任务1 钻井液的认知

学习情境 1 钻井液巡回路线的检查 1 学习情境学习情境 1 钻井液巡回路线的检查钻井液巡回路线的检查 任务任务 1 1 钻井液的认知钻井液的认知 学习目标 学习目标 1 能够识别钻井液 2 能够准确阐述钻井液的概念 3 根据钻井液的循环系统分析其功用 4 能够熟练阐述钻井液的类型 5 能够熟练阐述钻井液的组成 基础知识 基础知识 1 钻井液的基本概念 钻井液的基本概念 钻井液是指油气钻井过程中以其多种功能满足钻井工作需要的各种循环流体的总称 钻井液的循环系统 钻井液的循环系统 钻井液的循环是通过钻井泵来维持的 从钻井泵排出的高压钻井液 经过地面高压管汇 立 管 水龙带 水龙头 方钻杆 钻杆 钻铤到达钻头 从钻头水眼上的喷嘴喷出 以清洗井底 携带 钻屑 然后沿环形空间 钻柱与井壁形成的空间 向上流动 到达地面后 经地面低压管汇流入钻井 液池 再经各种固控设备进行处理后返回上水池 最后进入钻井泵循环再用 钻井液流经的各种 管件 设备构成了一整套钻井液循环系统 2 钻井液的功用 钻井液的功用 钻井液最基本的功用有以下几点 1 携带和悬浮岩屑 钻井液首要和最基本的功用 就是通过其本身的循环将井底被钻头破碎的岩屑携至地面 以 保持井眼清洁 使起下钻畅通无阻 并保证钻头在井底始终接触和破碎新地层 不造成重复切削 保证安全 快速钻进 在接单根 起下钻或因故停止循环时 钻井液又将井内的钻屑悬浮在钻井 液中 使钻屑不会很快下沉 防止沉砂卡钻等情况的发生 2 稳定井壁和平衡地层压力 井壁稳定 井眼规则是实现安全 优质 快速钻井的基本条件 性能良好的钻井液应能借助 液相的滤失作用 在井壁上形成一层薄而韧的泥饼 以稳固已钻开的地层并阻止液相侵入地层 减弱泥页岩水化膨胀和分散的程度 与此同时 在钻进过程中需通过不断调节钻井液密度 使液 柱压力能够平衡地层压力 从而防止井塌和井喷等井下复杂情况的发生 3 冷却和润滑钻头 钻具 在钻进中钻头一直在高温下旋转并破碎岩层 产生很多热量 同时钻具也不断地与井壁摩擦 而产生热量 钻井液不断地循环作用 可以将这些热量及时吸收 然后带到地面释放到大气中 任务 1 钻井液的认知 2 从而起到了冷却钻头 钻具并延长其使用寿命的作用 钻井液的存在使钻头和钻具均在液体内旋 转 因此在很大程度上降低了摩擦阻力 起到了很好的润滑作用 4 传递水动力 钻井液在钻头喷嘴处以极高的流速冲击井底 从而提高了钻井速度和破岩效率 高压喷射钻 井正是利用了这一原理 即采用高泵压钻进 使钻井液所形成的高速射流对井底产生强大的冲击 力 从而显著地提高钻速 在使用涡轮钻具钻进时 钻井液由钻杆内以较高流速流经涡轮叶片 使涡轮旋转并带动钻头破碎岩石 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与所钻遇的油气层 相配伍 满足保护油气层的要求 为了满足地质上的要求 所使用的钻井液必须有利于地层测试 不影响对地层的评价 此外 钻井液还应对钻井人员及环境不发生伤害和污染 对井下工具及地 面装备不腐蚀或尽可能减轻腐蚀 一般情况下 钻井液成本只占钻井总成本的 7 10 3 钻井液的类型 钻井液的类型 按其密度大小密度大小可分为非加重钻井液和加重钻井液 按与粘土水化作用的强弱与粘土水化作用的强弱可分为非抑制性钻井液和抑制性钻井液 按其固相含量的不同其固相含量的不同 