泥浆工艺原理

1、泥浆工艺原理 钻井液的功用 清除井底钻屑并将其携带至地面 控制地层压力 冷却和润滑钻头、钻柱 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任何腐蚀 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。(粘土+水+化学处理剂) 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/有机搬土+处理剂) 气体：用高速气体或天然气清除钻屑 粘土胶体化学 典型粘土结构简介

2、高岭土、蒙脱石、伊利石、海泡石 粘土颗粒（片体）的双电层 粘土的水化作用 分散体系 分散体系：一种或几种物质分散在另一种物质中的混合体系。 分散相：在分散体系中被分散的物质。 分散介质：分散相颗粒所在的连续介质 按分散相颗粒的分散程度不同，分散体系可分为三类： 高岭石的晶体构造由一个硅氧四面体和一个铝氧8面体组成，硅氧四面体和铝氧八面体由共用的氧原子联结在一起。高岭石的片状结构中，一面为OH层，另一面为氧层，而OH键具有强的极性，片与片之间容易形成氢键，因而晶胞之间连接紧密，晶格底面距仅为（1A=10-8 cm），故高岭石的分散度较低。这种粘土矿物是比较稳定的，晶格中的离子取代现象几

3、乎是不存在的。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。 蒙脱石的每一构造单位由两层硅氧四面体和夹在它们中间的一层铝氧八面体组成。每个四面体顶端的氧都指向构造层的中央，而与八面体所共有。四面体层中的部分Si+4可被Al+3取代，八面体层中的Al+3可被Fe+2、Mg+2、Zn+2等阳离子取代。由于Al+3 ÕSi+4和Mg+2 ÕAl+3的取代，晶体带负电，能吸附较多的阳离子，有较强的离子交换能力。同时晶胞间靠微弱的分子间力连接，晶胞连接不紧密，水分子容易进入两个晶胞之间发生膨胀（全脱水时晶格间距为，吸

4、水后可达），水化分散性能较好（造浆能力强），是制配泥浆的优质材料。 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送层的孔穴中，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。 海泡石是铝和镁的水硅酸盐，其晶体构造常为纤维状。颗粒形状不是片状而是棒状，含有较多的吸附水，内有较高的热稳定性，它在淡水和饱和盐水中的水化膨胀情况几乎一样（良好的抗盐性）。因此，它是配制深井泥浆的好材料。 粘土-水界面的扩散双电层理论 双电层中的反离子，一方面受到固面电荷的吸引，

5、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。 粘土颗粒（片体）表面的双电层 蒙脱石 晶格取代：在蒙脱石的晶格里，四面体层中的部分Si+4被A1+3取代，八面体层中的A1+3与Mg+2取代，使粘土表面吸附Na+、Ca+2、Li+等），当蒙脱石放在水中，吸附的阳离子向水中扩散，使蒙脱石表面带负电。 吸附OH-、含阴离子基团的有机处理剂 高岭石 晶格表面有裸露的Al-OH，在碱性介质里H+部分电离使粘土表面带负电。 吸附,含阳离子基团的有机处理剂。 高岭石无晶格取代。 粘土颗粒（片体）端部表面的双电层

6、晶格中铝氧八面体和硅氧四面体原来的键断开，在酸性介质里铝氧八面体端部表面是以铝离子作为定势离子，带正电。在碱性环境里，以氢氧离子作为定势离子，带负电。阳离子交换容量 在PH值为7的条件下，粘土所能吸附的阳离子总量。 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 粘土的水化作用 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。 粘土水化作用产生的原因及其方式 粘土表面直接吸引水分子而水化 体系表面能的降低 粘土表面带负电而吸附水分子 晶格里的氧和氢氧层，均可以与水分子形成氢键而吸引

7、水分子。 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。 影响水化作用的因素 不同的交换性阳离子对粘土水化的影响Ca2+  max17A,   Na+  max40A 粘土矿物本性对水化的影响蒙脱石、伊利石、高岭石 泥浆中可容性盐类及泥浆处理剂的影响 可容性盐类，减低zx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。粘土水胶质悬浮体的聚结作用（凝胶） 聚结（Aggregation）面面：颗粒变大，分散度降低，不利于网架的形成，粘度下降。 凝胶（Flocculation）边边

