鉆井液課程設計

鉆井液課程設計與配制設計內(nèi)容：1、鉆井液性能；2、選擇原材料與處理劑；3、配方設計；4、計算鉆井液材料用量；5、確定鉆井液的制備方法；6、擬定鉆井液循環(huán)、凈化、管理措施要求寫出設計報告：鉆井（探）井（孔）：目的及鉆井（探）工藝；深度、井身結(jié)構(gòu)（直徑、套管）；地層（巖性）、潛在問題及其對鉆井流體的要求鉆井流體：性能要求及評價方法；體系以及所用材料與處理劑（水基、氣基、油基；分散、粗分散、鹽水、鈣處理，不分散，低固相，聚合物等）進行實驗：鉆井液體系配制與優(yōu)化、性能評價數(shù)據(jù)整理與分析：鉆井液性能（流變特性用Excel表格確定流變方程），失水包括初失水和API失水處理劑作用及原理，包括種類、加量等數(shù)據(jù)完成設計報告（封面、扉頁、目錄、正文，小4，宋體，圖表5號字）正文：1.概述；2.性能及測試方法，材料；3.實驗數(shù)據(jù)結(jié)果；4.數(shù)據(jù)分析；5.結(jié)論。參考文獻Word:5000-6000字，或者大于5頁（A4），但不多于10頁，包括圖表;參考文獻：8-10篇，其中1篇為英文。PPT—(5分鐘)注意邏輯、規(guī)范DensityofDrillingFluids

鉆井液密度DensityforholestabilityandpressurecontrolDrillingFluidHydrostaticPressureFormationPorePressure,PpFormationcollapsePressure,PcFormationFracturePressure,Pf坍塌壓力是指井壁發(fā)生剪切破壞的臨界井眼壓力，此時的鉆井液密度稱為坍塌壓力的當量鉆井液密度。當鉆井液密度升至一定值后，井壁處的切向應力就會變成拉應力，當拉伸應力大于巖石的抗拉強度時，就要發(fā)生拉伸破壞(表現(xiàn)為井漏)。鉆井液密度應大于地層坍塌壓力或地層孔隙壓力以維持地層穩(wěn)定和保證壓力控制，但要低于地層破裂壓力，避免井漏。過大的鉆井液密度有以下害處：損害油氣層；降低鉆井速度；壓差卡鉆；憋漏地層；粘切增高；消耗材料和動力；抗污染能力降低。RheologicalPropertiesofDrillingFluidsFunnelViscosity,ApparentViscosity,PlasticViscosity,YieldPoint,GelStrength,PV/YP,flowbehaviorindexandconsistencyindex.考慮懸排鉆碴、護壁堵漏的要求確定泥漿的流變性。對于非加重鉆井液塑性粘度控制在5～12mPa.s，動切力1.4～14.4Pa，動塑比在0.36～0.48(Pa/mPa.s)，n一般為0.4～0.7，懸浮重晶石靜切力1.44Pa。另外，鉆井液的流變特性影響激動壓力、鉆井速度。TheFiltrationPropertiesofDrillingFluidsandotherProperties泥漿的其它設計指標的參考范圍為：失水量一般應不大于15ml/30min，含砂量不大于8%，膠體率不小于90%，pH值視不同泥漿在6～11之間變化，潤滑性必要時應控制在0.02～0.5。鉆井液配方舉例一、砂、礫層中使用的泥漿二、土層、泥頁巖中使用的泥漿

三、溶蝕性地層鉆井液

四、硬巖鉆進用鉆井液五、充氣低密度鉆井液六、其他鉆井液一、砂、礫層中使用的泥漿

在砂層、礫石、卵石以及破碎帶地層中鉆進，成孔的難度很大。這類地層稱為機械分散地層。由于顆粒之間缺乏膠結(jié)，鉆進時井壁很容易坍塌。對于這類地層用泥漿護壁，解決問題的關(guān)鍵是增加井壁顆粒之間的膠結(jié)力。粘性較大的泥漿適當滲入井壁地層中，可以明顯增強砂、礫之間的膠結(jié)力，以此使井壁的穩(wěn)定性增強。

提高泥漿粘度，主要通過使用高分散度泥漿（細分散泥漿）、增加泥漿中的粘土含量、加入有機或無機增粘劑等措施來實現(xiàn)。①Na-CMC（鈉羧甲基纖維素）泥漿

②鐵鉻鹽—Na-CMC泥漿

③木質(zhì)素磺酸鹽泥漿

④腐植酸泥漿

1.Na-CMC（鈉羧甲基纖維素）泥漿Na-CMC起進一步提粘和降失水作用。配方為：優(yōu)質(zhì)造漿粘土150~200g，水1000ml，純堿5~10g，Na-CMC6g左右。泥漿性能為比重1.07~1.1，粘度25~35s，失水量小于12ml/30min，pH值約9.5。2、鐵鉻鹽—Na-CMC泥漿該泥漿提粘且穩(wěn)定性較強，鐵鉻鹽起防絮凝（稀釋）作用。配方為：粘土200g，水1000ml，純堿液50%濃度加量約20%，鐵鉻鹽溶液濃度20%，加量0.5%，Na-CMC0.1%。泥漿性能為比重1.10，粘度25s，失水量12ml/30min，pH值9.3、木質(zhì)素磺酸鹽泥漿木質(zhì)素磺酸鹽取材于亞硫酸紙漿廢液，一般與煤堿劑配合使用，以在提粘的基礎上解決泥漿的防絮凝和降失水。配方為1m3泥漿用80~200kg粘土，30~40kg亞硫酸紙漿廢液，10~20kg煤堿劑，5~10kgNaOH，5~10kg消泡劑，900~940L水。泥漿性能為比重1.06~1.20，漏斗粘度18~40s，失水量5~10ml/30min，靜切力1min6~45Pa，10min12~90dPa，在鉆進過程中為進一步降失水可每立方米加1~3kgNa-CMC。

