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第三章鉆井工程理論與技術(shù)演示文稿當(dāng)前1頁,總共36頁。優(yōu)選第三章鉆井工程理論與技術(shù)當(dāng)前2頁,總共36頁。
一、鉆井液的組成
(1)液相:液相是鉆井液的連續(xù)相,水或油。
(2)活性固相:包括人為加入的商業(yè)膨潤(rùn)土(般土)、有機(jī)膨潤(rùn)土(油基鉆井液用)和地層進(jìn)入的造漿粘土。
(3)惰性固相:惰性固相是鉆屑和加重材料。
(4)各種鉆井液添加劑:
增粘、稀釋、降失水、PH值、防塌等。第二節(jié)鉆井液的組成和分類當(dāng)前3頁,總共36頁。二、鉆井液的分類
API和IADC分類:
(1)不分散體系——
膨潤(rùn)土+清水;天然鉆井液(自然造漿而成),淺層鉆進(jìn)。
(2)分散體系——
水+膨潤(rùn)土+分散劑(鐵絡(luò)木質(zhì)素黃酸鹽等),深井或復(fù)雜井。
(3)鈣處理體系——
水基鉆井液+鈣鹽(石灰、石膏、氯化鈣),抑制粘土膨脹。(4)聚合物體系——水基鉆井液+高聚物(聚丙烯酰胺PAM、PHP),絮凝劣質(zhì)土,抑制粘土分散。當(dāng)前4頁,總共36頁。
(5)低固相體系——總固相含量6%-10%的水基鉆井液.其中,膨潤(rùn)土含量小于3%,鉆屑與膨潤(rùn)土的比值小于2∶1。
特點(diǎn):提高鉆速,減少對(duì)產(chǎn)層的傷害。
(6)飽和鹽水體系——氯離子含量達(dá)189g/L的水基鉆井液。
特點(diǎn):抗鹽侵,抑制粘土水化。海上鉆井、鉆鹽巖層和泥頁鹽層。
(7)修井完井液體系——
水+鹽+聚合物等;油基鉆井液。
特點(diǎn):低密度、無固相、抑制粘土膨脹、低濾失,保護(hù)油氣層。當(dāng)前5頁,總共36頁。(8)油基鉆井液體系—油包水乳化鉆井液:油+水+乳化劑油基鉆井液:柴油+氧化瀝青、有機(jī)酸、堿
特點(diǎn):耐高溫、保護(hù)油氣層、防止水敏性地層吸水膨脹。
摩阻小,用于大位移水平井,或特出復(fù)雜層段。
(9)空氣、霧、泡沫和氣體體系——欠平衡壓力鉆井。
特點(diǎn):提高鉆速,保護(hù)油氣層。適用于低壓油氣層、易漏的裂縫性油氣層、低滲透油氣層等。井壁應(yīng)比較穩(wěn)定的地層。
當(dāng)前6頁,總共36頁。一、鉆井液的密度
鉆井液的密度指單位體積鉆井液的質(zhì)量。
加重劑:碳酸鈣、重晶石、鈦鐵礦粉。
二、鉆井液的流變性能
粘度和切力隨流速變化的性能。包括靜切力、動(dòng)切力、表觀粘度、塑性粘度、流性指數(shù)、稠度系數(shù)等參數(shù)。
第三節(jié)鉆井液的性能當(dāng)前7頁,總共36頁。
根據(jù)液體流動(dòng)時(shí)剪應(yīng)力與流速梯度的關(guān)系,將液體流動(dòng)分為四種流型:
牛頓流型:
塑性流型:假塑性流型(n<1)
膨脹流型
(n>1)(一)液體的基本流型
鉆井液在鉆柱和環(huán)空內(nèi)流動(dòng)時(shí),速度分布不均勻,中心處流速大,向外流速減小——流速梯度(剪切速率):?jiǎn)挝痪嚯x內(nèi)流速的增量稱為流速梯度。
當(dāng)前8頁,總共36頁。1.塑性流型的特點(diǎn)
(1)所加切應(yīng)力達(dá)到某一最低τs之后才開始流動(dòng),這個(gè)最低切應(yīng)力稱為靜切應(yīng)力。又稱凝膠強(qiáng)度。
它代表了鉆井液靜止時(shí)單位面積上所形成的連續(xù)空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。
