双聚泥浆在煤田勘探钻孔中的应用.docx

双聚泥浆在煤田勘探钻孔中的应用.docx

《双聚泥浆在煤田勘探钻孔中的应用.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《双聚泥浆在煤田勘探钻孔中的应用.docx（9页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

双聚泥浆在煤田勘探钻孔中的应用

双聚泥浆在煤田勘探钻孔中的应用

双聚泥浆在煤田勘探钻孔中的应用

　　摘要

　　阐述了不分散低固相体系PHP-HPAN双聚泥浆的功用、组成、指标及其工作原理和调配，以及在河南煤田勘探中的应用实例。

　　关键词：

不分散低固相体系；双聚泥浆；河南煤田；工程实例；

　　中图分类号：

P634.6文献标识码：

A

　　前言

　　在煤田勘探过程中由于地层复杂，钻孔深度大，孔内事故（如坍塌，掉块，缩径，漏失，卡钻等）比较频发，所以对泥浆的要求比较严格，既要保证工程质量和效率，同时也要降低成本和工人的劳动强度。

本文比较全面的介绍的不分散低固相体系的双聚泥浆的功用，性能指标，优点，以及各个组成的工作原理和作用，同时还介绍了泥浆的调配包括各个组成的用量以及配制方法，还用工程实例证明了双聚泥浆在河南煤田勘探中显示出的优良性能。

　　一、钻井液的功能

　　定义：

钻井液有称冲洗液，广义称循环介质或钻井液体，俗称泥浆，被喻钻井的血液。

　　1、携带并悬浮岩屑，这是钻井液最基本的功用，通过其本身的循环，将孔底被钻头破碎的岩屑携至地面，保持孔内清洁，在接单根，起下钻或因事故停止循环时，能将孔内的钻屑悬浮在泥浆中，使钻屑不会很快下沉，避免沉沙卡钻等事故发生。

　　2、冷却钻头，钻具。

钻头旋转破碎岩层，会产生很多热量，同时钻具不断与孔壁摩擦，也产生热量。

通过泥浆不断循环将这些热量不断吸收，然后带到地面释放到大气中，从而起到了冷却钻头，钻具，延长其使用寿命的作用。

　　3、保护孔壁。

井壁稳定，井眼规则是安全，优质，快速钻进的基本条件，性能良好的钻井液具有良好的造壁的作用，在井壁上形成薄而韧的泥饼稳固已钻开的地层并阻止液相侵入地层，减弱泥页岩水化膨胀和分散的程度。

　　4、冲洗孔底。

钻井液在钻头喷嘴处以极高的速度冲洗孔底，使钻头在孔底始终接触和破碎新地层，避免重复破碎，保证安全，快速钻进。

　　润滑钻具。

由于钻井液的存在使钻头，钻具均在液体内旋转，特别是润滑性能优良的钻井液，将大大降低钻具摩擦的阻力。

　　5、平衡地层压力。

在钻进过程中通过调节钻井液的密度，使液柱压力能够平衡地层压力，防止井塌，井喷，漏失等井下复杂情况的发生。

　　二、双聚泥浆

　　㈠不分散低固相钻井液

　　不分散低固相钻井液是用高分子聚合物处理低粘土含量原浆的产物。

“不分散”是指高聚物凝剂能将泥浆中钻屑和劣质粘土絮凝成团，不分散于钻井液中，“低固相”是指包括粘土和钻屑的固相含量少，因为它固相含量低，密度小，性能优良，也称“优质轻泥浆”。

　　1、不分散低固相钻井液的优点

　　①钻井液密度低，固相含量小，有利于发现油气层，不易压死和堵死油层，同时可以提高钻速。

　　②润滑性能好，可以减轻钻具及设备磨损，并减少卡钻事故；

　　由于剪切稀释能力强，携带岩粉能力强，抑制性好使得孔径规则，孔内事故少；

　　③粘度低，流动性能好，钻头有可能获得较大的水力功率

　　④有利于破碎岩石和清洗孔底；对泥页岩和粘土不起分散作用，可以保持孔壁稳定，并且可以防止粘土污染。

。

（二）不分散低固相钻井液的组成和性能指标

　　不分散低固相钻井液一般由淡水、膨润土和选择性絮凝剂组成（用选择性絮凝剂来提高膨润土原浆的粘度、动切力、并降低滤失量），只在某些特殊情况下才加入一些降滤失剂，但尽量不要使用分散剂因为分散剂不仅削弱聚合物絮凝岩屑（劣质粘降低钻速，因为分散剂的作用是使钻井液能够容纳更多的岩屑，而不能清降岩屑。

　　不分散低固相钻井液的性能指标应满足：

　　1．钻井液中总固相含量应维持在4%（体积）以下。

　　2．岩屑和膨润土的比例应不超过2：

1;

