第三章--鉆井液

1、第三章 鉆井液,第一節(jié) 鉆井液的定義和功用 第二節(jié) 鉆井液的組成和分類 第三節(jié) 鉆井液的性能 第四節(jié) 鉆井液的固相控制 第五節(jié) 井塌及防塌措施 第六節(jié) 油氣層保護(hù)及完井液,第一節(jié) 鉆井液的定義和功用,一、鉆井液的定義 鉆井時(shí)用來(lái)清洗井底并把巖屑攜帶到地面、維持鉆井操作正常進(jìn)行的流體稱為鉆井液或洗井液。 二、鉆井液的功用 1攜巖 2冷卻和潤(rùn)滑鉆頭及鉆柱 3造壁性能,4控制地層壓力 平衡地層壓力的鉆井液密度： 式中： D 井深，m； 鉆井液密度，gcm3； 地層壓力，MPa。 再加一附加值 (gcm3)。 對(duì)于氣層，附加值為0.070.15gcm3；對(duì)于油層，附加值 為0.050.10gcm3。,

2、5循環(huán)停止時(shí)懸浮鉆屑和加重材料，防止下沉（即懸浮作用） 6從所鉆地層獲得資料 7傳遞水力功率,一、鉆井液的組成 1、液相：液相是鉆井液的連續(xù)相，可以是水或油。 2、活性固相：包括人為加入的商業(yè)膨潤(rùn)土、地層進(jìn)入的造漿粘土和有機(jī)膨潤(rùn)土(油基鉆井液用)。 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。,第二節(jié) 鉆井液的組成和分類,二、鉆井液的分類 1、不分散體系。 2、分散體系。 3、鈣處理體系。含Ca2+120mg/L，用以控制易塌頁(yè)巖及井眼 擴(kuò)大。 4、聚合物體系。能夠有效地增加粘度，降低失水和穩(wěn)定 性能；可以減少為維持粘度所需的膨潤(rùn)土用量；穩(wěn)定性好；潤(rùn) 滑性能好。,5、低固相

3、體系。總固相含量大約在610。膨潤(rùn)土固相少于3，其固相與膨潤(rùn)土的比值應(yīng)小于2：1?？梢悦黠@地提高鉆速。 6、飽和鹽水體系。飽和鹽水體系具有189gL的氯根濃度。鹽水體系具有6189g/L的氯根含量。主要用于鉆鹽巖層與泥頁(yè)巖易塌地層，具有較強(qiáng)的防塌能力。 7、完井修井液體系。具有抑制粘土膨脹保護(hù)儲(chǔ)層的作用。由經(jīng)高度處理的鉆井液(封隔液)和混合鹽或清潔鹽水組成。,8、油基鉆井液體系。 包括兩種類型： 反相乳化鉆井液，是屬油包水流體，以水為分散相，油為連 續(xù)相； 油漿或油相鉆井液，常由氧化瀝青、有機(jī)酸、堿、各種藥劑 和柴油混合而成。 常用于鉆開油氣層或異常低壓地層，以及易發(fā)生粘卡的地層。 9、空氣、

4、霧、泡沫和氣體體系。 常用于欠平衡壓力鉆井技術(shù)。,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。 二、鉆井液的流變性能 液體分為牛頓液體和非牛頓液體，非牛頓液體又分為塑性液體、假塑性液體和膨脹型液體三種類型。,第三節(jié) 鉆井液的性能,(一)塑性流型 1塑性流型的特點(diǎn) (1)所加切應(yīng)力達(dá)到某一最低值之后 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。 (2)當(dāng)切應(yīng)力繼續(xù)增大，流變曲線出 現(xiàn)直 線段，稱為動(dòng)切應(yīng)力或屈服值。,圖3-1 四種基本流型,2塑性流型的流變方程 引入屈服值后，塑性流體的流變曲線可用下列方程描述：,3塑性流型的流變參數(shù)及物理意義 (1) (靜切力，靜切應(yīng)力)

