钻井液工艺学.docx

钻井液工艺学第一章 钻井液概论1、钻井液密度：单位体积钻井液的质量。钻井液密度对钻井的影响：(1)影响井下安全（井喷、井漏、井塌和卡钻等）(2)与油气层损害有关(3)影响钻井速度2、钻井液对pH值要求： 一般控制在（8-11）范围，即维持在一个较弱的碱性环境。控制在这一范围的原因：(1)粘土具有适当的分散度，便于控制和调整钻井液性能(2)可以使有机处理剂充分发挥其效能(3)对钻具腐蚀性低(4)可抑制体系中钙、镁盐的溶解3、钻井液的主要功用: (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)传递井下信息、及时发现油气显示和高、低压地层(6)保护油气层4、水基钻井液是由膨润土、水、各种处理剂、加重材料以及钻屑组成的多相分散体系。5、油基钻井液是以水滴为分散相，油为连续相，并添加适量乳化剂、注湿剂、亲油的固体处理剂、石灰和加重材料等所开成形的乳状液体系。6、钻井液的分类，综合分类法：分为10类 分散钻井液钙处理钻井液盐水钻井液饱和盐水钻井液 聚合物钻井液钾基聚合物钻井液油基钻井液合成基钻井液气体型钻井流体保护储层的钻井液7、钻井液流变性是指在外力作用下，钻井液发生流动和变形的特性，其中流动是主要的方面。8、随着泥饼的不断加厚以及在压差作用下被压实，泥饼对裸眼井壁起到有效稳定和保护作用，这是钻井液的造壁性9、固相含量：钻井液中全部固相的体积占钻井液总体积的百分数10、固相含量对钻速的影响:(1)固相含量越高，钻速越小。(2)固相类型不同，钻速影响不一样。第二章 粘土矿物和粘土胶体化学基础1、常见的粘土矿物有三种；高岭石、蒙脱石、伊利石。2、粘土矿物的两种基本构造单元：(1)硅氧四面体与硅氧四面体片(2)铝氧八面体与铝氧八面体片3、晶格取代：在粘土矿物晶体中，一部分阳离子被另一部分阳离子所置换，产生过剩电荷的现象。4、阳离子交换容量（CEC）：分散介质pH=7时，100g粘土所能交换下来的阳离子的毫摩尔数（以一价阳离子毫摩尔数表示）。5、交换性阳离子：粘土表面带负电，为了保持电中性，必然从分散介质中吸附等量的阳离子。这些阳离子吸附于粘土上，可以被分散介质中其它阳离子所交换的阳离子。6、粘土的阳离子交换容量CEC：分散介质的PH=7时，从粘土上所能交换下来的阳离子总量。7、影响粘土阳离子交换容量大小的因素：(1)粘土矿物的本性(2)粘土的分散度(3)溶液的酸碱度8、扩散双电层：从固体表面到过剩反离子为零处。反离子扩散分布于胶粒周围，形成扩散双电层。9、电动电势：从滑动面到均匀液相的电势降。10、粘土晶体的电荷(1)永久负电荷 构造电荷(2)可变负电荷（表面电荷）(3)正电荷 表面电荷11、粘土矿物表面水化：粘土矿物晶层表面吸附水分子和补偿阳离子吸附水 分子、增大晶层间距的过程。12、渗透水化：由于晶层间阳离子浓度大于溶液内部的阳离子浓度，因而发生水的浓度扩散，使水进入晶层，增加晶层间距，使粘土膨胀。13、沉降稳定性：在重力作用下，分散相粒子是否容易下沉的性质。14、聚结稳定性：分散相粒子是否容易自动聚结变大（自动降低分散度）的性质。第三章 钻井液的流变性1、流变性在外力（泵送、搅拌）作用下,液体流动和变形的特性。2、钻井液流变性指网架结构变形与流动特性。包括粘度、切力、剪切稀释性、触变性等。 3、钻井液流变性对钻井的影响: (1)携带岩屑，保证井底清洁。(2)悬浮岩屑与重晶石 。(3)机械钻速 井眼规则和井下安全。 4、剪切速率/速度梯度：指垂直于流速方向上单位距离流速的增量。= dv/dx，s-15、剪切应力 ：流体单位面积上的内摩擦力。 = F/S=，Pa F流体间的内摩擦力；S接触面积；量度液体粘滞性大小的因素，称为粘度，mPas。 6、流变曲线与流变方程：流变曲线：描述与的关系。流变方程/流变模式：描述与关系的数学关系式。7、流体的基本流型：牛顿流型、假塑性流型、塑性流型和膨胀流型。8、塑性粘度的调节：加预水化般土和加增粘剂可以升高粘度，使用固控设备、使用化学絮凝剂、加水稀释可能以降低粘度。9、动切力调节：加预水化般土、加高分子聚合物、加适量的电解质加以提高动切力，加降粘剂、加水稀释、消除影响动切力升高的电解质可以降低动切力10、表观粘度（有效粘度）a ：某一剪切速率下，剪切应力与剪切速率的比值11、剪切稀释性 ：表观粘度随剪切速率的增加而降低的特性。