新型抑制性钻井液的研究毕业论文(编辑修改稿)

新型抑制性钻井液的研究毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

aper first introduces the domestic and foreign new inhibitive drilling fluid development present situation, respectively from the mechanical, chemical and engineering technology three respects elaborated shale wellbore stability mechanism, and introduced the shale hydration swelling mechanism: surface water, ions and permeating hydration inhibitive drilling fluid use can be a good solution of shale wellbore instability, hydration expansion of the drilling process of the problems paper is aimed at different area, different formation of novel inhibitive drilling fluid performance and structural requirements, selection of several widely used new inhibited drilling the aspects of indoor studies (including inhibitive drilling fluid treating agent and formula optimization, inhibitive drilling fluid performance evaluation), inhibitive drilling fluid system in actual application and analysis, these two aspects of this new type of inhibitive drilling fluid system is analyzed, finally the drilling fluid system summary. [Key words] Inhibition ,Drilling fluids,Development status,Analysis and Research 前言 第 1页（共 24页） 前 言 随着石油勘探开发技术的不断发展，特别是复杂地层深井、超深井一级特殊工艺井油气钻探的越来越多，对钻井液技术提出了更高的要求。 目前现场使用的钻井液普遍存在抑制性不足的问题，从而使钻井液综合性能难以提高，特别是随着我国稳定东部发展西部战略方针的开展，勘探领域向新区拓展，钻遇地层日趋复杂，钻井液抑制能力已不能满足勘探开发形势发展的需要。 钻井液体系抑制性的不足，可能导致一系列复杂情况的出现。 如泥页岩失稳引起的井壁坍塌和缩径；上部地层大井眼、高钻速时，低密度固相污染引起的钻井液流变性能控制困难及井眼的清洁；钻遇盐、膏、 盐水层是钻井液稳定性的恶化等问题。 因此，新型抑制性钻井液的开发迫在眉睫。 现今常用的抑制性钻井液可分为无机和有机两类。 无机类抑制性钻井液是使用较早的一类。 常用的处理剂有氯化钾和氯化钙。 氯化钾的主要抑制机理是中和作用和镶嵌作用；氯化钙的主要抑制机理是中和作用、同离子效应和渗透水化效应。 这两种处理剂要在加量较大的情况下才能有一定的抑制性，并且抑制性并不显著。 无机类抑制性钻井液在近几十年也有所发展，比如硅酸盐、季铵盐、甲酸盐和乙酸盐等。 其中硅酸盐的抑制机理是成膜效应和封堵效应；季铵盐抑制机理是中和作用、吸附和镶 嵌作用；甲酸盐和乙酸盐抑制机理是成膜效应和羧酸根与水的成键作用。 而较新的正电胶更具特色，其能通过中和和吸附作用很好的解决页岩井壁稳定和膨润土造浆二者之间的矛盾，同样也是一类有前途的处理剂。 