第七章钻井液体系简介

钻井液体系简介钻井液工艺原理电子教案第二章上一内容下一内容回主目录返回钻井液工艺原理电子教案—第七章上一内容下一内容回主目录返回•本章要点：•1、了解常见钻井液体系及其特点•2、了解几种新型钻井液及其特点上一内容下一内容回主目录返回§7-1分散钻井液由淡水、配浆膨润土和各种分散剂（对粘土、钻屑起分散作用的处理剂）配制而成的水基钻井液称为分散钻井液。为了与钙处理钻井液相区别，有时又称为细分散钻井液或淡水钻井液。它是油气钻井中最早使用并且使用时间相当长的一类水基钻井液。随着钻井液工艺技术的不断发展，虽然分散钻井液的使用范围已不如过去广泛，但由于它配制方法简便、处理剂用量较少，成本较低，适于配制密度较大的钻井液，某些体系还具有抗温性较强等优点，因此仍在许多地区的一些井段上使用。特别是在钻开表层时，至今仍然普遍使用。1．膨润土及原浆的配制通常将以蒙脱石为主要成分的配浆土称为膨润土(Bentonite)。主要作用膨润土逐渐分散在淡水中致使泥浆的粘度、切力不断增加的过程称为造浆，每吨粘土能配出表观粘度为15mpa·s的钻井液体积称做粘土的造浆率。在配置原浆时，还需要加入适量的纯碱，以提高粘土的造浆率。纯碱的加量以粘土中钙离子的含量而异，可通过实验确定。一般约为粘土质量的5％。加入纯碱的目的是除去粘土中的部分钙离子，将钙质粘土转化为钠质粘土，从而使粘土颗粒的水化作用进一步加强，分散程度进一步提高。因此，在原浆中加入适量纯碱，一般可以使表观粘度增大、切力升高、滤失量降低。如果随着纯碱的加入滤失量增加，则纯碱过量。一、分散钻井液的组成2、分散剂和钻井液的典型组成用于分散型钻井液的降粘剂（分散剂）种类较多，主要降粘剂有丹宁碱液、铁铬木质素磺酸盐、褐煤及其改性产品；主要降滤失剂有：钠羧甲基纤维素CMC、聚阴离子纤维素、磺化褐煤或磺化酚醛树脂；烧碱调节pH值；重晶石做加重剂。国内深井、超深井使用的抗高温钻井液-三磺钻井液配方：磺化丹宁或磺化栲胶、磺化褐煤、磺化酚醛树脂。重铬酸钾和Span-80提高抗温性。二、分散钻井液的特点分散钻井液的主要特点是粘土在水中高度分散，正是通过高度分散的粘土颗粒使钻井液具有所需的流变和降滤失性能。1、优点：(1)配制方法简便、成本较低；(2)泥饼较致密，韧性好，具有较好的护壁性，API滤失量和HTHP滤失量均相应较低；(3)固相容量高，适于配制高密度钻井液，密度可高达2.00g／cm3以上；(4)抗温能力较强，比如以磺化栲胶、磺化褐煤和磺化酚醛树脂为主处理剂的三磺钻井液是我国常用于钻深井的分散钻井液体系，抗温可达160-200℃。2、缺点：分散钻井液在使用、维护过程中存在难克服的缺点和局限性：(1)性能不稳定，容易受粘土和可溶性盐类的污染。钻遇盐膏层时，少量石膏、岩盐就会使钻井液性能发生较大的变化；(2)滤液的矿化度低，容易引起井壁附近的泥页岩水化、松散、垮塌，并使井壁的岩盐溶解，即钻井液抑制性能差，不利于防塌；(3)体系中固相含量高，特别是粒径小于1um的亚微米颗粒所占比例相当高，因此对机械钻速有明显的影响，尤其不宜在强造浆地层中使用；(4)滤液侵入易引起粘土膨胀，因而不能有效地保护油气层，钻遇油气层时必须加以改造才能达到要求。三、钻井液的受侵及其处理其中最常见的是钙侵、盐侵和盐水侵，此外还有Mg2+、CO32-、H2S和O2等造成的污染。1．钙侵Ca2+进入钻井液的途径：(1)石膏层；(2)盐水层，因地层盐水中一般含有Ca2+；(3)水泥塞，因水泥凝固后产生氢氧化钙；(4)配浆水是硬水；(5)用石灰做钻井液添加剂等。处理方法：一是在钻达含石膏地层前转化为钙处理钻井液；二是使用化学剂将Ca2+清除。通常是根据滤液中Ca2+浓度，加入适量纯碱除去钻井液中的Ca2+，这种处理方法的好处是，既沉淀掉Ca2+，多出的Na+又将钙蒙脱石转变为钠蒙脱石。但注意纯碱不要加量过多，以免引起CO32-的污染。如果是水泥引起的污染，由于Ca2+和OH—同时进入钻井液，致使钻井液的pH值偏高。