钻井课程-钻井液与完井液.ppt

钻井课程钻井液与完井液 2 成绩分布 1 出勤率 10 每次出勤听课 无迟到 早退 缺课者 10分 2 作业 20 每次独立完成作业 并提交作业 20分 3 提问 10 回答问题正确率达80 以上 10分 4 期末考试 60 期末考试成绩100分 60分 3 钻井液与完井液 钻井液流变性 钻井液造壁性 钻井液处理剂 钻井液体系 1 核心内容 4 第一章绪论 本章要求掌握 钻井液 完井液功用 类型和组成 钻井液 完井液的性能及其测试 钻井液 完井液的发展概况 2 5 第一节钻井液 完井液的功用类型组成 钻井液 凡钻进中一切有助于从井眼产生和清除钻屑的流体 液 气 液 气 广义完井液 一切与产层接触的流体 各种盐水 聚合物溶液 钻井液 泡沫等 狭义完井液 钻开油气层的钻井液 3 6 1 钻井液的主要作用 简图 4 7 1 钻井液的主要作用 具体内容 保持清洁 控制压力 冷却润滑 防止垮塌 避免损害 取准资料 传递功率 承受重量 5 8 第二节钻井液的组成和类型 2 钻井液的组成 分散相 分散介质 化学处理剂 连续相 不连续相 液相 固相 化学处理剂 6 9 组分举例 某种水基钻井液组分为 水 膨润土 处理剂100ml5g1g用组分表示的配方为 5 膨润土浆 1 处理剂配方表示的特点 用W V百分数表示组分 不考虑处理剂的体积 7 10 水基钻井液的典型组成 8 11 油基钻井液的典型组成 9 12 3 钻井液的类型 通常根据分散介质分为三大类 水基钻井液 Water BaseDrillingFluids 油基钻井液 Oill BaseDrillingFluids 气基钻井液 Gas BaseDrillingFluids 10 13 11 14 钻井液密度钻井液流变性钻井液滤失造壁性钻井液的pH值和碱度钻井液的含砂量钻井液的固相含量钻井液膨润土含量钻井液滤液分析 第二节钻井液的性能及其测试 12 15 第三节钻井液技术的发展 1 初步形成时期 1888 1928年 2 快速发展时期 1928 1948年 3 高速发展时期 1948 1965年 4 科学化时期 1965年 现在 13 16 发展水基钻井液清水分散钻井液抑制性钻井液不分散聚合物钻井液油基钻井液原油柴油为连续相钻井液油包水乳化钻井液 14 17 国内钻井液技术发展特点 同样经历了这些阶段 但滞后一定时间 水基体系的研究应用比油基体系多 深井水基钻井液 防塌钻井液 聚合物钻井液理论较成熟 成功研制了一些钻井液处理剂 成功应用了一些钻井液体系 如三磺体系 两性离子聚合物体系 聚磺体系等 研制了大量钻井液性能评价仪器 计算机应用相对滞后 15 18 1 初步发展时期 自然造浆阶段 主要解决问题 携带钻屑 控制地层压力典型技术 水 钻屑 地面土 使用重晶石 铁矿粉 1920年 16 19 2 快速发展时期 细分散泥浆阶段 主要解决问题 泥浆性能的稳定 井壁稳定典型技术 性能测定仪器研制出来 使用膨润土 单宁 烧碱 褐煤 17 20 3 高速发展阶段 粗分散泥浆阶段 主要解决问题 石膏 盐污染 温度影响典型技术 各种盐水 钙处理泥浆 油基泥浆 处理剂品种16大类 18 21 4 科学发展时期 聚合物不分散钻井液阶段 主要解决问题 快速钻井 保护油气层典型技术 不分散低固相钻井液 气体钻井 保护油气层的完井液 19 22 第二章粘土矿物和粘土胶体化学基础 本章要求重点掌握内容 1 几种粘土矿物的晶体构造特点及其水化性质 2 扩散双电层理论和电解质对电动电势的影响 3 胶体体系的基本概念 4 分散度 比表面的概念 5 聚结稳定性和沉降稳定性概念及其影响因素 20 23 几个基本概念1 相和相界面相 物质的物理化学性质都完全相同的均匀部分 体系中有两个或两个以上的相 称为多相体系 相界面 相与相之间的宏观物理界面 在相互接触的两相中 若一相为气体 相界面称为表面 若是液 固分界面 称为界面 21 24 2 分散相与分散介质分散相 在多相分散体系中 被分散的物质 分散介质 分散相所在的连续介质 例如 钻井液中 粘土颗粒分散在水中 粘土为分散相 水为分散介质 22 25 分散度和比表面分散度 分散相的分散程度 比表面 单位体积 重量 物质的总表面积 比表面 S V S W 23 26 3 吸附作用 吸附 物质在两相界面上自动浓集 界面浓度大于内部浓度 的现象 吸附质 被吸附的物质吸附剂 吸附吸附质的物质按吸附的作用力性质不同 可将吸附分为 物理吸附 化学吸附 24 27 第一节粘土矿物的晶体构造与性质 粘土 主要由粘土矿物和少量非粘土矿物组成的细粒粘滞土状物质 特点 粒度 5微米 成分 粘土矿物 蒙托石等 非粘土矿物 石英 长石等 胶体矿物 蛋白石等 粘土矿物 含水的层状及层 链状铝硅酸盐总称 特点 具有相对固定的化学组成和确定的内部结构 内部格子构造 25 28 粘土矿物的晶格构造和特点 常见的粘土矿物 clayminerals 高岭土 Kaolinite 蒙脱石 Montmorillonite 伊利石 illite 化学组成 26 29 一 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 硅氧四面体由一个硅原子和四个等距的氧原子组成的正四面体 硅原子在四面体的中心 氧原子在四面体的顶点 图中 基底氧 四面体底面三个氧原子 