新型抑制性钻井液的研究毕业论文1.docx

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1、长江大学工程技术学院毕业设计(论文)题 目 名 称新型抑制性钻井液的研究题 目 类 型毕业论文系 部专 业 班 级学 生 姓 名指 导 教 师辅 导 教 师时 间毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说

2、明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 目 录任务书开题报告指导教师审查意见评阅教师评语答辩会议记录中文摘要外文摘要前 言11泥页岩井壁失稳机理分析31.1泥页岩井壁失稳机理分析31.2 泥页岩水化膨胀机理分析41.3 稳定泥页岩井壁的相关措施52强抑制性高钙盐聚合物钻井液体系的研究62.1 室内研究62.2 现

3、场应用102.3 结论143强抑制性乳酸高分子聚合物钻井液体系的研究153.1室内研究153.2 现场应用193.3 结论204结论与建议21参考文献21致谢24长江大学工程技术学院毕业设计(论文)任务书系 石油资源系 专业 石油工程 班级 油工60801 学生姓名 刘琦 指导教师/职称 鲁大丽助教 1. 毕业设计（论文）题目： 新型抑制性钻井液的研究2. 毕业设计（论文）起止时间：2011年11月2010年5月25日3. 毕业设计(论文)所需资料及原始数据（指导教师选定部分） 新型抑制性钻井液的配方与基本性能 新型抑制性钻井液的作用机理4. 毕业设计(论文)应完成的主要内容 对于不同地区，不

4、同地层情况研究和选择适合的抑制性钻井液。对于在钻井过程中遇到的，泥页岩失稳引起的井壁坍塌和缩径；上部地层大井眼、高钻速时，低密度固相污染引起的钻井液流变性能控制困难及井眼的清洁；钻遇盐、膏、盐水层是钻井液稳定性的恶化等问题，设计配置出适合的抑制性钻井液，来解决这些问题。5. 毕业设计(论文)的目标及具体要求 通过对新型抑制性钻井液的学习和研究，进一步的巩固所学的专业基础知识,学会把各种知识系统化,掌握抑制性钻井液以及其它许多特殊专业知识。要求：1、认真复习书本基础知识，巩固知识点。2、认真查阅资料，在已有的知识上着重掌握新的知识，结合实际资料进行分析；3、在掌握系统知识的基础上，根据实际情况，

5、进行新型抑制性钻井液的研究，不懂要主动问老师，做到多学多问。6. 完成毕业设计(论文)所需的条件及上机时数要求要求学生了解和补习泥页岩井壁失稳机理和水化膨胀机理，在不同特征地层下的运用，不同新型抑制性钻井液的设计参数等等。资料条件：收集了各种类型新型抑制性钻井液的设计参数，工作原理，各种油田地质资料以及应用资料计算机条件：计算机1台及图文打印设备与相应计算软件；计划机时：200机时。任务书批准日期2011年12月23日 系主任（责任教授）(签字) 任务书下达日期2011年12月23日 指导教师(签字) 完成任务日期 2012 年 5 月 25 日 学生（签名） 长江大学工程技术学院毕业设计（论

6、文）开题报告 题 目 名 称新型抑制性钻井液的研究题 目 类 型毕业论文系 部石油资源系专 业 班 级石油工程60801学 生 姓 名刘琦指 导 教 师鲁大丽辅 导 教 师鲁大丽完 成 时 间2012年4月新型抑制性钻井液的研究学 生：刘 琦，长江大学工程技术学院指导老师：鲁大丽，长江大学工程技术学院1 题目来源生产与社会实践2 研究目的和意义 目的及意义：随着石油勘探开发技术的不断发展，特别是复杂地层深井、超深井一级特殊工艺井油气钻探的越来越多，对钻井液技术提出了更高的要求。目前现场使用的钻井液普遍存在抑制性不足的问题，从而使钻井液综合性能难以提高，特别是随着我国稳定东部发展西部战略方针的开

