【正文】 除了上述評(píng)價(jià)鉆井液的儀器外， Exxon公司的還提出了一種預(yù)測(cè)卡鉆的方法，稱為卡鉆因子法。該方法是從與壓差卡鉆有關(guān)的 14種參數(shù)中，選取了井斜角 A、最大裸眼長(zhǎng)度 OH、井底總成長(zhǎng)度 BHA、鉆井液密度 MW和濾失量 FL這 5種主要因素，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析方法，提出了卡鉆因子方程，以預(yù)測(cè)不同井斜度井眼中壓差卡鉆的發(fā)生率及解卡率 o2( 1 0 ) ( 5 0 0 0 ) ( ) ( 2 ) ( 8 0 0 ) /( 1 1 0 )A O H M W F L B H A? ? ? ? ? ?卡 鉆 因 子 =通過(guò)實(shí)際資料統(tǒng)計(jì)，利用該方法可以作出卡鉆因子與卡鉆發(fā)生率及解卡幾率的關(guān)系，從此關(guān)系中可以得到：把卡鉆因子控制在 較為合適 鉆井液潤(rùn)滑性能的評(píng)價(jià)方法 目前，國(guó)內(nèi)也分別提出了兩種綜合預(yù)測(cè)卡鉆的方法 （ 1） 摩阻系數(shù)法和 （ 2） 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法 。摩阻系數(shù)法是在所建立的拉力和扭矩模型的基礎(chǔ)上，利用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)采集的鉆壓、扭矩和大鉤載荷數(shù)值，以及井身結(jié)構(gòu)和鉆具組合參數(shù)，計(jì)算出起下鉆和鉆進(jìn)時(shí)的摩阻系數(shù)。正常情況下，摩阻系數(shù)的值為 ～ 。一旦摩阻系數(shù)值超過(guò)此范圍，并有增長(zhǎng)的趨勢(shì)，就表明已存在卡鉆的可能性 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法所需參數(shù)較多，包括所使用鉆井液情況、鉆井參數(shù)、地層條件、井身結(jié)構(gòu)和鉆具組合等，并需要采集訓(xùn)練用樣本，所建立的模型經(jīng)過(guò)正確訓(xùn)練后，可進(jìn)行卡鉆實(shí)時(shí)預(yù)測(cè) 鉆井液潤(rùn)滑性能的評(píng)價(jià)方法 第 2章 鉆井工作流體性能測(cè)定 1 鉆井液密度 2 鉆井液流變性 3 濾失造壁性 4 pH值和堿度 5 含砂量 6 固相含量 7 膨潤(rùn)土含量 8 濾液分析 9 抑制性 10 潤(rùn)滑性 11 抗溫性 12 熒光度 13 毒性 14 腐蝕性 石油天然氣工程學(xué)院 隨著井深增加，鉆進(jìn)井段及裸眼增長(zhǎng)，地層復(fù)雜程度增加，作業(yè)條件比淺井惡劣得多，對(duì)鉆井液性能要求應(yīng)提高更多。井深增加，使得高溫高壓成了需要研究的重點(diǎn) 在高溫條件下，鉆井液中的各種組分均會(huì)發(fā)生降解、發(fā)酵、增稠及失效等變化，從而使鉆井液的性能發(fā)生變化，并且不易調(diào)整和控制，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致鉆井作業(yè)無(wú)法正常進(jìn)行；而伴隨高的地層壓力，鉆井液必須具有很高的密度（常在 g/cm3以上），密度增加鉆井液中固相含量增加 這種情況下，發(fā)生壓差卡鉆及井漏、井噴等井下復(fù)雜情況的可能性大大增加，欲保持鉆井液良好的流變性和較低的濾失量亦會(huì)更困難。