钻井化学——钻井液化学

第一篇钻井化学第二章钻井液化学第一节钻井液的功能与组成第二章钻井液化学指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；钻井液（drillingfluid)又称做泥浆(Mud)。钻井液的定义:泥浆泵泥浆罐地面高压管汇立管水龙带水龙头方钻杆钻杆钻铤钻头钻柱与井壁形成的环形空间从井口返出，流经固控设备进行处理一、钻井液的循环第一节钻井液的功能与组成一、钻井液的循环第一节钻井液的功能与组成二、钻井液的功能第一节钻井液的功能与组成2.携带岩屑1.冲洗井底3.平衡地层压力5.稳定井壁4.冷却与润滑钻头钻具6.悬浮岩屑和固体密度调整材料8.传递功率7.获取地层信息第一节钻井液的功能与组成三、钻井液的组成分散介质分散相钻井液处理剂降滤失剂增粘剂降粘剂絮凝剂……组成粘土、密度调整材料（悬浮体）油或水（乳状液）气体（泡沫）钻井液处理剂组成水、油、气体分散介质分散相钻井液处理剂第二节钻井液密度及其调整第二章钻井液化学第二节钻井液密度及其调整一、钻井液密度定义定义：单位体积钻井液的质量（用ρ表示）单位：g/cm3或t/m3第二节钻井液密度及其调整二、为什么要调整钻井液密度（1）防止喷、塌、漏钻井事故的发生（2）钻井液密度与油气层损害有关（3）钻井液密度影响钻井速度三、怎样调整钻井液密度第二节钻井液密度及其调整1、调整钻井液密度原则平衡地层压力和地层构造应力2、调整钻井液密度方法（1）降低钻井液密度降低钻井液固相含量加水稀释（但有时会增加处理剂的用量和费用）混油（但会使钻井液成本增加，且影响地质录井）充气√（2）提高钻井液密度方法：加入高密度材料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（流变性能较好）第二节钻井液密度及其调整表1高密度不溶性矿物或矿石名称分子式密度g/cm3酸溶性备注重晶石BaSO44.2-4.6应用最广泛加重至2.64g/cm3石灰石CaCO32.7-2.9酸溶需酸化的产层铁矿粉Fe2O3·FeO4.9-5.3酸溶需酸化的产层钛铁矿粉TiO2.Fe2O3·FeO4.5-5.1酸溶需酸化的产层方铅矿PbS7.4-7.7酸溶成本高加重至3.8g/cm3第二节钻井液密度及其调整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第二节钻井液密度及其调整甲酸盐：钻井液密度可控制在2.3g/cm3可溶性盐类做高密度材料所带来的问题腐蚀问题盐结晶问题加缓蚀剂加盐结晶抑制剂√第二节钻井液密度及其调整第二节钻井液密度及其调整冰点海水为什么不容易结冰？盐水在高密度时温度降至一定程度析出盐,该温度称析盐温度。盐水在低密度时温度降至一定程度析出冰,该温度称盐水冰点。第二节钻井液密度及其调整盐水冰点：析盐温度：随着盐水密度增加，盐水析盐温度陡然上升。钻井液的使用温度高于该钻井液密度下的析盐温度。在钻井液中加入盐结晶抑制剂KCl在不同温度下的溶解度温度╱℃01020304050607080溶解度╱g27.631.034.037.040.042.645.548.351.1防止析盐通过离子交换转变为相应的盐,选择性地吸附在刚析出的盐晶表面,使盐晶发生畸变,不利于盐在其表面继续生长变大。为防止盐从钻井液中析出所加的物质第二节钻井液密度及其调整盐结晶抑制剂：抑制机理：第二节钻井液密度及其调整第三节钻井液酸碱性及其控制第二章钻井液化学pH值对膨润土基浆表观粘度的影响第三节钻井液酸碱性及其控制当pH值大于9时，表观粘度随pH值的升高而剧增。其原因是由于当pH值升高时，会有更多的OH－被吸附在粘土晶层的表面，进一步增强表面所带的负电性，从而在剪切作用下使粘土更容易水化分散。