7、展，勘探领域向新区拓展，钻遇地层日趋复杂，钻井液抑制能力已不能满足勘探开发形势发展的需要。钻井液体系抑制性的不足，可能导致一系列复杂情况的出现。如，泥页岩失稳引起的井壁坍塌和缩径；上部地层大井眼、高钻速时，低密度固相污染引起的钻井液流变性能控制困难及井眼的清洁；钻遇盐、膏、盐水层是钻井液稳定性的恶化等问题。因此，新型抑制性钻井液的开发迫在眉睫。抑制剂是新型抑制性钻井液体系的核心。因此开展高性能的抑制剂的研究，评价与优选，对于有效抑制泥页岩膨胀，保持井壁稳定，实现安全生产，提高深部钻探经济效益等都具有重要的意义。3 国内外发展现状现今常用的抑制性钻井液较多，主要分为有机和无机两类。无机类抑制性钻

8、井液是使用较早的一类。常用的处理剂有氯化钾和氯化钙。氯化钾的主要抑制机理是中和作用和镶嵌作用；氯化钙的主要抑制机理是中和作用、同离子效应和渗透水化效应。这两种处理剂要在加量较大的情况下才能有一定的抑制性，并且抑制性并不显著。无机类抑制性钻井液在近几十年也有所发展，比如硅酸盐、季铵盐、甲酸盐和乙酸盐等。其中硅酸盐的抑制机理是成膜效应和封堵效应；季铵盐抑制机理是中和作用、吸附和镶嵌作用；甲酸盐和乙酸盐抑制机理是成膜效应和羧酸根与水的成键作用。而较新的正电胶更具特色，其能通过中和和吸附作用很好的解决页岩井壁稳定和膨润土造浆二者之间的矛盾，同样也是一类有前途的处理剂。而常用的有机类抑制性钻井液的抑制剂

9、有聚阴离子处理剂、聚阳离子处理剂和两性离子聚合物处理剂。聚阴离子处理剂主要包括聚丙烯酸类、聚丙烯酰胺类、聚丙烯腈类和腐植酸类，其中PAC 、PAM、PHPA、KPAM、KPAN和腐殖酸钾等是现场使用较多的试剂，抑制机理是桥联、絮凝和包被作用、成膜效应；聚阳离子处理剂主要包括大小阳离子，该类是抑制效果好但对环境影响较大且价格较高的处理剂，抑制机理是中和作用、絮凝和包被作用；两性离子聚合物主要有XY-27和FA系列，虽然该类处理剂引入阴阳离子同时达到抑制效果，但具体的抑制机理并不十分明确。沥青类处理剂抑制机理是吸附作用和封堵作用，但其会造成环境污染。较新的有机类抑制性钻井液的处理剂有聚胺、聚合醇、

10、葡萄糖类衍生物、有机正电胶和有机铝等。聚胺类抑制剂由于有和钾离子直径相当的NH+或者小胺等存在，主要抑制机理是中和作用和镶嵌作用；聚合醇是一类来源于海洋钻井的环境友好型抑制剂，抑制效果一般；葡萄糖类衍生物（例如MEG）是表面活性物质，具有成膜效应，是一类价格较高的环境友好型处理剂；新型有机正电胶处理剂拥有更多的正电荷，同时具有水湿性和油湿性，是一种强抑制剂但同样价格价高；有机铝由于其在溶解和结晶状态下均有相当的抑制性，也是一类新型抑制剂。无论无机还是有机抑制剂都在不断发展，最终目的是要寻找到抑制效果好、适应性强、抗性强、对基浆常规性能影响不大、来源广、价格低的处理剂。4主要研究内容，重点研究的

