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水基钻井液配方分析
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1.背景 近年来，随着石油勘探开发技术的不断发展，深井、超深井、特殊工艺井，以及海上深水钻探越来越多，对钻井液的要求越来越高。为满足环保要求和降低钻井液成本，相关专家在新型钻井液方面开展了大量的工作，取得了一系列研究成果和应用技术，成功开发出具有油基钻井液性能的高性能水基钻井液；高性能水基钻井液,又称胺基钻井液，主要由页岩抑制剂、包被剂、分散剂和降滤失剂组成,其实质是应用了一种新的阳离子胺基聚合物。该胺盐有更高的抑制能力和防泥包能力,符合环保要求,并具有成膜作用,其效果与油基钻井液相当,该体系可以认为是替代油基钻井液且又能安全钻进的一类性能更高的水基钻井液。 水基钻井液具有广阔的应用前景，特别适合于海上钻井；水基钻井液的发展正朝着更高要求的发展，包括:提高胺的衍生物和低聚物的抗高温性;优选价廉物美的低聚物,以改善滤失量和可形成膜的胺产品,并且协调其分子量和分子结构;用较少的昂贵胺类可达到预期的效果;广泛地对有机和无机渗透驱动剂进行研究,改善形成的膜。禾川化学专业从事钻井液配方分析，配方开发，为钻井液相关企业提供一站式技术服务。 2.水基钻井液 2.1新型水基钻井液特点 1）新型水基钻井液体系中采用一种特定分子结构的胺类页岩抑制剂,当与络合铝配合使用时,其抑制性与OBM当； 2)新型水基钻井液是一种环保型的多功能水基钻井液,完全能满足复杂井钻井作业的需要,可以替代OBM; 3)新型水基钻井液可以满足钻软泥页岩、硬脆性泥页岩、枯竭地层的要求,防塌性能类似于OBM; 4)新型水基钻井液具有非水基钻井液的许多优良性能，如：页岩稳定性、黏土和钻屑抑制性、提高了机械钻速、减小了钻头泥包、减少扭矩和摩阻、高温稳定性、抑制天然气水合物的生成等； 2.2水基钻井液机理 新型水基钻井液用新胺盐作抑制剂。该胺盐完全水溶,低毒,可与其它添加剂一起使用,不水解,具有成膜作用。新胺盐有独特的分子结构,可充填在黏土层间,并把它们束缚在一起,有效地减少黏土的吸水倾向;胺分子通过金属阳离子吸附在黏土表面,或者是在离子交换中取代了金属阳离子形成了对黏土的束缚;其抑制页岩膨胀的机理不同于聚合醇的作用机理,是由于胺基独特的束缚作用,而不是把水从层间排除;相关研究表明,随着其浓度的增加,蒙脱土的层间距在下降,这与在聚合醇溶液中观察到的现象相反,同时这也支持了一种新抑制机理的假设; 2.3水基钻井液常见组分 新型水基钻井液,一般由页岩抑制剂、包被剂、分散剂和降滤失剂等成分组成； 1)页岩抑制剂 新型水基钻井液中的页岩抑制剂是一种胺基多官能分子,完全溶于水并且低毒。页岩抑制剂独特的分子结构使其分子能很好地镶嵌在黏土层间,并使黏土层紧密结合在一起,促使黏土晶层间脱水，减小水化膨胀；这种作用机理是中性的胺类化合物分子通过金属离子吸附在黏土上,或者是质子态的胺分子通过离子交换作用替代金属离子。 2)铝酸盐络合物 铝的化学多变性由该元素的固有特性所决定。与钻井作业相关的铝元素的化学特性可归纳如下。1）铝的化合物可能溶于水,也可能不溶于水,这主要取决于反离子和溶液的pH值。2）可溶性铝盐溶解时产生的铝离子在一个八面体构象中以六角形的水化离子存在。铝离子所带的高电荷使水化层失去质子,因而会产生一系列水解产物。铝水解得到的酸性溶液实际上都是水溶性的铝盐。3)在水溶液中铝盐会经历各种复杂的与pH值相关的化学过程。4)在适当的条件下,铝元素会生成一种两性氢氧化物。在pH值较高时,它会生成水溶性的四羟基铝阴离子。5)铝的氢氧化物以几种晶形或无定形的形式存在。