钻井液技术.ppt

第三章钻井液技术 本章内容包括 概论粘土矿物和粘土胶体化学基础钻井液的工艺性能钻井液的流变性钻井液的滤失和造壁性钻井液的其它性能钻井液处理剂及原材料钻井液体系复杂情况处理 概论 钻井液定义 狭义钻井液 粘土以小颗粒状态 2 分散在水中所形成的溶胶 悬浮体 mud 广义钻井液 一切有助于从井眼中产生和清除钻屑的流体 drillingfluid API定义 用于钻井的具有各种各样功用以满足钻井工作需要的循环流体 概论 钻井液的功用 清除井底钻屑并将其携带至地面稳定井壁及控制地层压力冷却和润滑钻头 钻具提供低渗透 韧性好的泥饼保护井壁停止循环时悬浮环空中的钻屑及加重材料给钻头传递水力能量 ThePrimaryFunctionsofDrillingFluid CleantherockfragmentsfrombeneaththebitandcarrythemtothesurfaceExertsufficienthydrostaticpressureagainstsubsurfaceformationstopreventformationfluidsfromflowingintothewell Keepthenewlydrilledwellboreopenuntillsteelcasingcanbecementedinthehole Coolandlubricatetherotatingdrillstringandbit 概论 钻井液不应具有 既不能伤害钻井人员 又不能损害或污染环境对所设计的地层评估有不利的性能对产层产生伤害对钻井设备和管材造成较大腐蚀Detrimentaltotheoperatorsandenvironment Detrimentaltotheformationevaluation Causeanyformationdamage Causeanycorrosionofthedrillingequipmentandsubsurfacetubulars 概论 钻井液的分类 液体 气体 气 液混合物 水基钻井液 泡沫 以气为主 充气泥浆 以液为主 空气 天然气 油基钻井液 合成基钻井液 概论 钻井液的分类 Liquid Gas Gas liquidmixture Waterbasemuds Foam mostlygas Areatedmuds mostlyliquid air Naturegas Oilbasemuds Syntheticbasemuds 概论 优质钻井液的标准 有利于安全 快速 优质 低耗钻井 有利于取全 取准各项工程 地质资料 有利于发现 保护油气层 Safe Fast Best low costdrilling Getallkindsofengineeringandgeologicalinformation Findandprotectpayzones 概论 钻井液的分类 分散钻井液 dispersedDrillingFluids 定义 用淡水 膨润土和各种对粘土与钻屑起分散作用的处理剂配制而成的水基钻井液特点可容纳较多的固相 适合于配制较高密度的钻井液容易在井壁上形成较致密的泥饼 失水较低某些分散钻井液具有较强的抗温能力 适合于深井和超深井使用 概论 钻井液的分类 钙处理钻井液 Calciumtreateddrillingfluids 定义 体系中同时含有一定浓度的Ca2 和分散剂 特点抗盐 钙污染的能力强抑制粘土的水化分散作用 控制页岩坍塌和井径扩大 减少对油气层的损害盐水钻井液 saltwaterdrillingfluid 定义 用盐水或海水配制而成 含盐量从1 Cl 为6000mg l 直至饱和 Cl 为189 000mg l 之前 特点对粘土水化有较强的抑制作用 概论 钻井液的分类 饱和盐水钻井液 Saturatedsaltwatermuds 定义 钻井液中NaCl的含量达到饱和的钻井液体系 特点 用于钻进大段盐层和和复杂的盐膏层 概论 钻井液的分类 聚合物钻井液 Polymerdrillingfluid 定义 以某些具有絮凝和包被作用的高分子聚合物作为主处理剂的水基钻井液体系 