11、关键问题主要研究内容：对于不同地区，不同地层情况研究和选择适合的抑制性钻井液。对于在钻井过程中遇到的，泥页岩失稳引起的井壁坍塌和缩径；上部地层大井眼、高钻速时，低密度固相污染引起的钻井液流变性能控制困难及井眼的清洁；钻遇盐、膏、盐水层是钻井液稳定性的恶化等问题，设计配置出适合的抑制性钻井液，来解决这些问题。需要研究的关键问题：（1）抑制性钻井液处理剂及配方的优选（2）抑制性钻井液的性能评价（3）抑制性钻井液现场实际应用效果及分析（4）对该新型抑制性钻井液进行总结，得出结论。5完成毕业设计（论文）所必须具备的工作条件及解决的办法所需条件：5.1.所需条件：要求学生了解和补习泥页岩井壁失稳机理和水

12、化膨胀机理，在不同特征地层下的运用，不同新型抑制性钻井液的设计参数等等。资料条件：收集了各种类型新型抑制性钻井液的设计参数，工作原理，各种油田地质资料以及应用资料计算机条件：计算机1台及图文打印设备与相应计算软件；计划机时：200机时。5.2 解决办法：1、认真复习书本基础知识，巩固知识点。2、认真查阅资料，在已有的知识上着重掌握新的知识，结合实际资料进行分析；3、在掌握系统知识的基础上，根据实际情况，进行新型抑制性钻井液的研究，不懂要主动问老师，做到多学多问。6主要参考文献及资料名1 曹红英，梁兴，里群.苏北盆地白驹低渗透高凝油田强抑制性钻井液体系的研究与评价 J .钻井液与完井液，2002

13、（5）.2 王荐, 舒福昌, 吴彬, 等1 强抑制聚胺钻井液体系室内研究 J 1 油田化学, 2007 , 24 (4) : 296300.3 徐同台，井壁不稳定地层的分类及泥浆技术对策，钻井液与完井液，1996，13（4）.4 许春田, 吴富生, 张洁, 等. 新型环保型杂多糖甙钻井液在江苏油田的应用 J .钻井液和完井液, 2006, 23(1) : 19 - 23.5 胡琦,张洁,高飞. 杂多糖苷水基钻井液稳定性研究 J . 天然气工业, 2008, 28(1) : 94 -95.6 冯文强, 张洁. PG 树胶接枝改性性能研究 J . 石油钻采工艺, 2005, 27(4) : 28

14、- 32.7 赵福麟. 油田化学M .东营: 石油大学出版社, 1999.8 鄢捷年，钻井液工艺学M，山东东营；石油大学出版社，2001.9 吴彬，保护中、高渗储层的广谱暂堵技术研究及应用D.石油大学北京，2002.10 张金波，鄢捷年.钻井液中暂堵剂颗粒尺寸分布优选的新理论和新方法J.石油学报，2004,25（6）.11 苏长明，刘汝山，于培志，等.正电性钻井液体系研究与应用J.石油钻井工艺，2004,26（3）：17-21,82.12 郭健康，鄢捷年，王奎才.强抑制性KCl/硅酸盐钻井液体系及其在苏丹六区的应用.钻井液与完井液，2005,22（1）：14-18.13 API RP 13B-

15、1, 2003. Recommended Practice Stand. Proced. for Field Testing Water-Based Drilling Fluids.14 Benayada, B., Habchi, K.N., Khodja,M., 2003. Stabilisation of clay walls during drilling in Southern Algeria. Appl. Energy 75, 5160.15 Benna, M., Kbir-Ariguib, N., Clinard, C., Bergaya, F., 2001. Static ltr

16、ation of puried sodium bentonite clay suspensions. Effect of clay content. Appl. Clay Sci. 19,103120.16 Khodja M., 2008. Drilling uid: performance study and environmental considerations,Ph.D. Thesis, Institut National Polytechnique, Toulouse, France.17 McDonald, M., Reifsnyder, R., Sidorkiewicz, V.,

17、 LaPlant, D., 2002. Silicate-based drilling uids: a highly inhibitive mud system offering HS&E benets over traditional oil-based muds. Drilling completion uids and waste management. Houston (TX),April 23.18 M.I. Corporation, 2002. M.I. Drilling Fluids Engineering Manual, Revision No. A-1.Houston, (T

18、X).19 Muniz, E.S., da Fontoura, S.A.B., Duarte, R.G., Lomba, R.T.F., 2005. Evaluation of the Shale-Drilling Fluid Interaction for Studies of Wellbore Stability. The 40th U.S.Symposium on Rock Mechanics (USRMS), Alaska Rocks. June 2529, Anchorage(AK).20 Patel, A., Stamatakis, E., Young, S., Stiff, C.

