钻井液和完井液化学

钻井液与完井液化学目录第一章钻井液概论第二章粘土矿物和粘土胶体化学第三章钻井液的流变性第四章钻井液的滤失和润滑性能第五章钻井液配浆材料与处理剂第六章水基钻井液第七章油基钻井液第八章钻井液固相控制第九章对付井下复杂情况的钻井液技术第十章保护油气层的钻井液技术第十一章国内外钻井液技术新进展钻井液与完井液化学钻井液与完井液化学第一章钻井液概论钻井液——油气钻井过程中以其多种功能满足钻井工作需要的各种循环流体的总称。钻井液又称做钻井泥浆（DrillingMuds），或简称为泥浆(Muds)。第一节钻井液的功用、类型和组成完井液——在油气井完井作业过程中所使用的工作液统称为完井液（CompletionFluids）。这些作业包括钻开油层、下套管、射孔、防砂、试油、增产措施和修井等。因此从广义上讲，从钻开油层到采油及各种增产措施过程中的每一个作业环节，所使用的与产层接触的各种工作液体系统称为完井液。国外一般把钻开油层的工作液称为钻开液（Drill-influids），将射孔、防砂以及各种增产措施中用于产层的工作液称为完井液（Completion-Fluids），将为维护或提高产能而修井时所用的工作液称为修井液（WorkoverFluids）。第一节钻井液的功用、类型和组成钻井液的主要功能携带、悬浮岩屑控制压力形成泥饼冷却、润滑保护油气层传递水功率1．携带和悬浮岩屑这是钻井液首要和最基本的功用2．稳定井壁和平衡地层压力3．冷却和润滑钻头、钻具4．传递水动力5．获取井下信息6.保护油气层钻井液的主要功能随着钻井液工艺技术的不断发展，钻井液的种类越来越多。目前，国内外对钻井液有各种不同的分类方法。•密度大小：非加重钻井液和加重钻井液。•粘土水化作用：非抑制性钻井液和抑制性钻井液。•固相含量：低固相钻井液与无固相钻井液。钻井液的类型一般所采用的分类方法是按钻井液中流体介质和体系的组成特点来进行分类的。钻井液的类型根据流体介质水基钻井液油基钻井液气体型合成基钻井液钻井液的类型下面是在参考国外钻井液分类标准的基础上，在国内得到认可的各种钻井液类型：钻井液的类型1.分散钻井液（DispersedDrillingFluids)：分散钻井液是指用淡水、膨润土和各种对粘土与钻屑起分散作用的处理剂(简称为分散型)配制而成的水基钻井液。优点：(1)可容纳较多的固相，较适于配制高密度钻井液。(2)形成较致密的泥饼，滤失量较低(3)某些分散钻井液，如三磺钻井液体系具有较强的抗温能力，适于在深井和超深井中使用。缺点：除抑制性和抗污染能力较差外，还因体系中固相含量高，对提高钻速和保护油气层均有不利的影响。钻井液的类型2．钙处理钻井液(Calcium—treatedDrillingFluids)组成特点：体系中含有一定浓度的Ca2+和分散剂。Ca2+通过与钠膨润土发生离子交换，钠膨润土转变为钙膨润土，减弱水化程度。分散剂主要是防止Ca2+引起体系中的粘土颗粒絮凝过度并保持在适度絮凝状态，保证钻井液具有良好的稳定性能。特点：(1)抗盐、钙污染的能力较强；(2)对所钻地层中的粘土有抑制其水化分散的作用，因此可在一定程度上控制页岩坍塌和井径扩大，同时能减轻对油气层的损害。钻井液的类型盐水钻井液是用盐水(或海水)配制而成的。在含盐量从1％(CL-质量浓度为6000mg／L直至饱和(CL-质量浓度为189000mg／L)之前的整个范围内都属于此种类型。盐水钻井液也是一类对粘土水化有较强抑制作用的钻井液。3．盐水钻井液(SaltwaterDrillingFluids)钻井液的类型钻井液中Nacl含量达到饱和时的盐水钻井液体系。它可以用饱和盐水配成，亦可先配成钻井液再加盐至饱和。饱和盐水钻井液主要用于钻其它水基钻井液难以对付的大段岩盐层和复杂的盐膏层，也可作为完井液和修井液使用。4．饱和盐水钻井液(SaturatedSaltwaterDrillingFluids)钻井液的类型聚合物钻井液是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。