第2章-鉆井液化學(xué)150908

1、第一篇 鉆井化學(xué),第二章鉆 井 液 化 學(xué),2,第一節(jié) 鉆井液的功能與組成,第二章 鉆井液化學(xué),3,第一節(jié) 鉆井液的功能與組成,一、鉆井液的循環(huán),泥漿泵,泥漿罐,地面高壓管匯,立管,水龍帶,水龍頭,方鉆桿,鉆 桿,鉆鋌,鉆頭,鉆柱與井壁形成的環(huán)形空間,從井口返出，流經(jīng)固控設(shè)備進(jìn)行處理,4,一、鉆井液的循環(huán),第一節(jié) 鉆井液的功能與組成,5,二、鉆井液的功能,第一節(jié) 鉆井液的功能與組成,2.攜帶巖屑和密度調(diào)整材料,1.沖洗井底,3.冷卻與潤(rùn)滑鉆頭鉆具,5.獲取地層信息,4.平衡地層壓力,6.懸浮巖屑和固體密度調(diào)整材料,7.穩(wěn)定井壁,8.傳遞功率,6,第一節(jié) 鉆井液的功能與組成,三、鉆井液的組成,7

2、,第二節(jié) 鉆井液密度及其調(diào)整,第二章 鉆井液化學(xué),8,第二節(jié) 鉆井液密度及其調(diào)整,一、鉆井液密度定義,二、為什么要調(diào)整鉆井液密度,定義：?jiǎn)挝惑w積鉆井液的質(zhì)量（用表示）,（1）防止噴、塌、漏鉆井事故的發(fā)生,單位： g/cm3 或 t/m3,（2）鉆井液密度與油氣層損害有關(guān),（3）鉆井液密度影響鉆井速度,9,三、怎樣調(diào)整鉆井液密度,第二節(jié) 鉆井液密度及其調(diào)整,1、調(diào)整鉆井液密度原則 平衡地層壓力和地層構(gòu)造應(yīng)力,2、調(diào)整鉆井液密度方法,（1）降低鉆井液密度,降低鉆井液固相含量,加水稀釋,混油,充氣,低密度惰性固體,10,（2）提高鉆井液密度,方法：加入高密度材料,加重材料,高密度不溶性礦物或礦石粉末

3、,高密度的可溶性鹽類,第二節(jié) 鉆井液密度及其調(diào)整,11,表1 高密度不溶性礦物或礦石,第二節(jié) 鉆井液密度及其調(diào)整,12,表2 可溶性鹽類加重材料,第二節(jié) 鉆井液密度及其調(diào)整,還有有機(jī)鹽、有機(jī)復(fù)合鹽,13,可溶性鹽類做高密度材料所帶來(lái)的問(wèn)題,腐蝕問(wèn)題,鹽結(jié)晶問(wèn)題,加緩釋劑,加鹽結(jié)晶抑制劑,第二節(jié) 鉆井液密度及其調(diào)整,14,第二節(jié) 鉆井液密度及其調(diào)整,15,鹽水在高密度時(shí)溫度降至一定程度析出鹽，該溫度稱析鹽溫度。,鹽水在低密度時(shí)溫度降至一定程度析出冰，該溫度稱鹽水冰點(diǎn)。,隨著鹽水密度增加，鹽水析鹽溫度陡然上升。,第二節(jié) 鉆井液密度及其調(diào)整,鹽水冰點(diǎn)：,析鹽溫度：,16,通過(guò)離子交換轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的鹽，

4、選擇性地吸附在剛析出的鹽晶表面，使鹽晶發(fā)生畸變，不利于鹽在其表面繼續(xù)生長(zhǎng)變大。,為防止鹽從鉆井液中析出所加的物質(zhì),第二節(jié) 鉆井液密度及其調(diào)整,鹽結(jié)晶抑制劑：,抑制機(jī)理：,17,第二節(jié) 鉆井液密度及其調(diào)整,18,第三節(jié) 鉆井液酸堿性及其控制,第二章 鉆井液化學(xué),19,第三節(jié) 鉆井液酸堿性及其控制,一、為什么要控制鉆井液酸堿性,一般控制在8-11范圍，較弱的堿性環(huán)境。,原因,粘土具有適當(dāng)?shù)姆稚⒍?可以使有機(jī)處理劑充分發(fā)揮其效能,對(duì)鉆具腐蝕性低,可抑制體系中鈣、鎂鹽的溶解,20,pH值對(duì)膨潤(rùn)土基漿表觀粘度的影響,第三節(jié) 鉆井液酸堿性及其控制,21,用0.01M的標(biāo)準(zhǔn)硫酸中和1mL樣品至指示劑變色時(shí)所

5、需標(biāo)準(zhǔn)硫酸的體積（mL）定義為堿度。,意義：通過(guò)堿度可以判斷鉆井液的堿性來(lái)源，從而在調(diào)整鉆井液酸堿性的同時(shí)還能針對(duì)性的有效清除體系中的有害離子,第三節(jié) 鉆井液酸堿性及其控制,22,3、堿度分類,甲基橙堿度,鉆井液的甲基橙堿度（Mm）,濾液的甲基橙堿度 （Mf）,酚酞堿度,鉆井液的酚酞堿度（Pm）,濾液的酚酞堿度（Pf）,按指示劑 不同分,第三節(jié) 鉆井液酸堿性及其控制,23,OH-+ H+ H2O CO3 2 - + H+ HCO3-,酚酞為指示劑，體系滴定變色時(shí)（pH=8.3）發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)：,甲基橙為指示劑，體系滴定變色時(shí)（pH=4.3）除了發(fā)生上面的化學(xué)反應(yīng)，還發(fā)生如下反應(yīng)：,HCO3-