19、, 2002. Designing for the future a review of the design, development and inhibitive water-based drilling uid. Drilling and Completion Fluids and Waste Management. Houston (TX), April 23.21 van Oort, E., 2003. On the physical and chemical stability of shales. J. Petr. Sci. Eng. 38,213235.22 Young, S.

20、Y., Maas, T., 2001. Novel polymer chemistry increases shale stability. DrillingTechnology, American Association of Drilling Engineers,AADE National Drilling Technical Conference, AADE 01-NC-HO-41. Houston (TX),March 2729.7 工作的主要阶段进度与时间安排第一阶段：4月1 日4月15 日 外文资料翻译第二阶段：4月 15日4月30 日 开题报告及文献综述、资料查阅、整理第三阶段：

21、4月30日5月25 日 编制绘图、论文设计、提交报告第四阶段：5月25日6月7 日 准备答辩 8 指导教师审查意见 长江大学工程技术学院毕业设计(论文)指导教师审查意见学生姓名专业班级毕业设计(论文)题目指导教师职 称审查日期审查参考内容：毕业设计(论文)的研究内容、研究方法及研究结果，难度及工作量，质量和水平，存在的主要问题与不足。学生的学习态度和组织纪律，学生掌握基础和专业知识的情况，解决实际问题的能力，毕业设计(论文)是否完成规定任务，达到了学士学位论文的水平，是否同意参加答辩。审查意见： 指导教师签名： 评定成绩（百分制）：_分（注：此页不够，请转反面） 长江大学工程技术学院毕业设计(

22、论文)评阅教师评语学生姓名专业班级毕业设计(论文)题目评阅教师职 称评阅日期评阅参考内容：毕业设计(论文)的研究内容、研究方法及研究结果，难度及工作量，质量和水平，存在的主要问题与不足。学生掌握基础和专业知识的情况，解决实际问题的能力，毕业设计(论文)是否完成规定任务，达到了学士学位论文的水平，是否同意参加答辩。评语：评阅教师签名： 评定成绩（百分制）：_分（注：此页不够，请转反面）长江大学工程技术学院毕业设计(论文)答辩记录及成绩评定学生姓名专业班级毕业设计(论文)题目答辩时间 年 月 日 时答辩地点一、答辩小组组成答辩小组组长：成 员：二、答辩记录摘要答辩小组提问（分条摘要列举）学生回答情

23、况评判三、答辩小组对学生答辩成绩的评定（百分制）：_分 毕业设计(论文)最终成绩评定(依据指导教师评分、评阅教师评分、答辩小组评分和学校关于毕业设计(论文)评分的相关规定)等级(五级制)：_答辩小组组长(签名) ： 秘书(签名)： 年 月 日系答辩委员会主任(签名)： 系 (盖章)新型抑制性钻井液的研究学 生：刘 琦，长江大学工程技术学院指导老师：鲁大丽，长江大学工程技术学院摘要本文先简要介绍了国内外新型抑制性钻井液的发展现状，再分别从力学、化学和工程技术三方面阐述了泥页岩井壁失稳的机理，并介绍了泥页岩的水化膨胀机理：表面水化、离子水化和渗透水化机理。新型抑制性钻井液的使用能很好的解决泥页岩井

