钻井液参数测定及维护.ppt

钻井液性能及其测试 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 一 钻井液密度 钻井液密度 钻井液密度 density 是指每单位体积钻井液的质量 常用符号 表示 单位是 g cm3 kg m3 在钻井工程中 钻井液密度和泥浆比重是两个等同的术语 钻井液密度是确保安全 快速钻井和保护油气层的一个十分重要的参数 通过钻井液密度的变化 可调节钻井液在井筒内的静液柱压力 以平衡地层孔隙压力 有时亦用于平衡地层构造应力 以避免井塌的发生 如果密度过高 将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 还会造成井塌 井径缩小和携屑能力下降 因此 在一口井的设计中 必须准确 合理地确定不同井段钻井液的密度范围 并在钻进过程中随时进行检测和调整 钻井液密度是用一种专门设计的钻井液比重秤 MudBalance 测得的 测定时 首先在泥浆杯中盛满钻井液 盖上计量盖 然后用棉纱擦净从计量盖小孔溢出的钻井液 再将比重秤刀口放置在底座的刀垫上 不断移动游码 直至水平泡位居两条线的中央 此时游码左侧的刻度即表示所测量钻井液的密度 1 密度与钻井的关系 1 平衡地层压力和井壁侧压力 在钻井作业中 钻井液的功能之一是利用钻井液质量产生的液柱压力来平衡地层压力和井壁侧压力 防止井喷 井漏和井壁垮塌 同时防止高压层中的油 气 水进入钻井液中破坏钻井液的性能 引起井下复杂情况 钻井过程中 钻井液的密度过小 钻井液的液柱压力过小 一方面不足以平衡地层压力 低层中的油 气 水可以进入钻井液 破坏钻井液性能 同时造成钻井液密度下降 引起井喷事故的发生 另一方面液柱压力过小 不足以提供足够的支撑力来平衡井壁侧压力 易使井壁垮塌 密度过大 钻井液的液柱压力过大 当液柱压力大于地层压力 钻井液进入地层中去 对油气层造成破坏 当钻井液的液柱压力大于地层破裂压力时 压漏地层 产生井漏 2 钻井液密度与钻速的关系一般而言 钻井液密度越大 机械钻速越低 钻井液密度越小 机械钻速越高 原因在于 第一 钻井液密度大 钻井液产生的液柱压力达 钻具在井内转动时要克服的摩擦力越大 动力消耗越大 钻头研磨地层的动力下降 机械钻速下降 第二 钻井液的密度大 液柱压力达 对井底产生压持效应 使钻屑不能及时脱离开岩石母体 造成钻头对破碎岩石的重复切削 降低机械钻速 第三 钻井液的密度大 造成井内正压差增大 使井底岩石的可钻强度增加 钻度降低 反之 密度下降 钻速提高 2 提高钻井液密度方法 1 加重的条件钻进高压盐水层或高压油气层之前 要对钻井液进行加重 2 加重的方法a加入重晶石粉等加重材料 b加入可溶性无机盐如NaCl KCl等 可溶性有机盐如甲酸钠 甲酸钾 甲酸铯等 c钻井液中有气泡室 通过对钻井液进行排气 也可以提高钻井液密度 除气器 消泡剂 其中 在钻井液中加入加重剂是最常用的提高密度的方法 3 降低钻井液密度 1 降低的条件钻进低压油气层 实现平衡钻井或欠平衡钻井时 常常碰到要降低钻井液密度的问题 处理井漏时液需要降低密度 2 降低密度的方法a减少钻井液中固相含量 如用机械和化学除砂的方法 清除钻井液中的钻屑 砂子等有害固相 b加入大量清水稀释 加入一定数量的发泡剂 利用气体充入钻井液降低钻井液的密度 c混油 d钻进低压油气层时选用气体钻井液 二 钻井液的流变参数 钻井液的流变性概述钻井液流变性 RheologicalPropertiesofDrillingFluids 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 该特性通常用钻井液的流变曲线和塑性粘度 PlasticViscosity 动切力 YieldPoint 静切力 GelStrength 表观粘度 