钻井完井液复习资料

第一章狭义钻井液：粘土以小颗粒状态(‹2um)分散在水中所形成的溶胶-悬浮体。广义钻井液：凡钻进中一切有助于从井眼产生和清除钻屑的流体（液、气、液+气）。广义完井液：一切与产层接触的流体（各种盐水、聚合物溶液、钻井液、泡沫等）。狭义完井液：钻开油气层的钻井液（钻开液）。钻井液的组成：分散介质+分散相+化学处理剂钻井液的分类根据分散介质分为四大类：水基钻井液油基钻井液气基钻井流体合成基钻井液钻井液的主要作用1、携带和悬浮岩屑2、稳定井壁和平衡地层压力3、冷却和润滑钻头4、传递水动力5、破岩、淸岩6、发现、保护油气层7、形成泥饼8、取准资料钻井液的性能•钻井液的密度——用比重秤测定•钻井液的流变性•钻井液的失水造壁性•钻井液的含砂量钻井液中不能通过200目筛的固相的体积占钻井液体积的百分数。一般要求小于0.5％。(＞74µm)•钻井液的pH值——绝大多数钻井液体系的PH值都控制在7以上。•钻井液的固相含量和油、水含量（书13、14页两个公式）•钻井液膨润土含量(MBT)——钻井液中活性粘土的数量。MBT过高，钻井液的粘度、切力增大，泥饼增厚，容易造成井下事故。MBT过小，钻井液的粘度、切力急剧下降，失水增大。钻井液的润滑性(Lubricity)•钻井液滤液的化学性质（碱度、硬度、Cl-含量、….）第二章粘土：主要由粘土矿物和少量非粘土矿物组成的细粒粘滞土状物质。粘土矿物：含水的细分散的层状及层链状构造硅酸盐矿物及含水的非晶质硅酸盐矿物的总称硅氧四面体(silicatetrahedron)由一个硅原子和四个等距的氧原子组成的正四面体。硅原子在四面体的中心，氧原子在四面体的顶点硅氧四面体片（SiO4彼此连接而成的Si4O10的无限重复的六方网格。）单个四面体与若干个相邻四面体通过底面氧相连，构成平面连续的四面体晶格。铝氧（Al—O(OH)）八面体(aluminaoctahedron)铝原子处于正八面体中心，六个氧原子或氢氧原子处于八面体顶点。铝氧（氢氧）八面体片单个八面体与相邻的八面体通过共用氢氧连接起来，顶端和底端氧原子则构成两个平行的平面（每个八面体同相邻的六个其它八面体通过共用氧（氢氧）连接）。晶层：四面体片和八面体片沿C轴按一定顺序相互重合，通过共用氧原子连接形成电中性的统一结构层。晶体许多单位晶层在C轴方向上按一定距离反复重合而成。单位晶胞能代表晶体性质的单位层内最小物质组合。常以a、b轴范围表示其大小。C轴间距：某一晶面与相邻晶层的对应晶面间的距离。两种原型粘土矿物（基本类型）1：1型（高岭石）2：1型（叶腊石）晶格取代：在晶体结构保持不变的条件下，高价中心离子被低价正离子取代的现象。结果是正电荷亏损，粘土带负电。又叫同晶置换。阳离子交换容量（CEC）：分散介质的PH=7时，从粘土上所能交换下来的阳离子总量。以meq/100g(毫克当量/100克）示之。（蒙脱石伊利石高岭石）（交换性阳离子：吸附于粘土上，可以被分散介质中其它阳离子所交换的阳离子。）几种粘土矿物的晶体构造和特性1.高岭石（Kaolinite)(晶体结构——1：1型、晶胞分子式：Al4Si4O10(OH)8)单位晶层由一层四面体片和一层八面体片组成，所有硅氧四面体的尖顶都朝向八面体，通过共用氧原子连接成晶层。若干个晶层在C轴方向上层层重叠，而在a、b轴方向上连续延伸。特点B阳离子交换容量低：C水化分散性膨胀性差，矿物较稳定。2.蒙脱石（2：1型）晶胞分子式：Al4Si8O20(OH)4两层四面体片中间夹一层八面体片。每个四面体尖顶均指向中央的八面体，通过共用的氧连接成晶层。若干个晶层按一定距离在C轴方向上重叠构成晶体。蒙脱石性能特点A、晶格取代：Mg2+、Fe2+取代八面体中的Al3+C、补偿阳离子为：Na+、Ca2+D、阳离子交换容量高：E、水化能力强。3.伊利石（2：1型+K+）晶体结构与蒙托石的晶体结构类似。