第七章-钻井液体系简介110920.ppt

钻井液体系简介,钻井液工艺原理电子教案第二章,上一内容,下一内容,回主目录,返回,钻井液工艺原理电子教案第七章,上一内容,下一内容,回主目录,返回,本章要点：1、了解常见钻井液体系及其特点2、了解几种新型钻井液及其特点,钻井液工艺原理电子教案第七章,上一内容,下一内容,回主目录,返回,7-1分散钻井液,由淡水、配浆膨润土和各种分散剂（对粘土、钻屑起分散作用的处理剂）配制而成的水基钻井液称为分散钻井液。为了与钙处理钻井液相区别，有时又称为细分散钻井液或淡水钻井液。它是油气钻井中最早使用并且使用时间相当长的一类水基钻井液。特别是在钻开表层时，至今仍然普遍使用。,1膨润土及原浆的配制膨润土逐渐分散在淡水中致使泥浆的粘度、切力不断增加的过程称为造浆，每吨粘土能配出表观粘度为15mpas的钻井液体积称做粘土的造浆率。在配置原浆时，还需要加入适量的纯碱，以提高粘土的造浆率。,一、分散钻井液的组成,7-1分散钻井液,2、分散剂和钻井液用于分散型钻井液的降粘剂（分散剂）种类较多，主要降粘剂有丹宁碱液、铁铬木质素磺酸盐、褐煤及其改性产品；主要降滤失剂有：钠羧甲基纤维素CMC、聚阴离子纤维素、磺化褐煤或磺化酚醛树脂；烧碱调节pH值；重晶石做加重剂。国内深井、超深井使用的抗高温钻井液-三磺钻井液配方：磺化丹宁或磺化栲胶、磺化褐煤、磺化酚醛树脂。重铬酸钾和Span-80提高抗温性。,7-1分散钻井液,二、分散钻井液的特点分散钻井液的主要特点是粘土在水中高度分散，正是通过高度分散的粘土颗粒使钻井液具有所需的流变和降滤失性能。1、优点(1)配制方法简便、成本较低；(2)固相容量高，适于配制高密度钻井液，密度可高达2.00gcm3以上；(3)抗温能力较强，比如以磺化栲胶、磺化褐煤和磺化酚醛树脂为主处理剂的三磺钻井液是我国常用于钻深井的分散钻井液体系，抗温可达160-200。,7-1分散钻井液,2、缺点：（分散钻井液在使用、维护过程中存在难克服的缺点和局限性）：(1)性能不稳定，容易受粘土和可溶性盐类的污染。钻遇盐膏层时，少量石膏、岩盐就会使钻井液性能发生较大的变化；(2)滤液的矿化度低，容易引起井壁附近的泥页岩水化、松散、垮塌，并使井壁的岩盐溶解，即钻井液抑制性能差，不利于防塌；(3)体系中固相含量高，特别是粒径小于1um的亚微米颗粒所占比例相当高，因此对机械钻速有明显的影响，尤其不宜在强造浆地层中使用；(4)滤液侵入易引起粘土膨胀，因而不能有效地保护油气层，钻遇油气层时必须加以改造才能达到要求。,7-1分散钻井液,三、钻井液的受侵及其处理其中最常见的是钙侵、盐侵和盐水侵，此外还有Mg2+、CO32-、H2S和O2等造成的污染。1钙侵Ca2+进入钻井液的途径：危害：处理方法：,7-1分散钻井液,2、盐侵和盐水侵（1）变化规律及作用机理：,（2）处理目前常用的处理方法是及时补充抗盐性强的各种处理剂，将分散钻井液转化为盐水钻井液。,7-1分散钻井液,3硫化氢污染H2S主要来自含硫地层，此外某些磺化有机处理剂以及木质素磺酸盐在井底高温下也会分解产生H2S。H2S对人有很强的毒性，在其浓度为800mgL以上的环境中停留就可能因窒息而导致死亡。同时，H2S对钻具和套管有极强的腐蚀作用。总的腐蚀过程可用下式表示：(臭鸡蛋味)Fe+xH2SFeSx+xH2关于腐蚀的机理，目前普遍认为是由于氢脆的发生。,由于H2S、HS-、S2-以及FeSx等的存在，电离出的H+会迅速地吸附在金属表面，并进而渗入金属晶格内，转变为原子氢。