《大學課件鉆井液》PPT課件

第四章鉆井液,鉆井液的作用：1、清洗井底，攜帶和懸浮巖屑；2、保護井壁；3、冷卻和潤滑鉆頭及鉆柱；4、平衡地層壓力；5、協(xié)助破碎巖石；6、保護油氣層。,鉆井液的基本類型：,主要內容,第一節(jié)粘土基本知識第二節(jié)鉆井液性能及調控第三節(jié)常用鉆井液簡介,第一節(jié)粘土基本知識,粘土是鉆井液的主要成分，水基鉆井液就是粘土分散在水中形成的膠體懸浮體。粘土對鉆井液的性質有很大影響，其類型不同，造漿率差別很大。,一、幾種主要粘土礦物的晶體構造及特點,粘土主要是由很細（2m以下）的粘土礦物組成，許多粘土中含有非晶體質的膠體礦物如蛋白石、氫氧化鐵、氫氧化鋁，還含有不定量的石英、長石等粘土礦物。但粘土的主要化學成分為鋁硅酸鹽。因此雖然粘土礦物的種類很多,不同粘土礦物有不同的晶體構造及特點，但其晶體都是由兩種基本構造單位組成的。,1.粘土晶體構造中的基本單位,硅氧四面體,每個四面體中都有一個硅原子與四個氧原子以相等的距離相連，硅在四面體的中心，四個氧原子(或氫氧)在四面體的頂點。在大多數(shù)粘土礦物中排列成六角形網(wǎng)絡。,鋁氧八面體,鋁原子處于八面體的中心，與上面和下面的各三個氧原子或氫氧形成一個正八面體。八面體片狀構造中，鋁占2/3位置，空余位置以表示。,2.高嶺石的晶體結構,高嶺石晶體由一個硅氧四面體片和一個鋁氧八面體片組成。四面體片的頂尖都朝著八面體片，二者由共用的氧原子和氫氧原子團聯(lián)結在一起。由于它是一個硅氧四面體片和一個鋁氧八面體片組成，所以稱高嶺石為11型粘土礦物。高嶺石單元晶層，一面為OH層，另一面為O層,片與片之間易形成氫鍵,晶胞之間連結緊密,故高嶺石的分散度低。高嶺石晶格中幾乎沒有晶格取代現(xiàn)象，它的電荷是平衡的，因此高嶺石電性微弱。這些特點決定了高嶺石水化很差，造漿性能不好，不是配漿的好材料。油氣層中高嶺石顆粒大而附著力弱，常常因運移堵塞孔喉而降低滲透率。,3.蒙脫石的晶體結構,蒙脫石是由上下兩個硅氧四面體片中間夾一層鋁氧八面體片組成，硅氧四面體的尖頂朝向鋁氧八面體，鋁氧八面體片和上下兩層硅氧四面體片通過共用氧原子和氫氧聯(lián)結形成緊密的晶層，因此稱為21型。在鋁氧八面體中，有部分Al3+被Mg2+或Fe2+取代，四面體中的Si4+也有少量被Al3+取代，顯負電性，這種現(xiàn)象稱為晶格取代現(xiàn)象。因此，吸附較多陽離子，有較強的離子交換能力。同時，蒙脫石晶層上下皆為氧原子層，各晶層間以分子間力聯(lián)結，聯(lián)結力弱。蒙脫石是極易水化、分散、膨脹的粘土礦物。這些特點決定了蒙脫石是配漿的好材料，但地層中蒙脫石也會因水化膨脹而造成井塌和油層損害。,4.伊利石的晶格結構,伊利石的晶體構造和蒙脫石相似，也是21型晶體結構，即伊利石也由兩層硅氧四面體片夾一層鋁氧八面體片組成。區(qū)別：伊利石的硅氧四面體中有較多的Si4+被Al3+取代，晶格出現(xiàn)的負電荷由吸附在伊利石晶層表面氧分子層中的K+所中和。K+的直徑為2.66，而晶層表面的氧原子六角環(huán)空穴直徑為2.80，因此K+正好嵌入氧原子六角環(huán)中。