5、：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。 (2) (動(dòng)切應(yīng)力，屈服值)：延長(zhǎng)流變曲線直線段與切應(yīng)力軸相交 得，它是一假想值，反映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。,(3) 塑性粘度： 塑性粘度是塑性流體流變曲線段斜率的倒數(shù)，它不隨剪切力而變化。 它是由流體在層流狀態(tài)下體系中固相顆粒之間、固相顆粒與周圍液相間以及液相分子間的摩擦形成的。,(4)表觀粘度 ：表觀粘度又稱視粘度或有效粘度。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，見(jiàn)圖3-1： A點(diǎn)的表觀粘度 而B點(diǎn)的表觀粘度 說(shuō)明鉆井液在不同流速梯度下的表觀粘度是不

6、同的。,圖3-1 四種基本流型,對(duì)塑性流體 ，表觀粘度為： 屈服值是與層流時(shí)體系中網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的密度和強(qiáng)度有關(guān)，故 稱為鉆井液的結(jié)構(gòu)粘度，故塑性流體的表觀粘度 稱之動(dòng)塑比，反映鉆井液中結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和塑性粘度的比例關(guān)系。它 決定鉆井液在環(huán)空中的流態(tài)，與鉆井液攜帶巖屑效果密切相關(guān)。一般情 況下要求 0.360.48之間。,(二)假塑性流型和膨脹流型 n流性指數(shù)，表示假塑性流體在一定流速范圍內(nèi)的非牛頓性程度，n1時(shí)為假塑性流體；n1時(shí)為膨脹型流體。一般要求n值在0.70.4之間。 k稠度系數(shù)，與流體在1s-1流速梯度下的粘度有關(guān)，k值越大，粘度越大。,(三)流變參數(shù)的測(cè)定 1靜切力（六速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)） 一般要

7、測(cè)定初切(10s切力)和終切(10min切力)。 初切測(cè)定：將鉆井液在600rmin下攪拌10s，靜置10s后測(cè)得3rmin下的表盤讀數(shù)，該讀數(shù)乘以0511即得初切力(Pa)。 終切測(cè)定：將鉆井液在600rmin下攪拌10s，靜置10min后再測(cè)得3rmin下的表盤讀數(shù)，該讀數(shù)乘以0511，即得終切力(Pa)。,2其它流變參數(shù) 用六速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)得600rmin和300rmin表盤讀數(shù)(600，300)，就可計(jì)算下列流變參數(shù)。 表觀粘度： 0.5600(mPas) 塑性粘度： 600一300(mPas) 動(dòng)切力(屈服值)： 0511(300一 )(Pa) 流性指數(shù)：n3321g （無(wú)因次） 稠

8、度系數(shù)： (mPasn),三、鉆井液的造壁性能及降濾失量劑 (一)濾失和造壁過(guò)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(guò)程稱為鉆井液的濾失。 濾餅在井壁上的形成過(guò)程稱為造壁過(guò)程。,1靜濾失量 靜濾失量即常稱的API濾失量，用API濾失量?jī)x測(cè)定，是在常溫、0.7MPa 壓差下測(cè)量30min所得的濾液體積（mL）。 鉆油氣層時(shí)，API濾矢量不能高于5mL。,2高溫高壓濾失量 試驗(yàn)在150溫度、3.5MPa壓差下30min所測(cè)得的濾失量值乘以2即得高溫高壓濾矢量。 鉆油氣儲(chǔ)層時(shí)，高溫高壓濾失量不得大于15mL。,(二)幾種濾失的概念 1瞬時(shí)濾失 在濾餅尚未形成的一段時(shí)間內(nèi)

9、的濾失稱為瞬時(shí)濾失。 影響瞬時(shí)濾失的因素包括地層孔隙大小、鉆井液中固 相含量及顆粒尺寸分布、鉆井液及濾液粘度等。,2動(dòng)濾失 鉆井液在井內(nèi)循環(huán)流動(dòng)時(shí)的濾失過(guò)程稱為動(dòng)濾失。動(dòng)濾失的特點(diǎn)是濾餅薄，濾失量大。它除了受地層條件、壓差、鉆井液中固相類型和含量及粘度影響外，鉆井液的流變參數(shù)與動(dòng)濾失密切相關(guān)，平衡濾餅的厚度與鉆井液的流速與流態(tài)有關(guān)。 3靜濾失 鉆井液在停止循環(huán)時(shí)的濾失過(guò)程稱為靜濾失。,(三)影響靜濾失量的因素 式中 Vf鉆井液的濾失量，mL； A過(guò)濾面積，cm2； K濾餅的滲透率； Cc濾餅中固相含量(以體積計(jì))，； Cm鉆井液中固相含量(以體積計(jì))。； p壓差，MP； t濾失時(shí)間，min 鉆

