阳离子钻井液的使用
一、 前言
阳离子钻井液是一种比较成熟的钻井助剂。这种钻井液体系是以高分子量阳离子聚合物（简称大阳离子）作为包被絮凝剂，以小分子量有机阳离子化合物（简称小阳离子）作为泥页岩抑制剂，并使用降滤失剂、增粘剂、降粘剂、封堵剂、润滑剂等处理剂的部分或全部而组成的。大阳离子的包被絮凝作用和小阳离子的泥页岩抑制作用的相结合，使得阳离子聚合物钻井液具有很强的抑制性，同时具有良好的流变性、低滤失量及稳定井壁等功能，并且根据井下情况容易进行调整和维护，对保证井下安全、提高钻速、保护油气层等方面都有很好的效果。
二、阳离子钻井液的优点
　1、防塌效果好。阳离子钻井液是靠理强抑能力的大分子阳离子聚合物组成，它能有效的抑制粘土水化膨胀和分散；稳定井壁；携带钻屑，防卡防阻，防泥包，防塌等功能。从上述井的实际效果看，井眼稳定，井径规则，起下钻及下套等畅通无阻，无垮塌和缩径现象，是阳离子钻井液的主要优点。
　2、钻井液性能稳定，处理工艺易掌握，钻井液密度易控制，基本控制在低固相钻井液要求的范围内，有利于保护油气层。
　3、钻井液成本费用较低：所用处理剂绝大多数为国产合格处理剂，相比较盐水钻井液、聚磺钻井液体系及其它钻井液，成本都相对要低。
　4、钻井液对钻具的腐蚀性小，可延长钻具的寿命。
　5、阳离子钻井液抗污染能力强，抗温效果好，主要是对抗钙、抗盐、抗石膏有很好的效果。
　6、能有效地抑制泥岩的水化膨胀和造浆，防止卡钻。
　就玉门区块为例，上部地层为牛铬套-铬躺沟、弓形山、柳沟庄地层，有大段泥岩，容易水化膨胀、造浆，易造成遇阻、缩径现象。
　7、有助于提高固控效率。
　在钻遇大段造浆泥岩地层时，振动筛上的钻屑清爽，地层砂样易清洗，固相易控制，不放浆，减少了材料消耗，节约了成本。
　8、不易泥包，摩阻小，起下钻顺利。
　由于阳离子聚合物钻井液体系有效地控制滤失，滤饼薄而韧，并因其特殊的性能使钻具不易泥包，摩阻小，提高了起下钻的速度，提高了效率。
　9、能有效的抗高温，在高温高压下控制钻井液的流变性。
　该钻井液体系有很好的抗抗高温的作用，在高温高压下，钻井液的流变性较易控制，满足钻井要求，适应现场工作的要求，井壁稳定。
三、 转化步骤：
　1、一般是在砾石过后，砂子变细后开始转化，先使用 5%的稀释剂碱液2方，将泥浆的粘度下降至40s左右，并且可以达到护胶的效果；
　2、使用2%HS-1再次护胶，缓慢的加入，不易过快，在加量达到10方后，逐步的加入0.5%的CHM胶液，在加入时速度要很慢，在加入6-10方后可以逐渐的调整加量，主要观察泥浆是否有絮凝现象，如有絮凝现象，说明护胶效果不好，加大2%HS-1的加入量或使用5%的稀释剂碱液护胶。
　3、最后滴加NW-1，刚开始加入量比较的小，由于NW-1对泥浆的絮凝比较的严重，在加入速度也是比较的慢，在加入0.15左右后，再尝试水冲0.05t的生石灰，水冲生石灰时也要很慢，防止泥浆絮凝。
　4、在转化时，很据泥浆的坂含、含砂的情况，使用离心机除去有害固相，坂含越低，转化也越容易。
注：以上CHM、HA-1、HS-2在配置胶液时最好是使用剪切泵，水化的越是充分，效果就越好。
5、转化好后钻井液性能：密度1.05-1.10mg/m3,粘度42s左右，API失水20ml以下，坂含40-50g/l。
处理剂的性能和使用
1、CHM
