第三章--钻井液性能及其控制

第三章钻井液性能及其控制第一节钻井液密度及其调整钻井液密度定义钻井液密度测量钻井液的调整第一节钻井液密度及其调整一、钻井液密度1、定义：单位体积钻井液的质量。g/cm3,kg/m31g/cm3=1000kg/m32、钻井液密度对钻井的影响（1）影响井下安全（井喷、井漏、井塌和卡钻等）（2）与油气层损害有关（3）影响到钻井速度二、钻井液密度测量1、仪器：钻井液比重称2、测量程序（1）在泥浆杯中盛满钻井液，盖上计量盖，檫净从计量盖小孔溢出的钻井液。（2）将比重称刀口放置在底座的刀垫上，不断移动游码，直到水平泡位居两条线的中央。（3）读出秤杆游码左测的刻度，即钻井液密度，单位为g/cm3。三、钻井液密度调整（1）提高方法：加入高密度材料1、提高钻井液密度（2）钻井液加重材料高密度不溶性矿物或矿石粉末高密度的可溶性盐类表1高密度不溶性矿物或矿石名称分子式密度g/cm3酸溶性重晶石BaSO44.2-4.6石灰石CaCO32.7-2.9酸溶铁矿粉Fe2O34.9-5.3酸溶钛铁矿粉TiO2.Fe2O34.5-5.1酸溶方铅矿PbS7.4-7.7酸溶水溶性盐饱和盐水密度g/cm3KCl1.16(20℃)NaCl1.20(20℃)CaCl21.40(60℃)CaBr21.80(10℃)ZnBr22.30(40℃)表2可溶性盐类加重材料（3）加重材料用量计算例:设某钻井液加重前密度为ρ1，体积为V1，加重后密度为ρ2，体积为V2，试求密度为ρ的加重剂用量？解：加重前后质量相等：)1(1122mVV加重前后体积相等：)2(12mVV)3(2112VV联立（1）式和（2）式可得：)4()(12VVm若泥浆罐有限制，加重前需排放掉部分钻井液，可根据加重后体积V2，计算出应保留的原浆体积V1，然后由（4）计算加重剂用量。例：使用重晶石将200m3密度为1.32g/cm3的钻井液加重到密度为1.38g/cm3。（1）如最终体积无限制，求重晶石（密度为1.32g/cm3）的用量（2）如果最终体积200m3，求重晶石的用量解：（1）V1已知，V2未知2112VV)38.12.4()32.12.4(2003255.204m)(12VVm10002.4)200255.204(kg17871(2)最终体积有限制，V2=200m31221VV32.12.438.12.420038.195m)(12VVm10002.4)8.195200(kg175002、降低钻井液密度降低钻井液固相含量（机械+化学絮凝）加水稀释（增加处理剂用量和钻井液费用）混油（影响地质录井和测井解释）充气（需额外设备）降低密度的方法：本节完第二节钻井液PH值和碱度一、钻井液酸碱性对钻井的影响1、粘土在钻井液中的分散程度2、钻井液处理剂使用效果3、钻井液流变性和滤失造壁性4、井眼稳定5、钻具的腐蚀钻井液酸碱性大小与下列问题密切相关：二、钻井液酸碱性表示法1、PH值表示法（1）PH值测量测量PH值有两种方法，一种是PH试纸，另一种是使用PH计，后者测量精度高。（2）钻井对钻井液PH值要求原因如下：可以使有机处理剂充分发挥其效能对钻具腐蚀性低可抑制钙、镁盐在体系中的溶解要求：一般控制在（8-11）范围，即维持在一个较弱的碱性环境。（3）PH值法缺点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，PH值不能反映钻井液中这些离子的种类和类型。2、碱度表示法（1）碱度：指用0.02N的标准硫酸中和1ml样品至酸碱指示剂变色时所需要的毫升数。表示样品中和酸的能力。①酚酞碱度：以酚酞为指示剂，滴定样品使其PH值降至8.3所需要的酸量（酚酞变色点为PH=8.3,颜色由红色变为无色）。钻井液的酚酞碱度：Pm钻井液滤液的酚酞碱度：Pf②甲基橙碱度：以甲基橙为指示剂，滴定样品使其PH值降至4.3所需要的酸量（甲基橙变色点为PH=4.3,颜色黄色变为橙红色).