钻井液完井液化学1

钻井完井液化学DrillingFluidsandCompletionFluidsChemistry主讲：梁大川石工院钻井所泥浆室CNPC钻井液重点研究室2第一章、钻井液概论本章要求掌握：•钻井液、完井液概念。•钻井液、完井液的组成和类型。•钻井液、完井液的主要作用。•钻井液基本性能参数。•钻井液技术发展简史.3第一节、钻井液、完井液的定义狭义钻井液——粘土以小颗粒状态(‹2um)分散在水中所形成的溶胶悬浮体。(泥浆,mud)广义钻井液——凡钻进中一切有助于从井眼产生和清除钻屑的流体（液、气、液+气）。(drillingfluid)广义完井液——一切与产层接触的流体（各种盐水、聚合物溶液、钻井液、泡沫等）。(completionfluid)狭义完井液——钻开油气层的钻井液（钻开液）。(drillinfluid)4第二节、钻井液的组成、类型及性能1.钻井液的组成分散介质+分散相+化学处理剂连续相+不连续相液相+固相+化学处理剂5分散相与分散介质分散相——在多相分散体系中，被分散的物质。分散介质——分散相所在的连续介质。分散体系——一种或多种分散相分散在分散介质中所形成的体系。例如：钻井液中，粘土颗粒分散在水中:——粘土为分散相；——水为分散介质。6组分举例某种水基钻井液组分为：水+膨润土+处理剂100ml5g1g用组分表示的配方为：5%膨润土浆+1%处理剂配方表示的特点：用W/V百分数表示组分。不考虑处理剂的体积。7钻井液的组成示例82.钻井液的分类通常根据分散介质分为四大类：水基钻井液（Water-BaseDrillingFluids）油基钻井液（Oil-BaseDrillingFluids）气基钻井流体（Gas-BaseDrillingFluids）合成基钻井液(Synthetic-BaseDrillingFluids)9概论——钻井液的分类液体气体气－液混合物水基钻井液泡沫（以气为主）充气泥浆（以液为主）空气天然气油基钻井液合成基钻井液10%10:)/(%4)(:)367(/120:)/()/%(1:)(/120%;1:222OilWaterOilVVSFAPAMLmgCaCaCLVWNaCLLmgCaNaCL混油低固相石灰石膏钙处理海水饱和盐水淡水水基浆固%.90:%.60~10:)/(OilWaterOW一般油基油包水油基一般分类11API和IADC分类法•不分散钻井液（基本不含处理剂的天然泥浆）-non-disperseddrillingfluids•分散型钻井液-disperseddrillingfluids•聚合物钻井液-polymerdrillingfluids•低固相钻井液-lowsolidsdrillingfluids•饱和盐水泥浆-saturatedsaltwaterdrillingfluids•钙处理钻井液-calcium-treateddrillingfluids•修井液，完井液-workover,completionfluids•油基钻井液-oil-baseddrillingfluids•气体类钻井液-gas–typeddrillingfluids12石油钻井工程标委会钻井液分委会综合分类法•不分散聚合物钻井液（用大中小分子聚合物处理的低固相泥浆）•钾基钻井液,K+≮1800mg/L•分散钻井液•盐水钻井液•饱和盐水泥浆•钙处理钻井液•修井液，完井液•油基钻井液•气体类钻井流体13钻井液循环路线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143.