钻井工程理论与技术--第三章--钻井液1

第四章钻井液,第一节钻井液的定义和功用第二节钻井液的组成和分类第三节钻井液的性能第四节钻井液的固相控制第五节井塌及防塌钻井液第六节油气层保护及完井液,第一节钻井液的定义和功用,一、钻井液的概念钻井泥浆钻井液钻井流体钻井时用来清洗井底并把岩屑携带到地面、维持钻井操作正常进行的流体称为钻井液或洗井液。二、钻井液的功用1携岩2造壁，维持井壁稳定3冷却和润滑钻头及钻柱4控制地层压力5.悬浮钻屑和加重材料，防止下沉6.获得地层和油气资料7.传递水功率,一、钻井液的组成（1）液相：液相是钻井液的连续相，水或油。（2）活性固相：包括人为加入的商业膨润土、有机膨润土（油基钻井液用)和地层进入的造浆粘土。（3）惰性固相：惰性固相是钻屑和加重材料（重晶石等）。（4）各种钻井液添加剂。二、钻井液的分类API和IADC分类：（1）不分散体系膨润土+清水；天然钻井液（自然造浆而成）;浅层钻进。（2）分散体系水+膨润土+分散剂（铁络木质素黄酸盐FCLS等）反絮凝及降滤失，可抗200以上高温，能加重到2.0g/cm3，可形成致密泥饼。深井或复杂井用。（3）钙处理体系水基钻井液+钙盐（石灰、石膏、氯化钙）游离Ca+抑制粘土水化膨胀及分散，控制井塌。,第二节钻井液的组成和分类,（4）聚合物体系水基钻井液+高聚物（聚丙烯酰胺PAM，水解聚丙烯酰胺PHP等）。絮凝劣质土，增加粘度，降低滤失量，稳定地层。（5）低固相体系总固相含量6%10%（体积比）的水基钻井液。其中，膨润土含量小于3%，钻屑与膨润土的比值小于21。提高钻速，保护油气层。（6）饱和盐水体系用盐水配置，氯离子含量达189g/L的水基钻井液。氯离子含量为6189g/L的水基钻井液称为盐水钻井液。抗盐侵，抑制粘土水化。海上钻井、钻岩盐层和泥页岩层。（7）修井完井液体系水+盐+聚合物等；油基钻井液低密度、无固相、抑制粘土膨胀、低滤失，保护油气层。（8）油基钻井液体系油包水乳化钻井液：油+水+乳化剂（脂肪酸等）油基钻井液：柴油+氧化沥青、有机酸、碱。耐高温、保护油气层、防止水敏性地层吸水膨胀。（9）空气、雾、泡沫和气体体系欠平衡压力钻井。,第二节钻井液的组成和分类,第三节钻井液的性能,密度流变性造壁性能,一、钻井液的密度钻井液的密度指单位体积钻井液的质量,单位:g/cm3钻井液密度必须取值合适：过小：不能平衡地层压力，造成井涌或井喷；不能保持井壁稳定，造成井壁坍塌过大：压漏地层；不利于提高机械钻速地层允许的情况下尽可能使用低密度钻井液钻井液密度的调整：降低钻井液密度：机械除砂、加清水、充气、混油、加絮凝剂提高钻井液密度：碳酸钙、重晶石、钛铁矿粉,第三节钻井液的性能,第三节钻井液的性能,二、钻井液的流变性粘度和切力随流速变化的性能。静切力动切力表观粘度塑性粘度流性指数稠度系数,（一）液体的基本流型：流速梯度（剪切速率）流体在管内流动时，中心处流速大，由中心向外流速减小。单位距离内流速的增量称为流速梯度。剪切应力液流中各层速度不同，层间必有相对运动，发生内摩擦，阻碍液层作相对运动。单位面积上的内摩擦力称为剪切应力。液体流动的四种流型：牛顿流型：塑性流型：假塑性流型：膨胀流型：,牛顿方程,宾汉方程,幂率方程,第三节钻井液的性能,切应力，,流速梯度dv/dx,0,s,1.