泥浆工艺原理分析.pptx

会计学1泥浆工艺原理分析泥浆工艺原理分析钻井液的功用钻井液的功用n n清除井底钻屑并将其携带至地面n n控制地层压力n n冷却和润滑钻头、钻柱n n提供低渗透、韧性好的泥饼保护井壁n n停止循环时悬浮环空中的钻屑及加重材料n n给钻头传递水力能量第1页/共135页钻井液不应具有：钻井液不应具有：n n既不能伤害钻井人员，又不能损害或污染环境n n对所设计的地层评估有不利的性能n n对产层产生伤害n对钻井设备和管材造成任何腐蚀第2页/共135页钻井液的分类钻井液的分类液体气体气液混合物混水基泥浆泡沫充气泥浆空气天然气油基泥浆第3页/共135页钻井液的组成钻井液的组成n水基泥浆：固相颗粒悬浮在水中或盐水中，油可以乳化到水中，此时，水是连续相。(粘土+水+化学处理剂)n油基泥浆：固相颗粒悬浮在油中，水或盐水 乳 化 在 油 中，即 油 是 连 续 相。(柴油+沥青/有机搬土+处理剂)n气体：用高速气体或天然气清除钻屑第4页/共135页粘土胶体化学粘土胶体化学n n典型粘土结构简介n n高岭土、蒙脱石、伊利石、海泡石高岭土、蒙脱石、伊利石、海泡石n n粘土颗粒（片体）的双电层n n粘土的水化作用第5页/共135页分散体系分散体系n n分散体系：一种或几种物质分散在另一种物质中的混合体系。n n分散相：在分散体系中被分散的物质。n n分散介质：分散相颗粒所在的连续介质n n按分散相颗粒的分散程度不同，分散体系可分为三类：第6页/共135页分散体系的分类分散体系的分类第7页/共135页高岭石结构第8页/共135页高岭石的晶体构造由一个硅氧四面体和一个铝氧8面体组成，硅氧四面体和铝氧八面体由共用的氧原子联结在一起。高岭石的片状结构中，一面为OH层，另一面为氧层，而OH键具有强的极性，片与片之间容易形成氢键，因而晶胞之间连接紧密，晶格底面距仅为7.2（1A=10-8 cm），故高岭石的分散度较低。这种粘土矿物是比较稳定的，晶格中的离子取代现象几乎是不存在的。水分不易进入晶层中间，为非膨胀类型的粘土矿物，水化性能差，造浆性能不好，不是配制泥浆的好材料。第9页/共135页蒙脱石晶格结构第10页/共135页蒙脱石的每一构造单位由两层硅氧四面体和夹在它们中间的一层铝氧八面体组成。每个四面体顶端的氧都指向构造层的中央，而与八面体所共有。四面体层中的部分Si+4可被Al+3取代，八面体层中的Al+3可被Fe+2、Mg+2、Zn+2等阳离子取代。由于Al+3 Si+4和Mg+2 Al+3的取代，晶体带负电，能吸附较多的阳离子，有较强的离子交换能力。同时晶胞间靠微弱的分子间力连接，晶胞连接不紧密，水分子容易进入两个晶胞之间发生膨胀（全脱水时晶 格 间 距 为 9.6A，吸 水 后 可 达21.4A），水化分散性能较好（造浆能力强），是制配泥浆的优质材料。第11页/共135页伊利石伊利石伊利石的晶体构造和蒙脱石相类似，不同之点在于伊利石中硅氧四面体中有较多的硅被铝取代，因取代所缺的正电荷由处在相邻两个硅氧层之间的K+补偿，因K+存在于晶层之间并进入相邻氧送层的孔穴中，使各晶胞间拉得较紧，水分不易进入层间，因此它是不易膨胀的粘土矿物。第12页/共135页海泡石海泡石是铝和镁的水硅酸盐，其晶体构造常为纤维状。颗粒形状不是片状而是棒状，含有较多的吸附水，内有较高的热稳定性，它在淡水和饱和盐水中的水化膨胀情况几乎一样（良好的抗盐性）。因此，它是配制深井泥浆的好材料。第13页/共135页粘土粘土-水界面的扩散双电层理论水界面的扩散双电层理论n n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。第14页/共135页第15页/共135页粘土颗粒（片体）表面的双电层粘土颗粒（片体）表面的双电层蒙脱石n n晶格取代：在蒙脱石的晶格里，四面体层中的部分Si+4被A1+3取代，八面体层中的A1+3与Mg+2取代，使粘土表面吸附Na+、Ca+2、Li+等），当蒙脱石放在水中，吸附的阳离子向水中扩散，使蒙脱石表面带负电。n n吸附OH-、含阴离子基团的有机处理剂第16页/共135页高岭石高岭石n n晶格表面有裸露的Al-OH，在碱性介质里H+部分电离使粘土表面带负电。n n吸附,含阳离子基团的有机处理剂。n n高岭石无晶格取代。第17页/共135页粘粘土土颗颗粒粒（片片体体）端端部部表表面面的的双双电层电层n n晶格中铝氧八面体和硅氧四面体原来的键断开，在酸性介质里铝氧八面体端部表面是以铝离子作为定势离子，带正电。