4、腐植酸泥漿腐植酸泥漿是用煤堿劑或腐植酸鈉（鉀）做穩(wěn)定劑（防絮凝）的，它可以與其他處理劑如Na-CMC等配合使用。制備腐植酸泥漿的配方是1m3泥漿中加50~200kg煤堿劑(干量)，3~5kgNa2CO3，905~955L水。泥漿性能：比重1.03~1.20，漏斗粘度20~60s，失水量4~10ml/30min，靜切力1min18~60dPa，10min36~120dPa，pH值9~10。二、土層、泥頁巖中使用的泥漿在粘土、泥頁巖中鉆進，突出問題之一是鉆井井壁的遇水膨脹、縮徑，甚至流散、垮孔。其原因是粘土、泥頁巖中存在著大量的粘土礦物，尤其是蒙脫石粘土礦物的存在，使井壁粘土接觸到鉆井液中的水時，即發(fā)生粘土的吸水、膨脹、分散。這樣的地層又稱之為水敏性地層。原理要點：（1）選優(yōu)質(zhì)土；（2）采取“粗分散”方法；（3）添加降失水劑；（4）提高基液粘度；（5）調(diào)整泥漿比重，平衡地層壓力；（6）利用特殊離子對地層的“鈍化”作用；（7）利用大分子鏈網(wǎng)在井壁上的隔膜作用；（8）利用微顆粒的堵塞作用；（9）活度平衡。石膏—鐵鉻鹽泥漿石膏可提供較高的Ca2+和pH值較低，對井壁起聚結(jié)作用：鐵鉻鹽能抑制井壁的分散，因而該泥漿的防塌性能提高。石膏泥漿多用于鉆進厚石膏層和易塌的水敏性泥巖和頁巖。配方：石膏的加量一般為泥漿體積的1.14~1.7%，鐵鉻鹽加量為0.86~1.7%，燒堿為0.28~0.42%，為降失水可加入0.14~0.42%的CMC。配制的程序是：在淡水泥漿中先加少量鐵鉻鹽和燒堿及一部分水，攪拌后，把其余的鐵鉻鹽和石膏一起加入，再后加CMC控制失水量。典型的泥漿性能為：比重1.20，漏斗粘度25s，動切力3.0Pa，靜切力1min1.0Pa，10min4.5Pa，失水量3~6ml，pH值10左右。（一）鈣處理泥漿：

1、石膏—鐵鉻鹽泥漿

2、氯化鈣—褐煤泥漿主要泥漿類型2、氯化鈣—褐煤泥漿氯化鈣和褐煤反應生成的腐植酸鈣一方面使泥皮變得薄而致密、滲透性小、故泥漿失水量小；另一方面可調(diào)節(jié)泥漿中Ca2+的濃度，即，從而有效地抑制地層造漿和泥頁巖的水化膨脹，防止井眼坍塌。配方：以加有0.3~0.5%純堿的比重為1.10~1.20的新漿一份，與煤堿劑（15：2~3：100~150）一份相混合，配成煤堿劑泥漿，然后加入0.5~1.0%的氯化鈣（配成溶液加入）經(jīng)攪拌而成。其性能大致為：比重1.13~1.34，漏斗粘度18~28s，失水量3~5ml，泥皮厚0.5~1mm，pH值10~11.5，濾液粘度0.75~0.85mPa·S，Ca2+濃度160~240ppm。主要泥漿類型（二）鉀基泥漿：

1、PAM-KCl泥漿2、分散型氯化鉀泥漿

3、氫氧化鉀-褐煤泥漿4、氫氧化鉀-磺酸鹽泥漿

5、鋁鉀泥漿例子PAM-KCl泥漿

用無機鹽KCl為離子交換型抑制劑，抑制粘土的膨脹，用絮凝型聚合物處理泥漿，聚合物吸附在井壁上，以包膜原理阻止水的滲入而維持井壁穩(wěn)定，屬非分散型鉀基泥漿。配方：在1m3經(jīng)堿處理的基漿中，加入水解度為30%的PAM2kg，KCL加量為4kg左右。