当金属内有夹杂物、晶格错位现象或其它缺陷时(通常都比较严重)，原子氢便在这些易损部位聚结，结合成H2。,7-1分散钻井液,4.清除污染物所需处理剂用量的确定在判断出进入钻井液的是何种污染物，并已决定选用何种处理剂将其清除之后，剩下的问题就是如何确定处理剂的用量。由于采取的是化学清除方法，因此确定处理剂用量的基本原则是：所用处理剂与污染物在钻井液滤液中的当量浓度应保持相等。,7-1分散钻井液,第三节粘土的水化膨胀作用,钻井液工艺原理电子教案第二章,7-2钙处理钻井液,钙处理钻井液是在使用分散钻井液的基础上，于20世纪60年代发展起来的具有较好的抗盐、抗钙污染能力和对泥页岩水化具有较强抑制作用的一类钻井液。由于体系中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。目前常用的无机絮凝剂有三种：石灰、石膏和氯化钙。为了进一步增强其抑制性能，采用石灰和KOH联合处理，称为钾石灰钻井液。这四种钙处理钻井液都是以Ca2+提供抑制性化学环境，使钻井液中的钠土转变为钙土，从而使粘土颗粒由高度分散转变为适度絮凝。钙处理钻井液可在很大程度上克服细分散钻井液的缺点，具有防塌、抗污染和在含有较多Ca2+时使性能保持稳定的特点。,一、钙处理钻井液的配制原理及特点Ca2+改变粘土分散度的作用机理，可以从以下两方面来理解。一方面，Ca2+通过Na+Ca2+交换，将钠土转变为钙土。钙土水化能力弱，分散度低，故转化后体系分散度明显下降。转化的程度取决于粘土的阳离子交换容量和滤液中Ca2+的浓度。粘土的阳离子交换容量越高，所吸附Ca2+的量就越大。同时，通过控制滤液中Ca2+的浓度，可以控制钠土转变为钙土的数量，从而控制钻井液中粘土的分散度。另一方面，Ca2+本身是一种无机絮凝剂，会压缩粘土颗粒表面的扩散双电层，使水化膜变薄，电动电位下降，从而引起粘土晶片面面和端面聚结，造成粘土颗粒分散度下降。,第三节粘土的水化膨胀作用,钻井液工艺原理电子教案第二章,7-2钙处理钻井液,使钻井液处于适度絮凝的粗分散状态有两条途径：一是在分散钻井液中同时加入适量的钙盐(或石灰)和分散剂；二是在受钙侵后处于絮凝状态的钻并液中及时加入分散剂。在适度絮凝的粗分散状态中，其絮凝和分散程度也有所区别，加人分散剂可使颗粒变细，絮凝程度降低；反之加钙盐则使颗粒变粗，絮凝程度提高。,第三节粘土的水化膨胀作用,钻井液工艺原理电子教案第二章,7-2钙处理钻井液,优点：与分散钻井液相比，钙处理钻井液的优点主要表现在以下方面：（1）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。（2）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。（3）能在一定程度上抑制泥页岩水化膨胀；滤失量较小，泥饼薄且韧性好，有利于井壁稳定。（4）由于钻井液中粘土细颗粒含量较少，对油气层的损害程度相对较小。,第三节粘土的水化膨胀作用,钻井液工艺原理电子教案第二章,7-2钙处理钻井液,第三节粘土的水化膨胀作用,钻井液工艺原理电子教案第二章,7-3盐水钻井液,一、盐水钻井液的定义和分类凡NaCl含量超过1的钻井液统称为盐水钻井液。一般将其分为以下三种类型：(1)一般盐水钻井液其含盐量自1直至饱和之前均属此类。