将固相含量较低的叫做低固相钻井液 基本不含固相的叫做无固相钻 井液 按钻井液中流体介质和体系的组成特点流体介质和体系的组成特点来进行分类 总体上分为水基钻井液 油基钻井液 合成基钻井液和气体型钻井液等四种类型 由于水基钻井液在实际应用中一直占据着主导地位 根据体系在组成上的不同又将其分为若 干种类型 下面是在参考国外钻井液分类标准的基础上 在国内得到认可的各种钻井液类型 1 水基钻井液 水基钻井液 1 分散钻井液 分散钻井液 细分散钻井液或淡水钻井液 概念 概念 分散钻井液是指用淡水 膨润土和各种对粘土与钻屑起分散作用的处理剂 简称为分散 剂 配制而成的水基钻井液 也称为细分散钻井液或淡水钻井液 它是一类使用历史较长 配制方 法较简单 配制成本较低的常用钻井液 特点特点 优点 a 可容纳较多的固相 较适于配制高密度钻井液 b 容易在井壁上形成较致密的滤饼 故其滤失量一般较低 c 某些分散钻井液具有较强的抗温能力 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 适于在深井和超深井中使用 学习情境 1 钻井液巡回路线的检查 3 缺点 抑制性和抗污染能力较差 因体系中固相含量高 对提高钻速和保护油气层均有不利 的影响 2 钙处理钻井液钙处理钻井液 概念 概念 钙处理钻井液体系主要由含 Ca2 的无机絮凝剂 降粘剂和降滤失剂组成 由于体系中 的粘土颗粒处于适度絮凝的粗分散状态 因此又称之为粗分散钻井液 特点特点 a 可抑制泥页岩水化膨胀 滤饼坚韧光滑 滤失量小 利于防塌 b 稳定性好 抗粘土侵 钙侵 盐侵能力强 维持时间长 c 流动性好 粘 切低 利于提高钻速 d 抗温性强 成本低 对油 气层渗透性损害小 分类 分类 石灰钻井液 石膏钻井液 氯化钙钻井液和钾石灰钻井液 3 盐水钻井液盐水钻井液 概念 概念 盐水钻井液是用盐水 或海水 配制而成的 凡 NaCl 含量超过 1 Cl 质量浓度约为 6000mg L 的钻井液统称为盐水钻井液 特点特点 a 由于矿化度高 因此具有较强的抑制性 能有效抑制泥页岩水化 保证井壁稳定 b 有效抗钙侵和抗高温 适于钻含岩盐地层或含盐膏地层以及在深井和超深井中使用 c 由于其滤液性质与地层原生水比较接近 对油气层的损害较轻 d 由于钻出的岩屑不易在盐水中水化分散 在地面容易被清除 因而有利于保持较低的固相 含量 e 能有效地抑制地层造浆 流动性好 性能较稳定 分类 分类 一般盐水钻井液 饱和盐水钻井液和海水钻井液 4 聚合物钻井液 聚合物钻井液 概念 概念 聚合物钻井液是指将聚合物作为主处理剂或主要用聚合物调控性能的水基钻井液体系 特点 特点 a 钻井液密度和固相含量低 因而钻进速度可明显提高 对油气层的损害程度也较小 b 钻井液剪切稀释特性强 在一定泵排量下 环空流体的粘度 切力较高 因此具有较强的携 带岩屑的能力 而在钻头喷嘴处的高剪切速率下 流体的流动阻力较小 有利于提高钻速 c 聚合物处理剂具有较强的包被和抑制分散的作用 有利于保持井壁稳定 任务 1 钻井液的认知 4 因此 自 20 世纪 70 年代以来 该类钻井液一直在国内外得到十分广泛的应用 并且其工艺 技术不断得到完善和发展 5 钾基聚合物钻井液钾基聚合物钻井液 概念 概念 钾基聚合物钻井液是一类以各种聚合物的钾 或铵 钙 盐和 KCl 为主处理剂的防塌钻 