6、+ H+ CO2 + H2O,第三節(jié) 鉆井液酸堿性及其控制,24,Pf與Mf值與三種離子質(zhì)量濃度之間的關(guān)系,第三節(jié) 鉆井液酸堿性及其控制,25,鉆井液要求 ： Pf =1.3 1.5mL（控制 CO32-和 HCO3-） Mf /Pf 3 （控制 CO32-含量）,鉆井液中CO32-和HCO3- 均為有害離子，影響鉆井液的流變和降濾失性能，應(yīng)盡量除去。,第三節(jié) 鉆井液酸堿性及其控制,26,2、 氫氧化鉀（KOH）,1、 燒堿（NaOH）,KOH K+ + OH-,有利于 井壁穩(wěn)定,第三節(jié) 鉆井液酸堿性及其控制,NaOH Na+ + OH-,27,3、 純堿（Na2CO3）,Na2CO3 2 N

7、a+ + CO32-,除鈣除鎂,第三節(jié) 鉆井液酸堿性及其控制,CO32- + H2O HCO3- + OH-,Ca 2+ + CO32- Ca CO3 ,HCO3- + H2O H2CO3 + OH-,Mg 2+ + CO32- Mg CO3 ,28,4、 碳酸氫鈉（NaHCO3）,控制鈣侵,第三節(jié) 鉆井液酸堿性及其控制,29,第四節(jié) 鉆井液濾失性及其控制,第二章 鉆井液化學(xué),30,第四節(jié) 鉆井液濾失性及其控制,（1）鉆井液濾失性： 在壓差作用下，鉆井液中的自由液向地層滲透的現(xiàn)象。,一、鉆井液濾失性,1、相關(guān)概念,（2）鉆井液濾失量： 在一定溫度、一定壓差和一定時(shí)間內(nèi)通過(guò)一定過(guò)濾面積的濾液體積

8、。,31,第四節(jié) 鉆井液濾失性及其控制,（3）鉆井液造壁性在濾失過(guò)程中，隨著鉆井液中的自由水進(jìn)入巖層，鉆井液中的固相顆粒附著在井壁上形成泥餅的性質(zhì)。,兩者的關(guān)系：一般濾失量少，造壁性就好,32,2、鉆井液濾失類型,按是否流動(dòng),動(dòng)濾失,靜濾失,按測(cè)試條件,常規(guī)濾失量（VAPI）,高溫高壓濾失量（VHTHP）,第四節(jié) 鉆井液濾失性及其控制,33,243、0.69MPa、45.8cm2、30min,1503、3.45MPa、22.9cm2、30min,第四節(jié) 鉆井液濾失性及其控制,VAPI測(cè)試條件：,VHTHP測(cè)試條件：,34,3、鉆井液濾失方程,第四節(jié) 鉆井液濾失性及其控制,動(dòng)濾失方程,靜濾失方程

9、,35,濾失量與滲濾時(shí)間的平方根成正比,4、濾失量影響因素,第四節(jié) 鉆井液濾失性及其控制,取決泥餅的可壓縮性,鉆井液固相含量增大，濾失量降低泥餅的固相 含量降低（水含量高），濾失量降低,（1） 滲濾時(shí)間 t,（2）壓差p,（3）固相含量,36,濾失量與滲透率的平方根成正比,第四節(jié) 鉆井液濾失性及其控制,（5）濾液粘度,溫度升高，濾液粘度下降，濾失量增大,（4）泥餅滲透率 K,濾失量與濾液粘度的平方根成反比,（6）溫度,37,第四節(jié) 鉆井液濾失性及其控制,二、鉆井液濾失性控制,1、控制濾失性意義,濾失量過(guò)大易造成很大危害 （1）井壁不穩(wěn)定（水敏性泥頁(yè)巖跨塌、縮徑）,（3）泥餅過(guò)厚（如起鉆具時(shí)提力

10、增加、遇卡、泥包鉆頭、泥餅卡鉆等）,（2）損害油氣層,38,2、鉆井液降濾失劑分類,能降低鉆井液濾失量的化學(xué)劑,天然改性（改性褐煤、改性淀粉、改性纖維素、改性樹(shù)脂） 人工合成（烯類單體聚合物）,第四節(jié) 鉆井液濾失性及其控制,降濾失劑分類：,降濾失劑：,39,（1）改性褐煤,腐殖酸分子結(jié)構(gòu),第四節(jié) 鉆井液濾失性及其控制,40,第四節(jié) 鉆井液濾失性及其控制,抗溫180，不抗鹽,抑制性增強(qiáng),41,第四節(jié) 鉆井液濾失性及其控制,抗溫耐鹽， 一定耐鈣鎂能力,42,（2）改性淀粉,第四節(jié) 鉆井液濾失性及其控制,抗鹽， 抗溫性及生物穩(wěn)定性差,43,（3）改性纖維素,第四節(jié) 鉆井液濾失性及其控制,44,（4）

