钻井工程-4-钻井液

钻井液,中国石油大学（北京）2011年9月16日,钻井工程,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,主要内容,一、钻井液的定义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。洗井液钻井泥浆钻井液气体钻井？,第一节钻井液的定义和功用,二、钻井液的功用（循环过程见图）1携岩2冷却和润滑钻头及钻柱3造壁，维持井壁稳定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,第一节钻井液的定义和功用,钻井液的流动路径,(开始)钻井液池(泥浆池)钻井泵地面高压管汇立管水龙带水龙头方钻杆钻杆钻铤钻头环空导管高架泥浆槽振动筛除砂器/除泥器钻井液池(泥浆池),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：人为加入的商业膨润土（般土）、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：钻屑和加重材料。(4)各种钻井液添加剂:增粘、稀释、降失水、PH值、防塌等。,第二节钻井液的组成和分类,二、钻井液的分类API和IADC分类：(1)不分散体系开钻用钻井液、天然钻井液(自然造浆而成)、及轻处理钻井液;用于浅层钻进(2)分散体系水+膨润土+分散剂（铁络木质素黄酸盐等);用于深井或复杂井。(3)钙处理体系水基钻井液+钙盐（石灰、石膏、氯化钙)，特点：抑制粘土、页岩膨胀。,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、PHP)特点：增粘，降失水，稳定性能。(5)低固相体系总固相含量6%10%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。特点：提高钻速，减少对产层的伤害。,第二节钻井液的组成和分类,（6）饱和盐水体系氯离子含量达189g/L的水基钻井液。特点：抗盐侵，抑制粘土水化。海上钻井、钻盐岩层和泥页岩层。（7）完井修井液体系水+盐+聚合物等；油基钻井液。特点：低密度、无固相、抑制粘土膨胀、低滤失，保护油气层。,第二节钻井液的组成和分类,（8）油基钻井液体系油包水乳化钻井液：油+水+乳化剂油基钻井液：柴油+氧化沥青、有机酸、碱。特点：耐高温、保护油气层、防止水敏性地层吸水膨胀。摩阻小，用于大位移水平井，或特别复杂层段。,第二节钻井液的组成和分类,（9）空气、雾、泡沫和气体体系欠平衡压力钻井。特点：提高钻速，保护油气层。适用于低压油气层、易漏的裂缝性油气层、低渗透油气层等。井壁应比较稳定的地层。,第二节钻井液的组成和分类,一、钻井液的密度,第三节钻井液的性能,1.对密度的要求,调节井内钻井液的静液柱压力,平衡岩石侧向压力，维持井壁稳定，防塌。,平衡地层压力，避免发生井喷及井涌等事故,钻井液密度不能太高，也不能太低，也合适。,第三节钻井液的性能,2.调整钻井液密度的方法,流变性：粘度和切力等随流速变化的性能。包括静切力、动切力、表观粘度、塑性粘度、流性指数、稠度系数等参数。(一)液体的基本流型流速梯度(剪切速率)：钻井液在钻柱和环空内流动时，速度分布不均匀，中心处流速大，向外流速减小。,二、钻井液的流变性能及调整(RheologicalPropertiesofDrillingFluids),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。,根据液体流动时剪应力与流速梯度的关系，将液体流动分为四种流型：1.牛顿流型：2.塑性流型：3.假塑性流型（n1)：,1.静切力（静切应力）(GelStrength)所加切应力达到某一最低s之后才开始流动，这个最低切应力称为静切应力。又称凝胶强度。,(二)塑性流型的特点,它代表了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。,塑性流体其流变曲线为不通过原点O的一条直线，它表示这种流体具有一定的颗粒浓度，在静止状态下形成颗粒之间的内部结构，加外力进行剪切时，要破坏结构后才能开始流动。例如，泥浆中粘土颗粒的形状很不规则，表面性质也很不均匀，因此颗粒之间容易彼此粘结，形成网状结构。倘若颗粒的浓度足够大，网状结构能够在泥浆中布满整个空间，那么要使这种泥浆发生流动，就必须在一定程度上破坏这种连续结构。,静切力产生原因,2.动切应力（屈服值）(YieldPoint)当切应力继续增大，流变曲线出现直线段，延长该直线与切应力轴相交于0，称为动切应力或屈服值。,它是钻井液处于层流状态时钻井液中网状结构强度的量度。0表示此流体运动时结构的存在及其数值的大小。,1.静切力（静切应力）(GelStrength)使钻井液开始流动所需的最低切应力，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：无机盐（改变粘土颗粒间静电力）、降粘剂或增粘剂。,（三）塑性流型的流变参数及调整,2.动切应力（屈服值）(YieldPoint)流变曲线直线段的延长线与切应力轴交点的应力大小。反映在层流状态下粘土颗粒之间及高聚物分子之间的相互作用力（形成空间网状结构之力）的大小。调整方法：同静切力。,3.塑性粘度(PlasticViscosity)pv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。调整方法：降低固相含量、加稀释剂降粘；加高聚物增粘剂等提粘。,4.表观粘度（视粘度或有效粘度）(ApparentViscosity)它是在某一流速梯度下剪切应力与相应流速梯度的比值，即：,表观粘度：塑性粘度与结构粘度之和，它反映两者的总的粘滞作用，是“总粘度”的意思。,5、动塑比动切力与塑性粘度之比，反映了钻井液结构强度与塑性粘度的比例关系。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，泵压高。理想值：=0.360.48。,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，随剪切速率增加而变稀(剪切稀释特性)；n1，膨胀型流体，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。,（三）假塑性流型和膨胀流型的流变参数,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。