一、为什么要控制钻井液酸碱性一般控制在8-11范围，较弱的碱性环境原因粘土具有适当的分散度可以使有机处理剂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等对钻具腐蚀性低可抑制体系中钙、镁盐的溶解第三节钻井液酸碱性及其控制1、碱性主要来源:钻井液中的OH-、CO32-、HCO3-2、酸碱性表示方法：pH值（pH试纸和pH计）碱度碱度的定义：用浓度为0.01mol/L的标准硫酸中和1mL样品至指示剂变色时所需标准硫酸的体积(mL)定义为碱度。第三节钻井液酸碱性及其控制测定碱度可以确定钻井液体系中未溶解的石灰Ca(OH)2的量（即储备碱度）。碱度的意义：通过碱度可以判断钻井液的碱性来源，从而在调整钻井液酸碱性的同时还能针对性的有效清除体系中的有害离子。第三节钻井液酸碱性及其控制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，酚酞即由红色变无色。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。第三节钻井液酸碱性及其控制3、碱度分类:甲基橙碱度钻井液的甲基橙碱度（Mm)滤液的甲基橙碱度(Mf)酚酞碱度钻井液的酚酞碱度(Pm)滤液的酚酞碱度(Pf)按指示剂不同分第三节钻井液酸碱性及其控制能使pH值降至4.3所需的酸量，被称做甲基橙碱度（MethylOrangeAlkalinity）。能使pH值降至8.3所需的酸量被称做酚酞碱度（PhenolphthaleinAlkalinity.）OH－+H+→H2OCO32－+H+→HCO3－酚酞为指示剂，体系滴定变色时（pH=8.3）以下反应已基本进行完全：而存在于溶液中的HCO3-不参加反应。当继续用H2SO4溶液滴定，以甲基橙为指示剂，体系滴定变色时（pH=4.3）除了发生上面的化学反应，还发生如下反应：HCO3－+H+→CO2↑+H2O第三节钻井液酸碱性及其控制上一内容下一内容回主目录返回ffMP23CO0fP3HCOffMP2/1OH碱性来源判断第三节钻井液酸碱性及其控制钻井液要求：Pf=1.3~1.5mL（控制CO32-和HCO3-）Mf/Pf＜3（控制CO32-含量）钻井液中CO32-和HCO3-均为有害离子，影响钻井液的流变和降滤失性能，应尽量除去。第三节钻井液酸碱性及其控制2、氢氧化钾（KOH）1、烧碱（NaOH）KOH→K++OH－有利于井壁稳定第三节钻井液酸碱性及其控制NaOH→Na++OH－3、纯碱（Na2CO3)Na2CO3→2Na++CO32－除钙除镁第三节钻井液酸碱性及其控制CO32－+H2O→HCO3－+OH－Ca2++CO32－→CaCO3↓HCO3－+H2O→H2CO3+OH－NaHCO3→Na++HCO3－HCO3－+H2O→H2CO3+OH－Ca2++OH－+NaHCO3→CaCO3↓+Na++H2O4、碳酸氢钠（NaHCO3)控制钙侵第三节钻井液酸碱性及其控制第四节钻井液滤失性及其控制第二章钻井液化学第四节钻井液滤失性及其控制（1）钻井液滤失性：在压差作用下,钻井液中的自由液向地层渗透的现象。一、钻井液滤失性1、相关概念（2）钻井液滤失量：在一定温度、一定压差和一定时间内通过一定过滤面积的滤液体积。第四节钻井液滤失性及其控制（3）钻井液造壁性—在滤失过程中，随着钻井液中的自由水进入岩层，钻井液中的固相颗粒附着在井壁上形成泥饼的性质。两者的关系：一般的滤失量少造壁性就好2、钻井液滤失类型按是否流动动滤失静滤失按测试条件常规滤失量（VAPI）高温高压滤失量(VHTHP)第四节钻井液滤失性及其控制钻井液在循环过程中的滤失。钻井液停止循环时发生的滤失。