24、壁失稳、水化膨胀等这些钻井过程中碰到的问题。本文针对不同地区，不同地层情况对新型抑制性钻井液性能和结构的要求，选取了几种得到广泛使用的新型抑制性钻井液。分别从室内研究（包括抑制性钻井液体系处理剂及配方的优选，抑制性钻井液体系的性能评价），抑制性钻井液体系的现场实际应用效果及分析，这两个方面对该种新型抑制性钻井液体系进行分析研究，最后对该钻井液体系进行总结。关键词 抑制性 钻井液 发展现状 分析研究前言Newinhibitive drilling fluidsStudent: Liuqi Petroleum Engineering, College of TechnologyEngineerin

25、g, Yangtze UniversityTeacher: Ludali College of Technology Engineering, Yangtze UniversitySummary This paper first introduces the domestic and foreign new inhibitive drilling fluid development present situation, respectively from the mechanical, chemical and engineering technology three respects ela

26、borated shale wellbore stability mechanism, and introduced the shale hydration swelling mechanism: surface water, ions and permeating hydration mechanism.Novel inhibitive drilling fluid use can be a good solution of shale wellbore instability, hydration expansion of the drilling process of the probl

27、ems encountered.This paper is aimed at different area, different formation of novel inhibitive drilling fluid performance and structural requirements, selection of several widely used new inhibited drilling fluid.From the aspects of indoor studies (including inhibitive drilling fluid treating agent

28、and formula optimization, inhibitive drilling fluid performance evaluation), inhibitive drilling fluid system in actual application and analysis, these two aspects of this new type of inhibitive drilling fluid system is analyzed, finally the drilling fluid system summary. Key words Inhibition ,Drill

29、ing fluids,Development status,Analysis and Research第1页（共24页）前言前 言随着石油勘探开发技术的不断发展，特别是复杂地层深井、超深井一级特殊工艺井油气钻探的越来越多，对钻井液技术提出了更高的要求。目前现场使用的钻井液普遍存在抑制性不足的问题，从而使钻井液综合性能难以提高，特别是随着我国稳定东部发展西部战略方针的开展，勘探领域向新区拓展，钻遇地层日趋复杂，钻井液抑制能力已不能满足勘探开发形势发展的需要。钻井液体系抑制性的不足，可能导致一系列复杂情况的出现。如泥页岩失稳引起的井壁坍塌和缩径；上部地层大井眼、高钻速时，低密度固相污染引起的钻井液

30、流变性能控制困难及井眼的清洁；钻遇盐、膏、盐水层是钻井液稳定性的恶化等问题。因此，新型抑制性钻井液的开发迫在眉睫。现今常用的抑制性钻井液可分为无机和有机两类。无机类抑制性钻井液是使用较早的一类。常用的处理剂有氯化钾和氯化钙。氯化钾的主要抑制机理是中和作用和镶嵌作用；氯化钙的主要抑制机理是中和作用、同离子效应和渗透水化效应。这两种处理剂要在加量较大的情况下才能有一定的抑制性，并且抑制性并不显著。无机类抑制性钻井液在近几十年也有所发展，比如硅酸盐、季铵盐、甲酸盐和乙酸盐等。其中硅酸盐的抑制机理是成膜效应和封堵效应；季铵盐抑制机理是中和作用、吸附和镶嵌作用；甲酸盐和乙酸盐抑制机理是成膜效应和羧酸根与

31、水的成键作用。而较新的正电胶更具特色，其能通过中和和吸附作用很好的解决页岩井壁稳定和膨润土造浆二者之间的矛盾，同样也是一类有前途的处理剂。而常用的有机类抑制性钻井液的抑制剂有聚阴离子处理剂、聚阳离子处理剂和两性离子聚合物处理剂。聚阴离子处理剂主要包括聚丙烯酸类、聚丙烯酰胺类、聚丙烯腈类和腐植酸类，其中PAC 、PAM、PHPA、KPAM、KPAN和腐殖酸钾等是现场使用较多的试剂，抑制机理是桥联、絮凝和包被作用、成膜效应；聚阳离子处理剂主要包括大小阳离子，该类是抑制效果好但对环境影响较大且价格较高的处理剂，抑制机理是中和作用、絮凝和包被作用；两性离子聚合物主要有XY-27和FA系列，虽然该类处理

