34钻井液性能及其测试

钻井液性能及其测试蔡记华按照API推荐的钻井液性能测试标准，需检测的钻井液常规性能包括：密度、漏斗粘度、塑性粘度、动切力、静切力、API滤失量、HTHP滤失量、pH值、碱度、含砂量、固相含量、膨润土含量和滤液中各种离子的质量浓度等。一、钻井液密度1.钻井液密度与安全密度窗口钻井液的密度是指每单位体积钻井液的质量，常用g/cm3(或kg/m3)表示。在钻井工程上，钻井液密度和泥浆比重(Mudweight)是两个等同的术语。其英制单位通常为lbm/ga1(即磅/加仑，或写做ppg)，1g/cm3等于8.331bm/ga1。钻井液密度是确保安全、快速钻井和保护油气层的一个十分重要的参数。通过钻井液密度的变化，可调节钻井液在井筒内的静液柱压力，以平衡地层孔隙压力时亦用于平衡地层构造应力，以避免井塌的发生。安全密度窗口（△P）井漏井喷复杂情况坍塌钻具厚泥饼卡钻安全密度窗口：安全钻进时的泥浆密度范围坍塌压力P塌和泥浆压力P泥井眼形成后，地应力在井壁上的二次分布所产生的指向井内引起井壁岩石向井内移动的应力，称为井壁（地层）坍塌应力P塌。P塌一旦产生（P塌≥0），井壁岩石必然逐渐掉（挤）入井中（垮塌）。钻井过程中P塌可以（也只能）用井内泥浆液柱压力来有效地平衡，P泥≥P塌时则井壁保持稳定；P泥＜P塌时，则发生井塌。泥浆压力P泥和破裂压力P破除了P塌之外，裸眼井段还有地层流体压力（P地）和地层破裂压力P破（P漏）等两个地层压力。钻进过程中，我们人为施加的是泥浆压力P泥。当P泥＞P破（P漏）则发生井漏；P泥＜P地时，则发生井涌或井喷。安全密度窗口问题分析常规地层井口易漏，低P破P泥P泥低压地层高压地层易喷地层，高P地常规地层P塌、P地P泥P破(P漏)安全密度窗口△P=P破－P地（P塌）2.钻井液密度的测量钻井液密度是用一种专门设计的钻井液比重秤(MudBalancer）测得的，比重秤的外观如下图所示。测定时，首先在泥浆杯中盛满钻井液，盖上计量盖，然后用棉纱布擦净从计量盖小孔溢出的钻井液。再将比重秤刀口放置在底座的刀垫上，不断移动游码，直至水平泡位居两条线的小央。此时游码左侧的到度即表示所测量钻井液的密度。用清水校正：用淡水注满洁净、干燥的样品杯，盖上杯盖并擦干样品杯外部，把密度计的刀口放在刀垫上，将游码左侧边线对准刻度1.00g/cm3处，观察密度计是否平衡（平衡时水平泡位于中央），如不平衡，在平衡圆柱上加上或取下一些铅粒，使之平衡。3.钻井液密度的调整加入重晶石等加重材料是提高钻井液密度最常用的方法。在加重前，应调整好钻井液的各种性能，特别要严格控制低密度固相的含量。一般情况下，所需钻井液密度越高，则加重前钻井液的固相含量及粘度、切力应控制得越低。加入可溶性无机盐也是提高密度较常用的方法。如在保护油气层的清洁盐水钻井液中，通过加入NaCl，可将钻井液密度提高至1.20g/cm3左右。常用的加重剂重晶石（BaSO4）(ρ=4.2～4.6)石灰石（CaCO3）(ρ=2.7～2.9)菱铁矿（FeCO3）(ρ=3.7～3.9)用作钻井液的加重材料方铅矿（PbS）(ρ=7.5～7.6)CaCO3可作暂堵剂钛铁矿（FeTiO3）或[TiO2·Fe2O3](ρ3.0)铁矿粉（Fe2O3）(ρ=4.9～5.3)为实现平衡压力钻井或欠平衡压力钻井，有时需要适当降低钻井液的密度。通常降低密度的方法有以下几种：最主要的方法是用机械和化学絮凝的方法清除无用固相，降低钻井液的固相含量。加水稀释。但往往会增加处理剂用量和钻井液费用。混油。但有时会影响地质录并和测并解释；钻低压油气层时可选用充气钻井液等。二、钻井液流变性钻井液的流变性(RheologicalProPertiesofDrillingF1uids)是指钻井液流动和变形的特性。该特性通常是由不同的流变模式及其参数来表征的，最常用的流变模式为宾汉和幂律模式。