1.PAM-KCl泥漿用無機鹽KCl為離子交換型抑制劑，抑制粘土的膨脹，用絮凝型聚合物處理泥漿，聚合物吸附在井壁上，以包膜原理阻止水的滲入而維持井壁穩(wěn)定，屬非分散型鉀基泥漿。配方：粘土加量按在泥漿中所占體積計為3~5%，純堿加量為土重的分子量在300╳104以上，30%水解度的PAM加量為1.43Kg/m3~3.5833Kg/m3，KCL加量為3%~15%左右。為除鈣和提高抗溫性能，可加入5%左右的（NH4）2SO4。這種泥漿對泥頁巖的抑制作用，按穩(wěn)定性指數(shù)僅次于油基泥漿。2.氯化鉀泥漿用磺化類有機處理劑與無機鹽氯化鉀相配合，起抑制頁巖膨脹，維護孔壁穩(wěn)定的作用。配方為：配制1m3泥漿，粘土50~100kg，KCl30～50kg，聚合物（КМЦ，М—14，Merac，淀粉等）5~10kg，КССБ（縮合亞硫酸酒精廢液）30~50kg，KOH5~10kg，消泡劑2~3kg，水920~940L。泥漿性能：密度1.08~2.0g/cm3，漏斗粘度25~40s，失水量4~8ml/30min，靜切力1min，12~60dPa；10min，36~120dPa，pH=9~9.5，濾液含氯化鉀30~70g/l，最大為150g/l。3.氫氧化鉀-褐煤泥漿用于不宜含氯離子過高的地區(qū)，用聚合物來控制失水和調(diào)節(jié)流變性、也可添加KCl來補充鉆井中K+的消耗，但Cl-不能超過規(guī)定的水平，這種泥漿起抑制作用的組分為KOH和KHM，并主要靠KOH來維持鉀含量和pH值。4.氫氧化鉀-磺酸鹽泥漿用于鉆井蒙脫石含量高的地層。KOH用于控制pH值和提供抑制所需的鉀含量，鉀含量必須使濾液中K+高于2000~3000ppm，而木質(zhì)素磺酸鹽的含量亦必須保持在24.8~28.6kg/m3之間以起輔助抑制作用。鉀和木質(zhì)素磺酸鹽含量低于此水平，便會因頁巖水化而出現(xiàn)井眼問題。5.鋁鉀泥漿它是鉀離子和鋁離子共同起抑制作用，聚合物是用丙烯酰胺共聚物，這種泥漿在前蘇聯(lián)油田得到應用。泥漿配方為配制1m3泥漿，粘土60~150kg，KCl（SO4）23~5kg，KOH1~3kg，K2Cr2O70.3~0.5kg，鉻木素磺酸鹽20~30kg，甲基丙烯酸與甲基丙烯酰胺共聚物3~5kg，水920~960L。（三）乳化瀝青泥漿1、用苛性鈉皂化法2、用粘土粉制瀝青膏3、用乳化劑制備乳化瀝青乳化瀝青泥漿抑制水敏性地層的原理是泥漿循環(huán)時，由于巖石表面的礦物吸附乳化劑而使乳狀瀝青破乳，放出瀝青微粒粘附在孔壁上，形成薄而堅韌的瀝青質(zhì)膜，起封閉隔水作用，防止水滲入水敏性地層，以及瀝青質(zhì)封堵水敏性頁巖的孔隙和微裂縫，從而起到穩(wěn)定孔壁的作用。乳化瀝青泥漿的配制方法是，先配制瀝青膏，然后配制瀝青泥漿。瀝青膏的配制有多種方法：

1.用苛性鈉皂化法在容器中放入所需的水及部分堿，加熱至沸騰，在攪拌情況下注入瀝青和所需的堿液，攪拌20~30min即得?？列遭c加量，依瀝青的酸值來定，瀝青∶水=252~430kg∶500~700L。2.用粘土粉制瀝青膏先將瀝青加熱至180~200℃熔化脫水，保溫在180℃?zhèn)溆谩０此谜惩粒?%~6%純堿）=2∶1攪成泥漿加溫至80℃，在攪拌下細流加入保溫在180℃的瀝青中，加完后繼續(xù)攪拌30~40min即成瀝青膏。3.用乳化劑制備乳化瀝青可用不同的乳化劑來制備，幾種乳化瀝青的配比如表4-4所示。瀝青泥漿的制備可用粘土粉制備的瀝青膏為例來說明。其配方為：瀝青膏20~30%，Na-CMC0.3~0.5%，水解度為60%的水解PAM50ppm，水70~80%。表4-4乳化瀝青的配方配方成分12345610號石油瀝青2530253060號石油瀝青7570757010060肥皂1.11.1－－－－洗衣粉10.9－－－－聚乙烯醇－－44－―十二烷基磺酸鈉－－－－1平平加－－22－－NaOH0.40.40.880.88－0.1水玻璃0.4－1.61.6－－石灰[以CaC（OH）2計]－－－－45－水10097.610010010538.9（五）有機陽離子聚合物泥漿表4-6有機陽離子聚合物泥漿的實驗室配方及性能序號粘土加量處理劑加量（%）泥漿主要性能CPAMQCNa-CMCFCLS石灰KHM漏斗粘度FV(S)塑性粘度Pa·s屈服值.478pa失水量mlpH巖屑回收率%12342%2%1%1%0.20.20.30.30.50.50.50.50.80.80.80.81111－1－－457526330.0270.0360.0110.00812587225.06.411116.56.5111190.695.693.794.0三、溶蝕性地層泥漿