32、剂引入阴阳离子同时达到抑制效果，但具体的抑制机理并不十分明确。沥青类处理剂抑制机理是吸附作用和封堵作用，但其会造成环境污染。较新的有机类抑制性钻井液的处理剂有聚胺、聚合醇、葡萄糖类衍生物、有机第1页（共24页）正电胶和有机铝等。聚胺类抑制剂由于有和钾离子直径相当的NH+或者小胺等存在，主要抑制机理是中和作用和镶嵌作用；聚合醇是一类来源于海洋钻井的环境友好型抑制剂，抑制效果一般；葡萄糖类衍生物（例如MEG）是表面活性物质，具有成膜效应，是一类价格较高的环境友好型处理剂；新型有机正电胶处理剂拥有更多的正电荷，同时具有水湿性和油湿性，是一种强抑制剂但同样价格价高；有机铝由于其在溶解和结晶状态下均有相

33、当的抑制性，也是一类新型抑制剂。无论无机还是有机抑制剂都在不断发展，最终目的是要寻找到抑制效果好、适应性强、抗性强、对基浆常规性能影响不大、来源广、价格低的处理剂。泥页岩井壁失稳机理分析1泥页岩井壁失稳机理分析1.1泥页岩井壁失稳机理分析井壁不稳定的实质是力学不稳定。当井壁岩石所受的应力超过其本身的强度就会发生井壁不稳定。其原因十分复杂，就其主要原因可归纳为力学因素、物理化学因素和工程技术措施等三个方面，但后两方面最终均因影响井壁应力分布和井壁岩石的力学性能而造成井壁不稳定。1.1.1力学方面处于地层深处的岩石，受上覆地层压力、水平方向的地应力和地层孔隙流体压力的作用。在钻开井眼前，地下岩石处

34、于应力平衡状态。钻开井眼后，井内钻井液液柱压力取代了所钻岩层提供的对井壁的支撑，失去了地层原有的应力平衡，引起井眼周围应力重新分布。当地应力、岩石强度和孔隙压力等不可控因素与井内液柱压力、钻井液化学成分等之间不能达到适度平衡时，可能引起不同的井眼破坏。当井内液柱压力偏低时，可能使井壁岩石产生剪切破坏，此时，塑性岩石将向井内产生塑性蠕动而导致缩颈，脆性岩石则会产生坍塌掉块,造成井径扩大。当井内液柱压力偏高时，则相应使井壁发生张性破坏而造成井漏。1.1.2化学方面泥页岩是一种由水敏性粘土矿物组成的岩石，其与钻井液的相互作用是必然的。由于泥页岩结构和组分上的特点，采用不同的钻井液体系，这种作用的差别

35、也是很大的。钻井过程中，井眼的形成打破了地层原有的力学和化学平衡，尽管有井壁泥饼的保护，但泥页岩地层与钻井液在井下温度和压力条件下接触将产生如下的相互作用:1） 离子交换作用；2） 泥页岩和钻井液中水的化学势差异产生的渗透作用；3） 在井底压差作用下钻井液中水沿泥页岩的微裂隙的侵入；4） 毛管力作用产生的渗析。这四方面的作用使泥页岩地层吸水膨胀，产生膨胀应变，从而产生水化应力，使井周围岩的应力分布和材料特性发生显著变化，最终导致井壁失稳，发生钻井复杂事故。1.1.3工程技术方面工程技术方面有钻井液的性能(失水、粘度、密度)、井眼裸露的时间、钻井液的环空反速对井壁的冲刷作用、井眼循环波动压力、起

