钻井液工艺学绪论

钻井液工艺学

DrillingandCompletionFluids

第一章绪论本章要求掌握：※钻井液概念、功用、类型和组成。钻井液的性能及其测试。钻井液的开展概略。

目前，随着勘探开发的难度越来越大，投入的本钱越来越高。这种情势对石油工业提出了两个要求：一是技术提高，以满足越来越高的技术要求；正是在这种情况下，特殊工艺钻井技术应运而生。20世纪末，程度井技术、老井重钻技术、复杂构造井〔多分支井、三维多目的井〕钻井完井技术、高温高压井钻井技术、深井超深井钻井技术、延续管钻井技术、小井眼钻井技术、欠平衡井钻井技术以及油气田维护技术等在国外曾经成熟或正在发育成熟，并在21世纪发扬重要作用。二是要求降低本钱，顺应目前油价体系的需求。因此，提高钻井技术、降低钻井本钱成为第一位应该思索的问题。第一节钻井液的功用、类型和组成钻井液是指油气钻井过程中以其多种功能满足钻井任务需求的各种循环流体的总称。钻井液又称做钻井泥浆〔DrillingMuds)，或简称为泥浆(Muds)。钻井液工艺技术是油气钻井工程的重要组成部分。随着钻井难度的逐渐增大，该项技术在确保平安、优质、快速钻井中起着越来越重要的作用。钻井液循环过程见以下图：钻井液循环表示图5钻井液循环道路泥浆池泵高压管汇水龙带方钻杆钻杆钻铤钻头环空井口及振动筛固控设备6钻井液循环表示图CirculationSystem78一钻井液的功能钻井液最根本的功能有以下几点：1．携带和悬浮岩屑，冲洗井底携带和悬浮岩屑，冲洗井底是钻井液首要和最根本的功用。携带岩屑：经过钻井液的循环，将井底被钻头破碎的岩屑携至地面，以坚持井眼清洁，并保证钻头在井底一直接触和破碎新地层，不呵斥反复切削，坚持平安快速钻进。悬浮岩屑：在接单根、起下钻或因故停顿循环时，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发生。冲洗井底：钻井液在钻头水眼处构成高速液流，可将由于钻井液与地层压力差而被压持在井底的岩屑冲起，起到清洗井底作用。一钻井液的功能2．稳定井壁和平衡地层压力井壁稳定、井眼规那么是实现平安、优质、快速钻井的根本条件。井壁稳定：性能良好的钻井液应能借助于液相的滤失作用，在井壁上构成一层薄而韧的泥饼，以稳定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。平衡地层压力：在钻进过程中需经过不断调理钻井液密度，使液柱压力可以平衡地层压力，从而防止井塌和井喷等井下复杂情况的发生。4．传送水动力〔传送功率〕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。高压放射钻井正是利用了这一原理，即采用高泵压钻进，使钻井液所构成的高速射流对井底产生强大的冲击力，从而显著地提高了钻速。在运用涡轮钻具钻进时，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。一钻井液的功能5．获取井下信息钻井液携带至地面的岩屑，可以反映钻遇岩层的性质，协助判别地层层位以及地层物性。更重要的是经过对钻井液的表象察看，可以发现油气显示，协助分析能否钻遇油气层位。一钻井液的功能6、其他性能要求：必需与所钻遇的油气层相配伍，满足维护油气层的要求，尽量不损伤油气层浸透性，并有利于获取良好的岩样、岩芯和电测资料；要求钻井液具有较好的抗温、抗盐、抗钙镁才干；同时，对钻井人员及环境不发生损伤和污染，对井下工具及地面配备不腐蚀或尽能够减轻腐蚀；一钻井液的功能钻井液的主要作用〔简图〕携带、悬浮岩屑控制压力构成泥饼破岩、清岩维护油气层传送水功率二钻井液的类型随着钻井液工艺技术的不断开展，钻井液的种类越来越多。目前，国内外对钻井液有各种不同的分类方法。密度大小：非加重钻井液和加重钻井液。粘土水化作用：非抑制性钻井液和抑制性钻井液。固相含量：低固相钻井液与无固相钻井液。普通所指的分类方法是按钻井液中流体介质和体系的组成特点来进展分类的。根据流体介质水基钻井液油基钻井液气体型钻井液二钻井液的类型钻井液类型