溶蝕性地層以氯化鈉鹽層最為典型，其他還有鉀鹽、石膏、芒硝、天然堿等。這類地層又稱為水溶性地層，它遇到鉆井液中的水，就會發(fā)生溶解，使鉆井井壁溶蝕掉，其結(jié)果經(jīng)常導致井眼超徑、垮塌。對付水溶性地層，主要從兩方面入手解決：一是降失水，其原理和方法前面已經(jīng)介紹過；二是降低鉆井液對地層的溶蝕性。在泥漿中加入與地層被溶物相同的物質(zhì)，使溶解度趨于飽和，就是常用的治理溶蝕的方法。例如在巖鹽中鉆進，采用鹽水泥漿作為鉆井液，防塌效果良好。

鹽水泥漿是粘土懸浮液中氯化鈉含量大于1%，或用咸水（海水）配制的泥漿，它是靠氯化鈉的含量較大而促使粘土顆粒適度聚結(jié)并用有機保護膠維持此適度聚結(jié)的穩(wěn)定粗分散泥漿體系。鹽水泥漿的粘度低，切力小，流動性好，抗鹽侵，抑制巖鹽地層的溶解，抗粘土侵的能力強，抑制泥頁巖水化膨脹，坍塌和剝落的效果好。

深井鉆厚層巖鹽時，使用CMC—FCLS飽和鹽水泥漿，其組成為純堿1.5%，F(xiàn)CLS1.5%，燒堿（1/5濃度）0.3%，中粘CMC2%。泥漿性能是：比重1.40~1.41，漏斗粘度30~50s，失水量3.5~4ml，泥皮厚0.5mm，pH值9~10，維護時將各種處理劑的混合液與食鹽一起加入，混合液的配比是：丹寧:燒堿:CMC:FCLS:純堿:水=8:16:10:40:10:100。四、硬巖鉆進液對于鉆進而言，堅硬巖石有以下特點：(1)．由于巖石堅硬，鉆進時破碎巖石所需要的消耗大，進尺慢，鉆頭磨損厲害，容易燒鉆，這對鉆進是不利之處。(2)．硬巖中鉆進多見于地質(zhì)勘探孔等情況，此時一般孔徑較小（小于150MM），而孔深則較大（可達1000M以上），因此鉆進液的循環(huán)阻力大。(3)．鉆進堅硬巖石形成的井壁相對穩(wěn)定，除了遇到較大的地層破碎帶，一般情況下不易發(fā)生像土層、泥頁巖和砂礫層那樣的嚴重坍塌垮孔。(4)．由于硬巖鉆進多采用像金剛石鉆頭這樣的磨削方式碎巖，鉆屑顆粒細小，因而懸排鉆屑較為容易。用聚丙烯酰胺配制的泥漿種類較多。不僅有主要用于硬巖鉆進即以絮凝除碴為主的，也有用于提高泥漿粘度、抑制地層分散等為主的。這里，僅以絮凝除碴為主的聚丙烯酰胺-聚丙烯腈泥漿（雙聚泥漿）為例，介紹其具體配方。這種泥漿的主要處理劑是部分水解PAM（寫作PHP）分子量在250×104以上，水解度30%左右，起選擇性絮凝和護壁防塌作用，用水解聚丙烯腈（HPAN），聚丙烯酸鈣（CPA），聚丙烯腈鈣（CPAN），低分子量聚丙烯酰胺（LAP）等作為降失水劑。這種泥漿不用分散型處理劑，泥漿粘度低，流動性好，有較好的護壁和除砂效用，失水量中等，可用于一般松軟和水敏性地層鉆進，其一些配方如表4-7所示。PAM的水解度、分子量和加量這三個關(guān)鍵參數(shù)，在不同使用目的下，有不同的要求。對于選擇性絮凝，分子量在250~500×104，水解度在30%，加量較低（50~80PPM）為宜；對于完全絮凝，水解度應低于10%，分子量則要大；用于降失水和增粘，應采用分子量較低的（10~20）×104、水解度較高的（60%~80%）的水解PAM；用于井壁穩(wěn)定應采用高分子量，水解度適中（30%），加量較大（300ppm以上）的水解PAM。表4-7幾種雙聚泥漿的配方和性能編號泥漿配方泥漿主要性能粘土%純堿量（占土量）%PHPppmCPAppmHPANppm密度g/cm3漏斗粘度s表觀粘度×10-3Pa·s塑性粘度×10-3Pa·s動切力×478PaApl失水量ml泥皮mm篇pH14.762002001.0226159.06.5140.58.524.764002001.022919129120.58.53561001001.032314——20—9456350150*1.0224.4———10.5—95563751251.0225———10.8—9656100100*1.0225.4———11.1—8.5乳狀液的配方例子

水：油：乳化劑＝1000：10：1油：機油與柴油混合乳化劑：十二烷基苯磺酸鈉、OP－10等五、充氣低密度鉆井液

泡沫是含有大量氣泡的氣液分散體系。其中氣相是分散相，常壓下的體積可高達90%；液相是連續(xù)相，一般以水多見，所占的體積較少。因此泡沫的重量比水輕得多。此外，欲形成泡沫還須加入必要的泡沫劑——表面活性劑，才能使氣泡形成并均勻地分散在液體中。泡沫劑的加量更少，一般只占液體的1‰～1%。配制泡沫一般是先將泡沫劑溶入到液相中，形成尚未發(fā)泡的基液（泡沫液），然后再與空氣混合形成泡沫。