区别：A晶格取代比蒙脱石多，且主要发生在四面体片中。B补偿阳离子主要为K+。C单位晶胞电荷数比蒙脱石的高1~1.5倍。特点A、单位层之间由分子间力和K+连接。C、阳离子交换容量低：D、水化能力弱。4、绿泥石（2：1：1型。）结构：两层硅氧四面体片夹一层铝氧八面体片构成单位层，单位层间夹一层水镁石片。特性：(1)晶格取代多，但CEC值低(3)水化能力差，颗粒粗，属于劣土，多呈绿色。5、间层粘土(mixedlayerclay)•结构：由两种或两种以上粘土单位层相间堆叠而成。•分类：规则间层和不规则间层。•常见：伊/蒙间层和绿/蒙间层。•特性：介于组分之间，取之于间层比，分散性强。两种纤维状粘土：海泡石、凹凸棒石特性：（1）水化分散差，但机械剪切可配浆（2）抗温性好（3）抗盐性好，称为抗盐土永久负电荷大小排序：伊利石蒙脱石高岭石。离子交换吸附：粘土颗粒（固体）上吸附的离子与溶液中离子间的同电性等当量交换作用（一种离子被吸附的同时顶替出等当量同电性离子的现象）。吸附顺序：Li+＜Na+＜K+＜NH4+＜Mg2+＜Ca2+＜Ba2+＜AL3+＜Fe3+＜H+胶体的电动现象：电泳、电渗、流动电位和沉降电位粘土水化膨胀的过程表面水化膨胀和渗透水化膨胀扩散双电层的形成与结构胶体颗粒带电，在其周围分布着电荷数相等的反离子，在固——液界面形成双电层。双电层中的反离子，一方面受到固面电荷的吸引，不能远离固面，另一方面，由于反离子的热运动，又有扩散到液相内部去的能力。这两种相反作用的结果，使得反离子扩散地分布在界面周围，构成扩散双电层。粘土溶胶的双电层：层面和端面稍有不同、双电层中的电势（位）1、表面电势φ：从固体表面到均匀液相内的电势降。特点：固体表面电势最大。表面电势随离表面距离的增大而大致依指数关系降低。2、电动电势（电位）ζ：从吸附溶剂化层界面（滑动面）到均匀液相的电势降。特点：胶粒带电越多，ζ电位越高。ζ大小取决于吸附层内的静电荷数。电解质压缩双电层机理：加入电解质,正负离子浓度增加,反离子更多进入吸附层,扩散层减薄,ζ电位降低。电解质对双电层厚度和电动电位的影响在胶体体系中加入电解质后，反离子（正电荷）浓度随着增大，反离子进入吸附溶剂化层的机会增加，胶粒电荷减少，同时扩散双电层变薄，电位降低，当所加电解质把双电层压缩到吸附溶剂化层厚度时，胶粒不带电，电位降到0（等电态），此时胶粒容易聚结。影响因素反离子浓度：浓度越高,压缩越多,ζ电位降低越多。反离子价数：价数越高,压缩越多,ζ电位降低越多。胶团结构（蒙脱石）胶核：由许多分散相分子、原子和离子构成，一般具有晶体结构。胶粒：胶核和吸附层沿滑动面与扩散层分开，但一起运动，带有电荷。胶团：由胶粒与扩散层中的反离子构成。胶团为电中性的，分散在液体介质中便是溶胶。胶体稳定性的概念：1、沉降稳定性：在重力作用下，分散相粒子是否容易下沉的性质。2、聚结稳定性：分散相粒子是否容易自动聚结变大（自动降低分散度）的性质。两种稳定性的关系：因为：分散相粒子自动聚结变大，重量加大，粒子下沉，体系失去沉降稳定性。所以：聚结稳定性是根本的。沉降稳定性是聚结稳定性的反映。Stocks沉降速度公式r—粒子半径；—分散介质粘度；ρ—粒子密度；ρ0—分散介质密度。从上式可见，影响沉降速度v的因素为：r、、ρ、ρ0。说明：Stocks沉降速度公式没有考虑钻井液凝胶强度的悬浮作用。影响聚结稳定性的因素1阻碍粘土颗粒聚结的因素（1）双电层斥力（2）渗透斥力（3）吸附溶剂化膜的性质2、引起粘土颗粒聚结的因素（1）颗粒之间的吸力（范德华力）（2）布朗运动（3）电解质的聚结作用9η)gρ(ρ2rV02第三章稳定流动类型：塞流、层流、紊流剪切速率：γ、D、dv/dr单位s-1γ=dv/dr=垂直于流动方向上单位距离内的流速增量。剪切应力：τ=F/A=dyn/cm2；Pa。τ=F/A=液层单位面积上的剪切力。