在碱性环境里，以氢氧离子作为定势离子，带负电。第18页/共135页阳离子交换容量阳离子交换容量n n在PH值为7的条件下，粘土所能吸附的阳离子总量。n n通过测定粘土的阳离子交换容量，可以了解粘土表面所带的负电荷第19页/共135页粘土的水化作用粘土的水化作用n n粘土的水化作用：粘土表面吸附水分子，使粘土表面形成水化膜，粘土晶格层面间的距离扩大，产生膨胀以至分散的作用。它是影响水基泥浆性能和井壁稳定的重要因素。第20页/共135页粘粘土土水水化化作作用用产产生生的的原原因因及及其其方方式式n n粘土表面直接吸引水分子而水化n n体系表面能的降低体系表面能的降低n n粘土表面带负电而吸附水分子粘土表面带负电而吸附水分子n n晶晶格格里里的的氧氧和和氢氢氧氧层层，均均可可以以与与水水分分子子形形成成氢氢键而吸引水分子。键而吸引水分子。n n粘土表面的吸附溶剂化层里，紧密地连接若干阳离子，这些阳离子的水化给粘土颗粒带来水化膜。第21页/共135页第22页/共135页第23页/共135页影响水化作用的因素影响水化作用的因素n n不同的交换性阳离子对粘土水化的影响Ca2+max17A,Na+max40An n粘 土 矿 物 本 性 对 水 化 的 影 响蒙脱石、伊利石、高岭石n n泥浆中可容性盐类及泥浆处理剂的影响n n可容性盐类，减低可容性盐类，减低电位电位n n有有机机处处理理剂剂的的亲亲水水基基团团，被被粘粘土土吸吸附附后后形形成成较较大大的的水水化化膜膜。第24页/共135页粘粘土土水水胶胶质质悬悬浮浮体体的的聚聚结结作作用用（凝胶）（凝胶）n n聚结（Aggregation）面面：颗粒变大，分散度降低，不利于网架的形成，粘度下降。n n凝胶（Flocculation）边边边面：形成网架结构，网架结构增强，引起粘度切力增加。n n形成胶凝的强度，主要取决于单位体积中网架结构的数目和每个网架结构的强度。第25页/共135页第26页/共135页泥浆的流变性泥浆的流变性n n泥浆流变性是泥浆流动和变形的特性。如泥浆的塑性粘度、动切力、表现粘度、切力和触变性等性能都属流变性。n n泥浆的流变性影响钻速、泵压、排量，岩屑的携带与悬浮、水泥浆的流变性影响固井质量。第27页/共135页第28页/共135页剪切应力与剪切速率剪切应力与剪切速率n n剪切应力：液体流动过程中，单位面积上抵抗流动的内摩力。n n剪切速率：在垂直于流动方向上单位距离内流速的增量对于牛顿流体。n n对于牛顿流体，剪切应力与剪切速率成正比。第29页/共135页牛顿流体牛顿流体n n：剪切应力dynes/cm2n ndv/dx:剪切速率:s-1n n:粘度（Poise、泊)剪切速率Dv/dx切应力：1 1dyn/cmdyn/cm2 2=1x10=1x10-5-5N/10N/10-4 4mm2 2=0.1Pa=0.1Pa1 poise=1 dynes.s/cm1 poise=1 dynes.s/cm2 2=0.1=0.1 Pa.sPa.s1cp=0.01p=0.001Pa.s=1mPa.1cp=0.01p=0.001Pa.s=1mPa.s s第30页/共135页宾汉塑性流型（宾汉塑性流型（Bingham plastic model）n n模型：=0 0+塑塑 0：动切力（屈服值）Yield point (YP)Pa塑：塑性粘度(PV)Plastic viscosity (cp)：剪切速率(s-1)第31页/共135页第32页/共135页宾汉塑性流型（宾汉塑性流型（Bingham plastic model）n n流动特性：0时，=sn ns为静切应力（胶凝强度）Gel strengthn ns时，塑性流体象固体一样，不会发生流动n ns时，塑性流体，粘度随剪切应力的变化而降低（图中曲线段）n n直线段：粘速不随剪切应力的变化而变化，直线的斜率为塑性粘度。第33页/共135页宾汉流动曲线宾汉流动曲线剪切速率=Dv/dx切应力：0s=0+塑 静止塞流层流紊流第34页/共135页参数计算（范式粘度计）参数计算（范式粘度计）1.703 (s-1)=0.511 (Pa)塑=PV=600-300(cp)1cp=1mPa.s0=0.511(300-塑)(Pa)cp第35页/共135页幂律流型幂律流型(Power law Model)n n基本方程：=nn nk：稠度系数n nn：流型指数n n流动特性分析n n施施加加极极小小的的切切应应力力就就发发生生流流动动，没没有有静静切切应应力力，而而且且粘粘度度随随切切应力的增加而降低。