特點和適應范圍（1）與空氣和清水比較，由于泡沫的懸碴能力明顯提高，因此可用較低的環(huán)空上返流速（僅為空氣的3～6%），對井壁的沖蝕大大降低。（2）要求的風量和相應的風壓較低（3）與液體鉆井液相比可以節(jié)約大量用水（僅為液體鉆井液的1/10～1/500），可以有效地解決沙漠、高山、寒凍、嚴重漏失和干旱地區(qū)鉆進的缺水問題。（4）泡沫比重輕，井內(nèi)壓力小，僅為水的1/20～1/30，特別適于低壓地層鉆進。（5）泡沫中的表面活性劑具有潤滑性，泡沫具有一定的彈性，有利于減輕鉆具的振動，減少回轉(zhuǎn)功率消耗，降低鉆具的磨損。

（6）泡沫具有一定的吸附性、粘結(jié)性和淤塞性，并且由于質(zhì)量輕而動力慣性小，因此對井壁有較好的保護作用。（7）捕集巖粉效果好，消除了空氣鉆井時的粉塵污染問題。（8）能防止凍結(jié)地層鉆進因空氣吹洗溫度升高而引起的井壁融化坍塌問題。由上可見，泡沫鉆井的適應范圍較寬，特別適合于在低壓地層、缺水環(huán)境和寒凍地區(qū)使用。但是，泡沫不適應在大涌水、強含水層、非膠結(jié)的松散沉積層，以及孔隙壓力較高地層中使用。組成及典型配方組成：1、氣相：空氣、氮氣、二氧化碳等；2、液相：水、醇、烴、酸等；3、發(fā)泡劑：十二烷基硫酸鈉、十二烷基苯磺酸鈉、OP-7、OP-10、OB-2、TA-40等；4、穩(wěn)泡劑：CMC、HEC和PAM等。配方舉例：（1）按重量比在水中加入0.4%的發(fā)泡劑ABS、0.4%的穩(wěn)泡劑CMC和0.4%的穩(wěn)泡劑PAM，即形成一種簡單且成本低的泡沫液。（2）H2O+X?C+FSO+HCHO+F842或TAS形成泡沫液。（3）H2O+田菁粉+預膠化淀粉+HCHO+F872或TAS形成泡沫液。六、無粘土鉆井液主要內(nèi)容羧甲基纖維素鈉（Na－CMC）聚丙烯酰胺類淀粉類XC生物聚合物羥乙基纖維素胍爾膠魔芋田菁阿拉伯膠、SM植物膠、LG植物膠、槐豆膠……羧甲基纖維素鈉（Na－CMC）纖維素是地球上最為豐富的植物性資源，價格低廉、可降解和對環(huán)境無污染的特點使以CMC為代表的纖維素衍生物成為迄今為止用量最大的鉆井液處理劑之一。纖維素是由許多環(huán)式葡萄糖單元構(gòu)成的長鏈高分子化合物，其中使用最多的是鈉羧甲基纖維素，其英文名稱是carboxymethylcellulosesodium，簡稱Na-CMC。純凈的鈉羧甲基纖維素為白色纖維狀粉末，具有吸濕性，溶于水后形成膠狀液。它是長期以來國內(nèi)外廣泛使用的一種性能良好的降濾失劑，適用于各種類型的水基鉆井液。Na－CMC的化學結(jié)構(gòu)

工業(yè)上常根據(jù)其水溶液粘度大小，將Na-CMC分為以下三個等級：高粘Na-CMC：在25℃時，1％水溶液的粘度為400～500mPa?s。一般用作低固相鉆井液的懸浮劑、封堵劑及增稠劑。其取代度約為0.6～0.65，聚合度大于700。中粘Na-CMC：在25℃時，2％水溶液粘度為50～270mPa?s。用于一般鉆井液，既起降濾失作用，又可提高鉆井液的粘度。其取代度約為0.8～0.85，聚合度為600左右。低粘Na-CMC：在25℃時，2％的水溶液粘度小于50mPa?s。主要用作加重鉆井液的降濾失劑，以免引起粘度過大。其取代度約為0.8～0.9，聚合度為500左右。聚丙烯酰胺（PAM）聚丙烯酰胺（Polyacryamide,簡稱PAM，分子量高達（103～107），水溶性好，是丙烯酰胺均聚物或與其他單體共聚而得線形聚合物的統(tǒng)稱。具有良好的熱穩(wěn)定性。由于結(jié)構(gòu)單元中含有極性基團--酰胺基，易形成氫鍵，使其具有良好的水溶性和很高的化學活性。聚丙烯酰按具有一系列衍生物和多種寶貴性能，廣泛用于石油、水處理、造紙、礦冶、建材、紡織、食品加工、醫(yī)藥、農(nóng)林等領(lǐng)域，具有絮凝、增稠、減阻、凝膠、粘結(jié)、阻垢等功能。

聚丙烯酰胺是應用最多的人工合成絮凝劑。其分子鏈很長，它的酰胺基（---CONH2）可與許多物質(zhì)親和、吸附形成氫鍵，這就使它能在吸附的粒子之間架橋，使數(shù)個甚至數(shù)十個粒子連接在一起，生成絮團，加速粒子下沉，使它成為最理想的絮凝劑。