12、触变性：钻井液搅拌变稀，静止变稠的性质。13、层流携岩特点：(1)对井壁冲刷作用小，有利于稳定井壁；(2)存在“转动靠壁”现象，携岩效率低。14、紊流携岩特点：(1)无“转动靠壁”现象，携岩效率高(2)对井壁冲刷作用大(3)岩屑滑落速度大(4)循环压耗大15、卡森模式优点：不仅在低剪切区和中剪切区有较好的精确度，还可以利用低、中剪切区的测定结果预测高剪切速率下的流变特性。第四章 钻井液的滤失和润滑性能1、瞬时滤失: 钻井液与新地层接触的瞬间，泥饼尚未形成时的滤失2、动滤失: 钻井液在循环过程中的滤失。3、静滤失: 钻井液停止循环时发生的滤失。4、造壁性：在滤失过程中，随着钻井液中的自由水进入岩层，钻井液中的固相颗粒便附着在井壁形成泥饼。5、API滤失量测定仪是最常用的低温低压条件下评价钻井液滤失量。6、高温高压滤失量测定仪必须进行高温高压条件下的滤失量评价。7、对钻井液滤失性能的要求：(1)在钻开油气层时，应尽力控制滤失量，以减轻对油气层的损害(2)钻遇易坍塌地层时，滤失量需严格控制，API滤失量最好不大于5ml(3)对一般地层，API滤失量应尽量控制在10ml以内，HTHP滤失量不应超过20ml(4)要注意提高滤饼质量，尽可能形成薄、韧、致密及润滑性好的滤饼，以利于固壁和避免压差卡钻(5)加强对钻井液滤失性能的检测8、静滤失影响因素（1）滤失时间t（2）压差P（3）泥饼渗透率K（4）固相含量（5）滤液粘度9、瞬时滤失的影响因素：压差：P，瞬时失水量。粘度：粘度，瞬时失水量。固相颗粒大小与多少。10、影响动失水的因素：影响静失水的因素同样影响动失水。环空返速 泥饼强度：强度高，不易冲蚀，动失水小。11、液体类润滑剂：类型：矿物油、植物油和表面活性剂作用原理：通过在金属、岩石和粘土表面形成吸附膜，减少钻具对井壁和套管的摩擦。12、固体类润滑剂：类型：塑料小球、石墨、玻璃微珠等作用原理：多数固体润滑剂类似细小滚珠，将滑动摩擦转化为滚动摩擦，因而可以大幅度降低扭矩和阻力。第五章 钻井液配浆材料与处理剂1、式中，V1、V2、VB：分别表示加重前、加重后的钻井液体积和重晶石的体积，mB，B为重晶石的质量和密度。与此同时，钻井液在加重前、后的质量关系: V2计算:求出V2后，重晶石用量可由下式求得： mB=(V2-V1) B 然而有时因受现场泥浆池容积的限制，加重前必须排掉一部分钻井液，或者希望在加重之前先排掉一部分不加重钻井液，这样就不会造成加重剂的浪费，这种情况下，首先根据加重后可以容纳的体积V2，用下式求出应保留的原浆的体积：如：用重晶石（B=4.2g/cm3）把200 m3钻井液由密度1=1.10g/cm3加重到2=1.50g/cm3，并且每100kg重晶石需同时加入9L水以防止钻井液过度增稠，试求：(1)最终体积无限制，需加入重晶石多少吨？(2)若最终体积为200 m3，需加入重晶石多少吨，放掉钻井液多少方？解：已知水的密度为W=1.0g/cm3V2=V1+VB+VW = V1+mBB+VW 联立 式得V2=257.39989 m3m2=m1+mB+mW B+mW mB+9100 mB=(V2-V1)2 mB=78990.672 kgmW =9100 mB 200257.39989=V57.39989 V=44.59978 m3 mB+9100 mB= V2 mB=61375.842 kg2、无机处理剂的作用机理:(1)离子交换吸附(2)调控钻井液中的PH值(3)沉淀作用(4)铬合作用(5)与有机处理剂生成可溶性盐(6)抑制溶解作用 3、无机处理剂的类型：纯碱、烧碱、石灰、石膏、氯化钙、氯化钠、氯化钾、硅酸钠4、降粘剂稀释机理：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，拆散网架结构，从而降低钻井液结构粘度。5、降滤失剂作用机理：水化膜增厚， 聚结阻力增大， 胶粒稳定性增强 ， Vf 降低。6、絮凝剂作用机理：(1)吸附(2)桥连(3) 形成团块、团块下沉。7、典型的有机处理剂：降粘剂、降滤失剂、防塌剂、增粘剂、絮凝剂、堵漏剂第六章 水基钻井液1、水基分散型钻井液的特点：(1)粘土颗粒高度分散。(2)粘土分散度改变 ，导致性能改变。(3)性能容易受电解质污染，稳定性差。(4)维护、处理需要很多水量。