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 丹宁
6、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年代柴油为基油
7、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） 盐水钻井液
8、,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-367、XY-
9、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个油田的数千口井上推广使用，
10、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； 特殊工艺井钻井液技术； 井壁稳定
11、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下都是可以生物降解的。
12、 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。 Statoil公司在
13、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则可能发生分解。因此，该类钻井液比酯基
14、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，具有一定的稀释和降滤失作用。 （4）有利于
15、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% 80A-51 + 0.9% NH4-HPAN
16、 + 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
17、 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。,硅酸盐稳定井壁的机理,当井温低于80时，硅酸盐可通过氢键力、静电力和范德华力的叠加与地层粘土矿物牢固结合；而井温高于80（特别在高于105）时，其分子中的硅醇基与粘土矿物的铝醇基发生缩合反应，产生
18、胶结性物质，将粘土等矿物颗粒结合成牢固的整体，封固井壁。 硅酸盐稳定含盐膏地层的机理，主要是SiO32-与地层岩石表面的Ca2+、Mg2+发生作用，生成沉淀，从而在地层表面形成坚韧、致密的封固壳以加固井壁。,甲酸盐钻井液,（1）HCOONa和HCOOK饱和溶液的密度分别为1.34 g/cm3 和1.60 g/cm3，因而所配制的甲酸盐钻井液具有较宽的密度范围。如需更高密度，还可使用甲酸铯（HCOOCs）钻井液，其最高密度可达2.3 g/cm3。由于不需另添加膨润土和固体加重材料，因此非常适于配制成无固相或低固相钻井液与完井液。它不仅水力特性优良，环空压耗小，有利于提高机械钻速，而且对储层具有很
19、好的保护作用。 （2）甲酸盐与常用的聚合物处理剂具有很好的配伍性，并能减缓多种粘度控制剂和降滤失剂在高温高压条件下的水解和氧化降解速度。因此，甲酸盐钻井液可抗高温，并且性能稳定。 （3）甲酸盐为强电解质，因此甲酸盐钻井液对泥页岩水化膨胀、分散有很强的抑制作用. （4）甲酸盐水溶液对金属的腐蚀性很弱，对钻具和井下设备基本不会造成损害，从而避免了过去使用NaCl、KCl、CaCl2、CaBr2和ZnBr2等卤化物配制清洁盐水钻井液时带来的腐蚀问题。 （5）甲酸盐的毒性极低，并可生物降解。,甲酸盐钻井液典型配方,浓度23.2%的HCOONa水溶液 + 0.15% XC + 0.5% JS-3 + 5