井液 特点 特点 a 在各种常见无机盐中 以 KCl 抑制粘土水化分散的效果为最好 而聚合物处理剂的存在使 该类钻井液具有聚合物钻井液的各种优良特性 b 在钻遇泥页岩地层时 有比较理想的防塌效果 2 油基钻井液 油基钻井液 概念 概念 以油 通常使用柴油或矿物油 作为连续相的钻井液称油基钻井液 目前含水量在 5 以下的普通油基钻井液已较少使用 而主要使用油水比在 50 80 50 20 范围内的油包水乳 化钻井液 特点 特点 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 因此 使用该类钻井液已成为钻深井 超深井 大位移井 水平井和各种复杂地层的重 要手段之一 但是 由于其配制成本较高 且使用时会对环境造成一定污染 因而其应用受到一 定的限制 3 合成基钻井液 合成基钻井液 概念 概念 合成基钻井液是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 特点 由于使用无毒并且能够生物降解的非水溶性有机物取代了油基钻井液中通常使用的柴油 因 此这类钻井液既保持了油基钻井液的各种优良特性 又能大大减轻钻井液排放时对环境造成的不 良影响 尤其适用于海上钻井 4 气体型钻井流体 气体型钻井流体 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 分类 分类 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 5 保护油气层的钻井液 保护油气层的钻井液 这是指在储层中钻进时使用的一类钻井液 当一口井钻达其目的层时 所设计的钻井液不仅 学习情境 1 钻井液巡回路线的检查 5 应能满足钻井工程和地质的要求 而且应能满足保护油气层的需要 比如 钻井液密度和流变参 数应调整至合理范围 滤失量应尽可能低 所选用的处理剂应与油气层相配伍 应选用适合的暂 堵剂等 4 钻井液组成 钻井液组成 1 水基钻井液的组成水基钻井液的组成 水基钻井液是由膨润土 水 或盐水 各种处理剂 加重材料以及钻屑所组成的多相分散体系 其中膨润土和钻屑的平均密度均为 2 6 g cm3 通常称它们为低密度固相 而加重材料常被称为高 密度固相 最常用的加重材料为 API 重晶石 其密度为 4 2 g cm3 由于在水基钻井液中膨润土是 最常用的配浆材料 在其中主要起提粘切 降滤失和造壁等作用 因而又将它和重晶石等加重材 料称为有用固相 而将钻屑称为无用固相 在钻井液中 应通过各种固控措施尽量减少钻屑的含 量 膨润土的用量也应以够用为度 不宜过大 否则会造成钻井液粘切过高 还会严重影响机械 钻速 并对保护油气层产生不利影响 2 油基钻井液的组成油基钻井液的组成 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 润滑剂 亲油的固体处理 剂 有机土 氧化沥青等 石灰和加重材料等所形成的乳状液体系 问题探究 问题探究 1 什么是粘土矿物 什么是粘土矿物 2 配制钻井液常用哪些粘土矿物 配制钻井液常用哪些粘土矿物 1 膨润土 膨润土 主要以蒙脱石为主 因其所吸附的阳离子不同而分为钠土和钙土两种 因为钠土 水化能力较弱 造浆能力较高 所以适合钻井液使用 钠土一般较少 多为钙土 现场使用时 