顶端氧 四面体顶点一个氧原子 O O距离 2 61埃 Si O距离 1 61埃 硅原子 氧原子 27 30 硅氧四面体片单个四面体与若干个相邻四面体通过底面氧相连 构成平面连续的四面体晶格 四面体片特点 由SiO4彼此连接而成的Si4O10的无限重复的六方网格 所有基底氧排列在同一个平面上 所有顶端氧在另一个平面上 平面投影形成正六角形的三层空心六角环网格 四面体片在粘土中不能独立存在 硅原子 氧原子 Si4O10 最小重复单元分子式 28 31 2 铝氧八面体与铝氧八面体片 铝氧 氢氧 Al O OH 八面体铝原子处于正八面体中心 六个氧原子或氢氧原子处于八面体顶点 图中 O O距离 2 60埃 OH OH距离 2 94埃 铝原子 氢氧原子 29 32 铝氧 氢氧 八面体片单个八面体与相邻的八面体通过共用晶棱连接起来 顶端和底端氧原子则构成两个平行的平面 每个八面体同相邻的六个其它八面体通过共用氧 氢氧 连接 两种八面体 片 二八面体 铝氧片 每三个八面体中心只有二个中心被Al3 Fe3 占据 1 3空位 三八面体 镁氧片 每三个八面体中心全被Mg3 Fe3 充填 无空位 氢氧原子 铝原子 Al4 OH 12 最小重复单位分子式 30 33 3 晶片的结合 晶层四面体片和八面体片沿C轴按一定比例相互重合 通过共用氧原子连接形成电中性的统一结构层 晶体许多单位晶层在C轴方向上按一定距离反复重合而成 单位晶胞能代表晶体性质的单位层内最小物质组合 常以a b轴范围表示其大小 C轴间距某一晶面与相邻晶层的对应晶面间的距离 晶格取代晶体结构中四面体的Si4 被Al3 取代 或铝氧八面体的Al3 被Fe2 Mg2 等取代 其结果是晶体结构不变 晶体带负电 C a C间距 b 31 34 二 几种粘土矿物的晶体构造 1 高岭石 Kaolinite 晶体结构 1 1型单元晶层由一层四面体片和一层八面体片组成 所有硅氧四面体的尖顶都朝向八面体 通过共用氧原子连接成晶层 若干个晶层在C轴方向上层层重叠 而在a b轴方向上连续延伸 特点 晶层间连接紧密 晶层一面为 O 层 一面为 OH 层 易形成氢键 水化分散性差 矿物较稳定 C轴间距 7 2埃 晶胞分子式 Al4Si4O10 OH 8 6 12 10 16 12 0 6OH4Al4O 2OH4Si6O 氧 氢氧 铝 硅 32 35 2 蒙脱石 Montmorillonite 晶体结构 2 1型两层四面体片中间夹一层八面体片 每个四面体尖顶均指向中央的八面体 通过共用的氧连接成晶层 若干个晶层按一定距离在C轴方向上重叠构成晶体 晶胞分子式 Al4Si8O20 OH 4 特点 晶格取代主要在八面体中 Mg2 Al3 补偿阳离子 Na Ca2 阳离子交换容量高 70 130毫克当量 100克土 水化能力强 6O4Si4O 2OH4Al4O 2OH4Si6O 氧 氢氧 铝 硅 14埃 33 36 3 伊利石 illite 晶体结构 2 1型 K 晶体结构类似与蒙脱石的晶体结构 区别 A 晶格取代比蒙脱石多 且主要发生在四面体片中 B 补偿阳离子主要为K C 单位晶胞电荷数比蒙脱石的高1 1 5倍 特点A 单位晶胞电荷数高 0 6 1 8 B 单位层之间由分之间力和K 连接 C 阳离子交换容量低 CEC 20 40meg 100g土D 水化能力弱 氧 氢氧 铝 硅 K 10埃 34 37 课程小结 C轴间距 层间阳离子 35 38 粘土的电性 一 粘土晶体的电荷及其来源1 永久负电荷 构造电荷来源 晶格取代产生过剩负电荷 如 四面体 Al3 Si4 八面体 Mg2 Ai3 特点 永久负电荷主要受晶格取代影响 不受PH影响 蒙托石的永久负电荷 主要来源于铝氧八面体 少部分来源于硅氧四面体 伊利石的永久负电荷 主要来源于硅氧四面体 少部分来源于铝氧八面体 高岭石几乎无永久负电荷 永久负电荷大小排序 伊利石 蒙脱石 高岭石 永久负电荷主要分布在粘土晶层层面上 36 39 2 可变负电荷 表面电荷来源 晶体端面的Al OH键例如 在碱性条件 端面吸附OH SiO32 等无机阴离子 或有机阴离子聚电解质 Al O H OH SiO32 37 40 3 正电荷 表面电荷来源 当PH 8时 Al O H Al OH 特点 受环境PH值影响 正电荷 负电荷 因此 粘土一般带负电 38 41 二 粘土的交换性阳离子和阳离子交换容量CECCationExchangeCapacity1 交换性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 2 粘土的阳离子交换容量CEC定义 分散介质的PH 7时 从粘土上所能交换下来的阳离子总量 特点 矿物种类不同 CEC有很大差别 蒙脱石 70 130meg 100g土伊利石 20 40meg 100g土高岭石 3 15meg 100g土 39 42 二 粘土的交换性阳离子和阳离子交换容量CECCationExchangeCapacity 3 粘土阳离子交换容量的测定测定粘土阳离子交换容量的方法很多 经典的方法是醋酸铵淋洗法 其基本原理如下 淋洗剂为醋酸铵NH4Ac NH4 可交换出粘土中的ca2 和Mg2 等阳离子 其作用可用图2 11表示 40 43 4 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 