这些聚合物可使钻井液中各种固相颗粒保持在较微细颗粒状态。5．聚合物钻井液(PolymerDrilligFluids)其主要优点表现在：(1)钻井液固相含量低，钻速可明显提高，对油气层的损害程度小。(2)剪切稀释性强。环空流体的粘度、切力较高，携带岩屑的能力强；钻头喷嘴处流动阻力较小，有利于提高钻速。(3)聚合物处理剂具有较强的包被和抑制分散的作用，有利于保持井壁稳定。钻井液的类型钾基聚合物钻井液是一类以各种聚合物的钾(或铵、钙)盐和KCl为主处理剂的防塌钻井液。在各种常见无机盐中，以KCl抑制粘土水化分散的效果为最好；而聚合物处理剂的存在使该类钻井液具有聚合物钻井液的各种优良特性。因此，在钻遇泥页岩地层时，使用它可以取得比较理想的防塌效果。6．钾基聚合物钻井液(Potassium—basedPoIymerDrillingFluids)钻井液的类型以油(柴油或矿物油)为连续相的钻井液称做油基钻井液。油基钻井液主要特点是抗高温，抑制性强，抗盐、钙污染能力高，润滑性好，对油气层的损害小。因此，使用该类钻井液已成为钻探井、超深井、大位移井、水平井和各种复杂地层的重要手段之一。但另一方面，由于其配制成本较高，以及使用时会对环境造成一定污染，因而使其应用受到一定的限制。7．油基钻井油(Oil—basedDrillingFluids)钻井液的类型合成基钻井液是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。由于使用无毒并且能够生物降解的非水溶性有机物取代了油基钻井液中的柴油，因此，其保持了油基钻井液的各种优良特性，同时具有连良好的环境友好性，尤其适用于海上钻井。8．合成基钻井液(SyntheticDrillingFluids)钻井液的类型气体型钻井流体主要适用于钻低压油气层、易漏失地层以及某些稠油油层。其特点是密度低，钻速快，可有效保护油气层，并能有效防止井漏等复杂情况的发生。通常又将气体型钻井流体分为以下4种类型：1)空气或天然气钻井流体；2)雾状钻井流体；3)泡沫钻井流体；4)充气钻井液9．气体型钻并流体(Gas—typedDrillgFluids)10．保护油气田钻井液(Drilling-inFluids)钻井液的组成水基钻井液的典型组成钻井液的组成油基钻井液的典型组成1－油(0.54)2－盐(0.04)3－水(0.30）4－低密度固体(0.03)5－高密度固体(0.09)第二节钻井液的性能及测试按照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：常规性能流变性：漏斗粘度、塑性粘度、动切力、静切力、密度：g/cm3滤失量：API滤失量、HTHP滤失量滤液分析：氯离子、碱度、石灰、硬度、硫酸钙其他：油水含量、固相含量、搬土钻井液的性能及测试钻井液密度合理的钻井液密度是确保安全、快速钻井和保护油气层的十分重要参数。调节钻井液密度作用：调节钻井液静液柱压力，以平衡地层孔隙压力。不合适的钻井液密度带来的危害：密度过高，可引起钻井液过度增稠、易漏失、钻速下降、对油气层损害加剧和增加成本等问题；密度过低，则可发生井涌甚至井喷，或造成井塌、井径缩小和携屑能力下降。因此，在钻井工程设计中，必须准确、合理地确定不同井段钻井液的密度范围，并在钻进过程中随时进行检测和调整。钻井液的性能及测试钻井液密度测试方法钻井液比重秤(Mudbalance)首先在泥浆杯中盛满钻井液，盖上计量盖，然后用棉纱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中央。此时游码左侧刻度即表示所测量钻井液的密度。钻井液的性能及测试钻井液密度调节方法加重钻井液密度方法：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，加重前钻井液固含及粘度、切力应控制得越低。