《钻井液与完井液》PPT课件.pptVIP

第五章、钻井液原材料和处理剂 本章要求掌握主要内容： 1. 钻井液处理剂的分类 。 2. 降粘剂、降失水剂、 絮凝剂的作用原理。 3. 常见降粘剂、降失水 剂、絮凝剂、加重剂。 4. 降粘剂、降失水剂、 絮凝剂的选择方法。 钻井液处理剂-调配、 维护和恢复钻井液工艺性能的添加剂 。 发展概况： 五十年代仅几种：纯碱、烧碱、褐 煤、栲胶等。 现有几百种商品牌号，分十六大类 ，国内产值超过二十亿，有大量专业公司、 厂家。 发展方向：抗温、抗盐 钙、无毒、多功能、可生物降解。 第一节、钻井液处理剂的分类 按照处理剂组成分类: 钻井液原材料 无机处理剂 有机处理剂 表面活性剂 2. 有机处理剂按来源分类: 天然产品 天然改性产品 人工合成产品 有机处理剂按化学组成分 类: 腐植酸类、纤维素类、木质 素类、丹宁酸类、沥青类、淀粉类、聚合物类等 4. 按照处理剂的功能分类(我国钻 井液标委会分类) 降粘剂 Thinner 增 粘剂 Viscosifier 降失水剂 Filtration Reducer 絮凝剂 Flocculant 加重剂 Weighting Agent 解 卡 剂 Pipe-Freeing Agent 堵漏剂 Lost Circulation Material 乳化剂 Emulsifier 消泡剂 Defoamer 润滑剂 Lubricant 缓蚀剂 Corrosion Inhibitor 页 岩抑制剂 Shale Inhibitor 粘土类 Clay 杀菌剂 Bactericide 起泡剂 Foaming Agent 其它类 Others 处理剂研制及作用机理研究 内容和方法 提出功能要求 处理剂分子结构分析与设计 处理剂在粘土颗粒上的吸附规律研 究 所处理的钻井液性能的变化 处理剂抗温、抗盐钙能力评价，毒 性、生物降解性测试。 方法：分子量、基团及结构的研究(化学 和仪器分析) 钻井液性能测试等。 吸附规律研究 第二节 无机处理剂 常用产品 纯碱 烧碱 石灰 石膏 氯化钙 氯化钠 氯化钾 硅酸钠及硅酸钾 重铬酸钾和重铬酸钠 六偏磷酸钠 混合金属层状氢氧化物 无机处理剂作用原理 离子交换吸附 调控钻井液的pH值 沉淀作用 络合作用 与有机处理剂生成可溶性 盐 抑制溶解的作用 加重剂 用于提高钻井液 密度的物质材料。 要求： 密度大、耐磨损、不增 粘、可酸溶。 常见固体加重材料的物化 性质 材料名称 化学成分 密度 g/cm3 硬度 酸溶性 重晶石 BaSO4 4.0 4.5 2.5 3.5 难溶 铁矿粉 Fe2O3 4.9 5.3 5.5 6.5 溶 方铅矿 PbS 7.4 7.7 2.5 2.7 溶 菱铁矿 FeCO3 3.7 3.9 3.5 4.0 溶 钛铁矿 TiO2Fe2O3 4.5 5.1 5.0 6.0 溶 石灰石粉 CaCO3 2.7 2.9 3 溶 磁铁矿 Fe3O4 5.0 5.2 5.5 6.5 溶 第三节、钻井液有机处理剂的作用原理 一、降粘剂（又称解絮凝剂 、 稀释剂） 1.钻井液稠化原因 由于粘土颗粒表面与端面性质不同 ： 带电情况不同 表面带负电，端面 带正电。 水化程度不同 表面水化膜厚，端 面水化膜薄。 