由于嵌入氧層的吸附K+的作用，將伊利石的相鄰二晶層拉得很緊，聯(lián)結力很強，水分不易進入層間，所以它不易膨脹。伊利石由于晶格取代顯示的負電性已由K+中和，K+嵌入氧原子六角環(huán)中，接近于成為晶格的組成部分，不易解離，因此伊利石電性微弱。,5.海泡石族,晶體構造為鏈狀、棒狀、或纖維狀，晶體結構中有很大的空穴。有極大的內表面積，因此，含有較多的吸附水，有很高的熱穩(wěn)定性和坑鹽侵污能力。在淡水和飽和鹽水中的水化情況幾乎一樣。因此是配制深井鉆井液和眼水鉆井液的好材料。,6.綠泥石,由三層型晶層與一層水鎂石交替組成的。水鎂石層有些Mg2+被Al3+取代，因而帶正電。于是三層型晶層與水鎂石層間以靜電相吸聯(lián)結，同時還有氫鍵存在，因此遇水不膨脹。對酸敏感。,二、粘土的吸附及水化作用,粘土的吸附作用：鉆井液中粘土顆粒和分散介質的界面上，自動濃集介質中分子或離子的現(xiàn)象稱為粘土的吸附。粘土的水化作用：由于粘土顆粒表面通常帶有負電荷，因而能吸附水分子和各種水化離子，使粘土顆粒表面形成一層具有一定厚度的水化膜，這種現(xiàn)象稱為粘土的水化作用。粘土的吸附和水化作用是使鉆井液分散體系穩(wěn)定的重要因素。,1.粘土的吸附性能,(1)粘土顆粒表面電荷種類及原因,1)永久電荷。它是由于粘土在自然界形成時發(fā)生晶格取代所產(chǎn)生的。2)可變負電荷。在粘土晶體的斷鍵邊緣上有很多裸露的Al-OH鍵，其中OH中的H在堿性條件下解離，會使粘土負電荷過剩；另外粘土晶體的邊面上吸附了OH-、SiO32-等無機離子或吸附了有機陰離子聚電解質也使粘土帶負電。由于這種負電荷的數(shù)量隨介質的pH值而改變，故稱為可變負電荷。3)正電荷。不少研究者指出，當pH值低于9時，粘土晶體邊面上帶正電荷。多數(shù)人認為其原因是由于裸露在邊緣上的Al-O八面體在堿性條件從介質中接受質子引起的。粘土的負電荷與正電荷的代數(shù)和即為粘土的凈電荷數(shù)，由于粘土的負電荷一般都多于正電荷，因此粘土一般都帶負電荷。,(2)粘土的吸附性能,吸附現(xiàn)象在鉆井液中是經(jīng)常發(fā)生的，化學處理劑改善鉆井液性能，侵入物損壞鉆井液的性能都是通過吸附改變粘土表面的性質而起作用的。鉆井液中粘土的吸附作用，可分為物理吸附、化學吸附和離子交換吸附三種。1)物理吸附。物理吸附是靠吸附劑和吸附質之間分子間引力產(chǎn)生的，物理吸附是可逆的，吸附速度與脫附速度在一定條件下呈動態(tài)平衡。非離子型的有機處理劑，往往是因在粘土表面發(fā)生物理吸附而起作用的。2)化學吸附。化學吸附是靠吸附劑與吸附質之間的化學鍵力而產(chǎn)生的。例如鐵鉻木質素磺酸鹽在粘土晶體的邊緣上可以發(fā)生螯合吸附。3)離子交換吸附。粘土顆粒因晶格取代等原因，一般是帶負電的，為了保持整體的電中性，必然要吸附陽離子。而吸附的陽離子一般來說并不固定，可以與溶液中的陽離子進行交換，這種作用稱為離子交換吸附。,離子交換吸附的特點：,同號離子相互交換；等電量相互交換；離子交換吸附的反應是可逆的，吸附和脫附的速度受離子濃度的影響。