36、下钻的抽吸压力、井眼轨迹的形状及钻柱对井壁的摩擦和碰撞等。 总之，以上导致井壁失稳的三种因素可以归结为一种因素，即力学因素。因为归根到底，井壁岩石的破坏和失稳都是力(岩石应力，化学应力，工程所引发的各种力)的作用结果，其实质是井壁岩石所受应力超过了其强度而诱发失稳破坏。1.2泥页岩水化膨胀机理分析泥页岩的主要成分是粘土矿物。粘土矿物的成分、含量及其微结构决定了泥页岩的基本物理化学性质和水化机理。对泥页岩的水化机理进行深入了解是研究泥页岩井壁稳定的基础。当泥页岩与钻井液接触时，在水力梯度和化学势梯度的驱动下，引起水和离子的传递，包括钻井液液柱压力与孔隙压力之间的压力差驱动的达西流以及由钻井液与泥

37、页岩之间的化学势差驱动的离子扩散。在这些因素的作用下，泥页岩发生水化，一般存在表面水化、离子水化和渗透水化三种机理。表面水化：表面水化是由粘土矿物表面上的水分子吸附作用而引起的，其主要驱动力为表面水化能。所有粘土矿物都会发生表面水化，在这一阶段，大约吸附4个水分子层厚的水，作用距离为lnm，从而导致结晶膨胀。离子水化：离子水化是指粘土矿物所含硅酸盐晶片上的补偿性阳离子周围形成水化壳。离子水化一方面给粘土带来水化膜，同时水化离子与水分子争夺粘土晶面的连接位置。渗透水化：渗透水化是某些粘土在完成了表面水化和离子水化过程之后开始的。水化的离子在液体中离解，远离粘土矿物表面。粘土矿物间形成扩散双电层，

38、双电层斥力和渗透压共同作用而产生的水化作用为渗透水化。因此，只有表面存在可交换阳离子的粘土才会产生离子水化，也只有阳离子交换容量大的粘土矿物才会发生明显的渗透水化。渗透水化作用距离可达10nm以上，体积膨胀较大。所以当泥页岩与钻井液滤液接触时，首先产生表面水化，在表面水化的过程中会产生离子水化，在表面水化和离子水化完成后，才发生渗透水化。由于泥页岩的第3页（共24页）泥页岩井壁失稳机理分析渗透率较低，约为10-6- 10-12D，因此，在钻进泥页岩地层时，通常不产生“正常”的钻井液滤液漏失，然而在孔隙压力和钻井液液柱压力不平衡时，将会在两者之间出现压力传递，最终逐渐达到平衡状态。当处于超平衡钻

39、进时，钻井液液柱压力就会侵入泥页岩，引起孔隙压力增加。注意，少量的滤液侵入就会导致孔隙压力较大程度的增加。另外，还由于泥页岩与钻井液之间的不利的粘土阳离子交换，这都减小了有效应力。再加上泥页岩与钻井液相互接触时，会发生一些不利的化学变化，将减弱其胶结力。上述因素的共同作用导致了暴露在钻井液中的泥页岩趋于不稳定。当然也存在相反的情况，当钻井液液柱压力低于孔隙压力时，或钻井液中各种离子的化学势低于泥页岩孔隙流体的化学势，出现反渗透时，都会造成泥页岩脱水，孔隙压力减小，有效应力增大，从而使泥页岩趋于稳定的状态。然而，这只能限于一定程度的范围内，若由于脱水作用而导致泥页岩产生微裂隙，不仅使得泥页岩渗透

40、性增强，而且使其粘结强度减弱，这也就减弱了泥页岩的稳定性。1.3稳定泥页岩井壁的相关措施1.3.1钻井工艺方面(1)起下钻速度不宜过快，避免过高的抽吸压力而降低钻井液作用于井壁的压力或者过高的压力激动而使得作用于井壁的压力过高，这对于坍塌性或者裂缝性泥页岩影响尤其大；(2)钻井过程中泵压不宜过高，避免钻井液在环空中返速过大，对井壁造成冲刷作用；(3)在设计井眼轨道和钻井过程中形成井眼轨迹时避免出现井眼方位变化大，狗腿角过大而造成应力集中；(4)钻进过程中应避免严重的机械碰击，特别是在易塌地层；(5)在极易坍塌或者水化膨胀极强的浅部井段可选择下套管来隔开。1.3.2钻井液方面(1)使用合适的钻井