Al +Si + 钻井液稠化原因： 当钻井液中固相含量高和 外界污染改变粘土表面性质时，极易形成：端-端 、端 面联结的空间片架结构， 从而造成： 钻井液结构粘度增加； 片架结构包住大量自由水 ，流动阻力增加。 2. 降粘剂作用机理 降粘剂分子通过（静电吸附、配位 键吸附）吸附在粘土颗粒端面上，改变端面性质，拆散片 架结构，从而降低钻井液结构粘度。 具体方法为： （1） 使端面反号 由带正电性端面转变为负电性端面 。即： 正负相吸 负负相斥 + - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - （2） 增强端面水化膜厚度 吸附基吸附在粘土颗粒端面上， 水化基给端面带来丰厚的水化层，削弱端-端、端 -面连接 ，拆散了片架结构，同时放出自由水，使粘度降低。 降粘剂作用特点 主要作用于端面 用量少、效果显著 0.51% （因为端面少）。 降失水与降粘作用有时相一致 ，有时不同。 主要降低 0、 c、，不 降 s。 3. 常见降粘剂 单宁酸钠（NaT） 磺甲基单宁（SMT） 铁铬木质素磺酸盐 (FCLS) 两性离子聚合物降粘剂（XY - 27） SSMA(磺化聚苯乙烯顺丁烯二 酸酐钠盐） 硅氟降粘剂 铁铬木质素磺酸盐 (FCLS)的使用 通常配制成碱液使用。 FCLS碱液的配制 FCLS : NaOH = 3 5 :1 （FCLS + NaOH）混合碱液 = 1/5或 1/10 例题 40ml FCLS碱液（3：1， 1/5）中，含固体FCLS多少克？NaOH多 少克？ 解：FCLS+NaOH总重为： 1/5 40 = 8 (g) FCLS重量为： 3/(1+3) 8 = 6(g) NaOH重量为：1/(1+3) = 2 (g) 答：含FCLS重量为 6 g， NaOH重量为 2 g。 4. 降粘剂选择方法 仪 器: 漏斗粘度计、 旋转粘度计。 评价指标： s 、 0 、漏 、 方 法： 钻井液 + 降粘剂（%） 测定性能 评价标准： s 、 0 漏 、 降粘剂的发展方向: 高密度钻井液的降 粘问题 二、降失水剂 分析： 降失水途径：提高泥饼质量（ 降低K） 增加滤液粘度 降低压差 改变固相含量、级 配和表面性质等 要求： 胶体粒子浓度充足 保持体系聚结稳定性 有一定量的桥塞粒子 （护胶） 泥饼形成过程 钻井液流动 桥塞粒子 在孔喉 架桥的粒子 填充粒子 在桥塞 粒子间隙填充的粒子 降失水剂作用机理 1. 水化膜护胶 降失水剂在粘土粒子表面( 平表面)形成吸附溶剂化层，保持体系聚结稳定性 的作用。 机理：水化膜增厚， 聚结阻力 增大， 胶粒稳定性增强 ， Vf 降低。 特点： 分子量较低、水溶性好。 用量较大 35%（表面）。 2. 静电稳定 降失水剂吸附在粘土表面 上，增加表面电荷以降低颗粒之间吸引力的作用 。 结果：负电荷增加， 电势增 加， 胶粒稳定性增强，失水降低。 3. 高分子保护 敏化作用 高分子保护1 高分子保护2 大分子浓度低时， 吸附粘土粒子的高 分子 许多高分子吸附 不足以形成混合网 链之间形成网架结 构, 在胶粒表面，形成 架结构，颗粒失去 粒子被隔离开不易 包蔽层，阻止胶粒 重力稳定性。 聚结，保证体系中 聚结。 胶粒含量。 4. 