这种情况下，最好用碳酸氢钠(NaHCO3)或SAPP(即酸式焦磷酸钠，Na2H2P207)清除Ca2+。危害：除在钙处理钻井液和油包水乳化钻井液的水相中需要一定浓度的Ca2+外，在其它类型钻井液中Ca2+均以污染离子存在。虽然CaSO4和Ca(OH)2在水中的溶解度都不高，但都能提供一定数量的Ca2+，试验表明，几万分之一的Ca2+就足以使钻井液失去悬浮稳定性。其原因主要是由于Ca2+易与钠蒙脱石中的Na+发生离子交换，使其转化为钙蒙脱石，而Ca2+的水化能力比Na+要弱得多，因此Ca2+的引人会使蒙脱石絮凝程度增加，致使钻井液的粘度、切力和滤失量增大。2、盐侵和盐水侵当钻遇岩盐层时，由于井壁附近岩盐的溶解使钻井液中NaCl浓度迅速增大，从而发生盐侵；钻达盐水层时，若钻井液的静液压力不足以压住高压盐水流，盐水便会进入钻井液发生盐水侵。钻井液的流变和滤失性能将发生较大的变化。（1）变化规律及作用机理：规律：粘度、切力先增加后减小；失水一直增大。作用机理：钻井液中的粘土矿物由于晶格取代其颗粒表面带有负电荷，吸附阳离子形成扩散双电层。随着进入钻井液的Na+浓度不断增大，从而压缩双电层，扩散层厚度减小，ξ电位下降，粘土颗粒问的静电斥力减小，水化膜变薄，颗粒的分散度降低，颗粒之间端—面和端—端连接的趋势增强。由于絮凝结构的产生，导致钻井液的粘度、切力和滤失量均逐渐上升。此时如不及时处理，钻井液的稳定性将完全丧失。当NaCl浓度在3％左右时，分散钻井液的粘度和切力分别达到最大值。盐侵的另一表现是随含盐量增加，钻井液的pH值逐渐降低，其原因显然是由于Na+将粘土中的H+及其它酸性离子小断交换出去所致。（2）处理当钻井液受到盐侵或盐水侵之后，欲采取化学方法除去钻井液中的Na+是十分困难的，因此目前常用的处理方法是及时补充抗盐性强的各种处理剂，将分散钻井液转化为盐水钻井液。例如，降滤失剂CMC的分子链中含有许多羧钠基(—COONa)。这是一种强水化基团，并且电离后生成的羧基(—COO—)带有负电荷，因而可以使被Na+压缩双电层所降低的C电位得到补偿。因此，CMC的加入可有效地阻止粘土颗粒间相互聚并的趋势，有助于保持钻井液的聚结稳定性，使其在盐侵后仍然具有较小的滤失量。除CMC外，聚阴离子纤维素、磺化酚醛树脂和改性淀粉等也是常用的抗盐降滤失剂，铁铬盐(FCLS)等是常用的抗盐稀释剂。海泡石和凹凸棒石等抗盐粘土是用于配制盐水钻井液以及对付盐侵、盐水侵的优质材料，但由于我国受矿源的限制，至今未广泛使用。3．二氧化碳污染在许多钻遇的地层中含有CO2，当其混入钻井液后会生成HCO3—和CO32—，溶液呈弱酸性，钻井液pH值下降。影响规律：流变参数，特别是动切力受HCO3—和C032-的影响很大，尤其高温下的影响更为突出。一般随着HCO3—浓度增加动切力呈上升趋势；而随着CO32—浓度增加，动切力则先减后增。处理：由于经这两种离子污染后钻井液性能很难用加入处理剂的方法加以调整，因此只能用化学方法将它们清除。通常加入适量Ca(OH)2即可清除这两种离子，由于pH值的升高，体系中的出来的Ca2+除去CO32—。这两者并不矛盾，恰恰表明在不同的受污染情况下，应采取不同的处理方法。在容易引起CO2污染的井段，HCO3—和C032—对钻井液性能的危害性明显大于Ca2+，经验证明，此时在钻井液中始终保持50～75mg／l的Ca2+是适宜的。酸碱度与碳酸根、碳酸氢根的关系a.Pf=0,只有HCO3－b.Pf=Mf,只有OH－c.2Pf=Mf,只有CO32－4．硫化氢污染H2S主要来自含硫地层，此外某些磺化有机处理剂以及木质素磺酸盐在井底高温下也会分解产生H2S。H2S对人有很强的毒性，在其浓度为800mg／L以上的环境中停留就可能因窒息而导致死亡。同时，H2S对钻具和套管有极强的腐蚀作用。总的腐蚀过程可用下式表示：(臭鸡蛋味)Fe+xH2S＝FeSx+xH2关于腐蚀的机理，目前普遍认为是由于氢脆的发生。