特点各种固相颗粒可以保持在较粗的范围内钻屑不易分散成细微颗粒优点钻井液密度和固相含量低 钻速高 地层损害小剪切稀释特性强聚合物处理剂有较强的包被和抑制分散的作用 有利于抑制地层造浆和保持井壁稳定 概论 钻井液的分类 钾基聚合物钻井液 potassium basepolymerDF 定义 以各种聚合物的钾 或铵 钙 盐和KCl为主处理剂的防塌钻井液体系特点在各种无机盐中 以KCl抑制粘土水化的效果最好 聚合物处理剂的存在使该钻井液体系具有聚合物钻井液的各种优良特性 在钻遇泥页岩地层时 具有理想的防塌效果 概论 钻井液的分类 油基钻井液 oilbasedmuds 定义 以油作为连续相的钻井液为油基钻井液 油水比在 50 80 50 20 油包水乳化钻井液最为常用 特点抗高温有很强的抑制性有很强的抗盐 钙的污染能力润滑性好能有效地减轻对油气层的伤害成本较高 配制工艺复杂 污染环境 概论 钻井液的分类 合成基钻井液 syntheticbasemuds 定义 以合成的有机化合物作为连续相 盐水作为分散相 并含有乳化剂 降滤失剂 流型改进剂的一类新型钻井液 特点 使用无毒并且能够生物降解的非水溶性的有机物取代了油基钻井液中柴油 该钻井液不仅保持了油基钻井液的优良特性 而且大大减轻了钻井液排放时对环境造成的不良影响 尤其适合于海上钻井 气体型钻井流体空气或天然气钻井流体雾状钻井流体泡沫钻井流体充气钻井液保护储层的钻井液 概论 钻井液的组成 水基泥浆 固相颗粒悬浮在水中或盐水中 油可以乳化到水中 此时 水是连续相 膨润土 水 化学处理剂 加重材料 钻屑 油基泥浆 固相颗粒悬浮在油中 水或盐水乳化在油中 即油是连续相 柴油 沥青 有机土 处理剂 气体 用高速气体或天然气清除钻屑 概论 钻井液的组成 概论 钻井液技术发展概况 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预测钻井液强化井壁技术复杂地质条件下深井 超深井 大位移井钻井液技术新型钻井液体系及其处理剂的研制与应用废弃钻井液的处理技术保护油气层的钻井液技术 概论 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 如FA367 XY27 SMP 80A51等 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 概论 钻井液工作的基本任务 根据所钻井类型 地层特性 孔隙压力及破裂压力 井温 测井及环保要求正确选择钻井液类型 自始至终维护 保持良好的钻井液性能 预防 处理各种井下复杂情况和事故 保证安全顺利钻井前提下 尽可能降低钻井液成本 粘土胶体化学基础 Fundamentsofclaycolloidchemistry 粘土胶体化学 在一般胶体化学规律指导下 专门研究粘土胶体的生成 破坏和物理化学性质的科学 狭义胶体 胶体大小 三维中任一维尺寸在1 100nm之间 的微粒分散在另一种连续介质中所形成的分散体系 广义胶体 包括粗分散体系 悬浮体 乳状液 泡沫 溶胶 高分子真溶液 缔合胶体 学习本章的意义 粘土是配浆的基础材料泥浆是粘土 水的溶胶 悬浮体地层造浆 井壁稳定 储层保护等均与地层粘土矿物有关 粘土胶体化学基础 相和相界面 phaseandinterface 相是指物质的物理性质和化学性质都完全相同的均匀部分 体系中若有两个或两个以上的相称为多相体系 相与相之间的接触面成为界面 分散相与分散介质分散相是指在多相分散体系中被分散的物质 分散介质则是分散相所在的连续介质 粘土和水 分散度和比表面积分散度 分散相的分散程度 比表面积 单位体积或单位重量物质的总的表面积 比表面积越大 物质分散越小 分散度就越高 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 粘土矿物的两个基本结构单元 硅氧四面体铝氧八面体 高岭石结构 1 1 粘土矿物的晶格构造和特点 铝氧八面体片 硅氧四面体片 共用氧原子连接 粘土矿物的晶格构造和特点 高岭土的结构及性能特点晶体构造由一个硅氧四面体片和一个铝氧八面体片组成 