常把钙土改造成钠土 采用纯碱或烧碱改造 来满足钻井液用土的需要 天然土矿必须经机械加工成粒度大小适宜的粉末后才能使用 其颜色为白 灰 灰黄及紫红 色 易吸潮结块 故一般采用聚乙烯薄膜袋为内层而聚丙烯编织袋为外层包装 钠膨润土有以下用途 用作配浆材料 这是最基本的用途 用它与淡水可配成各种原浆 经过化学处理成为符合 钻井要求的基浆 即可用于钻井 用来降低钻井液的滤失量 钠土可在淡水中水化而分散成较细的颗粒 形成渗透性较低的 滤饼 从而降低滤失量 用来提高钻井液的粘切 因为在淡水中分散的粘土片带负电荷 其端边带有正电荷 所以 可互相形成所谓 卡片 状结构 产生一定的结构强度 使钻井液粘切力上升 用作堵漏剂的组分 用粘土 柴油及乳化剂可配成柴油一膨润土堵漏剂 特别适用于封堵 含水漏层 效果较好 任务 1 钻井液的认知 6 膨润土质量的好坏不但影响所配钻井液的性能 而且与所配钻井液接受化学处理剂的能力有 很大关系 所以 使用不合格的膨润土不但用量大 而且处理时需用较多的药剂 极不经济 膨润土在人井前或进库前必须经过严格检查 不符合质量标准的要严禁人井 2 抗盐土 抗盐土 主要有海泡石和凹 凸棒石土两种 它是一种富含镁的纤维状粘土矿物 该种土 质经特殊加工才能发挥其效能 因为它是一种纤维状物 不能用一般膨润土的研磨设备来加工 否则会将其纤维剪断而失去在盐水中的造浆能力 它的悬浮体所具有的流变特性主要取决于其长 纤维条问的力学 机械 干扰作用 而不是由颗粒间的静电引力产生的 所以各种电解质对它影响不 大 它能在盐水或饱和盐水中分散并产生较高的粘度和切力 抗盐土有以下用途 用来配制盐水钻井液 尤其是海水及饱和盐水钻井液 用作盐水钻井液 包括海水及饱和盐水钻井液 的增粘 增切处理剂 用来提高盐水钻井液携带钻屑的能力 用来改善盐水钻井液在环空中的流型 海泡石土不但可以抗较高的温度而用于地热井 260 以上 而且可部分被酸溶解 所以它 也是配制完井液及修井液的好材料 有利于油井酸化生产 3 有机土 有机土 有机土是指在油中分散的亲油性粘土 它不属于天然矿物 是人工制成的特种土 类 由于使用阳离子表面活性剂种类的不同以及制造工艺的差异 我国且前已有 801 812 821 4602 等多种型号的有机土出售 有机土有以下用途 主要用作油基钻井液 油包水乳化钻井液的配浆材料 是油基解卡剂的重要组分 用来调节油基钻井液和油包水乳化钻井液的粘度 切力 稳定胶体 降低滤失量 3 什么是粘土造浆率 什么是粘土造浆率 粘土的造浆率是指 1t 干粘土能配制粘度为 15 mPa s 钻井液的体积 m3 造浆率越高 粘土的 水化分散性越好 因此 粘土的造浆率大小也就是粘土分散为胶体的能力大小 钻井液中胶体含 量越高 稳定性也越好 为提高粘土的造浆率 配制粘土浆时加入适量纯碱 除去钙离子 增加 钠离子 使钙质土变为钠质土 提高粘土的造浆能力 拓展知识 拓展知识 1 粘土矿物和粘土成分粘土矿物和粘土成分 1 粘土矿物的组成 粘土矿物颗粒一般很细 约在 1 5m 多数小于 2m 大多数是结晶质 具有层状结构 表现出片状或板状形态 少数为链状结构 纤维状或棒状形态 有不定量的化学元素 主要是铝 学习情境 1 钻井液巡回路线的检查 7 A1 硅 Si 氧 O 氢 H 少量的镁 Mg 铁 Fe 钠 Na 钾 K 等 2 粘土的分类 据粘土中矿物含量的不同大体分为三类 