11、改性樹(shù)脂,第四節(jié) 鉆井液濾失性及其控制,45,第四節(jié) 鉆井液濾失性及其控制,46,（5）烯類單體聚合物,第四節(jié) 鉆井液濾失性及其控制,47,常見(jiàn)降濾失劑性能比較：,改性褐煤類：K-Hm、Na-Hm,熱穩(wěn)定性好，耐溫180 耐鹽耐鈣鎂性差,改性淀粉類：Na-CMS、HES,抗鹽抗鈣能力強(qiáng) 熱穩(wěn)定性差、易發(fā)酵,第四節(jié) 鉆井液濾失性及其控制,48,纖維素類： Na-CMC、HEC,抗鹽抗鈣能力強(qiáng) 熱穩(wěn)定性差,樹(shù)脂類： SMP-、SMP-,熱穩(wěn)定性好、耐180-200高溫 抗鹽性強(qiáng) 起泡,第四節(jié) 鉆井液濾失性及其控制,49,烯類單體聚合物：Na-HPAN、NH4-HPAN,熱穩(wěn)定性好、耐160 抗鹽能

12、力強(qiáng) 加量小,第四節(jié) 鉆井液濾失性及其控制,50,吸附機(jī)理,3、降濾失劑作用機(jī)理,捕集機(jī)理,增粘機(jī)理,物理堵塞機(jī)理,第四節(jié) 鉆井液濾失性及其控制,51,（2）增粘機(jī)理,增加鉆井液濾液粘度。,（1）吸附機(jī)理,通過(guò)氫鍵吸附到粘土上，增大粘土的負(fù)電性和水化膜厚度，提高粘土顆粒間斥力，使鉆井液保持一定數(shù)量的細(xì)顆粒，形成致密泥餅。,第四節(jié) 鉆井液濾失性及其控制,52,（3）捕集機(jī)理,（4）堵塞機(jī)理,高分子無(wú)規(guī)線團(tuán)通過(guò)架橋而滯留在孔隙中的現(xiàn)象。無(wú)規(guī)線團(tuán)直徑dc=1/3-1）孔隙直徑dp。,Dc dp ，無(wú)規(guī)線團(tuán)封堵泥餅孔隙入口。,第四節(jié) 鉆井液濾失性及其控制,53,第五節(jié) 鉆井液流變性及其調(diào)整,第二章 鉆

13、井液化學(xué),54,第五節(jié) 鉆井液流變性及其調(diào)整,是指在外力作用，物質(zhì)發(fā)生流動(dòng)和變形的特性。,（1）攜帶巖屑，井底和井眼的清潔,流變性：,與鉆井液流變性有關(guān)的鉆井問(wèn)題：,（2）懸浮巖屑與加重材料,（3）鉆井速度,（4）井眼規(guī)則和井下安全,55,一、基本概念,1、剪切速率 ：指垂直于流速方向上單位距離上的流速變化。,=dv/dx s-1,第五節(jié) 鉆井液流變性及其調(diào)整,56,在鉆井過(guò)程中，鉆井液在各個(gè)部位的剪切速率不同：,沉砂池處：10 20 s-1 ； 環(huán)形空間：50250 s-1； 鉆桿內(nèi)：1001000 s-1 ； 鉆頭噴嘴處：10000 100000 s-1,第五節(jié) 鉆井液流變性及其調(diào)整,57

14、,2、剪切應(yīng)力：流體單位面積上的內(nèi)摩擦力。, = F/A Pa,式中：F 流體的內(nèi)摩擦力 N A 相鄰流動(dòng)層接觸面積 m2,3、觸變性：,鉆井液攪拌變稀，靜止變稠的性質(zhì)。,鉆井液表觀粘度隨剪切速率增大而降低的特性。,4、剪切稀釋性:,第五節(jié) 鉆井液流變性及其調(diào)整,58,5、流變曲線： 描述與關(guān)系的曲線。,6、流變模式： 描述與關(guān)系的數(shù)學(xué)關(guān)系式。,第五節(jié) 鉆井液流變性及其調(diào)整,7、流態(tài) 鉆井液的流態(tài)有塞流、層流、紊流。,59,1、賓漢模式, = 0 + p,0 ：動(dòng)切力或屈服值，Pa p ：塑性粘度， PaS,第五節(jié) 鉆井液流變性及其調(diào)整,二、鉆井液的流變模式,60, = 0 + p,第五節(jié) 鉆

15、井液流變性及其調(diào)整,0-1：靜止階段； 1-2：塞流階段； 2-3：塞流-層流過(guò)渡階段； 3-4：層流階段； 4-5：紊流階段。,61,（1）塑性粘度p,反映流體在層流下達(dá)到動(dòng)平衡時(shí)，固相顆粒之間、固相顆粒與液相之間以及液相內(nèi)部?jī)?nèi)摩擦力的大小。,第五節(jié) 鉆井液流變性及其調(diào)整,物理意義,62,影響因素,A、固相含量多固相顆粒數(shù)目多塑性粘度p大,B、固相分散度大 固相表面積大 塑性粘度p 大,C、液相粘度大內(nèi)摩擦力大 塑性粘度p 大,第五節(jié) 鉆井液流變性及其調(diào)整,63,調(diào)整, p ,加預(yù)水化粘土,加增粘劑,增粘機(jī)理,極性基團(tuán)水化，降低自由水,與粘土形成網(wǎng)架結(jié)構(gòu),在粘土表面吸附，增加粘土體積分?jǐn)?shù),第