钻井液体系液体气体气液混合物空气天然气废气油基钻井液水基钻井液充气钻井液(以液为主)泡沫钻井液(以气为主)普通油基油包水乳状液粗分散体系细分散体系不分散体系下面是在参考国外钻井液分类规范的根底上，在国内得到认可的各种钻井液类型：19二钻井液的类型1、分散钻井液〔DispersedDrillingFluids)：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置剂(简称为分散剂)配制而成的水基钻井液。各种盐水、钙处置泥浆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。气体钻井合成基钻井液是以合成的有机化合物作为延续相，盐水作为分散相，并含有乳化剂、降滤失剂、流型改良剂的一类新型钻井液。原油柴油为延续相钻井液油包水乳化钻井液其特点是密度低，钻速快，可有效维护油气层，并能有效防止并漏等复杂情况的发生。石膏、盐污染2．钻井液有什么作用？井壁稳定但另一方面，由于其配制本钱较高，以及运用时会对环境呵斥一定污染，因此使其运用遭到一定的限制。10．维护油气层钻井液(Drilling-inFluids)通常用钻井液滤液的PH值表示钻井液的酸碱性。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。2．钙处置钻井液(Calcium—treatedDrillingFluids)组成特点：体系中含有一定浓度的Ca2+和分散剂。Ca2+经过与钠膨润土发生离子交换，钠膨润土转变为钙膨润土，减弱水化程度。分散剂主要是防止Ca2+引起体系中的粘土颗粒絮凝过度并坚持在适度絮凝形状，保证钻井液具有良好的稳定性能。二钻井液的类型盐水钻井液是用盐水(或海水)配制而成的。在含盐量从1％(Cl-质量浓度为6000mg／L直至饱和(Cl-质量浓度为189000mg／L)之前的整个范围内都属于此种类型。盐水钻井液也是一类对粘土水化有较强抑制造用的钻井液。3．盐水钻井液(SaItwaterDrillingFluids)二钻井液的类型钻井液中Nacl含量到达饱和时的盐水钻井液体系。它可以用饱和盐水配成，亦可先配成钻井液再加盐至饱和。饱和盐水钻井液主要用于钻其它水基钻井液难以对付的大段岩盐层和复杂的盐膏层，也可作为完井液和修井液运用。4．饱和盐水钻井液(SaturatedSaItwaterDrillingFluids)二钻井液的类型聚合物钻井液是以某些具有絮凝和包被作用的高分子聚合物作为主处置剂的水基钻井液。这些聚合物可使钻井液中各种固相颗粒可坚持在较粗的粒度范围内。钻出的岩屑及时遭到包被维护而不易分散成微细颗粒。5．聚合物钻井液(PolymerDrilligFluids)二钻井液的类型以油(柴油或矿物油)为延续相的钻井液称做油基钻井液。油基钻井液主要特点是抗高温，抑制性强，抗盐、钙污染才干高，光滑性好，对油气层的损害小。因此，运用该类钻井液已成为钻探井、超深井、大位移井、程度井和各种复杂地层的重要手段之一。但另一方面，由于其配制本钱较高，以及运用时会对环境呵斥一定污染，因此使其运用遭到一定的限制。7．油基钻井液(0il—basedDrillingFluids)二钻井液的类型合成基钻井液是以合成的有机化合物作为延续相，盐水作为分散相，并含有乳化剂、降滤失剂、流型改良剂的一类新型钻井液。