ApparentViscosity 等流变参数来进行描述的 钻井液流变性是钻井液的一项基本性能 它在解决下列钻井问题是起着十分重要的作用 1 携带岩屑 保证井底和井眼的清洁 2 悬浮岩屑 3 提高机械钻速 4 保持井眼的规则和保证井下安全 钻井液的流变性对钻井工作的影响主要体现在悬浮岩屑 护壁 减阻 提高钻速和冷却钻具5个方面 液体的基本流型通过实验研究 归纳为四种基本流型 牛顿流型 塑性流型 假塑性流型和膨胀流型 一般钻井液属于塑性流型 流变曲线 牛顿液 NewtonianFluid 指数液 Power lawFluid 塑性液 BinghamFluid 膨胀液 SwellFluid 钻井液的触变性搅动后变稀 静置后变稠 静切力随静置时间延长而增大 快的强凝胶 慢的强凝胶 快的弱凝胶 慢的弱凝胶 主要流变参数 1 漏斗粘度在钻井过程中 钻井液的漏斗粘度是需要经常测定的重要参数 它的定义是 一定体积的钻井液流经规定尺寸的小孔所需要的时间 单位是S 秒 用T表示 漏斗粘度 FunnelViscosity 检测仪器 漏斗粘度计 马氏漏斗 Marshfunnel 测定方法在马氏漏斗内装入1500ml泥浆 记录自然流出1夸脱 946ml 所用的时间 秒 2 塑性粘度塑性粘度 钻井液在层流时 钻井液中固体颗粒之间 固体颗粒和液体分子之间 液体分子之间各种内摩擦力之和称为钻井液的塑性粘度 用PV表示 单位为cP 厘泊 或mPa S 毫帕 秒 其中1cP 1mPa S 3 动切力钻井液的动切应力反映的是钻井液在层流时 粘土颗粒之间及高聚物分子之间相互作用力的大小 即钻井液内部形成的网状结构能力的强弱 用YP或者 0表示 单位是Pa 帕 4 表观粘度钻井液的表观粘度又称有效粘度或视粘度 是钻井液在某一速度梯度下 剪切应力与速度梯度的比值 用AV表示 单位是mPa S 毫帕 秒 5 剪切稀释性钻井液的表观粘度随速度梯度的增大而减小 或者随速度梯度的减小而增大的特性称为钻井液的剪切稀释性 如钻井液在钻头水眼处速度梯度为10 000 100 000s 1 钻井液变的很稀 有利于提高钻速 在环形空间处 速度梯度为50 250s 1 钻井液又变的比较稠 有利于携带岩屑 6 切力钻井液的切力是指钻井液的静切力 其胶体化学的实质是胶凝强度 即表示钻井液在静止状态下形成的空间网状结构力的强弱 其物理意义是 当钻井液静止时 破坏钻井液内部单位面积上网状结构所需的剪切力 用表示 S 单位是Pa 帕 通常用初切力和终切力来表示静切力的相对值 初切力是钻井液在经过充分搅拌后 静止10s测得的静切力值 用 10s表示 终切力是钻井液经过充分搅拌后 静止10min测得的静切力的值 用 10min表示 7 触变性钻井液的触变性是指钻井液搅拌后变稀 静止后变稠的性质 一般用钻井液的终切与初切的差值来表示 其差值越大 触变性就越强 差值越小 触变性越弱 8 n值和k值n值称为钻井液的流性指数 是钻井液结构力和剪切稀释性的一种表示 钻井液的n值一般小于1 n值越小 钻井液的非牛顿性 剪切稀释性和结构力越强 反之 n值越大 钻井液的非牛顿性 剪切稀释性和结构力越弱 流性指数是一个无量纲量 没有单位 降低n值 有利于携带岩屑和清洁井眼 k值是钻井液的稠度系数 表示钻井液的可泵性或直观流动性 即反映钻井液的稀稠程度 k值越大 钻井液越稠 开泵时泵压越大 k值越小 钻井液越稀 对携带岩屑不利 有利于提高钻速 它的单位是Pa Sn 切力 GelStrength 有初切和终切之分检测仪器 旋转粘度计 切力计 Rheometer Shearometer 测定方法 塑性粘度 S PV PlasticViscosity 动切应力 O 屈服值 YP YieldPoint 检测仪器 旋转粘度计 Rheometer 测定方法参数计算 稠度系数 K值 Consistencyindex 流性指数 