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钻井液在钻井中的作用

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钻井液在钻井中的作用

发布日期:2015-07-06 15:28 来源:http://www.jplangley.com 点击:

钻井液基础知识
钻井液在钻井中的作用:

 1、清洗井底,携带岩屑,保持井底清洁,保证钻头不断地破碎地层,使钻 进不中断。 2、平衡地层中的流体(油、气、水)压力,防止井喷、井漏等井下复杂情 况,保护油气层。 3、平衡岩石侧压力,并在井壁形成泥饼,保持井壁稳定,防止地层坍塌。 4、发挥水力效能,传递动力,冲击井底,帮助钻头破碎井底岩石,提高钻 井速度。 5、悬浮岩屑和加重剂,降低岩屑沉降速度,避免沉砂卡钻。另外承受钻杆 和套管的部分重力。 6、润滑并冷却钻头,钻具。 7、防止地层中盐水、盐岩、石膏、芒硝等对钻井液的化学污染,防止硫化 氢污染和损害。 8、利用钻井液,准确获得井下资料。 一、钻井液性能与钻井工作的关系 一) 、钻井液密度与钻井的关系 密度过大有以下害处: 1、损害油气层; 2、降低钻井速度; 3、过大压差造成压差卡钻; 4、易憋漏地层; 5、易引起过高的粘切;

6、多消耗钻井液材料及动力; 7、抗污染能力下降。 密度过低则容易发生井喷、井塌(尤其是负压钻井) 、缩径(对塑性地层, 如较纯的粘土、盐岩层等)及携屑能力下降等。 二) 、钻井液粘度、切力与钻井的关系 1、粘度、切力过大有以下害处。 ⑴流动阻力大,能量消耗多,功率低,钻速慢; ⑵净化不良(固控设备不易充分发挥效力) ,易引起井下复杂情况; ⑶易泥包钻头,压力波动大,易引起卡、喷、漏和井塌等事故; ⑷脱气较难,影响气测并易造成气侵。 2、粘度和切力过低也不利于钻井,如: ⑴洗井不良,井眼净化效果差; ⑵冲刷井壁加剧,引起井塌等井下事故; ⑶岩屑过细影响录井。 三) 、滤失量和泥饼质量与钻井工作的关系 钻井液滤失量过大,泥饼厚而虚,会引起一系列问题。 1、易造成地层孔隙堵塞而损害油气层,滤液大量进入油气层,会引起油气 层的滲透率等物性变化,损害油气层,降低产能。 2、泥饼在井壁堆积太厚,环空间隙变小,泵压升高。 3、易引起泥包钻头,下钻遇阻、遇卡或堵死水眼。 4、在高滲透地层易造成较厚的滤饼而引起阻卡,甚至发生压差卡钻。 5、电测不顺利,并且由于钻井液滤液进入地层较深,水侵半径增大,若超 过测井仪器所测及的范围,其结果是电测解释不准确而易漏掉油气层。

6、对松软地层,易泡垮易塌地层,会形成不规则的井眼,引起井漏等。 泥饼一定要薄、致密、韧性好,能经受钻井液液流的冲刷。 四) 、固相含量与钻井的关系 钻井液中固相含量越低越好,一般控制在 0.5%以下。固相含量过大,有以 下危害: 1、固相含量高,钻井液柱压力大,钻速降低。 2、固相颗粒愈细对钻速影响愈大,而且深入油层会造成永久性堵塞,油气 层受损害严重。 3、固相含量高、滤失量大时,泥饼必然厚,摩阻系数增大,因而易引起井 下复杂情况的发生。 4、固相含量高,钻井液的流变性难以控制,且流阻大,功耗多,钻井效率 低。 5、含砂量大,易造成钻头、钻具等机械设备的磨损。 6、在固相含量高时,钻井液受外界影响大且敏感(如对温度、各种污染物 等的影响变大) 。 降低固相含量的方法 1、 机械除砂:利用振动筛、除砂器、除泥器等设备降低固相含量。

1) 、振动筛 振动筛是对钻井液进行固相控制的第一级设备,又是唯一能适用于加重钻井 液的常规分离设备。因此,它是固控的关键设备,担负着清除大量钻屑的任务, 同时为下一级固控设备的使用创造必要的条件,如果振动筛发生故障,其下一级 设备就会超载,严重影响净化效果。所以,要根据钻井条件,选好、用好振动筛。 2) 、旋流器