硅氧四面体片和铝氧八面体片由共用的氧原子联结在一起 高岭石的单位晶层中 一面为OH层 另一面为氧层 片与片之间容易形成氢键 因而晶胞之间连接紧密 晶格底面间距仅为7 2 1A 10 10mm 故高岭石的分散度较低比较稳定 晶格中的离子取代现象几乎不存在 水分不易进入晶层中间 为非膨胀类型的粘土矿物 水化性能差 造浆性能不好 不是配制泥浆的好材料 蒙脱石晶格结构 2 1 粘土矿物的晶格构造和特点 硅氧四面体片 铝氧八面体片 硅氧四面体片 粘土矿物的晶格构造和特点 蒙脱石的结构及性能特点蒙脱石的每一构造单位由两层硅氧四面体片和夹在它们中间的一层铝氧八面体片组成 四面体片中的部分Si 4可被Al 3取代 八面体片中的Al 3可被Fe 2 Mg 2 Zn 2等阳离子取代 取代后 晶体带负电 能吸附较多的阳离子 有较强的离子交换能力 晶层间靠微弱的分子间力连接 连接不紧密 水分子容易进入两个晶层之间发生膨胀 全脱水时晶格间距为9 6A 吸水后可达21 4A 水化分散性能较好 造浆能力强 是配制泥浆的优质材料 粘土矿物的晶格构造和特点 伊利石伊利石的晶体构造和蒙脱石相类似 不同之点在于伊利石中硅氧四面体中有较多的硅被铝取代 因取代所缺的正电荷由处在相邻两个硅氧层之间的K 补偿 因K 存在于晶层之间并进入相邻氧原子网格形成的孔穴中 使各晶胞间拉得较紧 水分不易进入层间 因此它是不易膨胀的粘土矿物 粘土胶体化学 粘土的界面吸附作用 adsorption 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 这些吸附的阳离子可以被分散介质中的其它阳离子所交换 称为粘土的可交换阳离子 阳离子交换容量 cationsexchangecapacity 在PH值为7的条件下 粘土所能交换的可交换阳离子总量 通过测定粘土的阳离子交换容量 可以了解粘土表面所带的负电荷粘土的阳离子交换容量及吸附的阳离子的种类对粘土的胶体活性影响较大 粘土胶体化学 粘土的水化作用 hydrationofclay 粘土矿物的水分结晶水 粘土矿物晶体构造的一部分 吸附水 具有极性的水分子可以吸附在粘土表面 在粘土颗粒周围形成水化膜 并随粘土颗粒一起运动 成为束缚水 自由水 存在于粘土颗粒的空穴或孔道中 不受粘土的束缚 可以自由运动 粘土的水化作用粘土表面吸附水分子 使粘土表面形成水化膜 粘土晶格层面间的距离扩大 产生膨胀以至分散的作用 它是影响水基泥浆性能和井壁稳定的重要因素 粘土胶体化学 水化机理粘土表面直接吸引水分子而水化降低体系表面能粘土表面带负电 水分子极化 定向 浓集晶格里的氧和氢氧层 均可以与水分子形成氢键而吸引水分子 粘土表面间接吸引水分子而水化粘土表面的吸附溶剂化层里 紧密地连接若干阳离子 这些阳离子的水化给粘土颗粒带来水化膜 粘土胶体化学 水化示意图 粘土胶体化学 水化示意图 粘土胶体化学 影响水化作用的因素粘土晶体部位不同 水化强度也不同层面上水化膜厚 端面上薄 粘土矿物不同 水化作用的强弱不同蒙脱石 间层粘土 伊利石 高岭石泥浆中可溶性盐类及泥浆处理剂的影响可溶性盐类 减低 电位有机处理剂的亲水基团 被粘土吸附后形成较大的水化膜 不同的交换性阳离子对粘土水化的影响Ca2 max17A Na max40A 粘土胶体化学 粘土 水界面的扩散双电层理论 theelectric doublelayeratclay waterinterface 扩散双电层的形成与结构胶体颗粒带电 在其周围分布着电荷数相等的反离子 在固 液界面形成双电层 双电层中的反离子 一方面受到固面电荷的吸引 不能远离固面 另一方面 由于反离子的热运动 又有扩散到液相内部去的能力 这两种相反作用的结果 使得反离子扩散地分布在界面周围 构成扩散双电层 粘土溶胶的双电层层面和端面稍有不同 粘土胶体化学 滑动面 从固体表面到过剩正电荷为0处的这一层为扩散双电层 均匀液相 粘土 水界面的扩散双电层理论 电解质对双电层厚度和电动电位的影响胶体体系的稳定性与双电层的厚度 电动电位大小有密切关系 双电层愈厚 电位愈大 胶体愈稳定 在溶液中加入电解质后 反离子 正电荷 浓度随着增大 