钻井液工艺学6(水基钻井液)

CP6WaterbasedDrillingFluids第六章水基钻井液•艺术的大道上荆棘丛生，这也是件好事，常人都望而却步，只有意志坚强的人例外。•——《雨果论文学》§6—1分散钻井液•一.分散钻井液的组成•1．膨润土及原浆的配制•（1）膨润土?•（2）配浆土量计算：原浆浆VW水土水土2．分散剂丹宁、褐煤、铁铬木质素、CMC、NaOH等。3．分散钻井液特点（1）所用药品多为分散剂（2）矿化度低NaCl1%[Ca2+]120ppm（3）性能不稳定，易受污染。（4）优点：工艺简单，成本低细分散泥浆虽然缺点较多，但配制工艺简单。处理剂用量少，成本低因此有的地方仍在使用。二、钻井液受侵及处理泥浆受侵指钻井过程中，地层中的物质进入泥浆使其性能变坏的现象可溶性盐（岩盐、石膏）侵污可分为三类型地层粘土、细砂地层流体（油、气、水）（一）钙侵1.污染源(1)钻遇石膏层CaSO4Ca2++SO42-(2)钻水泥塞水泥凝固后产生Ca(OH)2Ca(OH)2Ca2++2OH-这两种情况在泥浆中可提供500～700ppm的Ca2+。2.性能变化第一阶段：粘、切、失水↗泥饼增厚第二阶段：粘、切↘失水↗泥饼增厚3.作用机理阳离子交换Ca2+与Na交换→钠土转换为钙土→粘土ξ电势减小，水化膜变薄。4.石膏侵，水泥侵区别石膏侵，PH值一直下降水泥侵：PH值增加5.石膏侵的处理？？？6.防止水泥侵（1）用清水钻水泥塞（2）进行预处理（二）盐侵及盐水侵（1）性能变化前期：NaCl＜1%性能变化不大中期：NaCl=3%粘切达到最大值、失水↑后期：NaCl＞3%粘切↓、失水↑（2）机理NaCl→压缩粘土双电层→粘土ζ电势降低水化膜变薄→粘土絮凝，聚结（3）处理三、泥浆性能调节（一）密度的调节1.泥浆密度的要求平衡地层压力、不喷、不漏2.提密度（1）加重剂用量根据物料平衡：方吨重剂用量每方泥浆加重剂所需加重重重重2121VVG12121211VVVVVV重重重重重）（加重前的要求Ⅰ加重前泥浆粘度不宜过高Ⅱ加重应提切力（0.5Pa）为了满足以上两点要求，搬土含量应控制在一定范围。Ⅲ注意降低泥饼摩擦系数（可加表面活性剂）3.降密度方法：加水、稀处理剂、低密度泥浆。比重1.301.31～1.601.61～2.002.01～2.30搬含2.01.81.61.4（二）粘度的调节1.提粘度（1）处理时机当井壁垮塌、沉砂过多或者堵漏时。（2）方法（分为三种情况）Ⅰ提塑粘a.加分散剂（CMC）b.加油c.加惰性固体Ⅱ提结构粘度加电解质（氯化钙）2.降粘切（1）处理时机钻进泥质岩石，配加重泥浆，以及泥浆受可溶盐侵污导致的粘切上升。（2）方法a.加稀释剂b.加水或稀处理剂c.加明矾（三）失水钻达生产层，易垮塌及吸水膨胀地层。方法：1.使用降失水剂2.有助于形成致密泥饼的物质（如磺化沥青）（四）调节PH值方法：1.一般使用NaOH2.防塌泥浆中用KOH3.深井可配合表面活性剂，可有效的稳定PH值。（五）混油1.优点：（1）降失水（2）降摩阻（3）保护油气层（4）防塌2.工艺要求（1）调节好泥浆性能，粘度不宜太高（2）混油量5～10%（3）注意搅拌均匀（4）可加适量亲水性活性剂（如AS、OP等按油量的0.1～0.3%）§6—2钙处理泥浆•一、粘土的分散状态与泥浆性能适当絮凝的粗分散状态，有适当的粘度、切力和失水，满足钻井工艺要求。二、配制原理•利用钙的絮凝作用和分散剂的分散作用相互制约，使粘土处于适度絮凝状态，来维持泥浆性能。•当Ca2+作用强时，絮凝程度增加，分散剂作用强时，絮凝程度降低。•通过调节Ca2+和分散剂的量，调节粘土颗粒的絮凝程度和颗粒的粗细，以得到适宜的粘度、切力和失水，满足钻井工艺需要。•当Ca2+略有变化时，泥浆性能变化不大，即处理泥浆对钙侵不敏感。三、钙处理泥浆抗污染机理1.同离子效应泥浆中含有较高浓度的Ca2+，地层石膏的溶解受到抑制。2.