10、井液濾液粘度，mPas。,1濾失時(shí)間 式中 Vf2時(shí)間t2時(shí)的未知濾矢量，mL； Vf1時(shí)間t1時(shí)的已知濾失量，mL。 例：如果7.5min內(nèi)的濾失量Vf1是5mL，則在30min內(nèi)的濾矢量將是： mL,2壓差 濾矢量應(yīng)該與壓差的平方根成正比。但在泥餅的情況下并非如此，要根據(jù)所形成濾餅的性質(zhì)決定。 3溫度 溫度升高引起濾液粘度下降，導(dǎo)致濾失速率增加。,4固相含量及類型 ，CcCm 比值下降，就會(huì)降低濾失量，使 Cm 增大或使Cc 降低。Cc 越小，說(shuō)明濾餅中固相含量越低； 而水分含量越高，粘土顆粒的束縛水就多，在壓差作用下易 于變形，使濾餅滲透性降低，失量減少。 5濾餅的滲透率 主要取決粘土類

11、型及其顆粒的尺寸、級(jí)配、形狀和水化 程度。,(四)降濾失劑及其作用機(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,4降濾失劑分子本身的堵孔作用 常用的降濾失劑有：Na-CMC(羧甲基纖維素鈉鹽)，SMP(磺化酚醛樹脂)、NH4HPAN(

12、水解聚丙烯腈銨鹽)、Na-HPAN(水解聚丙烯腈鈉鹽)、Ca-HPAN(水解聚丙烯腈鈣鹽)、SPNH(磺化褐煤樹脂)及PAC系列產(chǎn)品。,第四節(jié) 鉆井液的固相控制,一、鉆井液中的固相對(duì)鉆速的影響 1固相含量對(duì)鉆速的影響 如圖3-2所示。鉆速隨固相含量升高而下降，固相含量每降低1，鉆速至少可提高10。 2固相類型對(duì)鉆速的影響 如圖3-3所示。從圖中可以看出：固相含量相同時(shí)，用不分散鉆井液體系，其鉆速大于分散鉆井液體系的鉆速。,鉆井液中固相含量(體積) 圖3-3 鉆井液中固相含量相同時(shí)鉆井液類型對(duì)鉆速的影響,鉆井液中固相含量(體積) 圖3-2 鉆井液中固相含量與鉆速的關(guān)系,二、固相控制方法 1大池子

13、沉淀 利用固相與液相的密度差，在重力的作用下，鉆屑從鉆 井液中沉降下來(lái)。 2清水稀釋 向鉆井液中加水，固相含量相對(duì)減少。 3替換部分鉆井液 用水或固相含量低的鉆井液替換部分固相含量高的鉆井液，從 而達(dá)到降低整個(gè)鉆井液固相含量的目的。,4利用機(jī)械設(shè)備清除固相 固相分離的設(shè)備有振動(dòng)篩（清除0.5mm以上）、旋流分離器和離心機(jī)（清除25m以上的粗顆粒）三大類。根據(jù)清除固相顆粒尺寸不同，旋流分離器又分為除砂器（一般在74m以上，也可以分離少部分4074m的固相顆粒）、除泥器（ 1074m的固相顆粒）和超級(jí)旋流分離器（ 5l0m的固相顆粒）三種。,三、聚合物絮凝劑 1聚合物絮凝劑的類型 (1)全絮凝劑：