可溶性无机盐也是提高密度常用方法。如保护油气层清洁盐水钻井液，通过加入NaCl，可将钻井液密度提高至1.20g/cm3左右。钻井液的性能及测试钻井液密度调节方法降低钻井液密度方法：为实现平衡压力钻井或欠平衡压力钻井，通常降低密度的方法有以下几种：(1)清除无用固相:最主要的方法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。(2)加水稀释:但往往会增加处理剂用量和钻井液费用。(3)混油:但有时会影响地质录井和测井解释。(4)充气:钻低压油气层时可选用充气钻井液等。钻井液的性能及测试钻井液的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(PV)和动切力(YP)；幂律模式的参数为流性指数和稠度系数。此外，漏斗粘度、表现粘度和静切力等也是钻井浓的重要流变参数。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。有关内容将在第三章中作详细讨论。钻井液的性能及测试钻井液的滤失造壁性钻头钻穿渗透性地层时,因钻井液的静液柱压力大于地层压力,钻井液中的液体在压差作用下向地层内渗透,这个过程称为钻井液的滤失。在钻井液产生滤失的同时，在井壁表面形成一层固体颗粒胶结物---滤饼。滤饼形成过程是由较大颗粒将大孔堵塞一部分，然后次大的颗粒堵塞大颗粒之间的空隙，依次下去，孔越堵越小。所形成滤饼的渗透率比地层岩心的渗透率小几个数量级。形成的滤饼阻止滤液向地层渗透，同时又有稳定井壁作用。滤饼在井壁上形成过程称为造壁过程。钻井液的性能及测试钻井液的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。右图为经预水化的膨润土基浆的表观粘度随PH值的变化情况。钻井液的性能及测试钻井液的PH值在实际应用中，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：(1)可减轻对钻具的腐蚀；(3)可抑制钻井液中钙、镁盐的溶解；(4)有相当多的处理剂需在碱性介质下才能充分发挥其效能，如单宁类、褐煤类和木质素磺酸盐等处理剂。(2)可预防因氢脆而引起的钻具和套管的损坏；钻井液的性能及测试钻井液的PH值对不同类型钻井液，PH值范围也有所不同：1、一般要求分散钻井液的pH值在10以上。2、含石灰的钙处理钻钻井液PH值多控制在11-12，含石膏的钙处理钻井液的PH值多控制在9.5-10.5。3、而在许多情况下聚合物钻井液的PH值只要求控制在7.5-8.5。钻井液的性能及测试钻井液的碱度由于使钻井液维持碱性的无机离子除OH-外，还可能有HCO3-和CO32-等离子,PH值并不能完全反映钻井液中这些离子的种类和质量浓度，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。碱度是指溶液或悬浮体对酸的中和能力，API选用酚酞和甲基橙两种指示剂来评价钻井液及滤液碱性的强弱。酚酞的变色点为pH＝8.3。在进行滴定的过程中，当PH值降至该刻度时，酚酞即由红色变为无色。此时钻井液与滤液的酚酞碱度分别用PM和Pf。。同理，可测得甲基橙碱度。钻井液与滤液的甲基橙碱度分别以Mm和Mf表示。钻井液的性能及测试钻井液的性能及测试钻井液的性能及测试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74µm的砂粒占钻井液总体积的百分数。在现场应用中，该数值越小越好，一般要求控制在0.5％以下。含砂量过大的危害：(1)使钻井液密度增大，对提高钻速不利。(2)使形成的泥饼松软，滤失量大，不利于井壁稳定。(3)泥饼的摩擦系数增大，容易造成压差卡钻。(4)增加对钻头和钻具的磨损，缩短其使用寿命。钻井液的性能及测试钻井液的性能及测试钻井液的性能及测试