【導(dǎo)讀】著重從鉆井液工藝性能和膠體化學(xué)的角度講述鉆井液處理劑作用原理。多研究還觸及到許多商業(yè)秘密。因此，許多單位從機理出發(fā)，從理論出發(fā)去開發(fā)產(chǎn)。品不多，缺乏理論指導(dǎo)。使學(xué)者掌握各種處理劑在不。①.分析、揭示水基鉆井液作用機理，學(xué)習(xí)進一步深入研究這種作用機理的方法和思路；②.講述目前主要使用的國內(nèi)外鉆井液處理劑的作用機理。引導(dǎo)機理研究入手，力求把。型鉆井液體系創(chuàng)造條件；更好地指導(dǎo)產(chǎn)品應(yīng)用和質(zhì)量提高，把處理劑研制、質(zhì)勘探技術(shù)發(fā)展同鉆井液技術(shù)發(fā)展的相互促進關(guān)系。明確處理劑在鉆井液中作用效能要求，以及處理劑實現(xiàn)這些效能要求的途徑；鉆井液包括鉆井液處理劑正是在不斷滿足鉆井工程要求的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。地控制鉆井液的流動性和濾失性。

　　

【正文】 要求鉆具內(nèi)有效粘度較低和鉆頭水眼噴嘴處有效粘度低 。因此，由 P泵 =P鉆具 ↘ +P噴 ↗（必然大） +P環(huán) ↘ 另一個問題：當(dāng)泵壓一定時（如， P泵 =120atm），是不是任何鉆井液流動阻力一樣（即 V噴 =？ ），即： P噴 兩端壓降相同，流動阻力小的， V噴 大。因此， 要求 鉆井液穿過噴嘴的流動阻力盡可能小 。 于是，按不同井段的要求，選擇不同的粘度最佳組合的方法就是流變參數(shù)的優(yōu)選。 問題：紊流下流變參數(shù)如何說明。 聚合物鉆井液內(nèi)部結(jié)構(gòu)與流變參數(shù)關(guān)系 —— 只有聚合物不分散鉆井液才能實現(xiàn)流變參數(shù)優(yōu)選。 ① 、 聚合物鉆井液的內(nèi)部結(jié)構(gòu) ： 透射電鏡 ： 分辨率可達 10 197。，一般聚合物鏈長幾百個 197。（最大 1微米）。 ： 聚合物分子以分子間締合和分子內(nèi)締合（鏈?zhǔn)蜴湀F）的形式與粘土粒子形成包被與成網(wǎng)作用。 ： 只有 聚合物鉆井液才能實現(xiàn)流變參數(shù)優(yōu)選。 從剪切稀釋性看： ? 環(huán)空粘度要高 分散性鉆井液必須要粘土粒子濃度高才能達到環(huán)空有效粘度高（好比磚頭充滿房子 ）。 ? 噴嘴粘度低 分散性鉆井液低不了，若低，環(huán)空不行； 水基鉆井液及處理劑作用機理 第 22 頁 共 37 頁 聚合物鉆井液是：極少量土 +極少量高聚物形成很強結(jié)構(gòu)。 ② 、 影響噴嘴粘度和結(jié)構(gòu)粘度的因素 ? 聚合物分子量與濃度對噴嘴粘度的影響 由于噴嘴粘度取決于三方面摩擦力： ????????分散相間摩擦力分散相與介質(zhì)間摩擦力分散介質(zhì)間摩擦力噴嘴粘度 f 所以，分子量 M↗→噴嘴粘度↗； 固含↗→噴嘴粘度↗； 降粘劑與降失水劑一般使噴嘴粘度↗（因為均要增加液相粘度） ； 電解質(zhì)濃度↗→噴嘴粘度↘。 ? 對結(jié)構(gòu)強度（網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)）的影響： 體系成網(wǎng)能力↗→結(jié)構(gòu)強度增加。 所以，凡是影響成網(wǎng)能力因素均要影響結(jié)構(gòu)強度。 但是，成網(wǎng)能力過強（ 強得失去網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)強度反而下降 ）。 如圖 24所示。 在鉆井液中，噴嘴粘度通常用η ?表示，結(jié)構(gòu)強度通常用 ?c表示。 圖中規(guī)律類似于分散性鉆井液受鹽侵污的規(guī)律。 由圖可見，在某個范圍內(nèi)，增加成網(wǎng)能力因素→ ?c↗； 在某個范圍外，增加成網(wǎng)能力因素→ ?c↘。 ? 造壁性與網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)關(guān)系 噴射鉆井對造壁性要求是： 初失水大，總失水小 。 