静切力（静切应力、切力、凝胶强度）使钻井液开始流动时的最低剪切应力，它是钻井液静止时单位面积上所形成的连续空间网架结构强度的量度。它反映了钻井液触变性的好坏。调整方法：调整钻井液中粘土的含量及其分散度、无机盐（改变粘土颗粒间静电斥力）、降粘剂或增粘剂。,2.动切应力（屈服值）延长流变曲线直线段与切应力轴相交，交点处的切应力，它是钻井液处于层流状态时单位面积上网状结构强度的量度，为一假想值。调整方法同静切力。,第三节钻井液的性能,（二）塑性流体的流变参数,第三节钻井液的性能,3.塑性粘度塑性粘度是塑性流体流变曲线直线段斜率的倒数，即：。它是钻井液流动时固相颗粒之间、固相颗粒与周围液相间以及液相分子间的内摩擦作用的总反映。它反映了液体粘滞力的大小，对钻井液的携岩能力有直接影响。调整方法：降低粘度：使用固控设备降低固相含量，增加体系抑制性，降低活性固相的分散度；加稀释剂降粘提高粘度：加高聚物增粘剂。,（二）塑性流体的流变参数,第三节钻井液的性能,4.表观粘度（视粘度或有效粘度）它是在某一流速梯度下剪切应力与相应流速梯度的比值，是“总粘度”的意思。,5.动塑比动切力与塑性粘度之比，即：它反映了钻井液结构强度与塑性粘度的比例关系。它决定钻井液在环空中的流态和剪切稀释特性。动塑比大，流动过水断面较平缓，剪切稀释能力强，但流动阻力大，要求的泵压高。理想值：=0.360.48。调整方法：采用调整动切力和塑性粘度的方法。,（二）塑性流体的流变参数,第三节钻井液的性能,（三）假塑性流体和膨胀流体的流变参数1.流性指数n表示流体在一定流速范围内的非牛顿性程度。n1，假塑性流体，特点是随剪切速率增加而变稀（剪切稀释特性）；n1，膨胀型流体，特点是随剪切速率增加而变稠。n值影响钻井液的携岩效果和剪切稀释特性。理想值：n=0.40.7。2.稠度系数k为流体在1s1流速梯度下的粘度。k值越大，粘度越大。,第三节钻井液的性能,（四）流变参数的测定(课下看P106)1静切力（六速旋转粘度计）初切测定：将钻井液在600rmin下搅拌10s，静置10s后测得3rmin下的表盘读数，该读数乘以0.511即得初切力(Pa)。终切测定：将钻井液在600rmin下搅拌10s，静置10min后再测得3rmin下的表盘读数，该读数乘以0.511即得终切力(Pa)。2其它流变参数用六速旋转粘度计测得600rmin和300rmin表盘读数(600，300)，就可计算下列流变参数。表观粘度：0.5600(mPas)塑性粘度：600一300(mPas)动切力(屈服值)：0.511(300一)(Pa)流性指数：n3.321g（无因次）稠度系数：(Pasn),第三节钻井液的性能,（五）钻井液流变性与钻井工程的关系要求钻井液具有“剪切稀释特性”（表观粘度随剪切速率增大而降低的现象），动塑比最好在0.340.48的范围(或流性指数n在0.70.4)。,三、钻井液的造壁性能及滤失量（一）滤失和造壁过程钻井液中的液体在压差的作用下向地层内渗滤的过程称为钻井液的滤失。在钻井液向地层内渗滤的同时，钻井液中的固相颗粒附着在井壁上形成滤饼的过程称为造壁过程。