钻井液的主要作用携带、悬浮岩屑及加重材料控制压力形成泥饼破岩、清岩保护油气层传递水功率冷却润滑钻头15钻井液的主要作用保持清洁；控制压力；冷却润滑；防止垮塌；避免损害；取准资料；传递功率；承受重量；164、钻井液的性能•钻井液的密度(Density)•钻井液的流变性(RheologicalProperties)•钻井液的失水造壁性(FiltrationProperties)•钻井液的含砂量(SandcontentofDF)•钻井液的pH值•钻井液的固相含量和油、水含量•钻井液膨润土含量(MBT)•钻井液的润滑性(Lubricity)•钻井液滤液的化学性质（碱度、硬度、Cl-含量、….）17•平衡地层压力，防止井喷、井漏和钻井液受地层流体的污染；•平衡地层压力，保持井壁稳定，防止井塌；•实现近平衡钻井技术，减少压持效应，提高机械钻速；•合理选择打开油气层的钻井液密度，减少钻井液对产层的伤害。•用比重秤测定。钻井液密度18钻井液的含砂量–定义:钻井液中不能通过200目筛的固相的体积占钻井液体积的百分数。一般要求小于0.5％。(＞74µm)–含砂量过高带来的危害：•钻井液密度升高，降低机械钻速；•泥饼中含砂量升高，泥饼渗透率增大，失水增大；•泥饼表面摩擦系数增加；•钻头、钻柱、泵等机械设备磨损严重。19钻井液的pH值–由于钻井液中使用的化学处理剂在碱性条件下才能溶解，而酸性环境对钻井设备上的橡胶部件有严重的腐蚀作用，所以，绝大多数钻井液体系的PH值都控制在7以上。–不分散型钻井液体系：PH=7.5~8.5–分散型钻井液体系：PH10–钙处理钻井液体系:PH1120钻井液膨润土含量（MBT）–钻井液中活性粘土的数量。–水基钻井液都有一个合适的膨润土含量，MBT过高，钻井液的粘度、切力增大，泥饼增厚，容易造成井下事故。MBT过小，钻井液的粘度、切力急剧下降，失水增大。21钻井液不应具有的性能•伤害钻井人员，损害或污染环境•影响对所钻地层的评估•对产层产生伤害•对钻井设备和管材造成较大腐蚀•Detrimentaltotheoperatorsandenvironment.•Detrimentaltotheformationevaluation.•Causeanyformationdamage.•Causeanycorrosionofthedrillingequipmentandsubsurfacetubulars.22优质钻井液的标准•有利于安全、快速、优质、低耗钻井；•有利于取全、取准各项工程、地质资料；•有利于发现、保护油气层;•有利于保护环境。23钻井液工作的基本任务•根据所钻井类型、地层特性、孔隙及破裂压力、井温、测井及环保要求等正确选择钻井液类型；•自始至终维护、保持良好的钻井液性能；•预防、诊断及处理各种井下复杂情况和事故；•保证安全顺利钻井前提下，尽可能降低钻井液成本。•根据地质及钻井工程需要研究新型钻井液处理剂、体系及工艺技术。24第三节、钻井液工艺技术的发展1初步发展时期——自然造浆阶段1888~1928年主要解决问题：携带钻屑控制地层压力典型技术：水+钻屑+地面土使用重晶石、铁矿粉（1920年以后)252.快速发展时期——细分散泥浆阶段1928~1948年主要解决问题：–泥浆性能的稳定–井壁稳定典型技术：–一些泥浆性能测试仪器研制出来–使用膨润土、单宁、烧碱、褐煤等处理剂.263.高速发展阶段——粗分散泥浆阶段1948~1965年主要解决问题：石膏、盐污染温度影响典型技术：各种盐水、钙处理泥浆油基泥浆处理剂品种16大类274.科学发展时期——聚合物不分散低固相钻井液阶段1965年~现在主要解决问题：快速钻井保护油气层典型技术：不分散低固相钻井液气体钻井保护油气层的完井液28国内钻井液技术发展特点•同样经历了这些阶段，但滞后一定时间;•水基体系的研究应用比油基体系多;•深井水基钻井液、防塌钻井液、聚合物钻井液理论较成熟；•成功研制了一些钻井液处理剂，如FA367,XY27,SMP,80A51等；•成功应用了一些钻井液体系，如三磺体系，两性离子聚合物体系，聚磺体系等；•研制了大量钻井液性能评价仪器；•钻井液工艺技术日益提高：预防和减少了各种井下复杂，保证了常规井及各种特殊井的完成。•计算机应用及固控技术相对滞后。