41、液密度，取得力学稳定，尽量避免钻井液滤液侵入；(2)对裂缝性地层采用封堵等措施，进一步降低其渗透率；(3)增加钻井液中部分离子的浓度，增大其化学势，从而诱发反渗透，以抵消水力侵入。第5页（共24页）(4)钻井液静切力不宜过大，以免开泵时带来过大的压力激动，而造成井漏；(5)钻井液粘附系数不宜过大，避免钻头泥包，在起下钻或者正常钻进时均可能带来井壁不稳定问题。(6)合理的选择抑制剂加入钻井液中，则是现今常用的处理泥页岩水化膨胀的主要方法。 2强抑制性高钙盐聚合物钻井液体系的研究2.1室内研究2.1.1钻井液方面(1)实验用材料无机一有机单体聚合物Siop、两性离子磺酸盐聚合物CPS-2000、聚

42、合铝防塌剂AOP-1、固相化学清洁剂ZSC-201为工业品，中原油田钻井院生产；磺化酚醛树脂SMP 、磺化褐煤SMC、聚合醇、羚甲基纤维素为工业品；氯化钙、氯化钠、氯化钾、钠膨润土为工业品。(2)实验用设备高速搅拌机，GJ-1型；搅拌机，S361型；中压失水仪，ZNS型；六速旋转粘度计，2NN-D6犁;高温滚动烘箱50300 ；激光粒度仪分析，,JL-9100；岩心流动试验仪；页岩膨胀仪，NP-1型。2.1.2强抑制性高钙盐聚合物钻井液基础配方在处理剂研究、评价、筛选的基础上，确定了强抑制性高钙盐聚合物钻井液所需的处理剂及用量范围。2.06.0坂土浆0.5 1.0Lv-CMC0.31.5Sio

43、p0.21.0CPS-20002.04.0SMP2.04.0SMC0.51.5AOP-10.30.5ZSC-2010.3NaOH1.03.0CaCl20.51.0KCI2.03.0聚合醇或沥青类产品重晶石2.1.3钻井液性能评价(1)抑制性能为了考察体系的防塌能力，进行了页岩滚动回收率试验，同时和饱和盐水聚磺井浆进行了对比，试验结果见表1。由表1可知，强抑制性高钙盐聚合物钻井液具强抑制性高钙盐聚合物钻井液体系的研究有较高的页岩回收率，而且明显优于饱和盐水聚磺井浆，说明该体系抑制泥页岩分散的能力很强，能有效控制泥页岩水化分散、控制搬含及固相。表1 页岩滚动回收率试验结果不同配方R1，R2，R，备

44、注强抑制性高钙盐聚合物钻井液92.785.091.7150/16h热滚，40目分样筛饱和盐水聚磺井浆69.058.372.2清 水3.7(2)井壁封固性能表2是钻井液封固井壁性能评价实验。实验表明，与聚磺饱和盐钻井液相比强抑制性高钙盐聚合物钻井液具有良好的封固井壁的作用，岩心的滤失量在5min内基本恒定，说明强抑制性高钙盐聚合物钻井液可在短时间内对地层实现有效的封堵。表2 封固井壁性能评价岩心原始渗透率/滤湿量/mL1min5min15min30min60min强抑制性高钙盐聚合物钻井液245.162.12.83.03.03.0聚磺饱和盐钻井液231.532.03.13.94.24.1(3)氯化钠污染为了考察钻井液抗盐污染能力，进行NaC1污染实验。在配制好的钻井液中加入小同量的NaCl经过150高温滚动 16h后测定钻井液性能，考察盐污染后钻井液性能变化，结果见表3。实验表明，NaCl加量在15时钻井液失水、粘切基本不变，当NaCl加至饱和时钻井液粘切降低，失水无明显变化，说明该体系抗盐能力强。第7页（共2