旋流器按其直径不同,可分为除砂器和除泥器。 ⑴除砂器。直径为 150~300 毫米的旋流器称为除砂器。其处理能力是:在进 料压力为 0.2 兆帕时不低于 20~120 立方米每小时。正常工作的除砂器能清除约 95%大于 74 微米的钻屑和约 50%大于 40 微米的钻屑。为了提高使用效果,在选 用除砂器时,其许可处理量必须为钻井时最大排量的 125%。 ⑵除泥器。 直径为 100 毫米和 150 毫米的旋流器称为除泥器。 其处理能力是: 在进料压力为 0.2 兆帕时不低于 10 和 15 立方米每小时。正常工作的除泥器能清 除约 95%大于 40 微米的钻屑和约 50%大于 15 微米的钻屑。除泥器能除去 12~ 13 微米的重晶石,因此,不能用它来处理加重钻井液。在使用中,除泥器的许可 处理量,应为钻井时最大排量的 125%~150%。 3) 、清洁器 清洁器是旋流器与超细网振动筛的组合。上部为旋流器,下部为超细网振动 筛。 清洁器是二次处理设备。它处理钻井液的过程分为两布:第一步是旋流器把 钻井液分离成低密度的溢流和高密度的底流。第二步是超细网振动筛将高密度的 底流再分离成两部分,一部分是重晶石和其它小于网孔的颗粒透过筛网,另一部 分是大于网孔的颗粒从筛网尾部排出。 4) 、离心机 离心机有沉淀式、筛筒式、水力涡轮式、叠片式等多种类型,而在石油钻井 中处理钻井液用的多数是前三种。 离心机主要用在加重钻井液中回收重晶石和清除细小固相及胶体,在非加重 钻井液中清除钻屑,也可用离心机对旋流器排出的底流进行第二次分离,回收液 相,排除钻屑。

离心机的处理量和分离粒度与其转速和容量有关。 2、化学除砂:加入化学絮凝剂,将细小的砂子变大而沉降。 3、降低钻井液粘度有利于降低固相含量:因此在现场维护钻井液时,对固 相含量有下列要求。 ⑴根据需要配备良好的净化设备,彻底清除无用固相。 ⑵必须严格控制膨润土的含量,所使用钻井液的密度愈高、井愈深、温度 愈高,膨润土的含量应愈低,一般应控制在 30~80kg/m3。 ⑶在轻钻井液中, 固相含量应不超过 10% (体积) 或密度不大于 1150kg/m3。 ⑷无用固相含量与膨润土含量的比值,应控制在 2﹕1~3﹕1。 五) 、PH 值与钻井工作的影响 1、PH 值过高,OH-在粘土表面吸附,会促进泥页岩的水化膨胀和分散,对 巩固井壁、防止缩径和坍塌都不利,往往会引起井下复杂情况的发生。另外, 高 PH 值的钻井液具有强腐蚀性,缩短了钻具及设备的使用寿命。 2、通过 PH 值的变化,可以预测井下情况。如盐水侵、石膏侵、水泥侵等 都会引起 PH 值的变化。 二、有机处理剂 一) 、稀释剂(降粘剂) 稀释作用主要是通过稀释剂分子在粘土颗粒某些部位的吸附,改变粘土颗 粒的表面水化状态,减弱或拆散钻井液内部的网状结构来达到稀释的目的。 1、单宁碱液:代号 NaT 2、磺甲基单宁:又叫磺化单宁,代号 SMT 3、铁铬木质素磺酸盐 简称铁铬盐,代号 FCLS。为棕黑色粉末,易溶于水,水溶液呈弱酸性。