16、五節(jié) 鉆井液流變性及其調(diào)整,64, p,加水稀釋,第五節(jié) 鉆井液流變性及其調(diào)整,使用固控設(shè)備,使用化學(xué)絮凝劑,65,（2）動(dòng)切力0,物理意義：鉆井液在層流狀態(tài)下達(dá)到動(dòng)平衡時(shí)形成網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)弱。,影響因素,A、固相含量大結(jié)構(gòu)數(shù)目多 動(dòng)切力0大,B、固相分散度大 固相顆粒數(shù)量多 動(dòng)切力0大,C、加入降粘劑動(dòng)切力0 降低,第五節(jié) 鉆井液流變性及其調(diào)整,66,0 ,0 ,第五節(jié) 鉆井液流變性及其調(diào)整,調(diào)整,加預(yù)水化粘土,加高分子聚合物,加適量的電解質(zhì),加降粘劑,加水稀釋,消除引起0升高的電解質(zhì),67,1、鉆井液濾失相關(guān)概念,課堂回顧：,2、鉆井液濾失方程及濾失量影響因素,（1）鉆井液濾失性： 在壓差作

17、用下，鉆井液中的自由液向地層滲透的現(xiàn)象。 （3）鉆井液造壁性：在濾失過(guò)程中，隨著鉆井液中的自由水進(jìn)入巖層，鉆井液中的固相顆粒附著在井壁上形成泥餅的性質(zhì)。,靜濾失方程,動(dòng)濾失方程,68,3、控制濾失性意義,課堂回顧：,（1）天然改性（改性褐煤、改性淀粉、改性纖維素、改性樹(shù)脂） （2）人工合成（烯類單體聚合物,（1）井壁不穩(wěn)定（水敏性泥頁(yè)巖跨塌、縮徑） （2）損害油氣層 （3）泥餅過(guò)厚（如起鉆時(shí)提力增加、遇卡、泥包鉆頭、泥餅卡鉆等）,4、鉆井液降濾失劑種類,69,5、降濾失劑作用機(jī)理,課堂回顧：,（1）吸附機(jī)理； （2）增粘機(jī)理 ； （3）捕集機(jī)理 ； （4）物理堵塞機(jī)理。,6、與鉆井液流變性有關(guān)

18、的鉆井問(wèn)題：,（1）攜帶巖屑，井底和井眼的清潔； （2）懸浮巖屑與加重材料； （3）鉆井速度； （4）井眼規(guī)則和井下安全。,70,7、鉆井液流變性相關(guān)概念,課堂回顧：,（1）剪切速率； （2）剪切應(yīng)力； （3）觸變性：鉆井液攪拌變稀，靜止變稠的性質(zhì)； （4）剪切稀釋性：鉆井液表觀粘度隨剪切速率增大而降低的特性。,8、賓漢模式, = 0 + p 塑性粘度p：反映流體在層流下達(dá)到動(dòng)平衡時(shí)，固相顆粒之間、固相顆粒與液相之間以及液相內(nèi)部?jī)?nèi)摩擦力的大小 ； 動(dòng)切力0：鉆井液在層流狀態(tài)下達(dá)到動(dòng)平衡時(shí)形成網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)弱。,71,= Kn （0 n 1） K 稠度系數(shù)，PaSn n 流性指數(shù),第五節(jié) 鉆井液流

19、變性及其調(diào)整,2、冪律模式,72,1/2 =C 1/2+1/21/2 C 卡森動(dòng)切力 卡森的極限粘度,第五節(jié) 鉆井液流變性及其調(diào)整,3、卡森模式,73,物理意義：反映鉆井液網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)弱,物理意義：反映鉆井液內(nèi)摩擦力的強(qiáng)弱,第五節(jié) 鉆井液流變性及其調(diào)整,（1）卡森屈服值c,（2）極限高剪切粘度,影響因素與調(diào)整：同0,影響因素與調(diào)整：同p,74,賓漢模式的局限性： 適合在中剪切速率范圍描述鉆井液的流變性。,第五節(jié) 鉆井液流變性及其調(diào)整,冪律模式的局限性： 適合在低、中剪切速率描述鉆井液的流變性。,75,卡森模式的優(yōu)點(diǎn)： 在低剪切區(qū)和中剪切區(qū)有較好的精確度，還可以利用低、中剪切區(qū)的測(cè)定結(jié)果預(yù)測(cè)高剪

20、切速率下的流變特性。,第五節(jié) 鉆井液流變性及其調(diào)整,76,1、為什么要調(diào)整鉆井液的流變性,（1）粘度和切力過(guò)大，影響鉆井速度、泥包鉆頭、巖屑在地面不易除去、鉆井液脫氣困難等。,（主要指調(diào)整鉆井液的粘度和切力）,第五節(jié) 鉆井液流變性及其調(diào)整,（2）粘度和切力過(guò)小，影響鉆井液攜屑和井壁穩(wěn)定等。,三、鉆井液流變性調(diào)整,77,2、調(diào)整鉆井液粘度和切力的方法,根據(jù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果判斷粘度和切力偏高還是偏低。,偏高 減少體系的固相含量、加降粘劑,偏低 增加體系的固相含量、加增粘劑,流變性調(diào)整劑：調(diào)整鉆井液粘度和切力的化學(xué)物質(zhì)。,第五節(jié) 鉆井液流變性及其調(diào)整,78,3、降粘劑,鉆井液增稠的主要原因：,（1）鉆井