1 高岭石粘土 主要由高岭石矿物组成 含量高的可达 90 以上 其次是含有多水高岭石 水云母等粘土矿物及杂质 颜色多为白色 浅灰色 浅蓝色等 其化学组成为 2A12O3 8SiO2 4H2O 2 微晶高岭石粘土 也称蒙脱土 膨润土 胶岭土 主要由微晶高岭石粘土组成 其颜色多 为白色 淡蓝色 浅灰色和粉红色 其化学组成为 2A12O3 8SiO2 x 2 H2O 3 伊利石粘土 主要由水云母组成 其次是含有少量其他粘土矿物 颜色以蓝 灰 红为主 其化学组成为 KAl2 Si A1 4O10 OH 2nH2O 3 粘土的化学成分和结构 粘土的化学成分 主要有二氧化 SiO2 三氧化二铝 A12O3 和水 还含有氧化铁 Fe2O3 氧化钠 Na2O 氧化 钾 K2O 氧化镁 MgO 氧化钙 CaO 等 粘土矿物的基本结构 a 四面体 由 Si4 在中心 O2 在四周构成的立体几何图形 又称 Si O 四面体 如图 1 2 1 所示 b 四面体片 晶片 在一个平面上四面体以三个顶点相连接 此时四个顶都向同一个方向 这样连续形成一系列六边网面 用符号 T 表示 如图 1 2 2 所示 1 2 1 Si O 四面体 1 2 2 Si O 四面体片 四面体片中每个 Si 一 O 四面体有三个顶点是公用的 一个没有公用 四面体中的 Si4 的电价分配 给每个顶点各 1 价 位于公用顶点处的 O2 的负价被邻接的两个四面体中的 Si4 完全平衡 没有剩 余的负价来结合其他的阳离子 是惰性氧 位于没有公用的顶点处的 O2 仅与一个 Si4 结合 尚余 1 价来与其他阳离子结合 是活性氧 同一层硅氧四面体片中 氧一般均指向一个方向 在活性 氧组成的六方环中心 总是有一个 OH 一和活性氧共同组成一个阴离子层 层状硅酸盐的络合阴离 子化学组成式为 Si4O10 OH 2 6 其中 OH 2为络合阴离子不可缺少的一部分 c 八面体 由 Al3 或 Mg2 为中心 四周有 6 个阴离子 O2 或 OH 构成的一个立体几何图形 因其为 A13 与 O2 组成 故又称 Al O 八面体 如图 1 3 1 所示 任务 1 钻井液的认知 8 d 八面体片 由八面体沿一个平面互相连接而成 如图 1 3 2 所示 在 Si O 四面体晶片的每个六方网孔的范围内有三个八面体中心 根据晶体结构的电荷中和 法则 它们只充填 2 3 的八面体孔隙 即三个八面体孔隙中只充填了两个八面体孔隙 故称二八 面体结构层 这样的八面体品格具有三水铝石 A12O3 3H2O 的结构式 如果是 2 价的镁和铁等进 入八面体中心 则可以将三个八面体孔隙全部充填 称为三八面体结构层 类似水镁石的结构形 式 因此 又有二八面体和三八面体粘土矿物之分 1 3 1 Al O 八面体 1 3 2 Al O 八面体片 e 晶层 由于单元晶格的大小相同 四面体片很容易沿 c 轴叠合成统一的结构层 即单元层 简称晶层 2 粘土颗粒遇水的作用粘土颗粒遇水的作用 1 粘土颗粒的粒度分布 据美国石油学会 API 规定粘土分以下三类 1 粘土 胶体 粒度小于 2m 2 泥质 粒度为 2 74m 3 砂质 粒度大于 74m 2 粘土颗粒遇水后作用 粘土在水中极易分散成细小颗粒 形成粘土 水的悬浮体 使粘土颗粒具有较强的带电性 水化分散性 离子交换性和表面吸附性 1 粘土的电荷 粘土通常带有电荷 