　　3．动/塑比值应为0.36～0.48。

　　4．动切力保持在1.5～2.9帕能有效的携带岩粉，若超过2.9帕不仅不能提高携带岩粉的能力，而且不能发挥钻头水力因素来提高钻速，同时易产生压力激动，对在地面清除岩屑也不利。

　　5．滤失量应从孔壁稳定和钻速考虑。

　　6．PH值应控制在7～8.5之间。

　　7．钻井液密度小于1.08㎏/L。

　　（三）不分散低固相钻井液的工作原理

　　1．有机高聚物的絮凝原理

　　有机高聚物，由于高分子链节上吸附粘土颗粒，并通过“桥联”作用联结起来，最后絮凝成团并沉淀，分子量越大的高聚物，絮凝作用越明显，絮凝作用可分为全絮凝和选择性絮凝，选择性絮凝又可分为增强型和非增强型。

　　2．不分散低固相钻井液工作原理

　　如前所述，不分散低固相钻井液具有絮凝作用和很好的防塌作用，防塌的原理是：

长链聚合物在泥页岩表面上发生多岩吸附后粘附在孔壁的微裂缝上，可以阻止泥页岩的剥落，同时HPAM或PAN的浓度较高时，在泥页岩孔壁表面上形成较致密的吸附膜，可以降低液相进入泥页岩的速度，对泥页岩水化起到一定的抑制用用，再者，水溶性长链高聚物在钻井液中的浓度达到一定数值后，钻井液成为假塑性流体，在层流时，表现粘度随着剪切速率的增大而降低，高聚物浓度越高，N值越小，动/塑比值越大，剪切稀释能力越强，流速剖面的平板化程度也就越大。

　　三、双聚泥浆各组成成分的机理与作用

（一）水解聚丙烯腈（代号HPAN）

　　水解聚丙烯腈是腈伦废丝废布等经碱水解反应后的白色粉末产物，密度1.14～1.15g/cm3，平均分子量12.5万～20万，其水解反应为：

　　腈基（-CN）和酰胺基（一CONH2）的存在有利于该共聚物在粘土颗粒上的吸附，可与羧钠基（-COONa）的水化作用相配合，在配制水解聚丙烯腈时，可稍加一点烧碱（聚丙烯腈：

烧碱=1～2.5：

1）以保留一部分腈基和酰胺基，实践表明，聚丙烯腈完全水解时其降滤失性能有所下降，用作降滤失剂的水解聚丙烯腈，水解度为60%左右，水解聚丙烯腈除降滤失作用外，还具有好的抗温（达240～250℃）、抗盐能力，但抗钙能力较弱，且有一定的絮凝和抗菌作用，加量一般取0.2%～1%。

（二）水解聚丙烯酰胺（代号PHP或HPAM）

　　1．水解聚丙烯酰胺是PAM在一定温度下与一定量的NaOH溶液进行水解反应的产物，水解产物是聚丙烯酸钠和聚丙烯酰胺的共聚物，水解度越大，表示聚丙烯酸钠含量越大，水溶性也越好，PHP有粉状和胶状两种，水解度一般为5%～3%，主要用作不分散低固相水基钻井液的絮凝剂，并兼有改善钻井液流变性能，降低摩阻等效能，水解度30%时，选择性絮凝效果最好。

　　2．水解聚丙烯酰胺的防塌机理

　　部分水解聚丙烯酰胺分子链中含有羧钠基（-COONa）和酰胺基（-CONH2），酰胺基（-CONH2）吸附在孔壁上而羧钠基（-COONa）的水化，其周围带有一定水化半径的水化膜，在水化膜压力的作用下，水化后的羧钠基（-COONa）将使形成致密的吸附膜，当同类分子间的距离较远时，分子间以吸引力为主，距离较近时，分子间以排斥力为主，部分水解聚丙烯酰胺分子中的羧钠基（-COONa）在分子力的作用下，产生聚集，使体系成膜的强度大，密实性高，防塌能力比较强，成本低，良好的环境相容性。

　　3．钠羧甲基纤维素（Na-CMC）有低粘、中粘及高粘三种产品，它是一种良好的降滤失剂，同时还具有一定的抗盐、抗钙和抗温能力（抗温130～140℃），也可作增粘度剂。

