第二章 钻井液（3）

二、钻井液的失水造壁性能,1.失水造壁性的基本概念（1）水基钻井液中的水的存在状态结晶水（又称化学结合水），属于粘土矿物晶体构造的组成部分，只有温度高于300以上时，结晶受到破坏，这部分水才能释放出来；吸附水，由粘土颗粒表面吸附的水分子所形成的水化膜组成，这部分水随粘土颗粒一起运动，又称束缚水；自由水，钻井液中自由移动的水，水基分散体系的分散介质，占总水量中的绝大部分。,第三节钻井液的工艺性能,第二章钻井液,（2）失水与造壁的概念漏失：是指钻井液的固相和液相全部进入地层的现象；滤失：是指钻井液中只有液相进入地层的现象；失水：钻井液在滤失过程中，其中的自由水在压差作用下向多孔性地层滤失渗透的过程叫做失水，显然，失水是一个较为长期的过程；失水量：一定时间间隔内，失水的多少叫做失水量（或滤失量）。泥饼：在失水的同时，钻井液中的固体物质和固体物质上的吸附水滞留在井壁上形成的胶结物叫泥饼。质量好的泥饼一般薄而韧，表现出结构致密、耐冲刷、摩阻系数小的优点。其中，泥饼厚度单位通常用mm表示。造壁：井壁上形成泥饼的过程叫做造壁。钻井现场上通常提到钻井液的造壁性，它是指钻井液在井壁形成泥饼封固井壁的能力。,第三节钻井液的工艺性能,第二章钻井液,第三节钻井液的工艺性能,第二章钻井液,h泥饼厚度,（3）井下钻井液失水过程钻井液向地层多孔介质渗透存在三种失水：瞬时失水（SpurtLoss）、动失水（DynamicFiltration）、静失水（StaticFiltration）。瞬时失水是泥饼尚未完全形成之前很短时间内的失水，特点是时间短（t2秒）、占总失水量的比例小。动失水是钻井液循环时的失水，特点是泥饼形成、增厚与冲蚀处于动平衡（高渗透率泥饼减小为低渗透率泥饼，最后趋向于稳定值）；失水速率大、失水量大。静失水是钻井液停止循环后的失水，特点是失水速率小、失水量较小、泥饼厚（因为无冲蚀作用）。控制井下失水量，必须控制动失水；控制泥饼厚度必须控制静失水。在室内，静失水则是指在指定静态条件下，采用静失水仪器测得的失水量。,第三节钻井液的工艺性能,第二章钻井液,（4）失水造壁性对钻井作业的影响在钻井作业中，失水量过大会产生两个害处：导致水敏性泥页岩缩径、垮塌；导致油气层内粘土水化膨胀使产层渗透率下降，从而损害油气层。泥饼过厚也至少产生两个害处：井径缩小，引起起下钻遇阻遇卡；泥饼粘附卡钻。因此生产现场上要求泥饼薄、密、韧；失水量适当（并非越小越好）。一般来讲，遵循控制静失水量的“五严五宽”原则。五严：井深、裸眼长、矿化度低、油气层段、易塌层段控制静失水量严；五宽：井浅、裸眼短、矿化度高、非油气层、地层稳定井段将静失水量放宽。对于一般地层：API失水控制1015ml/30min范围；对于水敏性强的地层或渗透率较高的砂岩地层，控制API失水必须小于5ml/30min。,第三节钻井液的工艺性能,第二章钻井液,2.钻井液的静失水按照API方法测定的滤失量为静失水，其大小以30分钟内在一个大气压压差作用下，渗过一定面积的水量，单位为ml；通常标准的API失水仪面积为45cm2，在压力为6.8at（100磅/加仑）条件下操作。30分钟收集的滤液量称为标准失水量。上式表明了任意时刻失水量之间的关系。如果t1为7.5分钟，t2为30分钟，则：Vf30=2Vf7.5。即7.5分钟的静失水量等于30分钟静失水量的一半。这是生产现场上经常采用7.5分钟静失水量乘以2以表示30分钟静失水量的道理所在。,第三节钻井液的工艺性能,第二章钻井液,按达西公式推导：对于某种泥浆和一定压差。,第三节钻井液的工艺性能,第二章钻井液,高温高压失水仪：35at、232、失水仪面积为45cm22,API失水，并注明是在高温高压下测定。,3.钻井液失水造壁性的调节与控制失水造壁性的调节与控制指标随钻遇的不同地层而有相应的要求，对于油气层,要求API静失水量小于5ml,高温高压静失水量小于15ml；对于易塌泥页岩地层，要求API静失水量小于5ml；对于一般地层，瞬时失水量可以放宽，API静失水量只要小于1015ml即可。调节、控制钻井液失水造壁性的目标参数和要求为：静失水量Vf小；泥饼薄、密、韧。其中，最重要的是泥饼的渗透性、致密性。致密的、渗透性小的泥饼是控制失水量的关键，也是获得良好造壁性的基础。,第三节钻井液的工艺性能,第二章钻井液,调节、控制钻井液失水造壁性的方法和原则：1）调节钻井液固相粒子级配，保持足够的胶体粒子含量，包括选用优质膨润土作配浆材料，选用护胶性强的处理剂，如CMC、SMP、XY-27等聚合物以保护粘土颗粒，阻止它们聚结，从而有利于提高分散度，形成致密泥饼。同时，聚合物本身沉积在井壁岩石孔隙或者泥饼孔隙上，也起到堵孔作用，使失水量降低。