几种常见的降失水剂 钠羧甲基纤维素（Na - CMC） 煤碱剂（NaC） 磺甲基褐煤(SMC) 磺甲基酚醛树脂（SMP） 磺化木质素磺甲基酚醛树脂缩 合物（SLSP） 水解聚丙烯腈钠、铵、钙盐(Na- 、NH4-、Ca-HPAN ) 褐煤与树脂共聚产品（如PSC SPNH ） 淀粉类 煤碱剂（NaC）的使用 通常配制成碱液使用。 主要成分：腐植酸钠 （利用 NaOH提取出来）。 NaC碱液的配制 褐煤：烧碱：水 = 10 15 ：2 ：50 100 例题： 欲配制15：1：100的 煤碱液2米3，问需要褐煤和烧碱各多少吨 ？ 解： 褐煤：烧碱：煤碱液 （体积）=15：1：100 褐煤量 = 2 15/100 = 0.3 (t) 烧碱量 = 2 1/100 =0.02 （t） 答：需要褐煤 0.3 t，烧碱 0.02t。 5. 降失水剂选择方法 仪 器: API静失水仪、 HTHP静失水仪。 评价性能：静失水量、泥 饼厚度。 方 法： 钻井液 + 降失水剂（%） 测定性能 评价标准： API静失水 d2 d3 1 2 3 分散 聚结 沉降 (E-E) (F-F) (E-F) 钙污染处 理 处理原则：除钙、护胶、 拆结构。 除钙：加纯碱。 CO3-+Ca+ CaCO3 护胶：加降失水剂（NaC 、CMC） 拆结构：加入稀释剂（ NaT、FCLS） 水泥侵的处理 特点：PH 增加，失水增大 ，粘切先升后降。 处理： 加低碱比的护胶混合液 NaC : NaOH : NaT : Na2CO3 : H2O 5 : 12 : 1 : 2 : 50 清水钻水泥塞，钻完放 掉。 石膏侵的处理 特点：PH 降低，失水增大 ，粘切先升后降。 处理： 对于薄层石膏层 纯碱 + 烧碱 （除钙）（提pH） 对于大段石膏层 使用高碱比的混合液 预处理 预先配成钙处理钻井液， 抑制石膏溶解。 钙污染时控制泥浆性能 的关键: 1) 泥浆膨润土含量 太少, 泥浆粘度太 低 太多,泥浆粘度高 1525克/升 2) 纯碱用量适当 太多, 泥浆起泡, 初 切很大且降低困难 盐污染及其处理 污染曲线 Vf NaCL g/100ml 失水 粘度 3 污染规律 随NaCL增加： pH 降低、 Vf 增大 、 先升后降。 3%为分界线 3%前，Vf增加小， 升高 3%后，Vf 增加多， 降低。 原因: 盐对粘土双电层的 压缩作用 盐侵污处理 原则：抗盐、护胶、拆结 构、换土。 抗盐、护胶：加入抗盐能 力强的有机护胶剂。 如：CMC; SMP 拆 结 构：加入抗盐稀释剂 。如：FCLS; SMT 换 土：换抗盐土。 如：海泡石、凹 凸棒石。 （二）钻井液性能调节 提、降密度 提、降粘度 提、降切力 降低失水 提高泥饼质量 提、降pH值 1. 定体积低密度钻井液加 重时所需加重材料 W加重剂 = W重泥浆 - W轻泥 浆 V重泥浆 = V轻泥浆 + V加重 剂 ( W加重剂 / 加重剂） 由上式得： 式中， 加重剂 加重 材料密度； 重泥浆 加重后 钻井液密度； 轻泥浆 加重前 钻井液密度； V轻泥浆 加重 前钻井液体积。 例题 某井打开油层前共有 钻井液450米3，其密度为1.20g/cm3,现根据 地层压力须加重到1.40g/cm3，问需用重晶 石（密度4.00）多少？ 解： 2. 配制定体积高密度钻 井液所需加重材料 式中，V重泥浆 欲配高 密度钻井液体积。 