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聚合物钻井液

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摘要

经过多年的科研开发和生产实践，钻井液已从仅满足钻头钻进发展到适应各方面需求的钻井液体系，聚合物钻井用液是一种特殊的的钻井液，公认作用有清洁井底，携带岩屑，冷却和润滑钻头及钻柱，平衡井壁岩石侧压力，在井壁形成滤饼，封闭和稳定井壁，平衡地层压力，悬浮岩屑和加重剂，在地面能沉除砂子和岩屑，有效传递水力功率，承受钻杆和套管的部分重力，提供所钻地层的大量资料，水力破碎岩石。钻井液通过喷嘴所形成的高速射流能够直接破碎或辅助破碎岩石。

关键字：悬浮、压力控制、岩层稳定性、浮力、润滑和冷却

钻井液是钻井的血液，又称钻孔冲洗液。钻井液在钻井作业和保护油气层中起到的作用和各方面对钻井液的严格要求，促使钻井液技术取得了迅速的发展。经过多年的科研开发和生产实践，钻井液已从仅满足钻头钻进发展到适应各方面需求的钻井液体系，重点探讨一下聚合物钻井液。
1.聚合物钻井液的发展。
聚合物钻井液最初是为提高钻井效率开发研究的。很早就有研究资料指出：钻井液的固相含量是影响钻井速度的一个主要因素。这里的固相含量是指体积分数，起主要作用的是低密度固体的含量。依此推知，清水的钻井速度应最高。后来首次应用了聚合物絮凝剂聚丙烯酰胺(简称PAM)后，才实现了真正的清水钻井。PAM可同时絮凝钻屑和蒙脱土，称为完全絮凝剂。在钻井液中加入极少量的PAM即可使钻屑絮凝而全部除去。清水钻井大大提高了钻速，但因其携带钻屑能力差，滤失量大，影响井壁稳定等缺点，不能广泛使用，只能用于地层特别稳定的浅层井段。因此，人们试图配制低固相钻井液，但随着钻井的进行，钻屑不断混入，时间一长就变成了高固相钻井液。当时人们对此烦恼时，发现有两类高聚物，即部分水解聚丙烯酰胺(简称P HPA或PHP)和醋酸乙烯酯-马来酸酐共聚物(简称VAMA)，具有选择性絮凝作用。它们可絮凝除掉劣质土和岩屑，而不絮凝优质造浆粘土。同时，它们对钻屑的分散具有良好的抑制能力，处理过的钻井液体系中亚微米颗粒含量明显低于其它类型的水基钻井液，这对提高钻井速度是十分有益的。这类新型的聚合物钻井液体系称为"不分散低固相聚合物钻井液"。这种钻井液体系在世界范围内推广应用，经受了不同地层、不同井深和不同密度等方面的考验，在提高钻井速度和降低钻井成本等方面效果显著，证明是一种技术先进的钻井液体系。聚合物钻井液技术已在我国得到普遍推广应用。同时，还对聚合物处理剂的抑制性、降滤失和降粘等作用机理进行了系统研究。目前，我国在各种聚合物钻井液体系的基础研究、新产品开发和推广应用方面，已接近或达到世界先进水平。
    2．聚合物钻井液的特点。
    (1)固相含量低，且亚微米粒子所占比例也低。这是聚合物钻井液的基本特征，是聚合物处理剂选择性絮凝和抑制岩屑分散的结果，对提高钻井速度是极为有利的。对不使用加重材料的钻井液，密度和固相含量大约成正比的。大量室内实验和钻井实践均证明，固相含量和固相颗粒的分散度是影响钻井速度的重要因素。
    (2)具有良好的流变性，主要表现为较强的剪切稀释性和适宜的流型。聚合物钻井液体系中形成的结构由颗粒之间的相互作用、聚合物分子与颗粒之间的桥联作用以及聚合物分子之间的相互作用所构成。结构强度以聚合物分子与颗粒之间桥联作用的贡献为主。在高剪切作用下，桥联作用被破坏，因而粘度和切力降低，所以聚合物钻井液具有较高的剪切稀释作用。
(3).具有良好的触变性，聚合物钻井液具有较强的触变性。触变性对环形空间内钻屑和加重材料在钻井液停止循环后的悬浮问题非常重要，适当的触变性对钻井有利。钻井液流动时，部分结构被破坏，停止循环时能迅速形成适当的结构，均匀悬浮住固相颗粒，这样不易卡钻，下钻也可一次到底。如果触变性太大，形成的结构强度太高，则开泵困难，易导致压力激动，对易漏地层可能憋漏。    
