3钻井液技术

第三章钻井液技术本章内容包括:概论粘土矿物和粘土胶体化学基础钻井液的工艺性能钻井液的流变性钻井液的滤失和造壁性钻井液的其它性能钻井液处理剂及原材料钻井液体系复杂情况处理概论——钻井液定义狭义钻井液:粘土以小颗粒状态(2μ)分散在水中所形成的溶胶-悬浮体.(mud)广义钻井液:一切有助于从井眼中产生和清除钻屑的流体.(drillingfluid)API定义:用于钻井的具有各种各样功用以满足钻井工作需要的循环流体概论——钻井液的功用清除井底钻屑并将其携带至地面稳定井壁及控制地层压力冷却和润滑钻头、钻具提供低渗透、韧性好的泥饼保护井壁停止循环时悬浮环空中的钻屑及加重材料给钻头传递水力能量ThePrimaryFunctionsofDrillingFluidCleantherockfragmentsfrombeneaththebitandcarrythemtothesurfaceExertsufficienthydrostaticpressureagainstsubsurfaceformationstopreventformationfluidsfromflowingintothewell.Keepthenewlydrilledwellboreopenuntillsteelcasingcanbecementedinthehole.Coolandlubricatetherotatingdrillstringandbit.概论——钻井液不应具有既不能伤害钻井人员，又不能损害或污染环境对所设计的地层评估有不利的性能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.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概论——钻井液的分类LiquidGasGas-liquidmixtureWaterbasemudsFoam(mostlygas)Areatedmuds(mostlyliquid)airNaturegasOilbasemudsSyntheticbasemuds概论——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。Safe,Fast,Best,low-costdrilling.Getallkindsofengineeringandgeologicalinformation.Findandprotectpayzones.概论——钻井液的分类分散钻井液(dispersedDrillingFluids)定义：用淡水、膨润土和各种对粘土与钻屑起分散作用的处理剂配制而成的水基钻井液特点可容纳较多的固相，适合于配制较高密度的钻井液容易在井壁上形成较致密的泥饼，失水较低某些分散钻井液具有较强的抗温能力，适合于深井和超深井使用。概论——钻井液的分类钙处理钻井液(Calciumtreateddrillingfluids)定义：体系中同时含有一定浓度的Ca2+和分散剂。特点抗盐、钙污染的能力强抑制粘土的水化分散作用，控制页岩坍塌和井径扩大，减少对油气层的损害盐水钻井液(saltwaterdrillingfluid)定义：用盐水或海水配制而成。含盐量从1％（Cl-为6000mg/l)直至饱和(Cl-为189,000mg/l)之前。特点对粘土水化有较强的抑制作用概论——钻井液的分类饱和盐水钻井液(Saturatedsaltwatermuds)定义：钻井液中NaCl的含量达到饱和的钻井液体系。特点：用于钻进大段盐层和和复杂的盐膏层概论——钻井液的分类聚合物钻井液(Polymerdrillingfluid)定义:以某些具有絮凝和包被作用的高分子聚合物作为主处理剂的水基钻井液体系。特点各种固相颗粒可以保持在较粗的范围内钻屑不易分散成细微颗粒优点钻井液密度和固相含量低，钻速高，地层损害小剪切稀释特性强聚合物处理剂有较强的包被和抑制分散的作用，有利于抑制地层造浆和保持井壁稳定。概论——钻井液的分类钾基聚合物钻井液(potassium-basepolymerDF)定义：以各种聚合物的钾（或铵、钙）盐和KCl为主处理剂的防塌钻井液体系特点在各种无机盐中，以KCl抑制粘土水化的效果最好。聚合物处理剂的存在使该钻井液体系具有聚合物钻井液的各种优良特性。在钻遇泥页岩地层时，具有理想的防塌效果。概论——钻井液的分类油基钻井液(oilbasedmuds)定义：以油作为连续相的钻井液为油基钻井液。油水比在（50－80）:(50－20)油包水乳化钻井液最为常用。特点抗高温有很强的抑制性有很强的抗盐、钙的污染能力润滑性好能有效地减轻对油气层的伤害成本较高、配制工艺复杂、污染环境概论——钻井液的分类合成基钻井液(syntheticbasemuds)定义：以合成的有机化合物作为连续相，盐水作为分散相，并含有乳化剂、降滤失剂、流型改进剂的一类新型钻井液。特点：使用无毒并且能够生物降解的非水溶性的有机物取代了油基钻井液中柴油，该钻井液不仅保持了油基钻井液的优良特性，而且大大减轻了钻井液排放时对环境造成的不良影响，尤其适合于海上钻井。气体型钻井流体空气或天然气钻井流体雾状钻井流体泡沫钻井流体充气钻井液保护储层的钻井液概论——钻井液的组成水基泥浆：固相颗粒悬浮在水中或盐水中，油可以乳化到水中，此时，水是连续相。