現(xiàn)代鉆井完井液技術(shù)(上)

1、現(xiàn)代鉆井液技術(shù),二零零六年八月,主 要 內(nèi) 容,一、概論 二、水基鉆井液 三、油基鉆井液 四、氣基鉆井液 五、合成基鉆井液 六、鉆井液處理劑的應(yīng)用狀況及發(fā)展趨勢,一、概論,狹義鉆井液: 粘土以小顆粒狀態(tài)(2)分散在水中所形成的溶膠-懸浮體.(mud) 廣義鉆井液: 一切有助于從井眼中產(chǎn)生和清除鉆屑的流體.(drilling fluid) API定義: 用于鉆井的具有各種各樣功用以滿足鉆井工作需要的循環(huán)流體。, 鉆井完井液定義, 鉆井液的功用,清除井底鉆屑并將其攜帶至地面 穩(wěn)定井壁及控制地層壓力 冷卻和潤滑鉆頭、鉆具 提供低滲透、韌性好的泥餅保護(hù)井壁 停止循環(huán)時懸浮環(huán)空中的鉆屑及加重材料 給鉆頭

2、傳遞水力能量, 鉆井液的分類, 優(yōu)質(zhì)鉆井液的標(biāo)準(zhǔn),有利于安全、快速、優(yōu)質(zhì)、低耗鉆井； 有利于取全、取準(zhǔn)各項工程、地質(zhì)資料； 有利于發(fā)現(xiàn)、保護(hù)油氣層； 既不能傷害鉆井人員，又不能損害或污染環(huán)境； 對所設(shè)計的地層評估有良好的性能； 對產(chǎn)層不產(chǎn)生傷害； 對鉆井設(shè)備和管材不造成腐蝕。, 鉆井液工作者的基本任務(wù),根據(jù)所鉆井類型、地層特性、孔隙壓力及破裂壓力、井溫、測井及環(huán)保要求正確選擇鉆井液類型； 自始至終維護(hù)、保持良好的鉆井液性能； 預(yù)防、處理各種井下復(fù)雜情況和事故； 保證安全順利鉆井前提下，盡可能降低鉆井液成本。, 鉆井工作面臨的主要問題,隨著鉆井工作的進(jìn)行，油氣藏隱蔽性增加，油氣藏類型變得復(fù)雜多樣

3、，低滲透、特低滲透油氣藏所占的比例增加，井的深度從淺中向中深、甚至超深發(fā)展，使鉆井工作面臨新的挑戰(zhàn)，即要解決“低、深、難”等問題。 1. “低”意味著低滲透、特低滲透儲層比中、高滲透儲層更容易受到損害，特別是目前還沒有很好地解決鉆井液濾液引起的水鎖和水敏損害問題； 2. “深”意味著儲層溫度升高和鉆井周期延長，對鉆井液的抗溫性和保護(hù)油氣層的效果要求更高； 3. “難”意味著井下容易出現(xiàn)復(fù)雜情況，這就要求鉆井液既能有效地保護(hù)油氣層，又能減少井下復(fù)雜情況的發(fā)生。 所以，國內(nèi)外從事鉆井液工作的人士，針對目前鉆井形勢和需求，進(jìn)一步加大了新型鉆井液的研究工作，并取得一定的進(jìn)展。,二、 水基鉆井液,定義：

4、以水為分散介質(zhì)的鉆井液。 水基鉆井液是目前國內(nèi)外各油田使用最普遍的一類。 特點： 該體系是以水為配方中的連續(xù)相，因而具有成本低、配制和維護(hù)簡單、處理劑來源廣、可供選擇的配方多、性能容易控制和調(diào)節(jié)、保護(hù)油氣層的效果較好等優(yōu)點。,1. 定義：用淡水、膨潤土和各種對粘土與鉆屑起分散作用的處理劑配制而成的水基鉆井液。 2. 特點： 可容納較多的固相，適合于配制較高密度的鉆井液； 容易在井壁上形成較致密的泥餅，失水較低； 某些分散鉆井液具有較強(qiáng)的抗溫能力，適合于深井和超深井使用； 配制成本低。, 分散鉆井液體系,3. 組成：水+膨潤土+分散劑 4. 分散劑： 對粘土和鉆屑起分散作用的處理劑。如起降粘作用