二 粘土的交换性阳离子和阳离子交换容量CECCationExchangeCapacity 41 44 粘土的水化作用 一 粘土矿物的水分1 结晶水定义 粘土矿物晶体构造的一部分 又叫结构水 特点 温度 3000C 释放出结晶水 2 吸附水 束缚水 定义 由于分之间力和静电引力吸附极性水分子而在粘土表面上形成的一层水化膜 特点 温度 1100C 释放出吸附水 包括 薄膜水 毛细管水 胶体水 3 自由水定义 粘土颗粒孔隙或孔道中存在的水 42 45 二 粘土的水化和水化膨胀1 几个名称概念粘土水化 粘土矿物遇水后 在其颗粒表面吸附水分子形成水化膜的过程 粘土膨胀 水分子进入粘土矿物晶层间 其体积由小变大的过程 粘土分散 水分子进入粘土矿物晶层间 使粘土由大颗粒变为小颗粒的过程 粘土收缩 在高温作用下 粘土矿物吸附的水分子逐渐蒸发 其体积由大变小的过程 43 46 2 引起粘土矿物水化的原因 靠静电吸附水分子产生水化 靠氢键吸附水分子产生水化 44 47 3 粘土水化的过程两个水化过程 表面水化和渗透水化 表面水化定义 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 影响因素 影响表面水化膨胀的三种力 a 晶层间的范德华力 b 水化能 c 晶层间的静电引力 45 48 表面水化特点 主要推动力 表面水化能 水的吸附能 表面吸附的水分子只有两个水分子厚度 体积膨胀小 产生的膨胀压大 2000 4000kg cm2 46 49 渗透水化特点 主要推动力 双电层斥力 体积膨胀大 膨胀压较小 47 50 4 影响粘土水化膨胀的因素 1 因粘土晶体的部位不同 水化膜的厚度也不相同 2 粘土矿物不同 水化作用的强弱也不同 3 因粘土吸附的交换性阳离子不同 其水化程度有很大差别 如钙蒙脱石 钠蒙脱石 见下图 48 51 49 52 第四节粘土 水悬浮体的稳定性 一 电动现象莱斯实验实验中观察到两个现象 粘土颗粒通过细砂层向阳极移动 并沉积起来 水通过粘土团块的毛细管向阴极流动 总结这两种实验现象 得到两个概念 电泳 在电场作用下 分散相微粒在介质中向某一电极移动的现象 电渗 在电场作用下 液体对固定的带电荷的固体表面作相对运动的现象 显然 电泳和电渗都是外加直流电场于胶体体系引起的运动现象 莱斯实验装置 土粒 水 电泳 电渗 50 53 二 界面双电层1 胶体颗粒扩散双电层胶粒周围带有电荷后 会出现如下现象 反离子扩散分布于胶粒周围 形成扩散双电层 扩散双电层结构 扩散双电层从固体表面到过剩反离子为零处 吸附层固体表面紧密吸引着的部分反离子所构成 扩散层其余反离子扩散地分布在液相中所构成 滑动面吸附层与扩散层错开的界面 胶核 固体表面 胶粒 胶核 吸附层 扩散双电层结构 滑动面 吸附层 扩散层 距离 粘土 51 54 离子的分布 双电层内既有同号离子 又有反离子 其分布如右图所示 双电层电荷必须平衡 离子分布 反离子 过剩反离子 同号离子 0 X n n0 52 55 2 双电层中的电势 位 表面电势 定义 从固体表面到均匀液相内的电势降 特点 固体表面电势最大 表面电势随离表面距离的增大而大致依指数关系降低 电动电势 定义 从滑动面到均匀液相的电势降 特点 胶粒带电越多 电位越高 大小取决于吸附层内的静电荷数 0 x 0 53 56 电势方程式赫斯公式 Helmhohz Smoluchouski 对于片状离子 4 v DE 3002对于球离子 6 v DE 3002式中 介质粘度 v 电泳速度 E 电位梯度 D 液体介电常数 54 57 3 电解质对 电位的影响 电解质压缩双电层作用电泳实验表明 任何电解质加入 都要影响电泳速度 从而影响 电位值 1 2 1 2 0 x 电解质压缩恒定表面电势双电层 1 2 1 2 0 x 电介质压缩恒定表面电荷双电层 55 58 恒定表面电势型双电层吸附定势离子产生的 其表面电势由定势离子浓度决定 基本上不受其它电介质浓度的影响 所以其表面电势不变 恒定表面电荷型双电层由内部晶格不完整性引起的 其表面电荷由晶格内部的不完整性决定 与电解质浓度无关 总之 这两种双电层均受电介质压缩 电位要降低 电解质压缩双电层机理 加入电介质 正负离子浓度增加 过剩反离子受阻 扩散层减薄 电位降低 56 59 影响因素 反离子浓度 浓度越高 压缩越多 电位降低越多 反离子价数 价数越高 压缩越多 电位降低越多 反离子对恒表面电势型双电层影响 57 60 等电态 电势等于零 胶粒不带电 电泳 电渗速度为零的状态 再带电现象高价反离子进入吸附层 使 电势改变符号的现象 此时 胶粒电荷反号 电泳方向改变 电解质浓度对 电势的影响 x 1 2 电势 等电点 58 61 胶团结构胶粒 胶核 吸附层胶团 胶粒 扩散层其中 胶核 由许多分散相分之 原子和离子构成 一般具有晶体结构 胶粒 胶核和吸附层沿滑动面与扩散层分开 但一起运动 带有电荷 胶团 由胶粒与扩散层中的反离子构成 胶团为电中性的 分散在液体介质中便是溶胶 例如 粘土胶团 蒙托石 结构 m Al3 34Mg0 66 Si8O20 OH 4 0 66mx 0 66m x Na x xNa 胶核 胶粒 胶团 粘土胶团结构图 59 62 粘土 水悬浮体的稳定性 粘土 水悬浮体稳定性的概念 沉降稳定性 聚结稳定性沉降稳定性 在重力作用下 