其中宾汉模式的参数为塑性粘度(PlasticViscosity)和动切力(YieldPoint)；幂律模式的参数为流性指数(FLowBehaviorIndex)和稠度系数(ConsistencyIndex)。此外，漏斗粘度(FunneLVisosity、表现粘度(ApparentViscosity)和静切力(GelStrength)等也是钻井液的重要流变参数由于钻井液的流变性与携岩、井壁稳定、提高机械钻速和环空水力参数计算等一系列钻井工作密切相关，因此它是钻井液最重要的性能之一。有关内容将在后面的教学工作中重点阐述。钻井液流变性的测量马氏漏斗：ZMN型马式漏斗粘度计由锥体马式漏斗、孔径1.6mm的滤网和946ml量杯组成。锥体上口直径152mm，锥体下口直径与导流管直径4.76mm，锥体长度305mm，漏斗总长356mm，筛底以下的漏斗容积1500ml。苏式漏斗粘度计该粘度计由漏斗和量筒组成。构造如图3。量筒由隔板分成两部分，大头为500ml，小头为200ml，漏斗下端是直径为5mm，长为100mm的管子。旋转粘度计液体放置在两个同心圆筒的环隙空间内，电机经过传动装置带动外筒恒速旋转，借助于被测液体的粘滞性作用于内筒一定的转矩，带动与扭力弹簧相连的内筒一个角度。该转角的大小与液体的粘性成正比，于是液体的粘度测量转换为内筒转角的测量。6个读值：φ600,φ300,φ200，φ100,φ6,φ3ΩυRR·γ·γ12常用流变参数计算关于切力在600r/min下搅拌60s，静止10s后在3r/min下读取并记录最大读数值再在600r/min下搅拌60s，静止10min后在3r/min下读取并记录最大读数值。三、钻井液的滤失造壁性钻井过程中，当钻头钻过渗透性地层时，由于钻井液的液柱压力一般总是大于地层孔隙压力，在压差作用下，钻井液的液体便会渗入地层，这种特性常称为钻井液的滤失性(FiltrationPropertiesofDrillingF1uids)。在液体发生渗滤的同时，钻井液中的固相颗粒会附着沉积在井壁上形成一层泥饼(Mudcake)。随着泥饼的逐渐加厚以及在压差作用下被压实，会对裸眼井壁有效地起到稳定和保护作用，这就是钻井液的所谓造壁性。由于泥饼的渗透率远远小于地层的渗透宰，因而形成的泥饼还可有效地阻止钻井液中的固相和滤液继续侵入地层。在钻井液工艺中，通常用一个重要参数——滤失量(Waterloss或FiltrationRate)来表征钻井液的渗滤速率。钻井液的滤失性也是钻井液最重要的性能之一，有关内容将在后面的教学工作中详述。ZNS型泥浆失水量仪该仪器是将泥浆用惰性气体（二氧化碳、氮气或压缩空气）加压的情况下，测量泥浆的失水量。当泥浆在0.69MPa压力的作用下，30分钟内通过截面为45.6±0.5㎝2过滤面渗透出的水量，以毫升表示。同时，可以测得泥浆失水后泥饼的厚度，以毫米表示。按逆时针方向缓缓旋转放空阀5手柄，同时观察压力表指示。当压力表稍有下降或听见泥浆杯有进气声响时，即停止旋转放空阀手柄，微调减压阀3手柄，使压力表指示为0.69MPa，泥浆杯内保持0.69MPa的恒定状态，当见到第一滴滤液开始记时。滤饼质量评价滤饼质量评价光滑性：将滤饼放在一平面上，用手指触摸，如果滤饼薄而光滑，并无有砂子的感觉则光滑性好，否则，光滑性不好。坚实性：将滤饼放在一容器里，并装入水或柴油，放置24小时，观察其破坏滤饼的程度，如果滤饼经过浸泡而松散或消失，证明坚实性较差，否则，则好。韧性：将滤饼放在一立方形物品(桌面)边缘，向下折90°，如果滤饼无明显断裂，证明韧性较好，否则较差。松科1井，470m处井口泥浆，pH为6.5，失水量为18ml；加入0.5%KOH后，pH为10.5，失水量为14.4ml。四、钻井液的pH值和碱度1.钻井液的pH值通常用钻井液滤液的pH值表示钻井液的酸碱性。由于酸碱性的强弱直接与钻井液中粘土颗粒的分散程度有关，因此会在很大程度上影响钻井液的粘度、切力和其它性能参数。