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钻井液基本解析 安东石油技术 集团 有限公司中国 天津 采购中心2013年3月14日 内容 一 钻井液基本知识 二 钻井液的功用 四 钻井液处理剂 三 钻井液的性能 钻井液俗称泥浆 是用各种原料和化学添加剂配制而成的一种流体 在钻井中 钻井液起到冷却和润滑钻头钻具 携带和悬浮钻屑 泥浆录井时反应地层信息 稳定井壁 平衡地层压力 传递水动力以提高钻进速度和破岩效率等作用 人们常常以 泥浆是钻井的血液 来形象地说明钻井液在钻井中的重要性 钻井液工艺是以基础理论和工程原理相结合的一门应用技术 具体来说 钻井液工艺包括地质 化学和物理的基础理论与基本知识 同时也包括技艺与工程的应用 运用各种物料 原材料处理剂的科学配伍 合理的使用各种设备 以最经济的成本满足钻井工程的目的 钻井液工艺不但是设计和配制最理想的的钻井液 而且要以最经济的投资 成功地完成每口井的钻井任务 一 钻井液基本知识 钻井液目前主要有两种分类方式 通常我们按流体介质将钻井液分为水基 油基和气体型三类 详见图表一 一 钻井液基本知识 注 钻井液中的固相分为两种类型 即活性固相 ActiveSolids 和惰性固相 IneriSolids 凡是容易发生水化作用或易与液相中某些组分发生反应的称为活性固相 反之则称为惰性固相 前者主要指膨润土 后者包括石英 长石 重晶石以及造浆率极低的粘土等 除重晶石外 其余的惰性固相均被认为是有害固相 是需要尽可能加以清除的物质 1 聚合物钻井液体系 以聚合物作为主处理剂的水基钻井液 2 钾基钻井液体系 钾基聚合物钻井液是一类以各种聚合物的钾 或铵 钙 盐和KCI为主处理剂的防塌钻井液 3 饱和盐水钻井液体系 常温下氯化钠含量达到饱和的水基钻井液 它可以用饱和盐水配成 亦可先配成钻井液再加盐至饱和 4 分散钻井液体系 加有分散剂的水基钻井液 如以磺化栲胶 磺化褐煤和磺化酚醛树脂作为主处理剂的三磺钻井液具有较强的抗温能力 适于在深井和超深井中使用 5 钙处理钻井液体系 经石灰 石膏或氯化钙等处理剂处理的水基钻井液 该钻井液的组成特点是体系中同时含有一定浓度 质量浓度 的Ca2 和分散剂 一 钻井液基本知识 此外 结合国际钻井液分类方法 我国还将钻井液分为以下8个类别 6 盐水钻井液体系 氯化钠含量大于1 质量分数 的水基钻井液 盐水钻井液是用盐水 或海水 配制而成的 7 油基钻井液体系 以油 通常使用柴油或矿物油 作为连续相的钻井液称做油基钻井液 与水基钻井液相比较 油基钻井液的主要特点是能抗高温 有很强的抑制性和抗盐 钙污染的能力 润滑性好 并可有效地减轻对油气层的损害等 8 气体钻井流体 气体型钻井流体主要适用于钻低压油气层 易漏失地层以及某些稠油油层 其特点是密度低 钻速快 可有效保护油气层 并能有效防止井漏等复杂情况的发生 一 钻井液基本知识 钻井液的各项性能均可通过处理剂的配比进行调控 目前 我国将钻井液材料及处理剂分作16类 1 粘土类 2 加重材料 3 降滤失剂 4 降粘剂 5 增粘剂 6 润滑剂 7 缓蚀剂 8 页岩抑制剂 9 乳化剂 10 消泡剂 11 杀菌剂 12 絮凝剂 13 发泡剂 14 堵漏剂 15 解卡剂 16 其他类 注 详见第四章 一 钻井液基本知识 钻井液工艺技术是油气钻井工程的重要组成部分 随着钻井难度的逐渐增大 该项技术在确保安全 优质 快速钻井中起着越来越重要的作用 钻井液最基本的功用有以下几点 1 携带和悬浮岩屑 2 稳定井壁和平衡地层压力 3 冷却和润滑钻头 钻具 4 传递水动力 5 保护油气层 6 形成一层簿的泥饼从而封住所钻开地层的孔隙和裂缝 7 帮助收集与解释从钻屑 岩芯与测井所得到的信息 二 钻井液的功用 但是 钻井实践表明 作为一种优质的钻井液 仅做到以上几点是不够的 为了防止和尽可能减少对油气层的损害 现代钻井技术还要求钻井液必须具有 1 钻井液对人和环境无损害 2 对所钻井眼 不需要特别和昂贵的完井方法 3 不能干扰生产井的正常生产 4 不能腐蚀钻井设备 一般情况下 钻井液成本只占钻井总成本的7 10 然而先进的钻井液技术往往可以成倍地节约钻时 从而大幅度地降低钻井成本 带来十分可观的经济效益 二 钻井液的功用 按照API推荐的钻井液性能测试标准 需检测的钻井液常规性能包括 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 含砂量 固相含量 膨润土含量和滤液中各种离子的质量浓度等 其中钻井液密度 滤失性 流变性和酸碱度是衡量的关键标准 一 钻井液密度钻井液的密度是指单位体积钻井液的质量 其单位常用g cm3表示 可用专用的密度计来测量 钻井液密度主要用来调节钻井液的静液柱压力 以平衡地层孔隙压力 确保安全钻井 有时亦用来平衡地层构造应力 以避免井塌的发生 钻井液密度必须满足地质和工程的要求 如果密度过高 会引起钻井液过度增稠 