（二）几种不同的滤失情况1.瞬时滤失在钻成新井眼而滤饼尚未形成时，钻井液迅速向地层渗滤，称为瞬时滤失。瞬时滤失量有利于提高钻速，但严重损害油气层。2.动滤失钻井液在井内循环流动时，泥饼厚度趋于稳定，此时的滤失称为动滤失。泥饼厚度稳定，滤失速度不变。3静滤失钻井液在停止循环时的滤失称为静滤失。随着滤失过程的进行，滤饼逐渐增厚，滤失阻力逐渐增大，滤失速率逐渐减小。,第三节钻井液的性能,第三节钻井液的性能,（三）影响滤失量的因素,静滤失方程:,(3-3),1.渗滤时间t：滤失量与渗滤时间的平方根成正比2.压差p：取决泥饼的可压缩性3.固相含量及类型：钻井液固相含量增大，滤失量降低；泥饼的固相含量降低（水分含量增高），滤失量降低。4.泥饼渗透率K：滤失量与泥饼渗透率的平方根成正比。5.滤液粘度：滤失量与滤液粘度的平方根成反比。6.温度：温度升高，滤液粘度下降，滤失量增大。,三、钻井液的造壁性能及滤失量,第三节钻井液的性能,三、钻井液的造壁性能及滤失量,第三节钻井液的性能,（四）滤失量的控制控制滤失量的最好方法用降滤失剂降低滤饼的渗透性。降滤失剂作用机理：1护胶作用2增加钻井液中粘土颗粒的水化膜厚度，降低滤失量3提高滤液粘度，降低滤失量4降滤失剂分子本身的堵孔作用,第三节钻井液的性能,（五）滤失量的测量和要求（课下看P110-111）1.静滤失量（API滤失量）用API滤失量仪在常温、0.7MPa压差下测量30min所得的滤液体积（mL）。要求：上部地层和坚固地层，滤失量可放宽；水敏性易坍塌地层，滤失量要低；油气层，滤失量不能高于5mL。2.高温高压滤失量用高温高压滤失量仪模拟地层温度及压力条件测得的钻井液滤失量。在150温度、3.5MPa压差下测量30min所得的滤失量乘以2即得高温高压滤失量。在钻油气层时，高温高压滤失量不大于15mL。,第三节钻井液的性能,一、钻井液中的固相对钻井的影响1固相含量升高，钻速降低。2固相含量高，形成的滤饼厚，容易引起压差卡钻。3.固相含量高，对油气层损害严重。,第四节钻井液的固相控制,钻井液中固相含量，体积%,钻井液中固相含量，体积%,二、固相控制方法1大池子沉淀2清水稀释3替换部分钻井液4利用机械设备清除固相振动筛：清除0.5mm以上固相颗粒。旋流分离器：除砂器（74m以上颗粒）、除泥器（1074m颗粒）、超级分离器（510m）离心机：清除25m以上的颗粒和回收重晶石。5.聚合物絮凝剂功用：清除更细小的颗粒类型：（1）全絮凝剂聚丙烯酰胺（PAM）（2）选择性絮凝剂如水解聚丙烯酰胺只絮凝钻屑和劣质土，不絮凝膨润土。作用机理：吸附架桥形成团块。加量：固相饱和吸附量的二分之一。,第四节钻井液的固相控制,一、井塌的原因（1）地质因素异常高压的释放，钻遇破碎带和断层、微裂缝发育地层、煤层、高构造应力地层、膏盐层等。（2）工程因素大排量钻井液冲刷井壁，起下钻引起的压力激动，钻井液液柱压力低于井壁坍塌压力，钻井液侵泡时间长等。（3）泥页岩的水化膨胀泥页岩中的粘土矿物（蒙脱石）容易吸水膨胀和分散，造成井壁岩石强度降低，引起井壁不稳定。井壁不稳定主要是泥页岩的水化问题。