钻井液配方材料性能
石油钻井液的配方设计与性能研究
石油钻井液的配方设计与性能研究石油钻井液是一种较新型的钻井技术，可以提高钻井效率，保障作业安全。
在石油钻井液的使用过程中，配方设计是非常重要的，关系到石油钻井液的性能和使用效果。
本文就石油钻井液的配方设计与性能研究展开讨论。
一、石油钻井液的定义石油钻井液是指在石油钻井中使用的一个特殊的液体，通俗点说就是“液态泥浆”。
石油钻井液的主要作用是冷却钻头、清洗井眼、平衡岩层压力。
二、石油钻井液的分类根据石油钻井液的基础液体，可以将其分为水基钻井液、油基钻井液和气基钻井液三种类型。
1.水基钻井液主要由淡水、盐水和混凝土原浆等组成，优点是环保性和安全性高，但其溶解度较低，其它性能如稳定性、黏度、清洁性比较差。
2.油基钻井液以天然华西冷却液、液化石油气、重质油等液体为基础，其优点是耐高温性好，但其环保性不佳，成本较高。
3.气基钻井液气基钻井液是注入气体（空气、氮等）作为基础，并加入一些助剂调配而成，与其他两种不同，其优点在于不会对储层造成影响，缺点是整体技术成熟度较低。
三、石油钻井液的配方设计石油钻井液的配方设计是非常重要的，一般要考虑到多个方面的因素。
主要包括以下几个方面：1.岩层性质钻井过程中遇到的不同岩层需要使用不同性能的石油钻井液。
经过岩层性质分析，再根据钻井参数和井口环境条件，进一步确定合适的配方和配比，使得石油钻井液能够在不同的岩层中表现出最佳的性能。
2.液体性质液体性质主要是指石油钻井液的基础液体的性质和组成，不同的基础液体会影响石油钻井液的性能。
淡水、盐水和混凝土原浆等不同基础液体与其他助剂结合时的不同反应会影响性质参数，如黏度、密度、pH值等。
因此，在配方设计时，需要合理选择基础液体，并针对特定的石油钻井液需求调整组份和配比。
3.加剂选型加剂是指石油钻井液中除基础液体外的助剂，其种类和用量对石油钻井液的性能有显著的影响。
例如，添加聚合物、胶体物质、清洁剂和稳定剂都能改善石油钻井液的性能。
配方设计时，需要针对具体的石油钻井液需求选择适当的加剂，合理调整加剂的比例，以获得最佳的加工效果。
钻井液配浆原材料
第一节钻井液配浆原材料一、粘土类膨润土是水基钻井液的重要配浆材料。
有的主献将膨润土定义为具有蒙脱石的物理化学性质含蒙脱石不少于85%的粘土矿物一般要求1膨润土至少能够配制出粘度为15的钻井液钠膨润土的造浆率一般较高而钙膨润土则需要通过加入纯碱使之转化为钠膨润土后方可使用。
目前我们国将配制钻井液所用的膨润土分为三个等级一级为符合标准的钠膨润土，二级为改性土经过改缍符合标准要求三级为较次的配浆土仅用于性能要求不高的钻井液。
由于无机盐对膨胀润土的水化分散具有一定的抑制作用因此膨润土在淡水和盐水中的造浆率不同，盐水造浆率一般要低一些，将膨润土先在淡水中预水化，然后再加入盐水中可以提高其在盐水中的造浆率。
膨润土在淡水钻井中具有以下作用（1）增加粘度和切力提高井眼净化能力；（2）形成低渗透率的致密泥饼，降低滤失量；（3）对于胶结不良的地层，可改善井眼的稳定性；（4）防止井漏。
有关膨润土的详细内容将在第六章分散钻井液中介绍。
海泡石、凹凸棒石和坡缕缟石中较典型的抗盐，耐高温的粘土矿物主要用于制盐水钻井液和饱和盐水钻井液。
用抗盐粘土配制的钻井液一般形成的泥饼质量不好滤失量较大必须配合使用降滤失剂。