29预测钻井液技术发展方向–钻井液强化稳定井壁技术–复杂地质条件下深井、超深井、大位移井钻井液技术–新型钻井液体系及其处理剂的研制与应用–废弃钻井液的处理技术–保护油气层的钻井液技术–低密度钻井液完井液体系及技术–恶性漏失的防治技术–……30课程内容包括•三大基础：o粘土胶化o流变学o处理剂化学•三大体系：o水基o油基o气体类•两大工艺：o固控技术o复杂情况预防及处理•两大技能：o钻井液、完井液配制o钻井液、完井液性能测试31课程特点及要求•涉及领域宽，属应用学科。•要求掌握基本概念、基本原理、基本计算、基本实验技能；•了解钻井液完井液体系及应用工艺、发展方向和动态。32主要参考书刊•李健鹰编著,泥浆胶体化学•H.范.奥尔芬,粘土胶体化学导论(译本)•G.R.格雷,钻井液的组成与性能(译本)•鄢捷年，钻井液工艺学，•张绍槐等编著,保护储集层技术•张孝华等编著,现代泥浆实验技术•期刊:钻井液与完井液、油田化学、石油钻采工艺、石油学报、石油钻探技术、石油学院学报等33习题：1、9、1034第二章、粘土胶体化学基础本章要求重点掌握内容：1.几种粘土矿物的晶体构造及其特点。2.粘土水化机理。3.扩散双电层理论和电解质对电动电势的影响。4.胶体体系的基本概念。5.聚结稳定性和沉降稳定性概念及其影响因素。35学习本章的意义•粘土是配浆的基础材料•泥浆是粘土水的溶胶悬浮体•地层造浆、井壁稳定、储层保护等均与地层粘土矿物有关。所以，必须学习粘土矿物及胶体化学基本知识。36几个概念•粘土胶体化学：在一般胶体化学规律指导下，专门研究粘土胶体的生成、破坏和物理化学性质的科学。•狭义胶体：胶体大小（三维中任一维尺寸在1-100nm之间）的微粒分散在另一种连续介质中所形成的分散体系。•广义胶体：包括粗分散体系（悬浮体、乳状液、泡沫）；溶胶；高分子真溶液；缔合胶体。37几个基本概念1.相和相界面相——物质的物理化学性质都完全相同的均匀部分。如果体系中有两个或两个以上的相，称为多相体系。相界面——相与相之间的宏观物理界面。在相互接触的两相中：若一相为气体，相界面称为表面。若是液/固分界面，称为界面。38分散度和比表面分散度——分散相的分散程度。含形状，级配，粒度中值等概念比表面——单位体积（重量）物质的总表面积。比表面=S/V（S/W）,一般用cm-1,cm2/g示之。39分散相分散介质名称例液气气液溶胶雾固气气固溶胶灰尘、烟气液泡沫泡沫液液乳状液牛奶、O/W、W/O固液溶胶、悬浮体泥浆气固固态泡沫面包液固固态乳状液珍珠固固固体悬浮体合金分散体系分类（按聚集状态）40胶体分散体系（憎液溶胶）的基本性质•多相性•高度分散性比表面积大•聚结不稳定性易聚结合并或吸附41钻井液体系的复杂性钻井液体系中的化学反应是钻井液体系研究与应用的基础。钻井液体系是相当复杂的多元体系，液相、固相（活性的和惰性的）、溶解的盐和碱（因而产生各种金属阳离子和多种阴离子）、多种溶解的和（或）溶胀的改性天然聚合物和合成聚合物等共存于一个体系中，又遭受到诸如温度、压力、各种污染物、剪切、静止等因素的影响。这种复杂体系中各种组份间的化学反应，特别是高温、高压条件下的化学反应是影响钻井液体系的性能和稳定性的关键因素。42钻井液体系的复杂性•粘土矿物与碱、金属离子间的反应，粘土矿物的溶解和转化，粘土矿物的高温分散、胶凝，聚合物的生物降解、高温降解和交联，盐、聚合物的溶解和沉淀，吸附与脱附、离子效应、固相颗粒的表面电荷、表面活性效应等等，再加上固相颗粒的聚结和分散、絮凝和解絮凝等，若干反应同时发生、互相影响、互相制约，从而使得作为这些不同反应综合效应的体系性能和稳定性难以预料，难以确定。•同时，过分复杂的组分及其组分间的不同反应和影响也造成研究工作特别是定量研究工作的难度。因此，由高效能处理剂组成的、组分简单的钻井液体系的研究应是复杂地质条件下深井、超深井钻井液研究工作的出发点和目标，特别是在抗高温高密度钻井液的研究工作中。43第一节、主要粘土矿物的晶体构造和特点粘土：主要由粘土矿物和少量非