,第五节井塌及防塌钻井液技术,二、防塌钻井液技术,第五节井塌及防塌钻井液技术,1钻井液中加入K+(KCl)、NH+4(NH4)2SO4)等无机阳离子防塌机理：抑制粘土水化膨胀,2钻井液中加入高聚物防塌机理：（1）高聚物在井壁上形成多点吸附，巩固井壁（2）高聚物分子的护胶和堵孔作用,3利用沥青类物质在井壁上起封堵作用沥青类物质亲水性弱，亲油性强，可有效地涂敷在井壁上上形成一层油膜。（1）减轻钻具与井壁的摩擦和钻具对井壁的冲击；（2）防止滤液向地层渗透。常用的封堵类防塌剂：磺化沥青、氧化沥青、植物渣油、磺化妥尔油沥青。,一、储层损害的主要原因及防止措施1外来流体中的固体颗粒对储层的损害在井内液柱压差的作用下，外来流体中粒径极小的固体颗粒(粘土、岩屑、加重材料等)在滤饼形成前会侵入储层，造成储层油气流通道堵塞，储层渗透性降低。防止措施：（1）实施屏蔽暂堵技术选择与储层孔喉直径相匹配的架桥粒子（如酸溶性超细碳酸钙、油溶树脂等，直径为储层平均孔径的1/22/3，加入量一般大于3。），再配用充填粒子（如磺化沥青、氧化沥青、石蜡、树脂等）封堵孔喉。（2）使用无固相清洁盐水做完井液,第六节保护油气层钻井完井液技术,2储层内部微粒运移造成的损害流体在油气层孔隙通道流动时，带动地层中的微粒移动，大于孔喉直径的微粒便被捕集而沉积下来，对孔喉造成堵塞，也可能几个微粒同时聚集在孔喉处形成桥堵。防止微粒运移的方法：（1）控制流体在地层内流速低于临界流速；（2）加入粘土微粒防运移剂，阳离子型聚合物和非离子型聚合物，通过静电引力或者化学键合力，将微粒桥接到地层表面，增强对粘土微粒的束缚力。,第六节保护油气层钻井完井液技术,3储层内粘土水化膨胀引起孔喉堵塞预防措施:（1）减少入井流体的滤夫量，提高滤液的矿化度（提高滤液的抑制性）（2）使用粘土防膨剂防膨机理分为三大类：1）减小粘土表面负电性。盐（KCl、NH4Cl）、阳离子聚合物、阳离型表面活性剂2）与粘土表面羟基作用，使粘土表面变为亲油性和增强晶层间联结。羟基氯代硅烷等。3）转变粘土矿物类型。如硅酸钾、氢氧化钾等可将蒙脱石转化为非膨胀型钾硅铝酸盐。,第六节保护油气层钻井完井液技术,4.流体的不配伍性对储层的损害流体的不配伍是指不同流体相遇后会产生沉淀物，这些沉淀物会堵塞储层孔隙喉道，造成储层损害。（1）入井流体彼此不配伍，如钻井液与水泥浆常不配伍，生成钙盐沉淀；（2）入井流体与地层水不配伍，如Ca2+与CO32相遇，生成白色碳酸钙沉淀；（3）入井流体造成储层原油乳化，生成油包水乳状液，粘度增大，引起渗透率降低。5.水锁效应油流中的水滴在通过狭窄的孔隙喉道时，孔喉两侧须有一定的压差水滴才能通过，否则孔喉就被水滴堵塞。油流中的水珠（柱）通过孔喉时产生附加油流阻力，称为水锁效应，也称为贾敏效应。,第六节保护油气层钻井完井液技术,二、完井液新井从钻开产层到正式投产前，由于作业需要而使用的任何接触产层的液体都称之为完井液。1无固相清洁盐水完井液水+可溶性盐类（调节密度）+聚合物（调节粘度）+缓蚀剂适合于要求无固相堵塞特别高（低渗）、或者要求完井液的抑制性特别强的油气层。2水包油完井液水（盐水）+油（原油或柴油）+乳化剂+增粘剂此完井液特别适用于技术套管下到油气层顶部的低压、裂缝发育、易发生漏失的油气层。3低膨润土聚合物完井液水+