钻井液流变性能测试实验（钻井液流变性能测试实验视频）

本篇文章给大家谈谈钻井液流变性能测试实验，以及钻井液流变性能测试实验视频对应的知识点，希望对各位有所帮助，不要忘了收藏本站喔。 今天给各位分享钻井液流变性能测试实验的知识，其中也会对钻井液流变性能测试实验视频进行解释，如果能碰巧解决你现在面临的问题，别忘了关注本站，现在开始吧！

本文目录一览：

• 1、钻井液性能测试方面？ 详细的!
• 2、试验仪器与评价方法
• 3、松软煤层钻进用可降解钻井液的试验研究
• 4、为什么测试钻井液流变参数要由高速至低速依次测量
• 5、煤层气低密度钻井液技术研究
• 6、乳液聚合物在正电性钻井液体系中的应用

钻井液性能测试方面？ 详细的!

按API规定常检测的钻井液性能包括：密度、漏斗粘度、塑性粘度、动切力、静切力、API滤失量、HTHP滤失量、Ph值、碱度、含沙量、固相含量、膨润土含量、和滤液中各种离子浓度等。一、 钻井液密度
钻井液的密度是指单位体积钻井液的质量，常用g/cm3
二、 钻井液的流变性
钻井液的流变性是指钻井液流动和变形的特性。参数：塑性粘度、动切力、漏斗粘度、表观粘度和静切力等钻井液的重要的流变参数。
三、 钻井液的造壁性
在钻井过程中，当钻头钻过渗透性地层时，由于钻井液的液柱压力一般总是大于地层孔隙压力，在压差作用下，钻井液的液体便会渗入地层，这种特性常称为钻井液的滤失性。在液体发生层滤的同时，钻井液中的固相颗粒会附着并沉积在井壁上形成一层泥饼。
四、 钻井液的PH值
用钻井液的PH值表示钻井液滤液的酸碱性。
五、 钻井液的含沙量
钻井液的含沙量是指钻井液中不能通过200目筛网，及粒径大于74μm的沙粒占钻井液总体积的百分数。
六、 钻井液的固相含量
钻井液的固相含量通常用钻井液中全部固相的体积占钻井液总体积的百分数来表示。

试验仪器与评价方法

7.3.1 主要试验仪器

1）六速黏度计：用于常温条件下泥浆流变性测定。

2）API滤失量测定仪：用于常温条件下泥浆滤失量测定。

3）高温滚子炉：用于高温条件下泥浆养护。

4）高温高压滤失仪：用于高温条件下泥浆滤失量测定。

5）Fan50高温流变仪：用于不同温度下泥浆的流变性测定。

6）高温高压页岩膨胀试验仪：测定高温高压条件下钻井液的抑制性能。

7.3.2 试验条件确定

（1）最高试验温度确定

试验温度主要依据钻井液在孔内的温度变化、可能遭遇的最高温度及实验仪器本身的测试能力来确定。钻井液所遭受的最高温度应是钻井液在井内长时间静置后所导致的，但一般不超过井底温度的80%。按此计算，钻井液的最高测试温度不应低于210℃。从测试仪器看，高温老化仪器的极限温度为260℃，实际使用温度不超过240℃；高温高压滤失仪的极限温度为260℃，但实际使用温度不超过230℃（试验过程中已遭遇多次由于加热套（或釜体）变形，导致养护釜无法从加热套中取出）。高温流变仪Fan50的极限测试温度为260℃。综合考虑，高温养护温度最高为230℃，高温高压滤失量最高试验温度为230℃，高温流变性最高试验温度确定为240℃。

（2）温度范围确定

钻井液在井内循环过程中温度变化规律为由低到高，然后又逐渐降低；长时间静止时钻井液的最高温度点是在孔底。因此高温流变试验所选择的试验温度为30～240℃，级差为30℃。

（3）老化时间确定

对钻井液进行高温老化试验，一般情况下高温老化时间为16h，但考虑提下钻作业、设备维修、测井等特殊情况下，钻井液可能需要高温长时间静置，同时考虑老化仪器的安全性，最多老化时间为72h。

7.3.3 评价内容与试验程序

1）常温条件下钻井液流变性能及API滤失量的测定，考察钻井液常温条件下的性能，并作为高温后性能对比的依据。按API标准测定程序测定。

2）测定钻井液高温老化后钻井液的流变性能及API滤失量，考察钻井液经过特定时间高温老化后钻井液的性能。试验程序按API标准测试程序测定。

3）高温高压滤失量测定：为了更好与孔内条件相吻合，试验浆采用经过高温老化后的钻井液。试验程序按API标准试验程序执行。

4）钻井液高温流变性试验：采用Fann50高温高压流变仪，试验浆采用高温老化后的钻井液，最高试验温度为240℃，最低试验温度为30℃，级差为30℃。试验温度由低到高，然后停止加热由高到低，记录试验数据，并绘制黏度、塑性黏度等流变参数曲线。

5）钻井液抑制性试验。采用高温老化后的钻井液，测定其在常温常压及高温高压下的抑制性能。试验用岩心采用天然钙膨润土压制，用蒸馏水做空白对比样。

松软煤层钻进用可降解钻井液的试验研究

蔡记华1 谷穗2 乌效鸣1 刘浩1 陈宇1

(1.中国地质大学(武汉)工程学院 湖北武汉 430074 2.中国地质大学武汉江城学院 湖北武汉 430200)

摘要:松软煤层中的钻进护孔技术是目前煤矿瓦斯抽采利用中亟待解决的技术难题之一。论文首先在理论上分析了可降解钻井液的护孔作用机理和生物降解作用机理，并通过流变性测试、滤饼清除实验和煤岩气体渗透率测试等方法对其性能进行了综合研究。结果表明:可降解钻井液的降解性能人为可控，能适合煤矿井下作业环境;生物酶降解加盐酸酸化的双重解堵措施可有效地清除可降解钻井液对煤层气储层的伤害，并能恢复甚至提高煤岩气体渗透率(增幅在15.47%～38.92%之间)。研究成果可以解决松软煤层瓦斯抽采孔钻进工作中护孔与储层保护的矛盾问题，也可为煤层气垂直井、水平井和分支井的钻井工艺优化与产能提高提供重要的理论和技术基础。