海泡石有很强的造成浆能力用它配制的钻井液具有较高的热稳定性。
此外，海泡石还具有一定的酸溶性（在酸中可溶洞解60%左右），因此，在保护油气层的钻井液中还可用做酸溶性暂堵剂。
在我国由于目前这几种抗盐粘土的矿源相对较少，因此在在钻井液中的应用尚不普遍。
有机土是由膨润土经季铵盐类阳离子表面活性剂处理而制成的亲油膨润土。
有机土可以在油中分散，形成结构，其作用与水基钻井液中的膨胀润土类似。
关于有机土的性能及应用将结合油基钻井液再进行讨论。
二、加重材料1、常用的钻井液加重材料加重材料又称加重剂，由不溶于水的惰性物质经研磨加工制备而成为了对付高压地层和稳定井壁，需将其添加到钻井液中以提高钻井液的密度。
加重材料应具备的条件是自身的密度大磨损性小，易粉碎，并且应属于惰性物质，既不溶于钻井液，也不与钻井液中的其它组分发生相互作用。
常用钻井液材料资料
常用钻井液材料一膨润土类一、组成膨润土是岩浆岩或变质岩中硅酸盐矿物（如长石）风化沉积形成的，其组成为1、粘土矿物：蒙脱石、高岭石、伊利石和海泡石，钻井用膨润土主要粘土矿物为蒙脱石，含量在70%以上。
2、砂子：石膏、石英、长石、云母、氧化铁等含量越小越好。
3、染色物：木屑、树叶及腐质物起染色作用，膨润土有红色、黄色、紫色等不同颜色，就是这个原因。
4、可溶性盐类：碳酸盐、硫酸盐和氯化物等。
二、分类膨润土分为钙基膨润土钠基膨润土和改性膨润土三种。
1、钙基膨润土：造浆率8-12立方米每吨。
2、钠基膨润：造浆率15-18立方米每吨。
3、改性膨润土：通过加入纯碱、烧碱、羧甲基纤维素、低分子量聚丙烯酰胺等无机盐和有机分散剂来提高膨润土的造浆率，达到钠基膨润土性能指标。
三、作用及用途1、堵漏：黄土层漏失、基岩裂隙漏失都需要用来配浆堵漏。
2、护壁：在井壁上形成泥饼，减少钻井液内的水份向井壁渗透，起到保护井壁稳定的作用。
3、携砂：配制一定数量的高比重大粘度的膨润土泥浆定期打入井内，将井内掉块、岩屑顺利携带出井外，保持井内干净。
4、配治塌泥浆：井壁长时间浸泡发生垮塌，常规泥浆仍不能维护井壁时，就要加膨润土以提高比重、切力、粘度达到稳定井壁之目的。
5、配加重泥浆：遇到涌水或高压油气层时，都需在泥浆中加膨润土来平衡地层压力。
6、配完井液和封闭浆：为顺利测井，完钻时需配完钻液；在易塌井段需配封闭浆，这些都需加膨润土。
四、影响膨润土性能的因素1、原矿质量：原矿石蒙脱石含量高低是影响膨润土性能最重要的因素，蒙脱石含量越高，膨润土造浆率相应地就高。
2、粒度：粒度越细造浆率相应的就越高，反之亦然。
3、添加剂：合理地加入分散剂，会明显改善膨润土的性能。
4、水质：膨润土在高矿化度和酸性中水造浆率会明显降低甚至不造浆。
五、简单测试1、造浆率：1吨膨润土配制出胶体率95%以上的泥浆的体积。
如造浆率15立方米每吨，就是在100克水中加6.67克膨润土搅拌30分钟倒入试管（100毫升）中，24小时胶体率在95%以上。
主要钻井液类型
我国各油田主要钻井液类型一、无固相不分散聚合物钻井液●基本组成：聚丙烯酰胺或多元乙烯基共聚物类絮凝剂、无机盐等●特点：絮凝剂可有效地絮凝钻井过程所产生的岩屑。