(膨润土+水+化学处理剂+加重材料＋钻屑)油基泥浆：固相颗粒悬浮在油中，水或盐水乳化在油中，即油是连续相。(柴油+沥青/有机土+处理剂)气体：用高速气体或天然气清除钻屑概论——钻井液的组成概论——钻井液技术发展概况发展水基钻井液清水分散钻井液抑制性钻井液不分散聚合物钻井液油基钻井液原油柴油为连续相钻井液油包水乳化钻井液预测钻井液强化井壁技术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概论——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；计算机应用相对滞后。概论——钻井液工作的基本任务根据所钻井类型、地层特性、孔隙压力及破裂压力、井温、测井及环保要求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、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。粘土胶体化学基础(Fundamentsofclaycolloidchemistry)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。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。粘土胶体化学基础相和相界面(phaseandinterface)相是指物质的物理性质和化学性质都完全相同的均匀部分。体系中若有两个或两个以上的相称为多相体系。相与相之间的接触面成为界面。分散相与分散介质分散相是指在多相分散体系中被分散的物质，分散介质则是分散相所在的连续介质。(粘土和水)分散度和比表面积分散度：分散相的分散程度。比表面积：单位体积或单位重量物质的总的表面积。比表面积越大，物质分散越小，分散度就越高。粘土矿物的晶格构造和特点常见的粘土矿物(clayminerals)高岭土（Kaolinite）蒙脱石(Montmorillonite)伊利石(illite)化学组成粘土矿物的两个基本结构单元硅氧四面体铝氧八面体高岭石结构(1:1)粘土矿物的晶格构造和特点铝氧八面体片硅氧四面体片共用氧原子连接粘土矿物的晶格构造和特点高岭土的结构及性能特点晶体构造由一个硅氧四面体片和一个铝氧八面体片组成，硅氧四面体片和铝氧八面体片由共用的氧原子联结在一起。高岭石的单位晶层中，一面为OH层，另一面为氧层，片与片之间容易形成氢键，因而晶胞之间连接紧密，晶格底面间距仅为7.2Ａ（1A=10-10mm），故高岭石的分散度较低比较稳定，晶格中的离子取代现象几乎不存在；水分不易进入晶层中间，为非膨胀类型的粘土矿物，水化性能差，造浆性能不好，不是配制泥浆的好材料。蒙脱石晶格结构（2:1）粘土矿物的晶格构造和特点硅氧四面体片铝氧八面体片硅氧四面体片粘土矿物的晶格构造和特点蒙脱石的结构及性能特点蒙脱石的每一构造单位由两层硅氧四面体片和夹在它们中间的一层铝氧八面体片组成。四面体片中的部分Si+4可被Al+3取代，八面体片中的Al+3可被Fe+2、Mg+2、Zn+2等阳离子取代。取代后，晶体带负电，能吸附较多的阳离子，有较强的离子交换能力。晶层间靠微弱的分子间力连接，连接不紧密，水分子容易进入两个晶层之间发生膨胀（全脱水时晶格间距为9.6A，吸水后可达21.4A），水化分散性能较好（造浆能力强），是配制泥浆的优质材料。粘土矿物的晶格构造和特点伊利石伊利石的晶体构造和蒙脱石相类似，不同之点在于伊利石中硅氧四面体中有较多的硅被铝取代，因取代所缺的正电荷由处在相邻两个硅氧层之间的K+补偿，因K+存在于晶层之间并进入相邻氧原子网格形成的孔穴中，使各晶胞间拉得较紧，水分不易进入层间，因此它是不易膨胀的粘土矿物。粘土胶体化学粘土的界面吸附作用(adsorption)粘土表面带负电，为了保持电中性，必然从分散介质中吸附等量的阳离子。这些吸附的阳离子可以被分散介质中的其它阳离子所交换，称为粘土的可交换阳离子。阳离子交换容量(cationsexchangecapacity)在PH值为7的条件下，粘土所能交换的可交换阳离子总量。通过测定粘土的阳离子交换容量，可以了解粘土表面所带的负电荷粘土的阳离子交换容量及吸附的阳离子的种类对粘土的胶体活性影响较大。粘土胶体化学粘土的水化作用(hydrationofclay)粘土矿物的水分结晶水：粘土矿物晶体构造的一部分。吸附水：具有极性的水分子可以吸附在粘土表面，在粘土颗粒周围形成水化膜，并随粘土颗粒一起运动，成为束缚水。自由水：存在于粘土颗粒的空穴或孔道中，不受粘土的束缚，可以自由运动。粘土的水化作用粘土表面吸附水分子，使粘土表面形成水化膜，粘土晶格层面间的距离扩大，产生膨胀以至分散的作用。它是影响水基泥浆性能和井壁稳定的重要因素。粘土胶体化学水化机理粘土表面直接吸引水分子而水化降低体系表面能粘土表面带负电，水分子极化、定向、浓集晶格里的氧和氢氧层，均可以与水分子形成氢键而吸引水分子。粘土表面间接吸引水分子而水化粘土表面的吸附溶剂化层里，紧密地连接若干阳离子，这些阳离子的水化给粘土颗粒带来水化膜。粘土胶体化学---水化示意图粘土胶体化学---水化示意图粘土胶体化学影响水化作用的因素粘土晶体部位不同，水化强度也不同层面上水化膜厚，端面上薄。粘土矿物不同，水化作用的强弱不同蒙脱石、间层粘土、伊利石、高岭石泥浆中可溶性盐类及泥浆处理剂的影响