这是其具有电化学性质的根本原因 并影响粘土的各种性质 如粘土吸 附阳离子的多少取决于其所带电荷的数量 带同样电荷的粘土吸附钠离子比吸附钙离子就多 从 而致使吸附钠离子的粘土 钠土就比钙土水化膜厚 水化作用较强 此外 钻井液中有机 无 机处理剂的作用以及胶体的分散絮凝等性质 都受粘土电荷的影响 粘土正电荷与负电荷的代数 和即是粘土的净电荷数 因粘土的负电荷一般都多于正电荷 故粘土一般带负电荷 2 粘土的吸附作用 粘土表面浓集某物质分子 或离子 的现象称为粘土的吸附作用 吸附达到饱和后 就是再增加 浓度也不再吸附时的吸附数量叫最大吸附量 因此 吸附现象在钻井液中经常发生 一是通过吸 附粘土颗粒的表面 改变粘土的性质 从而改变钻井液性能 值得注意的是 吸附达到最大吸附 量随即产生脱附 此时存在吸附与脱附的动态平衡 二是粘土颗粒由粗变细的过程叫分散 分散 学习情境 1 钻井液巡回路线的检查 9 度越高 分散越细 颗粒交换量就越大 反之则越小 粘土的吸附据原因不同又分为物理吸附 化学吸附 离子交换吸附三种 物理吸附 物理吸附是靠吸附剂与吸附质分子问引力相互作用而产生的吸附 吸附是可逆的 在一 定条件 温度 浓度 下达到动态平衡 吸附是多层的 一般情况下 温度升高 吸附下降 物理吸 附是因表面分子具有表面能引起的 粘土在钻井液中分散度高 表面能大 所以吸附现象很明显 在配制钻井液时 为改善其性能 常加入各种处理剂 使之吸附于粘土颗粒表面 降低体系表面 能使之稳定 从而降低钻井液的滤失量和粘度 改善其润湿性等 化学吸附 化学吸附是靠吸附剂与吸附质之间的化学键力产生的 钻井液中某些处理剂就是靠化学键力 吸附于粘土上而起作用 离子交换吸附 在粘土形成过程中 粘土晶体产生电荷 一般来说是带负电荷 由于电中性的原理 即有等 当量的反号离子 阳离子 吸附在粘土表面上 吸附的阳离子可以和溶液中的阳离子发生交换作用 这种交换作用称为离子交换吸附 最常见的交换性阳离子为钠 钙 镁等 交换性阳离子以钠为 主称为钠土 以钙为主称为钙土 如硬水软化就是利用了这一性质 加一些化学处理剂 无机 有 机 与水中的钙 镁离子交换 吸附以后放出钠离子 使硬度下降 这时钙 镁离子沉淀 钻井液 中的粘土颗粒吸附的离子与溶液中的离子之间所进行的当量交换作用 即为粘土的离子交换吸附 交换的原因有两条 一是离子的晶格取代作用 二是粘土矿物裸露在外面的 OH 与 H 发生解离 使粘土颗粒带负电 例如 钻井液中的粘土吸附了钠离子 当遇到钙侵时 钙与粘土表面吸附的钠进行等当量交 换 使性能变坏 这时加入纯碱 即增加溶液中的钠离子浓度 同时钙离子与纯碱生成碳酸钙沉 淀 减少了钙的浓度 钠又把粘土表面吸附的钙离子交换下来 使钻井液的性能又得到改善 以上情况说明 粘土分散得越细 比表面也越大 吸附能力就越大 消耗处理剂一般也越多 阳离子交换容量也越大 吸附量的大小取决于比表面的大小 比表面越大 吸附的离子就越多 比表面越小 吸附的离子就越少 粘土的阳离子交换容量粘土的阳离子交换容量 也叫吸附容量也叫吸附容量 pH 值对阳离子交换容量增加的影响是 铝氧八面体中的羟基在强酸性溶液中易电离 使粘土 表面带电 在碱性溶液中氢离子易电离 使粘土表面负电荷增加 另外 溶液中 OH 增多 它靠 氢键吸附于粘土表面 使粘土的负电荷增多 从而增加了粘土的阳离子交换容量 了解这些知识 后 