易坍塌地层要求VAPI＜5mLVHTHP：10-15mL3、钻井液静滤失方程tCCpKAVsmcsf12静滤失方程第四节钻井液滤失性及其控制式中：A----渗滤面积K----泥饼渗透率ΔP----渗滤压差Csc----泥饼中固相体积分数Csm----钻井液中固相体积分数t----渗滤时间μ----滤液粘度hptKAVf动滤失方程h——滤饼厚度滤失量与渗滤时间的平方根成正比4、滤失量影响因素第四节钻井液滤失性及其控制（1）渗滤时间ttCVf5.7305.73025.730VVVVtCCpKAVsmcsf12（2）压差△p取决钻井液的性质、泥饼的可压缩性PCVftCCpKAVsmcsf12（3）固相含量钻井液固相含量Csm越高，泥饼的固相含量Csc越小，滤失量越小。1smscfCCCV钻井液固相含量高，钻速低。因此，只能降低泥饼的固相含量。优质粘土配浆→固相颗粒细，水化膜厚→Csc小tCCpKAVsmcsf12滤失量与渗透率的平方根成正比第四节钻井液滤失性及其控制（5）滤液粘度μ（4）泥饼渗透率K滤失量与滤液粘度的平方根成反比KCVf1CVftCCpKAVsmcsf12（6）温度温度升高，滤液粘度下降，滤失量增大（7）渗滤面积ACAVftCCpKAVsmcsf125、静滤失量测量24±3℃、0.69MPa、45.8cm2、30min（实测7.5min)150±3℃、3.45MPa、45.8cm2（22.9cm2）、30min第四节钻井液滤失性及其控制VAPI测试条件：VHTHP测试条件：第四节钻井液滤失性及其控制二、钻井液滤失性控制1、控制滤失性意义滤失量过大易造成很大危害（1）井壁不稳定（水敏性泥页岩跨塌、缩径）（3）泥饼过厚（如起钻具时提力增加、遇卡、泥包钻头、泥饼卡钻等）（2）损害油气层2、钻井液降滤失剂分类能降低钻井液滤失量的化学剂天然改性（改性褐煤、改性淀粉、改性纤维素）人工合成（改性树脂、烯类单体聚合物）第四节钻井液滤失性及其控制降滤失剂分类：降滤失剂：（1）改性褐煤（又称改性腐殖酸）腐殖酸分子结构第四节钻井液滤失性及其控制褐煤是一种未成熟的煤，燃烧值比较低，有效成分是腐殖酸，好的褐煤腐殖酸含量可达70～80％。由于分子量较大，一般难溶于水。H第四节钻井液滤失性及其控制第四节钻井液滤失性及其控制淀粉从谷物或玉米中分离出来，它在50℃以下不溶于水，温度超过55℃以上开始溶胀，直至形成半透明凝胶或胶体溶液。淀粉在淡水、海水和饱和盐水钻井液中均可使用。淀粉的降滤失机理一方面是它吸收水分，减少了钻井液中的自由水；另一方面是形成的囊状物可进入泥饼的细缝中，从而堵塞水的通路，进一步降低了泥饼的渗透性。（2）改性淀粉第四节钻井液滤失性及其控制加碱能使淀粉迅速而有效地溶胀。(3)改性纤维素第四节钻井液滤失性及其控制纤维素是一种天然高分子，不溶于水，以纤维素为原料可以制得一系列钻井液降滤失剂，其中使用最多的是钠羧甲基纤维素（简称CMC）和羟乙基纤维素（简称HEC）。(4)改性树脂第四节钻井液滤失性及其控制以酚醛树脂为主体，经磺化或引入其它官能团而制得。第四节钻井液滤失性及其控制（5）烯类单体聚合物第四节钻井液滤失性及其控制制备这类聚合物的主要原料有丙烯腈、丙烯酰胺、丙烯酸和丙烯磺酸等。常见降滤失剂性能比较：改性褐煤类：K-Hm、Na-Hm热稳定性好，耐温180℃耐盐耐钙镁性差改性淀粉类：Na-CMS、HES抗盐抗钙能力强热稳定性差、易发酵第四节钻井液滤失性及其控制纤维素类：Na—CMC、HEC抗盐抗钙能力强热稳定性差树脂类：SMP-Ⅰ、SMP-Ⅱ热稳定性好、耐180-200℃高温抗盐性强起泡第四节钻井液滤失性及其控制烯类单体聚合物：Na-HPAN、NH4-HPAN热稳定性好、耐160℃抗盐能力强加量小第四节钻井液滤失性及其控制（2）增粘机理增加钻井液滤液粘度。（1）吸附机理通过氢键吸附到粘土上，增大粘土的负电性和水化膜厚度，提高粘土颗粒间斥力，使钻井液保持一定数量的细颗粒，形成致密泥饼。第四节钻井液滤失性及其控制2、降滤失剂作用机理ptCCKAVmcf12（3）捕集机理（4）堵塞机理高分子无规线团通过架桥而滞留在孔隙中的现象。无规线团直径dcdc=（1/3-1）孔隙直径dpdcdp,无规