成本低。2、造浆率：每吨干土配出表观粘度为15mPa.s的钻井液的体积量。单 位：M3/T3、水基分散型钻井液受污染及其处理：(1)污染物类型 ：可溶性盐 （钙、钠盐、盐水）、 钻屑 、地层流体 (水、气体) (2)钙污染处理原则：除钙、护胶、拆结构。(3)水泥侵的处理：加低碱比的护胶混合液、加入NaHCO3、清水钻水泥塞，钻完放掉。(4)石膏侵的处理：对于薄层石膏层：纯碱+烧碱（除钙）（提pH）(5)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。 (6)盐侵污处理：抗盐、护胶、拆结构、换土。4、钙处理钻井液分类：石灰钻井液、石膏钻井液、氯化钙钻井液5、聚合物钻井液的基本特点 (1)无用固相少，密度低，压差小；(2)钻屑较粗，固相体积含量较小；(3)膨润土固相含量低，亚微米颗粒少；(4)剪切稀释性好，水眼粘度低；(5)携砂能力强；(6)抑制、包被能力强；(7)对油气层损害较小；(8)抗温能力较强。6、不分散低固相聚合物钻井液的性能指标：(1)固相含量应维持在4%或更小，大约相当于密度小于1.06g/cm3(2)钻屑与膨润土的比例不超过2：1。(3)动切力与塑性粘度之比控制在0.48左右(4)非加重钻井液的动切力应维持在1.53Pa(5)滤失量控制应视具体情况而定(6)优化流变参数(7)在整个钻井过程中应尽量不用分散剂。7、聚合物处理剂的主要作用机理：(1)桥联与包被作用(2)絮凝作用(3)增粘作用(4)降滤失作用(5)抑制与防塌作用(6)降粘作用8、高温对钻井液处理剂的影响：(1)泥浆中粘土粒子的高温分散作用(2)泥浆中粘土粒子高温聚结(3)高温表面钝化（去活性）第七章 油基钻井液1、油基钻井液是指以油作为连续相的钻井液。2、油基钻井液的组成: 基油、水相、乳化剂、润湿剂、亲油胶体、石灰、加重材料3、油基钻井液的优点：能抗高温、抗盐钙侵、有利于井壁稳定、润滑性好、和对油气层损害程度较小等。4、油基钻井液的性能：(1)密度(2)流变性(3)滤失量 (4)乳化稳定性(5)固相含量第八章 钻井液固相控制1、钻井液固相控制，指在保存适量有用固相的前提下，尽可能地清除无用固相。2、常用的固控设备 ：振动筛旋流器、泥浆清洁器、离心机3、钻井液中固相物质的分类(1)按固相密度分类：可分为高密度固相和低密度固相两种类型。(2)按固相性质分类：可分为活性固相和惰性固相。(3)按固相粒度分类：1)粘土(或称胶粒) 粒径2m；2)泥 粒径273 m ；3)砂(或称API砂) 粒径74 m 。第九章 对付井下复杂情况的钻井液技术1、井壁不稳定是指钻井或完井过程中的井壁坍塌、缩径、地层压裂等三种基本类型；前两者造成井径扩大或缩小，后者易造成井漏。2、井壁不稳定的原因分析：(1)井壁不稳定的实质是力学不稳定。(2)物理化学因素：1)地层的岩性2)钻井液滤液对地层的侵入 3)粘土的水化(3)钻井工程措施3、井漏是在钻井、固井、测试等各种井下作业中，各种工作液(包括钻井液、水泥浆、完井液及其它流体等)在压差作用下漏入地层的现象。4、漏失通道的基本形态：漏失通道的基本形态主要有孔隙型、裂缝型、洞穴型、孔隙裂缝型和洞穴裂缝型等五种类型5、井漏的发生一般应具备以下必要条件：井筒对于地层存在正压差，即井筒中工作液的压力大于地层孔隙、裂缝或溶洞中液体的孔隙压力。并且，地层中存在着漏失通道和较大的足够容纳液体的空间，此通道的开口尺寸应大于外来工作液中固相的粒径。6、发生井漏的原因：(1)影响地层漏失压力的因素(2)影响地层破裂压力的因素(3)影响钻井液动压力的因素7、确定漏层的方法有以下几种：(1)观察钻进情况(2)观察岩心和钻屑情况(3)观察钻井液性能的变化情况8、井漏的预防主要有以下几种方法: (1)设计合理的井身结构；(2)降低井筒中钻井液的动压力；(3)提高地层的承压能力9、常用的堵漏方法有以下几种：(1)调整钻井液性能与钻井措施；(2)静止堵漏；(3)桥接材料堵漏法；(4)高滤失浆液堵漏法；(5)暂堵法；(6)化学堵漏法； (7)无机胶凝物质堵漏法；(8)复合堵漏法10、井喷是指地层流体失去控制，喷到地面，或是窜至其它地层里的现象。11、井喷发生的原因：(1)钻进过程中井喷发生的原因：1)钻到油、气、水层时，钻井液当量密度低于地层的压力系数就会发生井喷。