分散相粒子是否容易下沉的性质 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 两种稳定性的关系 因为 分散相粒子自动聚结变大 重量加大 粒子下沉 体系失去沉降稳定性 所以 聚结稳定性是根本的 60 63 影响沉降稳定性的因素Stocks沉降速度公式 式中 r 粒子半径 分散介质粘度 粒子密度 0 分散介质密度 从上式可见 影响沉降速度v的因素为 r 0 说明 Stocks沉降速度公式没有考虑钻井液凝胶强度的悬浮作用 61 64 影响聚结稳定性的因素阻碍粘土颗粒聚结的因素有 双电层斥力 电势越高 颗粒间斥力越大 粘土颗粒越难以聚结合并 吸附溶剂化膜的性质 吸附溶剂化膜的粘度 弹性 厚度越大 粘土颗粒越难以聚结合并 引起粘土颗粒聚结的因素有 颗粒之间的吸力 范德华力 范德华力越大 粘土颗粒越容易聚结合并 电解质的聚结作用 反离子价数越高 聚结能力越强 反离子浓度越高 聚结能力越强 同价不同离子的聚结能力遵循感胶离子序 如碱土金属的聚结能力 Cs Rb K Na Li Ba Sr Ca Mg 62 65 本次作业1 钻井液的主要功用有哪些 2 粘土矿物的晶格取代指的是什么 其结果如何 3 粘土端面可否带正电 为什么 4 什么叫表面水化和渗透水化 它们的主要驱动力和特点各是什么 5 什么是粘土的CEC 测定它们有何意义 6 从硅氧四面体和铝氧八面体出发 简述高岭石 蒙托石 伊利石的晶体结构 63 66 第三章钻井液的流变性Chapter3TheRheologyofDrillingFluids 本章要求重点掌握 1 流动原理及其几种流型的概念和数学模型 2 流变参数的胶体化学性质 3 流变性测量原理和流变参数直读公式 4 钻井液流变性与钻井工程的关系 5 钻井液流变性能的调节与维护 64 67 第一节钻井液的流动状态和基本概念 1 流体的流动类型 稳定流 流场中任何点的流动参量不随时间改变 但不同点的流动参量是可以不同的流动 特点 稳定流动是连续性的 不稳定流 流场中任何点的流动参量不但随位置不同而变 而且随时间不同也在改变的流动 特点 旧的流动条件刚改变到新的流动稳定条件建立之间的流动 如 流体刚开始流动时 管道横断面变宽 变窄处 65 68 稳定流动类型的变化塞流PlugFlow稳定流层流LaminarFlow紊流TurbulentFlow 塞流 层流 紊流 稳定流动类型的变化 66 69 塞流 流体象塞子一样流动 流速为常数 层流 流体分层运动 任意流层与相邻流层方向相同 流速不同 紊流 流体内形成无数小旋涡 任一定点的流速 其大小 方向都在进行着不规则的 连续的变化 67 70 2 基本概念 预备知识 剪切速率ShearRate统一名称 速梯 剪率 切变率 常用符号 D dv dx dv dr定义 dv dr 垂直于流动方向上单位距离内的流速增量 意义 dv dr增大 液流各层间的速度变化大 反之则小 单位 速度 距离 cm s cm 1 s s 1钻井液循环系统中各部位剪切速率范围为 沉砂罐处 10 20s 1环形空间 50 250s 1钻杆内部 100 1000s 1钻头水眼 1000 7000s 1 68 71 剪切应力ShearStress统一名称 剪应力 切应力 常用符号 定义 F A 液层单位面积上的剪切力 意义 越大 液流各层所受的作用力越大 反之 越小 单位 F A dyn cm2 Pa 1Pa 10dyn cm2 69 72 流变曲线ConsistencyCurve定义 速梯与切应力关系曲线 表示方法 三种表示法 0 0 0 Q V n P P 流变曲线表示法 70 73 粘度Viscosity统一名称 有效粘度 视粘度 常用符号 定义 单位剪切速率的剪切应力 单位 dyn cm2 s dyn s cm2 泊1泊 100mPa s 100cp 1dyn s cm2 71 74 几何意义 A 流变曲线上某点与原点相连直线斜率的倒数 A 1 tg A A 越大 越小图中 A B B 流变曲线上某点与原点相连直线的斜率 A 1 tg A A 越大 越大图中 A B 0 A B 2 1 0 A B 2 1 有效粘度几何意义 72 75 漏斗粘度FunnelViscosity定义 定体积泄流时间 单位 秒 s 类型 马氏漏斗粘度MarshFunnelViscosity定义 1500ml流出946ml的时间 标准 清水测量值 26 0 5s 中国漏斗粘度定义 700ml流出500ml的时间 标准 清水测量值 15 0 5s 漏斗粘度计示意图 73 76 第二节基本流型及其分析 一 流体分类根据 应力 应变 流动 关系 将流体分为 74 77 二 流体分析 对流体研究对象的基本假设 连续介质 均质性 不可压缩性 层流 75 78 1 牛顿内摩擦定律与牛顿流体 牛顿内摩擦定律 F A dv dr 表征流体粘性的比例系数 简称牛顿粘度 F 内摩擦力 牛顿流体流变性符合牛顿内摩擦定律的流体 类型举例 水 甘油 单相液体等 流变曲线 通过原点的直线 特点 C 常数 液体流动示意图及流变曲线 F r dv dr r 0 稠液体 稀液体 76 79 2 非牛顿流体剪切应力与剪切速率不呈线形关系的流体 1 流变特性与时间无关的非牛顿流体特点 与 呈单值对应关系 塑性流体PlasticFluids数学模型 0 s 