n值 Flowbehaviorindex 检测仪器测定方法参数计算 常用英制单位换算泊 P 100厘泊 CP 1厘泊 CP 1毫帕秒 mPaS 10达因 厘米2 Dyne cm2 1帕 Pa 钻井液流变模式 钻井液流变性与钻井的关系 1 流变性与悬浮携带岩屑和净化井眼的关系 钻井液粘度的作用是将井底的钻屑有效地携带到地面 这是关系到能否安全快速钻井的问题 实践表明 钻井液粘度 切力越大 钻井液悬浮和携带岩屑的能力越强 井眼的净化效果越好 反之钻井液粘度 切力降低 钻井液悬浮和携带岩屑的能力变差 井眼的净化效果差 2 钻井液流变性与机械钻速的关系 实践表明 在钻井过程中 钻井液粘度 切力升高 钻速下降 原因是 一钻井液粘度 切力大 流动阻力大 消耗的功率也大 在泵功率一定的情况下 钻井液泵的排量相应降低 降低了钻井速度 二是钻井液粘度大 钻头在破碎岩石时 高粘度钻井液在井底形成一个粘性垫层 粘性垫层缓和了钻头牙齿对井底岩石的冲击切削作用 使机械钻速降低 可见 钻井液粘度 切力低 机械钻速高 但钻井液的悬浮 携带岩屑的能力下降 井内沉砂快 同时钻井液对井壁的冲刷严重 易造成井壁剥落坍塌 井漏等严重后果 钻井液的粘度 切力大 有利于悬浮 携带岩屑 但粘度 切力过大 给钻井工作带来下列后果 1 钻井液流动阻力大 开泵困难 泵压易升高 发生蹩泵甚至蹩漏地层 严重影响钻井速度 2 钻头易泥包 起下钻易产生抽吸作用或压力激动以至于引起井漏 井喷 井塌等复杂情况 3 岩屑 砂子沉降困难 净化不良 井底洗井效果差 同时密度上升很快 钻速下降 并摩损钻具设备和钻井液泵配件 4 除气困难 气侵严重时 钻井液密度下降 易引起井下复杂情况 5 岩屑易在井壁形成假泥饼 引起井下遇阻遇卡 6 固井时水泥易窜槽 影响固井质量 确定钻井液粘度的原则是 一是在保证有效悬浮和携带岩屑的情况下 粘度 切力应尽可能的低 二是井深时 由于泵压高 排量受限制 为了有效地悬浮和携带岩屑 粘度 切力应大些 三是当井眼出现垮塌 沉砂较多或出现井漏时 为消除井下复杂情况 钻井液粘度应适当增大 四是要求钻井液从钻头水眼处喷出时粘度要低 钻井液在环形空间时粘度要高 即钻井液要具有良好的剪切稀释性 流变参数的调整 1 调整粘度的方法 1 条件 当井壁出现垮塌或沉砂过多 造成起钻遇卡 下钻不到底 井下有较多的堆积物时 要考虑适当地提高粘度 堵漏有时也要提高粘度 钻进泥页岩层 配加重钻井液 钻井液受可溶性盐类的侵污会使钻井液粘度 切力上升 导致钻井液流动性变差 洗井效果差 钻头易泥包 影响钻速 需要降粘度 2 调整塑性粘度的方法 A 降低塑性粘度的方法是通过合理使用固相控制设备 加水稀释或化学絮凝的方法 降低固相含量 达到降低塑性粘度的目的 B 提高塑性粘度的方法是增加钻井液中高分子聚合物的用量 混入原油 加入低造浆率的膨润土 重晶石粉或适当提高pH值 3 调整表观粘度的方法 A降低表观粘度的方法是在钻井液中加入清水 混入稀钻井液和用稀钻井液来降低粘度 B提高表观粘度的方法是在钻井液中加入膨润土 或预水化膨润土浆 纯碱 烧碱等 2 调整动切力 结构粘度 的方法 1 提高动切力的方法 A加入预水化膨润土浆 B增大高分子聚合物的加量 C对于盐水钻井液和钙处理钻井液 可以通过适当增加Ca2 和Na 的浓度来达到提高切力的目的 2 降低动切力的方法 A加入稀释剂 拆散钻井液中已经形成的网状结构 B加清水或稀钻井液稀释 C若因污染引起的切力过高 可用沉淀法除去Ca2 Mg2 拆散网状结构 3 调整n值和k值的方法 1 调整n值的方法 钻井液的n值主要受钻井液中网状结构的影响 降低n值的方法为在钻井液中加入高分子聚合物 适量的无机盐 在盐水钻井液中加入预水化膨润土浆等 其中 加入高分子聚合物是比较好的一种方法 2 调整k值的方法 钻井液的k值主要受钻井液中固相含量和液相粘度及结构强度的影响 