21、液體系的無(wú)用固相,（2）粘土粒子聯(lián)結(jié)形成空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)及高分子與粘土顆粒間形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)使大量自由水束縛不能自由移動(dòng)。,第五節(jié) 鉆井液流變性及其調(diào)整,79,第五節(jié) 鉆井液流變性及其調(diào)整,粘土粒子聯(lián)結(jié)形成空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu),80,第五節(jié) 鉆井液流變性及其調(diào)整,粘土粒子聯(lián)結(jié)形成空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)被拆開(kāi),81,（1）改性單寧,第五節(jié) 鉆井液流變性及其調(diào)整,或,單寧酸鈉、栲膠堿液、磺甲基單寧.,82,第五節(jié) 鉆井液流變性及其調(diào)整,83,（2）改性木質(zhì)素磺酸鹽,第五節(jié) 鉆井液流變性及其調(diào)整,84,（1）泡沫問(wèn)題,第五節(jié) 鉆井液流變性及其調(diào)整,（2）環(huán)境問(wèn)題 鐵、鋯、鈦木質(zhì)素磺酸鹽,鐵鉻木質(zhì)素磺酸鹽使用問(wèn)題：,研制替代產(chǎn)

22、品,85,通過(guò)結(jié)構(gòu)中的羥基與粘土表面的羥基形成氫鍵吸附在粘土顆粒表面，水化基團(tuán)在水中電離，形成擴(kuò)散雙電層，提高了粘土顆粒表面負(fù)電和水化層厚度，拆散粘土顆粒連接所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)，降低了鉆井液的粘度和切力。,第五節(jié) 鉆井液流變性及其調(diào)整,上述兩種降粘劑作用機(jī)理:,86,（3） 烯類單體低聚物（分子量2000-6000）,第五節(jié) 鉆井液流變性及其調(diào)整,87,聚合物類降粘劑作用機(jī)理:,第五節(jié) 鉆井液流變性及其調(diào)整,在聚合物鉆井液中，低聚物通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)吸附使吸附在粘土顆粒表面的聚合物解吸下來(lái)。,通過(guò)氫鍵或陽(yáng)離子鏈節(jié)吸附在粘土顆粒表面,水化基團(tuán)通過(guò)增加粘土顆粒表面負(fù)電和水化層厚度,拆散粘土顆粒連接所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)。,

23、88,4、增粘劑,正點(diǎn),（1）纖維素,第五節(jié) 鉆井液流變性及其調(diào)整,89,（2）正電膠,第五節(jié) 鉆井液流變性及其調(diào)整,混合金屬鹽溶液逐步用沉淀劑將金屬離子沉淀出來(lái)所配得的增粘劑。,90,（3）黃胞膠,第五節(jié) 鉆井液流變性及其調(diào)整,抗鹽、抗鈣，具有增加低剪切速率粘度作用。,91,分子鏈中極性基團(tuán)水化和分子鏈之間的互相糾纏，對(duì)鉆井液的水起稠化作用。,增粘作用機(jī)理：,通過(guò)吸附，增加粘土顆粒體積，提高流動(dòng)阻力。,通過(guò)橋接，在粘土顆粒間形成結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生結(jié)構(gòu)粘度。,第五節(jié) 鉆井液流變性及其調(diào)整,92,第六節(jié) 鉆井液中的固相及其含量的控制,第二章 鉆井液化學(xué),93,第六節(jié) 鉆井液中的固相及其含量的控制,一、鉆

24、井液固相類型及對(duì)鉆井的影響,有用固相：配漿粘土、加重材料,無(wú)用固相：鉆屑,膠體離子（顆粒直徑2m） 泥（2-74m） 砂（74m）,1、鉆井液固相類型,還可按照來(lái)源、密度、表面化學(xué)活性分類。,94,（2）固相含量高，形成的濾餅厚，容易引起卡鉆,第六節(jié) 鉆井液中的固相及其含量的控制,2、鉆井液中的固相對(duì)鉆井的影響,（1）固相含量升高，鉆速降低,（3）固相含量高，對(duì)油氣層損害嚴(yán)重,95,第六節(jié) 鉆井液中的固相及其含量的控制,二、固相控制方法,1、沉降法,2、稀釋法,3、機(jī)械設(shè)備法（振動(dòng)篩、除砂器、除泥器等）,4、化學(xué)法（使用絮凝劑）,固控：在保存適量有用固相的前提下，盡可能清除無(wú)用固相的工藝。,9

25、6,第六節(jié) 鉆井液中的固相及其含量的控制,三、絮凝劑,1、定義：通過(guò)橋連吸附將一些細(xì)顆粒聚結(jié)在一起的化學(xué)物質(zhì)。,97,2、類型,第六節(jié) 鉆井液中的固相及其含量的控制,全絮凝劑：即絮凝有用固相又絮凝無(wú)用固相,選擇性絮凝劑：只絮凝無(wú)用固相,98,25,第六節(jié) 鉆井液中的固相及其含量的控制,選擇性絮凝作用,全絮凝作用,99,膨潤(rùn)土 （負(fù)電）,鉆屑 （不帶電或少量負(fù)電）,吸附,吸附,吸附,不吸附,PAM,HPAM,第六節(jié) 鉆井液中的固相及其含量的控制,3、絮凝機(jī)理：,100,1、流變模式,課堂回顧：,2、為什么要調(diào)整鉆井液的流變性及其方法,（1）賓漢模式： = 0 + p （2）冪律模式： = Kn