右图表示经预水化的膨润土基浆(其中膨润土含量为57.1kg/m3)的表现粘度随pH值的变化。由图可知，当pH值大于9时，表现粘度随pH值升高而剧增。其原因是当pH值升高时，会有更多OH-被吸附在粘土晶层的表而，进一步增强表而所带的负电性，从而在剪切作用下使粘土更容易水化分散。在实际应用中，大多数钻井液的pH值要求控制在8—11之间，即维持一个较弱的碱性环境。这主要是由于有以下几方面的原因：可减轻对钻具的腐蚀；可预防因氢脆而引起的钻具和套管的损坏；可抑制钻井液中钙、镁盐的溶解；有相当多的处理剂需要在碱性介质个才能充分发挥其效能．如丹宁类、褐煤类和木质素磺酸盐类处理剂。烧碱（即工业用NaOH）是调节钻井液pH值的主要添加剂，有时也使用纯碱和石灰。在常温下，它们的水溶液具有如下的pH值：10%NaOH溶液，pH＝12.9；10%Na2CO3溶液，pH＝11.1；饱和Ca(OH)2溶液，pH＝12.1。通常使用pH试纸测量钻井液的pH值，如要求的精度较高时，可使用pH计。2.钻井液的碱度由于使钻井液维持碱性的无机离子除了OH-外，还可能有HCO3-和CO32-等离子，利pH值并不能完全反映钻井液中这些离子的种类和质景浓度。因此，在实际应用中，除使用pH值外，还常使用碱度（alkalinity）来表示钻井液的酸碱性。引入碱度参数主要有两点好处：一是由碱度测定值可以较方便地确定钻井液滤液中OH－、HCO3-和CO32-等三种离子的含量；从而可以判断钻井液碱性的来源；二是可以确定钻井液体系中悬浮石灰的量（即储备碱度）。碱度是指溶液或悬浮体对酸的中和能力，为了建立统一的标准，API选用酚酞和甲基橙两种指示剂来评价钻井液及其滤液碱性的强弱。酚酞的变色点为pH＝8.3。在进行滴定的过程中，当pH值降至该值时，酚酞即由红色变为无色。因此，能够使pH值降至8.3所需的酸量被称为酚酞碱度（PhenothalinA1kalinity)，钻井液及其滤液的酚酞碱度分别用符号Pm和Pf表示。甲基橙的变色点为pH＝4.3。当pH值降至该值时，甲基橙由黄色转变为橙红色。能使pH值降至4.3所需的酸量，则被称做甲基橙碱度（MethylOrangeA1kalinity)。钻井液及其滤液的甲基橙碱度分别用Mm和Mf表示。校API推荐的试验方法，要求对Pm、Pf和Mf分别进行测定。并规定，以上三种碱度的值，均以滴定1ml样品(钻井液与滤液)所需0.01MH2SO4的毫升数来表示，毫升单位份可省略。由测出的Pf和Mf可计算出钻井液滤中OH-、HCO3-和CO32-等的浓度。其根据在于，当pH＝8.3时，以下反应已基本进行完全：OH-＋H+→H2OCO32-＋H+→HCO3-而存在于溶液的HCO3-不参加反应，当继续用H2SO4溶液滴定至pH＝4.3时，HCO3-与H+的反应也已基本上反应完全，即:HCO3-+H+→CO2+H2O若测得的结果为从Mf＝Pf，表示滤液的碱性完全由OH-所引起；若测得的Pf＝0，表示碱性完全由HCO3-引起；如果Mf＝2Pf，则表示滤液中只含有CO32-。显然，以上情况是比较特殊的。在一般情况下，钻井液滤液中这三种离子的质量浓度可按下表中的有关公式进行计算。但需注意，有时钻井液滤液中存在着某些易与H＋起反应的其它无机离子(如SiO32-、PO43-等)和有机处理剂，这样会使Mf和Pf的测定结果产生一定误差。测定碱度的另一目的是根据测得的Mf和Pf，确定钻井液中悬浮固相的储备碱度(ReserveA1kalinity)。所谓储备碱度，主要是指未溶石灰构成的碱度。当pH值降低时，石灰会不断溶解，这样一方面可为钙处理钻井液不断地提供Ca2+，另一方面有利于使钻井液的pH值保持稳定。钻井液的储备碱度通常用体系中未溶Ca(OH)2的含量表示，其计算式为：五、钻井液含砂量钻井液含砂量是指钻井液中不能通过200目筛网，即粒径大于74微米的砂粒占钻井液总体积的百分数