CHM，包被絮凝剂，主要用来控制坂含、粘度、和钻屑成形度。配制浓度一般为：0.5%、1%、1.25%、1.5%、2%、2.5%、。浓度调节的标准为，地层对抑制性和粘度的要求，浓度过低，若加量过少会导致坂含上升而引起粘度上升或不好控制，浓度过高会造成液相粘度升高，使钻井液粘度升高，若抑制性不足（岩屑不成形、不好洗、洗过之后不粘手、糊筛子、糊钻杆）且粘度又偏高，可把浓度配低些，量加大，但若粘度不是太高，则以考虑抑制性为主，地层粘土含量高，造浆性强的情况下，不要轻易降低CHM的浓度，而是通过调节HS-1、HS-2胶液的浓度来控制粘度。
加入钻井液时，尤其是转换钻井液过程中，加大阳离子之前，必须对钻井液进行护胶，目前最理想的护胶剂是使用稀释剂碱液。加大阳离子的过程中应注意阳离子与分散剂分开加入，且在流动性较好的地方加入，刚开始的加入量不要大，防止局部絮凝。加入时观察槽面絮凝情况，若絮凝太强，则可能是阳离子浓度太高或护胶不足，需降低阳离子浓度或加大稀释剂的加量，转换时大阳离子浓度一般为0.5%（低浓度）。阳离子类的处理剂必须不断补充，因为不管是打钻还是静止，泥浆都会消耗掉一部分。在打钻过程中随钻屑带走量也比较大，钻屑越细，带走量越大，更需及时根据情况及时补充。
2、NW-1
泥页岩抑制剂，"吃土"能力相当强，但加量过高或护胶不好会引起失水上升或坂含过低导致失水难以控制。所以NW-1加入前必须用稀释剂护胶，且先用低浓度的大阳离子提高体系的抑制性。避免突然抑制过猛，导致局部絮凝。和大阳离子一样，所有絮凝性的处理剂都应该在粘度较低的时候、在护胶充分的情况下，在流动性比较好的地方，均匀加入。最好是细水长流。加量的依据是钻屑、起钻情况、粘度、失水和坂含。粘度降不下来，钻屑不成形，甚至糊筛子，钻杆刮不干净，接箍上有泥巴等现象，说明抑制性不够，需补充NW-1，失水高也要补充，在泥岩段钻进，必须先考虑抑制性再考虑失水。如果抑制性足够，则应该考虑失水，若坂含高，则不是NW-1过量，可能是加得过猛，或护胶不充分，又或HS-1等降失水剂加量不够。这里坂含很重要，不要等失水上升了才去控制，而是要看坂含，泥岩段钻进，坂含控制在30-40g/l左右比较合适。井深了坂含可适当放高40g/l左右。
3、稀释剂
主要作护胶剂使用，所以即使粘度合适也必须加入，同时调节pH值。刚开始加入坂土浆中降粘效果比较明显，但一旦体系转换过来，只要抑制性足够，粘度控制比较容易，一般不需要降粘。稀释剂浓度过高，分散过火，反而升粘。泥岩段若粘度不好控制可加大稀释剂的冲入量，控制粘度之后要加大大、小阳离子，否则粘度还是稳不住。深井段温度高需要降粘，稀释剂的效果又不明显时，此时控制固相很重要。实在没有办法了可进行置换，通过清池子放掉一部分泥浆，降低有害固相。
4、HS-1
配制浓度一二开一般在2-5%，三开可适当放低（3-0.5%），随温度影响比较大，在浅井段降失水效果比较好。在失水合适的情况下，也不要停止加入，最好的低浓度或是少量的加入。有一定的抑制性，护胶不好时加入处泥浆有轻微絮凝现象。作用：降失水，提供一定的抑制性和滤液粘度，改善泥饼质量。
5、HS-2
使用效果：具有很好的降低高温高压失水的效果，主要是在井深后才会使用，一般是在3000m后，泥浆要求高温高压失水，保证井壁的稳定，使用时与HS-1复配成胶液加入，一般在刚开始加入时使用2%左右的浓度，在泥浆适应后使用5%的粘浓度加入，降低高温高压失水效果会很好。