(2)饱和盐水钻井液是指含盐量达到饱和，即常温下浓度为3.15105mg/L左右的钻井液。注意NaCl溶解度随温度变化而变化。(3)海水钻井液是指用海水配制而成的含盐钻井液。体系中不仅含有约3104mg/L的NaCl，还含有一定量的Ca2+和Mg2+。,二、盐水钻井液的配制原理及特点与钙处理钻井液的配制原理相同，通过人为地添加无机阳离子来抑制粘土颗粒的水化膨胀和分散，并在分散剂的协同作用下，形成抑制性粗分散钻井液的。盐水钻井液的pH值一般随含盐量的增加而下降，这一方面是由于滤液中的Na+与粘土矿物晶层间的H+发生了离子交换；另一方面则是由于工业食盐中含有的MgCl2杂质与滤液中的OH-反应，生成Mg(OH)2沉淀，从而消耗了OH-所导致的结果。因此，在使用盐水钻井液时应注意及时补充烧碱，以便维持一定的pH值。一般情况下，盐水钻井液的pH值应保持在9.511.0之间。,第三节粘土的水化膨胀作用,钻井液工艺原理电子教案第二章,7-3盐水钻井液,优点：（1）由于矿化度高，因此这种体系具有较强的抑制性，能有效地抑制泥页岩水化，保证井壁稳定；（2）不仅抗盐侵的能力很强，而且能够有效地抗钙侵和抗高温，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；（3）由于其滤液性质与地层原生水比较接近，故对油气层的损害较轻；（4）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；（5）盐水钻井液还能有效地抑制地层造浆，流动性好，性能较稳定。缺点：（1）维护工艺比较复杂；（2）对钻柱和设备的腐蚀性较大；（3）配制成本相对较高。,第三节粘土的水化膨胀作用,钻井液工艺原理电子教案第二章,7-3盐水钻井液,第三节粘土的水化膨胀作用,钻井液工艺原理电子教案第二章,上一内容,下一内容,回主目录,返回,7-4聚合物钻井液,聚合物钻井液是自20世纪70年代初发展起来的一种新型钻井液体系。广义地讲，凡是使用线型水溶性聚合物作为处理剂的钻井液体系都可称为聚合物钻井液。但通常是将聚合物作为主处理剂或主要用聚合物调控性能的钻井液体系称为聚合物钻井液。,一、聚合物钻井液概述1发展概况聚合物钻井液最初是为提高钻井效率开发研究的。研究资料指出：钻井液的固相含量是影响钻井速度的一个主要因素。所以，清水的钻井速度应最高。但当时并没有能够有效清除钻井液中固相的手段。直到1958年首次应用了聚合物絮凝剂聚丙烯酰胺(简称PAM)后，才实现了真正的清水钻井。PAM可同时絮凝钻屑和蒙脱土，称为完全絮凝剂。在钻井液中加入极少量的PAM即可使钻屑絮凝而全部除去。清水钻井大大提高了钻速，但因其携带钻屑能力差，滤失量大，影响井壁稳定等缺点，不能广泛使用，只能用于地层特别稳定的浅层井段。1960年，发现有两类高聚物，即部分水解聚丙烯酰胺(简称PHPA或PHP)和醋酸乙烯酯马来酸酐共聚物(简称VAMA)，具有选择性絮凝作用。,第三节粘土的水化膨胀作用,钻井液工艺原理电子教案第二章,7-4聚合物钻井液,对钻屑的分散具有良好的抑制能力，处理过的钻井液体系中亚微米颗粒含量明显低于其它类型的水基钻井液，这对提高钻井速度是十分有益的。这类新型的聚合物钻井液体系称为“不分散低固相聚合物钻井液”。1966年，泛美石油公司在加拿大西部油田首次系统地使用了这种不分散低固相聚合物钻井液，大幅度提高了钻速。