此時(shí)使用常規(guī)鉆井液已無(wú)法滿足鉆井工程的要求，必須使用具有以下 4個(gè)特點(diǎn)的深井鉆井液 11 抗溫性 （ 1）具有抗高溫的能力。 這就要求在進(jìn)行配方設(shè)計(jì)時(shí)，必須優(yōu)選出各種能夠抗高溫的處理劑。例如，褐煤類產(chǎn)品（抗溫 204℃ ）就比木質(zhì)素類產(chǎn)品（抗溫 170℃ ）有更高的抗溫能力 （ 2）在高溫條件下對(duì)粘土的水化分散具有較強(qiáng)的抑制能力。 除常用的 KCl、 NaCl等無(wú)機(jī)鹽和 Ca(OH)2外，在有機(jī)聚合物處理劑中，陽(yáng)離子聚合物就比帶有羧鈉基的陰離子聚合物具有更強(qiáng)的抑制性 （ 3）具有良好的高溫流變性。 在高溫下能否保證鉆井液具有很好的流動(dòng)性和攜帶、懸浮巖屑的能力至關(guān)重要。對(duì)于深井加重鉆井液，尤其應(yīng)加強(qiáng)固控，并控制膨潤(rùn)土含量以避免高溫增稠。當(dāng)鉆井液密度在 g/cm3以上時(shí)，膨潤(rùn)土含量一般不得超過(guò) %。必要時(shí)可通過(guò)加入生物聚合物等改進(jìn)流型，提高攜屑能力；加入抗高溫的稀釋劑控制靜切力 11 抗溫性 （ 4）具有良好的潤(rùn)滑性。 當(dāng)固相含量很高時(shí)，防止卡鉆尤為重要。此時(shí)可通過(guò)加入抗高溫的液體或固體乳化劑以及混油等措施來(lái)降低摩阻 11 抗溫性 7000 m以上的深井，井溫可高達(dá) 200℃ 以上，壓力可達(dá) 150～ 200 MPa。由于水的可壓縮性相對(duì)較小，故壓力對(duì)水基鉆井液的密度及其它性能，如流變性、濾失造壁性等均無(wú)明顯的影響。但是，溫度的影響卻十分顯著，深井水基鉆井液的主要問(wèn)題是抗高溫 在高溫作用下，鉆井液中的粘土顆粒，特別是膨潤(rùn)土顆粒的分散度進(jìn)一步增加，從而使顆粒濃度增多、比表面增大的現(xiàn)象常稱為 高溫分散 。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，粘土顆粒的高溫分散作用與其水化分散的能力相對(duì)應(yīng)。如鈉蒙脫土水化分散能力最強(qiáng)，其高溫分散作用亦最為明顯。因此高溫分散的實(shí)質(zhì)仍然是水化分散，只不過(guò)高溫進(jìn)一步促進(jìn)了水化分散而已 產(chǎn)生高溫分散作用的原因，主要是由于高溫使粘土礦物片狀微粒的熱運(yùn)動(dòng)加劇，這一方面增強(qiáng)了水分子滲入粘土晶層內(nèi)部的能力，另一方面使粘土表面的陽(yáng)離子擴(kuò)散能力增強(qiáng)，導(dǎo)致擴(kuò)散雙電層增厚， ξ 電位提高，更有利于分散。影響因素有 4： 高溫對(duì)深井水基鉆井液性能的影響 鉆井液中粘土的高溫分散作用 ① 粘土的種類。在常溫下越容易水化的粘土，高溫分散作用也越強(qiáng) ② 溫度及作用時(shí)間。溫度越高，作用時(shí)間越長(zhǎng)，高溫分散越明顯 ③ pH值。