5、的聚磷酸鹽、單寧堿液、鐵鉻木質(zhì)素黃酸鹽、褐煤。起降濾失作用的CMC和聚陰離子纖維素等。 5. 缺點： 性能不穩(wěn)定，容易受到可溶性鹽和粘土的污染； 固相含量高，粘度、切力較大，機(jī)械鉆速低； 濾液侵入產(chǎn)層引起粘土膨脹，不能有效地保護(hù)油氣層； 濾液為淡水、容易引起水敏性泥頁巖垮塌，污染產(chǎn)層。 6. 用途： 鉆表層 打水泥塞, 鈣處理鉆井液,1. 定義：體系中含有一定濃度的Ca2+ 和分散劑。 2. 特點： 性能較穩(wěn)定，具有較強(qiáng)的抗鈣污染、鹽污染和粘土污染的能力； 固相含量相對較少，容易在高密度條件下維持較低的粘度和切力，有利于提高鉆速 能在一定程度上抑制頁巖水化膨脹，濾失量少，泥餅薄且韌性好，有利于

6、井壁穩(wěn)定 由于體系中粘土顆粒含量較少，對油氣層的損害程度相對較少。,3. 作用機(jī)理：在分散體系中同時加入一定量的Ca2+和分散劑，Ca2+通過與水化作用很強(qiáng)的鈉膨潤土發(fā)生離子交換，使一部分鈉膨潤土轉(zhuǎn)變成鈣膨潤土，從而減弱水化的程度。 4. 分散劑的作用：分散劑的作用是防止Ca2+引起體系中的粘土顆粒絮凝過度，使其保持在適度絮凝的狀態(tài)。 5. 技術(shù)關(guān)鍵：鈣處理鉆井液的關(guān)鍵是鉆井液中的顆粒處于適度絮凝狀態(tài)，使鉆井液具有適宜粘度、切力和失水。,6. 分類 石灰鉆井液 pH:1112 Ca2+ :120200mL/L 懸浮石灰：30006000mg/L 石膏鉆井液 pH:9.510.5 Ca2+:60

7、01200mL/L 懸浮石灰：600012000mg/L CaCl2鉆井液 7. 應(yīng)用：含少量鹽、石膏、芒硝的地層，中淺井。, 鹽水鉆井液,1. 定義：鉆井液中 NaCl的含量達(dá)到飽和的鉆井液體系。 一般地：NaCl含量超過1（Cl-含量為 6000mg/L）直到飽和（Cl-含量為189000mg/L） 2. 特點： 由于礦化度較高，能有效地防止粘土的分散而防塌； 對鹽的敏感性低，耐鹽和耐鈣、鎂的能力強(qiáng)； 濾液性質(zhì)與原生水比較接近，對油氣層的損害較輕； 巖屑不易在鹽水中分散，容易被清除。 3. 應(yīng)用： 造漿水本身含鹽量較高，如海水; 地層中有鹽水流; 鉆遇鹽脈或巖鹽層以及水敏性頁巖。, 鉀基鉆

8、井液體系,1. 定義：以各種聚合物的鉀（或銨、鈣）鹽和KCl為主處理劑的防塌鉆井液體系。 2. 組成：以各種聚合物鉀、銨、鈣鹽和KCl為主處理劑的防塌鉆井液。 3. 特點： 在各種無機(jī)鹽中，以KCl抑制粘土水化的效果最好。聚合物處理劑的存在使該鉆井液體系具有聚合物鉆井液的各種優(yōu)良特性。 在鉆遇泥頁巖地層時，具有理想的防塌效果。 對蒙脫石含量高，水敏性強(qiáng)的泥頁巖地層的防塌效果好。 抑制泥頁巖造漿的能力強(qiáng)。 體系中亞微米級的顆粒含量低，可維持較低的鉆井液密度和固相含量。 用作完井液時，對儲層的粘土礦物也有一定的穩(wěn)定作用。, 聚合物鉆井液,1. 定義: 以某些具有絮凝和包被作用的高分子聚合物作為主處

9、理劑的水基鉆井液體系。由于聚合物的存在，體系所包含的各種固相顆?？杀３衷谳^粗的范圍內(nèi)，同時，鉆屑因受到包被保護(hù)而不易分散成微細(xì)顆粒。 2. 特點： 各種固相顆?？梢员３衷谳^粗的范圍內(nèi) 鉆屑不易分散成細(xì)微顆粒,3. 優(yōu)點： 鉆井液密度和固相含量低，機(jī)械鉆速高。 剪切稀釋特性強(qiáng)。環(huán)空粘度、切力較高；而極限高剪粘度低，鉆頭處流動阻力小，有利于提高鉆速。 主處理劑有較強(qiáng)的包被和不分散作用，抑制了巖石的吸水分散作用，有利于保護(hù)井壁。 對產(chǎn)層的損害?。芏鹊汀⒐滔嗪康停?。 鉆井液成本較低。,4. 性能指標(biāo)： 固相含量應(yīng)維持在5（體積分?jǐn)?shù))以內(nèi)； 鉆屑與膨潤土的比例不超過2：1；膨潤土含量在1.5%-2%