应力的增加而降低。第36页/共135页第37页/共135页幂律流型的参数计算幂律流型的参数计算第38页/共135页卡森流型卡森流型cc:卡森动切力：极限高剪粘度第39页/共135页卡森流型的参数计算卡森流型的参数计算第40页/共135页赫巴流型赫巴流型n n对于动切力较高的聚合物钻井液，特别是在环空较低剪切速率下，它往往比宾汉模式和幂律模式更接近于钻井液的流变性。因其为三参数方程，参数计算较复杂。第41页/共135页流变参数分析：粘度流变参数分析：粘度n n粘度：泥浆流动时，固体颗粒之间、固体颗粒与液体之间、以及液体分子之间的内摩擦的总反映。n n影响泥浆粘度的基本因素n n粘土含量（含量大，粘度大）粘土含量（含量大，粘度大）n n土粒的分散度（增加塑性粘度）土粒的分散度（增加塑性粘度）n n土土粒粒的的聚聚结结稳稳定定状状况况或或絮絮凝凝强强度度（结构粘度）（结构粘度）n n高高分分子子处处理理剂剂的的性性质质、分分子子量量和和浓度浓度第42页/共135页n n表现粘度：在某一流速梯度下，其剪切应力与剪切速率的比值。n n对于宾汉流型n n对于幂律流型第43页/共135页表观粘度表观粘度切应力剪切速率abc第44页/共135页结构粘度结构粘度n n由表观粘度的定义n n结构粘度：分散相颗粒之间的相互作用或空间网架结构给流动增加的摩擦力，与泥浆的屈服值（0）紧密相关。第45页/共135页剪切稀释特性剪切稀释特性n n定义：表现粘度随剪切速率增大而降低的现象n n塑越低，0越高，即0塑比值越大，剪切稀释能力越高。n n在实际钻井井眼的各个部位处（如钻杆内、钻头水眼处、环空等），其剪切速率各不相同，导致各处的有效粘度各不相同。n n0/塑比值大者，剪切稀释能力强，有利于高压喷射钻井；同时在低剪切速率下会显著增稠，有利于带砂。第46页/共135页漏斗粘度漏斗粘度n n用漏斗粘度计测得的一定体积流体500ml泥浆所经历的时间。单位为秒。漏斗粘度与泥浆的塑性粘度、屈服值、以及仪器的尺寸和形状有关。第47页/共135页静切力、动切力静切力、动切力n n泥浆的切力是指静切力，其胶体化学的实质是凝胶强度，凝胶强度取决于单位体积中结构链下的数目和单个链环的强度。n n动切力：层流流动时，粘土颗粒之间及高聚物分子之间的相互作用力（形成空间网架结构的能力）。第48页/共135页触变性触变性n n泥浆的触变性：搅拌后泥浆变稀（切力降低），静置后泥浆变稠（切力升高）的特性。n n触变性的表示：10秒钟切力（初切）、10分钟切力（终切）钻井工艺要求泥浆具有良好的触变性，在泥浆停止循环时，切力能较快地增大到某个适当的数值，即有利于钻屑的悬浮，又不致于静置后开泵泵压过高。第49页/共135页对钻井液流变性的一般要求对钻井液流变性的一般要求对于非加重钻井液n n塑性粘度（PV):5-12mPa.sn n动切力（YP):1.4-14.4Pan nYP/PV=0.48Pa/mPa.sn n流型指数：0.4-0.7n n卡森动切力c:0.6-3Pan n极限高剪粘度：:2-6mPa.s第50页/共135页流变参数的调整流变参数的调整n n降低PV：通过合理使用固相设备、加水稀释或化学絮凝等方法，尽量减小固相含量。n n提高PV：加入低造浆率的粘土、混入原油；增加聚合物的浓度使钻井液的滤液粘度提高。n n降低YP：加入适合于本体系的降粘剂，以拆散钻井液中已形成的网架结构。如果是因为Ca2+、Mg2+，可使其沉淀。第51页/共135页流变参数的调整流变参数的调整n n提高YP：可加入预水化膨润土或增大聚合物的加量，对于钙处理或其它盐水钻井液，可适当增加Ca2+、Na+浓度。n n降低n值：增加钻井液中高分子量聚合物和无机盐的含量，以及将预水化膨润土加入盐水钻井液体系，均可使n值降低。n n降低或提高K值：与调整PV、YP基本相同。