離子交換吸附的規(guī)律：濃度相同，價數(shù)越高，與粘土表面的吸力越強，交換到粘土表面上的能力越強；價數(shù)相同、濃度相近時，離子半徑越小，水化半徑越大，離子中心離粘土表面越遠，吸附能力弱(K+與H+除外)；當濃度很高時，低價離子同樣能交換高價離子。常見的陽離子交換能力強弱順序是：H+Fe3+Al3+Ba2+Ca2+Mg2+NH4+K+Na+Li+粘土的陽離子交換容量是指在pH等于7的條件下，粘土所能交換下來的陽離子總量。它包括交換性氫和交換性鹽基，其數(shù)值均以每100g粘土所交換下來的陽離子的量表示。粘土的陽離子交換容量，直接關系到粘土顆粒帶電荷的多少和吸附處理劑的能力。影響粘土陽離子交換容量的因素有粘土礦物的本性、粘土礦物的分散度及溶液的pH值。,2.粘土的水化作用,(1)粘土水化膨脹機理粘土水化膨脹機理主要有兩方面：1)表面水化是由粘土晶體表面上水分子的吸附作用引起的，引起表面水化的作用力是表面水化能，第一層水是水分子與粘土表面的六角形網(wǎng)絡的氧形成H鍵而保持在平面上。因此，水分子也通過氫鍵結合為六角環(huán)，下一層也以類似情況與第一層以氫鍵連接，以后的水層照此繼續(xù)。2)滲透水化由于晶層之間的陽離子濃度大于溶液內部的濃度，水發(fā)生濃差擴散，進入層間，在雙電層斥力作用下層間距增大。滲透膨脹引起的體積增加比晶格膨脹大得多。,(2)影響粘土水化膨脹的因素影響粘土水化膨脹的因素有：1)粘土晶體的部位不同，水化膜的厚度不相同。粘土晶體所帶的負電荷大部分都集中層面上，吸附的陽離子多，因此水化膜厚。在粘土晶體的邊面上帶電荷較少，因此水化膜薄。2)粘土礦物不同，水化作用的強弱不同。蒙脫石的陽離子交換容量高，水化最好，分散度也最高；而高嶺石陽離子交換容量低，水化差，分散度也低，顆粒粗；伊利石由于晶層間K+的特殊作用也是非膨脹性礦物。3)粘土吸附的交換性陽離子不同，其水化程度有很大差別。如鈣蒙脫石水化后晶層間距最大僅為1.7nm，而鈉蒙脫石水化后晶層間距可達1.74.0nm。,三、鉆井液中粘土表面的雙電層,定義：粘土顆粒在水中表面帶負電荷，通過靜電作用可把交換性陽離子(稱為反離子)吸引在它的周圍。這些反離子一方面受負電荷的吸引靠近粘土表面，另一方面由于反離子的熱運動及反離子之間的斥力，會脫離粘土顆粒向溶液中擴散，其結果構成了擴散雙電層。粘土顆粒周圍的陽離子只有一部分同粘土顆粒一起運動，這部分同粘土吸引得比較牢固的陽離子層，稱為吸附層。另一部分陽離子距離粘土顆粒稍遠，不隨粘土一起運動，這一部分稱為擴散層。吸附層和擴散層的交界面稱為滑動面。,電解質壓縮雙電層作用,粘土顆粒運動中因丟掉擴散層中的反離子而顯示出一定的電勢,稱為電動電勢(電位),其數(shù)值取決于吸附層內反離子總電荷。電解質對電動電勢影響較大，溶液中陽離子濃度越高，進入吸附層的陽離子數(shù)量多，電位降低，當反離子全部進入吸附層時，這種現(xiàn)象稱為電解質壓縮雙電層。,四、鉆井液的穩(wěn)定性鉆井液分散系若能長久保持其分散狀態(tài)，各微粒處于均勻懸浮狀態(tài)而不破壞，就稱為具有穩(wěn)定性。,1.