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抗高温深井水基钻井液 中国石油大学(北京) 鄢捷年 2010年11月 关于深井的概念 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(7175m) 对深井钻井液的特殊要求 具有抗高温的能力。应优选出各种能够抗高温的处理剂。例如,褐煤类产品(抗温204℃)就比木质素类产品(抗温170℃)有更高的抗温能力; 在高温条件下具有强的抑制能力。除常用的KCl、NaCl等无机盐和Ca(OH)2外,在有机聚合物处理剂中,阳离子聚合物就比带有羧钠基的阴离子聚合物具有更强的抑制性; 具有良好的高温流变性。对深井加重钻井液,尤其应加强固控,并控制膨润土含量以避免高温增稠。通过加入生物聚合物等改进流型,提高携屑能力;加入抗高温的稀释剂控制静切力; 具有良好的润滑性。通过加入抗高温的液体或固体乳化剂,以及混油等措施来降低摩阻。 高温对深井水基钻井液性能的影响 7000 m以上的深井,井温可高达200℃以上,压力可达150~200 MPa。 由于水的可压缩性相对较小,故压力对水基钻井液的密度及其他性能,如流变性、滤失造壁性等均无明显的影响。 温度对深井钻井液性能的影响十分显著,深井水基钻井液的主要问题是抗高温。 钻杆内与环空的温度剖面 Fluid Type - HTHP wells 膨润土含量对钻井液热稳定性的影响 钻井液中粘土的高温分散作用 在高温作用下,钻井液中的粘土颗粒,特别是膨润土颗粒的分散度进一步增加,从而使颗粒浓度增多、比表面增大的现象称为高温分散。其实质是水化分散,高温进一步促进了水化分散。 影响高温分散的因素:(1)粘土的种类。在常温下越容易水化的粘土,高温分散作用也越强;(2)温度越高,作用时间越长,高温分散也就越显著;(3)随pH值升高而增强;(4)一些高价无机阳离子,如Ca2+、Mg2+、Al3+等对粘土高温分散具有抑制作用。 关于高温胶凝 由于高温分散引起的高温增稠与钻井液中粘土含量密切相关。当粘土含量大到某一数值时,钻井液在高温下会丧失其流动性而形成凝胶,这种现象被称为高温胶凝。 防止钻井液高温胶凝是深井钻井液的一项关键技术。目前有以下两项措施可有效地预防高温胶凝的发生:一是使用抗高温处理剂抑制高温分散,二是将钻井液中的粘土(特别是膨润土)含量控制在其容量限以下。 某种钻井液的粘土容量限可通过室内实验确定。高温深井水基钻井液必须将粘土的实际含量严格控制在其容量限以内。 高温对钻井液处理剂的影响 高温降解: 高分子有机处理剂受高温作用而导致分子链发生断裂的现象称为高温降解。包括高分子主链断裂和亲水基团与主链连接键断裂这两种情况。前一种情况会降低处理剂的分子量,失去高分子化合物的特性;后一种情况会降低处理剂的亲水性,使其抗污染能力和功效减弱。 任何高分子处理剂在高温下均会发生降解,但由于其分子结构和外界条件不同,发生明显降解的温度也有所不同。影响高温降解的首要因素是处理剂的分子结构,同时与钻井液的pH值以及剪切作用等因素有关。 一般以处理剂在水溶液中发生明显降解时的温度来表示其抗温能力。 一些常用钻井液处理剂的抗温能力 高温交联 在高温作用下,处理剂分子中存在的各种不饱和键和活性基团会促使分子之间发生各种反应,相互联结,从而使分子量增大的现象称为高温交联。可将其看作是与高温降解相反的一种作用。 高温交联对钻井液性能的影响有好和坏两种可能。如果交联适当,适度增大处理剂的分子量,则可能抵消高温降解的破坏作用,甚至可能使处理剂进一步改性增效。比如,在高温下磺化褐煤与磺化酚醛树脂复配使用时的降滤失效果要比它们单独使用时的效果好得多。 如果交联过度,形成体型网状结构,则会导致处理剂水溶性变差,这种必然破坏钻井液的性能,严重时整个体系变成凝胶,丧失流动性。 高温对处理剂与粘土相互作用的影响 高温解吸附作用: 在高温下,处理剂在粘土表面的吸附作用会明显减弱,其原因主要是分子热运动加剧所造成的。 高温解吸附会影响处理剂的护胶能力,使粘土颗粒更加分散,从而影响钻井液的热稳定性和其它各种性能,常表现出高温滤失量剧增,流变性失去控制。 高温去水化作用: 在高温下,粘土颗粒表面和处理剂分子中亲水基团的水化能力会降低,使水化膜变薄,从而导致处理剂护胶能力减弱。 导致滤失
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