关键词:松软煤层 瓦斯抽采 可降解钻井液 护孔 储层保护

基金项目: 国家自然科学基金项目 ( 40802031、41072111) 。

作者简介: 蔡记华，1978 年生，男，湖北浠水人，博士、副教授，从事钻井液与储层保护方面的教学和研究工作，电话: 027 67883142，E mail: catchercai@126. com。

Experimental Research on Degradable Drilling Fluid for Drilling in Unconsolidated and Soft Coal Seam

CAI Jihua1，GU Sui2，WU Xiaoming1，LIU Hao1，CHEN Yu1

( 1. Engineering Faculty，China University of Geosciences，Wuhan 430074，China; 2. Jiangcheng College，China University of Geosciences，Wuhan 430200，China)

Abstract: Technologies needed to stabilize the wellbore are among the most urgent problems that require be- ing resolved in the drainage and exploitation of coalmine methane ( CMM) from unconsolidated and soft coal seams. In the first，the paper theoretically analyzed the borehole maintaining and biodegradation mechanisms of degradable drilling fluid. Then systematical study on its performance were carried out by utilizing rheology tests， mud cake remove tests and coal rock gas permeability tests. Results show that the degradation properties of degrad- able drilling fluid were controllable and it was fit for the coalmine operation environment. Furthermore，complex unplugging technologies employing enzymatic degradation plus acidification by HCl was effective in removing the damage caused by mud cakes of degradable drilling fluid and resuming the gas permeability of coal rock or even en- hance it by a ratio between 15. 47% and 38. 92% . Technological achievements of this paper can help to resolve the contradiction between borehole maintaining and reservoir protection，and also offer powerful theoretical and techni- cal foundation for drilling technology optimization and production capacity enhancement in vertical，horizontal and multi lateral drilling for coalbed methane exploration.

Keywords: unconsolidated and soft coal sea; coalmine methane drainage and exploitation; degradable drill- ing fluid; borehole maintain; reservoir protection.

1 可降解钻井液的提出

根据抽采对象的不同，可将煤矿瓦斯抽采分为本煤层瓦斯抽采、邻近层瓦斯抽采和采空区瓦斯抽采［1］。由于我国地质构造条件复杂，成煤时代多，煤矿区分布广，煤储层特征差异大。简单起见，可划分为正常煤体结构的硬煤层和构造发育的松软煤层两种典型类型。对于松软煤层，由于煤与瓦斯突出、煤层松软、机械强度低等原因，采用清水或空气等常规排粉钻进方式时易出现塌孔、卡钻或喷孔等问题，打钻成孔困难，瓦斯抽采效率低。松软煤层的煤层气开发是我国煤层气产业化面临的最严峻的挑战之一［2～4］，在此类煤层中钻进护孔技术是目前亟待解决的技术难题之一［5～6］。

为达到较好的护孔效果，通常在钻井液中添加纤维素、胍尔胶和生物聚合物等聚合物。纤维素和胍尔胶等起到增粘、降低摩阻和润滑作用以保持井壁稳定，而生物聚合物可以增强钻井液在水平井段内的岩屑悬浮能力。尽管这类钻井液对储层的伤害比传统泥浆要小，但还是会在井壁上形成了低渗透的滤饼。滤饼的不充分降解会极大地影响井壁的流动能力，结果是显著降低生产井的产量。因此，特别是在松散地层和高渗透性地层中，必须清除渗滤到地层中的钻井液以及沉积在井壁上的滤饼，以实现产量最大化。

近年来，针对松散地(储)层钻进中护孔和储层保护的矛盾，我们提出了一种环境友好的可降解钻井液的研究思路［7～11］:在钻进时能保持孔壁稳定，而在钻进工作结束后，钻井液能在生物酶和无机酸作用下实现降解、粘度下降，先前形成的滤饼破除、产层流体的流动性增强、恢复地下流体资源解吸扩散通道，达到提高地下流体资源产量效果的目的。

本文在上述研究基础上，在理论上分析了松散煤层钻进用可降解钻井液的护孔作用机理和生物降解作用机理，并通过流变性测试、滤饼清除实验和煤岩气体渗透率测试等方法对可降解钻井液的性能进行了综合研究。

2 可降解钻井液的作用机理

2.1 可降解钻井液的护孔作用机理

可降解钻井液主剂由粘土稳定剂(如KCl)、水溶型或酸溶型架桥粒子/加重剂(一般为细粒CaCO3或无机盐)、降滤失剂(主要是天然植物胶如淀粉或纤维素或胍尔胶)、流型调节剂(如生物聚合物XC)等组成，这些处理剂共同起到增粘和降低摩阻作用;当钻进结束后，加入能降解各种聚合物的生物酶破胶剂［12～15］和能溶解细粒CaCO3无机酸(通常是15%的HCl［12，14］)或有机酸［13，16］来清除聚合物滤饼(主要由聚合物和CaCO3组成)对储层渗透性的伤害。下面分别阐述各种处理剂的作用机理。

(1)粘土稳定剂可以用来抑制煤岩中粘土矿物遇水后膨胀;

(2)水溶型或酸溶型架桥粒子可以在煤岩表面的孔隙或裂隙孔喉处形成架桥，起到防止钻孔漏失的目的，同时CaCO3或无机盐也可以适当增加钻井液的密度，起到平衡地层压力的作用;

(3)天然植物胶大分子物质相互桥接，滤余后附在孔壁上形成隔膜。这些隔膜薄而坚韧，渗透性极低，可以阻碍自由水继续向煤层渗漏(图1)。同时，这类聚合物钻井液具有良好的包被抑制性，能有效地抑制钻屑分散。另外，这类具有强亲水基团的长链环式高分子化合物易溶于水，形成的水溶液具有较高粘度，可以增强钻孔孔壁表面松散煤粒之间的胶结力，起到加固松软煤层孔壁的效果;