(2)當(dāng)切應(yīng)力繼續(xù)增大,流變曲線出現(xiàn)直線段,延長(zhǎng)該直線與切應(yīng)力軸相交于τ0,稱為動(dòng)切應(yīng)力或屈服值。
是鉆井液處于層流狀態(tài)時(shí)鉆井液中網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的量度。當(dāng)前9頁,總共36頁。(二)塑性流型的流變參數(shù)及調(diào)整
1.靜切力(靜切應(yīng)力)
使鉆井液開始流動(dòng)所需的最低切應(yīng)力,它是鉆井液靜止時(shí)單位面積上所形成的連續(xù)空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的量度。它反映了鉆井液觸變性的好壞。
調(diào)整方法:無機(jī)鹽(改變粘土顆粒間靜電力)、降粘劑或增粘劑。
2.動(dòng)切應(yīng)力(屈服值)
流變曲線直線段的延長(zhǎng)線與切應(yīng)力軸交點(diǎn)的應(yīng)力大小。
反映在層流狀態(tài)下粘土顆粒之間及高聚物分子之間的相互作用力(形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)之力)的大小。
調(diào)整方法同靜切力。當(dāng)前10頁,總共36頁。3.塑性粘度
μpv
塑性粘度是塑性流體流變曲線直線段斜率的倒數(shù),即:
它是鉆井液流動(dòng)時(shí)固相顆粒之間、固相顆粒與周圍液相間以及液相分子間的內(nèi)摩擦作用的總反映。它反映了液體粘滯力的大小。
調(diào)整方法:降低固相含量、加稀釋劑降粘;
加高聚物增粘劑等提粘。
當(dāng)前11頁,總共36頁。4.表觀粘度(視粘度或有效粘度)
它是在某一流速梯度下剪切應(yīng)力與相應(yīng)流速梯度的比值,即:
表觀粘度等于塑性粘度與結(jié)構(gòu)粘度之和,它反映兩者的總的粘滯作用,是“總粘度”的意思。當(dāng)前12頁,總共36頁。5、動(dòng)塑比
動(dòng)切力與塑性粘度之比,反映了鉆井液結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與塑性粘度的比例關(guān)系。動(dòng)塑比大,流動(dòng)過水?dāng)嗝孑^平緩,剪切稀釋能力強(qiáng),但流動(dòng)阻力大,泵壓高。
理想值:
=0.36~0.48。 當(dāng)前13頁,總共36頁。(三)假塑性流型和膨脹流型的流變參數(shù)
2.稠度系數(shù)k
為流體在
1s-1流速梯度下的粘度。k值越大,粘度越大。n<1,假塑性流體,隨剪切速率增加而變稀
n>1,膨脹型流體,隨剪切速率增加而變稠。n值影響鉆井液的攜巖效果和剪切稀釋特性。理想值:n=0.4~0.7
1.流性指數(shù)n
表示流體在一定流速范圍內(nèi)的非牛頓性程度。當(dāng)前14頁,總共36頁。
(四)流變參數(shù)的測(cè)定
儀器:六速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)1.靜切力
初切力(10s切力):將鉆井液在600r/min下攪拌10s,靜置10s后測(cè)得3r/min下的表盤讀數(shù),該讀數(shù)乘以0.511即得初切力(Pa)。
終切力(10min切力):將鉆井液在600r/min下攪拌10s,靜置10min后再測(cè)得3r/min下的表盤讀數(shù),該讀數(shù)乘以0.511,即得終切力(Pa)。2.動(dòng)切力(屈服值):
當(dāng)前15頁,總共36頁。