例题： 有密度为1.20的钻井液 ，欲配成密度为1.60的钻井液150米3，需 用重晶石（密度4.00g/cm3）多少？ 解： 答：需用重晶石85.7 吨。 3. 降低钻井液密度所需 的加水量 计算公式： 式中，V水 所需加水 量； V重泥浆 原重泥 浆体积； 重泥浆 原重泥 浆密度； 稀释浆 稀释后 泥浆密度； 例题 有300米3密度为1.35的 钻井液，欲加淡水降低密度到1.15g/cm3， 需加水多少？ 解： 答：需加水400米3。 水基分散型钻井液的 优缺点 本质：尽量提高粘土粒子 的分散度来建立钻井液的性能。 方法： 分散介质 淡 水 处理剂 分散 剂 （降粘剂、护胶剂） 优点： 泥饼质量好 薄、密 、韧。 固相容量限高 最适 合配制高密度钻井液。 缺点： 固相含量高 高 分散性强、抑制性差，不适应 强造浆地层钻进。 油气层保护能力差，钻达油气 层必须加以改造。 对可溶性盐类敏感。 抗温能力较差。 第二节、水基抑制性钻井液 本节主要掌握： 1. 抑制性钻井液的基 本特点 2. 石灰钻井液性能指 标及维护原理 3. 盐水钻井液性能指 标及维护原理 抑制性钻井液 组成： 水 + 粘土 + 无 机盐 +处理剂 水 + 粘土 + 聚 合物 实质；利用粘土粒子的适 度分散，保持钻井液性能稳定。 核心：保持固相具有适当 的分散度。 方法：利用无机盐压缩双 电层作用使粘土粒子絮凝，再利用降粘剂 的解絮凝作用去抵消一部分絮凝，直到分 散度合适 性能符合要求。 抑制性钻井液定义： 能抑制钻屑造浆（能 提供抑制性化学环境）的钻井液。 方法： 采用无机盐和 聚合物。 实质： 土粒由高度分 散 适度絮凝 。 类型： 钙处理钻井液 盐水钻井液 、海水钻井液 甲酸盐钻井 液 钾石灰钻井 液 硅酸盐钻井 液 聚合物钻井 液 （一）钙处理钻井液 石 灰钻井液 钙处理钻井液 石 膏钻井液 氯 化钙钻井液 分散与絮凝 分散态：粘土高度分散 ，粘度大，失水小，不抗盐侵污 絮凝态：颗粒粗，粘切 大，失水大， 适度絮凝粗分散态：颗 粒适当大小，粘切失水合适 加钙盐 加分散剂 钙盐、分散剂类型 石 灰 石 膏 氯 化钙 丹 宁 ,FCLS,CMC F CLS,CMC 褐 煤,FCLS 1. 石灰钻井液 基本配方 膨润土浆 + 护胶剂 + 石灰 （CaO） 石灰的作用 提供Ca+; Ca+使粘土絮凝。 实验曲线 Ca+ (PPm)0 (cp) 120200 细分散泥浆 从曲线得到规律： Ca+ = 120 200 ppm 最好 。 此时，粘度合适，钻屑对 粘度影响最小。 配制工艺： 性能维护： 滤液含钙量的保证 滤液碱度 Pf (每毫升滤液 耗0.02N酸的毫升数） 意义：滤液中OH- 浓度的 量度。 作用：控制石灰溶解度： Pf 过高， Ca+减少， 一般： Pf = 1 10 ml 方法：用NaOH控制。 泥浆碱度 Pm：每毫升泥浆 耗0.02N酸的毫升数 意义：钻井液中溶解和未 溶解的氢氧化物多少的量度。 规律：Ca(OH)2 增加， Pm 增大， 一般： Pm = 10 25 ml 方法：用Ca(OH)2 控制。 游离石灰含量（剩余石灰 含量） 意义：反映钻井液中未溶 解（过剩）石灰量。 滤液 Ca+ 意义：已经溶解了的Ca+ 含量。 