完全絮凝與選擇性絮凝示意圖聚丙烯酰胺的絮凝要理由于其具有極性基--酰胺基，易于借其氫健的作用在泥沙顆粒表面吸附；因其有很長的分子鏈，大數(shù)量級的長鏈在水中有巨大的吸附表面積，故絮凝作用好，能利用長鏈在顆粒之間架橋，形成大顆粒的絮凝體，加速沉降；借助于聚丙烯酰胺的絮凝--助凝，在凈水處理的泥凝過程中可能發(fā)生雙電離壓縮，使顆粒聚集穩(wěn)定性降低，在分子引力作用下顆粒結(jié)合起來，分散相的簡單陰離子可以被聚合物陰離子基團所取代；高分子和天然水組成中的物質(zhì)和水中懸浮物，或在它之前投加的水解混凝劑的離子之間發(fā)生化學相互作用，可能是絡合反應；由于分子鏈固定在不同顆粒的表面上，各個固相顆粒之間形成聚合橋。淀粉類淀粉（Starch）的結(jié)構(gòu)與纖維素相似，也屬于碳水化合物，是最早使用的鉆井液降濾失劑之一。淀粉從谷物或玉米中分離出來，它在50℃以下不溶于水，溫度超過55℃以上開始溶脹，直至形成半透明或膠體溶液。加堿也能使它迅速而有效地溶脹。其化學性質(zhì)與纖維素類型相似，同樣可以進行酯化、醚化、羧甲基化、接枝和交聯(lián)反應，從而制得一系列改性產(chǎn)品。直鏈淀粉的化學結(jié)構(gòu)羧甲基淀粉（CMS）降濾失效果好，對塑性粘度影響小，而對動切力影響大，因而有利于攜帶鉆屑。價格便宜，鉆鹽膏層時，可使鉆井液性能穩(wěn)定，濾失量低，并具有防塌作用。羥丙基淀粉（HPS）對高價陽離子不敏感，抗鹽、抗鈣污染能力很強。在處理Ca2＋污染的鉆井液時，比CMC效果更好?？箿氐矸跠FD-140

抗溫性能較好，在4％鹽水溶液中可以穩(wěn)定到140℃，在飽和鹽水中可到穩(wěn)定到130℃。XC生物聚合物XC生物聚合物又稱黃原膠，是由黃原菌作用于碳水化合物而生成的高分子鏈狀多糖聚合物，相對分子量可高達5×106，易溶于水。是一種適用于淡水、鹽水和飽和鹽水鉆井液的高效增粘劑，加入很少的量（0.2％～0.3％）即可產(chǎn)生較高的粘度，并兼有降濾失作用。它的另一個顯著特點就具有優(yōu)良的剪切稀釋性能，能夠有效地改進流型（即增大動塑比，降低n值）。用它處理的鉆井液在高剪切速率下的極限粘度很低，有利于提高機械鉆速；而在環(huán)形空間的低剪切速率下又具有較高的粘度，并有利于形成平板層流，使鉆井液攜帶巖屑的能力明顯增強。一般認為，XC生物聚合物抗溫可達120℃，在140℃溫度下也不會完全失效。據(jù)報道，國外曾在井底溫度為148.9℃的油井中使用過。其抗鹽、抗鈣能力十分突出，是配置飽和鹽水鉆井液的常用處理劑之一。