2）加入惰性超细粒子（如超细碳酸钙），并加入一些能在钻井液中生成胶体粒子的处理剂（如腐植酸与钙生成腐植酸钙胶状沉淀）堵塞泥饼孔隙，降低泥饼渗透率k，减小失水量。3）快速钻进，缩短井壁浸泡时间也是减小失水量的一条途径。,第三节钻井液的工艺性能,第二章钻井液,三、钻井液的其它性能,钻井液密度钻井液含砂量钻井液PH值钻井液固相含量和油、水含量钻井液膨润土含量钻井液滤液化学性质（碱度、Ca2+含量、石灰含量、硬度、Cl-含量、盐基总量、SO42-含量等）另外，深井钻井液的热稳定性、高密度钻井液的润滑性、油包水乳化钻井液的乳化稳定性、防塌钻井液的抑制性等。,第三节钻井液的工艺性能,第二章钻井液,1、钻井液的密度定义:钻井液单位体积的质量称为钻井液的密度，单位为g/cm3。测定:钻井液密度测定用的是比重天平（又称比重称）。作用:平衡油、气、水层压力，防止井喷、井漏和钻井液受地层流体的污染。平衡地层地应力，保持井壁稳定，防止井塌。实现近、欠平衡钻井技术，提高钻井速度，并减小压差对油气储集层的潜在损害。,第三节钻井液的工艺性能,第二章钻井液,2.钻井液的含砂量钻井液含砂量是指钻井液中不能通过200目筛（筛孔边长74）的固体（砂、岩屑）的体积占钻井液体积的百分数。在一口井的钻进中，通常要求钻井液含砂量0.5%。含砂量过高会带来以下危害：钻井液密度升高，降低钻井速度。泥饼中含砂量升高，泥饼渗透率增大，造成钻井液失水量增加。泥饼表面摩擦系数增加。钻头、钻具、泵等机械设备磨损严重。降低含砂量的最好方法：使用好振动筛、除砂器、除泥器和清洁器等固控设备。,第三节钻井液的工艺性能,第二章钻井液,3.钻井液的PH（酸性对橡胶有腐蚀、处理剂在碱性下溶解）钻井液PH值是用来表示钻井液滤液含酸、含碱的程度。钻井液PH值等于钻井液滤液中氢离子（H+）浓度的负对数，即：PH=-lgH+不分散型钻井液体系一般控制PH值在7.58.5；分散型体系的PH值都在10以上。为了防止CO2腐蚀，常把PH值控制在9.5以上。钙处理钻井液PH值在11以上。现场测量钻井液的PH值时常用PH试纸，但精度较差。在实验室内常用配有饱和甘汞电极和玻璃电极的酸度计（PH计）测定，较为精确。,第三节钻井液的工艺性能,第二章钻井液,4.钻井液的固相含量（1）固相分类按作用分：有用固相和有害固相；按固相的密度分：高密度固相和低密度固相。按固相与液相是否反应：与液相起反应的称作活性固相；与液相不起反应的称作情性固相。按固相粒度大小：根据美国石油学会（API）的规定，分成三大类：粘土（或胶体）粒度小于2m泥粒度为274m砂粒度大于74m,第三节钻井液的工艺性能,第二章钻井液,非加重钻井液：加重钻井液：,第三节钻井液的工艺性能,第二章钻井液,（2）固相的计算,5.钻井液的膨润土含量钻井液的膨润土含量(又称MBT值),是用亚甲基蓝实验测定的亚甲基蓝容量，反映了钻井液中活性粘土数量的多少。MBT值对钻井液的流变性和造壁性有重要影响。MBT值过大,钻井液的粘切急剧增大,泥饼增厚,容易造成井下复杂情况；MBT值过小，钻井液的粘切容易急剧下降，失水增大。在高密度钻井液中,MBT值过低还易造成体系沉降稳定性变差，导致加重材料下沉出现井下复杂情况。,第三节钻井液的工艺性能,第二章钻井液,第四节钻井液常用原材料和处理剂,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。,第二章钻井液,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。现有二百多商品牌号，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。,第四节钻井液常用原材料和处理剂,第二章钻井液,一、钻井液处理剂的分类,1.按照处理剂化学性质分类:无机处理剂有机处理剂表面活性剂2.按来源分类:天然产品天然改性产品人工合成产品,第四节钻井液常用原材料和处理剂,第二章钻井液,3.按照处理剂的功能分类降粘剂（稀释剂）增粘剂降失水剂絮凝剂加重剂粘土类堵漏剂乳化剂消泡剂润滑剂缓蚀剂防塌剂（页岩抑制剂）解卡剂杀菌剂泡沫剂其它,第四节钻井液常用原材料和处理剂,第二章钻井液,二、钻井液原材料和处理剂的作用原理,1、钻井液原材料的主要作用形成较稳定的胶体；接受各种化学剂处理，进一步改善钻井液性能，满足各种需要；在井壁上形成泥饼，减少滤失量，稳定井壁；形成钻井液的粘度、切力，悬浮固相，携带钻屑；调节钻井液密度，控制地层压力。,第四节钻井液常用原材料和处理剂,第厄尔章钻井液,（1）稀释剂（又称解絮凝剂）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。