钻井液与固控系统

1钻井液与固控系统2石油钻井机械与装备为油气钻井工程服务；钻井工程为油气勘探开发服务；钻井液技术为钻井工程服务为满足油气钻井工程技术不断提高的要求,石油钻井机械与装备得到不断发展；石油钻井机械与装备的发展保证和促进了钻井工程技术发展；3钻井工程为油气勘探开发服务,对所设计的探井或开发生产井:打得成(消除、减少井下复杂与事故,保证钻井本身安全及公共安全，保证把井到到设计井深与层位)打得快(提高机械钻速；消除、减少井下复杂与事故)打得好(井身质量好；井眼轨迹合符要求；保护油气层)打得省(成本合理)核心：减少井下复杂与事故;提高机械钻速,这是一个系统工程，而钻井液技术是其关健之一4一.钻井液与固相控制㈠.钻井液及其功能满足钻井工程需要，解决钻井中的难题，帮助钻井新技术实现,在钻井中循环应用的流体。1.满足钻井工程的基本需要：建立循环：清洗井底、带出钻屑，悬浮钻屑对付地层流体（油、气、水）冷却钻头52.防止和解决钻井过程（包括使用泥浆本身）所产生的困难和复杂问题:井漏、井壁不稳定(缩径、井塌、井壁掉块……)，伤害油层,压差卡钻;井筒压力控制……。3.保证钻井技术的进步和促进钻井技术的发展传递动力、能量，参与破岩：高压喷散钻井水力破岩，井下动力钻具;信号传输（MWD,LWD），解决大位井、分支井、特殊井的摩阻问题6㈡.钻井液(泥浆)性能1.钻井液密度所钻井眼内压力控制：即泥浆柱压力P泥（由泥浆静密度+循环当量密度决定）、地层流体压力P地，井壁地层坍塌压力P塌，地层破裂压力P破（有时表现为为承压能力或漏失压力），之间保持一个合理的关系，是保证优质、快速、安全（减少井下复杂与事故）钻井的基础和关键。钻井过程中不可避免产生的井下复杂情况，在本质上与它紧密相关，它与井下漏、喷、塌、卡直接相关，与钻速密切相关，与泥浆流变性、造壁性、抑制性……等主要性能密切相关。因此合理的泥浆密度是现代钻井技术的首要问题，也是至今国内外都没有完全解决，又急待解决的重大技术难题。7钻井液密度：一般1.00—2.50（已过关）低压欠平衡钻井：0—1.00（基本过关）超高压（国内）钻井：2.50—3.00（难点）这是泥浆工艺技术之一，主要困难是受泥浆流变性及加重剂密度所限制。82.钻井液流变性为起到携带钻屑，悬浮钻屑，悬浮重晶石，有效传递动压和水马力，（减少沿程压降）的作用,及减小或消除其副面作用，钻井液必须要有合符要求的流变性：⑴适合于泥浆的流变性：常用的（本构方程）宾汉流型：幂律流型：卡森流型：不同泥浆适用于不同的本构关系，而幂律最常用，宾汉次之。9⑵泥浆必须的流变性及表征参数表观粘度：漏斗粘度：流变参数：塑性粘度、动切应力、流型指数、稠度系数、极限粘度…静切应力：（悬浮能力）触变性剪切稀释性：……⑶它必然是非牛顿流体和结构性流体流变性与温度，压力和泥浆矿化度（含盐）有密切关系，必须专题研究。103.钻井液的造壁性⑴失水造壁性的概念(失水、泥饼)当钻井液与井壁岩石接触时，在压差作用下钻井液将进入井壁地层，岩石孔隙、裂缝尺寸大于泥浆中各种粒子，则泥浆进入地层（漏失）；若岩石孔隙裂缝尺寸小于泥浆中大部分固相粒子，则泥浆向地层发生滤失。在滤失过程中泥浆固相在地层井壁表面发生过滤，其固相粒子沉积其上形成滤饼（泥饼），过滤过去的液相称为失水（滤失量）。这个滤失过程是一客观存在，它对井壁稳定，油层保护、防止压差卡钻……有直接关系，必须严加控制（低失水，好泥饼），因此就产生了泥浆的“失水造壁性”这个特殊的重要性能。114、抑制性这是关系到井壁稳定，油层损害与保护，泥浆自身性能及其稳定的重要性质；抑制性是指泥浆本身对粘土水化、膨胀、分散作用的抑制性。如何尽可能提高抑制性一直是泥浆技术的重点和难点，至今并未完全达到所希望的水平。使用油基泥浆的初衷也是基于这一考虑。125.封堵性(封堵能力):这是关系到井壁稳定，油层损害与保护，提高地层承压能力的重要性质；封堵性能是指泥浆(通过其某些组分)借助物理、化学…等作用对井壁地层的微裂缝,孔隙喉道进行填充、封堵的能力。