可有效地促进或抑制粘土的分散度 获得符合要求的钻井液性能 3 粘土颗粒的水化作用粘土颗粒的水化作用 任务 1 钻井液的认知 10 粘土的水化作用是影响水基钻井液的重要因素 粘度 切力和滤失在很大程度上取决于粘土 的水化作用 1 粘土矿物水分 1 化学结合水 晶格水 粘土矿物中铝氧八面体的氧和羟基层 在高温 300 C 时 其结晶水 会受到破坏而失去 2 自由水 液态水 水分不受粘土颗粒的束缚 重力作用下可在粘土颗粒之间自由移 动 当加入絮凝电解质后 粘土颗粒形成局部网状结构 包住了一部分自由水 这部分水不能自 由移动 必须和网状结构一起运动 相当于增加了钻井液中的固相含量 从而减少了自由水 使 钻井液变稠 3 吸附水 束缚水 因分子间引力和静电引力的作用 具有极性的水分子可被吸附到带电的 粘土表面上 在粘土颗粒周围形成一层水化膜 这部分水随粘粒一起运动 2 粘土水化作用的影响因素 1 不同阳离子对粘土水化作用的影响 粘土一般带负电 能将各种阳离子和一些吸附状态的 水化阳离子吸附到粘土表面上 在粘土表面形成水化膜 所以 粘土吸附的阳离子不同 形成的 水化膜的厚薄也不同 2 粘土矿物本身性质对水化膜的影响 粘土矿物构造不同 水化作用差别很大 由于晶格问 靠分子引力联系 键能的强弱 晶格间距离的大小 取代位置和阳离子交换容量的不同都使粘土 水化膨胀性差别很大 4 粘土颗粒的连接方式及其对钻井的影响粘土颗粒的连接方式及其对钻井的影响 1 粘土颗粒的连接方式 粘土颗粒在水溶液中的连接方式不同 对粘土 水悬浮体的流动性影响就不同 一般有三种 连接方式 面一面 边一边 边一面 三种连接方式也可能同时存在 聚结作用是聚结作用是粘土颗粒面 面连接 形成较厚的 层 或 束 减少了粘土颗粒的数目 使粘度 下降 分散作用是分散作用是聚结作用的逆过程 可形成较多的颗粒数目和较高的粘度 粘土通常是在水化之 前聚结 水化时发生分散 分散程度取决于水化电解质的种类 含量 时间 温度 粘土的交换 性阳离子的种类和粘土的浓度等 絮凝作用是絮凝作用是粘土颗粒边 边或边 面连接 形成网状结构 引起粘度增加 无论是降低颗粒 间斥力 还是减薄水化膜 若加入 2 价阳离子或升温 都会促进絮凝作用 钻井液中加入的某些 处理剂 因其在粘土表面优先吸附 使粘土颗粒不再形成边一边或边一面连接 具有解絮凝作用 这些处理剂就是我们常说的降粘剂 很明显 不管粘土颗粒间以什么方式连接 如果分散越细 颗粒越小 表面积就越大 吸附的水就越多 致使钻井液性能变坏而不利于钻进 学习情境 1 钻井液巡回路线的检查 11 2 粘土颗粒大小对钻井液性能的影响 粘土颗粒大小对钻井液性能的影响主要取决于颗粒面积的大小 表面积大 吸附的水就多 尤其是当大颗粒分散成小颗粒后 体积虽然没有改变 但表面积增加 就会使吸附的水增多 导 致钻井液性能变坏 不利于钻进 因此 在钻进时 第一次循环就必须采取有效措施 将井底返 到地面的钻屑尽可能多地清除掉 以提高机械钻速 减少对油气层的损害 5 粘土的分散和聚结粘土的分散和聚结 1 粘士颗粒间的相互作用力 粘士颗粒间的相互作用力 粘土颗粒的分散与聚结主要是由其受力状况不同而引起的 如果粘土颗粒问的排斥力占优势 则粘土颗粒分散 若吸引力占优势 则粘土颗粒聚结 粘土颗粒的受力状况可归纳为 斥力 由粘土颗粒电动电势造成的粘土层面上的静电斥 力和粘土颗粒表面水化膜的弹性斥力 