图1 Na-CMC在粘土颗粒上的吸附方式

(4)生物聚合物XC是一种优良的流型调节剂，用它处理的钻井液在高剪切速率下的极限粘度很低，有利于提高机械钻速;而在环形空间的低剪切速率下又具有较高的粘度，并有利于形成平板形层流，可增强钻井液在近水平煤层钻孔中的携岩效果。

2.2 可降解钻井液的生物降解作用机理

所谓降解，是指在物理因素、化学因素或生物因素等的作用下聚合物分子量降低的过程。从实用的角度出发，聚合物降解可分为热降解、机械降解、光化学降解、辐射化学降解、生物降解及化学降解等不同的引发方式［17］。下面以胍尔胶为例，阐述生物酶降解聚合物的作用机理。

胍尔胶属于半乳甘露聚糖类，所用胍尔胶分子主链由β1，4糖甙键将D甘露糖单元连接而成，D半乳糖取代基通过α1，6糖甙键接在甘露糖主链上，沿甘露糖主链随机分布，半乳糖与甘露糖单元之比约为1∶1.6。半乳甘露聚糖特异复合酶可有效地水解半乳甘露聚糖，它由两种O键水解酶组合而成，两种酶的降解机理如图2所示。

第一种O键水解酶是α半乳糖甙酶(蜜二糖酶)，专门作用于半乳糖取代基，可用来水解末端的非还原性αD半乳糖甙键。第二种O键水解酶过去常用来分解胍尔胶分子，在此专门作用于甘露糖主链，这种水解酶被称作β1，4甘露聚糖环内水解酶，可随机水解β1，4D甘露糖甙键［18］。

后续室内实验采用的酶制剂是几种生物酶的复配物。特种酶1号(SE1)以纤维素甙键特异酶和半乳甘露聚糖特异复合酶为主，特种酶2号(SE2)和特种酶4号(SE4)以半乳甘露聚糖特异复合酶为主。

图2 胍尔胶糖甙键特异酶的降解机理

3 可降解钻井液的室内试验

3.1 降粘效果评价

在理论分析基础上，进行了生物酶降解聚合物的室内实验，以钻井液流变参数为主要评价指标，用几种特种酶来降解单一聚合物或复配聚合物。将生物酶分别加入单一聚合物和复合聚合物中，研究生物酶对这些可降解钻井液的降粘效果，将表观粘度(AV)、塑性粘度(PV)和动切力(YP)随时间的变化关系绘制成曲线如图3～图5所示。

图3 胍尔胶钻井液的降粘曲线

3.1.1 单一聚合物钻井液

从图3可以看出，在特种酶SE1的作用下，在48.5h之内，质量浓度为0.5%的胍尔胶钻井液的表观粘度从23.5mPa·s降低到5mPa·s。塑性粘度和动切力也呈现出类似的变化规律。

图4 羧甲基纤维素钻井液的降粘曲线

图5 复配聚合物钻井液的降粘曲线

由图4可以看出，在特种酶SE1的作用下，在48.5h之内，质量浓度为0.75%的羧甲基纤维素钻井液的表观粘度从20.5mPa·s降低到6mPa·s。

由于特种生物酶SE1同时含有纤维素甙键特异酶和半乳甘露聚糖特异复合酶，它对胍尔胶和羧甲基纤维素均有较好的降解效果。

3.1.2 复配聚合物

从图5可以看出，在特种酶SE2的作用下，在46h之内，由质量浓度为0.3%羧甲基纤维素和0.2%胍尔胶组成的复合聚合物钻井液的表观粘度从25.5mPa·s降低到5mPa·s。随着时间的变化，塑性粘度和动切力也按类似的规律下降。

由图3～图5可以看出，在生物酶作用下，聚合物能实现有效的降解，聚合物大分子逐渐断链变成小分子，钻井液粘度降低，在煤储层中的流动性增强，从而恢复煤层气解吸释放的通道。

3.2 滤饼清除实验

实验目的是通过观察可降解钻井液滤饼在生物酶破胶剂(和无机酸)的作用下滤饼表面的变化情况、考察滤饼的解堵效果(结果分别如图6～图7所示)。可降解钻井液的配方如下:

配方1:400ml水+2.6gCMC+4gDFD+4.8gCaCO3+NH4HCl(调节pH)，先后采用0.00625%的SE4溶液和5%HCl浸泡滤饼。

配方2:400ml水+1.6gCMC+8g膨润土，采用0.04%JBR溶液浸泡滤饼。

配方1的滤饼清除实验结果如图6所示，可以看出:单独使用生物酶SE4只能清除该套体系中的CMC(图6b)，而对CaCO3等影响不大。当用5%HCl浸泡2h后，滤饼变得非常薄，说明CaCO3已与HCl充分反应［11］。

图6 滤饼的外观变化图

按照配方2所配制钻井液的滤饼清除实验结果如图7所示。由于这种配方中只有CMC这种聚合物，在用JBR溶液浸泡5h后，可降解钻井液的滤饼已基本降解完全。

图7 JBR作用下可降解钻井液(配方4)滤饼清除情况

3.3 煤岩气体渗透率测试

煤矿井下瓦斯抽放的最终目的就是恢复煤层的渗透率，获得较高的瓦斯抽放量。因此，渗透性的恢复对于可降解钻井液而言是一个更加直接的衡量指标。采用JHGP智能气体渗透率和JHLS智能岩心流动实验仪对可降解钻井液进行渗透性恢复实验，实验步骤详见参考文献［11］。

煤岩气体渗透率测试结果(表1)表明:晋3煤样经过“污染—生物酶降解—酸化”三个阶段，其渗透率表现出“下降—上升—上升”的趋势，而且经过生物酶降解和酸化(也包括之前的加热处理)之后，煤岩的气体渗透率甚至超过了污染前的气体渗透率(如图8所示，推测盐酸亦与煤岩中的方解石和白云石发生反应，增大了煤岩孔隙裂隙)，这也证实了“生物酶降解—酸化处理”的综合解堵工艺是有效的，有利于提高煤层气藏的采收率。