　　4．腐植酸甲，加量3%左右可提高钻井液的分散度，降低滤失量和稀释作用。

　　四、双聚泥浆的配制

　　㈠钻井液配制的计算

　　1、钻井液的配制的计算

　　Vr1（r2-r）

　　W=——————（kg）

　　r1-r

　　式中：

r1—粘度密度（2.2～2.6）；

　　r2—所配钻井液的相对密度；

　　r—水的密度（淡水为1.0，海水为1.03）；

　　V—所需钻井液量（l）

　　2、配制钻井液所需水量V1

　　W

　　V1=V－——（l）

　　r1

　　3、降低钻井液相对密度所需加水量V1

　　V（r5-r6）

　　V1=—————（l）

　　r6－r

　　式中：

r6—加水稀释后的钻井液相对密度

　　4、钻井液中所需化学处理的配制与用量

　　①无机、有机处理剂用量的计算，无机处理剂加水量一般按干粉量计算，然后配成一定浓度的水溶液，如用纯碱或烧碱对粘土进行改性时，应按粘土质量计算其用量，例如，用6%的纯碱处理钙膨润土，即每100g钙膨润土中应加6g纯碱。

　　有机处理剂的加量（如钠羧甲基纤维素，腐植酸钾、腐植酸钠，铁羟盐，聚丙烯酰胺等）是按钻井液体积百分比计算出干粉的用量，有些处理剂（如钠羧甲基纤维素、聚丙烯酰胺等）应将计算出的干粉用量事先配成一定浓度的水溶液，再加入钻井液中。

　　②钠羧甲基纤维素配制时将纤维素（棉花花短纤维，甘蔗纤维）置于烧碱液中浸沧，度为碱纤维素后，再经氯醋酸酸醚，化可得羧甲基纤维素（CMC）,醚化过程中同时加入烧碱或纯碱液，即可得Na-CMC也可直接从市场购买成品。

　　Na-CMC的两个重要指标是聚全度（n）各取代度（x，醚化度）它们对产品的水溶性、粘度和降失水效果均有较大影响。

　　聚全度即分子链数的大小，由于制造时纤维素链节断裂，使Na-CMC聚合度比原来纤维素的低处理泥浆的Na-CMC的聚合度范围在200-600（即分子量4.5-13.5万）之间。

聚合度越高，则其水溶液粘度越高，以此来区分Na-CMC的高、中、低三种粘度的工业产品，一般以浓度为2%的Na-CMC溶液粘度为标准粘度产品为08-1.2Pa.S以上，中粘度0.3-0.6Pa.S，低粘度为0.01-0.03Pa.S。

　　取代度是每个环式葡萄糖链节上的羧甲基的数目，取代充一般在0.5-0.85之间，它是决定Na-CMC水溶性的主要因素。

取代度大于0.5才溶于水，其值越高水溶性越好。

　　用Na-CMC处理泥浆时加入量要达到0.06%-0.1%以上，淡水泥浆用Na-CMC降失水时，其加入量为泥浆产量的0.5%以下。

　　现场使用Na-CMC时，最好先配成浓度2-3%的水溶液，随时用随时加入。

　　③纯碱，纯碱易溶于水，在40℃时溶解度最大，水溶液呈强碱性，泥浆中加纯碱，可使其中的钙离子多碳酸钠中的碳酸根作用于，置换出钠离子，同进，产生不溶于水的碳酸钙沉淀，消除了粘土中钙离子对泥浆的有害作用。

此外，在泥浆中加入少量纯碱，能使粘土颗粒的湿润性变好，就是在粘附着的两个粘土颗粒这间形成薄的水膜，使粘土颗粒分散性好，泥浆中的细粒增多碳酸钠加量的不同，引起泥浆性能的变化也不同，失水量由大变小再变大，粘度、静切力由小变大再变水，最后趋于不变，因此，纯碱的加入量必须严格控制。

　　5、烧碱

　　烧碱又叫火碱，苛性钠，它的化学名称叫氢氧化钠，分子式是NaOH，分子量40。

　　纯品为无色透明晶体，工业固体烧碱量乳白色常温下相对密度2.0-2.2，能溶于等量的水中，呈强碱性酸碱值12.6，易吸潮，从空气中吸收二氧化碳，变为碳酸钠烧碱浓溶液及固体能侵蚀皮肤和衣物，使用时应戴防护眼镜及胶皮手套，不同漫度下烧碱在水中的溶解度如表3

　　表3不同温度下烧碱在水中的溶解度

　　从表中可见，即使在常温下，烧碱的溶解度也是很大的工业烧碱除固体外，还有液体烧碱，烧碱是调节泥浆PH值，最常用的药剂，同时，也用它来配制单宁酸钠、腐殖酸钠及进行水解等用在现场，有时单独用烧碱液处理泥浆调节PH值。

　　粘土：

水：

纯碱：

HPAN：

HPAM=1：

20：

0.06:

0.1:

0.1-0.2用上述配方处理的泥浆，其性能为，相对密度1.06，失水量8.5ml/30min，胶体率100%，PH值7.5-8调节粘度时利用Na-CMC增粘同时降失水，利用腐殖酸钾来防塌、降粘、降滤失，根据情况的需要调节用量。

　　㈡钻场制造泥浆的方