钻井培训教材

第一章钻井地质基础知识•第一章、钻井地质基础知识一、岩石的机械性质1、岩石的机械性质⑴岩石的强度：岩石的强度是指抵抗外力破坏的能力。⑵硬度：岩石的硬度是指岩石抗压入的极限强⑶岩石的塑性：在外力作用下，岩石破碎前呈现永久变形的性质叫岩石的塑性。⑷岩石的研磨性：钻头破碎岩石的同时，其本身也受到岩石磨损，这种岩石磨损钻头的能力称为岩石的研磨性。⑸岩石的可钻性：是指在一定条件下，钻进岩石的难易程度。也可理解为钻进过程中岩石抗破碎强度的大小。2、岩石性质对钻井的影响其影响主要表现在：影响钻进速度与钻头进尺：使钻进过程中出现井漏、井喷、卡钻等复杂情况：钻井液受到污染，性能变坏，井径不规则，进而影响到测井、固井等。⑴粘土岩层。泥岩和页岩一般较软，钻速快，但容易产生钻头泥包。这种地层极易吸收钻井液中的自由水而膨胀，导致井径缩小。随着浸泡时间的延长，井壁会产生垮塌现象，井径扩大。⑵砂岩层。砂岩一般来说是较好的渗透层，在井壁上易形成较厚的滤饼，易引起泥饼粘附卡钻。另外滤饼对测井也有影响，所以必须使用优质钻井液。⑶砾岩层。在砾岩层中钻进易发生跳钻、蹩钻和井壁垮塌。⑷在当地层软硬交错时，易发生井斜，地层倾角较大者也易发生井斜。⑸当岩层中含有可溶性盐类，即钻到石膏层、盐岩层时，要注意对钻井液性能的影响。二、钻井中地质录井工作1、钻时录井概念：是通过计时器把实钻一个规定的单位进尺的时间反映并记录下来的过程，一般用“分／米”表示。⑴井深计算井深＝钻具总长+方入钻具总长＝钻头长度+接头长度+钻铤长度+钻杆长度⑵方入的计算到底方入＝井深-钻具总长整米方入＝新钻杆到底方入+前一根单根打完时的井深与其紧邻的整米井深之差值⑶记录方法就是将钻时、接单根、停钻、停泵、变泵等一些情况详细记录在钻时记录表上。钻时的变化能反映地层的坚硬或松散程度。根据钻时的大小可以粗略地判断岩性和进行地层对比。根据钻时记录绘制钻时曲线，并结和有关地质资料，对地层、岩性、含油气等情况进行综合分析。2、岩屑录井概念：在井深不断加深过程中，按照一定的取样间距和迟到时间，将岩屑连续收集起来，进行观察、分析，并综合运用各种录井资料进行岩屑归位，以恢复地下原始剖面的过程。3、岩心录井概念：利用取心工具，将井下一定深度地层的岩石以柱状形式取上来，并对其进行分析、研究而取得各项资料的过程。•4、荧光录井l概念：石油中的油质、沥青等在紫外光的照射下，能发出一种特殊光亮，就是荧光。根据荧光显示的亮度及颜色的差别，测定出石油的含量和组成成分，对油气层进行定性和定量解释，就是荧光录井。l荧光录井的方法•⑴岩屑干照法。•⑵点滴分析法。•5、气测录井l概念：用气测仪器通过直接测定钻井液中气体含量，从而判断油气层的过程叫做气测录井。•三、地球物理测井•1、电法测井•是通过研究井下岩层及所含流体的电学性质，进而研究岩层的岩性、储油物性和含油性的方法。•2、声波测井•就是利用岩石等介质的声学特性来研究钻井地质剖面，判断固井质量等问题的一种测井方法。其又分为声波时差测井和声波幅度测井。•3、放射性测井•是根据岩石和井内介质的核物理性质研究钻井剖面，寻找有用矿藏及研究油井工程质量的地球物理测井方法。其可分为探测伽马射线和探测中子的方法。•4、其它测井方法•⑴井温测井•⑵地层倾角测井•第二章钻井液基础知识–第二章、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℃