初失水 ：泥餅正在形成， 但尚未完全形成的失水。 初失水大 ： 可以消除鉆屑的靜動壓持作用 （ 初失水進入空隙的速度大于第二個牙齒敲過來的時間，且濾液進入后，等于鉆井液液柱壓力，巖屑將漂浮起來）。 水基鉆井液及處理劑作用機理 第 23 頁 共 37 頁 ③ 、 聚合物鉆井液失水與網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)關(guān)系 鉆井液失水與網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的關(guān)系如圖 26所示。 由圖 26可見，失水造壁性隨著鉆井液成網(wǎng)能力增加而發(fā)生不同的變化。 C→ B：失水↗，成網(wǎng)能力↘，初失水↗，泥餅變好； B→ C：失水↘，初失水，泥餅質(zhì)量變差； A→ B: 成網(wǎng)能力↗，失水↗，初失水↗，泥餅質(zhì)量變差； B→ A: 成網(wǎng)能力↘，失水↘，初失水↘，泥餅質(zhì)量變 好； C→ D：失水↗，初失水為 0，泥餅更差，成網(wǎng)能力↗；（表現(xiàn)出網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)↗，自動擠出水；↗同時也表現(xiàn)出游離顆粒↘→參與形成泥餅顆粒↘）。 總之， A— B— C— D，機理不一樣。 關(guān)鍵：網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。 控制失水三條途徑： a. 通過控制泥餅滲透率 K控制失水 （分散性鉆井液控制失水原理） b. 利用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)對自由水的束縛限制自由水移動來控制失水（ 要使其移動，必須要有壓力才能使自由水出來）。 例： +1000ppmPAC141 其中， 98%是水， 2%是聚合物和土，靜置后可以抓起來。說明網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)強，對自由水束縛強，所需外加壓力更大?；蛘哒f，在相同壓差下，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)越強，水出來越少。 c. 提高濾液粘度 總之，采用上面三種方法分析失水造壁性，就不難理解： 隨成網(wǎng)能力↘→變?yōu)榫酆衔锓稚⑿糟@井液 隨成網(wǎng)能 力↗→失水后沒有什么泥餅，即水被壓出后，剩下的網(wǎng)即為現(xiàn)在的泥餅 （被濃縮了的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu) ） ，自身形成一個體系，與濾紙連接弱，水一擠即掉，泥餅發(fā)虛、發(fā)泡。其泥餅形成過程與分散性鉆井液泥餅形成過程完全不同。 聚合物鉆井液中 降粘劑與失水控制劑無根本區(qū)別 ，因此，從配方組成上看，聚合物的為： 膨潤土 +主聚物 +輔聚物（中小分子，調(diào)整內(nèi)部結(jié)構(gòu)） +惰性降失水劑 由于網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)為中間狀態(tài)，因而有時加的降失水劑在同一處理劑、同一個配方時，可能降失水，也可能增加失水。如圖 27中 A、 B兩點 ,加降失水劑，一個失水↗，一個失水↘。 水基鉆井液及處理劑作用機理 第 24 頁 共 37 頁 同樣，降粘劑也一樣，如圖 28所示。 因此，聚合物鉆井液降粘劑、降失水劑機理復(fù)雜。 結(jié)論或推論： a. 在聚合物鉆井液中，所有降粘劑都是通過降低網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)來降粘， 因此，必然增加非結(jié)構(gòu)粘度，使噴嘴粘度增加。 b. 聚合物鉆井液必然是靜結(jié)構(gòu)強 （極少量聚合物 +極少量土） c. 這種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)必然形成失水與泥餅的矛盾。 