,第四节钻井液常用原材料和处理剂,第二章钻井液,2、钻井液主要处理剂的作用,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。,第四节钻井液常用原材料和处理剂,第二章钻井液,稀释剂作用机理稀释剂分子通过（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,+,-,-,-,-,-,-,-,-,第四节钻井液常用原材料和处理剂,第二章钻井液,（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。,第四节钻井液常用原材料和处理剂,第二章钻井液,稀释作用特点主要作用于端面用量少、效果显著（因为端面少）。主要降低0、c、，不降s。,第四节钻井液常用原材料和处理剂,第二章钻井液,常见稀释剂：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）,第四节钻井液常用原材料和处理剂,第二章钻井液,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=（35）:1（FCLS+NaOH）/（FCLS+NaOH）混合碱液=1/5或1/10,第四节钻井液常用原材料和处理剂,第二章钻井液,例题40mlFCLS碱液（3：1，1/5浓度）中，含固体FCLS多少克？NaOH多少克？解：FCLS+NaOH总重为：1/540=8(g)FCLS重量为：3/(1+3)8=6(g)NaOH重量为：1/(1+3)8=2(g)答：含FCLS重量为6g，NaOH重量为2g。,第四节钻井液常用原材料和处理剂,第二章钻井液,稀释剂选择方法仪器:漏斗粘度计、旋转粘度计。评价指标：s、0、漏、方法：钻井液+稀释剂（%）测定性能评价标准：s、0漏、,第四节钻井液常用原材料和处理剂,第二章钻井液,第四节钻井液常用原材料和处理剂,第二章钻井液,小结：,静切力应用,Pa,第四节钻井液常用原材料和处理剂,第二章钻井液,流核直径,宾汉流体：0/s=0.360.478(Pa/mPa.s)0=1.53(Pa)假塑性体：n=0.40.,第四节钻井液常用原材料和处理剂,第二章钻井液,API失水,高温高压失水仪,（2）降失水剂降低失水的关键是形成低渗透的泥饼。降失水的作用：护胶水化膜护胶、静电稳定、高分子保护。增粘堵孔增加胶体浓度，长链分子以嵌入或卷曲的方式堵塞泥浆孔隙，使泥浆薄面致密，降低失水量。,第四节钻井液常用原材料和处理剂,第二章钻井液,水化膜护胶降失水剂在粘土粒子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。,第四节钻井液常用原材料和处理剂,第二章钻井液,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。,第四节钻井液常用原材料和处理剂,第二章钻井液,高分子保护（加量适当）敏化作用高分子保护1高分子保护2（絮凝）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个包蔽层，阻止胶粒重力稳定性。聚结，保证体系中聚结。胶粒含量。,第四节钻井液常用原材料和处理剂,第二章钻井液,整体的空间网架结构,局部的网壮结构,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）水解聚丙烯晴钠、铵、钙盐褐煤与树脂共聚产品（如PSCSPNH）,第四节钻井液常用原材料和处理剂,第二章钻井液,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=(1015)：2：(50100),第四节钻井液常用原材料和处理剂,第二章钻井液,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：水=15：1：100褐煤量=215/100=0.3(t)烧碱量=21/100=0.02（t）答：需要褐煤0.3t，烧碱0.02t。,第四节钻井液常用原材料和处理剂,第二章钻井液,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5ml/30min；h0.5mm.HTHP静失水15ml/30minh5mm.,第四节钻井液常用原材料和处理剂,第二章钻井液,3）絮凝剂类型：无机絮凝剂；有机高分子絮凝剂。有机高分子絮凝剂作用机理：实质：高分子敏化作用。三个步骤：吸附桥连形成团块、团块下沉。,第四节钻井液常用原材料和处理剂,第二章钻井液,有机絮凝剂的二种作用全絮凝作用选择性絮凝作用全絮凝作用既絮凝钻屑，又絮凝膨润土的絮凝作用。选择性絮凝作用只絮凝钻屑，不絮凝膨润土的絮凝作用。,第四节钻井液常用原材料和