(4)钻井速度高。如前所述，聚合物钻井液固相含量低，亚微米粒子比例小，剪切稀释性好，卡森极限粘度低，悬浮携带钻屑能力强，洗井效果好，这些优良性能都有利于提高机械钻速。在相同钻井液密度的条件下，使用聚丙烯酰胺钻井时的机械钻速明显高于使用钙处理钻井液时的机械钻速。
    (5)稳定井壁的能力较强，井径比较规则。只要钻井过程中始终加足聚合物处理剂，使滤液中保持一定的含量，聚合物可有效地抑制岩石的吸水分散作用。合理地控制钻井液的流型，可减少对井壁的冲刷。这些都有稳定井壁的作用。在易坍塌地层，通过适当提高钻井液的密度和固相含量，可取得良好的防塌效果。
    (6)对油气层的损害小，有利于发现和保护产层。由于聚合物钻井液的密度低，可实现近平衡压力钻井；由于固相含量少，可减轻固相的侵入，因而减小了损害程度。
    (7)可防止井漏的发生。一方面，这是由于聚合物钻井液一般比其它类型钻井液的固相含量低，在不使用加重材料的情况下，钻井液的液柱压力就低得多，从而降低了产生漏失的压力。另一方面，聚合物钻井液在环形空间的返速较低，钻井液本身又具有较强的剪切稀释性和触变性，因此钻井液在环形空间具有一定的结构，一般处于层流或改型层流的状态，使钻井液不容易入地层孔隙，即使进入孔隙，渗透速度也很慢，钻井液在孔隙内易逐渐形成凝胶而产生堵塞。另外，聚合物分子在漏失孔隙中可吸附在孔壁上，连同分子链上吸附的其它粘土颗粒一起产生堵塞；当水流过时，这些吸附在孔壁上的亲水性大分子有伸向空隙中心的趋势，形成很大的流动阻力。因此，综合以上因素，聚合物钻井液具有良好的防漏作用。
    (8)钻井成本低。由于聚合物钻井液的处理利用量较少，钻井速度高，缩短了完井周期，因此可大幅度降低钻井总成本。
    3．聚合物处理剂的主要作用机理
    (1)桥联与包被作用。聚合物在钻井液中颗粒上的吸附是其发挥作用的前提。当一个高分子同时吸附在几个颗粒上，而一个颗粒又可同时吸附几个高分子时，就会形成网络结构，聚合物的这种作用称为桥联作用。当高分子链吸附在一个颗粒上，并将其覆盖包裹时，称为包被作用。    
(2)絮凝作用。当聚合物在钻井液中主要发生桥联吸附时，会将一些细颗粒聚结在一起形成粒子团，这种作用称为絮凝作用，相应的聚合物称为絮凝剂。
(3)增粘作用 ．
    增粘剂多用于低固相和无固相水基钻井液，以提高悬浮力和携带力。
(4)降滤失作用
    钻井液滤失量的大小主要决定于泥饼的质量(渗透率)和滤液的粘度。降滤失作用主要是通过降低泥饼的渗透率来实现的。聚合物降滤失剂的分子大小在胶体颗粒的范围内，本身可对泥饼起堵孔作用，使泥饼致密。降滤失剂可提高滤液粘度，从而降低滤失量。
    (5)抑制与防塌作用
    聚合物在钻屑表面的包被吸附是阻止钻屑分散的主要原因。包被能力越强，对钻屑分散的抑制作用也越强。聚合物具有良好的防塌作用，一是长链聚合物在泥页岩井壁表面发生多点吸附，封堵了微裂缝，可阻止泥页岩剥落；二是聚合物浓度较高时，在泥页岩井壁上形成较为致密的吸附膜，可阻止或减缓水进入泥页岩，对泥页岩的水化膨胀有一定的抑制作用。
    (6)降粘作用
    聚合物钻井液的结构主要由粘土颗粒与粘土颗粒、粘土颗粒与聚合物和聚合物与聚合物之间的相互作用组成，降粘剂就是拆散这些结构中的部分结构而起降粘作用的。
聚合物钻井液的性能也不是尽善尽美的，在现场应用中也遇到一些问题，还需要进一步研究解决，聚合物钻井液在钻井作业和保护油气层中起到的作用和各方面对钻井液的严格要求，促使钻井液技术取得了迅速的发展。经过多年的科研开发和生产实践，钻井液已从仅满足钻头钻进发展到适应各方面需求的钻井液体系。近几年发展的聚合物钻井液在抑制性和流型调节方面得到了进一步改善，为以后的发展打下了坚实的基础 ，聚合物钻井液的发展面一定是宽广的！

参考文献:

1.钻井液工艺技术 .周金葵.石油工业出版社

2. 钻井液与完井液.潘卫国.华北石油管理局、华北油田分公司

3.钻井液处理手册. 美国机械工程师学会振动筛委员会　编，郑力会　译.石油工业出版社