反离子进入吸附溶剂化层的机会增加 胶粒电荷减少 同时扩散双电层变薄 电位降低 当所加电解质把双电层压缩到吸附溶剂化层厚度时 胶粒不带电 电位降到0 等电态 此时胶粒容易聚结 粘土胶体化学 粘土 水胶质悬浮体系的稳定性沉降稳定性和聚结稳定性 settleandaggregativestability 沉降稳定性 在重力作用下分散相颗粒是否容易下沉的性质 聚结稳定性 分散相颗粒是否容易自动聚结变大的性质 影响沉降稳定性的因素分散相粒子的大小 分散相与分散介质的密度差 分散介质的粘度影响聚结稳定性的因素吸力和排斥力 粘土胶体化学 聚结作用和凝胶聚结 Aggregation 形式面 面 颗粒变大 分散度降低 不利于片架结构的形成 粘度下降 端 端 端 面 形成片架结构 片架结构增强 引起粘度切力增加 凝胶 gel 聚结严重时 体系失去了流动性 变成豆腐块状的凝胶 形成胶凝的强度 主要取决于单位体积中片架结构的数目和每个片架结构的强度 粘土胶体化学 钻井液的流变性 钻井液流变性 rheologicalpropertiesofDF 在外力作用下 钻井液流动和变形的特性 如钻井液的塑性粘度 动切力 表观粘度 有效粘度 静切力和触变性等性能都属流变性参数 泥浆的流变性对钻井的影响携带岩屑 保证井底清洁 悬浮岩屑与重晶石影响机械钻速影响井眼规则和井下安全 钻井液的流变性 剪切应力与剪切速率剪切速率 shearrate 在垂直于流动方向上单位距离内流速的增量 dv dx 剪切应力 shearstress 液体流动过程中 单位面积上抵抗流动的内摩擦力 钻井液的流变性 流体的基本流型牛顿流体 剪切应力与剪切速率成正比 塑性流体 宾汉流体 适合于水基钻井液体系假塑性流体 幂律流体 适合于高分子聚合物体系膨胀流体 牛顿流体 NewtonianFluid 剪切应力dyn cm2dv dx 剪切速率 s 1 粘度 Poise 泊 剪切速率Dv dx 切应力 1dyn cm2 1x10 5N 10 4m2 0 1Pa1poise 1dynes s cm2 0 1Pa s1cp 0 01p 0 001Pa s 1mPa s 宾汉塑性流型 BinghamPlasticModel模型 0 s 0 动切力 屈服值 Yieldpoint YP Pa s 塑性粘度 PV Plasticviscosity cp 剪切速率 s 1 剪切速率 Dv dx 切应力 0 s 实际宾汉塑性流体 流动特性 0时 s s为静切应力 凝胶强度 Gelstrength s时 塑性流体象固体一样 不会发生流动 s时 塑性流体 粘度随剪切应力的变化而降低 图中曲线段 直线段 直线的斜率为塑性粘度 宾汉流动曲线 剪切速率 Dv dx 切应力 0 s 0 s 静止 塞流 层流 紊流 参数计算 范氏旋转粘度计 1 703 s 1 0 511 Pa 塑 PV 600 300 cp 1cp 1mPa s 0 0 511 300 s Pa cp 宾汉流体 幂律流型 PowerlawModel 基本方程 k nk 稠度系数n 流性指数流动特性分析施加极小的切应力就发生流动 没有静切应力 而且粘度随切应力的增加而降低 幂律流型 PowerlawModel 卡森流型 casson c c 卡森动切力 极限高剪粘度 应为0 493 赫 巴流型 流变模式说明对于动切力较高的聚合物钻井液 特别是在环空较低剪切速率下 它往往比宾汉模式和幂律模式更接近于钻井液的流变性 因其为三参数方程 参数计算较复杂 参数计算 粘度 viscosity 定义 钻井液流动时 固体颗粒之间 固体颗粒与液体之间 以及液体分子之间的内摩擦的总反映 影响泥浆粘度的基本因素粘土含量 含量大 粘度大 土粒的分散度 增加塑性粘度 土粒的聚结稳定状况或絮凝强度 结构粘度 高分子处理剂的性质 分子量和浓度 钻井液的流变性 常用流变参数 漏斗粘度定义 用漏斗粘度计测得的一定体积流体 700ml 流出500ml所经历的时间 单位为秒 漏斗粘度与泥浆的塑性粘度 屈服值 以及仪器的尺寸和形状有关 钻井液的流变性 常用流变参数 现用马氏漏斗 1500ml流出946ml 表观粘度 有效粘度 切应力 