羥乙基纖維素（HEC）羥乙基纖維素（hydroxyethylcellulose），簡稱HEC，是一種白色或淡黃色、無味、無毒的纖維狀或粉末狀固體。其化學結(jié)構(gòu)式如圖所示。HEC的水溶液能與大多數(shù)水溶性膠和水溶性樹脂混溶，經(jīng)共價健或化學健結(jié)合得到清晰、均勻的高粘度溶液?？膳c阿拉伯膠等水溶性樹脂互溶，與明膠、淀粉、PVA等部分混溶。其顯著特點是在增粘的同時不增加切力，因此在鉆井液切力過高致使開泵困難時常被選用。增粘程度一般與時間、溫度和含鹽量有關(guān)，抗溫能力可達107～121℃。胍爾膠半乳甘露糖的化學結(jié)構(gòu)胍爾膠主要用于石油開采業(yè)，配制成水基壓裂液，具有增稠能力強，熱穩(wěn)定性好，抗生物降解，能增加含油地層的滲透性，對提高石油產(chǎn)量有明顯效果。胍爾膠胍爾膠是一種天然高聚物。它由胍爾植物種子-胍爾豆中提取。胍爾豆中的膠體含量可達40％，為一年生草本植物，是一種用途廣泛的工業(yè)原料作物，其種子胚乳含胍爾膠。胍爾膠原粉在常溫下的水合物可分為水溶性和水不溶性兩部分，水溶性部分主要是半乳甘露聚糖，是工業(yè)使用的有效部分，水不溶性部分主要是分子量較大的半乳甘露聚糖、粗纖維和蛋白質(zhì)等。魔芋葡甘露聚糖是D-葡萄糖和D-甘露糖按1：1.6摩爾比、以β-1,4糖苷鍵連接形成的。魔芋葡甘露聚糖的化學結(jié)構(gòu)魔芋魔芋（Konjac），也叫蒟蒻，為天南星科魔芋屬多年生草本植物，資源十分豐富，主產(chǎn)于長江流域及西南、西北等地。魔芋具有增稠、膨脹、潤滑、懸浮、乳化等特性，已被廣泛的應用于食品、紡織、醫(yī)藥、地質(zhì)、造紙和建筑等各個領(lǐng)域。近年來，在石油和地質(zhì)勘探行業(yè)中，魔芋已作為鉆井液處理劑和油氣水力壓裂液膠凝劑，其實驗性應用取得顯著的成果。田菁田菁（Sdsbaniacnnabina（Retz）Pers）原產(chǎn)于低緯度熱帶和亞熱帶沿海地區(qū)，適應范圍很廣，在我國大部分地區(qū)都能種植生長，特別是沿海地區(qū)產(chǎn)量很大。田菁膠（SesbaniaGum，SG）來源于田菁種子的內(nèi)膠乳，其主要化學組成是半乳甘露聚糖，分子量約20萬左右。田菁半乳甘露聚糖的化學結(jié)構(gòu)化學溶液鉆井液表5-1蒟蒻膠液不同交聯(lián)度時流變特性編號蒟蒻粉濃度(ppm)硼砂濃度(ppm)pH漏斗粘度(s)表觀粘度(×10-3Pa·s)塑粘粘度(×10-3Pa·s)屈服值0.478Pa動塑比流型指數(shù)(n)稠度系數(shù)(K)失水量(ml）13000092511781.140.5520.4863.023000500930141080.800.6170.3445.83300010009461712100.830.6280.4447.04300015009601914100.710.6620.3928.853000200098022.516130.810.6340.58410630002500091202518140.770.6430.58914注：失水量為標準條件下，１個大氣壓,30分鐘的條件下所測得的數(shù)據(jù)。表5-2聚丙烯酰胺化學溶液的若干配方序號組成含量序號組成含量1PHP300～600ppm4PHP1%FeCl3180～369ppmHPAN0.5%～1.0%2PHP500ppm126乳化劑0.1%水玻璃2000～10000ppm硫酸銨或硝酸銨PHP400～600ppm3PHP500～800ppm水玻璃6～8%1.0%～2.2%KCl2000～10000ppm皂化油0.5%～1.0%KOH0～1000ppm聚乙烯醇0.2%～0.3%注：PHP--部分水解聚丙烯酰胺，HPA--水解聚丙烯腈表5-3聚合物溶液流變特性比較聚合物名稱加量(%)流變特性表觀粘度(mPa·s)塑性粘度(mPa·s)動切力(dPa)動塑比蒟蒻0.530.315.5150.892.03田菁*0.543.27.660.5聚丙烯酰胺**0.551.2529213.61.5高粘CMC0.530.52371.850.65低粘CMC0.5109.54.790.10XC-生物聚合物0.513.5579.03.29注：*田菁粉放置時間較久；**聚丙烯酰胺分子量為320×10，水解度為30%。表5-4野生植物膠化學溶液組成和性能序號組成性能蒟蒻(g/L)田菁(g/L)NaOH(g/L)Na2CO3(g/L)FeCl3(g/L)Na2B4O7(g/L)CMC(g/L)水玻璃(ml/L)表觀粘度(mPa·s)塑性粘度(mPa·s)動切力(dPa)失水量(ml/30min)150.20.510.58.519.1622.52534523.016.562.316.23510.2161147.926.2440.416.51223.969*541**2591410*注：*為一個大氣壓的失水，**為KaAl（SO4）2。表5-5不同生物聚合物的特性對比名稱溶液中的含量%溶液性能水CrCl3表觀粘度(mPa·s)靜切力1min/10min(dPa)失水量(ml)pHXC—生物聚合物（美國）99.6—12.515/15＞508.299.40.232.0100/1889.09.0柯爾疆（Кедцан）99.6—1110/10＞508.099.50.236.0102/12012.09.6克薩當（Ксантан）99.6—12.53/3＞507.399.40.23678/93129.25伊斯克拉·英達斯脫利（ИскраИндастри）99.6—102/2＞508.099.40.23096/10513.59.6ЪП-1（蘇聯(lián)）99.6—100/0＞507.499.40.237105/12613.0—注：溶液中生物聚合物均為0.4%表5-6XC131與XC的性能對比生物聚合物含量%溶液性質(zhì)AVPVYPAV27/AV1312YP/PVXC0.49.127.1242.5512.965.98XC1310.411.247.9251.9413.086.56XC0.511.678.0255.8014.406.96XC1310.513.408.9668.2115.687.61XC0.614.269.1076.8816.938.45XC1310.614.919.5580.8416.908.46注：AV--表觀粘度，mPa·s；PV--塑性粘度，mPa·s；YP--屈服值，0.1Pa；AV27和AV1312是RV-2儀剪切速率為27s-1和1312s-1時表觀粘度的比值表5-7水玻璃化學溶液的配方?jīng)_洗液種類組成含量（%）沖洗液種類組成含量（%）硅酸鈉—腐植酸水玻璃2～5硅酸鈉—纖維素水玻璃2～5煤堿劑10～15CMC0.3～0.5磺酸皂1.5～2磺酸皂1.5～2硅酸鈉—磺酸鹽水玻璃2～5硅酸鈉—聚丙烯酰胺水玻璃6～8FLCS2～3PHP（水解度30%）200～400ppm磺酸皂1.5～2皂化油0.3七、聚合醇鉆井液（GlycolDrillingFluids)PEM漿主要由PF-JLX(水基潤滑劑)，PF-WLD(防塌劑)組成。PF-JLX是聚乙二醇低聚物，分子量保持在500～2000左右相宜，是良好的潤滑防塌劑。PF-WLD多元醇聚合物是類硅酸鹽結(jié)構(gòu)的化學劑，具有很好的抑制性，對井壁穩(wěn)定有利。這類鉆井液具有雙保作用(保護井壁，保護油氣層)；PF-JLX，PF-WLD，具有良好的兼容配伍性，它對常用的化學Drispac,Antisol，Polydrill,SPNH,Desco,XC,PAM,DFD等均具有很好的配伍性，能很好發(fā)揮各自作用；PEM漿無熒光，生物毒性達到環(huán)保的要求；PEM具有高溫穩(wěn)定性，可抗粘土侵和鈣鎂離子的污染，在淡水、海水中均可配制?？纱婺壳澳酀{體系中潤滑劑，磺化瀝青，白油和KCl四種處理劑。聚合醇鉆井液典型配方（1）3~3.5%膨潤土漿+0.1~0.4%聚合物包被劑+0.5~1%改性淀粉（或NH4-HPAN）+2~5%JLX。（2）膨潤土海水漿+0.25%低粘聚陰離子纖維素+0.2%高粘聚陰離子纖維素+0.2%80A-51+0.9%NH4-HPAN+3%JLX+2%WLD。八、硅酸鉀－聚合物鉆井液的典型配方與性能(FromSchlumberger)硅酸鹽的模數(shù)為2.84~3.22，加量為2％～5％，采用CMC或改性淀粉、水解聚丙烯腈、腐植酸類產(chǎn)品等作為穩(wěn)定劑，并加入適量的降粘劑，其流變性與濾失性能都比較好控制。