由于 OH–的存在有利于粘土的水化，因此高溫分散作用隨pH值升高而增強(qiáng) ④ 一些高價(jià)無(wú)機(jī)陽(yáng)離子，如 Ca2+、 Mg2+、 Al3+、 Cr3+和 Fe3+等的存在不利于粘土水化，因而它們對(duì)粘土高溫分散具有抑制作用 高溫對(duì)深井水基鉆井液性能的影響 高溫分散作用使鉆井液中粘土顆粒濃度增加，因此對(duì)鉆井液的流變性有很大的影響，而且這種影響是不可逆的和不可恢復(fù)的。高溫分散對(duì)鉆井液表觀粘度的影響情況見(jiàn)圖 圖 高溫分散對(duì)鉆井液表觀粘度 與溫度關(guān)系曲線的影響 鉆井液濾液的粘度是隨溫度升高而降低的，如果假設(shè)粘土顆粒的分散度不受溫度的影響，那么按正常規(guī)律，其懸浮體（可稱為 理想懸浮體 ）的表觀粘度應(yīng)隨溫度升高而下降（如曲線 1）。但實(shí)際情況是，高溫分散作用使鉆井液中粘土顆粒濃度增加，從而造成鉆井液的粘度和切力均比相同溫度下理想懸浮體的對(duì)應(yīng)值要高（如曲線 2和 3） 高溫對(duì)深井水基鉆井液性能的影響 若由此引起的表觀粘度增加值大于升溫所引起理想懸浮體的表觀粘度下降值，則可能出現(xiàn)高溫下鉆井液的粘度高于常溫粘度的現(xiàn)象。如果升溫后再逐漸降低溫度，則可發(fā)現(xiàn)降溫時(shí)的粘溫曲線總比升溫時(shí)要高，如圖 曲線 2和 4所示。這表明粘土顆粒的高溫分散是一種不可逆的變化，若粘土含量越高，高溫分散作用越強(qiáng)，則兩條曲線偏離越遠(yuǎn) 圖 高溫分散對(duì)鉆井液表觀粘度 與溫度關(guān)系曲線的影響 高溫對(duì)深井水基鉆井液性能的影響 實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)均表明，由于高溫分散引起的鉆井液高溫增稠與鉆井液中粘土含量密切相關(guān)。 當(dāng)粘土含量大到某一數(shù)值時(shí)，鉆井液在高溫下會(huì)喪失其流動(dòng)性而形成凝膠，這種現(xiàn)象被稱為高溫膠凝 。凡是發(fā)生了高溫膠凝的鉆井液，其熱穩(wěn)定性喪失，性能受到破壞。在使用中常表現(xiàn)為鉆井液性能不穩(wěn)定，粘度和切力上升很快，處理頻繁，且處理劑用量大。因此，防止鉆井液高溫膠凝是深井鉆井液的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。 目前有兩項(xiàng)措施可有效地預(yù)防高溫膠凝的發(fā)生，一是使用抗高溫處理劑抑制高溫分散，二是將鉆井液中的粘土（特別是膨潤(rùn)土）含量控制在其 容量限以下 實(shí)驗(yàn)表明，只有當(dāng)粘土含量超過(guò)了容量限，才有發(fā)生高溫膠凝的可能；而低于此容量限時(shí)，鉆井液只發(fā)生高溫增稠，但不會(huì)發(fā)生膠凝。對(duì)于某一給定的鉆井液體系，其粘土的容量限可通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)確定。因此，對(duì)于高溫深井水基鉆井液，在使用中必須將粘土的實(shí)際含量嚴(yán)格控制在其容量限以內(nèi) 高溫對(duì)深井水基鉆井液性能的影響 井下高溫除對(duì)鉆井液中的粘土造成影響外，還對(duì)某些處理劑造成兩方面的影響：高溫降解和高溫交聯(lián) （ 1） 高溫降解 高分子有機(jī)化合物受高溫作用而導(dǎo)致分子鏈發(fā)生斷裂的現(xiàn)象稱為高溫降解 對(duì)于鉆井液處理劑，高溫降解包括高分子化合物的主鏈斷裂和親水基團(tuán)與主鏈連接鍵斷裂這兩種情況。