惰性降失水劑 —— 分散性鉆井液 泥餅 改善的有效途徑（架橋 逐級填充 最后填充）。 —— 聚合物鉆井液調(diào)整到 C→ B，其中有一些。 惰性降失水劑定義：能在水中高度分散成固相顆粒，既不與粘土粒子作用，也不與聚合物作用，而這些顆粒參與泥餅形成。 關(guān)鍵：在水中高度分散（ 1微米左右），且不反應(yīng)。如： 超細 CaCO3 白碳黑 磺化瀝青（優(yōu)點：增加潤滑性；可變形；缺點：熒光，影響測井） 磺化瀝青使用范圍在 C→ B段最有效；在 A→ B段，起潤滑性等作用，如深井用） 總之，用以上方法，可以解決三大難題中前二個難題，還有一個問題： 抑制性與造漿性問題未根本解決。 聚合物鉆 井液發(fā)展之二： 兩性復(fù)合離子聚合物鉆井液 普通聚合物鉆井液抑制性未解決 的表 現(xiàn) 表現(xiàn)在： 造漿段→粘切增加很快→加降粘劑→（管不了多久）粘切↗（比上次還高）→再加降粘劑（這次效果比上次差）→粘切↗↗↗→最后，高分子加不進去，只能加低分子，變成分散性鉆井液，被迫加入大量水、處理劑，排放大量鉆井液。 現(xiàn)在還有人認為：是不是抑制性太差？如果這樣，就想辦法提高抑制性，方法： ? 加無機鹽（ K+、 Ca++等），如聚合物鉀石灰鉆井液 ? 提高包被能力： a. 增大分子量 b. 采用陽離子聚合物 水基鉆井液及處理劑作用機理 第 25 頁 共 37 頁 c. 增大聚合物用量 現(xiàn)場實際表明，采用提高抑制性的方 法，用于控制鉆井液性能的聚合物種類多，在某些地層有效，在某些地層無效。 如：塔里木油田， 6000米深井，用陽離子聚合物效果好，但加了二十幾種其它處理劑，其中，僅 FCLS就用了 40多噸。 問題： 如何解決聚合物鉆井液的抑制性與其配漿性（性能）的控制、調(diào)整之間的矛盾？ a. 鉆井液的抑制性 鉆井液的抑制性是指鉆井液對粘土的水化膨脹、水化分散的抑制作用大小。其中， 關(guān)鍵在水化 。如果水化控制不住，分散、膨脹控制得住也行。 抑制機理： ? 電中和作用：用（無機、有機）陽離子吸附在粘土上，降低ζ，控制、降低滲透水化作用。 ? 包被作用 ：以聚合物鏈或者鏈?zhǔn)谡惩亮Ｗ由习?，既可阻止水分子進入，也可以阻止膨脹、分散（關(guān)鍵在兩者）。 如：試樣，在清水中分散，在聚合物溶液中不 分 散。 b. 鉆井液的絮凝趨勢 上面兩種抑制作用均引起絮凝趨勢（所以，抑制作用、絮凝作用一致） c. 絮凝趨勢增加，鉆井液性能變壞 ∵鉆井液性能好壞實質(zhì)為分散體系聚結(jié)穩(wěn)定性的好壞 ∴得出上面結(jié)論 即： 鉆井液的抑制性與配漿性之間無法調(diào)整 （即使調(diào)整，靠經(jīng)驗，經(jīng)驗好，性能好，反之，性能差）。 怎么解決？ 只有一種方法： 將抑制性增加與性能關(guān)系切開 。 現(xiàn)有抑制性機理又分不開，因此，應(yīng)搞出一種具有 新的作用機理，使得抑制性與配漿性分開，或者兩者一致，就能解決這個問題。 降粘劑是產(chǎn)生惡性循環(huán)的核心，最關(guān)鍵在降粘劑的作用。 （分析發(fā)現(xiàn)，有一個核心問題：從工藝上講是造漿問題，但本質(zhì)上講是稀釋劑問題） ，現(xiàn)有降粘劑作用特點 a. 有效降低鉆井液的結(jié)構(gòu)粘度η 結(jié) 和表觀粘度η ‘ b. 增加噴嘴粘度η ? c. 降低鉆井液的抑制性 那么，我們要想解決這個問題，提出一個新的降粘劑，它應(yīng)該具有以下特點： a. 有效降低鉆井液的結(jié)構(gòu)粘度η 結(jié) 和表觀粘度η ‘（同上） b. 同時應(yīng)降低噴嘴粘度η ? c. 不降低甚至提高鉆井液的抑制性 如果能夠?qū)崿F(xiàn)上面三點，則應(yīng)該為抑制 性增加，而配漿性（粘土顆粒）的穩(wěn)定性問題也好。 那么，抑制性如何評價？ 水基鉆井液及處理劑作用機理 第 26 頁 共 37 頁 方法： ? CST法 —— 毛細管吸吮時間法 CST值越大，顆粒分散得越小，抑制性越差。 濾液擴散速度 =f（濾液粘度、粒子大?。? 利用 CST儀，可做： ? 滾動回收率法 820目樣品，滾動后，用 80目篩余回收率大小表示抑制能力：回收率高，抑制性好。 ? 