剪切速率 a b c 钻井液的流变性 常用流变参数 表观粘度 有效粘度 在某一流速梯度下 其剪切应力与剪切速率的比值 对于宾汉流型对于幂律流型 钻井液的流变性 常用流变参数 结构粘度定义 分散相颗粒之间的相互作用或空间网架结构给流动增加的摩擦力 与泥浆的屈服值 0 紧密相关 钻井液的流变性 常用流变参数 剪切稀释性定义 表观粘度随剪切速率增大而降低的现象对于宾汉流体 塑越低 0越高 即 0 塑比值越大 剪切稀释能力越高 在实际钻井井眼的各个部位处 如钻杆内 钻头水眼处 环空等 其剪切速率各不相同 导致各处的有效粘度各不相同 0 塑比值大者 剪切稀释能力强 有利于高压喷射钻井 同时在低剪切速率下会显著增稠 有利于带砂 钻井液的流变性 常用流变参数 静切力 动切力钻井液的切力是指静切力 其胶体化学的实质是凝胶强度 凝胶强度取决于单位体积中结构链环的数目和单个链环的强度 钻井液的动切力 反映层流流动时 粘土颗粒之间及高聚物分子之间的相互作用力 形成空间网架结构的能力 触变性 thixotropy 定义 搅拌后泥浆变稀 切力降低 静置后泥浆变稠 切力升高 的特性 表示方法 触变性的表示 10秒钟切力 初切 10分终切力 终切 钻井工艺要求钻井液具有良好的触变性 在泥浆停止循环时 切力能较快地增大到某个适当的数值 即有利于钻屑的悬浮 又不致于静置后开泵泵压过高 钻井液的流变性 常用流变参数 对钻井液流变性的一般要求 对于非加重钻井液塑性粘度 PV 5 12mPa s动切力 YP 1 4 14 4PaYP PV 0 48Pa mPa s流型指数 0 4 0 7卡森动切力 c 0 6 3Pa极限高剪粘度 2 6mPa s 流变参数的调整降低PV 通过合理使用固控设备 加水稀释或化学絮凝等方法 尽量减小固相含量 提高PV 加入低造浆率的粘土 混入原油 增加聚合物的浓度使钻井液的滤液粘度提高 降低YP 加入适合于本体系的降粘剂 以拆散钻井液中已形成的网架结构 如果是因为Ca2 Mg2 的絮凝作用 可使其沉淀减弱因钙镁离子形成的结构 钻井液的流变性 流变参数的调整提高YP 可加入预水化膨润土或增大聚合物的加量 对于钙处理或其它盐水钻井液 可适当增加Ca2 Na 浓度 降低n值 增加钻井液中高分子量聚合物和无机盐的含量 以及将预水化膨润土加入盐水钻井液体系 均可使n值降低 降低或提高K值 与调整PV YP基本相同 钻井液的流变性 钻井液流变性与钻井的关系 影响钻井速度影响环空携岩能力影响井壁稳定影响岩屑与加重物的悬浮影响井内压力激动影响钻井泵压和排量影响固井质量 钻井液流变性与钻井的关系 影响钻井速度通过水力参数影响钻井速度粘度影响水功率的传递粘度影响ECD EquivalentCirculatingDensity 的大小 产生压持效应 降低钻速 剪切稀释特性影响水功率的传递 钻井液的流变性与井眼净化的关系钻屑在井筒内的运移过程层流 尖峰型层流的缺点紊流 有利于携岩紊流缺点排量大 泵压高表观粘度低 岩屑下沉速度较大井壁冲刷 不利于井壁稳定钻柱旋转 钻井液流变性与钻井的关系 钻井液流变性与钻井的关系 层流携岩 钻井液流变性与钻井的关系 钻井液的流变性与井眼净化的关系平板型层流携岩原理在平板状流核部分 0根据宾汉流型公式 0对于流核力的平衡关系为A 流核的截面积 端部 S 流核表面积 环形柱的侧面积 钻井液流变性与钻井的关系 钻井液的流变性与井眼净化的关系平板层流的特点降低的沿程水力损失 有利于喷射钻井避免了紊流冲刷井壁解决了使用低粘度泥浆有效携岩问题 一般要求塑性流体幂律流体n 0 4 0 7 钻井液流变性与钻井的关系 钻井液流变性与钻井的关系 钻井液的流变性与井眼净化的关系实现平板型层流的方法加适量的电解质 提高 0加入大分子量的聚合物 提高 0 塑强化泥浆固相控制措施 以降低 塑 钻井液流变性与钻井的关系 钻井液的流变性与井壁稳定的关系力学因素引起的井壁不稳定井壁岩石三个主应力的可能排布当 1和 3 最大和最小主应力 的差值大于岩石的强度时 便发生剪切破坏化学因素引起的井壁不稳定防止页岩的水化膨胀钻井液的流变性及流态与井壁稳定相关 钻井液流变性与钻井的关系 