鉆井液的沉降穩(wěn)定性定義：鉆井液的沉降穩(wěn)定性沉降穩(wěn)定性是指在重力作用下鉆井液中的固體顆粒是否容易下沉的性質。影響沉降穩(wěn)定性的主要因素：粘土顆粒的大小、顆粒與分散介質的密度差、分散介質的粘度和鉆井液中粘土顆粒的多少，顆粒愈大、顆粒愈重、介質粘度越小則沉降穩(wěn)定性越不好。,2.鉆井液的聚結穩(wěn)定性定義：聚結穩(wěn)定性是指鉆井液中的固體顆粒是否易于自動降低分散度而粘結變大的性質。產(chǎn)生聚結的原因：鉆井液中的粘土顆粒分散度高，比表面積大，因而具有較大的表面能。按照能量自發(fā)減少的原理，顆粒會自發(fā)地聚結變大，以降低表面能和分散度；顆粒在運動中相互接近或碰撞時，顆粒之間存在排斥力和引力，當引力大于排斥力時也會使顆粒聚結變大。,電解質對聚結穩(wěn)定性的影響：電解質有壓縮雙電層和降低電位的作用，當電解質加量較多時，雙電層被壓縮，電位降低，減弱了顆粒在接近或碰撞過程中的雙電層斥力，易于使顆粒聚結。聚結值的概念：使粘土開始明顯聚結所加的電解質的最低濃度稱為聚結值。高分子化合物對聚結穩(wěn)定性的影響：鉆井液中粘土顆粒能夠和高分子化合物之間發(fā)生相互作用，絕大部分高分子化合物都會吸附在粘土顆粒的表面上。若高分子物質較多，粘土顆粒會盡可能多地吸附高分子物質在它的表面上，當顆粒完全被高分子所包圍，沒有剩余的空白表面，就會失去再吸附其它顆粒上的高分子的可能，使顆粒間的橋聯(lián)作用無法實現(xiàn)，使鉆井液體系的穩(wěn)定性增強，這種現(xiàn)象稱為膠體的保護作用。,第二節(jié)鉆井液性能及調控,一、鉆井液的密度,1.對密度的要求,2.調整鉆井液密度的方法,二、鉆井液的流變性,流變性：鉆井液流動和變形的特性稱為流變性，其中流動性是主要的。流變性的作用：1)攜帶巖屑，保證井底和井眼的清潔；2)懸浮巖屑和重晶石；3)合理確定水力參數(shù)，減少循環(huán)壓力損失，充分發(fā)揮鉆頭水馬力的作用，提高機械鉆速；4)減輕鉆井液造成的壓力激動和對井壁的沖刷，防止井漏和井塌等事故的發(fā)生；5)有效地發(fā)揮固控設備的效能；6)防止氣侵。,1.鉆井液流變模式及流變參數(shù),流變學模式及流變參數(shù),靜切應力g靜切應力是指使靜止的塑性流體開始運動時的最低切應力，現(xiàn)場簡稱切力，常用g表示。觸變性破壞單位面積上網(wǎng)狀結構所需的力即為靜切應力。規(guī)定靜置1min后測定的靜切力為初切力，靜止10min后測定的靜切力為終切力，并用二者的差值來表示鉆井液觸變性的強弱。表現(xiàn)粘度表現(xiàn)粘度是指某一剪切速率下剪切應力與剪切速率的比值。,2.調整鉆井液流變性的一般要求及方法,對于非加重鉆井液：pv的適宜范圍為512mPa.s；d一般應保持在1.414.4Pa范圍內。切力g是使鉆井液開始流動所需的最低切應力，其值過高時會造成開泵困難，甚至憋漏地層；其值過低又直接影響鉆井液的懸浮能力。為了能夠有效地攜帶巖屑，要求鉆井液具有較高的動塑比(d/pv)。