SildrilL（硅酸鹽），10%byVolDuovis（黃原膠），1.25-1.5PPB(0.36-0.43%)Biocide（殺菌劑），0.15PPB(0.04%)KCl，26.0PPB(7.4%)PolypacUL，3.0-4.0PPB(0.86-1.14%)SodaAsh，0.25-0.5PPB(0.07-0.14%)硅酸鹽穩(wěn)定井壁的機理硅酸鹽在水中可形成不同大小的顆粒，顆粒尺寸分布寬，通過吸附、擴散等途徑可堵塞井壁裂縫、孔洞，可抑制泥頁巖膨脹性和分散性。硅酸根在pH值小于9時，與地層水作用，立即變成硅酸鹽凝膠堵塞裂縫孔隙。進入地層的硅酸根離子（SiO32-)與巖石表面或地層水中的Ca2+、Mg2+發(fā)生反應生成CaSiO3沉淀，覆蓋在巖石表面起封堵作用。四、甲酸鹽(formate)鉆井液（1）HCOONa和HCOOK飽和溶液的密度分別為1.34g/cm3

和1.60g/cm3，因而所配制的甲酸鹽鉆井液具有較寬的密度范圍。如需更高密度，還可使用甲酸銫（HCOOCs）鉆井液，其最高密度可達2.3g/cm3。由于不需另添加膨潤土和固體加重材料，因此非常適于配制成無固相或低固相鉆井液與完井液。顯而易見，該類鉆井液與完井液不僅水力特性優(yōu)良，環(huán)空壓耗小，有利于提高機械鉆速，而且對儲層具有很好的保護作用。（2）甲酸鹽與常用的聚合物處理劑具有很好的配伍性，并能減緩多種粘度控制劑和降濾失劑在高溫高壓條件下的水解和氧化降解速度。因此，甲酸鹽鉆井液可抗高溫，并且性能穩(wěn)定。甲酸鹽鉆井液（3）甲酸鹽為強電解質(zhì)，因此甲酸鹽鉆井液對泥頁巖水化膨脹、分散有很強的抑制作用，與儲層巖石和流體的配伍性好，同時抗鹽、抗鈣、抗固相污染的能力也明顯優(yōu)于淡水鉆井液。（4）甲酸鹽水溶液對金屬的腐蝕性很弱，對鉆具和井下設備、材料基本不會造成損害，從而避免了過去使用NaCl、KCl、CaCl2、CaBr2和ZnBr2等鹵化物配制清潔鹽水鉆井液時帶來的腐蝕問題。（5）甲酸鹽的毒性極低，并可生物降解。甲酸鹽鉆井液典型配方

濃度23.2%的HCOONa水溶液+0.15%XC+0.5%JS-3+5%超細CaCO3

常用抗高溫鉆井液體系及其應用

我國抗高溫深井鉆井液技術(shù)的發(fā)展可分為三個階段：鈣處理鉆井液磺化（三磺）鉆井液聚磺鉆井液

磺化鉆井液

以SMC、SMP-1、SMT（或SMK）等處理劑配制而成的鉆井液。由于以上磺化處理劑均為分散劑，因此磺化鉆井液是典型的分散鉆井液體系。20世紀70年代后期，四川