随后，这种钻井液体系在世界范围内推广应用，经受了不同地层、不同井深和不同密度等方面的考验，在提高钻井速度和降低钻井成本等方面效果显著，证明是一种技术先进的钻井液体系。1971年，在第八届世界石油大会上，不分散低固相聚合物钻井液的成功开发被列为70年代初钻井工艺最有影响的新进展之一，表明对钻井技术发展的促进作用是显著的。,第三节粘土的水化膨胀作用,钻井液工艺原理电子教案第二章,7-4聚合物钻井液,为进一步提高聚合物钻井液的防塌能力，70年代后期发展了聚合物与无机盐(主要是氯化钾)配合的钻井液体系，发现该体系对水敏性地层的防塌效果显著。近20年来，聚合物处理剂的发展也很快，除带阴离子基团的处理剂如PHPA、VAMA、水解聚丙烯腈铵盐(简称NPAN)、聚丙烯酸盐等以外，近期又开发出带阳离子基团的阳离子聚合物和分子链中同时带阴离子基团、阳离子基团和非离子基团的两性离子聚合物处理剂，使聚合物钻井液技术得到不断发展和完善。,第三节粘土的水化膨胀作用,钻井液工艺原理电子教案第二章,7-4聚合物钻井液,目前，根据聚合物处理剂的离子特性，可将聚合物钻井液分为阴离子聚合物钻井液、阳离子聚合物钻井液和两性离子聚合物钻井液。自20世纪70年代以来，聚合物钻井液技术已在我国得到普遍推广应用。同时，还对聚合物处理剂的抑制性、降滤失和降粘等作用机理进行了系统研究。目前，我国在各种聚合物钻井液体系的基础研究、新产品开发和推广应用方面，已接近或达到世界先进水平。主要介绍不分散低固相聚合物钻井液的组成、特点、涉及的基本理论以及现场应用等。,第三节粘土的水化膨胀作用,钻井液工艺原理电子教案第二章,7-4聚合物钻井液,2聚合物钻井液的特点与其它水基钻井液相比，聚合物钻井液优点：7个(1)固相含量低(2)具有良好的流变性,(3)钻井速度高(4)稳定井壁的能力较强，井径比较规则。(5)对油气层的损害小，有利于发现和保护产层。,(7)钻井成本低。,(6)可防止井漏的发生。,第三节粘土的水化膨胀作用,钻井液工艺原理电子教案第二章,7-4聚合物钻井液,缺点：在现场应用中遇到的、还需要进一步研究解决一些问题。（1）当钻速太快时，无用固相不能及时清除，难以维持低固相，在强造浆井段尤其如此；（2）对一些强分散地层，有时抑制能力也显得不足，这时钻井液的流变性变得难以控制，比如切力太高，导致钻屑更不容易清除，产生恶性循环，不得不加入分散剂降低钻井液结构强度，以改善流动性。这将以部分损害聚合物钻井液的优良性能为代价。,第三节粘土的水化膨胀作用,钻井液工艺原理电子教案第二章,7-4聚合物钻井液,3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,第三节粘土的水化膨胀作用,钻井液工艺原理电子教案第二章,7-4聚合物钻井液,第三节粘土的水化膨胀作用,钻井液工艺原理电子教案第二章,上一内容,下一内容,回主目录,返回,7-5正电胶钻井液,MMH正电胶钻井液的特性1电性的调节2稳定性,3流变性,4抑制性,5抑制钻屑分散和稳定井壁的机理(1)“滞流层”机理(2)“胶粒吸附膜稳定地层活度”机理(3)“束缚自由水”机理,第三节粘土的水化膨胀作用,钻井液工艺原理电子教案第二章,7-6抗高温水基钻井液,一、深井水基钻井液应具备的特点(1)具有抗高温的能力。(2)在高温条件下对粘土的水化分散具有较强的抑制能力。(3)具有良好的高温流变性。(4)具有良好的润滑性。