流变曲线：速梯与切应力关系曲线粘度：η=τ/γ=dyn/cm2/s-1=dyn.s/cm2=泊η=τ/γ(单位剪切速率的剪切应力)。漏斗粘度：定体积泄流时间。马氏漏斗粘度：1500ml流出946ml的时间。标准：清水测量值：26±0.5s中国漏斗粘度：700ml流出500ml的时间。标准：清水测量值：15±0.5s缺点：没有考虑流体密度的影响剪切稀释性YP/PV钻井液的有效粘度随剪切速率增加而降低的现象。特点：剪切速率是变量；粘度是变量。对流体研究对象的基本假设：连续介质均质性不可压缩性层流1、塑性粘度（ηs、PV）单位：公制：dyn.s/cm2、泊、厘泊。国际：Pa.s、mPa.s塑性流体与其结构强弱无关的粘度。模式：τ-τ0=ηsγ或者η=ηs+τ0/γ优点：γ0，ττ0能够反映多数钻井液具有内部结构情况。γ，η能够反映多数钻井液的剪切稀释性。γ，ηηs能够反映出钻井液的极限粘度。缺点：低剪切速率下：τ实τ宾表明模型拟合实际曲线有较大偏差.2、假塑性流体流变模式：τ=Kγn稠度系数K：反映流体的粘滞性。K越大，流体越难流动。dyn.sn/cm2流型指数n：偏离牛顿流体的程度。特点：γ0，τ0不符合大多数钻井液具有屈服应力的特点。γ，η能够反映钻井液的剪切稀释性。γ，η0无极限粘度，不符合钻井液情况。向应,，，体粘弹震凝体触变间有关的流体与膨胀假塑性塑性体关的流体与时非牛顿流体牛粘性流体流体力）法性流体时体间无流体顿tηf(γ(τ3、卡森流体流变模型：τ1/2=τc1/2+η1/2γ1/2流变曲线：γ1/2~τ1/2作图，为一条直线。γ~τ作图，为直线与曲线之和。特点：γ0，ττc能够反映多数钻井液具有内部结构情况。γ，η能够反映多数钻井液的剪切稀释性。γ，ηηIm=η1/η能够反映出钻井液的极限粘度。触变性流体：恒温恒压下，流体搅拌后变稀，静止后变稠的特性。触变性机理流体内部的粘土粒子因其物化原因易形成网架结构。静止后：粒子为了满足表面静电饱和，在自由能最小部位自行排列而形成凝胶结构。搅拌时：网架结构逐步被拆散。触变性=初切力/终切力=10秒钟静切力/10分钟静切力=τ10“/τ10’=G10”/G10’1.静切力τs钻井液静止后形成的凝胶结构强度。钻井液从静止到开始塞流流动所需要的最小剪切应力。调整方法：升τs——提高c（碳数）、分散度，降低、水化膜厚度。降τs——与上相反。2.动切应力τ0（YP）单位：dyn/cm2、Pa钻井液开始作层流流动时，必须要的最小剪切应力。τ0与τs的区别：τ0为层流流动条件下固体颗粒之间吸引力的量度；τs为静止条件下固体颗粒之间吸引力的量度；调整方法：升τo——提高c、分散度，降低及水化膜厚度，加增粘剂。降τo——冲稀、加降粘剂拆结构。钻井液的黏度：1.有效粘度（视粘度）定义：η=τ/γ2.宾汉体的塑性粘度ηs层流流动时，流体内部网状结构的破坏与恢复处于动态平衡时，以下三部分内摩擦力的微观统计结果：固~固颗粒间内摩擦阻力；固~液、液~液相分子间内摩擦阻力；特点：ηs不随dv/dr变化而变化。影响因素：固相含量：固含ηs；分散度：分散度ηs；液相粘度：液相粘度ηs；调整ηs的方法：根据影响因素升、降ηs。3.假塑性体的n、k稠度系数k：k=f(液相、固相含量及其性质）流性指数n：n=f(内部结构强弱）n反映了流体的非牛顿性强弱，n越小，流体非牛顿性越强。降k值方法（提k方法相反）：降低固体含量；稀释或者除砂；调整n值方法：降n——加入活性膨润土、无机盐、高分子聚合物等；提n——加入清水、降粘剂等；不同转速下的剪切速率。n.rpm60030020010063r.s-11022511340.7170.310.225.11流变参数计算宾汉模式：解方程组τ1=τ0+ηsγ1τ2=τ0+ηsγ2得到ηs=(τ2-τ1)/(γ2-γ1)τ0=(τ1γ2-τ2γ1)/(γ2-γ1)指数模式:解方程组τ1=kγ1nτ2=kγ2n得