第52页/共135页岩屑携带问题岩屑携带问题n n钻屑在井筒内和运移过程n n层流：尖锋型层流的缺点层流：尖锋型层流的缺点n n紊流：有利于携岩紊流：有利于携岩紊流缺点紊流缺点n n排量大、泵压高排量大、泵压高n n表观粘度低，岩屑下沉速度较大表观粘度低，岩屑下沉速度较大n n井壁冲刷，不利于井壁稳定井壁冲刷，不利于井壁稳定n n钻柱旋转钻柱旋转第53页/共135页第54页/共135页第55页/共135页第56页/共135页平板型层流携岩原理平板型层流携岩原理n n在平板状流核部分，0根据宾汉流型公式：0对于流核力的平衡关系为n nA：流核的截面积（端部）S：流核表面积（环形柱的侧面积）第57页/共135页平板层流的优点：平板层流的优点：平板层流的优点：平板层流的优点：n n降低的沿程水力损失，有利于喷射钻井n n避免了紊流冲刷井壁n n解决了使用低粘度泥浆有效携岩问题。第58页/共135页第59页/共135页n n一般要求n nn=0.4-0.7第60页/共135页实现平板型层流的方法实现平板型层流的方法n n加适量的电解质，提高0n n加入大分子量的聚合物，提高0、塑n n强化泥浆固相控制措施，以降低塑第61页/共135页岩屑在环形空间内的上升速度岩屑在环形空间内的上升速度n nVp=Vf-Vsn nVp：钻屑在环空的绝对上升速度n nVf：钻井液环空返速n nVs：岩屑在环空的沿降速度n n环空返速n nVf=Q/AcVf=Q/Acn nQ:Q:排量，排量，Ac:Ac:环空截面积环空截面积n n影影响响环环空空返返速速主主要要是是钻钻井井液液的的排排量和环空面积量和环空面积第62页/共135页岩屑在环形空间内的上升速度岩屑在环形空间内的上升速度n n岩屑在环空中的沉降速度Vs：岩屑的沉降速度m/s Dp：岩屑的直径cmp：岩屑的密度g/cm3：钻井液密度g/cm3f：阻力系数第63页/共135页岩屑的最低上返速度岩屑的最低上返速度n nVp=Va-Vs0或要求举升效率：第64页/共135页井壁稳定理论井壁稳定理论n n力学因素引起的井壁不稳定n n井壁岩石三个主应力的可能排布井壁岩石三个主应力的可能排布当当 1 1和和 3 3（最大和最小主应力）的差值大于岩（最大和最小主应力）的差值大于岩石的强度时，断裂便发生石的强度时，断裂便发生n n化学因素引起的井壁不稳定n n防止页岩的水化膨胀防止页岩的水化膨胀第65页/共135页在地壳里，三个可能的应力图在地壳里，三个可能的应力图S-Pf=131S-Pf=31S-Pf=32第66页/共135页激动压力激动压力n n起下钻和钻井过程中，由于钻柱的上下移动、泥浆泵的开动等原因，使井内液柱压力产生变化的现象。n n影响激动压力的因素：n n钻柱运动速度钻柱运动速度n n钻头现钻柱的泥包程度钻头现钻柱的泥包程度n n环形空间的间隙、井深环形空间的间隙、井深n n泥浆性能（粘度、切力）泥浆性能（粘度、切力）第67页/共135页泥浆的失水和造壁性泥浆的失水和造壁性n n失水：泥浆中的自由水在压差的作用下向具有孔隙失水：泥浆中的自由水在压差的作用下向具有孔隙的地层渗透的现象的地层渗透的现象n n泥饼：泥浆中水分进入地层，粘土颗粒附着在井壁泥饼：泥浆中水分进入地层，粘土颗粒附着在井壁上，形成泥饼。上，形成泥饼。第68页/共135页第69页/共135页第70页/共135页失水过程失水过程n n泥浆水=化学结合水+吸附水+自由水n n瞬时失水：瞬时失水：新井形成瞬间，泥浆水便向地层渗透，未形成泥饼n n动失水：动失水：在泥浆循环的情况下，泥浆建立、增厚、直至平衡而失水速度也由开始较大逐渐减少至恒定。第71页/共135页失水过程失水过程n n静失水静失水：停止循环时，不存在泥浆液对泥饼的冲刷力，随着失水的进行，泥饼逐渐加厚，失水也逐渐减少。静失水的失水量比动失水小。n n失水与地层的孔隙度、渗透率、温度、压力有关。第72页/共135页泥浆失水与造饼性与钻井泥浆失水与造饼性与钻井的关系的关系n n泥浆失水过大会引起：n n水敏性泥岩、页岩的垮塌、缩径水敏性泥岩、页岩的垮塌、缩径n n损害油气层损害油气层n n泥饼厚会引起：n n引引起起上上提提力力增增加加，甚甚至至发发生生泥泥饼饼卡钻。卡钻。n n易易引引起起钻钻头头泥泥包包，使使起起下下钻钻压压力力激动增大。激动增大。n n妨妨碍碍套套管管下下入入，固固井井时时不不利利用用水水泥与井壁的胶结泥与井壁的胶结第73页/共135页对失水和泥饼的要求：对失水和泥饼的要求：n n失水：在成本可行的条件下，尽量降低失水并控制自由水的性质。n n泥饼：薄、致密、韧性好。第74页/共135页失水和造壁性的调节失水和造壁性的调节控制泥浆的失水和造壁性，关键要控制泥饼的渗透性，而渗透性决定于构成泥饼的粘土及其它颗粒的尺寸，形状与水化程度。