10、(體積比); 動切力（Pa）與塑性粘度（mPa.s）之比控制在0.48左右，實現(xiàn)平板型層流攜巖； 非加重鉆井液的動切力維持在1.5-3Pa； 適當(dāng)控制濾失量；地層穩(wěn)定時可適當(dāng)放寬，進(jìn)入產(chǎn)層控制得低些； 在整個鉆井過程中應(yīng)盡量不使用分散劑。,5. 聚合物的主要作用機(jī)理 橋聯(lián)和包被作用 橋聯(lián)：一個高分子聚合物同時吸附在幾個顆粒上，一個顆粒又可同時吸附幾個高分子聚合物； 包被：高分子鏈吸附在一個粘土顆粒上，并將其覆蓋包裹。 絮凝（或選擇性絮凝）作用 通過與粘土離子吸附、架橋、成網(wǎng)和沉降，而實現(xiàn)絮凝作用。 增粘作用 游離的聚合物分子能增加水相的粘度； 聚合物的橋聯(lián)作用所形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)增加了體系的結(jié)構(gòu)粘

11、度。, 防塌作用 長鏈聚合物在泥頁巖井壁表面發(fā)生多點吸附，封堵了微裂縫，阻止泥頁巖剝落。 聚合物濃度較高時，在泥頁巖井壁形成較致密的吸附膜，可以阻止或減緩水進(jìn)入泥頁巖。 對流型的改進(jìn)(剪切稀釋性及紊流減阻) 取決于聚合物的品種、加量。 需要在聚合物泥漿中加入惰性降濾失劑（超細(xì)CaCO3、白碳黑、磺化度適當(dāng)?shù)幕腔癁r青）以改善泥餅質(zhì)量。,6. 典型的聚合物泥漿體系 兩性離子聚合物鉆井液體系 特點： 能有效地降低鉆井液的結(jié)構(gòu)粘度 能使非結(jié)構(gòu)粘度降低，特別是也有所降低，下降的越多越好。 在保證良好鉆井液工藝性能的前提下能增強(qiáng)而不是削弱體系的抑制能力。 兩性離子聚合物：現(xiàn)有產(chǎn)品主要有兩個型號：降粘劑(X

12、Y)、強(qiáng)包被劑(FA) 降粘劑（XY系列） 分子量較小（10000） 分子鏈中同時具有陽離子基團(tuán)（10-40%）、陰離子基團(tuán)（20-60%）和非離子基團(tuán)（0-40%）% 是線性兩性離子聚合物。 強(qiáng)包被劑 引入陽離子基團(tuán)的線性大分子主聚物，用來抑制頁巖分散和增加鉆井液粘度。, 陽離于聚合物鉆井液： 定義：由高分子量的大陽離子聚合物和低分子量的小陽離子季銨鹽配置出的鉆井液。 適用范圍：主要解決泥頁巖中粘土膨脹引起井壁坍塌和儲層中的粘土礦物膨脹引起水敏損害的問題。常用于水敏性較強(qiáng)的儲層。 優(yōu)點：抑制儲層水敏性損害的能力比較強(qiáng)。 缺點：成本較高、性能控制和維護(hù)比較因難。, 屏蔽暫堵鉆井液 1. 定義：

13、該體系是在暫堵型鉆井液和改性鉆井液基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型保護(hù)油氣層鉆井完井液技術(shù)。 2. 適用范圍：該項技術(shù)主要解決多壓力層系儲層的長裸眼井段鉆井，并采用射孔完成的孔隙型油氣藏的保護(hù)問題。 3. 優(yōu)點：屏蔽暫堵鉆井完井液技術(shù)的優(yōu)點是成本低、適用于多壓力層系儲層、工藝比較簡單、具有較好的保護(hù)儲層效果。 4. 缺點：缺點是地層孔喉資料很難取得和多層系儲層有時孔喉相差較大，給暫堵劑粒徑的選擇帶來不準(zhǔn)確性，以及屏蔽暫堵鉆井完井液技術(shù)目前還不適用于裂縫性油氣層和要進(jìn)行中途測試的探井。, 正電膠鉆井液 1. 定義：該體系又稱為MMH鉆井液。MMH為一種混合金屬層狀氫氧化物。該鉆井液體系的特征是配方中含有混合