表1 煤岩气体渗透率

注:①下游压力(出口压力)为0.1MPa(即1个大气压);②△K=(K4－K1)*100/K1。

图8 不同处理阶段煤岩平均气体渗透率变化情况

4 结论

论文在理论上分析了可降解钻井液的护孔作用机理和生物降解作用机理，并通过流变性评价、滤饼清除实验和煤岩气体渗透率测试等实验手段对可降解钻井液进行了综合研究，主要得出以下结论:

(1)可降解钻井液的降解性能人为可控，能适合煤矿井下作业环境;

(2)生物酶降解加盐酸酸化的双重解堵措施可有效地清除可降解钻井液对煤层气储层的伤害，并能恢复甚至提高煤岩气体渗透率(增幅在15.47%～38.92%之间);

(3)研究成果可以解决松软煤层瓦斯抽采孔钻进工作中护孔与储层保护的矛盾问题，也可为煤层气垂直井、水平井和分支井的钻井工艺优化与产能提高提供重要的理论和技术基础。

参考文献

［1］王兆丰，刘军.2005.我国煤矿瓦斯抽放存在的问题及对策探讨［J］.煤矿安全，36(3)，29～33

［2］苏现波，王丽萍.2001.中国煤层气产业化的机遇、挑战与对策［C］.瓦斯地质新进展，222

［3］饶孟余，杨陆武，冯三利等.2005.中国煤层气产业化开发的技术选择［J］.特种油气藏，12(4)，2

［4］袁亮.2007.淮南矿区煤矿先抽后采的瓦斯治本技术［J］.中国煤炭.33(5)，5～7

［5］张群.2007.关于我国煤矿区煤层气开发的战略思考［J］.中国煤炭，33(11)，9～11

［6］国家发展和改革委员会.2005.煤层气(煤矿瓦斯)开发利用“十一五”规划［R］

［7］蔡记华，乌效鸣，潘献义等.2004.暂堵型钻井液的试验研究.地质科技情报［J］，23(3):97～100

［8］蔡记华，乌效鸣，刘世锋.2004.自动降解钻井液在水井钻进中的应用［J］.煤田地质与勘探，32(5):52～54

［9］ Jihua Cai，Xiaoming Wu，Sui Gu. 2009. Research on environmentally safe temporarily plugging drilling fluid in water well drilling ［C］ . SPE 122437

［10］ 蔡记华，乌效鸣，谷穗等 . 2010. 煤层气水平井可生物降解钻井液流变性研究 ［J］ . 西南石油大学学报( 自然科学版) ，32 ( 5) : 126 ～ 130

［11］ 蔡记华，刘浩，陈宇等 . 煤层气水平井可降解钻井液体系研究 ［J］ . 煤炭学报，已录用

［12］ Beall，Brian B. ，Tjon-Joe-Pin，Robert，Brannon，et al. 1997. Field experience validates effectiveness of drill-in fluid cleanup system ［C］ . SPE 38570

［13］ Frederick O. Stanley，Phil Rae，Juan C. Troncoso. 1999. Single step enzyme treatment enhances production capacity on horizontal wells ［C］ . SPE 52818

［14］ K. P. O’Driscoll，N. M. Amin，I. Y. Tantawi. 2000. New treatment for removal of mud-polymer damage in multilateral wells drilled using starch-based fluids ［J］ . SPE Drilling ＆ Completion，15 ( 3) : 167 ～ 176

［15］ Hylke Simonides，Gerhard Schuringa，Ali Ghalambor. 2002. Role of starch in designing non-damaging completion and drilling fluids ［C］ . SPE 73768

［16］ R. C. Burton，R. M. Hodge，Ian Wattie，Jane Tomkinson. 2000. Field test of a novel drill-in fluid clean-up technique［C］ . SPE 58740

［17］［德］ W. 施纳贝尔 . 1998. 聚合物降解原理及应用 ［M］ . 科学出版社，180 ～ 187

［18］ 李明志，刘新全，汤志胜等 . 2002. 聚合物降解产物伤害与糖甙键特异酶破胶技术 ［J］ . 油田化学，19( 1) ，89 ～ 92

为什么测试钻井液流变参数要由高速至低速依次测量

泥浆具有剪切稀释钻井液流变性能测试实验的特性钻井液流变性能测试实验，也即高剪切速率下钻井液流变性能测试实验的粘度低于低剪切速率下的粘度。常用的六速旋转粘度计测试泥浆时钻井液流变性能测试实验，一般要求在取浆5分钟以内完成测试工作。如耽搁时间过长钻井液流变性能测试实验，因为泥浆自身触变性的影响，会导致测试的数值偏大（也即粘度偏高），此时需用高速搅拌机充分搅拌（8000r/min×5min）。从高速到低速测试也是出于剪切稀释性的考虑，也即尽量在充分剪切后进行测试工作。反过来，如果以低速往高速测，则由于测试时间过程中泥浆结构强度的恢复会导致高转速下的测试值偏大。尤其是泥浆切力较高时，该现象更明显。

煤层气低密度钻井液技术研究

左景栾1 孙晗森1 吕开河2

(1.中联煤层气有限责任公司 北京 100011;2.中国石油大学石油工程学院，山东东营 257061)

摘要:针对煤储层井壁易坍塌、钻井液易污染煤储层等难题，研发出了中空玻璃微球低密度钻井液体系。该钻井液具有良好的流变性和滤失性，泥饼薄而致密。同时具有很好的抗温性、抗污染性能、防塌性能、沉降稳定性和保护储层作用。在沁南示范区成功进行了1口井的现场试验，有效防止了液体对煤储层的污染。

关键词:煤储层 污染 低密度钻井液 流变性 滤失性 现场试验

Study of Light Weight Drilling Fluid for Coalbed Methane ZUO Jingluan1，SUN Hansen1，LV Kaihe2

( 1. China United Coalbed Methane Co. ，Ltd，Beijing 100011; 2. College of Petroleum Engineering，China University of Petroleum，Dongying 257061，Shandong，China)

Abstract: In view of the collapsibility of borehole face and coal formation pollution resulted from drilling flu- id，this paper researched the light weight drilling fluid，whose density was reduced by adding hollow glass micro- spheres. The study shows that the light weight drilling fluid has good rheological property and filtration property， and its mud cake is thin and tight. Moreover，this drilling fluid has a lot of good properties，such as temperature tolerance，antipollution，anti-sloughing，sedimentation stability and formation protection. This light weight drill- ing fluid has been applied in one well for field trial successfully at QinNan demonstration plot. Good performance on protecting coal formation from pollution has been observed.