而常用的有机类抑制性钻井液的抑制剂有聚阴离子处理剂、聚阳离子处理剂和两性离子聚合物处理剂。 聚阴离子处理剂主要包括聚丙烯酸类、聚丙烯酰胺类、聚丙烯腈类和腐植酸类，其中 PAC 、 PAM、 PHPA、 KPAM、 KPAN 和腐殖酸钾等是现场使用较多的试剂，抑制机理是桥联、絮凝和包被作用、成膜效应；聚阳离子处理剂主要包括大小阳离子，该 类是抑制效果好但对环境影响较大且价格较高的处理剂，抑制机理是中和作用、絮凝和包被作用；两性离子聚合物主要有 XY27 和 FA 系列，虽然该类处理剂引入阴阳离子同时达到抑制效果，但具体的抑制机理并不十分明确。 沥青类处理剂抑制机理是吸附作用和封堵作用，但其会造成环境污染。 新型抑制性钻井液的研究 第 2 页（共 24 页） 较新的有机类抑制性钻井液的处理剂有聚胺、聚合醇、葡萄糖类衍生物、有机前言 第 1页（共 24页） 正电胶和有机铝等。 聚胺类抑制剂由于有和钾离子直径相当的 NH+或者小胺等存在，主要抑制机理是中和作用和镶嵌作用；聚合醇是一类来源于海洋钻井的环境友好型抑制剂，抑制效果一般；葡萄糖类衍生物（例如 MEG）是表面活性物质，具有成膜效应，是一类价格较高的环境友好型处理剂；新型有机正电胶处理剂拥有更多的正电荷，同时具有水湿性和油湿性，是一种强抑制剂但同样价格价高；有机铝由于其在溶解和结晶状态下均有相当的抑制性，也是一类新型抑制剂。 无论无机还是有机抑制剂都在不断发展，最终目的是要寻找到抑制效果好、适应性强、抗性强、对基 浆常规性能影响不大、来源广、价格低的处理剂。 新型抑制性钻井液的研究 第 4 页（共 25 页） 1 泥页岩井壁失稳机理分析 泥页岩井壁失稳机理分析 井壁不稳定的实质是力学不稳定。 当井壁岩石所受的应力超过其本身的强度就会发生井壁不稳定。 其原因十分复杂，就其主要原因可归纳为力学因素、物理化学因素和工程技术措施等三个方面，但后两方面最终均因影响井壁应力分布和井壁岩石的力学性能而造成井壁不稳定。 力学方面 处于地层深处的岩石，受上覆地层压力、水平方向的地应力和地层孔隙流体压力的作用。 在钻开井眼前，地下岩石处于应力平衡状态。 钻开井眼后，井内钻井液液柱压力取代了所钻岩层提供的对井壁的支撑，失去了地层原有的应力平衡，引起井眼周围应力重新分布。 当地应力、岩石强度和孔隙压力等不可控因素与井内液柱压力、钻井液化学成分等之间不能达到适度平衡时，可能引起不同的井眼破坏。 当井内液柱压力偏低时，可能使井壁岩石产生剪切破坏，此时，塑性岩石将向井内产生塑性蠕动而导致缩颈，脆性岩石则会产生坍塌掉块 ,造成井径扩大。 当井内液柱压力偏高时， 则相应使井壁发生张性破坏而造成井漏。 化学 方面 泥页岩是一种由水敏性粘土矿物组成的岩石，其与钻井液的相互作用是必然的。 由于泥页岩结构和组分上的特点，采用不同的钻井液体系，这种作用的差别也是很大的。 钻井过程中，井眼的形成打破了地层原有的力学和化学平衡，尽管有井壁泥饼的保护，但泥页岩地层与钻井液在井下温度和压力条件下接触将产生如下的相互作用 : 1） 离子交换作用； 2） 泥页岩和钻井液中水的化学势差异产生的渗透作用； 3） 在井底压差作用下钻井液中水沿泥页岩的微裂隙的侵入； 4） 毛管力作用产生的渗析。 这四方面的作用使泥页 岩地层吸水膨胀，产生膨胀应变，从而产生水化应力， 使井周围岩的应力分布和材料特性发生显著变化，最终导致井壁失稳，发生钻井复杂事故。 泥页岩井壁失稳机理分析 第 3页（共 24页） 工程技术 方面 工程技术方面有钻井液的性能 (失水、粘度、密度 )、井眼裸露的时间、钻井液的环空反速对井壁的冲刷作用、井眼循环波动压力、起下钻的抽吸压力、井眼轨迹的形状及钻柱对井壁的摩擦和碰撞等。 总之，以上导致井壁失稳的三种因素可以归结为一种因素，即力学因素。 因为归根到底，井壁岩石的破坏和失稳都是力 (岩石应力，化学应力，工程所引发的各种力 )的作用结果，其实质是井壁岩石所受应力超过了其强度而诱发失稳破坏。 泥页岩水化膨胀机理分析 泥页岩的主要成分是粘土矿物。 粘土矿物的成分、含量及其微结构决定了泥页岩的基本物理化学性质和水化机理。 对泥页岩的水化机理进行深入了解是研究泥页岩井壁稳定的基础。 当泥页岩与钻井液接触时，在水力梯度和化学势梯度的驱动下，引起水和离子的传递，包括钻井液液柱压力与孔隙压力之间的压力差驱动的达西流以及由钻井液与泥页岩之间的化学势差驱动的离子扩散。 在这些因素的作用下，泥页岩发生水化，一般存在表面水化、离子水化和渗透水化三种 机理。 