26、（0 n 1） （3） 卡森模式：1/2 =C 1/2+1/21/2,（1）粘度和切力過(guò)大，影響鉆井速度、泥包鉆頭、巖屑在地面不易除去、鉆井液脫氣困難等。（減少體系的固相含量、加降粘劑） （2）粘度和切力過(guò)小，影響鉆井液攜屑和井壁穩(wěn)定等。（增加體系的固相含量、加增粘劑）,101,3、降粘劑及其作用機(jī)理,課堂回顧：,（1）改性單寧、鐵鉻木質(zhì)素磺酸鹽：通過(guò)結(jié)構(gòu)中的羥基與粘土表面的羥基形成氫鍵吸附在粘土顆粒表面，水化基團(tuán)在水中電離，形成擴(kuò)散雙電層，提高了粘土顆粒表面負(fù)電和水化層厚度，拆散粘土顆粒連接所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)，降低了鉆井液的粘度和切力。 （2）烯類單體低聚物：通過(guò)氫鍵或陽(yáng)離子鏈節(jié)吸附在粘土顆粒表面

27、,水化基團(tuán)通過(guò)增加粘土顆粒表面負(fù)電和水化層厚度,拆散粘土顆粒連接所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)；在聚合物鉆井液中，低聚物通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)吸附使吸附在粘土顆粒表面的聚合物解吸下來(lái)。,102,課堂回顧：,（1）類型：纖維素、正電膠、黃胞膠 （2）作用機(jī)理： 分子鏈中極性基團(tuán)水化和分子鏈之間的互相糾纏，對(duì)鉆井液的水起稠化作用。 通過(guò)吸附，增加粘土顆粒體積，提高流動(dòng)阻力。 通過(guò)橋接，在粘土顆粒間形成結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生結(jié)構(gòu)粘度。,4、增粘劑及其作用機(jī)理,103,5、鉆井液固相類型及對(duì)鉆井的影響,課堂回顧：,（1）類型（分類） （2）鉆井液中的固相對(duì)鉆井的影響： 固相含量升高，鉆速降低 固相含量高，形成的濾餅厚，容易引起卡鉆 固相含量高，

28、對(duì)油氣層損害嚴(yán)重,6、固相控制方法：,（1）沉降法； （2）稀釋法； （3）機(jī)械設(shè)備法（振動(dòng)篩、除砂器、除泥器等）； （4）化學(xué)法（使用絮凝劑）。,104,7、絮凝劑：通過(guò)橋連吸附將一些細(xì)顆粒聚結(jié)在一起的化學(xué)物質(zhì),課堂回顧：,（1）全絮凝劑：即絮凝有用固相又絮凝無(wú)用固相 （一般為非離子型）； （2）選擇性絮凝劑：只絮凝無(wú)用固相。,105,絮凝過(guò)程：吸附架橋蜷曲絮凝成團(tuán),第六節(jié) 鉆井液中的固相及其含量的控制,CPAM含有陽(yáng)離子鏈節(jié)和非離子鏈節(jié)，比PAM、HPAM具有更好的絮凝作用。,106,第六節(jié) 鉆井液中的固相及其含量的控制,4、影性絮凝作用的主要因素,（1）相對(duì)分子質(zhì)量：,（3）濃度 ： 飽

29、和吸附量的一半,（4）pH： HPAM作為絮凝劑的pH為7-8,（2）水解度：,分子量3106,= 30%,107,第七節(jié) 鉆井液潤(rùn)滑性及其改善,第二章 鉆井液化學(xué),108,第七節(jié) 鉆井液潤(rùn)滑性及其改善,鉆井液潤(rùn)滑性：鉆井液能使鉆柱與井壁之間 的干摩擦變成濕摩擦，從而使摩擦產(chǎn)生的阻力減小，鉆井液的這種性能稱鉆井液潤(rùn)滑性。,一、鉆井液潤(rùn)滑性,摩阻系數(shù)：一定條件下，相對(duì)運(yùn)動(dòng)物體所產(chǎn)生的摩擦力與垂直摩擦面作用力的比值。,1、概念,109,摩擦系數(shù)空氣為0.5，清水為0.35，柴油為0.07。,水基鉆井液摩阻系數(shù)在0.200.35之間。,油基鉆井液的摩阻系數(shù)在0.080.09之間。,水平井要求鉆井液的

30、摩阻系數(shù)在0.080.10范圍。,第七節(jié) 鉆井液潤(rùn)滑性及其改善,110,減少鉆柱的摩擦阻力，縮短起下鉆時(shí)間,能用較小的動(dòng)力來(lái)轉(zhuǎn)動(dòng)鉆具,能防粘卡，防止鉆頭泥包,第七節(jié) 鉆井液潤(rùn)滑性及其改善,2、為什么鉆井液要具有良好的潤(rùn)滑性,潤(rùn)滑性是鉆水平井、大位移井、超深井等復(fù)雜井的關(guān)鍵技術(shù),111,（1）固相的影響,固相含量增高，鉆井液潤(rùn)滑性變差,（2）有機(jī)高分子處理劑的影響,改善泥餅質(zhì)量,在井壁上形成吸附膜,降低摩擦阻力,（3）潤(rùn)滑劑,第七節(jié) 鉆井液潤(rùn)滑性及其改善,3、鉆井液潤(rùn)滑性影響因素,112,1、液體類潤(rùn)滑劑,類型：礦物油、植物油和表面活性劑等。,第七節(jié) 鉆井液潤(rùn)滑性及其改善,二、鉆井液潤(rùn)滑性改善,