Keywords: coal formation; pollution; light weight drilling fluid; rheological property; filtration property; field trial

基金项目: 国家科技重大专项 《大型油气田及煤层气开发》项目 60 “山西沁水盆地南部煤层气直井开发示范工程”( 项目编号: 2009ZX05060) 资助。

作者简介: 左景栾，女，工程师，现在中联煤层气有限责任公司。通讯地址: 北京市东城区安定门外大街甲88 号; 邮编: 100011。Email: zuojingluan@ hotmail. com。

我国煤储层一般具有孔隙压力低、渗透性差、裂隙发育等特点，钻井液侵入易导致煤层污染，影响煤层气的产量。在钻探施工中应根据不同的要求和地层，以节约成本、保证井内安全、保护目的煤层原生结构不受伤害为原则，选用合适的钻井循环介质。

本文针对沁南示范区煤储层井壁易坍塌、钻井液易污染煤储层等难题，研发出了有利于保护井壁稳定、减少储层污染的低密度钻井液体系，并成功进行了现场应用试验。

1 煤储层损害原因与机理研究

对从沁南示范区采回的煤样分别进行了物性参数测试、X射线衍射分析、扫描电镜分析等测试分析，结果表明，煤储层具有低孔、低渗、裂缝发育的特征。同时，煤储层还具有低压力和低含水饱和度的特点。这些特点决定了在钻井完井过程中如果不采取有效措施，储层将受到很大伤害，造成渗透率下降，产量降低。钻井过程中储层损害原因主要有以下方面。

1.1 应力敏感性损害

应力对煤岩渗透率的影响见表1所示。从表1可知，当有效应力升高时，煤岩渗透率急剧下降，表明具有很强的应力敏感性。

表1 煤岩应力敏感性实验结果

1.2 速敏性损害

使用1%标准盐水进行了流动实验，实验结果见表2。由表2可以看出，标准盐水在煤样中的流速增加，渗透率不但不下降，反而有所上升，说明不存在速敏。在流速较大时，实验中观察到有细小煤屑颗粒流出，由于颗粒极小，不足以堵塞渗流通道，反而使煤岩渗透性增加。

表2 速敏性实验结果

1.3 水锁损害

煤层中微孔隙可以看做是无数曲折弯曲的毛细管，而煤层一般是弱亲水的，当外来液体接触煤层时，会产生强烈的吸水作用。液体的侵入对储层渗透率的伤害十分明显。试验表明，当液体饱和度达到10%时，气体渗透率伤害达50%，而当液体饱和度为30%时，气测渗透率几乎降为0。

1.4 固相侵入

煤岩中存在微裂缝，作业过程中固相和液相容易侵入。如果不对此采取有效措施，则固相和液相将大量侵入储层，并且随着后续作业的进行，其侵入量和侵入深度不断增加，造成储层渗透率大幅度降低，严重污染储层。

由于煤储层压力低，裂缝及层理发育，钻井液侵入储层是主要的损害机理，因此应尽量采用低密度钻井液体系，防止钻井液大量侵入储层。

2 保护煤储层的低密度钻井液研究

2.1 密度降低剂的选择

由煤储层损害原因与机理分析可知，压差是影响煤储层损害的重要因素，压差越大煤储层损害越严重。

中空玻璃微球是一种单胞碱石灰硅酸硼类材料，外观为白色粉末，呈化学惰性，抗高温高压，形成的钻井液真实密度低，可降至0.6～1.0g/cm3，工艺简单，风险小，储层保护效果好，完全能满足低压煤层气井及部分欠平衡井的钻、完井施工。该技术的研究应用，将丰富低压煤储层钻井液种类，改变目前煤储层损害较为严重的局面。

2.2 中空玻璃微球性能评价

(1)中空玻璃微球密度

室内对中空玻璃微球样品进行多次测定，得到其真实密度为0.37～0.45g/cm3。

(2)中空玻璃微球粒径大小和分布范围

采用激光粒度仪对中空玻璃微球进行粒度分析，测得90%的中空玻璃微球粒度小于123μm。

(3)中空玻璃微球机械破裂强度与抗压强度

机械破裂强度是指单位体积的中空玻璃微球在机械压力装置下直接受压发生破裂的最高压力，而抗压强度是指在不同恒定温度下，一定浓度的中空玻璃微球在水中承受外压力不发生破裂沉淀的最高压力。对于钻井液来讲，后者的性能反映材料的稳定性，更为重要。中空玻璃微球强度实验结果见表3。

表3 中空玻璃微球强度

由表3可见，中空玻璃微球抗压性能好，在30MPa压力下不破裂。

(4)中空玻璃微球含量与密度关系

分别在自来水中加入不同数量的中空玻璃微球，并测定加入后的液体密度。随着中空玻璃微球含量增大，液体密度降低，40%含量时，密度可降低到0.75g/cm3。

2.3 中空玻璃微球对钻井液性能的影响评价

(1)膨润土浆配制

400ml水+12g膨润土+0.06g纯碱，搅拌20min，老化24h备用。

(2)中空玻璃微球对钻井液性能的影响

图1表明，钻井液滤失量随中空玻璃微球的加入而降低，10%含量之前，滤失量降低最快，10%～30%时，降低速度减慢。

图1 钻井液API失水量与中空玻璃微球含量关系

由图2可以看出，随着中空玻璃微球含量的增大，钻井液的塑性粘度增加，但加量低于30%时，塑性粘度增加幅度不大，加量大于30%时，塑性粘度增加明显。

由图3可以看出，随着中空玻璃微球含量的增大，钻井液动切力增加，加量为40%时，动切力由3Pa增加到近5.1Pa。

经中空玻璃微球水基钻井液污染后的岩心，其最终渗透率恢复率可达95%，而经未加有中空玻璃微球的钻井液污染后的岩心，其最终渗透率恢复率不足60%。因此，中空玻璃微球钻井液有利于保护储层，同时形成的泥饼易于清除。