●典型配方：（1）水+ 0.1~0.3% PHP + 0.1~0.2% CaCl2或0.5~1% KCl（2）水+ 0.07~0.14% CPAM + 0.1~0.3% TDC-15（低分子量有机阳离子）+ 0.2% CaCl2（3）水+ 0.1~0.3% FA-367 + 0.1~0.2% CaCl2或0.5~1% KCl●适用范围：层理裂隙不发育、正常孔隙压力与弱地应力、中等分散砂岩与泥岩互层；已下技术套管的低压、井壁稳定的储层等。
二、低固相聚合物钻井液●适用范围：用于钻进层理裂隙不发育的易膨胀、强分散或不易膨胀、强分散、软的砂岩与泥岩互层；已下技术套管的低压储层等。
1、阴离子聚合物钻井液●基本组成：多元乙烯基共聚物类、水解聚丙烯腈、部分水解聚丙烯酰胺等●特点：高分子量聚合物包被粘土或钻屑，并提供钻井液所需粘度、切力；中分子量和低分子量聚合物用于控制滤失量并控制粘度、切力。
●典型配方：膨润土浆+ 0.1~0.3% KPAM + 0.4~0.5% NPAN2、阳离子聚合物钻井液●基本组成：高分子量与低分子量阳离子聚合物，以及淀粉等●特点：阳离子聚合物具有极强的稳定页岩的能力，即强吸附、强抑制性；配合使用淀粉类处理剂调整滤失造壁性。
●典型配方：膨润土浆+ 0.4% SP-2（阳离子聚合物）+ 0.4% CSW-1（低分子量有机阳离子）+1% 改性淀粉3、两性离子聚合物钻井液●基本组成：高分子量和低分子量两性离子聚合物，有时配合加入阴离子聚合物●特点：利用聚合物中的阳离子基团增强体系的抑制性，同时大量的阴离子、非离子基团使体系保持稳定。
两性离子聚合物与各种处理剂具有很好的相容性。
●典型配方：膨润土浆+ 0.1~0.3% FA-367 + 0.05~0.2 %XY-27 + 1~3% 磺化沥青类产品三、聚磺钻井液●基本组成：高分子量聚合物（包括阴、阳、两性离子聚合物）、中分子量聚合物降滤失剂、磺化酚醛树脂类产品和沥青类产品等。
四种常规钻井液配方设计
四种常规钻井液配方及特点
1．不分散聚合物钻井液
主要特点：
(1)密度低，压差小，故钻速快；
(2)亚微米颗粒的含量较低，在10%以内，而分散钻井液可达70%以上；
(3)高剪切速率下的粘度较低，故钻速快；
(4)具有较强的携砂能力。
该类钻井液触变性较好，剪切稀释特性较强。
(5)可保持井眼的稳定性。
(6)可保护油气层，减轻损害。
表1 不分散聚合物钻井液配方与性能
2．钾基钻井液
主要特点：
(1)对水敏性泥岩、页岩具有较好的防塌效果；
(2)抑制泥页岩能力较强；
(3)钻井液细颗粒含量比较低，对油层的粘土矿物起稳定作用；
(4)分散型钾基钻井液有较高的固相容度限。
表2 钾基钻井液配方及性能
3．分散钻井液体系
表3 分散型三磺钻井液推荐配方及性能
4．钙处理钻井液
表4 石灰钻井液推荐配方及性能
表5 石膏钻井液配方及性能
根据不同的要求选择不同的钻井液，各有特点。
钻井液材料功能
不分散泥浆降粘、降失水
BaSO4
重晶石粉
加重剂
CaCO3
石灰石、消泡剂
加重剂、消泡剂
NaOH
烧碱
调整泥浆PH值
Na2co3
纯碱
钙质土改性剂、除钙调PH值
KOH
氢氧化钠
用于钾基泥浆PH值调整
CaCL2
氯化钙
水泥促凝剂、抑制剂
NH4-HPAN
胺盐
降粘、降切力
CaCO3
超细碳酸钙
降失水、堵漏
K-PAN
HN-1
改性石棉
用于低固相、无固相泥浆、提高动切力
NaC
腐植酸钠
降失水、降粘
SiALHm
硅铝腐植酸
稀释、降失水
GWJ