14、聚合物能使鉆井液中所有的固相都發(fā)生絮凝沉淀，如聚丙烯酰胺。,(2)選擇性絮凝劑：只絮凝鉆屑和劣質(zhì)土，而不絮凝膨潤(rùn) 土的聚合物絮凝劑，如合適水解度的部分水解聚丙烯酰胺。 常用的有機(jī)聚合物絮凝劑有聚丙烯酰胺(PAM)、部分水解 聚丙烯酰胺(PHP)、80A51、醋酸乙烯酯順丁烯二酸酐共 聚物(VAMA)。,2有機(jī)聚合物絮凝劑的作用機(jī)理 絮凝作用分三個(gè)步驟： (1)吸附：通過(guò)分子鏈上的吸附基團(tuán)(如羥基-OH、酰胺基-CONH2)與粘土表面的氧原子或氫氧原子之間形成氫鍵而發(fā)生吸附，同時(shí)通過(guò)分子鏈上的離子化基團(tuán)(如羧鈉基-COONa)還可以與粘土顆粒斷鍵邊緣產(chǎn)生靜電吸附。,(2)架橋：由于絮凝劑的分子鏈

15、較長(zhǎng)，分子鏈上有多個(gè)吸附基團(tuán)，所以一條長(zhǎng)鏈上可以同時(shí)吸附多個(gè)粘土顆粒，這一作用過(guò)程就是長(zhǎng)鏈分子在粘土顆粒間的架橋作用。 (3)形成團(tuán)塊，在重力作用下下沉：當(dāng)架橋作用完成后，聚合物分子鏈本身及其鏈段發(fā)生旋轉(zhuǎn)和運(yùn)動(dòng)(稱之痙攣)，將小的粘土顆粒聚集到一塊，形成絮凝固塊，在重力作用下絮凝團(tuán)塊下沉，從鉆井液中除去，全絮凝作用機(jī)理見(jiàn)圖3-5。,圖3-5 聚合物全絮凝作用機(jī)理示意圖,3聚合物絮凝劑的加量 達(dá)到最佳絮凝效果的加量：聚合物絮凝劑的加量為鉆井液中固相飽和吸附量的1/2。,第五節(jié) 井塌及防塌措施,井塌就是指井眼不穩(wěn)定，即井壁巖石碎塊掉入井內(nèi)的現(xiàn)象。 一、井塌的征兆與危害 (1) 粘度、切力、密度和含

16、砂量都增高,泵壓忽高忽低,有時(shí)突然憋泵。 (2)井口返出的巖屑增多，砂樣混雜，有上部地層的巖石，有時(shí)返出大塊巖樣。 (3)起鉆遇阻，下鉆達(dá)不到井底,有時(shí)造成環(huán)空堵塞，引起憋泵或卡鉆。,二、產(chǎn)生井塌的原因 (1)地質(zhì)因素：異常高壓地層、地質(zhì)破碎帶、斷層、含大量微裂紋地層及煤層等； (2)工程因素：鉆井液排量大、起下鉆速度快、井內(nèi)液柱壓力低及鉆井液浸泡時(shí)間過(guò)長(zhǎng)等； (3)泥頁(yè)巖的水化造成井壁不穩(wěn)定 水化分表面水化和滲透水化兩種：,表面水化：粘土表面帶負(fù)電荷，吸附鉆井液中的水分子，引起粘土表面水化，使粘土變軟和膨脹。 滲透水化：當(dāng)泥頁(yè)巖水分中電解質(zhì)的濃度高于周圍鉆井液中的電解質(zhì)濃度時(shí)，由于滲透作用，

17、水分子由電解質(zhì)濃度較低的鉆井液中滲入到電解質(zhì)濃度高的泥頁(yè)巖內(nèi)部，造成井壁水化膨脹、坍塌。,三、防止井壁坍塌的措施 1鉆井液中加入K+、NH+4等無(wú)機(jī)陽(yáng)離子 (1) K+的固定作用。 K+直徑為0.265mm,圖3-6 K+的固定作用 (1)正視圖；(2)俯視圖 o O(氧) Si(硅),(2) K+的水化較弱，抑制粘土水化膨脹。 K+離子的水化能(322 Jmol)比Na+離子的水化能(406 Jmol)低，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。 (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。,2加入高聚物 （1）高聚物在井壁上形成多點(diǎn)吸附，鞏固井