流变曲线 有截距的直线 流变参数 0 动切应力YieldStress统一名称 屈服值 屈服点 定义 流体开始呈现层流流动时所需要的剪切应力 常用符号 0 YP单位 dyn cm2 Pa几何意义 直线截距的切应力值 0 s 0 真实泥浆 塑性体 流型图 77 80 s 塑性粘度PlasticViscosity定义 产生单位剪切速率所需要的剪切应力 常用符号 s PV单位 公制 dyn s cm2 泊 厘泊 国际 Pa s mPa s模式讨论 0 s 或者 s 0 优点 0 0能够反映多数钻井液具有内部结构情况 能够反映多数钻井液的剪切稀释性 s能够反映出钻井液的极限粘度 缺点 低剪切速率下 实 宾表明模型拟合实际曲线有较大偏差 78 81 真实泥浆与不同流型的比较 r 0 真实泥浆与不同流型的比较 79 82 假塑性流体PseudoplasticFluids流变模式 K n流变曲线 过原点凸向切应力轴的曲线 因其延长线与坐标轴交点似乎有一个动切力 故称其名 流变参数 K 稠度系数意义 反映流体的粘滞性 K越大 流体越难流动 单位 dyn sn cm2n 流型指数意义 偏离牛顿流体的程度 模式讨论 K n或者 K n 1 0 0不符合大多数钻井液具有屈服应力的特点 能够反映钻井液的剪切稀释性 0无极限粘度 不符合钻井液情况 0 r 80 83 卡森流体流变模型 1 2 c1 2 1 2 1 2流变曲线 1 2 1 2作图 为一条直线 作图 为直线与曲线之和 模式讨论 1 2 c1 2 1 2 1 2 0 c能够反映多数钻井液具有内部结构情况 能够反映多数钻井液的剪切稀释性 能够反映出钻井液的极限粘度 卡森流体流变曲线 c 0 0 1 2 c1 2 r1 2 r 81 84 三 剪切稀释性 1 定义 钻井液的有效粘度随剪切速率增加而降低的现象 特点 剪切速率是变量 粘度是变量 表示法 动塑比或YP PV意义 YP PV越大 钻井液的剪切稀释性越强 82 85 2 流变特性与时间有关的非牛顿流体特点 f t 触变性流体Thixotropy 实验现象 流体摇动并静止后形成凝胶 再次摇动后恢复到原有状态 通俗定义 恒温恒压下 流体搅拌后变稀 静止后变稠的特性 一般定义 A 在一定速梯下 剪切应力随作用时间增加而减小的特性 B 在一定速梯下 剪切应力随静置时间增加而增大的特性 胶化定义 等温情况下 流体状态发生凝胶 溶胶 凝胶可逆转变的特性 0 t 牛顿体 震凝体 触变体 83 86 触变性机理流体内部的粘土粒子因其物化原因易形成网架结构 静止后 粒子为了满足表面静电饱和 在自由能最小部位自行排列而形成凝胶结构 搅拌时 网架结构逐步被拆散 显然 凝胶结构 f 固含 固相类型 温度 时间 剪切过程 处理剂类型 触变性的两个特点 A 形成结构到拆散结构 或反之 在等温情况下是可逆的 可重复的 B 借结构的变化与时间紧密相关 静置 静置 搅拌 搅拌 84 87 触变性的表示和测量表示原理 用流体恢复内部网架结构所需时间和最终的静切应力大小表示 表示方法 触变性 初切力 终切力或者触变性 初切力 终切力具体表示 低密度钻井液 触变性 初切力 终切力 1分钟静切力 10分钟静切力即 触变性 1 10 G1 G10 高密度钻井液 触变性 10秒钟静切力 10分钟静切力 10 10 G10 G10 较快的强凝胶 较慢的强凝胶 较快的弱凝胶 较慢的弱凝胶 s s t t 平坦型凝胶 递增型凝胶 良好型凝胶 脆弱型凝胶 85 88 第三节钻井液流变参数的胶体化学性质 学习意义 分散介质间吸引力 流变性 f 流动阻力 分散相与介质粘附力 反映钻井液自身结构强弱分散相之间吸力 斥力 可通过化学处理改变 即 化学处理 改变体系内部结构 胶化性质 改变流阻 改变钻井液流变性因此 通过钻井液流变性变化 可以分析 化学处理剂作用后 钻井液体系中分散相结构的微观变化 钻井液体系的稳定性 寻求符合生产实际所需要的钻井液配方 满足钻井工程的需要 86 89 一 钻井液的静切应力和动切应力1 静切力 s定义 钻井液静止后形成的凝胶结构强度 钻井液从静止到开始塞流流动所需要的最小剪切应力 影响因素 单个链环的强度 颗粒间引力 电位 水化膜厚度h 结构链环数目 单位体积 结构密度 颗粒浓度c 分散度 调整方法 升 s 提高c 分散度 降低 水化膜厚度h 降 s 与上相反 87 90 静切力的实际应用 1 悬浮岩屑和加重材料悬浮岩屑 球形 所需静切力为 s g cm2 d 岩 浆 6 s dyn cm2 d 岩 浆 6经验数据 初切力 2 6Pa时 可达到良好的悬浮能力 终切力 2初切力 属于良好型触变体 终切力 5初切力 属于递增型触变体 此时 会造成泵压过高 易压漏地层 2 影响井内液柱压力激动 阅读 静切力示意图 G 重力 浮力 s 88 91 2 动切应力 0 YP 定义 钻井液开始作层流流动时 必须要的最小剪切应力 实质 层流流动时 流体内部结构一部分被拆散 另一部分重新恢复 当拆散与恢复速度相等时 保留的那部分内部结构所产生的剪切阻力 0与 s的区别 0为层流流动条件下固体颗粒之间吸引力的量度 s为静止条件下固体颗粒之间吸引力的量度 89 92 影响因素 类似于静切力 单个链环的强度 颗粒间引力 电位 水化膜厚度h 结构链环数目 单位体积 结构密度 颗粒浓度c 分散度 调整方法 升 s 提高c 