20、% 超细CaCO3,仿油基甲基葡糖甙(MEG)钻井液,是一种不污染环境的水基钻井液。其性能与油基钻井液接近，能稳定泥页岩，具有良好的润滑性和滤失控制性能。 MEG是葡萄糖的衍生物，从玉米淀粉制得，无毒性，且易生物降解。MEG是含4个羟基和1个甲基的两排环状结构。 MEG钻井液具有以下特点： (1)强的抑制性与封堵作用；(2)良好的润滑性能；(3)有效地保护油气层；(4)性能稳定，热稳定性好。,黑色（有机）正电胶钻井液 (代号BPS),是一种高正电的有机溶胶，其有效物含量为50%。它与MMH相比，带有更多的正电荷； 具有油溶性的特点(MMH是水溶的)，但能在水中分散，具有良好的抑制泥页岩水化膨胀
21、能力，润滑性能好，与各种处理剂配伍性好，抗盐、抗钙能力强，耐温160C以上； 由于BPS具有油溶性，因而对油层损害程度比MMH钻井液低，渗透率恢复值高。此钻井液已在胜利、冀东等油田使用。,KCl/有机正电胶钻井液典型配方,r =1.03g/cm3预水化膨润土浆 0.2复合金属离子两性聚合物 0.5铵盐 0.5KCl 2有机正电胶2有机硅腐植酸钾1012原油复配暂堵剂,微泡沫钻井液,美国Acti Systems公司研制成一种在近平衡压力钻井中使用的微泡钻井液。这种钻井液在不注入空气和天然气的情况下可产生均匀气泡，并把这种钻井液叫“Aphron”钻井液。 这种均匀气泡为非聚集和可再循环的微气泡，因
22、此，能产生比水低的密度。 微泡是由多层膜包裹着气核的独立球体组成的，膜是维持气泡强度的关键。,微泡沫钻井液的基本组成基浆 + 起泡剂 + 稳泡剂 + 降滤失剂 + 增粘剂,微泡沫钻井液的组成及性能 （辽河油田）,微泡沫钻井液配方 5% 基浆 + 0.3% MF-1 + 0.03% SF-1 + 2% SMP-II + 0.05% 80A51 + 0.2%XC + 1% SPNH,微泡沫钻井液体系的特点,微泡沫钻井液是由气-液或者气-液-固多相组成的分散体系； 微泡沫钻井液中的气泡以均匀、非聚集、非连续态存在； 微泡沫钻井液中的泡沫质量在0.2 0.6 g/cm3的的范围内可调； 微泡沫钻井液密
23、度在0.5 0.95g/cm3的范围内可调； 气体来源可以是化学法产生，也可以是物理法产生。,四、深井钻井液技术,定义 深井：井深 4570m（15 000英尺） 超深井：井深 6100m（20 000英尺） 特深井：井深 9144m（30 000英尺）,美国1938年 第一口深井（4572m） 1949年 第一口超深井（6250m） 1974年 第一口特深井（9583m）中国 1966年 第一口深井大庆松基六井（4719m） 70年代 东风2井（5006m）、新港57井（5127m）、王深2井（5163m） 1976年 第一口超深井女基井（6011m） 1978年 最深超深井关基井（7175
24、m）,对深井钻井液的特殊要求,高温稳定性耐高温主处理剂的优选 较强的抑制性 良好的润滑性 良好的流变性钻井液密度 2.0时，膨润土含量应17.1g/l；使用MMH或XC生物聚合物提高携屑能力；加入解絮凝剂控制静切力等。,国外抗高温聚合物处理剂,SSMA 磺化苯乙烯马来酸酐共聚物M=10005000，抗温230 C，美国产品。 CDP/TDS 丙烯酸钠乙烯磺酸盐共聚物M=1005000，抗温260 C，美国产品。 Resinex 褐煤树脂降滤失剂，抗温220 C，美国产品。 Polydrill 新型磺化聚合物M=20万，抗温260 C，德国产品。,各公司深井钻井液组成情况,具有相似的组成，即无机
25、盐 抗高温聚合物包被剂 高温稳定剂,M-I Durathem System聚合物包被剂：PHPAEMI-164高温稳定剂：Desco（磺化单宁）Resinex（褐煤树脂）Polysal（淀粉）Polypac（聚阴离子纤维素）Spersene（铁铬木质素磺酸盐）无机盐：Ca(OH)2,BaroidPolynox聚合物包被剂：VSVA（乙烯酰胺-乙烯磺酸盐共 聚物）AKTA（抗高温流型调节剂）高温稳定剂：Lignox（丙烯酸-木质素共聚物）Baronex（聚阴离子纤维素）Carbonex（褐煤类非离子型处理剂）DexTrid（淀粉）无机盐：Ca(OH)2,MilparkPyro-Drill聚合物包