具体措施如下：n n使用搬土，以便形成致密泥饼使用搬土，以便形成致密泥饼n n加入适量纯碱、烧碱或有机分散剂，加入适量纯碱、烧碱或有机分散剂，提高粘土颗粒的分散度。提高粘土颗粒的分散度。n n加入加入CMCCMC或其它聚合物，以保护粘或其它聚合物，以保护粘土颗粒，土颗粒，CMC CMC 起堵孔作用。起堵孔作用。n n加入极细的胶体粒子。加入极细的胶体粒子。第75页/共135页钻井液体系的分类钻井液体系的分类n n天然钻井液n n分散钻井液n n钙处理钻井液n n聚合物钻井液n n低固相钻井液l l盐水钻井液盐水钻井液l l修井完井液修井完井液l l油基钻井液油基钻井液l l气体类钻井液气体类钻井液第76页/共135页分散钻井液体系分散钻井液体系n n组成：水+膨润土+分散剂n n处理剂：对粘土和钻屑起分散作用分散剂，如降粘作用的聚磷酸盐、单宁碱液、铁锘木质素黄酸盐、褐煤。降滤失作用的CMC和聚阴离子纤维素。NaOH.第77页/共135页分散钻井液体系分散钻井液体系n n特点：n n可容纳较多的固相，适合配高密可容纳较多的固相，适合配高密度的钻井液度的钻井液n n可形成较致密的高质量泥饼，失可形成较致密的高质量泥饼，失水低。水低。n n耐温能力强。耐温能力强。n n缺点：n n固相含量高，粘度、切力较大，固相含量高，粘度、切力较大，机械钻速低机械钻速低n n对可溶性盐类较敏感，易受其污对可溶性盐类较敏感，易受其污染。染。n n滤液为淡水、容易引起水敏性泥滤液为淡水、容易引起水敏性泥页岩垮踏，污染产层。页岩垮踏，污染产层。第78页/共135页钙处理泥浆钙处理泥浆n n在分散体系中同时加入一定量的Ca2+和分散剂，Ca2+通过与水化作用很强的钠膨润土发生离子交换，使一部分钠膨润土转变成钙膨润土，从而减弱水化的程度。分散剂的作用是防止Ca2+引起体系中的粘土颗粒絮凝过度，使其保持在适度絮凝的状态。钙处理泥浆的关键是泥浆中的颗粒处于适度絮凝状态，使泥浆具有适宜粘度、切力和失水。第79页/共135页钙处理泥浆钙处理泥浆n n石灰钻井液n nPH:11-12PH:11-12n nCaCa2+2+:120-200ml/l:120-200ml/ln n悬浮石灰：悬浮石灰：3000-6000mg/l3000-6000mg/ln n石膏钻井液n nPH:9.5-10.5PH:9.5-10.5n nCaCa2+2+:600-1200ml/l:600-1200ml/ln n悬浮石灰：悬浮石灰：6000-12000mg/l6000-12000mg/ln nCaCl2钻井液第80页/共135页盐水钻井液盐水钻井液n n用盐水配制而成，含盐量从1%（Cl-含量为 6000mg/l）直到饱和（Cl-含量为189000mg/l）n n特点：n n由于矿化度较高，能有效地防止粘土由于矿化度较高，能有效地防止粘土的分散而防塌的分散而防塌n n对盐的敏感性低，耐盐和耐钙、镁的对盐的敏感性低，耐盐和耐钙、镁的能力强；能力强；n n滤液性质与原生水比较接近，对油气滤液性质与原生水比较接近，对油气层的损害较轻层的损害较轻n n岩屑不易在盐水中分散，容易被清楚。岩屑不易在盐水中分散，容易被清楚。第81页/共135页盐水钻井液盐水钻井液n n应用：n n造浆水本身含盐量较高，如海水造浆水本身含盐量较高，如海水n n地层中有盐水流地层中有盐水流n n钻遇盐脉或岩盐层以及水敏性页岩的水化钻遇盐脉或岩盐层以及水敏性页岩的水化n n饱和盐水钻井液钻井液中NaCl含量达到饱和时的盐水钻井液体系。第82页/共135页钾基钻井液体系钾基钻井液体系n n以各种聚合物钾、铵、钙盐和KCl为主处理剂的防塌钻井液。n n特点：n n对蒙脱石含量高，水敏性强的泥页岩对蒙脱石含量高，水敏性强的泥页岩地层的防塌效果好。地层的防塌效果好。n n抑制泥页岩造浆的能力强。抑制泥页岩造浆的能力强。n n体系中亚微米级的颗粒含量低，可维体系中亚微米级的颗粒含量低，可维持较低的钻井液密度和固相含量。持较低的钻井液密度和固相含量。n n用作完井液时，对储层的粘土矿物也用作完井液时，对储层的粘土矿物也有一定的稳定作用。有一定的稳定作用。第83页/共135页不分散聚合物钻井液体系不分散聚合物钻井液体系n n以某些具有絮凝和包被作用的高分子量聚合物为主处理剂的水基钻井液。由于聚合物的存在，体系所包含的各种固相颗粒可保持在较粗的范围内，同时，钻屑因受到包被保护而不易分散成微细颗粒。