31、合理使用潤(rùn)滑劑可以降低摩阻系數(shù)改善潤(rùn)滑性。,113,第七節(jié) 鉆井液潤(rùn)滑性及其改善,114,第七節(jié) 鉆井液潤(rùn)滑性及其改善,115,作用機(jī)理：通過(guò)在金屬、巖石和粘土表面形成吸附膜，減少鉆具對(duì)井壁和套管的摩擦。,第七節(jié) 鉆井液潤(rùn)滑性及其改善,116,2、固體類潤(rùn)滑劑,作用機(jī)理：多數(shù)固體潤(rùn)滑劑類似細(xì)小滾珠，將滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)化為滾動(dòng)摩擦，因而可大幅度降低扭矩和阻力。,類型：塑料小球、石墨、玻璃微珠等,第七節(jié) 鉆井液潤(rùn)滑性及其改善,117,第八節(jié) 井壁穩(wěn)定性及其控制,第二章 鉆井液化學(xué),118,第八節(jié) 井壁穩(wěn)定性及其控制,1、井壁穩(wěn)定性,定義：井壁保持原始狀態(tài)的能力,井壁不穩(wěn)定現(xiàn)象：,井塌：井壁巖石剝落掉塊，

32、井徑擴(kuò)大。,縮井：高壓層或易水化膨脹地層，井徑縮小。,119,2、井壁穩(wěn)定性影響因素,（1）地質(zhì)因素：地層本身原因引起,高壓地層壓力釋放、松散地層的坍塌、高壓鹽巖層的塑性變形、斷層破碎帶，等等。,第八節(jié) 井壁穩(wěn)定性及其控制,120,（2）鉆井工程因素,鉆井液對(duì)井壁的沖刷作用,井內(nèi)激動(dòng)壓力過(guò)大,鉆具對(duì)井壁的碰撞,井內(nèi)液柱壓力大幅度降低,第八節(jié) 井壁穩(wěn)定性及其控制,121,（3）物理化學(xué)因素,非膨脹性粘土：,膨脹性粘土：,剝落、坍塌,泥頁(yè)巖地層與鉆井液接觸后導(dǎo)致的不穩(wěn)定原因。,水化膨脹、縮徑,第八節(jié) 井壁穩(wěn)定性及其控制,122,3、物理化學(xué)因素引起：加入頁(yè)巖抑制劑，又稱防塌劑能抑制泥頁(yè)巖膨脹和分散

33、的化學(xué)劑。,1、地質(zhì)因素引起：適當(dāng)提高鉆井液密度。,2、鉆井工程因素引起：改進(jìn)鉆井工藝。,二、井壁不穩(wěn)定性應(yīng)付對(duì)策,第八節(jié) 井壁穩(wěn)定性及其控制,123,1、鹽： KCl、 NaCl,作用機(jī)理,壓縮粘土擴(kuò)散雙電層，降低其負(fù)電性,K+、NH4+鑲嵌作用,三、防塌劑及其防塌機(jī)理,第八節(jié) 井壁穩(wěn)定性及其控制,124,2、陽(yáng)離子表面活性劑,第八節(jié) 井壁穩(wěn)定性及其控制,（1）中和粘土的負(fù)電荷,（2）改變粘土表面潤(rùn)濕性，由親水變?yōu)橛H油,作用機(jī)理：,125,3、陽(yáng)離子聚合物,第八節(jié) 井壁穩(wěn)定性及其控制,（1）中和粘土的負(fù)電荷,（2）通過(guò)吸附橋連在井壁上形成一層保護(hù)膜,作用機(jī)理：,126,4、非離子型聚合物,第

34、八節(jié) 井壁穩(wěn)定性及其控制,127,（2）競(jìng)爭(zhēng)吸附作用。多元醇在粘土上的吸附能力大于水與粘土的吸附作用，多元醇可優(yōu)先吸附到粘土礦物表面，阻止水分子進(jìn)入，同時(shí)也可把吸附在粘土上的水分子擠走。,（1）濁點(diǎn)效應(yīng)。當(dāng)?shù)陀谝欢囟葧r(shí)是水溶性的，但高于此溫度時(shí)從水中析出形成乳狀液。,第八節(jié) 井壁穩(wěn)定性及其控制,作用機(jī)理：,128,（1）類型：氧化瀝青、改性瀝青粉、 磺化瀝青（水溶）、乳化瀝青,（2）機(jī)理：封堵微裂縫，涂敷在井壁上形成疏水油膜，減少水進(jìn)入泥頁(yè)巖地層。,第八節(jié) 井壁穩(wěn)定性及其控制,5、瀝青類,129,第九節(jié) 卡鉆與解卡,第二章 鉆井液化學(xué),130,第九節(jié) 卡鉆與解卡,一、卡鉆,鉆具被卡住而不能正

35、常運(yùn)轉(zhuǎn)的現(xiàn)象,壓差卡鉆、沉砂卡鉆、井塌卡鉆、砂橋卡鉆等。,二、壓差卡鉆（泥餅粘附卡鉆）,在鉆井液壓力與地層孔隙壓力之差的作用下，靜止鉆具緊壓在井壁泥餅上而導(dǎo)致的卡鉆。,1、定義,131,第九節(jié) 卡鉆與解卡,2、壓差卡鉆原因,靜止鉆具與泥餅接觸后其摩擦力大于鉆機(jī)的最大提升力。,粘附卡鉆斷面位置,132,實(shí)例： 某井在1000米深處卡鉆，鉆桿尺寸為114mm,圍包角90，泥餅粘附長(zhǎng)度15m，鉆井液比重1.20，地層孔隙水的壓力100atm，泥餅?zāi)ゲ料禂?shù)0.25，解卡所需力為67噸。,第九節(jié) 卡鉆與解卡,133,三、解卡,1、使用解卡劑浸泡,降低摩擦系數(shù),2、降低鉆井液密度,降低壓差,第九節(jié) 卡鉆與