前一種情況會(huì)降低處理劑的分子量，失去高分子化合物的特性；后一種情況則會(huì)降低處理劑的親水性，使其抗污染能力和效能減弱 高溫對(duì)深井水基鉆井液性能的影響 高溫對(duì)鉆井液處理劑的影響 任何高分子化合物在高溫下均會(huì)發(fā)生降解，但由于其分子結(jié)構(gòu)和外界條件不同，發(fā)生明顯降解的溫度也有所不同。 影響高溫降解的首要因素是處理劑的分子結(jié)構(gòu)。 研究表明，如果處理劑分子中含有在溶液中易被氧化的鍵，那么這類處理劑一般都容易發(fā)生高溫降解。例如，在高溫下含醚鍵的化合物就比以碳 碳、碳 硫和碳 氮連接的化合物更容易降解。此外，高溫降解還與鉆井液的 pH值以及剪切作用等因素有關(guān)。高 pH值往往會(huì)促進(jìn)降解的發(fā)生，強(qiáng)烈的剪切作用也會(huì)加劇分子鏈的斷裂 由于高溫降解是導(dǎo)致處理劑失效的一個(gè)主要原因，因此一般以處理劑在水溶液中發(fā)生明顯降解時(shí)的溫度來(lái)表示其抗溫能力 高溫對(duì)深井水基鉆井液性能的影響 一些常用處理劑的抗溫能力見(jiàn)表 。需要注意的是，由于降解溫度與 pH值、礦化度、剪切作用、含氧量以及細(xì)菌的種類與含量等多種外界條件有關(guān)，因此表中數(shù)據(jù)是相對(duì)的、有條件的，不同文獻(xiàn)所列數(shù)據(jù)也不盡相同 表 一些常用鉆井液處理劑的抗溫能力 處 理 劑 名 稱 抗 溫 能 力 單寧酸鈉 130℃ 栲膠堿液 80～ 100℃ 鐵鉻鹽 130～ 180℃ CMC 140～ 180℃ 腐植酸衍生物 180～ 200℃ 磺甲基單寧 180～ 200℃ 磺甲基褐煤 200～ 220℃ 磺甲基酚醛樹(shù)脂 200℃ 水解聚丙烯腈 200～ 230℃ 淀粉及其衍生物 115～ 130℃ 高溫對(duì)深井水基鉆井液性能的影響 處理劑的抗溫能力與由它處理的鉆井液的抗溫能力是緊密相關(guān)而又互不相同的兩個(gè)概念。 處理劑抗溫能力是就單劑而言，而鉆井液一般是由配漿土、多種處理劑、鉆屑和水組成的完整體系，其抗溫能力是指該體系失去熱穩(wěn)定性時(shí)的最低溫度，顯然它除了與各種處理劑的抗溫能力有關(guān)外，還取決于各種組分之間的相互作用 高溫降解的發(fā)生，將給鉆井液性能造成很大影響。如果用于調(diào)節(jié)鉆井液某種性能的處理劑降解，那么該性能即被破壞。因此處理劑熱降解對(duì)鉆井液性能的影響涉及所有方面，它可能是增稠、膠凝甚至固化（稀釋劑降解），也可能是減稠（高分子增稠劑降解），還可能表現(xiàn)為濾失量劇增（降濾失劑降解）等等 高溫對(duì)深井水基鉆井液性能的影響 （ 2） 高溫交聯(lián) 在高溫作用下，處理劑分子中存在的各種不飽和鍵和活性基團(tuán)會(huì)促使分子之間發(fā)生各種反應(yīng)，相互聯(lián)結(jié)，從而使分子量增大的現(xiàn)象稱為高溫交聯(lián)。 由于反應(yīng)的結(jié)果使分子量增大，因此可將其看作是與高溫降解相反的一種作用。 