第84页/共135页不分散聚合物钻井液体系不分散聚合物钻井液体系n n优点：n n钻井液密度和固相含量低，机械钻速高。钻井液密度和固相含量低，机械钻速高。n n剪切稀释特性强。环空粘度、切力较高；而极剪切稀释特性强。环空粘度、切力较高；而极限高剪粘度低，钻头处流动阻力小，有利于提限高剪粘度低，钻头处流动阻力小，有利于提高钻速。高钻速。n n主处理剂有较强的包被和不分散作用，有利于主处理剂有较强的包被和不分散作用，有利于保护井壁。保护井壁。n n对产层的损害小。对产层的损害小。第85页/共135页聚合物的主要作用机理聚合物的主要作用机理n n絮凝（或选择性絮凝）作用n n通过与粘土离子吸附、架桥、成网和沉降，而通过与粘土离子吸附、架桥、成网和沉降，而实现絮凝作用。实现絮凝作用。n n影响因素：分子量大小、分子链中的基团（吸影响因素：分子量大小、分子链中的基团（吸附基、水化基）、水解度。附基、水化基）、水解度。n n包被作用包被作用抑制页岩分散的作用。抑制页岩分散的作用。第86页/共135页聚合物的主要作用机理聚合物的主要作用机理n n成网能力n n聚合物以链束和链团存在聚合物以链束和链团存在n n聚合物吸附粘土，并将粘土包被起来聚合物吸附粘土，并将粘土包被起来（降滤失、增粘（降滤失、增粘n n一条聚合物吸附多个粒子，形成链桥一条聚合物吸附多个粒子，形成链桥（降滤失、增粘（降滤失、增粘n n若几个聚合物链束同时吸附一个粘土若几个聚合物链束同时吸附一个粘土粒子，或包裹粘土的聚合物链束又彼粒子，或包裹粘土的聚合物链束又彼此连接，则形成空间网架。（分散体此连接，则形成空间网架。（分散体系、剪切稀释特性）系、剪切稀释特性）n n在此空间网架结构中，大量空间被束在此空间网架结构中，大量空间被束缚水占据，若此网架结构过强，则将缚水占据，若此网架结构过强，则将这些束缚水挤出，造成水土分离。这些束缚水挤出，造成水土分离。（絮凝作用）（絮凝作用）第87页/共135页聚合物的主要作用机理聚合物的主要作用机理n n防塌作用长链聚合物在泥页岩井壁表面发生多点吸附，封堵了微裂缝，阻止泥页岩剥落。n n聚合物浓度较高时，在泥页岩井壁形成较致密的吸附膜，可以阻止或减缓水进入泥页岩。第88页/共135页聚合物的主要作用机理聚合物的主要作用机理n n对流型的改进取决于聚合物的品种、加量。n n需要在聚合物泥浆中加入惰性降滤失剂（超细CaCO3、白碳黑、磺化度适当的磺化沥青）以改善泥饼质量。第89页/共135页典型的聚合物泥浆体系典型的聚合物泥浆体系n n不分散低固相聚合物钻井液n n不分散聚合物加重钻井液n n两性复合离子聚合物钻井液体系n n阳离子聚合物钻井液体系第90页/共135页两性复合离子聚合物两性复合离子聚合物n n特点：n n能有效地降低钻井液的结构粘度能有效地降低钻井液的结构粘度n n能使非结构粘度降低，特别是能使非结构粘度降低，特别是 也有所降低，也有所降低，下降的越多越好。下降的越多越好。n n能增强而不是削弱体系的抑制能力。能增强而不是削弱体系的抑制能力。第91页/共135页两性复合离子聚合物两性复合离子聚合物n n现有产品主要有两个型号：降粘剂(XY)、强包被剂(FA)n n降粘剂（XY系列）n n分子量较小（分子量较小（1000010000）n n分子链中同时具有阳离子基团（分子链中同时具有阳离子基团（10-40%10-40%）、阴）、阴离子基团（离子基团（20-60%20-60%）和非离子基团（）和非离子基团（0-40%0-40%）%n n是线性两性复合离子聚合物。是线性两性复合离子聚合物。第92页/共135页两性复合离子聚合物两性复合离子聚合物n n强包被剂n n引入阳离子基团的线性大分子主聚物，用来抑引入阳离子基团的线性大分子主聚物，用来抑制页岩分散和增加钻井液粘度。制页岩分散和增加钻井液粘度。第93页/共135页主要用作：主要用作：n n增粘剂n n絮凝剂n n降失水剂n n页岩稳定剂n n压裂液添加剂n n降粘剂第94页/共135页聚合物的失水控制聚合物的失水控制n n泥饼渗透性受聚合物类型，加量及分子量大小的影响聚合物使失水减小，主要有以下几个原因：n n卷曲的长形成塞状结构，易形成致密泥饼。卷曲的长形成塞状结构，易形成致密泥饼。n n通过颗粒吸附，在粘土颗粒表面形成聚合物吸通过颗粒吸附，在粘土颗粒表面形成聚合物吸附层。附层。