分散度 降低 水化膜厚度h 降 s 与上相反 90 93 二 钻井液的粘度1 表观粘度 有效粘度 视粘度 定义 意义 钻井液作层流流动时 表观粘度等于以下四部分内摩擦力的微观统计结果 固 固颗粒间内摩擦阻力 固 液相分子间内摩擦阻力 液 液分子间内摩擦阻力 固相结构 液相分子间内摩擦阻力 几种流体 模式 表示的表观粘度 宾汉体 s 0 假塑性体 K n 1卡森体 1 2 0 1 2 1 2 91 94 2 宾汉体的塑性粘度 s定义 层流流动时 流体内部网状结构的破坏与恢复处于动态平衡时 以下三部分内摩擦力的微观统计结果 固 固颗粒间内摩擦阻力 固 液相分子间内摩擦阻力 液 液分子间内摩擦阻力 特点 s不随dv dr变化而变化 影响因素 固相含量 固含 s 分散度 分散度 s 液相粘度 液相粘度 s 调整 s的方法 根据影响因素升 降 s 92 95 3 假塑性体的n k稠度系数k k f 液相 固相含量及其性质 流性指数n n f 内部结构强弱 n反映了流体的非牛顿强弱 n越小 流体非牛顿性月强 降k值方法 与提k方法相反 增加惰性固体含量 稀释或者除砂 加入膨润土 调整n值方法 降n 加入活性膨润土 无机盐 高分子聚合物等 提n 加入清水 稀释剂等 93 96 第四节钻井液流变参数的确定 一 旋转粘度计原理和基本计算公式1 内 外筒式旋转粘度计原理内外筒之间充满被测钻井液 当外筒旋转时 通过流体的粘性带动同轴内筒转动 使扭力弹簧扭转一定角度至平衡为止 由此反应不同流体的剪切应力大小 因为内 外筒尺寸和外筒转速确定了内筒外舴面的剪切速率 所以 可根据测得的 关系计算钻井液的流变参数 旋转粘度计原理图 R1 dr R2 R1 R L h 94 97 2 旋转粘度计基本计算公式将线速度梯度代入牛顿内摩擦定律 并考虑内筒外表面切应力 可推得以下旋转粘度计的基本公式 M 2 R12h 2R22 R22 R12 R22n 15 R22 R12 式中 外筒旋转角速度 n 外筒每分钟转速 R1 R1 内 外筒半径 95 98 二 钻井液流变参数的确定1 仪器参数的确定常用仪器 Fan 35SA型旋转粘度计 仪器参数 R2R1R2 R1h kcmcmcm格dyn cm 格1 84151 72451 06783 8300386将仪器参数代入 R22n 15 R22 R12 中 得到 1 703n利用该式 可以计算出不同转速下的剪切速率 r min60030020010063r s 11022511340 7170 310 225 11 96 99 又根据测定扭距M k 得到仪器最大测定扭距 Mmax 300 380 115800dyn cm将其代入 M 2 R12h 得 max 1533dyn cm2由此 可得到仪器扭簧系数 C 1533 300 5 11dyn cm2 格综上可见 我们已经得到了如下公式 C 5 11 1 703n流变参数精确计算公式 根据直线的两点法则推得 因此 可以利用这些公式导出钻井液流变参数的直读计算公式 97 100 2 不同流体的流变参数直读公式 牛顿流体NewtonianFluids 300 1 2 600mPa s 宾汉塑性流体BinghamModel s 600 300mPa s 600 2mPa s 0 0 511 300 s mPa s 假塑性体PowerLawModeln 3 322lg 600 300 K 0 511 300 511nPa sn 卡森流体CassonModel 1 2 2 42 6001 2 3001 2 mPa s 1 2 c1 2 0 4931 6 1001 2 6001 2 Pa1 2 98 101 第五节钻井液流变性能与钻井工程的关系 钻井液流变性能与钻井工程的关系主要体现在下列几个方面 影响钻井速度 影响环空携带岩屑能力 影响井壁稳定 影响岩屑和加重物质的悬浮 影响井内压力激动 影响钻进泵压和排量 影响固井质量 99 102 1 影响钻井速度Eckel指出 在其它因素不变时 钻速与钻头处雷诺数的0 5次方成正比 Vm f Ne 1 2设有两种钻井液 钻速的表达式为 Vm2 Vm1 Ne2 Ne1 1 2因为其它因素不变时 雷诺数与钻井液粘度成正比 Ne dv 对于宾汉塑性体 Ne dv s所以 Vm2 Vm1 s1 s2 1 2该式说明了钻井液的流变参数对钻速的影响关系 100 103 举例某钻井液的塑性粘度 s为32mPa s 平均钻速为6米 小时 在不改变其它因素时 降低 s到8mPa s 则钻速变化为 Vm2 6 32 8 1 2 12米 小时钻速提高2倍 如果钻进1000米井段 用32mPa s的钻井液要用100小时 则用8mPa s的钻井液只需要50小时 101 104 2 影响环空岩屑携带 对岩屑输送比的影响岩屑输送比 Rt V Vs V 1 Vs V井眼净化良好的条件 Rt 0 5即 V 2Vs式中 Rt 岩屑输送比 V 钻井液平均上返速度 V 12 7Q D22 D12 Vs 岩屑颗粒沉降速度 Vs与颗粒雷诺数Re相关 当Re 3时 Vs 326800ds2 s f 当3300时 Vs 2 95 ds s f f 1 2由此可见 井眼净化与钻井液流变性能中的有效粘度 紧密相关 102 105 影响层流条件下岩屑携带 层流携带岩屑的特点 岩屑翻转上升 层流携带岩屑缺陷的实质 力矩效应 改进方法 