钻井液流变性与钻井的关系 钻井液的流变性与井壁稳定的关系在地壳里 三个可能的应力图 钻井液流变性与钻井的关系 影响岩屑和加重材料的悬浮流体静止状态下的静切力悬浮悬浮球形岩屑或加重材料所需要的静切力为 s 岩石密度 g cm3 m 钻井液密度 g cm3 ds 球形岩屑颗粒直径 mm如果岩屑颗粒不呈球形 可根据体积相等的关系计算岩屑的当量直径予以修正 V 岩屑体积 cm3 钻井液的流变性与井内压力激动的关系起下钻和钻井过程中 由于钻柱的上下移动 泥浆泵的开动等原因 使井内液柱压力产生变化的现象 影响激动压力的因素 钻柱运动速度钻头及钻柱的泥包程度环形空间的间隙 井深泥浆性能 粘度 切力 钻井液流变性与钻井的关系 钻井液的失水和造壁性 失水 filtrationloss 定义 泥浆中的自由水在压差的作用下向具有孔隙的地层渗滤的现象 类型 瞬时失水 spurt 动失水 dynamicloss 静失水 staticloss 泥饼定义 泥浆中水分进入地层 粘土颗粒附着在井壁上 形成泥饼 钻井液的失水和造壁性 钻井液的失水和造壁性 钻井液的失水和造壁性 失水过程钻井液内的水 化学结合水 吸附水 自由水瞬时失水 新井形成瞬间 泥浆水便向地层渗透 未形成泥饼动失水 在泥浆循环的情况下 泥饼建立 增厚 直至平衡而失水速度也由开始较大逐渐减少至恒定 静失水 停止循环时 不存在泥浆液流对泥饼的冲刷力 随着失水的进行 泥饼逐渐加厚 失水也逐渐减少 静失水的失水量比动失水小 失水与地层的孔隙度 渗透率 温度 压力有关 钻井液的失水和造壁性 t1 t0 t2 t3 t4 t5 t6 h 0 h h C h h h C 瞬时失水 动失水 静失水 总失水 开泵循环 停泵 开泵循环 失水的影响因素 1 静失水量与时间的关系 静失水与时间的关系 标准的API失水是在压力为6 8大气压 100psi 压差作用下 在面积为45cm2 30分钟时间收集的滤液量 V30 2V7 5 失水的影响因素 2 静失水量与压差的关系 压差越大 失水越大 失水的影响因素 3 静失水量与滤液粘度的关系 温度升高 钻井液滤液粘度降低 静失水量增加 失水的影响因素 4 静失水量与固相含量和滤液的关系 要降低失水 提高钻井中的固相含量 不可取 降低泥饼中的固相含量 选用优质粘土配钻井液 失水的影响因素 5 静失水与泥饼厚度的关系 静失水量越大 泥饼越厚 泥饼中的固相体积含量Cc与钻井液中固相体积含量Cm的比值越大 泥饼厚度反而降低 当钻井液中的固相含量增大到接近于泥饼中的固相含量时 泥饼厚度将大幅度增加 故应该选择优质粘度作为配浆的材料 失水的影响因素 6 静失水与泥饼渗透率的关系 泥饼渗透率是降低失水的关键因素 影响泥饼渗透率的主要因素有钻井液中固相粒子的粒度和粒度级配以及粒子的浓度 钻井液中细粒子越多 平均粒径越小 泥饼渗透率越低 固相颗粒分布越宽 泥饼渗透率越小 泥饼中的渗透率还取决于钻井液中胶体粒子 d 10 5 m 的比例和含量 泥浆失水过大会引起 水敏性泥岩 页岩的垮塌 缩径损害油气层泥饼厚会引起 引起上提力增加 甚至发生泥饼卡钻 易引起钻头泥包 使起下钻压力激动增大 妨碍套管下入 固井时不利于水泥与井壁的胶结对失水和泥饼的要求失水 在成本可行的条件下 尽量降低失水并控制自由水的性质 泥饼 薄 致密 韧性好 失水与造壁性与钻井的关系 失水和造壁性的调节 控制泥浆的失水和造壁性 关键要控制泥饼的渗透性 而泥饼的渗透性决定于构成泥饼的粘土及其它颗粒的尺寸 形状与水化程度 具体措施使用膨润土 以便形成致密泥饼加入适量纯碱 烧碱或有机分散剂 提高粘土颗粒的分散度 加入CMC或其它聚合物 以保护粘土颗粒 CMC起堵孔作用 加入极细的胶体粒子 钻井液的其它性能 钻井液的密度 density 钻井液的含砂量 sandcontentofDF 钻井液的PH值钻井液的固相含量和油 水含量钻井液膨润土含量 MBT 钻井液的润滑性 lubricity 钻井液滤液的化学性质 碱度 硬度 Cl 含量 钻井液的其它性能 钻井液密度平衡地层压力 防止井喷 井漏和钻井液受地层流体的污染 平衡地层压力 保持井壁稳定 防止井塌 实现近平衡钻井技术 