H2S在其水溶液中分两步电离，即当pH＝8～11时：H2SH十+HS—当pH12时，则发生：HS—H十+S2—HS—+OH—S2—十H20由于H2S、HS—、S2—以及FeSx等的存在，电离出的H+会迅速地吸附在金属表面，并进而渗入金属晶格内，转变为原子氢。当金属内有夹杂物、晶格错位现象或其它缺陷时(通常都比较严重)，原子氢便在这些易损部位聚结，结合成H2。由于该过程在瞬间完成，氢的体积骤然增加，于是在金属内部产生很大应力，致使强度高或硬度大的钢材突然产生晶格变形，进而变脆产生微裂缝，通常将这一过程称做“氢脆”。在拉应力和钢材残余应力的作用下，钢材上因氢脆而引起的微裂缝很容易迅速扩大，最终使钢材发生脆断破坏。因此，一旦发现钻井液受到H2S污染，应立即进行处理，将其清除。目前一般采取的清除方法是加入适量烧碱，使钻井液的pH值保持在10以上。当pH值＝7.0时，H2S与NaOH之间的反应如下：H2S+NaOH＝NaHS+H2O当pH值＝9.5时，反应为：NaHS+NaOH＝Na2S十H205．氧的污染危害：加速对钻具的腐蚀。形式：坑点腐蚀和局部腐蚀。降低钻具的疲劳寿命。来源：大气，通过泥浆池、高压泥浆枪和泥浆泵等设备在钻井液的循环过程中被混人，其中一部分氧溶解在钻井液中，直至饱和状态。试验表明，氧的含量越高，腐蚀速度则越快。如果钻井液中有H2S或C02气体存在，氧的腐蚀速度会急剧增加。氧腐蚀的化学反应式可表示为：4Fe+302----2Fe203钻井液中氧的清除首先应考虑采取物理脱氧的方法，即充分利用除气器等设备。将钻井液的pH值维持在10以上也可在一定程度上抑制氧的腐蚀，这是由于在较强的碱性介质中，氧对金属铁产生钝化作用，在钢材表面生成一种致密的钝化膜，因而腐蚀速率降低。最有效方法是化学清除法，即除氧剂，降低钻井液中氧的含量。常用的除氧剂有亚硫酸钠(Na2SO3)、亚硫酸铵[(NH4)2SO3]，二氧化硫(SO2)和肼(N2H4)等，其中以使用亚硫酸钠最为普遍。它们与氧之间的反应可分别表示为：2Na2SO3十02＝2Na2S046.清除污染物所需处理剂用量的确定在判断出进入钻井液的是何种污染物，并已决定选用何种处理剂将其清除之后，剩下的问题就是如何确定处理剂的用量。由于采取的是化学清除方法，因此确定处理剂用量的基本原则是：所用处理剂与污染物在钻井液滤液中的当量浓度应保持相等。第三节粘土的水化膨胀作用钻井液工艺原理电子教案第二章§7-2钙处理钻井液钙处理钻井液是在使用分散钻井液的基础上，于20世纪60年代发展起来的具有较好的抗盐、抗钙污染能力和对泥页岩水化具有较强抑制作用的一类钻井液。该类钻井液体系主要由含钙离子的无机絮凝剂、降粘剂和降滤失剂组成。由于体系中粘土颗粒处于适度絮凝的粗分散状态，因此又称之为粗分散钻井液。目前常用的无机絮凝剂有三种：石灰、石膏和氯化钙。用石灰处理的钻井液成为石灰钻井液，石膏处理的钻井液石膏钻井液，同理氯化钙钻井液。为了进一步增强其抑制性能，采用石灰和KOH联合处理，又发展了一种新型的钾石灰钻井液。这四种钙处理钻井液都是以Ca2+提供抑制性化学环境，使钻井液中的钠土转变为钙土，从而使粘土颗粒由高度分散转变为适度絮凝。钙处理钻井液可在很大程度上克服细分散钻井液的缺点，具有防塌、抗污染和在含有较多Ca2+时使性能保持稳定的特点。一、钙处理钻井液的配制原理及特点Ca2+改变粘土分散度的作用机理，可以从以下两方面来理解。一方面，Ca2+通过Na+／Ca2+交换，将钠土转变为钙土。钙土水化能力弱，分散度低，故转化后体系分散度明显下降。转化的程度取决于粘土的阳离子交换容量和滤液中Ca2+的浓度。粘土的阳离子交换容量越高，所吸附Ca2+的量就越大。同时，通过控制滤液中Ca2+的浓度，可以控制钠土转变为钙土的数量，从而控制钻井液中粘土的分散度。另一方面，Ca2+本身是一种无机絮凝剂，会压缩粘土颗粒表面的扩散双电层，使水化膜变薄，电动电位下降，从而引