引力 由粘土层面上的分子间引力和棱角 边缘处的异 性电荷造成的静电引力 通常粘土颗粒层面上由于电动势的存在 以斥力为主 而在棱角 边缘处 因水化较差 显示出由异性电荷造成的吸引力 粘土颗粒因层面间相互排斥 在棱角 边缘处互相吸引而形成 空间网架结构 2 粘土在钻井液中的分散 絮凝和聚结粘土在钻井液中的分散 絮凝和聚结 粘土在钻井液中的状态对钻井液性能的影响很大 从维护钻井液的稳定性来看 粘土颗粒分 散状态较好 但其抗污染等能力较差 絮凝状态虽要形成空间网架结构 但若适度絮凝 就是一 种较好的钻井液类型 分散状态 钻井液中的粘土颗粒有很强的电动电势 且粘土颗粒的水化很好 水化膜很厚 粘土颗粒问的静电斥力和水化膜弹性斥力使粘土颗粒不可能接近和互相连接 粘土呈高度分散状 态 这时钻井液具有较高的粘度 结构性不强 切力不大 滤饼薄而致密 滤失量很小 稳定性 好 长时间静置也不会析出自由水 絮凝状态 如钻井液中粘土的电动电势较小 粘土颗粒的水化较差 则颗粒间的静电斥力 和水化膜斥力都较弱 粘土颗粒的棱角 边缘处水化也较差 这时粘土颗粒间可能以边 边和边 面 相连接 形成空间网架结构 粘土颗粒呈絮凝状态 这时钻井液有较高的粘度和切力 滤饼较厚 且松散 滤失量较高 若静置一段时间 则会形成冻胶状 失去流动性 聚结状态 若粘土的电动电势很小 粘土颗粒的水化也很差 这时粘土颗粒将以面 面相结 合而形成一层层重叠的大颗粒 这种状态下的钻井液粘度 切力很低 滤饼非常松散 滤失量很 大 钻井液的稳定性很差 严重时粘土颗粒聚结变得很大 很快沉淀 出现聚沉现象 3 粘土的造浆率的影响因素 粘土的造浆率的影响因素 粘土造浆率的大小受粘土的带电性质 吸附阳离子的类型 水化性 分散性等因素的影响 任务 1 钻井液的认知 12 盐对粘土造浆率的影响 钠土由于其带电性强 水化性好 水化膜厚 故造浆率高 钙土 水化性差 水化膜薄 故造浆率低 为提高粘土的造浆率 配制粘土浆时加入适量纯碱 除去钙 离子 增加钠离子 使钙质土变为钠质土 提高粘土的造浆能力 由于加膨润土的方式和程序不同 膨润土的造浆率也不一样 把粘土先加水和化学分散剂使 之充分水化 该方法配制的粘土浆粘度明显高于把粘土直接加入盐水中形成的粘土浆粘度 因此 为充分发挥膨润土的作用 使钻井液保持分散状态 配制钻井液时应尽量采用膨润土预水化的方 法 pH 值对粘土造浆率的影响 pH 值大于 9 后 pH 值增大 粘土分散性明显增强 造浆率也 提高 这是因为 OH 一浓度增大 增加了膨润土表面的负电荷 使钠质土的含量增大 水化分散性 增强 胶体含量增加 所以粘度升高 pH 值越大 这种现象越明显 因此 细分散钻井液的 pH 值大多控制在 9 以上 6 钻井液的稳定性钻井液的稳定性 1 沉降稳定性沉降稳定性 沉降稳定性 或动力稳定性 是指在重力作用下 分散相颗粒是否容易下沉的性质 若下沉速度 很小 则称该体系具有沉降稳定性 沉降稳定性的影响因素有以下几点 重力的影响 分散相的颗粒本身所受重力作用的大小是沉降稳定性的决定因素 分散相颗粒在胶态体系中 所受的沉降力主要取决于颗粒半径 r 的大小 其次是分散相与分散介质的密度之差 分散度越高 密度差越小 颗粒所受沉降力越小 则颗粒越不易下沉 沉降稳定性越好 布朗运动的影响 布朗运动是指胶体粒子在各个方向上进行的频繁而无序的运动 它是由于分散体系