26、被剂：COP-1（AMPS/AM共聚物）COP-1（AMPS/AAM共聚物）高温稳定剂：SSMA（磺化苯乙烯马来酸酐共 聚物）Chemral-x（改性褐煤）Filtrex（褐煤树脂）无机盐：Ca(OH)2,IDFPoly Tempy聚合物包被剂： ID-Bond（部分水解聚丙烯酰胺）Hi-Temp（丙烯酸共聚物）PTS-200（抗高温聚合物）高温稳定剂： ID-FLR（聚阴离子纤维素）ID-Thin500（抗高温聚合物降粘剂）ID-Sperse XTC（抗高温聚合物降粘剂）ID-FLO（抗高温降滤失剂）无机盐：KCl,国内聚磺钻井液聚合物包被剂：PAC系列、SK系列等，但抗温性不够； 可抗20
27、0 C 的AMPS/AM、AMPS/AAM、 Polydrill等正在研制中。 高温稳定剂： SMK（磺化栲胶）SMC（磺化褐煤）SMP（磺化酚醛树脂）SLSP（磺化木质素磺甲基酚醛树脂）SPNH（磺化褐煤树脂）以及纤维素类、改性淀粉类等。无机盐：Ca(OH)2、KCl,我国深井钻井液技术,经历三个发展阶段：1、钙处理钻井液阶段（60-70年代）用CMC、FCLS、NaC、表面活性剂调节流变和降滤失性能；用Ca(OH)2、CaSO4H2O 、CaCl2或NaCl增强抑制性，提高抗污染能力。,2、三磺钻井液阶段（70年代）使用SMK、SMC、SMP，并配合FCLS、CMC、 Ca(OH)2 、K
28、2CrO7、表面活性剂（SP-80、AS等），成功钻成女基井（6011m）和关基井（7175m）。抗温超过190 C，标志着我国深井钻井液技术已接近于国际先进水平。,3、聚磺钻井液阶段（80年代以后）即聚合物钻井液与三磺钻井液相结合，其广泛应用是我国深井钻井液技术的又一大进步。三磺钻井液 + 阴离子型丙烯酰胺、丙烯腈类聚合物 三磺钻井液 + 两性离子型聚合物（FA-367、XY-27、JT-888等） 三磺钻井液 + 阳离子型聚合物（大阳离子CPAM、CHM、SP-2等；小阳离子NW-1、CSW-1等）大阳离子：包被、絮凝作用；小阳离子：抑制泥页岩水化膨胀与分散。,聚磺钻井液的组成,抑制剂类（
29、或简称“聚”类）包括有机聚合物和无机盐类主要作用：抑制泥页岩地层水化、膨胀、造浆，主要有利于钻井时地层的稳定。分散剂类（或简称“磺”类）主要作用：维持钻井液良好的流变性和低的滤失 性，主要有利于钻井液性能的稳定。,使用聚磺钻井液的经验准则,以井深25003000m（白垩系前后）为界， 上部地层：“多聚少磺”、“只聚不磺”（因一般情况下蒙脱石含量较多，造浆严重） 下部地层：“少聚多磺”、“只磺不聚”（因一般情况下伊利石较多，坍塌严重，且井温偏高）或概括为：“上不分散、下分散”,五、特殊工艺井钻井液,水平井钻井液：目前国外水平井钻井过程中普遍采用的钻井液体系主要有以下5种： 聚合物钻井液； 油基钻
30、井液； 清洁水/盐水钻井液； 混合金属层状氢氧化物钻井液； 泡沫或充气钻井液。,特殊工艺井钻井液,大位移井（Extended Reach Drilling, ERD）：油井的井底水平位移大于或等于垂直深度的两倍，一般可称为大位移水平井。与普通水平井相比，它能钻穿更长的油层井段，可以更大范围地探明和控制含油面积，大幅度的提高单井产量。钻大位移井所使用的主要钻井液体系：国外大位移钻井资料表明，世界上超大位移井钻井作业中多数采用的是油基钻井液和合成基钻井液。这主要与其良好的润滑和防塌性能有关。,近15年来国外大位移井基本情况,小井眼钻井液,90%的井身直径小于f177.8mm（7英寸）或70的井身直径小于f127mm（5英寸）的井为小井眼。,常用的小井眼钻井液体系,甲酸盐钻井液体系 乙二醇K2CO3水基钻井液 CBF钻井液体系（一种阳离子聚合物盐水钻井液 ）,谢谢大家！,