其主要用作抗盐抗钙的分散型钻井液的稀释剂,可减弱粘土颗粒间的流动 阻力,降低粘度和切力;也可抑制泥页岩的水化膨胀和分散,而防止粘度和切 力的上升,有利于井壁稳定。此外铁铬盐还具有降滤失作用和抑制粘土水化膨 胀的作用。 二) 、降滤失剂 1、羧甲基纤维素钠盐 代号为 Na-CMC,简称 CMC,目前常用的有低粘 CMC、中粘 CMC、高粘 CMC 三种。为白色纤维状粉末,具有吸湿性,不溶于酸和醇等有机溶剂,易分散于 水中形成胶状液,抗温达 90~140℃,有一定抗盐、抗钙能力。 主要用于各种水基钻井液的降滤失剂,还具有抑制页岩水化膨胀作用、增 稠作用等。 2、水解聚丙烯腈盐类 ⑴水解聚丙烯腈钠盐 代号 Na-HPAN, 是聚丙烯腈加 NaOH 水解而得的产物。 为淡黄色颗粒或粉末, 溶于水,水溶液呈碱性。 主要用作聚合物钻井液的降滤失剂,并有增粘和絮凝作用。抗盐可至饱和 而抗钙较差,抗温性强。 ⑵水解聚丙烯腈钙盐 代号 Ca-HPAN 或 CPAN,为浅黄色、灰白色颗粒或粉末,水溶性好。 主要用作聚合物钻井液的降滤失剂,抗盐、抗钙、抗温能力强。 ⑶水解聚丙烯腈胺盐 代号 NH4-HPAN 或 NPAN,主要用作防塌降滤失剂,抑制能力强,不提粘, 耐高温,使用时碱度不宜过高。

3、腐植酸类 利用褐煤中的腐植酸进行磺化或硝化而形成的各种盐类。它既有降滤失作 用,又有降粘作用。 ⑴腐植酸钠 代号 NaHm 或 NaC,是由褐煤和 NaOH 水解产物,黑褐色粉末,易溶于水,水 溶液呈碱性。主要用作淡水钻井液的降滤失剂,具有降粘作用,抗温性好。 ⑵硝基腐植酸钠 代号 Na-NHm,是用硝酸氧化的腐植酸钠盐。黑褐色粉末,易溶于水,水溶液呈 碱性。主要用作淡水钻井液的降滤失剂,并具有降粘作用,抗盐作用较强。 ⑶腐植酸铬 代号 CrHm,是一种抗高温降滤失剂和稀释剂,抗温可达 200℃以上。抗盐、抗钙 能力也较强。 ⑷聚合腐植酸 代号 SH23、SH24,为黑色粉粒,易溶于水,主要用作各种水基钻井液的降滤失剂, 抗盐、抗钙、防塌能力强,抗温达 200℃。 三) 、絮凝剂 絮凝剂可分为无机絮凝剂和有机絮凝剂两类,无机絮凝剂若控制不好易发 生聚沉,而有机絮凝剂能溶于水,因而现场一般都用有机絮凝剂。有机絮凝剂 又分为完全絮凝剂和选择性絮凝剂。 1、聚丙烯酰胺 代号 PAM,分为胶剂和粉剂两种,胶剂为无色透明都弹性胶体;粉剂是白色 粉末。它水溶性好,热稳定性高,抗温达 200℃,在水中不电离。主要用作不分 散低固相钻井液的絮凝剂,并有改善钻井液流变性、减少摩阻和防塌等效能。

2、部分水解聚丙烯酰胺 代号 PHP,通常也分胶剂和粉剂两种。高水解度的 PHP 还有增稠、堵漏、润 滑、降滤失和剪切稀释效能。 3、丙烯酰胺和丙烯酸钠共聚物 代号 80A51,为无色或白色粉末,易溶于水,空气中易吸水结块。主要用作 水基钻井液的絮凝剂,并有增粘、改善流变性、抑制造浆和防塌等效能。 四) 、增粘剂 1、高粘 CMC 代号 HV-CMC,不溶于酸和醇等有机溶剂,易分散于水中成胶体溶液。主要 用作水基钻井液增粘剂,也可作乳化剂。有一定降滤失作用和抗盐能力。 2、复合离子型聚丙烯酸盐 代号 PAC141,为白色或微黄色可流动粉末。本品不仅可以提高粘度,还可改 善流变参数、提高剪切稀释能力、降低滤失量、包被岩屑和抑制粘土颗粒分散 的作用,并有抗盐、抗钙、和抗温能力。主要用于水基钻井液,也可用于海水 及饱和盐水钻井液。 五) 、页岩抑制剂 1、磺化沥青钠盐 代号 SAS-1, 为黑褐色膏状胶体或粉剂,PH 值为 8~11, 密度为 1.0 g/cm3。 其主要用作各类钻井液的页岩抑制剂,并有润滑和控制高温高压滤失量的效能。 2、水分散沥青 代号 SR-401,黑色粉末。主要用作页岩微裂缝和破碎带的封闭剂而起防塌 作用,并有较好的润滑能力。一般用量为 0.5%~4%。 3、水解聚丙烯腈钾盐