减少压持效应 提高机械钻速 合理选择打开油气层的钻井液密度 减少钻井液对产层的伤害 钻井液的组成和性能对钻速的影响 密度和液柱压力泥浆比重越高 产生的液柱压力越大 井底压差越大 机械钻速减小 钻井液的组成和性能对钻速的影响 固相含量和类型固相含量增加 泥浆比重 液柱压力 层流粘度和紊流粘度 常规失水和最初瞬时失水等性能都随之改变 固相类型 砂 惰性固体对钻速的影响较小 钻屑 低造浆率的劣土居中 高造浆率的粘土影响最大 钻井液的其它性能 钻井液的含砂量定义 钻井液中不能通过200目筛的固相的体积占钻井液体积的百分数 一般要求小于0 5 含砂量过高带来的危害 钻井液密度升高 降低机械钻速 泥饼中含砂量升高 泥饼渗透率增大 失水增大 泥饼表面摩擦系数增加 钻头 钻柱 泵等机械设备磨损严重 固相的分类 按作用分 有用固相粘土重晶石无用固相钻屑 按性质分 活性固相惰性固相 按粒度分 粘土 d74 m 有害固相对钻井所带来的不利影响 使钻速降低 钻头进尺减小钻井设备磨损加剧泥饼比重粘度升高泥饼加厚伤害油气层 清除泥浆固相的方法 加水稀释化学方法 使用絮凝剂使钻屑呈团簇絮凝状 加快固体下沉速度 机械方法振动筛旋流除砂器旋流除泥器离心机 清除泥浆固相的方法 清除泥浆固相的方法 钻井液的其它性能 钻井液的PH值由于钻井液中使用的化学处理剂在碱性条件下才能溶解 而酸性环境对钻井设备上的橡胶部件有严重的腐蚀作用 所以 绝大多数钻井液体系的PH值都控制在7以上 不分散型钻井液体系 PH 7 5 8 5分散型钻井液体系 PH 10钙处理钻井液体系 PH 11 钻井液的其它性能 钻井液膨润土含量 MBT 钻井液中活性粘土的数量 水基钻井液都有一个合适的膨润土含量 MBT过高 钻井液的粘度 切力增大 泥饼增厚 容易造成井下事故 MBT过小 钻井液的粘度 切力急剧下降 失水增大 第四节 钻井液常用原材料和处理剂 按化学性质钻井液原材料无机处理剂有机处理剂表面活性剂由于钻井液处理剂种类繁多 作用机理不尽相同 模块课相关专业老师会作详细的介绍 本节自学 钻井液体系 水基钻井液分散钻井液钙处理钻井液盐水钻井液聚合物钻井液正电胶钻井液油基钻井液气体类钻井液 分散钻井液体系 组成 水 膨润土 分散剂分散剂 对粘土和钻屑起分散作用的处理剂 如起降粘作用的聚磷酸盐 单宁碱液 铁铬木质素黄酸盐 褐煤 起降滤失作用的CMC和聚阴离子纤维素 NaOH等 特点 可容纳较多的固相 适合配高密度的钻井液可形成较致密的高质量泥饼 失水低 有一定的抗温能力 配制成本低 分散钻井液体系 缺点 性能不稳定 容易受到可溶性盐和粘土的污染固相含量高 粘度 切力较大 机械钻速低滤液侵入产层引起粘土膨胀 不能有效地保护油气层 滤液为淡水 容易引起水敏性泥页岩垮塌 污染产层 使用钻表层打水泥塞 钙处理钻井液 在分散体系中同时加入一定量的Ca2 和分散剂 Ca2 通过与水化作用很强的钠膨润土发生离子交换 使一部分钠膨润土转变成钙膨润土 从而减弱水化的程度 分散剂的作用是防止Ca2 引起体系中的粘土颗粒絮凝过度 使其保持在适度絮凝的状态 钙处理钻井液的关键是钻井液中的颗粒处于适度絮凝状态 使钻井液具有适宜粘度 切力和失水 钙处理钻井液 特点性能较稳定 具有较强的抗钙污染 盐污染和粘土污染的能力 固相含量相对较少 容易在高密度条件下维持较低的粘度和切力 有利于提高钻速能在一定程度上抑制页岩水化膨胀 滤失量少 泥饼薄且韧性好 有利于井壁稳定由于体系中粘土颗粒含量较少 对油气层的损害程度相对较少 钙处理泥浆 石灰钻井液PH 11 12Ca2 120 200ml l悬浮石灰 3000 6000mg l石膏钻井液PH 9 5 10 5Ca2 600 1200ml l悬浮石灰 6000 12000mg lCaCl2钻井液应用 含少量盐 石膏 芒硝的地层 中浅井 盐水钻井液 凡NaCl含量超过1 Cl 含量为6000mg l 直到饱和 Cl 含量为189000mg l 特点 由于矿化度较高 能有效地防止粘土的分散而防塌 对盐的敏感性低 耐盐和耐钙 镁的能力强 滤液性质与原生水比较接近 对油气层的损害较轻 岩屑不易在盐水中分散 容易被清除 