一般：120 200 ppm 石灰泥浆最大的问题 ： 高温固化： 石灰 + 粘土 + NaOH 水化硅酸钙 高温深井泥浆中不用 褐煤氯化钙泥浆 煤碱剂加量大，当配浆材料 钙离子含量高，抑制性较强 生成大量胶态腐植酸钙 腐植酸钙胶状物的作用： 保证并稳定钙离子含量 参与泥饼形成，有利于降失 水 体系抗盐钙，抗温能力较强 盐水钻井液 定义：凡NaCl含量超过 1%（质量分数，Cl-含量约为 6000mg/l）的钻井液。 分类 一般盐水钻井液 饱和盐水钻井液 海水钻井液 组成：粘土抗盐处理 剂盐 盐水钻井液的主要特点 由于矿化度高，具有较强的 抑制性，利于井壁稳定 抗盐钙侵污能力较强，适于 钻含岩盐地层或含盐膏地层 抗温能力较强，适合于深井 或超深井使用 对油气层损害较轻 钻屑不易分散，在地面易清 除，利于保持钻井液的低固相含量 有效地抑制地层造浆，保持 流变性能稳定 但维护工艺复杂；腐蚀性强 ；配制成本相对较高。 饱和盐水泥浆 Cl-1 1619万mg/l 添加剂抗盐达饱和 SMP-2； CMC；SPNH 盐的重结晶问题 盐层中的软泥岩问题 第三节 不分散低固相聚合物 钻井液 应用范围： 浅井6000米深井 淡水饱和盐水体系 密度1.022.0g/cm3 直井，定向井，水平井 聚合物体系发展的必然性 密度或压差影响钻速 固相含量及类型影响钻 速 粘度影响钻速 瞬时失水影响钻速 密度或压差对钻速的影响 其它条件相同时，密度 （压差）下降，钻速上升。 例：密度1.10升至此 1.65,钻速从10降为3.3m/h。 例：压差从35降至0大气 压，钻速上升50%。 机理 减弱岩屑压持效应 压差增大井底岩石可钻 强度。 密度大，压耗大，排量 小。 固相含量的影响 固含 钻头数量 钻进天数 钻头进尺 机理 密度（压差）升高 压耗增加 紊流流动阻力增大 泥包可能性增加 固相类型的影响 惰性固相（砂，重晶石 ） 劣土，钻屑 搬土 亚微米颗粒对钻速 的影响很大 粘度的影响 实 验表明： 降低粘度能提 高钻速 机理 ： 粘 度低: 利 于冲击和清洗井底 ； 利 于降低岩屑压持效 应； 利 于降低压耗。 失水对钻速的影响 瞬 时失水大，钻速 高 原 因： 降低岩屑压持效 应 聚合物泥浆的分类 按 固含分： 清 水或盐水聚合物 油 水乳状液（基本 不含固相） 低 固相聚合物泥浆 按 聚合物类型分： 单 一聚丙烯酰胺类 聚合物泥浆 多 种大分子金属盐 复配聚合物泥浆 阳 离子聚合物泥浆 两 性离子聚合物泥 浆 聚合物的主要作用 絮 凝作用和选择 性絮凝作用 防 塌作用 剪 切稀释和紊流 减阻作用 包 被作用 成 网能力 降 滤失作用 概念 絮凝作用：可看作是高 分子物质对粘土悬浮体的敏化作用。 高聚物通过与粘土粒子吸附，架桥， 成网，絮凝沉降而实现。 选择性絮凝作用：只絮 凝劣土和钻屑而不絮凝搬土的作用。 絮凝能力的评定方法 在250ml量筒中，加入 200ml蒸馏水，再加入30g岩屑，摇匀 后加入1g聚合物溶液(1%),以每分钟 30次的频率颠倒混合1分钟, 静置，15 分钟后测上部清液高度，如果清液高 ，说明聚合物絮凝能力强。 絮凝作用的影响因素 同一聚 合物的不同盐类 分子量 基团种 类和比例 粘土种 类 粘土粒 子浓度 pH值 无机盐 温度 聚合物 浓度 其它分 散剂 搅拌条 件 包被作用 概念： 聚合物吸附包 被于钻屑上， 抑制钻屑水化 分散的作用。 