8、边面：形成网架结构，网架结构增强，引起粘度切力增加。 形成胶凝的强度，主要取决于单位体积中网架结构的数目和每个网架结构的强度。 泥浆的流变性 泥浆流变性是泥浆流动和变形的特性。如泥浆的塑性粘度、动切力、表现粘度、切力和触变性等性能都属流变性。 泥浆的流变性影响钻速、泵压、排量，岩屑的携带与悬浮、水泥浆的流变性影响固井质量。 剪切应力与剪切速率 剪切应力：液体流动过程中，单位面积上抵抗流动的内摩力。 剪切速率：在垂直于流动方向上单位距离内流速的增量对于牛顿流体。 对于牛顿流体，剪切应力与剪切速率成正比。 流变参数分析：粘度 粘度：泥浆流动时，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

9、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 剪切稀释特性 定义：表现粘度随剪切速率增大而降低的现象 h塑越低，t0越高，即t0h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。 t0 /h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。 漏斗粘度 用漏斗粘度计测得的一定体积流体500ml泥浆所经历的时间。单位为秒。漏斗粘度与

10、泥浆的塑性粘度、屈服值、以及仪器的尺寸和形状有关。 静切力、动切力 泥浆的切力是指静切力，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下的数目和单个链环的强度。 动切力：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 泥浆的触变性：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。 触变性的表示：10秒钟切力（初切）、10分钟切力（终切）钻井工艺要求泥浆具有良好的触变性，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。 对钻井液流变性的一般要求 对于非加重钻井液 塑性粘度（

11、动切力（ 流型指数： 卡森动切力 极限高剪粘度：  流变参数的调整 降低PV：通过合理使用固相设备、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+，可使其沉淀。 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

12、基本相同。 岩屑携带问题 钻屑在井筒内和运移过程 层流：尖锋型层流的缺点 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 平板层流的优点： 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。激动压力 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 钻头现钻柱的泥包程度 环形空间的间隙、井深 泥浆性能（粘度、切力） 泥浆的失水和造壁性 失水：泥浆中的自由水在压差的作用下向具有孔隙的地层渗透的现象 泥饼：泥浆中水分进入

13、地层，粘土颗粒附着在井壁上，形成泥饼。 失水过程 泥浆水=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，泥浆建立、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。 泥浆失水与造饼性与钻井的关系 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

14、，固井时不利用水泥与井壁的胶结 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。具体措施如下： 使用搬土，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。 钻井液体系的分类 天然钻井液 分散钻井液 钙处理钻井液 聚合物钻井液 低固相钻井液 盐水钻井液 修井完井液 油基钻井液 气体类钻井液 分

15、散钻井液体系 组成：水+膨润土+分散剂 处理剂： 对粘土和钻屑起分散作用分散剂，如降粘作用的聚磷酸盐、单宁碱液、铁锘木质素黄酸盐、褐煤。降滤失作用的CMC和聚阴离子纤维素。NaOH. 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。 耐温能力强。 缺点： 固相含量高，粘度、切力较大，机械钻速低 对可溶性盐类较敏感，易受其污染。 滤液为淡水、容易引起水敏性泥页岩垮踏，污染产层。 钙处理泥浆 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+

16、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。钙处理泥浆的关键是泥浆中的颗粒处于适度絮凝状态，使泥浆具有适宜粘度、切力和失水。 石灰钻井液 PH:11-12 Ca2+:120-200ml/l 悬浮石灰：3000-6000mg/l 石膏钻井液 PH:9.5-10.5 Ca2+:600-1200ml/l 悬浮石灰：6000-12000mg/l CaCl2钻井液盐水钻井液 用盐水配制而成，含盐量从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

17、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，容易被清楚。 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的水化 饱和盐水钻井液钻井液中NaCl含量达到饱和时的盐水钻井液体系。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。不分散聚合物钻井液体系 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

18、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。 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，有利于保护井壁。 对产层的损害小。聚合物的主要作用机理 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。 影响因素：分子量大小、分子链中的基团（吸附基、水化基）、水解度。 包被作用抑制页岩分散的作用。 成网能力 聚合物以链束和链团存在 聚合物吸附粘土，并将粘土包被起来（降滤失、增粘 一条聚合物