应用 造浆水本身含盐量较高 如海水 地层中有盐水流 钻遇盐脉或岩盐层以及水敏性页岩 钾基钻井液体系 以各种聚合物钾 铵 钙盐和KCl为主处理剂的防塌钻井液 特点 对蒙脱石含量高 水敏性强的泥页岩地层的防塌效果好 抑制泥页岩造浆的能力强 体系中亚微米级的颗粒含量低 可维持较低的钻井液密度和固相含量 用作完井液时 对储层的粘土矿物也有一定的稳定作用 不分散低固相聚合物钻井液 定义以某些具有絮凝和包被作用的高分子量聚合物为主处理剂的水基钻井液 由于聚合物的存在 体系所包含的各种固相颗粒可保持在较粗的范围内 同时 钻屑因受到包被保护而不易分散成微细颗粒 不分散低固相聚合物钻井液 优点 钻井液密度和固相含量低 机械钻速高 剪切稀释特性强 环空粘度 切力较高 而极限高剪粘度低 钻头处流动阻力小 有利于提高钻速 主处理剂有较强的包被和不分散作用 抑制了岩石的吸水分散作用 有利于保护井壁 对产层的损害小 密度低 固相含量低 钻井液成本较低 不分散聚合物钻井液的性能指标 固相含量应维持在5 体积分数 以内 钻屑与膨润土的比例不超过2 1 膨润土含量在1 5 2 体积比 动切力 Pa 与塑性粘度 mPa s 之比控制在0 48左右 实现平板型层流携岩 非加重钻井液的动切力维持在1 5 3Pa 适当控制滤失量 地层稳定时可适当放宽 进入产层控制得低些 在整个钻井过程中应尽量不使用分散剂 聚合物的主要作用机理 桥联和包被作用桥联 一个高分子聚合物同时吸附在几个颗粒上 一个颗粒又可同时吸附几个高分子聚合物 包被 高分子链吸附在一个粘土颗粒上 并将其覆盖包裹 絮凝 或选择性絮凝 作用通过与粘土离子吸附 架桥 成网和沉降 而实现絮凝作用 增粘作用游离的聚合物分子能增加水相的粘度 聚合物的桥联作用所形成的网状结构增加了体系的结构粘度 聚合物的主要作用机理 防塌作用长链聚合物在泥页岩井壁表面发生多点吸附 封堵了微裂缝 阻止泥页岩剥落 聚合物浓度较高时 在泥页岩井壁形成较致密的吸附膜 可以阻止或减缓水进入泥页岩 对流型的改进 剪切稀释性及紊流减阻 取决于聚合物的品种 加量 需要在聚合物泥浆中加入惰性降滤失剂 超细CaCO3 白碳黑 磺化度适当的磺化沥青 以改善泥饼质量 典型的聚合物泥浆体系 阴离子聚合物钻井液阳离子聚合物钻井液两性离子聚合物钻井液体系 两性离子聚合物钻井液 特点 能有效地降低钻井液的结构粘度能使非结构粘度降低 特别是 也有所降低 下降的越多越好 在保证良好钻井液工艺性能的前提下能增强而不是削弱体系的抑制能力 两性离子聚合物 现有产品主要有两个型号 降粘剂 XY 强包被剂 FA 降粘剂 XY系列 分子量较小 10000 分子链中同时具有阳离子基团 10 40 阴离子基团 20 60 和非离子基团 0 40 是线性两性离子聚合物 强包被剂引入阳离子基团的线性大分子主聚物 用来抑制页岩分散和增加钻井液粘度 油基钻井液 以油作为分散介质的钻井液 优点 防塌润滑 防卡有利于保护油层具有很好的热稳定性缺点成本高机械钻速低影响测井资料解释对环境会产生污染 油基钻井液的类型 普通油基钻井液组成 柴油 沥青 有机土 混入的少量水 10 以内 油包水乳化钻井液组成 柴油 或低毒矿物油 淡水或盐水 10 60 乳化剂 润湿剂 亲油胶体低胶质油包水乳化钻井液组成 柴油 乳化水 15 左右 乳化剂 润湿剂 少量亲油胶体 石灰 加重材料低毒油包水乳化钻井液组成 矿物油 乳化水 10 60 乳化剂 润湿剂 亲油胶体 石灰 加重材料 油基钻井液 适用范围用作高温 200度以上 超深井 5000m以上 的钻井液 用于极复杂地层 极易坍塌层 极易粘附卡钻地层 软泥岩地层 盐膏泥互层 钻井 用于油气层钻井 保护产能 用于特殊工艺要求的井 如大斜度定向井和和大位移井 乳化剂的作用 复合乳化剂在油一水界面形成具有一定强度和粘度的膜 当液滴相碰时 不易合并变大 使乳状液稳定 降低油水界面张力 增加外相粘度 以增加水滴碰撞的阻力 从而提高乳状液的稳定性 使用离子型乳化剂时 带相同电性的乳化水滴更稳定 润湿剂 亲油胶体作用 润湿剂使重晶石和钻屑等亲水的固体粒子在油基泥浆中从亲水变为亲油 亲油胶体有机土 氧化沥青 褐煤粉