将尖峰形改为平板形层流 平板形层流携岩原理 流核直径 由上式可见 0 s d0 钻井液流速剖面变平坦 翻转力矩效应减小 流动状态 F2 F1 L d0 d D 103 106 钻井液有效地携带岩屑的流变参数取值范围 对于宾汉流体 0 s 3 6 4 78dyn cm2 mPa s 0 s 0 36 0 478Pa mPa s 0 1 5 3Pa对于假塑性体 根据 600 300 1022n 511n 2n 得到动塑比与流型指数的关系 0 s 0 5 300 s 600 300 1 2n 1 2n 1 因此 n 0 4 0 7对于卡森流体 c 1 0 2 5Pa注意 提高 0 s的关键是降低塑性粘度 s 104 107 3 影响井壁稳定钻井液流变性对井壁稳定的影响主要是指对井壁的冲蚀作用 Walker定义用侵蚀指数EI表示 层流时 EI 0 12 sV D2 D1 0 5 0EI s 0 s 12V D2 D1 0 5 0 s EI值越大 冲蚀性越强 由上面公式可见钻井液流变参数对其影响关系 105 108 4 影响岩屑和加重物质的悬浮在牛顿流体中的颗粒只要其密度大于流体密度 就必然会以一定速度下沉 但是 岩屑颗粒在钻井液中的情况却不同 由于静切力和动切力的存在 即使颗粒密度大于钻井液密度 颗粒也不会发生沉降 只有当颗粒与流体满足一定条件时 颗粒才会下沉 因此 颗粒除了自然沉降外 还具有一种切应力悬浮状态 流体静止状态下的切应力悬浮状态悬浮岩屑 球形 所需静切力为 s g cm2 d 岩 浆 6 s dyn cm2 d 岩 6浆由上式可以计算静止状态下 悬浮岩屑颗粒所需要的静切应力 G 重力 浮力 s 106 109 流体运动状态下的动切应力悬浮 阅读 岩屑颗粒在钻井液中的沉降速度为 Vs ds 0 0702gds s f 0 若颗粒处于临界状态 有0 0702gds s f 0 0即颗粒悬浮的临界条件为 s f 14 25 0 gds f 1颗粒悬浮的判别准则为 s f 14 25 0 gds f 1在钻井工程中 尤其是在水平井的施工中 动切应力的悬浮作用对于避免岩屑沉积是非常有益的 返回 107 110 第四章钻井液的滤失和润滑性能 本章要求 1 掌握三个 瞬 静 动 失水概念 2 掌握五个公式 3 熟悉七个影响因素 4 钻井液润滑性及其评价 108 111 一 滤失造壁性的基本概念 1 水基钻井液中的水水基钻井液 固相 水 处理剂钻井液中的水由三部分组成 结晶水 化学结合水 粘土矿物晶体构造的组成部分 吸附水 束缚水 由固相颗粒分子间力吸附的水化膜 自由水 钻井液中自由移动的水 分散介质 特点 占总水量中的绝大部分 水在泥浆中所呈状态 吸附水 结晶水 自由水 109 112 泥浆的主要功能 携带 悬浮岩屑 控制压力 形成泥饼 破岩 清岩 保护油气层 传递水功率 110 113 泥饼形成示意图 111 114 2 失水与造壁的概念为了防止地层流体进入井内 钻井液液柱的压力必须大于地层流体的压力 于是 钻井液总是趋向于向地层漏失或滤失 漏失 钻井液的固相和液相全部进入地层的现象 滤失 钻井液中只有液相进入地层的现象 失水 钻井液中的自由水在压差作用下向井壁岩石的裂隙或孔隙中渗透 泥饼 钻井液滤失过程中留在井壁或者滤膜上的物质 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 112 115 113 116 3 井下失水过程 时间 累计失水量 To T1 T2 T3 T4 T5 T6 V瞬 V动 V静 h 0 h h c h h h c 114 117 瞬时失水SpurtLoss 钻井液尚未完全形成之前很短时间内的失水量 特点 时间短 t 2秒 比例小 115 118 动失水DynamicFiltration 钻井液循环时的失水量 特点 泥饼形成 增厚与冲蚀处于动平衡 高渗透率 低渗透率 C 失水速率大 失水量大 116 119 静失水StaticFiltration 井下 钻井液停止循环后的失水 室内 指定静态条件下 静失水仪器测得的失水 特点 失水速率小 失水量较小 泥饼厚 无冲蚀作用 117 120 二 失水造壁性与钻井工作的关系 1 失水量过大两个害处 导致水敏性泥页岩缩径 垮塌 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 2 泥饼过厚两个害处 井径缩小 易引起起下钻遇阻遇卡 泥饼粘附卡钻 3 现场要求泥饼 薄 密 韧 失水量 适当 并非越小越好 对于一般地层 API失水 10 15ml 30min 对于水敏地层 API失水 5ml 30min 118 121 4 控制失水量原则 五严五宽五严 井深 裸眼长 矿化度低 油气层段 易塌层段 五宽 井浅 裸眼短 矿化度高 非油气层 稳定井段 119 122 三 钻井液的静失水StaticFiltration1 静失水方程假设条件 泥饼厚度h 井眼直径 滤失过程为线性关系 K C 滤失为恒温恒压过程 静失水方程推导 利用达西渗滤公式 1 式中 vf 滤失量 cm3 t 滤失时间 s k 泥饼渗透率 darcy P 滤失压力 kg cm2 滤液粘度 mPa s h 泥饼厚度 cm A 滤失面积 cm2 120 123 如果一定体积的钻井液Vm全部滤失完 则在Vm当中 