,二、高温对深井水基钻井液性能的影响1钻井液中粘土的高温分散作用,2高温对钻井液处理剂的影响(1)高温降解(2)高温交联,3高温对处理剂与粘土相互作用的影响(1)高温解吸附作用(2)高温去水化作用,第三节粘土的水化膨胀作用,钻井液工艺原理电子教案第二章,7-6抗高温水基钻井液,3常用的抗高温处理剂(1)抗高温降粘剂磺甲基单宁（SMT），简称磺化单宁。磺甲基栲胶（SMK），简称磺化栲胶。(2)抗高温降滤失剂磺甲基褐煤（SMC），简称磺化褐煤。磺甲基酚醛树脂，简称磺化酚醛树脂，分I型产品（SMP-I）和II型产品（SMP-II）。（3）DMDAAC/AA/AM/AMPS，共聚单体为丙烯酰胺、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、二甲基二烯丙基氯化铵、丙烯酸。降滤失能力强，抗温高于180，抗盐至饱和，可有效的抑制钻屑的分散。,第三节粘土的水化膨胀作用,钻井液工艺原理电子教案第二章,7-6抗高温水基钻井液,第三节粘土的水化膨胀作用,钻井液工艺原理电子教案第二章,上一内容,下一内容,回主目录,返回,7-7其他水基钻井液,一、聚合醇钻井液聚合醇水基钻井液体系是聚合醇与其它处理剂配伍使用的钻井液体系。该钻井液体系是八十年代初发展起来的一种新型水基钻井液，具有较强的抑制性、良好的润滑性、生物毒性小、易生物降解、对地层损害小等特点。现场应用表明，聚合醇在稳定井眼、提高钻速、降低钻井事故等方面具有较好的效果，已成功地用于大斜度井、大位移井、水平井以及高温高压活性泥页岩地层的钻井施工中。,1、聚合醇性能（1）吸附特性。（2）润滑特性。（3）调整流变性。（4）聚合醇荧光级别低。（5）聚合醇的生物毒性小。,第三节粘土的水化膨胀作用,钻井液工艺原理电子教案第二章,7-7其他水基钻井液,2、聚合醇作用机理,降低活度，即通过渗透作用稳定泥页岩；浊点行为，通过聚合醇颗粒封堵泥页岩；吸附作用。,第三节粘土的水化膨胀作用,钻井液工艺原理电子教案第二章,7-7其他水基钻井液,二、硅酸盐钻井液井壁稳定机理：（1）硅酸盐进入地层孔隙形成三维凝胶结构和不溶沉淀物，快速在井壁处堵塞泥页岩孔隙和微裂缝，阻止滤液进入地层，同时减少了压力穿透作用；（2）硅酸盐抑制泥页岩中粘土矿物的水化膨胀和分散；KCl/聚合物/硅酸盐体系（代号KPS）各处理剂间的协同作用，使粘土产生脱水而收缩，使泥页岩的结构强度提高；（3）硅酸盐可能与泥页岩中的粘土矿物发生反应，生成类似氟石的非晶质的联结非常致密的新矿物，增强井壁的稳定性；（4）氯化钠或氯化钾的协同增效作用。可溶性硅酸盐溶液还具有抗腐蚀性能，能有效地抑制非膨胀粘土矿物悬浮液pH值升高时界面上硅石的溶解，保持聚结晶体里的晶间凝结力。,第三节粘土的水化膨胀作用,钻井液工艺原理电子教案第二章,7-7其他水基钻井液,三、欠平衡钻井液1、常规钻井液,液体充气流体泡沫气雾空气/气体适用于欠平衡钻井的流体,第三节粘土的水化膨胀作用,钻井液工艺原理电子教案第二章,7-7其他水基钻井液,2、空气流体空气流体是指空气或天然气，氮气、二氧化碳、防腐剂及干燥剂等组成的循环流体。空气钻井装备需要具有高压大排量压风机，以满足施工要求，此外还要有井口防喷器，旋转头，密封钻杆，岩屑排除管汇及测量仪表等。空气钻井的优点：（1）空气钻井技术可大幅度降低压差，可大大提高机械钻速，延长钻头使用寿命；（2）减少对敏感地层的损害，可有效的保护低压油气层；可有效的钻穿易漏层。空气钻井的缺点：易引起井下着火与爆炸，造成井下钻具破坏，所以空气钻井选择气体类型很重要。