n n聚合物堵塞泥饼中的孔聚合物堵塞泥饼中的孔第95页/共135页聚合物的提粘剂聚合物的提粘剂n n聚合物提粘度有两种方式：n n单独或与其它的物质共同作用使粘度提高。单独或与其它的物质共同作用使粘度提高。n n聚合物与膨润土发生反应聚合物与膨润土发生反应n n聚合物与水作用会膨胀并展开，从而使粘度提高，另外聚合物与泥浆中的加重剂、钻屑、粘土结合而使粘度提高。第96页/共135页聚合物的防塌作用聚合物的防塌作用n n防塌作用与防塌泥浆体系联合使用，聚合物与防塌泥浆体系联合使用，聚合物起稳定井壁的作用，主要是由于聚合物起稳定井壁的作用，主要是由于聚合物吸附在粘土层带正电荷的端部处，虽然吸附在粘土层带正电荷的端部处，虽然粘土仍然可以吸附水，但量大大减少。粘土仍然可以吸附水，但量大大减少。第97页/共135页聚合物的絮凝作用聚合物的絮凝作用n n全部絮凝在泥浆出口管线处加入聚合物，使泥浆中的有害固相在沉淀池中分离出来，这样，下次循环时，可以净化钻井液。n n选择性絮凝使钻井液中的固相絮凝而非沉淀。第98页/共135页泥浆组成和性能对钻速的影响泥浆组成和性能对钻速的影响n n比重和液柱压力n n泥浆比重越高，产生的液柱压力越大，井底压泥浆比重越高，产生的液柱压力越大，井底压差越大，机械钻速减小。差越大，机械钻速减小。第99页/共135页第100页/共135页泥浆组成和性能对钻速的影响泥浆组成和性能对钻速的影响n n粘度n n粘度越高，钻速越慢粘度越高，钻速越慢n n粘度越高，循环压耗越大，钻头水压力相应减粘度越高，循环压耗越大，钻头水压力相应减小，小，n n紊流减阻作用紊流减阻作用 0 0/塑塑增大，喷咀粘度减小，当增大，喷咀粘度减小，当喷嘴粘度接近于喷嘴粘度接近于0 0时，钻速最高。时，钻速最高。第101页/共135页泥浆组成和性能对钻速的影响泥浆组成和性能对钻速的影响n n失水量n n泥浆失水量大，钻速较快泥浆失水量大，钻速较快失水影响钻还与粘度有关，且影响钻速的失水失水影响钻还与粘度有关，且影响钻速的失水是井底最初的瞬时失水。失水进入裂缝减小压是井底最初的瞬时失水。失水进入裂缝减小压持效应及降低岩石强度。持效应及降低岩石强度。第102页/共135页泥浆组成和性能对钻速的影响泥浆组成和性能对钻速的影响n n固相含量和类型n n固相含量增加，泥浆比重、液柱压力，层流粘固相含量增加，泥浆比重、液柱压力，层流粘度和紊流粘度，常规失水和最初瞬时失水等性度和紊流粘度，常规失水和最初瞬时失水等性能都随之改变。能都随之改变。n n固相类型：砂、惰性固体对钻速的影响较小，固相类型：砂、惰性固体对钻速的影响较小，钻屑、低造浆率的劣土居中，高造浆率的粘土钻屑、低造浆率的劣土居中，高造浆率的粘土影响最大。影响最大。第103页/共135页固相的分类固相的分类按作用分：n n有用固相n n粘土粘土n n重晶石重晶石n n无用固相n n钻屑钻屑按性质分：按性质分：l l活性固相活性固相l l惰性固相惰性固相按粒度分：按粒度分：l l粘土：粘土：d2d2 mml l泥：泥：2 2 mm d74 d74 d74 mm第104页/共135页有害固相对钻井所带来的不利影有害固相对钻井所带来的不利影响响n n使钻速降低，钻头进尺减小n n钻井设备磨损加剧n n泥饼比重粘度升高n n泥饼加厚n n伤害油气层第105页/共135页清除泥浆固相的方法清除泥浆固相的方法n n加水稀释n n化学方法:使用絮凝剂使钻屑呈团簇絮凝状，加快固体下沉速度。n n机械方法n n振动筛振动筛n n旋流除砂器旋流除砂器n n旋流除泥器旋流除泥器n n离心机离心机第106页/共135页第107页/共135页第108页/共135页钻井液中的重要处理剂钻井液中的重要处理剂n n加重材料n n作用：提高钻井液密度以控制地作用：提高钻井液密度以控制地层压力层压力n n重晶石（重晶石（BaSOBaSO4 4),),密度密度4.5g/cm4.5g/cm3 3.n n铁矿物铁矿物n n氧化铁：密度氧化铁：密度4.7g/cm4.7g/cm3 3，菱铁矿：密度，菱铁矿：密度3.73.9g/cm3.73.9g/cm3 3n n钛铁矿：钛铁矿：4.55.1g/cm4.55.1g/cm3 3，方铅矿：，方铅矿：7.47.7g/cm7.47.7g/cm3 3第109页/共135页钻井液加重计算钻井液加重计算n nGw:加重剂用量（kg)n nV:原钻井液体积（m3)n nw:加重剂密度（g/cm3)n n0:原钻井液密度（g/cm3)n n2:加重后钻井液密度（g/cm3)第110页/共135页PH值值n n与粘土颗粒的分散程度有关，影响钻井液的粘土和其它性能参数。