根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗和平板型層流流核直徑的有關計算，一般將d/pv保持在0.48Pa/mPa.s左右是適宜的。在使用冪律模式時，n值保持在0.40.7之間。K值尚未明確其適宜范圍，但原則上應在保證有效攜巖的前提下，盡量維持較低的K值，以提高鉆速和降低開泵時所需的壓力。,調整賓漢和冪律模式流變參數(shù)的方法1)降低pv。通過合理使用固控投備、加水稀釋或化學絮凝等方法，盡量減少固相含量。2)提高pv。加入低造漿率粘土、重晶石以及混入原油均可提高霵V。另外增加聚合物濃度使鉆井液的濾液粘度提高，也可起到提高霵V的作用。3)降低d。最有效的方法是加入適合于本體系的降粘劑(或稱稀釋劑)，以拆散鉆井液中已形成的網(wǎng)架結構。4)提高d?？杉尤腩A水化膨潤土或增大聚合物的加量。5)降低n值。增加鉆井液中高分子量聚合物和無機鹽的含量，以及將預水化膨潤土加入鹽水鉆井液體系等，均可使n值降低。但是，通過增加膨潤土含量和礦化度來降n值，一般來講不是好的方法，而應優(yōu)先考慮選用適合于本體系的聚合物來降低n值，改進流型。試驗表明，XC生物聚合物和聚丙烯酸鈣等都是非常有效的流型改進劑。6)降低或提高K值。與降低或提高pv，d值的方法基本相同。,三、鉆井液的濾失量,1.鉆井過程中鉆井液的濾失和造壁作用,靜失水,動失水,2.鉆井液濾失與鉆井的關系,鉆井要求鉆井液具有低失水量和薄而致密的泥餅，在失水和泥餅質量這兩個因素中，泥餅質量是主要的。失水量高且泥餅厚而松散對鉆井是不利的：損害油氣層；井壁垮塌；井徑不規(guī)則；起下鉆遇阻；高滲透性地層形成較厚泥餅，造成壓差卡鉆等。應根據(jù)地層特點，適當控制濾失量。,3.鉆井液濾失性的調整方法,1）用澎潤土。2)加入適量純堿、燒堿或有機分散劑(如煤堿液等)，提高粘土顆粒的電位。3)加入適當聚合物以保護粘土顆粒，阻止它們聚結，從而有利于提高分散度。4)加入一些極細的膠體粒子。,四、含砂量,含砂量越小越好。,第三節(jié)常用鉆井液簡介,一、鉆井液體系的選擇,1.選擇鉆井液體系的基本準則,必須根據(jù)井的類別和地層等情況，在綜合考慮各方面的因素之后，對一口井所使用的鉆井液體系分段進行合理的選擇。主要應考慮的各種因素有：井下安全；是否鉆遇巖鹽、石膏層；井下溫度和壓力；環(huán)境保護；井漏；泥頁巖層穩(wěn)定性；井眼軌跡；壓差卡鉆；儲層損害；測井要求；鉆井液成本。,2.根據(jù)油氣井的類型選擇體系,區(qū)域探井和預測井選用不影響地質錄井并有利于發(fā)現(xiàn)產(chǎn)層的鉆井液體系。即要求鉆井液的熒光度和密度要低，該類鉆井液不能混油。盡量使用不分散聚合物鉆井液，維護低密度和低固相。,生產(chǎn)井對鉆井液的主要要求是保護好油氣層和提高鉆速。一般在上部多采用不分散聚合物鉆井液，鉆至油層時再換用適應的完井液以保護油氣層。調整井調整井特點是地層壓力高，該類井的鉆井液密度常常高達2.0以上，有時最高可達2.7。一般多選用分散鉆井液體系，必要時也可選用油基鉆井液。超深井要求：鉆井液熱穩(wěn)定性好；高溫對性能影響??；高壓差下泥餅的可壓縮性好等。必須選用抗溫能力強的處理劑和鉆井液體系。