18、壁。 高聚物通常以三種方式進(jìn)行吸附。如圖3-7所示： A為單點(diǎn)吸附； B為環(huán)軌尾吸附，兩個(gè)吸附點(diǎn)間的鏈段構(gòu)成環(huán)，環(huán)和鏈尾部飄在溶液中； C為多點(diǎn)吸附，通過(guò)吸附，高聚物“躺臥”或貼在粘土上，也稱臥式吸附。,A,B,C,圖3-7 聚合物吸附模型,常用的高聚物有聚丙烯酰胺(PAM)、部分水解聚丙烯酰胺(PHP)、陽(yáng)離子聚丙烯酰胺、各種陽(yáng)離子聚合物、兩性離子聚合物FA367等。如果這些高聚物分子吸附在鉆屑上，則能防止鉆屑分散，這就是所說(shuō)的包被作用。 （2）高聚物分子的護(hù)膠和堵孔作用。 高聚物分子的護(hù)膠和堵孔作用，使濾餅滲透率降低，濾失量減少，防止井壁粘土水化膨脹。,3利用瀝青類物質(zhì)在井壁上起封堵作用

19、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，在井壁上形成一層油膜。 常用的封堵類防塌劑有磺化瀝青、氧化瀝青、植物渣油、磺化妥爾油瀝青等。,一、儲(chǔ)層損害的主要原因及防止措施 1外來(lái)流體中的固體顆粒對(duì)儲(chǔ)層的損害 在井內(nèi)液柱壓差的作用下，外來(lái)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。 與流體的濾失性能、固相含量及顆粒分布、壓差及流體與地層的接觸時(shí)間有關(guān)。,第六節(jié) 油氣層保護(hù)及完井液,(1)實(shí)施屏蔽暫堵技術(shù) 選擇規(guī)則是架橋顆粒的直徑為儲(chǔ)層平均孔徑的1/22/3。在完井液中，架橋粒子的加入量一般大于3。 常用的架橋粒子有超細(xì)

20、碳酸鈣(酸活性)、油溶樹脂、氯化鈉(水溶性)等，再配用充填粒子和可變形粒子，如磺化瀝青、氧化瀝青、石蠟、樹脂等。 (2)使用無(wú)固相清潔鹽水做完井液。,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(lái)，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。 防止儲(chǔ)層內(nèi)的微粒運(yùn)移的方法：控制流體(包括儲(chǔ)層內(nèi)流體和外來(lái)流體)的流速低于臨界流速；加入粘土微粒防運(yùn)移劑。,粘土微粒防運(yùn)移劑主要是通過(guò)粘土表面的兩個(gè)基本性質(zhì)(帶負(fù)電、羥基化)或化學(xué)鍵的形成起作用。 粘土微粒防運(yùn)移劑是陽(yáng)離子型聚合物和非離子型聚合物。陽(yáng)離子型聚合物主要是通過(guò)粘

21、土微粒表面的負(fù)電性，非離子型聚合物則主要通過(guò)粘土微粒的羥基化表面，將微粒橋接到地層表面。,3儲(chǔ)層內(nèi)粘土水化膨脹引起孔喉堵塞 預(yù)防儲(chǔ)層內(nèi)粘土水化膨脹的措施是減少入井流體的濾夫量，提高濾液的礦化度(提高濾液的抑制性)和使用粘土防膨劑。 粘土防膨劑是指能抑制粘土膨脹的化學(xué)劑。它主要通過(guò)三種機(jī)理起防膨作用。,(1)減少粘土表面的負(fù)電性，這類防膨劑包括鹽(如KC1、NH4Cl)、陽(yáng)離子型表面活性劑和陽(yáng)離子聚合物等。 (2)防膨劑與粘土表面的羥基作用，使粘土變成親油表面或?qū)⒕勇?lián)接起來(lái)，這類防膨劑是烴基鹵代硅烷，如二甲基二氯甲硅烷、二乙基二氯甲硅烷等。 (3)轉(zhuǎn)變粘土礦物類型，將膨脹型粘土礦物轉(zhuǎn)變?yōu)榉桥蛎浶偷钠渌V物。在一定條件下硅酸鉀或氫氧化鉀可將蒙脫石轉(zhuǎn)變?yōu)榉桥蛎浶偷拟浌桎X