泥浆钝化粘土颗粒基本为钙质土，Ca2+离子浓度略有变化，粘土颗粒的状态变化不大，对泥浆性能影响小，即表现出，泥浆对可溶盐的侵入的敏感程度降低。3.电解质浓度高，抑制钻屑分散对泥浆性能的影响。四、性能调节1.控制[Ca2+]（1）通过控制氯化物的加量（2）通过调节PH值控制[Ca2+]2.选用分散剂选用原则：低钙泥浆加NaC中高钙泥浆加FCLS(或SMK)、NaC§6—3盐水泥浆一、原理二、类型及特点NaCl含量5~10%1．盐水钻井液抗盐侵污染不能阻止井壁岩盐溶解[Cl-1]含量＞17000/L2．饱和盐水钻井液抗盐侵可阻止亍壁岩盐溶解三、饱和盐水泥浆特点1.矿化度高，粘土ξ=0，护胶是关键。2.护胶剂用量大，（全靠护胶剂护胶）3.提粘困难（可用海泡石提粘）4.深井饱和盐水泥浆有盐析问题5.易起泡四.工艺要点1.配制方法（1）首先保证原浆充分预水化（2）加足护胶剂（3）最后加盐至饱和即配制程序：粘土预水化→加护胶剂→加盐至饱和2.维护处理：加饱和盐水处理剂混合液五.常用饱和盐水泥浆1.FCLS—CMC饱和盐水泥浆（1）配方（用井浆转化）Na2CO3+FCLS+NaOH(1/5)+CMC+盐+红矾1.5%1.5%0.2%2%饱和0.2%（2）维持要点：(a)用饱和盐水混合剂维护，使饱和盐水限在20～30%(b)PH=9～102.SMC—SMP饱和盐水泥浆（1）特点：抗高温，泥饼摩阻小，适用于超深井（2）维护要点a.搬土含量4～6%体积比b.PH=7～10c.SMP为主处理剂，配合SMC使用。§6—4聚合物钻井液一、泥浆组成及性能对钻速的影响（一）比重的影响机理分析1.由于超平衡钻井产生较大的ΔP，在ΔP的作用下将钻头破碎的岩屑贴在井底被“压持”而不容易被清除（即压持效率），使钻速降低。ΔP=P液-P地Ρ↗ΔP↗压持作用↗（二）粘度对钻速的影响粘度（水眼粘度）对钻速的影响是间接的。钻井液综合性能可以用一个变量雷诺数Re来代表，它表示如下：水眼粘度流速管子内径式中：——————Re；uV；dudkVPnn•机理分析：•1.钻头破碎岩石之前需先将钻头与地层之间的流体排开，泥浆粘度高相当于在两者间提供了粘性缓冲垫子，即是减小了钻头对岩石的冲击力，导致Vt下降。•2.粘度↗岩屑下沉速度↘固含↗导致了ρ和粘度上升。Vt↘（三）失水量对钻速的影响•在其它参数一定时，Vt高是因为在井底形成厚而松散的泥饼，抵抗钻头对岩石的破碎作用要比低失水钻井液形成的韧而不渗透的泥饼低，Vf↗Vt↗•机理分析：•1.高的瞬时失水，滤液立刻填充钻头破碎岩石的微裂缝，可使裂缝扩展，张开不愈合。减小压持效应和钻头牙齿将破碎岩石以破碎坑中剔出。•2.瞬时失水高，岩石表面的压差减小岩石抗压强度降低。•所以在钻井过程中要尽量保证全井累计失水不变的情况下，尽量增大瞬时失水。（四）固相含量及类型对速的影响•1.固相含量的影响固含增加，泥浆的密度随之增加，粒度增加，钻速降低。此外固含增加，使钻头和岩石的接触受到的阻碍增加，钻头对地层的冲击力减弱，导致钻速下降。淡水钻速为100，固含升高7%时，钻速降为50%.•2.固相类型的影响搬土劣土砂，重晶石。（对粒度影响不同）•3.粒度分布的影响塑粘大小主要由小于1um粒子浓度来决定，如果亚微米粒子浓度愈大，因此，使用分散泥浆和不分散泥浆体系将会得到不同的钻速。•机理分析：亚微米粒子易卡住或封闭井底裂缝使瞬时失水降低，同时亚微粒子造成粘度上升。结论：泥浆中的固相含量增加钻速降低，同时固含增加，泥浆的密度和粘度增加，失水量随之改变，从而使钻速降低。故泥浆固相含量是影响钻速最主要因素。二、聚合物处理剂及作用（一）高聚物絮凝剂1.醋酸乙烯脂---顺丁烯二酸酐共聚物（VAM）2.聚丙烯酰胺（PAM）•3.水解聚丙烯酰胺（PHP）•（1）水解反应•（2）水解度xHCONHCOONaH即%10024.PHP、PAM的性质。（1）水溶性↗水溶性愈差。PHP的水溶性优于PAM（2）粘滞性•a.