19、吸附多个粒子，形成链桥（降滤失、增粘 若几个聚合物链束同时吸附一个粘土粒子，或包裹粘土的聚合物链束又彼此连接，则形成空间网架。（分散体系、剪切稀释特性） 在此空间网架结构中，大量空间被束缚水占据，若此网架结构过强，则将这些束缚水挤出，造成水土分离。（絮凝作用） 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 不分散低固相聚合物

20、钻井液 不分散聚合物加重钻井液 两性复合离子聚合物钻井液体系 阳离子聚合物钻井液体系 两性复合离子聚合物 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h¥也有所降低，下降的越多越好。 能增强而不是削弱体系的抑制能力。 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%）% 是线性两性复合离子聚合物。 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。 主要用作： 增粘剂 絮凝剂 降失

21、水剂 页岩稳定剂 压裂液添加剂 降粘剂聚合物的失水控制 泥饼渗透性受聚合物类型，加量及分子量大小的影响聚合物使失水减小，主要有以下几个原因： 卷曲的长形成塞状结构，易形成致密泥饼。 通过颗粒吸附，在粘土颗粒表面形成聚合物吸附层。 聚合物堵塞泥饼中的孔聚合物的提粘剂 聚合物提粘度有两种方式： 单独或与其它的物质共同作用使粘度提高。 聚合物与膨润土发生反应 聚合物与水作用会膨胀并展开，从而使粘度提高，另外聚合物与泥浆中的加重剂、钻屑、粘土结合而使粘度提高。 聚合物的防塌作用 防塌作用 与防塌泥浆体系联合使用，聚合物起稳定井壁的作用，主要是由于聚合物吸附在粘土层带正电荷的端部处，虽然粘土仍然可以吸附

22、水，但量大大减少。 聚合物的絮凝作用 全部絮凝在泥浆出口管线处加入聚合物，使泥浆中的有害固相在沉淀池中分离出来，这样，下次循环时，可以净化钻井液。 选择性絮凝使钻井液中的固相絮凝而非沉淀。 泥浆组成和性能对钻速的影响 比重和液柱压力 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。 粘度 粘度越高，钻速越慢 粘度越高，循环压耗越大，钻头水压力相应减小， 紊流减阻作用t0/h塑增大，喷咀粘度减小，当喷嘴粘度接近于0时，钻速最高。 失水量 泥浆失水量大，钻速较快失水影响钻还与粘度有关，且影响钻速的失水是井底最初的瞬时失水。失水进入裂缝减小压持效应及降低岩石强度。 固相含量和类型 固相

23、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。 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：d<2mm 泥： 2mm< d<74mm 砂：d>74 mm 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，

24、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 钻井液中的重要处理剂 加重材料 作用：提高钻井液密度以控制地层压力 重晶石（BaSO4),密度 铁矿物 氧化铁：密度，菱铁矿：密度 钛铁矿：，方铅矿： PH值 与粘土颗粒的分散程度有关，影响钻井液的粘土和其它性能参数。 PH的要求：弱碱性，这是因为： 保持适度分散 可减轻对钻具的腐蚀 可抑制钻井液中Ca2+、Mg2+盐的溶解 可预防钻具的氢脆破坏 许多有机处理剂在碱性环境中才能起作用 PH值调节剂：烧碱、纯碱、石灰。 降失水剂 改善泥饼质量 常用处理剂 膨润土：一般水基钻井液 淀粉：易发酵主要用于低温 纤维素类：主要产生品有CMC和HEC等 合成聚合物类： 分散剂：丹宁碱液、褐煤、黄酸盐 乳化原油或柴油 沥青类产品 复杂情况处理（井漏） 井漏的类型 渗透性漏失 多发生在渗透性良好的砂岩、砂砾岩。一般漏失量较小，漏速慢。 裂缝性漏失 天然裂缝：碳酸岩、白云岩、裂缝性砂岩 人为裂缝：井内压力过大使结合力较弱的层面产生裂缝 其漏失速度视裂缝性大小而定。 溶洞漏失石灰岩、白云岩 堵漏方法 起钻静止（深井） 降低比重，适当