2.4 中空玻璃微球低密度钻井液研究

(1)单剂筛选

在基浆中加入一定数量的增粘剂，高搅20min后测其室温性能。然后分别在120℃和150℃下老化16h，冷却至室温后再测其性能。所评价的各种增粘剂中DSP2抗温性能较好，在增粘切的同时还具有较好的降滤失作用，故选DSP2为钻井液体系中的增粘剂;LY1无论在常温还是高温老化后都具有很好的降滤失效果，说明其具有较好的抗温性能，可作为钻井液体系的降滤失剂使用;胺基聚醇AP1、硅酸钠、硅酸钾及高浓度的甲酸钠均具有很好的抑制性，胺基聚醇AP1与某些盐配合使用抑制效果更好;封堵防塌剂FF2具有良好的封堵防塌作用;几种表面活性剂能较好的降低界面张力，其中SP80效果最好，且SP80表面活性剂的表面张力随温度变化而变化的幅度不大，说明其具有较好的抗温能力。

图2 钻井液塑性粘度与中空玻璃微球含量关系

图3 钻井液动切力与中空玻璃微球含量关系

(2)钻井液配方研究

①优选钻井液配方及性能

在增粘剂、降滤失剂、抑制剂和表面活性剂确定以后，利用各种处理剂的特性对各种处理剂的用量进行优选优配，以得到既满足钻井工程要求，又利于保护储层的钻井液配方。经过大量实验，优选的钻井液配方及性能见表4。

表4 优选钻井液配方及性能

由表4可以看出，优选钻井液具有良好的流变性能和滤失性能，泥饼薄而致密，API滤失量小于5ml，高温高压滤失量小于15ml。120℃老化16h后钻井液性能稳定，说明具有很好的抗温性。

在优选配方中分别加入不同数量的劣质土粉，优选钻井液污染前后性能稳定，说明其具有良好的抗污染性能。

优选配方回收率远大于清水回收率，线膨胀量远小于清水线膨胀量，说明优选配方能有效抑制泥页岩水化膨胀分散，具有很好的防塌性能。

②封堵性能评价

由表5可以看出，优选配方对不同渗透性砂层均具有较好的封堵效果。

表5 砂层封堵实验数据

③沉降稳定性评价

实验结果表明，优选配方高温的沉降稳定性很好，静置48h后，钻井液的上下密度差仅为0.02g/cm3。

④钻井液保护储层性能评价

从表6可以看出，岩心的渗透率恢复率较高，说明优选钻井液具有很好的保护储层作用。

表6 渗透率恢复实验

3 钻井液现场试验研究

在室内理论和实验研究的基础上，在沁南示范区进行了1口井的现场试验研究。

3.1 试验井基本情况

试验井完钻井深690.00m，完钻层位:石炭系太原组，目的煤层为二叠系下统山西组3#煤层(639.00～645.00m)。

3.2 现场试验

现场试验配制钻井液密度为0.95g/cm3，粘度为55Pa·s，pH值8。从井深为590m开始，一直使用该钻井液到该井完钻为止，施工顺利。

现场试验结果表明，中空玻璃微球在钻井液中起到了降低密度的作用，钻井液密度0.95g/cm3，该钻井液的失水较小;粒度较小的玻璃微球还具有很好的封堵作用，对煤层的吼道进行暂堵形成一层保护膜，有效防止了液体对煤层的污染。

参考文献

冯少华，侯洪河.2008.煤层气钻井过程中的储层伤害与保护［J］.中国煤层气，5(3):16～19，92

韩宝山.2002.欠平衡钻井技术与煤层气开发［J］.煤田地质与勘探，30(4):61～62

赖晓晴，楼一珊，屈沅治等.2009.我国煤层气开发钻井液技术应用现状与发展思路［J］.石油天然气学报，31(5):326～328

刘保双，杨凤海，汪兴华等.2007.煤层气钻井液工艺现状［J］.国外油田工程，(8):27～33

杨陆武，孙茂远.2002.中国煤层气藏的特殊性及其开发技术要求［J］.天然气工业，22(6):17～19

周一帆，王德利，刘力.2010.煤层气钻井对储层的伤害机理分析［J］.煤，19(7):87～88，92

乳液聚合物在正电性钻井液体系中的应用

钱晓琳　苏长明　于培志　王琳

（中国石化石油勘探开发研究院，北京100083）

摘要 采用反相微乳液聚合方法合成了乳液聚合物，进行了室内性能评价、中试放大试验与现场试验。结果表明，乳液聚合物易溶于水，可直接加入正电性钻井液中使用，能有效地缩短现场水化及配浆时间；乳液聚合物作为钻井液添加剂，具有良好的增黏、提切和降失水性能，当乳液聚合物加量0.4%时，即可达到钻井液性能的基本要求；生产路线可靠，产品性能稳定，可扩大生产；将乳液聚合物用于正电性钻井液中，在大古1井的现场试验中取得了理想的应用效果。

关键词 微乳液聚合 乳液聚合物 合成 正电性钻井液

Application of Emulsion Polymer in Positive Electricity Drilling Fluid

QIAN Xiao-lin，SU Chang-ming，YU Pei-zhi，WANG Lin

（Exploration ＆ Production Research lnstitute，SlNOPEC，Beijing100083）

Abstract An emulsion polymer is synthesized by microemulsion polymerization.Laboratory performance evaluation and pilot synthesis and field application of emulsion polymer are studied.The results show that emulsion polymer can be solved easily in water，so it can be added directly in drilling fluid and can effectively shorten drilling fluid preparing time.The emulsion polymer as a drilling fluid additive has good performances of raising viscosity and strengthening shearing force and reducing filtration.When the concentration of emulsion polymer is0.4%，it can meet the basic requirements of drilling fluid performance.A favorable field application effect in well Dadu-1 has been achieved.