例如，鐵鉻鹽、腐植酸及其衍生物、栲膠類和合成樹(shù)脂類等處理劑的分子中都含有大量的可供發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)的官能團(tuán)和活性基團(tuán)，另外在這些改性和合成產(chǎn)品中還往往殘存著一些交聯(lián)劑（如甲醛等），這樣便為分子之間的交聯(lián)提供了充分的條件 室內(nèi)研究和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)均表明，高溫交聯(lián)對(duì)鉆井液性能的影響有好和壞兩種可能。如果交聯(lián)適當(dāng)，適度增大處理劑的分子量，則可能抵消高溫降解的破壞作用，甚至可能使處理劑進(jìn)一步改性增效 高溫對(duì)深井水基鉆井液性能的影響 比如， 在高溫下磺化褐煤與磺化酚醛樹(shù)脂復(fù)配使用時(shí)的降濾失效果要比它們單獨(dú)使用時(shí)的效果好得多，則表明交聯(lián)作用有利于改善鉆井液性能。 在實(shí)驗(yàn)中有時(shí)發(fā)現(xiàn)，鉆井液在經(jīng)受高溫老化后的性能要好于老化前的性能，表現(xiàn)為高溫后粘度、切力穩(wěn)定，濾失量下降，這顯然是十分理想的一種情況。但是，如果一旦交聯(lián)過(guò)度，形成體型網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，則會(huì)導(dǎo)致處理劑水溶性變差，甚至失去水溶性而使處理劑完全失效。這種情況下，必然破壞鉆井液的性能，嚴(yán)重時(shí)整個(gè)體系變成凝膠，喪失流動(dòng)性 高溫對(duì)深井水基鉆井液性能的影響 （ 1） 高溫解吸附作用 實(shí)驗(yàn)表明，在高溫條件下，處理劑在粘土表面的吸附作用會(huì)明顯減弱，其原因主要是分子熱運(yùn)動(dòng)加劇所造成的。高溫解吸附會(huì)直接影響處理劑的護(hù)膠能力，從而使粘土顆粒更加分散，嚴(yán)重地影響鉆井液的熱穩(wěn)定性和其它各種性能，常常表現(xiàn)出高溫濾失量劇增，流變性失去控制 處理劑在粘土表面的吸附與解吸附是一個(gè)可逆的動(dòng)平衡過(guò)程。 一旦溫度降低，平衡又會(huì)朝著有利于吸附的方向進(jìn)行，因而處理劑又將較多地被粘土顆粒吸附，鉆井液性能也會(huì)相應(yīng)地得以恢復(fù) 高溫對(duì)深井水基鉆井液性能的影響 高溫對(duì)處理劑與粘土相互作用的影響 （ 2） 高溫去水化作用 在高溫條件下，粘土顆粒表面和處理劑分子中親水基團(tuán)的水化能力會(huì)有所降低，使水化膜變薄，從而導(dǎo)致處理劑的護(hù)膠能力減弱，這種作用常稱為高溫去水化。 其強(qiáng)弱程度除與溫度有關(guān)外，還取決于親水基團(tuán)的類型。凡通過(guò)極性鍵或氫鍵水化的基團(tuán)，高溫去水化作用一般較強(qiáng)；而由離子基水化形成的水化膜，高溫去水化作用相對(duì)較弱 由于高溫去水化使處理劑的護(hù)膠能力減弱，因而常導(dǎo)致濾失量增大，并且嚴(yán)重時(shí)會(huì)促使高溫膠凝和高溫固化等現(xiàn)象的發(fā)生 高溫對(duì)深井水基鉆井液性能的影響 高溫所引起的鉆井液性能變化可歸納為 不可逆變化和可逆變化 兩個(gè)方面 （ 1） 不可逆的性能變化 由于鉆井液中粘土顆粒高溫分散和處理劑高溫降解、交聯(lián)而引起的高溫增稠、高溫膠凝、高溫固化、高溫減稠以及濾失量上升、泥餅增厚等均屬于不可逆的性能變化 鉆井液在高溫條件下粘度、切力和動(dòng)切力上升