硅油稳定剂
稀释降失水、抑制页岩膨胀
HA-树脂
高温降滤失剂
降失水、改善泥饼质量
PSP
阳离子磺甲基酚醛树脂
降失水、防塌
SF-150
中深井降粘剂
降粘
SF-260
有机硅氟抗高温降粘剂
降粘
KH-931
无荧光防塌降滤失剂
防塌降滤失
NaT
单宁酸钠
降失水、降粘、降切
FCLS
铁鉻木质素磺酸盐
降粘、降失水、降切
SMK
磺化栲胶
降失水、降切、抗高温
SMC
磺化褐煤
降粘、降失水、抗高温
常用泥浆处理剂名称及功用
代号
名称
功用
备注
T-SK
高温降粘剂
浆粘、降失水、抗高温
XB-40
低聚物降粘剂
不分散泥浆降粘、降失水
BaSO4
泥浆材料功能
序号
常用钻井液配方
气体是连续介质，液体是分散相的分 散体系。在井内水量较多的情况下，原用 的空气循环钻井转变为这种循环体系。 钻井泡沫 分散相是大量气体、连续相是少量液 体构成的分散体系。
它在悬携
岩屑能力等诸多方面比空气钻井优越。 充气钻井液 在钻井液中加入发泡剂、稳泡剂，经 剧烈混合后形成大量微小泡沫高度分散在 钻井液中的低密度钻井液体系。
聚合物起的作用是：
增粘或增稠。聚合物的分子量愈大， 则溶液的粘度愈高。 降滤失。聚合物通过与无机盐的适度 交联可降低溶液的滤失量。 为降滤失常加入中小分子的聚合物，如 CMC，HPAN等。
絮凝作用。聚合物如聚丙烯酰胺等对 混进溶液的岩屑有较好的絮凝作用，使溶 液在使用过程中能维持无固相或尽量低的 固相含量。 防塌作用。聚合物与无机盐一起，通 过多点吸附架桥，化学活度平衡等在孔壁 上成膜而对孔壁起抑制防塌作用。
1、剪切稀释性：
表观粘度随剪切速率增大而降低的特 性。 原因是，环形空间：γ低，η a大，有利于携 带钻屑；钻头水眼： γ 大，η a小，有利于 水力破岩 。
2、清水应用领域： 在稳定性很好且不漏失的岩石中钻进，不用 钻井液而用清水作为钻井液； 在一些漏失严重地层中，当地表水源非常丰 富时，用清水顶漏钻进，这对用其它钻井液来说 是不可能的； 在一些富含粘土的地层中钻井，清水水化井 壁地层而形成自然造浆，若井深不大，钻井期间 不会明显垮孔，则用清水自然造浆是最为经济有 效的措施。
2.配方
3.技术关键
1）使用少量高分子聚合物KPAM(或 PMNK、80A51、SP-2、FA-367等)作为抑 制剂，增强体系的抑制性，抑制泥页岩层 层理裂缝水化分散。 2）使用磺化沥青FT-1填充、封堵、涂 敷层理面及微裂缝，巩固井壁，抑制 泥页 岩水化分散。
四种常规钻井液配方设计
四种常规钻井液配方及特点
1．不分散聚合物钻井液
主要特点：
(1)密度低，压差小，故钻速快；
(2)亚微米颗粒的含量较低，在10%以内，而分散钻井液可达70%以上；
(3)高剪切速率下的粘度较低，故钻速快；
(4)具有较强的携砂能力。
该类钻井液触变性较好，剪切稀释特性较强。
(5)可保持井眼的稳定性。
(6)可保护油气层，减轻损害。
表1 不分散聚合物钻井液配方与性能
2．钾基钻井液
主要特点：
(1)对水敏性泥岩、页岩具有较好的防塌效果；
(2)抑制泥页岩能力较强；
(3)钻井液细颗粒含量比较低，对油层的粘土矿物起稳定作用；
(4)分散型钾基钻井液有较高的固相容度限。
表2 钾基钻井液配方及性能
3．分散钻井液体系
表3 分散型三磺钻井液推荐配方及性能
4．钙处理钻井液