常 用评定方法： 一次回收率和 二次回收率 成网作用及成网能力 成网作用： 聚合物分子间及聚合 物分子与粘土粒子间形成空间网状结 构的作用。 成网能力： 聚合物与粘土粒子形 成空间网状结构的能力。 聚合物泥浆内部结构的五种形态 内缔合作用形成链束或链 团 分子链吸附包裹于土粒上 聚合物链束吸附多个土粒 即架桥 一条链束吸附多个土粒或 一个土粒上吸附多条链束，彼此连接成网 网状结构过强，挤出束缚 水，水土分离即絮凝作用 认识 空间网状结构是聚合物 泥浆具有特殊流变性的基础。 该结构取决于聚合物在 泥浆中的成网能力。 影响聚合物成网能力的 因素将影响泥浆的流变性和失水造壁 性。 防塌作用及机理 例 ：用PHP清水钻 川南自流井群易 塌泥岩。 胜 利油田用 PAM/KCL钻水 敏性红层 机 理： 在 井壁多点吸附封 堵微裂缝，阻止 剥落。 在 井壁形成吸附膜 ，阻止或减缓水 进入泥岩。 改 善失水造壁性。 剪切稀释和紊流减阻 剪切稀释： 聚合物可增强泥浆的剪切稀释 性，即增加动塑比值，降低n值。 紊流减阻： 聚合物泥浆有降低泥浆紊流摩 阻的作。 低剪率下，分子链较卷 曲，相互缠绕，水化层近于球形，随剪率增加， 分子逐渐伸展，相互缠绕减少，水化层趋于扁平 ，故使粘度和摩阻下降。 降滤失作用 聚合物降滤失能力与其 分子量大小，含盐量，温度等有关。 滤失量与泥饼质量间有 矛盾，滤失量小时泥饼质量差（发虚 ，发泡），泥饼好时滤失量较大。 解决办法：加入惰性降 失水剂。 聚合物钻井液的组配原则 取长补短，复配使用。 大小分子结合，大分子稳 定井壁改善流型，小分子降滤失。 聚合物配比和加量应根据 具体情况决定，造浆强的地层以大分子为 主，渗透性好的地层应以小分子为主。 不同体系选不同的聚合物 盐类，钠盐适合于淡水体系，钙盐适合于 海水或盐水体系，钾盐适防塌。 固含高，粘切大时，大分 子量少。 聚合物钻井液的性能指标 低密度固含小于4%(V/V)。 钻屑与亚甲基蓝搬含之比 小于2：1。 YP(dyn/cm2)/PV(mpaS)=4. 8. 对非加重泥浆， YP=1530dyn/cm2。 流变参数优选， =26mpaS,c=0.31.5Pa,Im=300600 尽量不使用分散剂 失水控制视情况具体分析 阴离子聚合物钻井液主要处理剂 聚丙烯酰胺及其衍生物 聚丙烯酰胺(PAM)、部分水解 聚丙烯酰胺(PHP)、水解聚丙烯腈（钠 盐Na-PAN、铵盐NPAN）、聚丙烯酸 钙、磺甲基化聚丙烯酰胺(SPAM) 醋酸乙烯酯-顺丁烯二酸 肝共聚物(VAMA) 磺化苯乙烯-顺丁烯二酸 肝共聚物(SSMA) 两性离子聚合物 现有产品主要有两个型号 ：降粘剂(XY)、强包被剂(FA) 降粘剂（XY系列）XY-27 分子量较小（74 m 有害固相对钻井所带来的不利影响 使钻速降低，钻头进尺减 小 钻井设备磨损加剧 泥浆比重、粘度升高 泥饼加厚 钻井液费用增加 伤害油气层 固相控制的意义 提高钻速,延长钻头寿命 减薄泥饼,减少压差卡钻和 测井工具遇卡率 降低粘度,利于高压喷射,减 小激动压力 减轻油气层损害 使钻井液性能稳定,简化维 护处理,减少钻井液费用 降低密度,减少井漏可能 是聚合物不分散低固相泥 浆实现的一个关键 清除泥浆固相的方法 加水稀释 等量替补 化学方法:使用絮凝剂使钻 屑呈团簇絮凝