Key words microemulsion polymerization emulsion polymer synthesize positive electricity drilling fluid

目前，我国油田用聚丙烯酰胺的产品形式基本为粉剂，现场应用时需要大型的溶解装置。而且聚丙烯酰胺生产工艺均为20世纪90年代引入我国的大块绝热釜式溶液聚合，聚合溶液质量分数低，产物的相对分子质量较小，在制成干粉过程中，高温烘干和剪切作用又容易使高分子链降解和交联，使粉剂产品的溶解性、絮凝性等变差。

乳液聚合也是工业上广泛使用的聚合方法，乳液聚合产物的分子量比溶液聚合物的产物高；聚合产物以胶乳形式生成，若产物直接以胶乳形式使用，操作更加容易；乳液聚合还具备其他一些优点，如聚合热容易传递、聚合速率高和产物分子量易控等。由于这些独特的优点，乳液聚合技术的开发受到很多研究人员的重视。自从20世纪80年代法国科学家Candau［1］首次采用反相微乳液聚合法得到稳定、相对分子质量高、分布窄的聚丙烯酰胺反相微乳胶以来，国内外学者对丙烯酰胺的反相微乳液聚合做了大量研究［2～4］。目前，只有Cytec公司取得了聚丙烯酰胺反相微乳液聚合方法的专利权，国内研究大都处于实验室阶段，离工业化生产的差距较大。本文采用反相微乳液聚合方法合成了可直接作为钻井液添加剂使用的聚丙烯酰胺胶乳产品，探讨了室内合成方法、乳液聚合物性能以及中试放大试验，并将以其为主剂配制出的正电性钻井液，在新疆大涝坝2号构造的大古1井进行了现场试验。

1 乳液聚合物的合成

主要原料：丙烯酰胺、丙烯酸、氢氧化钾、非离子表面活性剂、去离子水、白油均为工业级，引发剂、乙醇、庚烷均为分析纯试剂，高纯氮，转相剂。

合成过程：在装有恒压加料器、搅拌器、温度计和通气排气管（250mL）的4口烧瓶中，加入乳化剂和白油，加热溶解，同时在加料器内加入丙烯酰胺、丙烯酸钾溶液。乳化前加入引发剂，搅拌乳化并通氮气20min。控制一定反应温度至反应转化完全。

聚合反应式：

油气成藏理论与勘探开发技术

用乙醇对乳液聚合物进行分级处理，干燥所得白色粉末研细后在庚烷中搅拌24h，滤饼真空干燥后用于分子量的测定。利用特性黏数法测得乳液聚合物的黏均分子量为7.7×106。

2 乳液聚合物的性能

2.1 乳液聚合物的水溶性

向200mL水中边搅拌边加入乳液聚合物1.0g，实验中乳液聚合物分散迅速，完全溶解时间均小于2min。由此可见，乳液聚合物钻井液添加剂易溶于水，可直接加入钻井液中使用，缩短现场水化及配浆时间，在极短的时间内达到预期的效果。

2.2 乳液聚合物对钻井液性能的影响

用4%膨润土浆作为基浆，在基浆中分别加入乳液聚合物，高速搅拌10min，采用旋转黏度计测试钻井液的流变性。按照石油行业标准SY/T5621-93，采用ZNS-1型中压泥浆滤失测定仪测定API滤失量。

乳液聚合物对钻井液性能的影响见表1。结果显示，乳液聚合物的加入可使钻井液的表观黏度、动切力增大，失水量减少。当乳液聚合物加量为0.4%时，可达到钻井液性能的基本要求，满足上部钻井工程的需要。

表1 乳液聚合物对钻井液性能的影响

2.3 乳液聚合物的抗盐能力

在不同加量的氯化钠的基浆中加入1.2%的乳液聚合物，测试钻井液性能，结果见表2。可以看出，乳液聚合物具有较强的抗钠盐的能力，在加量较少时就显示出好的增黏和降失水效果。适合含高矿化度水的地层钻井及驱油。

表2 乳液聚合物的抗盐能力

3 乳液聚合物中试放大试验

由于反相乳液聚合的影响因素很多，在优化合成工艺的基础上，采用国产工业品为原料，考察了合成工艺的稳定性，探索了聚合物合成的工业化，合成了8个批次的样品，并测试了所有产品的性能。表3是乳液聚合物的特性黏数和黏均分子量。所有产品的黏均分子量稳定，且保持在4.1×106～1.5×107。

表3 乳液聚合物的特性黏数和黏均分子量

在钻井液基浆中加入乳液聚合物，高速搅拌10min，采用旋转黏度计测试钻井液的流变性。按照石油行业标准SY/T5621-93，采用ZNS-1型中压泥浆滤失测定仪测定API滤失量。表4是乳液聚合物对钻井液性能的影响，可以看出，在20%氯化钠盐水钻井液中，所有乳液聚合物均有效降低钻井液滤失量，显著提高钻井液塑性黏度。由此可见，工艺路线成熟稳定，可以进行扩大生产，为现场先导试验打下了良好的基础。

表4 乳液聚合物对钻井液性能的影响

注：1.基浆成分：5%高造浆率膨润土+0.3%碳酸钠+20%氯化钠；2.0.4%为乳液聚合物的有效含量。

4 现场试验

4.1 大古1井概况

大古1井是2006年中国石化西北分公司部署在天山南古生界碳酸盐岩天然气勘探领域的第一口高难度重点预探井，设计井深6400m，目的层位为奥陶系、寒武系。这一区块钻井难度大，不但会钻遇高压盐水层，而且目的层地质情况也比较复杂。

试验层位为新近系吉迪克组、古近系苏维依组、库姆格列木群及白垩系。试验井段：4450～5900m。钻遇地层膏质泥岩、砂泥岩发育，易造成坍塌、阻卡等事故，特别是吉迪克组存在高压盐水层，对钻井液的性能维护提出了更高的要求。