,（四）流变参数的测定,仪器：六速旋转粘度计1静切力初切力（10s切力）：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0511即得初切力(Pa)。终切力（10min切力）：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0511，即得终切力(Pa)。2.动切力(屈服值)：,漏斗粘度计,ZNN型旋转粘度计,动力部分双速同步电机、电源变速部分可变六速（转/分）36100200300600测量部分扭力弹簧、刻度盘与内外筒组成测量系统。,旋转粘度计实物与局部放大图,表观粘度：塑性粘度：流性指数：稠度系数：,3.粘度、流性指数及粘度系数,（一）滤失和造壁过程钻井液中的液体(刚开始也有钻井液)在压差的作用下向地层内渗滤的过程称为钻井液的滤失。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。,三、钻井液的造壁性能及滤失量,（二）几种不同的滤失情况1.瞬时滤失在钻头破碎岩石形成新的井眼而滤饼尚未形成的一段时间内，钻井液迅速向地层渗滤，此时的滤失称为瞬时滤失。瞬时滤失量有利于提高钻速，但严重损害油气层。,2.动滤失在已形成的井眼内，随着钻井液的渗滤，在井壁上形成一层滤饼，并不断增厚、密实。同时，形成的滤饼又受到钻井液的冲刷和钻柱的碰撞、刮挤而遭到破坏。最终，滤饼形成速度等于破坏速度而达到平衡，此时滤饼厚度不变，滤失速率也保持不变。,这种钻井液在井内循环流动时的滤失过程称为动滤失。影响滤失量的因素：地层、压差、固相类型和含量、粘度、流态。3静滤失钻井液在停止循环时的滤失过程称为静滤失。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。影响滤失量的因素：滤失时间、压差、温度、固相含量及类型、滤饼渗透率。,静失水,动失水,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。,（三）滤失量的测量和要求,2.高温高压滤失量在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。控制滤失量的最好方法用降滤失剂降低滤饼的渗透性。,（三）滤失量的测量和要求,常用降滤失剂：Na-CMC（羧甲基纤维素钠盐）SMP（磺化酚醛树脂）NH4（Na、Ca）HPAN（水解聚丙烯睛胺、钠、钙盐）降滤失剂作用机理：1护胶作用一方面能吸附在粘土颗粒表面形成吸附层，以阻止粘土颗粒絮凝变粗；,（四）滤失量的控制,另一方面能把在钻井液循环搅拌作用下所拆散的细颗粒吸附在分子链上，不再粘结成大颗粒，而形成薄而韧的泥饼，称之为降滤失剂的护胶作用。2增加钻井液中粘土颗粒的水化膜厚度，降低滤失量降滤失剂吸附于钻井液中的粘土颗粒上，使粘土颗粒周围的水化膜增厚，形成的滤饼在压差作用下容易变形，滤饼的渗透率降低。3提高滤液粘度，降低滤失量滤失量与滤液粘度的二分之一次方成正比。4降滤失剂分子本身的堵孔作用,第四节钻井液的固相控制,一、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。,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、除泥器1074m；超级分离器：510m;离心机：清除25m以上的颗粒和回收重晶石。,二、固相控制方法,功用：清除更细小的颗粒类型：全絮凝剂聚丙烯酰胺（PAM）选择性絮凝剂只絮凝钻屑和劣质土，不絮凝膨润土。如水解聚丙烯酰胺（PHP）。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。,5.聚合物絮凝剂,一、井塌的原因（1）地质因素异常高压的释放，钻遇破碎带、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，钻井液液柱压力低于井壁坍塌压力，钻井液侵泡时间长等。,第五节井塌及防塌措施,（3）泥页岩的水化膨胀泥页岩中的粘土矿物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。,1钻井液中加入K+、NH+4等无机阳离子（1）K+的固定作用K+进入晶层之间并嵌入到相邻两层硅氧四面体氧原子组成的六角环中，把带负电荷的粘土晶片紧紧联结在一起，阻止水化膨胀。,二、防塌措施,K+离子的未水化直径（0.266nm）比Na+离子未水化直径（0.19nm）大，而K+离子水化半径比Na+离子水化半径小，因而K+离子水化能(322Jmol)比Na+离子的水化能(406Jmol)低，水化膜薄。当它进入粘土的层间，既减少粘土的水化，又增加粘土层间的吸引力。,（2）K+的水化较弱，抑制粘土水化膨胀。,（3）使粘土颗粒的扩散双电层变薄，利于有机处理剂分子在粘土上的吸附。,K+等电解质的加入，使粘土颗粒的电位降低，扩散双电层变薄，有利于各种有机处理剂分子的吸附（非极性容易吸附非极性），提高处理剂的使用效果。,（1）高聚物在井壁上形成多点吸附，巩固井壁高聚物三种吸附方式：单点吸附、环轨尾吸附、多点吸附;常用的高聚物：聚丙烯酰胺(PAM)、部分水解聚丙烯酰胺(PHP)、阳离子聚丙烯酰胺、各种阳离子聚合物、两性离子聚合物FA367等。（2）高聚物分子的护胶和堵孔作用,2加入高聚物,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。,3利用沥青类物质在井壁上起封堵作用,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。,第六节油气层保护及完井液,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,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。,2储层内部微粒运移造成的损害,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）粘土防膨剂，防膨机理分为三大类：减小粘土表面负电性：盐（KCl、NH4Cl）、阳离子聚合物、阳离子型表面活性剂；,3储层内粘土水化膨胀引起孔喉堵塞,使粘土表面羟基化：变粘土表面为亲油性和增强晶层间联结。羟基氯代硅烷等。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。,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。,4.流体的不配伍性对储层的损害,油流中的水滴在通过狭