3.粘度、流性指數(shù)及粘度系數(shù)
流型指數(shù):
塑性粘度:
表觀粘度:
稠度系數(shù):當(dāng)前16頁,總共36頁。
三、鉆井液的造壁性能及濾失量(一)濾失和造壁過程鉆井液中的液體(剛開始也有鉆井液)在壓差的作用下向地層內(nèi)滲濾的過程稱為鉆井液的濾失。鉆井液中的固相顆粒附著在井壁上形成濾餅的過程稱為造壁過程。
當(dāng)前17頁,總共36頁。(二)幾種不同的濾失情況1.瞬時(shí)濾失
在鉆頭破碎巖石形成新的井眼而濾餅尚未形成的一段時(shí)間內(nèi),鉆井液迅速向地層滲濾,此時(shí)的濾失稱為瞬時(shí)濾失。瞬時(shí)濾失量有利于提高鉆速,但嚴(yán)重?fù)p害油氣層。
2.動(dòng)濾失
在已形成的井眼內(nèi),隨著鉆井液的滲濾,在井壁上形成一層濾餅,并不斷增厚、密實(shí)。同時(shí),形成的濾餅又受到鉆井液的沖刷和鉆柱的碰撞、刮擠而遭到破壞。最終,濾餅形成速度等于破壞速度而達(dá)到平衡,此時(shí)濾餅厚度不變,濾失速率也保持不變。這種鉆井液在井內(nèi)循環(huán)流動(dòng)時(shí)的濾失過程稱為動(dòng)濾失。
3.靜濾失
鉆井液在停止循環(huán)時(shí)的濾失過程稱為靜濾失。隨著濾失過程的進(jìn)行,濾餅逐漸增厚,濾失阻力逐漸增大,濾失速率逐漸減小。
影響濾失量的因素:
濾失時(shí)間、壓差、溫度、固相含量及類型、濾餅滲透率。
當(dāng)前18頁,總共36頁。(三)濾失量的控制
控制濾失量的最好方法——用降濾失劑降低濾餅的滲透性。1、常用降濾失劑:
Na-CMC(羧甲基纖維素鈉鹽)
SMP(磺化酚醛樹脂)
NH4(Na、Ca)HPAN(水解聚丙烯睛胺、鈉、鈣鹽)
當(dāng)前19頁,總共36頁。2、降濾失劑作用機(jī)理:
(1)護(hù)膠作用
一方面能吸附在粘土顆粒表面形成吸附層,以阻止粘土顆粒絮凝變粗;另一方面能把在鉆井液循環(huán)攪拌作用下所拆散的細(xì)顆粒吸附在分子鏈上,不再粘結(jié)成大顆粒,而形成薄而韌的泥餅,稱之為降濾失劑的護(hù)膠作用。
(2)增加鉆井液中粘土顆粒的水化膜厚度,降低濾失量降濾失劑吸附于鉆井液中的粘土顆粒上,使粘土顆粒周圍的水化膜增厚,形成的濾餅在壓差作用下容易變形,濾餅的滲透率降低。
(3)提高濾液粘度,降低濾失量濾失量與濾液粘度的二分之一次方成正比。
(4)降濾失劑分子本身的堵孔作用當(dāng)前20頁,總共36頁。
(四)濾失量的測(cè)量和要求1.靜濾失量(API濾失量)
用API濾失量?jī)x在常溫、0.7MPa壓差下測(cè)量30min所得的濾液體(mL)。
要求:上部地層和堅(jiān)固地層,濾失量可放寬;
水敏性易坍塌地層,濾失量要低;
油氣層,濾失量不能高于5mL。
2.高溫高壓濾失量
在150℃溫度、3.5MPa壓差下測(cè)量30min所得的濾失量乘以2,
即得高溫高壓濾失量。
在鉆油氣層時(shí),高溫高壓濾失量不大于15mL。
當(dāng)前21頁,總共36頁。一、固相對(duì)鉆井的影響
1.固相含量升高,鉆速降低;
2.固相含量高,形成的濾餅厚,容易引起壓差卡鉆。
3.固相含量高,對(duì)油氣層損害嚴(yán)重。第四節(jié)鉆井液的固相控制當(dāng)前22頁,總共36頁。
二、固相控制方法
1.大池子沉淀
2.清水稀釋
3.替換部分鉆井液
4.利用機(jī)械設(shè)備清除固相
振動(dòng)篩:清除0.5mm以上固相顆粒。
旋流分離器:除砂器>74μm、除泥器10-74μm;
超級(jí)分離器:5-10μm;
離心機(jī):清除2~5μm以上的顆粒和回收重晶石。
當(dāng)前23頁,總共36頁。5.聚合物絮凝劑