代号 KPAN,为棕红色或淡黄色粉末,易溶于水,水溶液呈碱性。为丙烯酸类页 岩抑制剂,并有降滤失、抗污染和防塌等特点。 六)表面活性剂 表面活性剂的种类繁多,在钻井液中的作用也是多方面的。除用作乳化剂、 消泡剂外,选用适当的表面活性剂处理钻井液,对提高钻井液的热稳定性、保 护油气层、降低滤饼摩擦系数,防塌、防腐、提高钻速、预防和解除钻井液中 的复杂事故等方面有突出的效果。 1、乳化剂。 ⑴烷基磺酸钠(AS) 。 ⑵聚氧乙烯辛基苯酚醚(OP) 。 2、润湿、防卡、解卡剂。 ⑴聚乙二醇(PEG-400) 。 ⑵CP233 防卡剂。 ⑶SR301 解卡剂。 3、消泡剂。 ⑴甘油聚醚。 ⑵7501 消泡剂。 三、钻井液的有关计算 1、增密度计算 公式:

式中

W 加——加重剂量,t; V 加——加重钻井液体积,m3;

V 原——原钻井液体积,m3; ρ重——加重剂的密度,g/cm3; ρ加——加重钻井液密度,g/cm3; ρ原——原钻井液密度,g/cm3。 2、降低密度的计算 公式:

式中

X——所需水量,m3; ρ稀——稀释后的钻井液密度,g/cm3; V 原——原浆体积,m3; ρ水——水的密度,g/cm3。

四、常用钻井液类型 一) 、水基钻井液 水基钻井液以水为分散介质(连续相) ,以粘土为分散相(固相) ,加入一 定的化学处理剂或加重材料组成。这类钻井液发展最早,使用最广泛。水基钻 井液又可分为以下几种类型: 1、淡水钻井液: 由淡水、粘土和一般的降粘剂、降滤失剂配制而成。含盐量(Nacl)小于 1%或低于 10000 毫克/升。含钙量小于 120 毫克/升。 2、盐水钻井液: 含盐量大于 1%或高于 10000 毫克/升。 包括盐水钻井液、 饱和盐水钻井液、 海水钻井液。主要用在海湾海上钻井,钻盐岩层及泥页岩易塌地层。 3、钙处理钻井液:

含钙量大于 120 毫克/升。包括石灰钻井液、石膏钻井液、氯化钙钻井液。 其主要特点是抗可溶性盐侵蚀能力强,性能稳定。 4、不分散低固相聚合物钻井液: 一般低固相钻井液粘土含量小于 7%(体积百分数) ;不分散低固相钻井液 的粘土含量小于 4%。其主要特点是钻速快,流动性好,钻井总成本低。 5、混油钻井液: 在水基钻井液中混入 3~4%的乳化油类(原油或柴油) ,使油成小珠分散的 乳化状态。其主要特点是润滑性好,流动性好,失水量低,泥饼摩擦系数小。 二) 、油基钻井液 以油为分散介质的钻井液。它又可分为: 1、油基钻井液: 是以原油或柴油为连续相(液相) ,以氧化沥青作为分散相(固相) ,再加 入化学处理剂和加重剂配成的, 含水量在 3%以下。 其主要特点是对油层损害小, 抗可溶性盐侵污的能力强。 2、油包水乳化钻井液: 以柴油作连续相,以水作分散相,呈小液滴状分散在水中(水的体积分数 可达 60%) ,以有机膨润土(或称亲油膨润土)和氧化沥青作稳定剂,再加入其 它处理剂、加重剂配制而成。其主要特点是热稳定性高,有较好的防塌效果, 对油气层损害小,常用于高温井段,钻易塌地层和低压油气层。

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