6)利用铝的氢氧化物在页岩孔喉内或微裂缝内的沉积作用,可增强井壁稳定性. 铝酸盐络合物在钻井液中作抑制剂使用，当pH值为10~12时，这种络合物在钻井液中以Al(OH)4-的形式存在；当pH值为6~8时，Al(OH)4-的络合物又转化成白色羟化铝沉淀。根据铝酸盐络合物的这一特性，其在钻井液中是可溶的，但当铝酸盐络合物进入页岩内部后，由于碱浓度的降低以及与多价阳离子的反应，则会生成沉淀，因此，可以用来增强其在页岩孔喉或微裂缝内的井壁稳定性； 3)钻速提高剂 它主要是由表面活性剂和润滑剂组成的特殊混合物。该处理剂能覆盖在钻屑和金属表面从而降低黏土水化及其在金属表面黏结的趋势，防止水化颗粒聚沉,阻止钻头泥包。使发生水化的黏土不易在钢金属表面黏附,从而有利于提高机械钻速,可确保起下钻顺利。防聚沉剂的化学作用还可防止井底钻屑累积,使钻头牙轮不断地与新地层接触而提高钻速。这种特殊的表面活性剂和润滑剂的混合物在钻井过程中不仅可减轻钻头和井底钻具的泥包,而且还通过降低摩擦系数来增强钻井液润滑性,降低钻柱的扭矩和拉力。 4)可变性聚合物封堵剂 它是用来封堵页岩孔隙、喉道和微裂缝的。该聚合物即使在高浓度的盐溶液中依然能保持稳定的颗粒尺寸分布，再加上它的可变形特点，使其可以与页岩中的微孔隙相配，并沿着裂缝架桥同时紧密充填，从而提高钻井液的封堵效率。 5)包被剂 新型水基钻井液采用一种高分子量的部分水解聚丙烯酰胺(PHPA)作为包被剂,主要用来降低黏土分散的程度,并通过对页岩颗粒的包被作用抑制页岩水化。此外,新研制开发的一种聚合物具有一定分子量和电荷密度,其通过限制水渗透到黏土中而起到极好的包被作用。通过调整和控制包被剂的分子量,这种聚合物可应用于不同密度范围的钻井液体系和钻井液配方中。这种高电荷密度聚合物还具有较强的抗盐性,能有效地控制水敏性黏土的膨胀和分散,同时不影响钻井液体系的流变性。 6)降滤失剂 降滤失剂主要采用聚阴离子纤维素(PAC),该处理剂与其它处理剂有很好的配伍性; 2.3水基钻井液性能评估 1)页岩抑制性 抑制膨润土造浆和维持钻井液流变性的能力是评价页岩抑制剂最适用的方法;将28.4kg/m3膨润土加入到一桶等量的含22.8kg/m3页岩抑制剂的淡水中,在65℃下热滚16h后,测流变性,然后再加入另一部分膨润土,继续老化测其性能,直到老化后样品黏度太大不能测试为止。实验结果表明,新型水基钻井液抑制性能与KCl和季胺盐相当。 2)屈曲硬度 利用屈曲硬度测试仪测量与钻井液接触后钻屑的硬度；把钻屑用盐水洗净后放入盛有待测钻井液或溶液的带孔盘中,在66℃热滚16h后用扭力扳手逐渐增加扭力,观察钻屑被压挤出时仪器转数和扭矩的变化及压出钻屑的破损情况。试块越硬,扭力读值越大,抑制性越好；实验表明新型水基钻井液抑制性能较好。 3)耐崩散性 用耐崩实验方法进一步评价高性能水基钻井液的性能，利用崩散性试验仪进行了各类钻屑回收率数据比较。耐崩散实验是将已知质量和尺寸的钻屑放入有筛孔的容器中,使钻屑和容器浸没在待评价的钻井液中滚动一定时间,破碎的钻屑自然被筛除,然后再称剩余钻屑的质量,求回收率。实验表明,在新型水基钻井液中页岩回收率为60~98%。 4)黏附聚集试验 聚结试验是评价新型水基钻井液的抑制性和特性的最重要实验之一，将一个钢制金属棒 插入盛有钻井液和钻屑的罐中,钻屑分布在棒的周围。将罐密封后在室温下滚动一定时间,取出棒子拍照。刮下棒子上的钻屑,然后干燥称重,计算聚结在棒上钻屑的质量百分数；实验表明新型水基钻井液中几乎没有聚结物出现。 5)泥页岩成膜试验 用西非页岩和Pierre页岩试验HPWBM(成膜剂,20%盐)在不同的裸眼压力和空隙压力下的成膜作用. |
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