易漏失 钻速下降 对油气层损害加剧和钻井液成本增加等一系列问题 而密度过低则容易发生井涌甚至井喷 有时还会造成井塌 井径缩小和携屑能力下降等 三 钻井液的性能 提高钻井液密度的方法是加入各种加重材料 在加重之前 应调整好钻井液的各种性能 特别是要严格控制低密度固相的含量 所需密度值越高 加重前钻井液的固相含量应越低 粘度 切力亦应越低 此外 加入可溶性无机盐也是提高密度较常用的方法 如NaCl可将钻井液密度提高到1 20g cm3左右 降低钻井液密度的方法有以下几种 1 用机械和化学絮凝的方法清除固相 降低钻井液固相含量 2 加水稀释 3 钻井液充气 钻低压油层时可选用 当需要配制较低密度的钻井液时 应尽量选用高造浆率粘土 反之 当需要的密度较高时 则应选用造浆率较低的粘土 但需注意 单纯为实现高密度而选择造浆率很低的粘土配浆的方法是不可取的 因为会导致钻井液的固相含量超出所允许的范围 三 钻井液的性能 二 钻井液的滤失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人地层 这种特性常称为钻井液的滤失性 在液体发生渗滤的同时 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 随着泥饼的逐渐加厚以及在压差作用下被压实 会对裸眼井壁有效地起到稳定和保护作用 这就是钻井液的所谓造壁性 由于泥饼的渗透率远远小于地层的渗透率 因而形成的泥饼还可有效地阻止钻井液中的固相和滤液继续侵入地层 在钻井液工艺中 通常用一个重要参数 滤失量来表征钻井液的渗滤速率 在钻井液工艺中 控制和调整钻井液滤失性能的关键在于改善滤饼的质量 这里既包括增加滤饼的致密程度 降低其渗透性 同时又包括增强滤饼的抗剪切能力和润滑性 主要调整方法是根据钻井液类型 组成以及所钻地层的情况 选用适合的降滤失剂 三 钻井液的性能 三 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 该特性通常是由不同的流变模式及其参数来表征的 最常用的流变模式为宾汉和幂律模式 其中宾汉模式的参数为塑性粘度和动切力 幂律模式的参数为流性指数和稠度系数 此外 漏斗粘度 表观粘度和静切力等也是钻井液的重要流变参数 由于钻井液的流变性与携岩 井壁稳定 提高机械钻速和环空水力参数计算等一系列钻井工作密切相关 因此它是钻井液最重要的性能之一 流变性能的调整通常是通过钻井液处理剂来实现 三 钻井液的性能 四 钻井液的PH值钻井液的pH值测定和调整是控制钻井液的性能的基本手段 由于酸碱性的强弱直接与钻井液中粘土颗粒的分散程度有关 因此会在很大程度上影响钻井液的粘度 切力和其它性能参数 在实际应用中 大多数钻井液的PH值要求控制在8 11之间 即维持一个较弱的碱性环境 这主要是由于有以下几方面的原因 1 可减轻对钻具的腐蚀 2 可预防因氢脆而引起的钻具和套管的损坏 3 可抑制钻井液中钙 镁盐的溶解 4 有相当多的处理剂需在碱性介质中才能充分发挥其效能 如褐煤类和木质素磺酸盐类处理剂等 通常使用PH试纸测量钻井液的PH值 如要求的精度较高时 可使用PH计 三 钻井液的性能 加重剂SDMC重晶石英文 BaritepowderSL BAR加重剂产品描述 重晶石是一种以BaSO4为主要成分的天然矿石 经过机械加工而成的灰白色粉末产品 主要用于提高密度不超过2 30g cm3的水基钻井液和油基钻井液的密度 SL BAR技术要求性能指标密度 g cm3 4 20水溶性碱金属 以钙计 mg kg 250大于75 m的筛余物质量分数 m m 3 0 四 钻井液处理剂 用途 1 增加钻井液的密度最高到2 30g cm3 2 控制地层压力 3 稳定井眼 优点 1 钻井液最常用的标准化加重剂 2 化学惰性 不与钻井液其它组分发生作用 3 密度高 价格低 物理性质 1 外观 粉末 2 密度 4 2g cm3 四 钻井液处理剂 SDMC青石粉CalciumcarbonatepowderSL CA加重剂产品描述 青石粉其主要成分为CaCO3 在钻井中是一种可酸化的加重剂 主要用于提高水基钻井液和油基钻井液的密度 由于密度低一般用于加重密度不超过1 34g cm3的钻井液 还可作成不同粒径用于架桥和堵塞 SL CA技术要求性能指标密度 g cm3 2 7水溶性含量 0 10酸不溶性含量 10 0CaCO3含量 90 四 钻井液处理剂 用途 1 增加钻井液的密度 2 控制地层压力 3 降低滤失 4 桥堵 油层保护 优点 1 在15 的HCl溶液中90 的溶解 2 提供有效的架桥 物理性质 1 外观 粉末 2 密度 2 7g cm3 四 钻井液处理剂 降滤失剂SDMC低粘羧甲基纤维素钠盐LV sodiumcarboxylmethylcelluloseSL LVCMC降滤失剂产品描述 低粘羧甲基纤维素钠盐又称LV CMC 是由氯乙酸钠与碱性纤维素反应制得 用于