这类钻井液坚持了油基钻井液的各种优良特性，同时具有良好的环境友好性，尤其适用于海上钻井。8．合成基钻井液(SyntheticDrillingFluids)二钻井液的类型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，可有效维护油气层，并能有效防止并漏等复杂情况的发生。通常又将气体型钻井流体分为以下4种类型：1)空气或天然气钻井流体2)雾状钻井流体(3)泡沫钻井流体(4)充气钻井液9．气体型钻井流体(Gas—typedDrillgFluids)10．维护油气层钻井液(Drilling-inFluids)二钻井液的类型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，可有效维护油气层，并能有效防止并漏等复杂情况的发生。通常又将气体型钻井流体分为以下4种类型：1)空气或天然气钻井流体2)雾状钻井流体(3)泡沫钻井流体(4)充气钻井液9．气体型钻井流体(Gas—typedDrillgFluids)10．维护油气层钻井液(Drilling-inFluids)二钻井液的类型三钻井液的组成钻井液的组成分散相+分散介质+化学处置剂延续相+不延续相液相+固相+化学处置剂

三钻井液的组成水基钻井液：膨润土、水(或盐水)、各种处置剂、加重资料以及钻屑组成的多相分散体系。膨润土：提粘切、降滤失和造壁。水(或盐水)：作为流体介质，起分散携带钻井液处置剂以及岩屑作用。各种处置剂：调解钻井液性能，如降虑失性、流变性、造壁性等。加重材料：调解钻井液密度，平衡地层压力。岩屑：无用固相，应尽量去除。组分举例某种水基钻井液组分为：水+膨润土+处置剂100ml5g1g用组分表示的配方为：5%膨润土浆+1%处置剂配方表示的特点：用W/V百分数表示组分。不思索处置剂的体积。水基钻井液的典型组成油基钻井液：油〔矿物油、柴油等〕、水、乳化剂、润湿剂、亲油的固体处置剂(有机土、氧化沥青等)、加重资料等所构成的乳状液体系。矿物油、柴油、水：作为流体介质，起分散携带钻井液处置剂以及岩屑作用。外表活性剂：使钻井液流体介质构成稳定的乳状液体系。亲油的固体处置剂：添加钻井液密度，提高钻井液流变性能。加重资料：添加钻井液密度，平衡地层压力。钻井液的组成油基钻井液的典型组成钻井液密度钻井液流变性钻井液滤失造壁性钻井液的pH值和碱度钻井液的含砂量钻井液的固相含量钻井液膨润土含量钻井液滤液分析第二节钻井液的性能及其测试第二节钻井液性能及测试钻井液密度：合理的钻井液密度是确保平安、快速钻井和维护油气层的非常重要参数。调理钻井液密度作用：调理钻井液静液柱压力，以平衡地层孔隙压力。不适宜的钻井液密度带来的危害：密度过高，可引起钻井液过度增稠、易漏失、钻速下降、对油气层损害加剧和添加本钱等问题；密度过低，那么可发生井涌甚至井喷，或呵斥井塌、井径减少和携屑才干下降。因此，在钻井工程设计中，必需准确、合理地确定不同井段钻井液的密度范围，并在钻进过程中随时进展检测和调整。钻井液的流变性钻井液的流变性(RhcologicalProPertiesofDrillingF1uids)是指钻井液流动和变形的特性。该特性通常是由不同的流变方式及其参数来表征的，最常用的流变方式为宾汉和幂律方式。其中宾汉方式的参数为塑性粘度(PV)和动切力(YP)；幂律方式的参数为流性指数和稠度系数。此外，漏斗粘度、表现粘度和静切力等也是钻井液的重要流变参数。由于钻井液的流变性与携岩、井壁稳定、提高机械钻速和环空水力参数计算等一系列钻井任务亲密相关，因此它是钻井液最重要的性能之一。