如何尽可能提高泥浆封堵能力目前是泥浆技术发展的重点和难点，至今并未完全达到所希望的水平。136.润滑性：泥并润滑性、极压润滑性…，深井、高密度泥浆；水平井、大位移井、分支井必须要的特性7、其它：PH、含砂量……随钻井技术的发展而不断变化14㈢.钻井液类型它分为水基、油基、气基几大类，我国现在以水基钻井液为主。水基钻井液:是以粘土为分散相在水中稳定的多级分散体系。属于胶体,悬浮体混合分散体系（0.05μ—1μ）。基本组成：水+粘土+各种处理剂+专用材料油基钻井液：它是以有机土或其它油分散固体为分散相在油中的稳定的多级分散体系。属于油的胶体—悬浮体混合分散体系；基本组成：油（代用品)+有机土（油分散固相）+处理剂+专用材料（加重……）气基钻井液：以气体（空气、氮气、天然气）为基础，雾、（泡沫）15㈣.水基泥浆发展过程1.自然泥浆体系水在钻井中地层自然造浆2细分散泥浆体系：以分散剂保证配浆般土高度分散来实现泥浆体系的建立和功能的实现3.粗分散泥浆体系：以分散剂+无机聚凝剂，以保证般土的适度分散（按要求），来实现泥浆体系的建立和功能的实现4.聚合物不分散泥浆体系：以有机高分子处理剂为主，控制造浆般土的分散度，利用聚合物的聚凝,包被作用，抑制地层粘土造浆，以保持低固相来建立的泥浆体系5.无粘土相泥浆体系：利用特种聚合物代替般土来建立泥浆体系和实现功能（还未实现）16㈤.固相控制技术钻井的理论和实践表明，必须把在钻井过程中(必然)混入泥浆的各类地层固相(包括地层钻屑、井壁坍塌物…)及时、有效的从泥浆中清除出去，才能维护泥浆性能和保证钻井工程安全、顺利、快速的进行,保证钻井目标的实现。固相控制(简称为固控，现场上也习惯称其为泥浆净化)。固相控制装置固相控制(装置)系统固相控制技术技术17二、泥浆中固相对泥浆性能与功能的影响(为什么要固控,以水基泥浆为例)㈠.钻井液中必须含有的固相(必须保留在泥浆中有用固相)钻井液中固相以颗粒存在,颗粒的大小不等，大小固相颗粒的含量也不等。固相颗粒的大小称为粒度(即粗细程度)。各种大小固相颗粒占固相总量的百分数比称为级配(级数分配)。181.造浆搬土目前钻井液必须使用搬土，而且搬土必须高度分散（粒径＜1-2μm)，成为一种搬土在水中高度分散的多级分散胶体--悬浮体，此分散体系的稳定性及内部结构状态是体系的宏观性能的内在依据，必须靠各种化学处理剂（分散度稳定剂、分散剂、护胶剂）来实现,分散稳定剂的种类及其作用机理不同，即决定了泥浆不同的类型。2.泥浆加重材料重晶石粉(200目)碳酸钙粉(200目)铁矿粉(200目)19㈡、无用(有害)固相泥浆在使用中必然有大量地层钻屑和井壁坍塌物混入，且必然被分散磨细，成为粒径大小不等的微粒，其中石灰炭、花岗岩等可能达到几百微粒(100-200目);而泥页岩中粘土混入，混入泥浆的大量粘土，也因水化作用和泥浆中胶体稳定剂的作用而高度的分散，使体系成为胶体—半胶体—悬浮体的多级分散体系(达到微米级)。这种作用叫地层或岩屑造浆，它使泥浆中粘土含量不断升高，从而泥浆性能及其功能发挥带来十分不利的影响，成为泥浆技术必须解决的重大问题。20㈢、无用(有害)固相对泥浆性能与功能的不利影响1.增加泥浆粘度石灰炭、花岗岩等固相的侵入对泥浆粘度增加的增加影响不大;而泥页岩中混入粘土，因水化作用产生地层或岩屑造浆，它使泥浆中粘土含量不断升高，可能造成井浆的粘度大幅度上升,甚致丧失流动性、无法维持正常钻进,引发事故并大大增加泥浆维护成本。这在深井(5000M)、高温(≥180℃)、重泥浆(密度≥2.00)的情况下引起的粘度上升,至今仍是未解决的重大技术难题。固相(粘土)含量越大,其分散度越高(颗粒越细)对泥浆粘度增加越大。212.泥饼质量变差、增厚，将导致井下复杂情况。钻井液的功能之一是在井壁周围形成泥饼。