降低k值的最有效方法是通过加强钻井液中固相含量的控制和加水稀释来达到降低k值的目的 提高k值可以通过在钻井液中添加适量的聚合物 预水化膨润土浆 k值上升 n值下降 重晶石粉 k值提高 n值基本保持不变 等方法进行 三 钻井液的滤失造壁性 概念在井中液体压力差的作用下 泥浆中的自由水通过井壁孔隙或裂隙向地层中渗透 称为泥浆的失水 失水的同时 泥浆中的固相颗粒附着在井壁上形成泥皮 泥饼 称为造壁 如图所示 泥浆失水造壁性示意图 井中的压力差是造成泥浆失水的动力 它是由于井中泥浆的液压力与地层孔 裂隙中流体的液压力不等而形成的 井壁地层的孔隙 裂隙是泥浆失水的通道条件 它的大小和密集情况是由地层岩土性质客观决定的 泥浆失水的条件 泥浆在井内的失水处在两种不同的背景条件下 1 一种是泥浆泵停止循环 泥饼不受液流冲刷 井内的液压力只是泥浆柱静水压力 这时的失水称为静失水 2 另一种是泥浆泵循环 泥饼受到冲刷 井内的液压力是泥浆静水柱压力与流动阻力损失之和 这时的失水称为动失水 根据实际钻井工序 这两种失水是交替进行的 3 在钻头破碎孔底岩石 形成新的自由面的瞬间 泥浆接触新的自由面 还未形成或很少形成泥饼 泥浆中的自由水以很高的速率向新鲜岩面失水 这时的失水称为瞬时失水或初失水 钻井液失水的全过程 静失水 泥饼逐渐增厚 失水速率逐渐减小 因此时压力较小 泥皮较厚 固失水速率比动失水小 动失水 泥饼不断在增厚 同时又不断被冲刷掉 当增厚速率与被冲刷速率相等时 泥皮厚度动态恒定 失水速率也就基本不变 从钻头开钻开始 发生短暂的瞬时失水之后 即形成动失水 静失水的不断循环反复直至钻井完成 特点 许多情况下 泥浆的失水对钻井的危害较大 1 当地层为泥页岩 黄土 粘土时 失水过大会引起井壁吸水膨胀 缩径 剥落 坍塌 2 对于破碎带 裂隙发育的地层 渗入的自由水洗涤了破碎物接触面之间的粘结 减小了摩擦阻力 破碎物易滑入井眼内 造成井壁坍塌 卡钻等事故 3 在溶解性地层中的失水越多 井壁地层被溶解的程度就越高 失水性对钻井工作的影响 4 厚泥饼会加大对钻具的吸附 使钻杆回转阻力增加 5 厚泥饼使环空过流面积减小 循环阻力和压力激动增大 6 厚泥饼使测井数据的准确性降低 7 失水量越多 对地层的侵染越严重 8 失水量越多 对地层的伤害越严重 影响油 气 水的渗透率 降低井的产量 失水性对钻井工作的影响 泥浆的失水性对钻井的有利影响是 初失水可以湿润岩土 使其强度降低 有利于钻头对其破碎 提高钻进速度 因此初失水有利于钻头对其破碎 提高钻速 泥浆的失水性对钻井的有利影响 泥浆降失水的主要途径 平衡或减小井液与地层孔隙流体之间的压差 选用优质造浆粘土和有关处理剂 增加水化膜厚度 增加泥浆中粘土的含量 选用能提高水溶液粘度的处理剂 增加泥浆滤液粘度 加快在复杂地层段的钻进速度 减少井壁裸露时间 减少钻井液循环对井壁的冲刷 泥浆失水量的测量 1 静失水仪采用气压式失水仪测试条件 压差7 1 105Pa 过滤断面45 3cm2 温度20 25 测量时连续测两个点 例如7 5min 30min 然后按计算 衡量泥浆的失水特性 气压式失水仪1 量杯 2 放水阀 3 过滤板 4 泥浆杯 5 放空阀旋扭 6 放空阀 7 压力表 8 减压阀 9 CO2气瓶 10 气源总体端益 2 动滤失仪如下图所示 仪器最高压差为10MPa 相对滤器表面产生的流速梯度范围在0 500 1之间自由变换 用泥浆2 2L 底部装有滤纸过滤孔 侧壁有两个岩心滤孔 可装岩心长3 18cm 既可测得泥浆在滤纸上的动 静失水量 又能在不同渗透率的岩心上测得动 静失水数据 动滤失仪 高温高压失水仪 3 高温高压失水仪如图所示 高温高压动滤失仪 便携式 除能模拟井下温度和压差外 还能模拟泥浆流动时对井壁产生的剪切速率 其主要性能指标为 工作压力0 300MPa 工作温度为20 150 剪切速率为0 