钻井液的酚酞碱度：Pm钻井液滤液的酚酞碱度：Pf（2）碱度的测定及碱性来源判断①酚酞碱度：以酚酞为指示剂，用酸滴定样品由红色变为无色，以下反应进行完全，消耗盐酸体积为V1：OH-+H+=H2OCO32-+H+=HCO3-②甲基橙碱度：在测定完酚酞碱度的样品中加入甲基橙指示剂溶液2-3滴，用酸滴定至水样呈橙红色，记录消耗盐酸的体积为V2（不包括滴定酚酞碱度消耗的酸量），此时起如下反应：OHCOHHCO223③碱性来源判断(根据V1和V2的相对大小)。V1和V2的相对大小碱性来源21VVOH23CO和21VV3HCO23CO和21VV23CO0,021VV3HCO0,021VVOH在同一体系中,OH-和是不能共存的。3HCO三、钻井液酸碱性调整1、烧碱（NaOH）4、碳酸氢钠（NaHCO3)2、氢氧化钾（KOH）3、纯碱（Na2CO3)2332CONCONaaOHHCOOHCO3223OHCOHOHHCO3223本节完第三节钻井液含砂量及其测定一、钻井液含砂量二、钻井要求：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。钻井液含砂量越小越好，一般要求控制在0.5%以下。含砂量过大会对钻井过程造成以下危害：（1）使钻井液密度增大，对提高钻速不利．（2）形成的泥饼松软，滤失量大，不利于井壁稳定，影响固井质量；（3）泥饼中粗砂粒含量过高会使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，缩短使用寿命。三、含砂量控制方法充分利用震动筛和除砂器等固控设备。1、测量仪器钻井液含砂量用一种专门设计的含砂量测定仪进行测定。该仪器由一个带刻度的类似于离心试管的玻璃容器和一个带漏斗的筛网筒组成，所用筛网为200目。四、含砂量测量2、测量方法（1）将一定体积的钻井液注入玻璃容器中，然后注入清水至刻度线。（2）用力振荡后将容器中的流体倒入筛网筒过筛．然后将漏斗套在筛网筒上反转，漏斗嘴插入玻璃容器。（3）将不能通过筛网的砂粒用清水冲入玻璃容器中，待砂粒全部沉淀后读出体积刻度，由下式求出钻井液含砂量N：%100钻井液砂粒VVN本节完第四节钻井液中膨润土含量膨润土作为钻井液造浆材料，在提粘切、降滤失等方面起着重要作用，但其用量又不易过大，因此，在钻井液中必须保持适宜的膨润土含量。膨润土含量测定原理：使用亚甲基蓝法测出钻井液的阳离子交换容量(CEC)，然后通过计算确定钻井液中膨润土的含量。1、试验步骤（1）用不带针头的注射器量取1mL钻井液，放入适当大小的锥形瓶中，加入10mL水稀释。为消除有机处理剂的干扰，加入15mL3%的H2O2和0.5mL浓度为2.5M的释H2S04，缓缓煮拂10min，然后用水稀释到50mL。(2)以每次0.5mL亚甲基蓝标准溶液（0.01M）加入到锥形瓶中，然后旋摇30s，在固体悬浮的状态下，用搅拌棒取一滴液体放在滤纸上，观察染色的钻井液固相周围有无兰色环出现，若无兰色环出现，重复以上操作。一旦发现兰色环，摇荡锥形瓶2min，再放1滴在滤纸上，如色圈仍不消失，即达到滴定终点，如图1-5所示。此时，所消耗的亚甲基蓝标准溶液的毫升数即为钻井液的阳离子交换容量(CEC)。图1-5亚甲基蓝滴定终点的点滴试验2、膨润土含量计算mcCECf)(3.14Lgfc/钻井液中膨润土含量，式中：量钻井液的阳离子交换容mCEC)(本节完第五节钻井液固相含量一、钻井液固相含量：钻井液中全部固相体积占钻井液总体积的百分数。固相含量的高低以及这些固相颗粒的类型、尺寸和性质均对钻井时的井下安全、钻井速度及油气层损害程度等有直接的影响。因此，在钻井过程中必须对其进行有效的控制。二、钻井液中固相的类型2、按用途分类有用固相：配浆粘土、加重材料。无用固相：钻屑。1、根据其性质不同分类活性固相：容易发生水化作用的固相，如膨润土。