線膨脹實驗法 ? 粒度分析法 （該法為評價分散的最好方法） 攪拌后，測定中值、比表面。 兩性離子聚合物鉆井液處理劑的提出 兩性聚合物： 發(fā)生電離后，大分子鏈上有陽離子，也有陰離子存在的聚合 物 。 怎么考慮的作用機理？ 大分子的抑制能力是通過絮凝能力、包被能力產(chǎn)生的。則要求分子上應(yīng)有足夠的吸附基，若相反，大量水化基（陰離子基），有效吸附能力太低，則只能產(chǎn)生吸附、橋連狀態(tài)。 若要提高抑制性，必然需要增加吸附基比例，但增加到 50%60%，變?yōu)樾跄厔?，配漿性要降低。 而引入陽離子后，吸附鍵能↗→與粘土粒子之間的吸附點（吸附比例）↗（高于 60%的CONH2）。但是，由于量少（ 10%20%），到不了第四種狀態(tài)，最多到第三種狀態(tài)。 而電中和作用加上少量包被作用， 抑制性比陰離子強，配出的鉆井液性能比陰離 子的好（至少不差于陰離子）。 對于兩性離子小分子聚合物呢？ 小分子以鏈?zhǔn)纬傻木W(wǎng)吸附在粘土粒子上 ， (其吸附能 力越強，達到飽和吸附的平衡濃度就越低，產(chǎn)生和發(fā)揮作用的效果越好 )。 另外，大比例水化基給粘土粒子表面帶來更大量的ζ、水化膜。 對于已經(jīng)分散的膨潤土漿，因被小分子中和、包被作用后使其不再發(fā)生水化，維持其分散性，而對鉆屑不讓其分散。 實驗驗證 a. 對噴嘴粘度影響 原有稀釋劑： PAC14 HPAN、 XA20均使噴嘴粘度增加，而 XY27則使其降低。 b. 稀釋效果對比 濃度低時（ 100ppm400ppm），稀 釋效果明顯好于現(xiàn)有任何聚合物稀釋劑； 濃度高時（ 700ppm），效果差不多。 水基鉆井液及處理劑作用機理 第 27 頁 共 37 頁 c. 抑制性對比 原 有 稀釋劑加入均使 CST值增加，中值下降，回收率降低。而 XY27加入，均使其降低。 d. 抑制膨脹對比 該種鉆井液性能較穩(wěn)定，排放鉆井液量大幅度降低，百米造漿率降低（沒百米比重增加很少）。因配漿性好，造壁性也好，防塌性好。 存在問題： ① 溶液中構(gòu)象不清楚 ② 與粘土作用機理不十分清楚 ③ 陽離子在分子鏈上的位置等不清楚 ④ 抗鹽抗鈣問題 ⑤ 高密度鉆井液中問題。 參考文獻 夏儉英：“鉆井液有機處理劑”，石油大學(xué)出版社， 1991年。 吳隆杰等：“鉆井液處理劑膠體化學(xué)原理”，成都科技大學(xué)出版社， 1992年。 作業(yè)題 文獻綜述：國內(nèi)外抗高溫抗鹽抗鈣水基鉆井液降粘劑的研究現(xiàn)狀及其作用特點分析。 5 油田用新型締合聚合物 NAPs 的研究 問題的提出 特殊的流變性是油井工作液必須的要求和特點 如 :(驅(qū)替液、鉆井液、完井液、壓井液、修井液、酸液、壓裂液、調(diào)剖液 ?) 天然聚合物 （如 XC） 水溶性聚合物 合成聚合物（如 HPAM）締合、非締合 水溶性聚合物主要大量用于聚合物驅(qū)油 聚合物驅(qū)油技術(shù)趨于成熟： 已 進入大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用階段，噸增油可達 120150噸 如大慶：聚驅(qū)比水驅(qū)提高采收率 10%OOIP以上； ASP復(fù)合驅(qū)：比水驅(qū)提到 20%OOIP以上。 對可采儲量有限的大多數(shù)油田的穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)和抑制產(chǎn)量遞減來說，具有十分重要的意義。 但：現(xiàn)有聚合物產(chǎn)品難以很好滿足要求 如在遼河油田： ? 用量大 1200～ 2200mg/L,噸增油 60～ 150 t ? 耐鹽性差 難以用污水配液，遇地層鹽水降粘更嚴重 ? 耐溫性差 一般低于 70℃ ? 抗剪切能力差 剪切降解大幅度損失粘度 ? 穩(wěn)定性差 剪切、高溫、氧化 及生物穩(wěn)定性差 水基鉆井液及處理劑作用機理 第 28 頁 共 37 頁 由于聚合物的原因?qū)е氯尾捎图夹g(shù)在不少油田難以推廣！ 對聚合物水溶液流變性的基本要求： 1)高效增粘性： 2)抗溫性與抗鹽 (鈣 )性； 3)剪切稀釋性； 4)懸浮性； 5)穩(wěn)定性 (長效