分子量愈大，粘度愈大。•b.水解度愈大，粘度愈大。•c.温度↗粘度↘（3）交联（4）抗温可达200℃（5）PH=8时絮凝效果最佳（PH10时，PHP继续水解）（6）抗盐抗钙能力•PHP抗Ca2+200PPm,(PHP200转化为完全絮凝剂)•抗Cl-2000PPmM（二）聚合物处理剂的作用•1．絮凝作用•(1)絮凝机理：•①吸附：PHP分子中的-CONH2与粘土表面的氧形成氢键发生多点吸附。•②桥联：分子链共同吸附粘土颗粒桥联一起。•③网络：每条分子链之间通过粒子而缠绕，形成网络，土粒和长链分子的电荷密度，水化减弱，彼此吸附强----脱水收缩。•④絮凝沉降，粒子在重力作用下沉降。(2)影响因素①分子量目前国内使用的=300～600万②水解度H=30%效果最佳③絮凝剂浓度小于临界浓度④PH值PH=7～8.5时（此时H=30%）PHP的絮凝效果最佳。⑤分散剂分散剂抵消PHP的絮凝效果⑥电解质电解质加入，如CaCl2、NaCl等加入，使PHP成为完全絮凝剂。使用不分散低固相钻遇石膏层时。要加适量纯碱处理。(3)为什么PHP会有选择絮凝的性质这主要是因为PHP分子链上的-COO-与搬土表面上的静电斥力，以及搬土表面上的水化膜厚等，因此PHP在粘土颗粒表面上的吸附能力降低，但PHP与钻屑和其它劣土间没有这种排斥效应，所以PHP是絮凝劣土而不絮凝搬土。2.防塌作用PAM和PHP具有一定的防塌作用，（这是与淡水相比较而言）它的防塌机理有这些:•(1)长链高分子横过泥页岩井壁的微裂缝，在井壁上多点吸附，阻止泥页岩的剥落，由于PHP分子链伸展，因此分子链卷曲的PAM防塌能力强。•(2)在井壁上形成吸附膜，增大滤液流动阻力和减小滤矢量。3.剪切稀释紊流减阻聚丙烯酰胺是一种紊流减阻剂，把它加入在清水中，可在不改变排量情况下降低泵压。当PAM和PHP在溶液具有剪切稀释性。紊流减阻的机理几种看法：•（1）由于机械干扰使紊流运动时消耗让能量减少、泵压降低，吸附产生褐煤的能量•（2）聚合物溶液中的有将能量吸附储存于聚合物分子中的趋势不会发展在干扰中。三、无固相钻井液（聚合物清水）（一）聚合物清水使用条件1.所钻井段无高压油气层2.所钻井段无力学不稳定而需要用高比重泥浆来克服井塌地层。（二）聚合物清水钻井工艺1.对于井壁稳定的地层，可以絮凝为主，尽可能降低比重，最大限度提高钻速。简单工艺如下：(1)使用PAM=50～100PPm.或者使用PHP=10～30PPm。H=30%，即可将所有钻屑全部絮凝(2)采用振动筛和沉砂池除砂2.对于易发生井塌的地层(1)在振动筛后加入PAM=50～100PPm，同时加入CaCl2和KCl抑制钻屑分散。(2)在入口处加入PHP=50～100PPm，H=30%让井浆内保持高浓度PHP溶液。以利于井壁上形成保护膜巩固井壁。(3)沉砂池不能有效沉砂，因此应考虑使用除砂器和除泥器。（三）防卡措施1.保证双泵循环2.起钻前循环两周以上3.接单根动作要快4.断钻具后，打捞对准落穴。循环两周方能起钻。（四）转化工作1.转化时机(1)井内垮塌物较多、需要长段划眼。影响正常钻井时。(2)即将钻遇高压地层(3)已钻达下套管井深时2.转化工艺(1)加入预水化搬土与井上PHP溶液按一定比例相混。(2)在溶液中Ca2+含量高时要加碱处理。四、两性复合离子聚合物泥浆FA367复合离子强包被剂组成XY-27抑制型稀释剂LS-Ⅱ惰性降失水剂1.FA367是由多种阴阳离子，非离子的乙烯基单体共聚而成的复合离子型高分子水溶性聚合物，在高分子链节中，阴离子是钾、胺等抑制性盐类形式存在，并引入有机阳离子，对粘土颗粒进行氢键及化学键吸附，同时利用自身分子间的缔合，对粘土颗粒进行包被，进而成网作用，抑制粘土颗粒分散。•2.XY-27是由多种阴、非离子基团与有机阳离子单体共聚而成的复合离子型低分子水溶性聚合物，分子中引入有机阳离子，它能优先吸附于粘土颗粒上，且能与主聚剂分子链键合形成络合物