14、金屬層狀氫氧化物MMH。 2. 優(yōu)點：應(yīng)用范圍廣、具有抑制地層造漿的能力、防止井壁坍塌的效果好、提高機(jī)械鉆速明顯、攜屑能力強(qiáng)、可有效地清除水平井的巖屑床、保護(hù)油氣層的效果好。 3. 缺點：缺點是濾失量較大、在強(qiáng)造漿地層中使用時增稠嚴(yán)重。, 甲酸鹽鉆井完井液 1. 定義：甲酸鹽鉆井完井液體系主要由甲酸的堿金屬(鉀、鈾、鉛)鹽、聚合物增粘劑和降濾失劑等組成，其中甲酸的堿金屬鹽為鉆井完井液提供適當(dāng)?shù)拿芏?，在不加固相加重劑的情況下，通過改變使用的甲酸堿金屬鹽類型和加量，可使甲酸鹽鉆井完井液體系的密度達(dá)到1.72.3g/cm3。 2. 優(yōu)點：循環(huán)壓降小、腐蝕性小、極易生物降解、對環(huán)境污染小、可使增粘劑和

15、降濾失劑熱穩(wěn)定性提高到150、易于配制、維護(hù)簡單、保護(hù)儲層效果好。 3. 缺點：成本高。, 無滲透鉆井液技術(shù) 定義：該鉆井液主要由增粘劑、動態(tài)降濾失劑、潤滑劑等組成，是一種可以在超低固相含量下，使所鉆地層損害接近于零的鉆井液。 特點：無侵入鉆井完井液體系濾失量接近于零，具有封堵作用，抑制性強(qiáng)，能有效保護(hù)油氣層。目前國內(nèi)對該技術(shù)已開始進(jìn)行研究。 作用機(jī)理：無滲透鉆井完井液技術(shù)的核心是一種高分子量表面活性劑(油溶或水溶)，它具有極其廣泛的HLB值，能有效封堵儲層。當(dāng)加入水基液中時，該聚合物形成可變形的聚集體或膜(膜在溶液中是分子成組式的，形成球狀、棒狀和片狀)，在井眼內(nèi)液體的壓力下，這些膜迅速地封

16、閉地層喉道，從而大大限制了流體的侵入；當(dāng)壓力繼續(xù)增大時，由于這些成層的膜是可以變形的，從而更好地封閉地層孔隙喉道，進(jìn)一步降低了滲透率。, 硅酸鹽鉆井完井液 1. 定義：添加有35%硅酸鹽的鉆井液。 2. 優(yōu)點：硅酸鹽鉆井完井液能夠穩(wěn)定各種復(fù)雜地層，具有類似于油基鉆井液的優(yōu)良抑制穩(wěn)定性能，無毒、無熒光、低成本。 3. 作用機(jī)理： 膨潤土對硅酸鹽的吸附在粘土顆粒端面進(jìn)行，水化分散的粘土顆粒在端面吸附帶負(fù)電的硅酸根微粒后，難以再形成凝膠結(jié)構(gòu)，從而使粘度和切力降低；尚未水化分散的粘土顆粒端部層片間隙被硅酸膠粒封堵住，水分很難進(jìn)人粘土內(nèi)，從而粘土不能分散，粘度和切力都不能升高； 硅酸鹽有降低頁巖水化趨勢

17、的作用。 硅酸鹽與地層礦物之間的化學(xué)反應(yīng)。,(十一) 聚合醇(PEM)鉆井完井液 1. 定義：含有一定數(shù)量聚合醇的鉆井液。 聚合醇：在我國也被稱為多元醇、復(fù)合醇，包括聚乙二醇、聚氧丙烯多元醇、聚丙三醇、聚乙二醇、聚合甘油、芳基聚乙二醇等。 2. 優(yōu)點： 能夠有效地抑制泥頁巖水化膨脹，穩(wěn)定井壁； 潤滑性好，能防止卡鉆、提高鉆速； 保護(hù)儲層； 與其他處理劑配伍性好； 易降解、對環(huán)境無污染等。,3. 作用機(jī)理： (1) 濁點機(jī)理：具有濁點特性，當(dāng)鉆井液的井底循環(huán)溫度高于濁點時，PEM 發(fā)生相分離，不溶解的聚合物能封堵泥頁巖的孔喉，阻止鉆井液濾液進(jìn)入地層；同時相分離作用使聚合醇分子粘附在頁巖的表面，形成涂層，進(jìn)一步抑制了濾液的侵入而穩(wěn)定井壁。 (2) 吸附機(jī)理：聚合醇類分子鏈自動在鉆屑表面強(qiáng)烈吸附而形成一層惜水性的分子膜，抑制鉆屑的水化分散；該分子膜類似于油的半透膜，可降低鉆具的扭矩，提高井壁的穩(wěn)定性；一定量的聚乙二醇在粘土表面形成有序的單層或雙層復(fù)合物時，水從粘土中排出，降低了膨脹壓。,(3)滲透機(jī)理：聚合醇類分子能降低鉆井液濾液的化學(xué)活性而穩(wěn)定井壁。 (4)增粘機(jī)理：聚合醇 的