功用:清除更細(xì)小的顆粒
類型:全絮凝劑—聚丙烯酰胺(PAM)
選擇性絮凝劑—只絮凝鉆屑和劣質(zhì)土,不絮凝膨潤(rùn)土。如水解聚丙烯酰胺(PHP)。
作用機(jī)理:吸附→架橋→形成團(tuán)塊。
加量:固相飽和吸附量的二分之一。當(dāng)前24頁,總共36頁。第五節(jié)井塌及防塌措施當(dāng)前25頁,總共36頁。第五節(jié)井塌及防塌措施當(dāng)前26頁,總共36頁。
三、防塌措施1.鉆井液中加入K+、NH+4等無機(jī)陽離子(1)K+的固定作用
K+進(jìn)入晶層之間并嵌入到相鄰兩層硅氧四面體氧原子組成的六角環(huán)中,把帶負(fù)電荷的粘土晶片緊緊聯(lián)結(jié)在一起,阻止水化膨脹。
當(dāng)前27頁,總共36頁。(2)K+的水化較弱,抑制粘土水化膨脹。
K+離子的未水化直徑(0.266nm)比Na+離子未水化直徑(0.19nm)大,而K+離子水化半徑比Na+離子水化半徑小,因而K+離子水化能(322J/mol)比Na+離子的水化能(406J/mol)低,水化膜薄。當(dāng)它進(jìn)入粘土的層間,既減少粘土的水化,又增加粘土層間的吸引力。當(dāng)前28頁,總共36頁。(3)使粘土顆粒的擴(kuò)散雙電層變薄,
利于有機(jī)處理劑分子
在粘土上的吸附。
K+等電解質(zhì)的加入,使粘土顆粒的ξ電位降低,擴(kuò)散雙電層變薄,有利于各種有機(jī)處理劑分子的吸附(非極性容易吸附非極性),提高處理劑的使用效果。當(dāng)前29頁,總共36頁。
2.加入高聚物
(1)高聚物在井壁上形成多點(diǎn)吸附,鞏固井壁
高聚物三種吸附方式:?jiǎn)吸c(diǎn)吸附、環(huán)—軌—尾吸附、多點(diǎn)吸附;
常用的高聚物:
聚丙烯酰胺(PAM)、部分水解聚丙烯酰胺(PHP)、陽離子聚丙烯酰胺、各種陽離子聚合物、兩性離子聚合物FA367等。
(2)高聚物分子的護(hù)膠和堵孔作用當(dāng)前30頁,總共36頁。3.利用瀝青類物質(zhì)在井壁上起封堵作用
瀝青類物質(zhì)親水性弱,親油性強(qiáng),可有效地涂敷在井壁上上形成一層油膜。
(1)減輕鉆具與井壁的摩擦和鉆具對(duì)井壁的沖擊;(2)防止濾液向地層滲透。
常用的封堵類防塌劑:
磺化瀝青、氧化瀝青、植物渣油、磺化妥爾油瀝青。當(dāng)前31頁,總共36頁。
第六節(jié)油氣層保護(hù)及完井液一、儲(chǔ)層損害的主要原因及防止措施
1.外來流體中的固體顆粒對(duì)儲(chǔ)層的損害
在壓差的作用下,外來流體中粒徑極小的固體顆粒(粘土、巖屑、加重材料等)在濾餅形成前會(huì)侵入儲(chǔ)層,造成儲(chǔ)層油氣流通道堵塞,儲(chǔ)層滲透性降低。
防止措施:
(1)實(shí)施屏蔽暫堵技術(shù)
選擇與儲(chǔ)層孔喉直徑相匹配的架橋粒子(如酸溶性超細(xì)碳酸鈣、油溶樹脂等,直徑為儲(chǔ)層平均孔徑的1/2~2/3,加入量一般大于3%。),再配用充填粒子(如磺化瀝青、氧化瀝青、石蠟、樹脂等)封堵孔喉。
(2)使用無固相清潔鹽水做完井液當(dāng)前32頁,總共36頁。2.儲(chǔ)層內(nèi)部微粒運(yùn)移造成的損害
流體在油氣層孔隙通道流動(dòng)時(shí),帶動(dòng)地層中的微粒移動(dòng),大于孔喉直徑的微粒便被捕集而沉積下來,對(duì)孔喉造成堵塞,也可能幾個(gè)微粒同時(shí)聚集在孔喉處形成橋堵。
防止微粒運(yùn)移的方法:
(1)控制流體在地層內(nèi)流速低于臨界流速;(2)加入粘土微粒
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