6、沥青
封堵防塌效果比较好，也有一定的降高温高压失水的作用，泥饼质量仅次于HS-1,加入时应注意pH值不可过低，维持在9-10为宜。在加入时可以和HS-1、HS-2复配胶液加入，也可以少量的干加，不会增粘。
7、RH
防泥包效果明显，不粘钻杆，提速也有一定效果，下PDC钻头不可缺少的处理剂，深井段下牙轮则可不加。加入时加量过多或加入过快会起泡，加入量根据进尺快慢每班1-4桶。
8、NaOH
　　用来调节PH值，PH值很重要，若PH值不够，将直接影响粘度和泥饼质量。井越深温度越高越耗碱，所以深井段必须每天注意高温高压失水的pH值，及时补碱。
9、CaO
①石灰的溶解性及注意事项：
生石灰（ＣaＯ）吸水后变成熟石灰（Ｃa（ＯＨ）２），在水中的溶解度不大（常温下约为０.16%）且随温度升高而降低。因此石灰在钻井液中作用缓慢，使用时要注意后效，不要一下子加得太多，但量要加足，确保性能稳定。
②石灰的加入时机及与其他处理剂配合使用时的加入顺序：
我们知道，石灰可提供Ｃa２＋，控制粘土的水化分散，使之保持适度絮凝的粗分散状态，配合分散剂和降失水剂进行钙化处理，可得性能比较稳定，对可溶盐侵污不敏感，对泥页岩防塌性能较好的钙处理钻井液。加入分散剂有两个作用。一是拆散因局部浓度过高的钙离子作用所形成的较大、较强的粘土絮凝结构（这也是为什么石灰在阳离子体系中能降低钻井液粘度，但粘度过大时——特别是在钻进钻速快、造浆率高的软泥盐段——却"加不进去"的原因），二是护胶。即保护粘土颗粒，使他保持适度的尺寸，不至于因聚结合并而变得过大，影响钻井液的多级分散度，减少桥堵颗粒的数量，近而引起失水大幅上升。这也是为什么要配合加入适量降失水剂的原因。另外，介于分散剂在钙处理钻井液中的以上两个主要作用，石灰的加入时间、地点和顺序很重要。先说加入时机，为了避免局部浓集，最好根据地质预报提前预知钻井液性能变化，在粘度上升之前或将钻井液粘度适当降低后冲石灰，便于均匀扩散到钻井液中；再说加入地点，最好在泥浆流动性好的地方加入；最后加入顺序，为了确保粘度不至于太高，同时还不影响钻井液的多级分散度，加入石灰前应先加入适量分散剂，使分散性强的粘土颗粒进一步充分分散，形成厚的水化膜，减少与Ｃa２＋接触的机会，从而使选择性絮凝那些未被分散或分散不好的粘土颗粒；为了拆散过大的聚结颗粒和对适度的聚结颗粒进行护胶，在加入石灰一个循环周后还应继续冲入一定的分散剂。所以，加入顺序应该是分散剂（护胶剂）→石灰→分散剂。另外，因为大多数处理剂都会和Ｃa２＋起反应，所以冲石灰的同时，最好避开其他处理剂。
③石灰的高温固化效应：
Ｘ光分析证明，高温下，钻井液中的粘土与石灰、烧碱起反应，生成水化硅酸钙等类似水泥凝固后的物质，所以钙处理钻井液在高温（130度以上）条件下会发生固化，急剧增稠。因此，深井段要降低石灰的用量，超深井段更应慎用。营1井5650m，出口温度72℃，每般冲入80-100kg石灰，高温固化现象不明显，但应均匀冲入。
④：Ｃa２＋浓度的调节：
正因为石灰的高温固化效应，所以随着井深的增加，Ｃa２＋浓度需要调节。大致可分为三个阶段：
Ａ：浅井段。因为浅井段在钻井液转化为阳离子体系后，大多为泥岩，钻速快，地层造浆率高，粘度不易控制，泥岩段ＰＨ值不高，对失水的要求也不像深井那样高，此阶段应加足石灰的量，使Ｃa２＋含量保持在600mg/l左右。