36、解卡,解卡劑,134,第十節(jié) 鉆井液中的漏失與地層的堵漏,第二章 鉆井液化學(xué),135,1、為什么鉆井液要具有良好的潤(rùn)滑性,課堂回顧：,2、鉆井液潤(rùn)滑性改善,（1）減少鉆柱的摩擦阻力，縮短起下鉆時(shí)間 （2）能用較小的動(dòng)力來(lái)轉(zhuǎn)動(dòng)鉆具 （3）能防粘卡，防止鉆頭泥包 （4）潤(rùn)滑性是鉆水平井、大位移井、超深井等復(fù)雜井的關(guān)鍵技術(shù),（1）液體類潤(rùn)滑劑（礦物油、植物油和表面活性劑）：通過(guò)在金屬、巖石和粘土表面形成吸附膜，減少鉆具對(duì)井壁和套管的摩擦。 （2）固體類潤(rùn)滑劑（增加體系的固相含量、加增粘劑）：多數(shù)固體潤(rùn)滑劑類似細(xì)小滾珠，將滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)化為滾動(dòng)摩擦。,136,3、井壁不穩(wěn)定現(xiàn)象,課堂回顧：,（1）井塌：井

37、壁巖石剝落掉塊，井徑擴(kuò)大。 （2）縮井：高壓層或易水化膨脹地層，井徑縮小。,（1）地質(zhì)因素：地層本身原因引起 （2）鉆井工程因素： （3）物理化學(xué)因素：,4、井壁穩(wěn)定性影響因素,137,課堂回顧：,（1）1、鹽： KCl、 NaCl （壓縮粘土擴(kuò)散雙電層，鑲嵌作用） （2）陽(yáng)離子表面活性劑（中和粘土的負(fù)電荷，改變潤(rùn)濕性） （3）陽(yáng)離子聚合物（中和粘土的負(fù)電荷，形成保護(hù)膜） （4）非離子型聚合物（濁點(diǎn)效應(yīng)，競(jìng)爭(zhēng)吸附作用） （5）瀝青類（封堵微裂縫，涂敷在井壁上形成疏水油膜，減少水進(jìn)入泥頁(yè)巖地層）,5、防塌劑及其防塌機(jī)理,138,6、壓差卡鉆（泥餅粘附卡鉆）,課堂回顧：,（1）概念：在鉆井液壓力與

38、地層孔隙壓力之差的作用下，靜止鉆具緊壓在井壁泥餅上而導(dǎo)致的卡鉆。 （2）原因：靜止鉆具與泥餅接觸后其摩擦力大于鉆機(jī)的最大提升力。 （3）解卡：使用解卡劑浸泡（液體潤(rùn)滑劑、稠化瀝青、表面活性劑）；降低鉆井液密度降低壓差,139,一、漏失定義及類型,1、定義：鉆井過(guò)程中，鉆井液大量流入地層的現(xiàn)象。,2、類型：,滲透性漏失：砂巖或礫巖地層，漏失速率0.5-10m3.h-1，鉆井液液面緩慢下降,第十節(jié) 鉆井液中的漏失與地層的堵漏,（a）滲透性漏失,140,裂縫性漏失：裂縫性灰?guī)r和砂巖地層，漏失速率10-100m3.h-1，鉆井液液面迅速下降。,溶洞性漏失：溶洞性灰?guī)r地層，漏失速率100m3.h-1，鉆

39、井液只進(jìn)不出。,第十節(jié) 鉆井液中的漏失與地層的堵漏,（c）溶洞性漏失,（b）裂縫性漏失,141,1、堵漏：對(duì)漏失地層的封堵,2、堵漏材料：封堵漏失地層采用的材料,（1）滲透性地層堵漏, 硅酸凝膠,鉻凍膠,HPAM+重鉻酸鉀+亞硫酸鈉,鉻凍膠,二、堵漏與堵漏材料,第十節(jié) 鉆井液中的漏失與地層的堵漏,142,酚醛樹(shù)脂,苯酚+甲醛,不溶于水的酚醛樹(shù)脂,（2）裂縫性或溶洞性地層堵漏,纖維性材料,植物纖維：短棉絨,礦物纖維：石棉纖維, 顆粒性材料,植物性顆粒：核桃殼、花生殼等,礦物性顆粒：粘土、石灰?guī)r等,第十節(jié) 鉆井液中的漏失與地層的堵漏,143,第十一節(jié) 鉆 井 液 體 系,第二章 鉆井液化學(xué),144,第十一節(jié) 鉆井液體系,水基鉆井液體系,油基鉆井液體系,氣體鉆井液體系,鉆井液體系,145,第十一節(jié) 鉆井液體系,一、水基鉆井液,水基鉆井液,非抑制性鉆井液,抑制性鉆井液,O/W 鉆井液,泡沫鉆井液,鈣處理鉆井液,鉀鹽鉆井液,鹽水鉆井液,聚合物鉆井液,正電膠鉆井液,146,1、非抑制性鉆井液,（1）定義：由淡水、粘土和各種對(duì)粘土起分散作用的處理劑配制而成的的水基鉆井液。,（2）特點(diǎn),配制簡(jiǎn)便，成本低,濾失造壁性能好,可配制高密度鉆井液,抗溫能力強(qiáng),優(yōu)點(diǎn),第十一節(jié) 鉆井液體系,147,抗污染能力差，性能不穩(wěn)定,抑制性差，