除選用油基鉆井液最為理想外，目前國內對付超深井最有效的水基鉆井液是分散型的三磺鉆井液體系。今年來有進一步發(fā)展成聚磺鉆井液體系。定向井和水平井鉆柱摩阻高、易卡鉆、井壁不穩(wěn)定傾向比直井高。采取比直井要求更高的防塌、防卡和攜屑等技術措施。陽離子聚合物鉆井液和鉀石灰反絮凝鉆井液等。,3.根據(jù)地層特點選擇體系鹽膏層易塌地層易漏失地層易卡鉆地層壓差卡鉆多發(fā)生在易形成較厚泥餅的高滲透性地層，如粗砂巖地層等。,4.根據(jù)儲層性質選擇體系,二、鈣處理鉆井液鈣處理鉆井液是一類以鈣離子提供抑制性化學環(huán)境的鉆井液。常用的鈣有三種：石灰、石膏和氯化鈣，相應稱為石灰鉆井液、石膏鉆井液和氯化鈣鉆井液。1.原理加入鉆井液中的Ca2交換粘土表面的Na，將鈉土轉變?yōu)殁}土，鈣土水化能力弱，分散度低，使粘土顆粒形成一定的絮凝狀態(tài)。鈉土轉化為鈣土的程度取決于吸附Ca2的數(shù)量、粘土的陽離子交換容量及濾液中的Ca2的濃度。另一方面，Ca2本身是一種無機絮凝劑，會壓縮雙電層，使粘土顆粒水化膜減薄，電位降低，從而引起粘土面-面連接和邊-面連接，使粘土分散度下降。鉆井液中加入Ca2的同時，加入鐵鉻木質素磺酸鹽等分散劑，這類分散劑吸附在土粒上會使土粒的水化膜增厚，電位上升，阻止分散度下降。于是調節(jié)Ca2和分散劑的加量，就可將土粒的分散度控制在適度絮凝的粗分散狀態(tài)。,2.石灰鉆井液（1）主要處理劑丹寧、石灰、燒堿，有時也加入褐煤堿液控制濾失量。（2）維護3.石膏鉆井液（1）與石灰鉆井液的區(qū)別（2）鉆井液類型石膏鉆井液的主要類型有：（1）混合劑石膏鉆井液；（2）FCLS石膏鉆井液4.褐煤CaCl2鉆井液（1）原理（2）維護,三、含鹽鉆井液1.定義和分類凡含鹽超過1.0104mg/L(氯離子含量6000mg/L)的鉆井液統(tǒng)稱為含鹽鉆井液。它包括三種類型：（1）鹽水鉆井液。（2）海水鉆井液。（3）飽和鹽水鉆井液。2.NaCl對鉆井液性能的影響氯化鈉對水化膨潤土鉆井液的影響規(guī)律是：隨著氯化鈉的增加，粘度開始急劇上升，而后下降，最后粘土加到不同濃度的鹽水溶液中配成鉆井液時，又有所增加；濾失量則是連續(xù)增加。若把干粘土加到不同濃度的鹽水溶液中配成鉆井液時，粘度即隨含鹽量的增加開始持續(xù)下降，而后基本上保持不變；濾失量則大幅度地持續(xù)上升，這是由于膨潤土在鹽水中不水化分散而造成的。由此可以說明含鹽鉆井液能有效地抑制泥頁巖的水化分散作用，具有良好的防塌效果，是抑制性較強的一種鉆井液。,除此之外，NaCl在鉆井液中還會引起下述的變化：（1）降低鉆井液的pH值。（2）降低化學處理劑的溶解度和效能。（3）引起鉆具等設備的腐蝕。（4）引起鉆井液產(chǎn)生泡沫。3.處理劑的選擇（1）護膠劑的選擇；（2）配漿土選擇4.優(yōu)點（1）抗鹽抗鈣能力強，適用于鉆含鹽地層和深井；（2）可有效地抑制泥頁巖水化，防止井塌；（3）有效地抑制地層造漿，鉆井液性能穩(wěn)定，流動性好；（4）對油層損害小。,四、鉀基鉆井液鉀基鉆井液是以各種鉀鹽為主處理劑的水基鉆井液。國內外實