若钻井液中的岩屑增多将导致泥饼变厚，而这种泥饼质地松软(特别是分散的岩屑在泥饼中容易形成厚而松的假泥饼):⑴在厚泥饼使井径变小后，必然增加钻柱运动阻力，摩擦系数增大，致使钻柱扭矩增大；打定向井、水平井、大位移井时问题更为突出,甚至钻井无法进行。⑵起下钻时挂卡情况加剧，特别有假泥饼时情况更坏，其结果导致动力消耗增大、钻柱寿命缩短、钻具事故增多。22⑶容易引起压差卡钻。若在渗透性地层这种泥饼会更厚,一但钻具不居中,则陷入泥饼中,泥饼越厚陷入面积越大,此时钻柱就会受井内钻井液液柱压力与地层压力之间的压差作用而被紧紧地压在井壁上,而无法拔出(压差卡钻)。这在深井、高温、重泥浆情况下至今仍是未很好解决的重大技术难题。打斜井或定向井时问题更为突出。薄泥饼厚泥饼井壁泥饼钻具泥饼厚度对钻柱粘附面积的影响233.降低机械钻速，如图所示:固相含量每降低l%，每只钻头的进尺数即可提高7～10%；固相含量在10%范围内时，钻头的消耗数几乎随固相含量的增加呈线性增加;表明钻头消耗量随钻井液固相含增加而剧增，即钻头寿命缩短。钻一口井所需时间(即钻进时间)也随固相含量的增加而增加。钻头消耗数1020304050607050100150200250051015123钻头进尺(m)钻井液固相含量(%)1-钻头进尺；2-钻进时间；3-钻头消耗数24研究发现:⑴所有固相颗粒都影响机械钻速而粘土影响最大,以8—10%(质量比)为一转折;⑵固相含量相同时,小于1微米的颗粒比大于1微米的颗粒机械钻速降低12倍机械钻速（m/h）钻井液固相含量(%)01.32.53.74.9481216201231-岩屑；2-粘土颗粒；3-重晶石机械钻速与钻井液固相含量的关系25钻井液粘度对机械钻速有重要的影响，当钻井液的粘度增大至超过O.04ps时，对机械钻速的影响不明显，但此时机械钻速很低；当粘度小于0.022ps时影响最大，使机械钻速变化很大。而粘度又是固相含量及分散度的函数。00.020.040.060.080.100.120.14608010040机械钻速（m/h）粘度(Pa·s)机械钻速与钻井液粘度的关系26为提高机械钻速发展了高压喷射钻井:大机泵(高泵压18MPa—35MPa);新型钻头;低固相(≤4%V)不分散(地层粘土不分散)泥浆(严格固控)4.缩短机械设备及井下钻具的寿命根据钻井泵易损件的摩擦磨损试验表明，钻井液中的含砂量由0.3%增加到0.6%，活塞使用寿命即由400小时降到70小时。275.堵塞油(气)层通道打开油气层时,在压力差作用下，钻井液中小于油(气)层孔隙的固相颗粒随滤液进入油(气)层，直到被孔径更小的孔隙堵住为止。这样必然使油(气)层的渗透率下降。当进行采油(气)时，仅借助于原油(气)进入井口的反向流动力是很难解除这种堵塞状态的，从而造成油(气)层的永久性损害。研究表明：有害固相对中低渗率油(气)层的损害尤为明显，小于油(气)层孔隙的固相颗粒含量越高,分散度越高对油(气)层的损害越大，侵入油层深度越大，渗透率降低越多,越难恢复，对油(气)层的损害越严重。28因此:钻井液固相控制是保证钻井打得成、打得快、打得好、打得省必须进行的工作,也是钻井新技术发展必要的保证。钻井液固相控制必须要保护有用固相,而清除有害固相(重点是粘土),即有“选择性”.钻井液固相控制既要保证钻井液固相总量控制;又要使固相粒度和级配控制在合理范围之内。29三、固相控制系统㈠、固液分离基本原理沉降原理动态过滤原理旋流分离原理㈡、钻井液固相控制方法稀释法替换法自然沉淀法化学沉淀法机械清除方法30㈢钻井液振动筛为钻井液处理的第一级固控设备，首先将从井底返出钻井液中的较大固相颗粒清除出去，它适合于各种钻井液的筛分。振动筛始终是目前钻井装备中的必备设备。而且，它的工作质量好坏将直接影响到除砂器、除泥器及离心机能否正常工作。与旋流器、离心机及除气器相比，振动筛消耗的功率最小、投资也少，因而振动筛是目前固控设备中最经济的设备。特别在近20年来，为适应钻井工艺的变革，固控设备及固控理论得到了长足的发展，这也推动了振动筛研发技术的发展，现已能满足钻井工艺的需要。