有Vf的滤液体积从Vm中挤压出去 剩下Vc的泥饼体积挤不出去 于是可以得到 Vm Vf Vc Ah Vf 2 Vc Vf R 常数 3 将 2 3 式代入达西公式 1 中 得到 4 对 4 式两边积分 得 5 121 124 根据假设可知 泥饼中干固体体积等于泥饼体积与泥饼中固相体积分数的乘积 即 Vc hACc钻井液中固相体积百分数为 Vc Vf hACc hA Vf 联立解以上两式 得 6 将 5 式代入达西公式 1 中 并积分得 7 比较 7 式与 5 式 可以看到 Cc Cm 1 Vf Vc 122 125 2 影响静失水的因素 Vf与t的关系RelationshipBetweenFiltrationandTime理论关系 在直角坐标上任取两点 可以得到 Vf与t的关系 t1 2 0 Vf t11 2 Vf1 t21 2 Vf2 该式实际上表明了任意时刻失水量之间的关系 如果 t1 7 5分钟 t2 30分钟 则 Vf30 2Vf7 5 123 126 实际关系实验发现 在直角坐标上的直线存在截距 正截距和负截距 原因分析 正截距 泥饼未形成之前钻井液喷失量较大 负截距 喷失量很小 不足以充满滤纸和仪器排出管 Larsen方程 Vf Vsp A ct 1 2根据 Vf30 2Vf7 5 得到 Vf30 Vsp A c30 1 2Vf7 5 Vsp A c7 5 1 2联立解之 得到 Vf30 2Vf7 5 VspVf30 2Vf7 5 Vsp式中 Vf 考虑了瞬时失水的静失水量 Vf 未考虑瞬时失水的静失水量 t1 2 Vf VsP Vf与t的关系 124 127 Vf与P的关系RelationshipBetweenPressureandFiltrationVolume理论上 LgVf 1 2LgP 1 2LgC即 Vf P1 2条件 k 常数 实际上 Vf Px原因 k 常数 指数x的实质 反映压力对泥饼可压缩性 x越小 泥饼可压缩性越好 k越小 x是直线斜率 一般小于0 5 x与固相粒子形状和大小有关 一般 粘土 x 0 205页岩 x 0 084膨润土 x 0 LgP 0 LgV Vf与P的关系 125 128 Vf与 的关系RelationshipBetweenViscosityandFiltrateVolume由静失水方程可知 Vf 1 2 而 1 温度T所以 Vf f T 影响规律 T Vf 例如 用纯水配制的钻井液 在200C与1000C比较 T 粘土聚结和絮凝状态改变 k Vf 粘土去水化 吸附水 自由水 Vf T 降失水剂要降解 若超过处理剂的抗温能力 失水量急剧增加 126 129 Vf与固相含量及类型的关系Vf Cc Cm 1 1 2显然 若要降低失水量Vf 可以采取的方法为 提高钻井液中的固相含量Cm 存在问题 固含增加 将导致钻井液流变性变差 同时 钻进速度降低 降低泥饼中的固相含量Cc 优点 泥饼中土少水多 束缚水多 水化膜厚 在压力作用下易变形 可压缩性大 结论 宜选用优质土配制钻井液 127 130 泥饼厚度h与vf的关系RelatiionshipBetweenCakeThicknessandFiltration影响规律 a Vf h b Cc Cm h 然而 当钻井液固含Cm Cc h 该项影响规律说明钻井液应该优选优质土 C 当固含Cm一定时 孔隙度 泥饼疏松 h 实验发现 固相粒度分布越宽 h 小粒子越多 h 128 131 泥饼薄 密 韧条件 Cc低 土的膨胀性好 粒度分布宽 细小粒子多 129 132 Vf与k的关系RelationshipBetweenThePermeabilityoftheFilterCake a K与vf的关系式由 得到 1 式中单位 h cm Vf cm3 mPa s t s P kg cm2 A cm2 Vc cm3 k darcy 1d 103md 130 133 将上式 1 换为现场通用单位 代入 k d 103k md t s 60t min 得到 2 再代入 h Vc A h 0 1mm 3 最后代入测定静失水的API标准条件 A 45cm2 P 6 8kg cm2 t 30min 由 2 式得实验室计算渗透率k的公式 k 1 999 10 5 VfVc 4 由 3 式得现场计算k的公式 k 9 038 10 5 Vfh 5 131 134 b K 降失水的关键因素 粒度和粒度分布对k的影响规律 细粒子越多 平均粒径越小 k越小 粒度分布越宽 k越小 胶体粒子浓度 含量 对k的影响规律 k完全取决于钻井液中胶体粒子 d 10 5 m 的比例和含量 例如 某种钻井液中 如果胶粒浓度高 k 0 31 1 5 10 3md如果胶粒浓度趋于零 k 高得不能测定 132 135 五 钻井液失水造壁性的调节与控制调节 控制目标 Vf小 h薄 密韧 控制因素 k 粒子级配 胶粒含量 P 降低钻井液当量循环密度 加入高分子聚合物 t 缩短浸泡时间 固含 降低Cm 控制方法 阅读 控制指标 油气层 API 5ml HTHP 15ml 易塌层 API 5ml 一般地层 VsP放宽 API 10ml 133 136 钻井液的润滑性能 钻井液的润滑性能通常包括泥饼的润滑性能和钻井液这种流体自身的润滑性两方面 钻井液和泥饼的摩阻系数 是评价钻井液润滑性能的两个主要技术指标 钻井液的润滑性对钻井工作影响很大 钻井