表4 石灰钻井液推荐配方及性能
表5 石膏钻井液配方及性能
根据不同的要求选择不同的钻井液，各有特点。
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1、聚丙烯酰胺钾盐 K-PAM 又称之为聚丙烯酸钾，产品为白色或淡黄色末状，是一种含羧钾聚丙烯酰胺衍生物，是很强的抑制页岩分散剂，具有控制地层造浆的作用并兼有降失水、改善流型及增加润滑性等功能。
在钻井液中包被、提粘，使用于各种泥浆体系，有较好的防塌作用。
它能改善井液的流变性并能有效地包被钻屑，抵制地层造浆，钾离子的存在，能防止软泥。
岩和硬脆性泥液岩的水化和剥落，起到稳定井壁的作用，具有较好的降失水作用，与其它处理剂配伍性好，
2、PAC—141是一种新型泥浆处理剂。
可适用于各种水基泥浆体系,具有改善泥浆流型、提高剪切稀释能力、降低失水量、控制钻屑分散、稳定井壁、调节泥浆粘度和胶体稳定性等作用。
3、NH4-HPAN是淡黄色粉末，具有一定的抗温和抗盐能力。
并且具有耐光、耐腐蚀的功能，由于NH4+在页岩中的镶嵌作用，具有一定的防塌效果。
该产品有较强降低钻井液降滤失量和高温高压滤失量，抗温能力强，抗热稳定性好等作用，具有一定的抑制粘土水化和防塌能力，同事具有较好的抗盐以及抗污染的能力。
4、聚合氯化铝是一种无机高分子混凝剂，由于氢氧根离子的架桥作用和多价阴离子的聚合作用而生成分子量较大、电荷较高的无机高分子水处理剂。
其混凝作用表现如下：a、水中胶体物质的强烈电中和作用。
b、水解产物对水中悬浮的优良架桥吸附作用。
c、对溶解性的选择性吸附作用。
5、 XY27在钻井液中用作降粘剂（或叫絮凝剂）。
在它的分子链中引入了一定比例的阳离子、阴离子、非阴离子官能团。
由于阳离子基团的存在，大大提高了XY27抑制泥页岩分散、膨胀的能力，并能提高钻井液体系的抑制性。
因此，XY27不仅能显著降低钻井液的粘度，而且能使钻井液的粘度保持稳定，表现出较强的抗岩屑污染能力。
6、氢氧化钠是白色的固体，极易溶解于水，呈碱性，可用于调节泥浆ph值。
7、高效润滑剂RH-3是专为钻井润滑设计的复合型润滑剂，添加到钻井液中可明显提高其抑止性和润滑性，添加本品后钻探阻力小，进尺快，可防止缩径泥包钻头、压差卡钻，有利于提高钻进效率，防止井塌，延长钻头寿命。
⑴高润滑性，润滑系数降低率可达80%以上。
⑵优良的抗磨性和极压性能。
⑶抗高温，可在250 ℃以上应用。
⑷高安全性，闪点在80℃以上，一般工作环境中无燃爆危险。
⑸绿色环保，本品无毒，可生物降解，环境友好。
⑹与基浆配伍性好，膨润土产地、性能的变化不影响润滑效果。
⑺分散性好，在浆体中分散均匀，润滑平稳。
8、磺化沥青是棕褐色易碎薄片或流动性粉末，由于含有磺酸基，水化作用很强，当吸附在页岩界面上时，可阻止页岩颗粒的水化分散起到防塌作用。
同时，不溶于水的部分又能填充孔喉和裂缝起到封堵作用，并可覆盖在页岩界面，改善泥饼质量。
磺化沥青在钻井液中还起润滑和降低高温高压滤失量的作用，1是一种堵漏、防塌、润滑、减阻、抑制等多功能的有机钻井液处理剂。
2、润滑减阻，降低钻具的提升能力和扭距延长钻头使用期，预防和解除卡钻；3、形成薄而坚韧的泥饼强化井壁。
控制高温失水；4、控制泥浆的高温剪切强度；5、可与其它泥浆处理剂复配使用。
推荐加量1-6%。