,第三节粘土的水化膨胀作用,钻井液工艺原理电子教案第二章,7-7其他水基钻井液,3、雾流体雾流体是空气、发泡剂、防腐剂和少量水混合组成的循环流体，是空气钻井中的一种过渡性工艺，即当钻遇地层出液量大于24m3/h，就只能采用泡沫流体钻进。,4、充气水基或油基钻井液体系（充气流体）充气流体是将空气注入钻井液内来降低流体液柱压力，充气钻井液流体的密度最低可达到0.59g/cm3，钻井液和空气的混配比一般为10:1。用空气钻井液钻井时，环空速度要达到0.8-8m/s，地面正常工作压力为3.5-8Mpa。在钻进过程要注意空气的分离和防腐，防冲蚀等问题，要求有配套工艺和地面充气设备。,5、泡沫流体泡沫流体是气体介质分散在液体中，并配以发泡剂，稳泡剂或粘土形成的分散体系。它使钻进低压产层常用而有效的工作液，油田用泡沫流体一般为硬胶泡沫和稳定泡沫。硬胶泡沫是气体、粘土、稳定剂和发泡剂配成的稳定性比较强的分散体系，它用于需要泡沫寿命长，携带能力强的场所，如解决大直径钻井携带岩屑和清洗井底或防漏、堵漏、堵水等问题，其成本低，但它对电解质及油品的污染较敏感，一般不宜在油气井中应用；稳定泡沫是指空气（气体）、液体发泡剂和稳定剂配成的分散体系，稳定泡沫能与各类电解质、原油及钻井作业过程的污染物配伍，且能处理水。据美国空气钻井公司介绍，在10m3/h的出水量情况时，用泡沫流体钻井不会发生复杂问题，对低压易漏地层特别有效。,第三节粘土的水化膨胀作用,钻井液工艺原理电子教案第二章,7-7其他水基钻井液,第三节粘土的水化膨胀作用,钻井液工艺原理电子教案第二章,7-8油基钻井液,前言,（一）油基钻井液：以油为连续相的钻井液。,成本高污染环境钻速低,有利于井壁稳定抗污染能力强润滑性好对油气层损害小抗高温,优点,缺点,（二）油基钻井液特点,（三）油基钻井液发展,一、油基钻井液组成与性能,（一）油基钻井液组成1、油相（1）柴油闪点和燃点分别在82和93以上，确保安全；苯胺点在60以上，控制芳烃含量，减少对橡胶部件的腐蚀；苯胺点：等体积的油与苯胺（芳烃）相互溶解时的最低温度苯胺点芳烃含量粘度适宜，以有利于流变性控制（2）低毒矿物油,2、水相,淡水、盐水、海水。,3、乳化剂,作用：维持油包水（W/O）或水包油（O/W）乳状液的稳定性,作用机理,降低界面张力在油/水界面上形成具有一定强度的吸附膜增加外相粘度,(1)以空间构型为依据选择乳化剂,乳化剂的空间构型：主要指乳化剂分子极性基团截面积直径d极和非极性集团截面积直径d非极的大小。乳状液类型判断：d极d非极易形成O/W型d极d非极易形成W/O型,HLB：亲油亲水平衡值；HLB值越大，亲水性越强，越有利于形成O/W型乳状液。HLB值的选择：HLB=4-6，适于作W/O型乳化剂HLB=8-18，适于作O/W型乳化剂,(2)以HLB为依据选择乳化剂,4、润湿剂,作用：把原来亲水的固体表面转变为亲油，有利于亲水性固体在油相中悬浮。,作用原理（润湿反转）：润湿剂为具有两亲结构的表面活性剂，分子中亲水的一端与固体表面有很强的亲合力，吸附在固体的表面，并将亲油端指向油相时，原来亲水的固体表面转变为亲油。,5、亲油胶体,定义：分散在W/O乳化钻井液油相中的固体处理剂（有机土、氧化沥青、亲油褐煤粉等）。,作用：增粘与降滤失。,有机土：亲水的膨润土+季胺盐类阳离子表面活性剂亲油粘土。,氧化沥青：石油沥青经加热吹气氧化处理后与一定比例的石灰混合而成的产品。,（1）提供Ca2+