Ｂ：中深井段。中深井段开始慢慢控制失水，泥岩造浆率逐渐降低，Ｃa２＋的浓度要求有所降低，一般保持在500mg/l左右较为理想。但降失水的过程中，加入磺化类处理剂时为了提高所加处理剂在钻井液中的溶解性，要配合加入适量的烧碱。利用化学平衡＋2ＯＨ－≒Ｃa（ＯＨ）２，烧碱的加入势必提高钻井液的ＰＨ值，所以Ｃa２＋浓度自然降低。另外，钙离子和腐质酸根生成半溶解态的腐质酸钙2Ｈm－＋Ｃa２＋≒Ｃa（Ｈm）２也能自然降低Ｃa２＋浓度，同时由于反应的可逆性，还为体系提供了强大的Ｃa２＋后备库。当滤液中Ｃa２＋浓度降低时，反应平衡左移，补充Ｃa２＋。所以此阶段Ｃa２＋浓度要有所降低，但维护上不用刻意减少石灰的加量。
Ｃ：深井段。此阶段，对失水的要求进一步提高，ＰＨ值升至10，再加上高温的影响，Ｃa２＋的含量应控制在300－400mg/l，此阶段靠Ｃa２＋浓度自然降低已不能满足井下高温和"上不分散下分散"的需要，应适当减少石灰的加量，或根据井下情况和钻井液性能适当停加一段时间。
⑤Ｃa２＋最佳浓度的直观表现和应对措施：
如前所述，阳离子体系中Ｃa２＋浓度控制在500-800mg/l较为理想，但很多时候还是应该根据实际情况便宜行事，保证钻井液不沾钻杆，不糊筛，流动性好，性能稳定，泥饼薄而致密、滑而有光泽、韧性和可压缩性强。
若滤液中Ｃa２＋浓度偏低，粘度切力降得不多，性能不稳定，处理周期短，说明钙处理不彻底，石灰加量太少。若粘度切力大，则是分散剂加的不够，应及时补充。若钻井液颜色发黑，ＰＨ值较高，滤液颜色深，性能不稳定，则是分散剂加过量了，要多加石灰，少加分散剂。
⑥石灰的加入对泥浆性能的影响及注意事项：
Ａ：对粘度的影响
石灰，分散剂加入钻井液充分反应后，粘度有一个先升高后降到比原来还低的变化过程低（如图１），固相和坂土含量越高，这种变化越明显。
Ｂ：对失水、屈服值、塑性粘度及动塑比的影响
石灰的加入会使粘土颗粒的分散度降低，水化膜变薄，自由水增加，所以失水会增大。同时由于对粘土粒子的絮凝使钻井液中固相颗粒的浓度减小，所以塑性粘度降低；而流动状态下由于黏土颗粒水化膜变薄，ζ电位降低，颗粒间更容易互相接触形成结构，所以屈服值升高，触变性增强。从而动塑比升高。
所以加入石灰前应适当降低失水，为加入石灰后失水提供上升的缓冲空间，而加入石灰后应注意根据井下情况调整好钻井液流变性，避免触变性过高，开泵困难。动塑比过高，对井壁的冲刷力减弱，井壁动态泥饼增厚。
四、阳离子钻井液的配制与维护处理
　1）若在套管内转化，先将稠浆除砂净化，使用胶液稀释成低般土浆，控制总土量为4-5％。
　2）钻井液PH值控制在9.5-10.0较好，PH值太高易造成部分阳离子处理剂不稳定。对于水泥塞段较长的井（水泥塞四十米左右），钻水泥塞时可使PH值高达12，并使粘切显著下降。因此，在预知有大段水泥塞时，要提前加入大、小阳子，并注意及时控制泥浆的粘切。
　3）深井阶段及对付易垮泥页岩地层，需要使用沥青防塌剂，禁止用焦油类磺化沥青和褐煤、腐植酸类磺化沥青。
　4）润滑剂用量是根据井下的情况来定，或是定期的补充
　2、配浆与维护
　　1）阳离子钻井液对钻井液固控、循环系统及日常维护的基本要求：