有关内容将在第三章中作详细讨论。钻井液的滤失造壁性钻头钻穿浸透性地层时,因钻井液的静液柱压力大于地层压力,钻井液中的液体在压差作用下向地层内浸透,这个过程称为钻井液的滤失性。在钻井液产生滤失的同时，在井壁外表构成一层固体颗粒胶结物—滤饼。滤饼构成过程是由较大颗粒将大孔堵塞一部分，然后次大的颗粒堵塞大颗粒之间的空隙，依次下去，孔越堵越小。所构成滤饼的浸透率比地层岩心的浸透率小几个数量级。构成的滤饼阻止滤液向地层浸透，同时又有稳定井壁作用。滤饼在井壁上构成过程称为造壁过程。滤失和造壁过程钻井液的PH值通常用钻井液滤液的PH值表示钻井液的酸碱性。由于酸碱性的强弱直接与钻井液中粘土颗粒的分散程度有关，因此会在很大程度上影响钻井液的粘度、切力和其它性能参数。以下图为经预水化的膨润土基浆的表观粘度随PH值得变化情况。钻井液的PH值在实践运用中，大多数钻井液的pH值要求控制在8—11之间，即维持一个较弱的碱性环境。这主要是由于有以下几方面的缘由：(1)可减轻对钻具的腐蚀。(3)可抑制钻井液中钙、镁盐的溶解；(4)有相当多的处置剂需在碱性介质中才干充分发扬其效能，如丹宁类、褐煤类和木质素磺酸盐等处置剂。(2)可预防因氢脆而引起的钻具和套管的损坏钻井液含砂量钻井液含砂量是指钻井液中不能经过200目筛网，即粒径大于74µm的砂粒占钻井液总体积的百分数。在现场运用该数值越小越好，普通要求控制在0.5％以下。钻井液固相含量钻井液固相含量通常用钻井液中全部固相的体积占钻井液总体积的百分数来表示，固相含量的高低以及这些固相颗粒的类型、尺寸和性质均对钻井时的井下平安、钻井速度及油气层损害程度等有直接的影响。因此，在钻井过程中必需对其进展有效的控制。第三节钻井液技术的开展1.初步构成时期——1888-1928年；2.快速开展时期——1928-1948年；3.高速开展时期——1948-1965年；4.科学化时期——1965年-如今。1.初步开展时期——自然造浆阶段〔1888-1928年〕主要处理问题：携带钻屑控制地层压力典型技术：水+钻屑+地面土运用重晶石、铁矿粉〔>1920年)高压放射钻井正是利用了这一原理，即采用高泵压钻进，使钻井液所构成的高速射流对井底产生强大的冲击力，从而显著地提高了钻速。(3)可抑制钻井液中钙、镁盐的溶解；胜利研制了一些钻井液处置剂；井壁稳定、井眼规那么是实现平安、优质、快速钻井的根本条件。不适宜的钻井液密度带来的危害：密度过高，可引起钻井液过度增稠、易漏失、钻速下降、对油气层损害加剧和添加本钱等问题；3．钻井液的有哪些类型？合成基钻井液是以合成的有机化合物作为延续相，盐水作为分散相，并含有乳化剂、降滤失剂、流型改良剂的一类新型钻井液。悬浮岩屑：在接单根、起下钻或因故停顿循环时，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发生。科学化时期——1965年-如今。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。钻井液携带至地面的岩屑，可以反映钻遇岩层的性质，协助判别地层层位以及地层物性。钻井液循环过程见以下图：盐水钻井液是用盐水(或海水)配制而成的。由于钻井液的流变性与携岩、井壁稳定、提高机械钻速和环空水力参数计算等一系列钻井任务亲密相关，因此它是钻井液最重要的性能之一。有关内容将在第三章中作详细讨论。2.快速开展时期——细分散泥浆阶段〔1928-1948年〕主要处理问题：泥浆性能的稳定井壁稳定典型技术：性能测定仪器研制出来运用膨润土、单宁、烧碱、褐煤3.高速开展阶段——粗分散泥浆阶段〔1948-1965年〕主要处理问题：石膏、盐污染温度影响典型技术：各种盐水、钙处置泥浆