表面水化 ：表面水化是由粘土矿物表面上的水分子吸附作用而引起的，其主要驱动力为表面水化能。 所有粘土矿物都会发生表面水化，在这一阶段，大约吸附 4个水分子层厚的水，作用距离为 lnm，从而导致结晶膨胀。 离子水化 ：离子水化是指粘土矿物所含硅酸盐晶片上的补偿性阳离子周围形成水化壳。 离子水化一方面给粘土带来水化膜，同时水化离子与水分子争夺粘土晶面的连接位置。 渗透水化 ：渗透水化是某些粘土在完成了表面水化和离子水化过程之后开始的。 水化的离子在液体中离解，远离粘土矿物表面。 粘土矿物间形成扩散双电层，双电层斥力和渗透压共同作用而产生的水化作用为渗透水化。 因此，只有表面存在可交换阳离子的粘土才会产生离子水化，也只有阳离子交换容量大的粘土矿物才会发生明显的渗透水化。 渗透水化作用距离可达 10nm 以上，体积膨胀较大。 所以当泥页岩与钻井液滤液接触时，首先产生表面水化，在表面水化的过程中会产生离子水化，在表面水化和离子水化完成后，才发生渗透水化。 由于泥页岩的新型抑制性钻井液的研究 第 6 页（共 24 页） 渗透率较低，约为 106 1012D，因此，在钻进泥页岩地层时，通常不产生 “ 正常 ”的钻井液滤液漏失，然而在孔隙压力和钻井液液柱压力不平衡时，将会在两者之间出现压力传递，最终逐渐达到平衡状态。 当处于超平衡钻进时，钻井液液柱压力就会侵入泥页岩，引起孔隙压力增加。 注意，少量的滤液侵入就会导致孔隙压力较大程度的增加。 另外，还由于泥页岩与钻井液之间的不利的粘土阳离子交换，这 都减小了有效应力。 再加上泥页岩与钻井液相互接触时，会发生一些不利的化学变化，将减弱其胶结力。 上述因素的共同作用导致了暴露在钻井液中的泥页岩趋于不稳定。 当然也存在相反的情况，当钻井液液柱压力低于孔隙压力时，或钻井液中各种离子的化学势低于泥页岩孔隙流体的化学势，出现反渗透时，都会造成泥页岩脱水，孔隙压力减小，有效应力增大，从而使泥页岩趋于稳定的状态。 然而，这只能限于一定程度的范围内，若由于脱水作用而导致泥页岩产生微裂隙，不仅使得泥页岩渗透性增强，而且使其粘结强度减弱，这也就减弱了泥页岩的稳定性。 稳定泥页岩井壁的相关措施 钻井工艺 方面 (1)起下钻速度不宜过快，避免过高的抽吸压力而降低钻井液作用于井壁的压力或者过高的压力激动而使得作用于井壁的压力过高，这对于坍塌性或者裂缝性泥页岩影响尤其大； (2)钻井过程中泵压不宜过高，避免钻井液在环空中返速过大，对井壁造成冲刷作用； (3)在设计井眼轨道和钻井过程中形成井眼轨迹时避免出现井眼方位变化大，狗腿角过大而造成应力集中； (4)钻进过程中应避免严重的机械碰击，特别是在易塌地层； (5)在极易坍塌或者水化膨胀极强的浅部井段可选择下套管来隔开。 钻井液 方面 (1)使用合适的钻井液密度，取得力学稳定，尽量避免钻井液滤液侵入； (2)对裂缝性地层采用封堵等措施，进一步降低其渗透率； (3)增加钻井液中部分离子的浓度，增大其化学势，从而诱发反渗透，以抵消泥页岩井壁失稳机理分析 第 5页（共 24页） 水力侵入。 新型抑制性钻井液的研究 第 6 页（共 24 页） (4)钻井液静切力不宜过大，以免开泵时带来过大的压力激动，而造成井漏； (5)钻井液粘附系数不宜过大，避免钻头泥包，在起下钻或者正常钻进时均可能带来井壁不稳定问题。 (6)合理的选择抑制剂加入钻井液中，则是现今常用的处理泥页岩水化膨胀的主要方法。 2 强抑制性高钙盐聚合物钻井液体系的研究 室内研究 钻井液 方面 (1)实验用材料 无机一有机单体聚合物 Siop、 两性离 子 磺酸盐聚合物 CPS20 聚合 铝 防塌剂 AOP 固相化学清洁剂 ZSC201 为工 业 品，中原 油 田钻井院生产 ； 磺化酚醛树脂 SMP 、 磺化褐煤 SMC、 聚合醇、羚甲基纤维素为工 业 品 ； 氯化钙、氯化钠、氯化钾、钠膨润 土 为工业品。 (2)实验 用 设 备 高速搅拌机， GJ1 型 ； 搅拌机， S361 型 ； 中压失水仪， ZNS 型 ； 六速旋转粘度计 ， 2NND6 犁。 高温滚动烘箱 50～ 300℃ ； 激光粒度仪分析， ,JL9100； 岩心流动试验仪 ； 页岩膨胀仪， NP1 型。 强抑制性高钙盐聚合物钻井液基础配方 在处理 剂 研究、评价、筛选的基础上，确定 了 强抑制性高钙盐聚合物钻井液所需的处理剂及 用量 范 围。