惰性固相：水化作用弱的固相，如钻屑和重晶石。4、按固相粒度分类按照美国石油学会制定的标准，钻井液中的固相可按照其颗粒的大小分为三类：（1）粘土（或称胶粒）粒径2um（2）泥粒径2~73um（3）砂（或称API砂）粒径74um3、按固相密度分类可分为高密度固相和低密度固相。前者主要指密度为4.2g/cm3的重晶石，还有铁矿粉、方铅矿等其他加重材料；后者主要指膨润土和钻屑，还包括一些不溶性的处理剂，一般认为这部分固相的平均密度为2.6g/cm3。在钻井过程中，过高的固相含量往往对井下安全造成很大的危害，其表现主要有以下几个方面：1、使钻井液粘度、切力偏高，流动性和携岩效果变差．2、使井壁上形成厚的泥饼，摩擦系敷大，容易造成起下钻遇阻和粘附卡钻．3、泥饼质量不好会使钻井液滤失量增大，造成井径缩小，井壁剥落或坍塌．4、对油气层损害加大，油井产能下降．三、钻井液固相含量与钻井的关系5、固相含量越大，钻速越低A、当固相含量为零(即清水钻进)时钻速为最高。B、随着固相含量增大钻速显著下降，特用是在较低固相含量范围内钻速下降更快，在固相含量超过10%(体积分数)之后，对钻速的影响就相对较小了。固相颗粒大小：室内模拟实验结果还表明，钻井中小于1μm的亚微米颗粒要比大于1μm的颗粒对钻速的影响大12倍。因此，如果钻井液中小于1μm的亚微米颗粒越多，所造成钻速下降的幅度就越大。分散钻井液：亚微米颗粒约占全部固相颗粒总数的80%聚合物不分散钻井液：亚微米颗粒仅占全部固相颗粒总数的13％四、钻井液固相含量测定1、测定仪器：钻井液固相含量测定仪2、测量原理采用蒸馏的方法使钻井液固液分离，液相体积可由带刻度的接收器直接读出，固相体积为钻井液体积和液相体积的差值。五、固相控制方法1、沉降法：在钻井液粘切较高时，效率低。2、稀释法：在降低固相含量的同时也降低了其它有用成分的含量。3、机械设备法：振动筛、除砂器、除泥器、离心机。4、化学法：使用絮凝剂（把小颗粒絮凝成大颗粒，以便被固控设备清除。本节完第六节钻井液滤液分析钻井液滤液分析就是测定钻井液滤液中各种离子的含量。一、氯离子浓度的测定在钻遇岩盐层或盐水层过程中，NaCl等无机盐进入到钻井液后会在不同程度上对钻井液造成污染，破坏其性能。因此，需要对钻井液滤液中的Cl-离子浓度进行检测。1、测量原理以K2CrO4为指示剂，用硝酸银滴定法对钻井液滤液进行滴定，钻井液中的Cl-和硝酸银溶液Ag+发生反应生成AgCl沉淀，即：由于AgCl的溶度积常数远远小于Ag2CrO4，只有等到上面的反应进行完全后，少过量的Ag+才会和指示剂中的CrO42-发生如下反应生成橘红色的Ag2CrO4沉淀。滴定过程中溶液颜色由黄色变为橘红色，就是滴定终点。2、计算试验中用硝酸银浓度一般为0.0282M，若钻井液滤液中的Cl-离子浓度用mg/L表示，可用下式计算其大小：VVcCl3AgNO1000LmgCc/lCl含量，滤液中式中：L3AgNOmV的体积，滴定中消耗硝酸银溶液LmV滤液体积，如果Cl-完全是由NaCl电离产生的，则滤液中的NaCl含量可由下式计算：ClNaCl65.1ccLmgNaClcNaCl/含量，滤液中的式中：LmgCc/lCl含量，滤液中二、钙离子与镁离子的测定Ca2+和Mg2+均为二价阳离子，与一价的Na+相比，在相同浓度下它们对钻井液的稳定性和性能会造成更大的影响。除钙处理钻井液外，它们在其它类型钻井液中都是应尽可能清除的污染物。1、这两种离子进入钻井液的主要途径(1)某些地区的配浆水中含有较高浓度的Ca2+和Mg2+，通常称这样的水为硬水，并称Ca2+和Mg2+的总质量浓度为水的硬度。(2)在钻遇石膏或盐膏地层时，随着膏盐的溶解，Ca2+也不可避免地会进入钻井液中。(3)在钻水泥塞过程中，来自水泥中的钙会对钻井液造成一定的污染。2、测量原理与方法钻井液中Ca2+和Mg2+的含量通常采用EDTA（己二胺四乙酸的二