700S 1 泥浆用量为200 300mL 高温高压失水仪 钻井液的润滑性 钻井液的润滑性能通常包括滤饼的润滑性能和钻井液自身的润滑性两个方面 钻井液和滤饼的摩阻系数是评价钻井液的润滑性能的两个重要指标 钻井液润滑性对钻井工作影响很大 1 润滑性能好的钻井液的优点 1 减少钻具的扭矩 磨损和疲劳 延长钻头轴承的寿命 2 减小钻柱的摩擦阻力 缩短起下钻的时间 3 能用较小的动力来带动钻具 4 能防止粘附卡钻和钻头泥包 2 润滑性的主要影响因素 1 钻井液的粘度 密度和固相含量 2 钻井液的滤失性 岩石条件 地下水和滤液的pH值 3 有机高分子处理剂的使用 4 润滑剂的使用 3 改善钻井液润滑性的方法 通过最钻井液润滑性能的评价发现 大多数油基钻井液的摩阻系数在0 08 0 09之间 而水基钻井液的摩阻系数在0 20 0 35之间 而钻水平井时 钻井液的摩阻系数应尽可能保持在0 08 0 10之间才能很好的满足钻井工作的要求 改善钻井液润滑性的方法有 A合理使用润滑剂 B改善滤饼质量 泥浆的润滑性与钻具磨损 循环流动阻力 设备功率消耗等有密切关系 提高泥浆的润滑性 使用油包水乳化泥浆 油基泥浆 PAM泥浆等 在一般泥浆中加入一部分油或无机润滑剂如硫化钼 MOS 和石墨粉等 润滑性与泥饼粘滞性 用润滑仪测定 如图所示 泥浆润滑性测定 泥饼粘滞性 泥饼粘滞性是衡量钻进过程中钻具回转或升降时 受泥饼阻尼的特性 石油钻井中泥饼粘滞性大时 往往粘附卡钻 起钻困难 因此泥饼粘滞性是一个比较重要的性能指标 泥皮粘滞性可用泥饼粘附系数测定仪测量 一 概念钻井液的pH值即钻井液的酸碱度 表示钻井液的酸碱性强弱程度 它等于钻井液中氢离子浓度的负对数 常用字母 pH 表示 又称pH值 当pH值 7时 钻井液呈中性 当7 pH值 14时 钻井液呈碱性 且pH值越大 钻井液的碱性越强 当0 pH值 7时 钻井液呈酸性 pH值越小 钻井液的酸性越强 四 钻井液的pH值 泥浆的pH值 酸碱度 对泥浆的性能有很大影响 粘土颗粒带负电 它必须在碱性条件下才能维持稳定 多数有机处理剂必须在一定的pH值下才能发挥好的效用 不同配方的泥浆具有自身的pH值 一般应控制在8 11之间 泥浆在使用过程中 若发现pH值相对于原设计值发生了变化 则应及时加以调节 泥浆pH值的简单测量方法 是用pH试纸 较精密的测量可用pH电位计 酸度计 一般是对泥浆滤液进行测量 有时也可直接对泥浆进行测量 调节PH值方法 1 提高PH值 可以加入NaOH Na2CO3或Ca OH 2等 2 降低pH值 可加入稀释的HCl或酸式盐 五 固相含量与含砂量 泥浆的固相含量指泥浆中固体颗粒占的重量或体积百分数 泥浆中的固相包括有用固相和无用固相 前者如粘土 重晶石等 后者为钻屑 泥浆中的固相 按固相比重来划分 可分为重固相 重晶石比重为4 5 赤铁矿为6 0 方铅矿为6 9等 和轻固相 粘土比重一般为2 3 2 6 岩屑比重一般在2 2 2 8之间 采用造浆率高的膨润土配制泥浆 粘土含量 重量 体积 在4 6 以下便可达到要求的粘度 此时泥浆比重在1 03 1 05左右 相反 若用造浆率低的粘土配浆 要达到同样的粘度 粘土用量要达20 30 以上 此时泥浆比重高达1 15以上 目前对优质轻泥浆 在粘度符合要求时 泥浆中的固相含量应控制在4 左右 体积含量 此时泥浆比重在1 05 1 08左右 固相含量对钻井影响 固相含量对钻速影响 1 随着泥浆比重的增加 钻速下降 特别是泥浆比重大于1 06 1 08时 钻速下降尤为明显 2 泥浆的比重相同 固相含量愈高则钻速愈低 由此泥浆比重相同时 加重泥浆的钻速要比普通泥浆高 因为加重泥浆的固相含量低 3 泥浆的比重和固相含量相同 但固相的分散度不同 则固相颗粒分散得愈细的泥浆钻速愈低 由此 不分散体系的泥浆其钻速要比分散体系的泥浆高 如下图所示 甚至有些