　（1）振动筛应采用80至120目的筛布，可根据所配备的振动筛类型、筛布寿命和实际工种情况进行调整，但筛布目数不能低于60目。
　（2）至少具备性能可靠的除砂器和除泥器，要长使用离心机除有害固相。
　（3）循环池上最好摆有两个可由泥浆泵直接抽吸的2m3的小药品池。其好处有以下两点：
A、有专门储存大阳离子胶液的小药品池，用闸门控制做到"细水长流"，防止与磺化类处理剂混合后产生不便于泵送的膏状沉淀物。
B、另外一个药品池专门配制磺化类处理剂液体。或者在大罐内一次性复配后送入药品池备用。
　（4）由于许多药品是液态的，如NW-1、润滑剂、RH等，可以摆在循环池上控制流量加入或将液态药品转送到小药品池。
　（5）加重漏斗应能分别与泥浆储罐、泵上水罐小隔仓、胶液罐及备用罐建立循环，以便于钻井液的配制，按循环周进行钻井液维护和处理。
3、阳离子钻井液的维护
　（1）阳离子在转化时，要先使用5%的FCLS减液护胶，待粘度降至40左右后，开始加入1-2%的HS-1胶液控制粘度、护胶，并可以少量的增加抑制性，再加入浓度0.5%的CHM胶液，最后再少量的加入NW-1和石灰，最终粘度在42s左右，密度稳定，筛子上砂子返出清爽为好。
　（2）钻井液的失水控制，一般在上部软泥岩井段，使用HS-1控制泥浆的API滤失量可控制在5ml；在随着井深的同时，还要逐步降低高温高压滤失量，主要使用HS-2控制不大于10ml。在使用HS-2时，HS-1不能停，可以根据粘度和流变性适当的减少加量，经过这样处理后，泥饼质量将得到进一步改善，这对易垮井段来说是极为重要的。
　（3）钻井液的粘度、切力过高主要由稀释剂碱液。如果切力居高不下，可使用稀释剂碱液。一般上部软泥岩造浆井段，粘度控制在50s左右，若高了往往会出现钻具泥包和缩径现象。
　（4）NM-1和CHM加量应根据地层情况，日进尺和钻井液性能来补充。在钻遇泥岩之前就应及时补充大、小阳离子，尤其是在大井眼进尺比较快的泥岩井段中。并注意及时补充降滤失剂，以消除因降粘切时造成的滤失量上升。
　（5）润滑剂、RH有助于改善泥饼的润滑性，电测、下套管前应保证一定的加量，钻井期间也要维护加入。
　四、几点结论
阳离子钻井液是以高分子量阳离子聚全物作为包被絮凝剂，以小分子量有机阳离子化合物作为粘土稳定剂的一种新型水基钻井液体系。通过近年的钻井总结和室内地层粘土矿物剖面的分析、理化性能研究，现场应用结果表明，这种钻井液不但具有较强的抑制粘土矿物水化膨胀和水化分散作用，而具有良好的流变性、较低的滤失量和稳定井壁的功能，具体如下：
1、具有较强的抑制粘土矿物水化膨胀和水化分散的功能和包被絮凝能力，有利于保持低固相，稳定井壁和减少井下复杂情况。
2、钻井液中胶体颗粒含量较低，流变性能比较稳定，滤失量易控制，现场维护简单。
3、由于阳离子型处理剂的特殊结构和特殊性能及粘土颗粒上的较强吸附，有利于防止起下钻遇阻遇卡，防止钻头和扶正器等井下钻具泥包，电测成功率高，下套管顺利。
4、振动筛上钻屑清爽，不易发生粘泥糊筛现象，有利于提高固控设备效率。
5、具有良好的抗高温、抗盐、抗钙等能力。
6、具有较强的抗坂土和钻屑的污染能力。
7、较强的抑制粘土矿物水化膨胀和水化分散的能力和低固相含量、低滤失量，有利于减少钻井液对油层的损害。
综上所述，阳离子聚合物钻井液是具有强的井壁稳定能力，并有助于提高钻井速度，保护油气层的钻井液体系。