大古1井主要处理剂：KPAM，NH4PAN，WFT-666，SMP-2，SPNH，CXP-2，GMP-3。正电性添加剂：乳化石蜡（RHJ-1）和乳液聚合物（DS-301）。

4.2 室内试验

为了观察乳液聚合物DS-301 对现场钻井液性能的影响，进行了乳液聚合物对井浆性能的影响评价实验（表5）。结果表明，在室内温度下，井浆中加入0.3%DS-301后对原钻井液塑性黏度和动切力有微弱增大的趋势，瞬时失水增大但对API失水量几乎没有影响，可以入井试验。

表5 乳液聚合物DS-301对井浆性能的影响

注：1.表中T∗为中压失水实验中失水流出的时间，单位为s；2.实验井浆的其他性能如下：密度为1.56kg/L，pH值为8.5，Vs为21.8%，Vb为39g/L；3.实验过程均为6000r/min，高速搅拌20min测量其性能。

4.3 入井试验

大古1井是中石化的重点预探井，钻探的目的在于发现和保护油气层，按新的录井标准（或规范）全烃含量（基值）必须控制在0.5%以内，超过此值后必须停钻处理钻井液。按循环周慢慢加入100 kg DS-301。加入前钻井液的全烃值为0.15%，1.5个循环周以后钻井液的全烃值最大达到0.17%；在对比性不太强的情况下，钻井液的漏斗黏度增加2s，PV和YP有微增的趋向。从对比实验中发现：加入DS-301后钻井液的瞬时失水增大但钻井液的API失水没有太大的变化。

4.4 应用效果

（1）钻井液包被抑制性强、钻屑成型度好、棱角分明。大古1井二开钻屑照片如图1所示。可以看出，钻井液良好的防塌抑制性使大古1井在整个二开施工过程中返出的录井岩屑层次极为分明，成型度极好，PDC钻头切削的痕迹几乎没有任何变化。

图1 大古1井二开钻屑照片

（2）短起及起下钻极为顺利，无任何阻卡现象。大古1井二开2300～4964m井段总共短起17次，每次短起都畅通无阻，没有任何阻卡现象，短起下一次到底率为100%。充分说明了二开钻井液携岩洗井效果好、润滑性良好。

（3）钻井液抗污染能力强，成功穿越多套纯石膏层和高压盐水层。大古1井4802m岩屑照片图2所示。根据实钻资料分析和地质录井提示：大古1井二开钻遇了两层可能的高压盐水层，分别是：4746～4748m段和4859～4860m段；钻遇的3套纯度较高的石膏层是：4754～4756m段、4800～4802m段和4820～4822m段，纯石膏含量达到50%～70%。尤其是在4514m进入大段的膏质泥岩以后，增加了抗盐抗钙处理剂用量，钻井液性能一直保持相对稳定。

图2 大古1井4802m岩屑照片

（4）井径极为规则，井身质量优秀。大古1井二开电测井径曲线如图3所示。图3显示出，φ311mm钻头井眼最大井径为353mm，最小井径为278mm，平均井径为329mm，平均井径扩大率为5.76%，整个二开没有出现“大肚子”井段，充分说明了该井段钻井液防塌抑制性极强，钻井液和钻井工程施工措施到位。大古1井三开井径曲线如图4 所示。通过对大古1井三开井径的统计分析，三开平均井径扩大率为3.03%。

图3 大古1井二开井径曲线

图4 大古1井三开井径曲线

① 1 英寸=0.0254m

（5）钻井液清洁，没有出现任何钻头和扶正器泥包现象。大古1井二开钻井施工中使用一只牙轮钻头、两只PDC钻头（一只DBS三次入井、一只保瑞特钻头）总计5趟钻。从未因钻井液的问题进行起钻，每趟钻起出的钻头、扶正器、钻杆接头处均无任何泥包现象。这正说明了钻井液携岩效果好、钻井液清洁。

（6）全烃值及荧光级别控制良好。整个二开、三开钻井施工中，通过对入井处理剂全烃值和荧光级别的密切监测，并对有些处理剂的加量进行调整和控制，使全烃值大多控制在0.25%以下，保证泥浆录井资料的真实性和准确性。

5 结论

采用反相微乳液聚合方法合成了可作为钻井液添加剂使用的乳液聚合物，具有良好的水溶性、增黏、提切、降失水和抗盐性能，当乳液聚合物加量0.4%时，即可达到钻井液性能的基本要求。乳液聚合物中试放大试验结果表明，工艺路线成熟稳定，可以进行扩大生产。

乳液聚合物用于正电性钻井液中，在新疆大涝坝2号构造的大古1井的现场试验表明，钻井液包被抑制性强、钻屑成型度好、棱角分明；短起及起下钻极为顺利、无任何阻卡现象；钻井液抗污染能力强、成功穿越多套纯石膏层和高压盐水层；井径极为规则、井身质量优秀；钻井液清洁、没有出现任何钻头和扶正器泥包现象；全烃值及荧光级别控制良好，取得了理想的应用效果。

参考文献

［1］Leong Y S，Candau F.Inverse microemulsion polymerization［J］.J Phys Chem，1982，86（12）：2269～2271.

［2］哈润华，侯斯健.（2一甲基丙烯酰氧乙基）三甲基氯化铵一丙烯酰胺反相微乳液共聚合特征研究［J］.高等学校化学学报，1993，（14）：1163～1166.

［3］王德松，罗青枝.高单体浓度范围丙烯酰胺反相微乳液聚合［J］.高分子材料科学与工程，2003，19（4）：79～81.

［4］刘祥，晁芬，范晓东.高固含量聚丙烯酰胺反相微乳胶的制备.精细化工，2005，22（8）：631～633.

关于钻井液流变性能测试实验和钻井液流变性能测试实验视频的介绍到此就结束了，不知道你从中找到你需要的信息了吗 ？如果你还想了解更多这方面的信息，记得收藏关注本站。 钻井液流变性能测试实验的介绍就聊到这里吧，感谢你花时间阅读本站内容，更多关于钻井液流变性能测试实验视频、钻井液流变性能测试实验的信息别忘了在本站进行查找喔。