泥浆工艺原理分析.pptx
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1、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
2、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
3、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1
4、0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
5、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,
6、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
7、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
8、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
9、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
10、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2
11、9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
12、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:
13、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3
14、8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
15、 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,
16、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
17、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
18、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
19、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
20、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
21、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
22、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
23、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
24、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
25、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
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- 泥浆 工艺 原理 分析
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