观粘度的处理剂。26钻井液稠化原因:由于粘土颗粒表面与端面性质不同：带电情况不同——表面带负电，端面带正电。水化程度不同——表面水化膜厚，端面水化膜薄。Al+Si+27钻井液稠化原因当钻井液中固相含量高和外界污染改变粘土表面性质时，极易形成：边—边、边—面联结的空间网架结构，从而造成：钻井液结构粘度增加；网状结构包住大量自由水，流动阻力增加。28联立Einstein和Hiemenz以及Binhanm公式，可得：GkhSkGsx)1(0GηφhS)(khS)φ(kηGηsηcη22121110式中:x—稀溶液粘度；c—稠溶液粘度；0—纯溶液粘度；k、k1、k2—均为常数；—固相体积百分数；S—固相比表面积；h—颗粒溶剂化膜厚度；水基钻井液流变性表达式29分散度与比表面L11颗粒平均直径分散度分散度：指分散相的分散程度。分散相的分散程度越高，分散度越大，分散相就分散得越细小。用数学式可将分散度表示为：WSVS比表面积比表面积：单位体积（V）或单位重量（W）物质的总表面积。用数学式表示为：30无论稀溶液或稠溶液，悬浮分散体系的粘度由四大部分组成：①纯溶液的粘度②总固相带来的粘度③固相粒子分散带来的粘度④固相粒子间相互作用产生的粘度从公式可见：31分散：面-面分开；端-端分开；端-面分开。聚结：面-面连接。絮凝：端-面连接。解絮凝：端-面、端-端分开。“分散”、“解絮凝”、“聚结”概念32降粘剂作用原理具体方法为：（1）使端面反号由带正电性端面转变为负电性端面。即：正负相吸负负相斥--------------------------++33（2）增强端面水化膜厚度吸附基吸附在粘土颗粒端面上，水化基给端面带来丰厚的水化层，削弱边-边、边-面连接，拆散了网架结构，同时放出自由水，使粘度降低。降粘剂作用原理作用机理：首先选择性或优先多点吸附在粘土粒子的端面，增加端面负电荷分布密度，提高粘土粒子ζ，增加水化膜，阻止或削弱结构形成。34根据降粘剂的降粘稀释机理可以认识到降粘剂的三个作用特点：a.作用在粘土颗粒的端面；b.用量少、效果显著（因为端面少）；c.主要降低钻井液的YP、G、’，不降PV。35■降粘剂吸附于端面的实验证明FCLS六偏磷酸钠(NaPO3)6十二烷基三甲基溴化铵吸附前C轴间距1.519nm1.519nm1.519nm吸附后C轴间距1.523nm1.550nm2.15nm电泳速度增加—吸附了降粘剂的粘土颗粒负电荷密度增加，导致它向阳极运动速度加快。C轴间距变化小—如果处理剂吸附于晶层内表面将使C轴间距增大。但降粘剂几乎不会使粘土C轴间距增大。安丘膨润土吸附降粘剂前后C轴间距变化36■降粘剂的分子结构要求①分子量一般地：降粘剂分子量为：几千--1万左右。②基团◆与Al+++离子配位基团◆与Al+++离子发生沉淀的基团◆含有邻酚羟基的基团③分子上有带负电荷的强水化极性基团阴离子基团：—COO-、—SO32-、—PO3-1非离子基团：—CONH2、—CN、—OH37④两种基团比例应适当吸附基与水化基比例：a.与处理剂作用的矿化条件、PH相关。规律：矿化度↗→要求水化基比例↗。b.水化基种类与比例应该与抗钙抗盐要求想适应。38降粘剂与分散剂的区别降粘剂特点只能在端面，不能在表面和层间作用。用量少，逐次使用效果下降。用量多时，吸附在平面起另外作用。不增加粘土粒子浓度。分散剂特点促使粘土粒子对面分开。使已经分开的保持稳定。增加粘土粒子浓度。39■降粘剂的评价方法采用降粘率的概念进行相对评价：也可以采用100转时的表观粘度进行评价：公式使用条件：钻井液粘度高是由于结构粘度高所引起，若为非结构粘度所引起，公式不适用。0102030405060708090加量降粘率%%1000'00降粘率%100100'100100降粘率40性能加量%降粘率%密度g/cm3粘度(s)失水(ml)滤液pH备注基浆1.0463.516.59.0FCLS0.5801.0831.583138溶解性好，随加量增加，处理浆悬浮能力下降，杯底沉砂增加PYX-10.5911.0931.590148.0PYX-20.590148.51.0901.59341■降粘剂的发展现状水溶性天然改性材料为原料接枝共聚制得含有：—COO-—CN—SO3-2—OH降粘剂缩聚磺化络合•木质素•单宁•栲胶①42②以各种合成单体通过均聚、共聚途径制得降粘剂典型产品：磺化苯乙烯-顺丁烯二酸酐共聚物（SSMA)聚丙烯酸钠（X-A40)丙烯酸钠与丙烯磺酸钠共聚物（X-B40)43■分散性钻井液典型降粘剂类型单宁酸钠（NaT）磺甲基单宁（SMT）铁铬木质素磺酸盐(FCLS)多聚磷酸盐442、分散性钻井液的降滤失剂降滤失剂控制失水的三条主要途径：①参与形成泥饼，通过减小泥饼渗透率降失水（特指外泥饼）——主要作用。例如：地层岩石的渗透率通常为：10-2-14μm2之间。未经过处理的膨润土钻井液泥饼渗透率为：10-5-10-6μm2之间。钻井液中加入降滤失剂后，泥饼渗透率为：10-7μm2。②用内部空间网状结构对自由水的束缚降低失水。③提高液相粘度，增加液相流动阻力来降低失水。45泥饼形成过程与泥饼控制：泥饼形成过程始终是一个架桥并逐级填充过程。需要三种粒子：①架桥粒子：第一次与孔隙大小相当粒子（浓度低、易找）②逐级填充粒子：以后减小孔隙的粒子（易找）③最小填充粒子：最后一级填充粒子。决定泥饼最后渗透率（1）。难找！46泥饼形成过程47架桥和填充粒子级配表架桥粒子(m)一级填充粒子(m)二级填充粒子(m)三级填充粒子(m)粒径10035124数量百分比（%）3.36.618.272.9体积浓度（%）91.27.80.930.7泥饼控制要求：①粘