n nPH的要求：弱碱性，这是因为：n n保持适度分散保持适度分散n n可减轻对钻具的腐蚀可减轻对钻具的腐蚀n n可抑制钻井液中可抑制钻井液中Ca2+Ca2+、Mg2+Mg2+盐盐的溶解的溶解n n可预防钻具的氢脆破坏可预防钻具的氢脆破坏n n许多有机处理剂在碱性环境中才许多有机处理剂在碱性环境中才能起作用能起作用n nPH值调节剂：烧碱、纯碱、石灰。第111页/共135页降失水剂降失水剂n n改善泥饼质量n n常用处理剂n n膨润土：一般水基钻井液膨润土：一般水基钻井液n n淀粉：易发酵主要用于低温淀粉：易发酵主要用于低温n n纤维素类：主要产生品有纤维素类：主要产生品有CMCCMC和和HECHEC等等n n合成聚合物类：合成聚合物类：n n分散剂：丹宁碱液、褐煤、黄酸分散剂：丹宁碱液、褐煤、黄酸盐盐n n乳化原油或柴油乳化原油或柴油n n沥青类产品沥青类产品第112页/共135页复杂情况处理（复杂情况处理（井漏）井漏）n n井漏的类型n n渗透性漏失渗透性漏失多发生在渗透性良好的砂岩、砂砾多发生在渗透性良好的砂岩、砂砾岩。一般漏失量较小，漏速慢。岩。一般漏失量较小，漏速慢。n n裂缝性漏失裂缝性漏失n n天然裂缝：碳酸岩、白云岩、裂缝性砂天然裂缝：碳酸岩、白云岩、裂缝性砂岩岩n n人为裂缝：井内压力过大使结合力较弱人为裂缝：井内压力过大使结合力较弱的层面产生裂缝的层面产生裂缝其漏失速度视裂缝性大小而定。其漏失速度视裂缝性大小而定。n n溶洞漏失溶洞漏失石灰岩、白云岩石灰岩、白云岩第113页/共135页第114页/共135页堵漏方法堵漏方法n n起钻静止（深井）n n降低比重，适当提高粘度，小排量循环n n泵入堵漏泥浆n n堵漏能力取决于堵漏剂的尺寸、种类和形状堵漏能力取决于堵漏剂的尺寸、种类和形状n n加入高聚物，在井壁形成保护性泥饼n n挤水泥n n平衡法、加压法、卡喉法平衡法、加压法、卡喉法第115页/共135页第116页/共135页第117页/共135页井井 塌（塌（井塌的原因）井塌的原因）n n地质方面的原因：井内液柱压力小于坍塌压力。关键是计算岩层的坍塌压力。n n页岩孔隙压力异常页岩孔隙压力异常n n受构造应力的页岩受构造应力的页岩n n强度较低的页岩在侧压力的作用下向井内移动强度较低的页岩在侧压力的作用下向井内移动第118页/共135页第119页/共135页第120页/共135页井井 塌（塌（井塌的原因）井塌的原因）n n物理化学方面的原因：泥页岩的水化作用n n钻井工艺上的原因n n泥浆对井壁的冲蚀泥浆对井壁的冲蚀n n井内液柱压力激动过大，使井内瞬时的液柱压井内液柱压力激动过大，使井内瞬时的液柱压力过小，造成井内岩石不平衡力过小，造成井内岩石不平衡n n严重井漏、井喷等导致井塌。严重井漏、井喷等导致井塌。第121页/共135页防塌措施防塌措施n n提高钻井液密度，使井内液柱压力高于岩层的坍塌压力n n使用防塌泥浆体系，抑制页岩水化n n低失水、高矿化度、高滤液粘度的水基泥浆n n钾基泥浆、钾基泥浆、MMHMMHn n油基泥浆第122页/共135页第123页/共135页卡钻（卡钻（卡钻的类型卡钻的类型)n n泥饼卡钻（压差卡钻）n n沉砂卡钻n n砂桥卡钻n n井塌卡钻n n泥包卡钻n n缩径卡钻第124页/共135页第125页/共135页卡钻（卡钻（解决措施）解决措施）n n在钻机负荷允许的条件下，上提钻柱n n泡解卡泥浆n n爆炸松扣、套铣n n填井、侧钻第126页/共135页油基钻井液油基钻井液n n以油作为分散相的钻井液。n n优点：n n防塌防塌n n润滑、防卡润滑、防卡n n不损坏低压油层的渗透性，有利于保护油层不损坏低压油层的渗透性，有利于保护油层n n具有很好的热稳定性具有很好的热稳定性第127页/共135页油基泥浆的类型油基泥浆的类型n n普通油基钻井液组成：柴油沥青乳化剂少量的水（10%以内）n n油包水乳化钻井液组成：柴油、乳化水（10%-60%）、乳化剂、润湿剂、亲油胶体第128页/共135页油基泥浆的类型油基泥浆的类型n n低胶质油包水乳化钻井液组成：柴油、乳化水（15%左右）、乳化剂、润湿剂、少量亲油胶体n n低毒油包水乳化钻井液组成：矿物油、乳化水（10%-60%）、乳化剂、润