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钻井液培训

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钻井 培训
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钻井工培训天津石油职业技术学院徐建功2013年 7月钻井液的功用、类型、组成一钻井液的常规性能二钻井对钻井液性能的基本要求三钻井液固相控制的基本知识四钻 井 液(一)钻井液的功用 钻井液( 指油气钻井过程中以其多种功能满足钻井工作需要的各种循环流体的总称。钻井液又称作钻井泥浆( 或简称为泥浆(  钻井液的循环通过泥浆泵来维持。从泥浆泵排除的高压钻井液经地面高压管汇 ﹑ 立管 ﹑ 水龙带 ﹑ 水龙头 ﹑ 方钻杆 ﹑ 钻杆 ﹑ 钻铤到钻头,从钻头喷嘴喷出。再沿钻柱与井壁(或套管)形成的环形空间向上流动,到达地面后经排出管线流入泥浆池,再经各种固控设备进行处理后进入泥浆泵循环再用。 钻井液流经的各种管件 ﹑ 设备构成了一整套钻井液循环系统。(一)钻井液的功用 携带和悬浮岩屑 ,清洗井底,保持井眼清洁。 稳定井壁和平衡地层压力,防止井下事故发生。 冷却和润滑钻头 ﹑ 钻具 传递水动力 部分地支撑钻柱和套管的重量。 从钻井液中获得所钻地层的地质资料。(一)钻井液的功用携带、悬浮岩屑控制压力形成泥饼破岩、清岩 保护油气层传递水功率(二)钻井液的类型按钻井液中流体介质不同,总体上分为三类水基钻井液油基钻井液气体型钻井流体近期又出现了一类 合成基钻井液 。其中最常用的为 水基钻井液 。(二)钻井液的类型水基钻井液的分类 1.分散钻井液( 2.钙处理钻井液( 3.盐水钻井液( 4.饱和盐水钻井液( 5. 聚合物钻井液 ( 6. 钾基聚合物钻井液 ( 分散钻井液 ( 定义:用淡水、膨润土和各种对粘土与钻屑起分散作用的处理剂配制而成的水基钻井液 特点• 可容纳较多的固相,适合于配制较高密度的钻井液• 容易在井壁上形成较致密的泥饼,失水较低• 某些分散钻井液具有较强的抗温能力,适合于深井和超深井使用。概论 —— 钻井液的分类水基钻井液的分类水基钻井液的分类钙处理钻井液 ( 定义:体系中同时含有一定浓度的 和分散剂。 特点• 抗盐、钙污染的能力强• 抑制粘土的水化分散作用,控制页岩坍塌和井径扩大,减少对油气层的损害盐水钻井液 ( 定义:用盐水或海水配制而成。含盐量从 1%( 000mg/l)直至饱和 (89,000mg/l)之前。 特点• 对粘土水化有较强的抑制作用水基钻井液的分类饱和盐水钻井液 ( 定义:钻井液中 特点:用于钻进大段盐层和和复杂的盐膏层水基钻井液的分类聚合物钻井液 ( 定义 :以某些具有絮凝和包被作用的高分子聚合物作为主处理剂的水基钻井液体系。 特点• 各种固相颗粒可以保持在较粗的范围内• 钻屑不易分散成细微颗粒 优点• 钻井液密度和固相含量低,钻速高,地层损害小• 剪切稀释特性强• 聚合物处理剂有较强的包被和抑制分散的作用,有利于抑制地层造浆和保持井壁稳定。水基钻井液的分类钾基聚合物钻井液 (F) 定义:以各种聚合物的钾(或铵、钙)盐和 特点• 在各种无机盐中,以 合物处理剂的存在使该钻井液体系具有聚合物钻井液的各种优良特性。• 在钻遇泥页岩地层时,具有理想的防塌效果。(三)钻井液的组成水基钻井液是由膨润土( 水(或盐水)、各种处理剂、加重材料以及钻屑所组成的多相分散体系 。油基钻井液是以水滴为分散相,油为连续相,并添加适量乳化剂、润湿剂、亲油的固体处理剂(有机土、氧化沥青等)、石灰和加重材料等所形成的乳状液体系。气体型钻井流体:用高速空气或天然气清除钻屑。钻井液的类型1积分数 2 积分数 积分数 4土、钻屑、不溶性添加剂等),体积分数 5积分数 井液的常规性能1、钻井液的密度钻井液的密度是指每单位体积钻井液的质量,常用g/ kg/示。在钻井工程上,钻井液密度和泥浆比重( 两个等同的术语。其英制单位通常为磅 /加仑,或写做 lg/钻井液密度是确保安全、快速钻井和保护油气层的一个十分重要的参数。通过钻井液密度的变化,可调节钻井液在井筒内的静液柱压力,以平衡地层孔隙压力。有时亦用于平衡地层构造应力,以避免井塌的发生。钻井液密度的测量钻井液密度的测量2、粘度由于反映钻井液粘度的角度不同,钻井液的粘度有三种概念:表观粘度、塑性粘度和结构粘度。( 1)漏斗粘度 (表观粘度)一定量的钻井液从规定的漏斗粘度计中流出所需的时间,用马氏漏斗测定,用 位为 s/L。马氏漏斗粘度计( 2)塑性粘度 (塑性粘度的概念是:钻井液在层流时,钻井液中的固体颗粒与固体颗粒之间、固体颗粒与液体分子之间、液体分子与液体分子之间内摩擦力(即剪切力)的总和。符号: 用单位:s(或 塑性粘度实际上是流动阻力的反映,它受钻井液中固相含量、固相粒度分布、固相表面润滑性及钻井液中液相粘度等因素影响。固相含量高、颗粒分散或研磨较细等都会使 性粘度受化学稀释剂或分散剂影响不大。常叫做六速粘度计。( 3)结构粘度结构粘度是指钻井液的动切应力与速度梯度的 比值。单位与塑性粘度的单位相同。结构粘度与钻井液在层流时的粘土颗粒之间、高聚物分子之间形成的网架结构有关。表观粘度 =塑性粘度 +结构粘度旋转粘度计 (六速粘度计 )3、钻井液的切力和触变性( 1)钻井液的切力钻井液中的粘土颗粒,由于其形状不规则,表面带电性和亲水性不均匀,常易形成网状结构。当钻井液静止时,破坏其内部单位面积上的网状结构所需的最小切应力,称为钻井液的极限静切力,简称钻井液切力。用符号“ θ”表示,单位“ mg/切力的大小不仅与钻井液本身性质有关,而且与钻井液静止时间有关。( 2) 钻井液的触变性钻井液的触变性是指搅拌后钻井液变稀(即切力降低),静置后又变稠的性质。终切与初切的差值表示了钻井液的触变性,即网状结构随静止时间的长短恢复的程度。差值越大,触变性越强;反之,触变性越弱。统一规定,钻井液静止 10 θ1表示;静止 10 θ10表示。4、钻井液的滤失和滤饼1)滤失的基本概念滤失:在压差作用下,钻井液中的部分水向井壁岩石的裂隙或孔隙中渗透,这种现象叫滤失。滤失的多少叫滤失量(失水量),即钻井液滤液进入地层的多少。➀ 钻井液在井内静止条件下的滤失作用称为静滤失。➁ 钻井液在井内循环条件下,即滤饼形成和破坏达到动态平衡时的滤失作用称为动滤失。在一定剪切速率下测定的滤失量,称为动滤失量(动失水量)。➂ 在钻井过程中,地层被钻开,滤饼在未形成之前,钻井液中的大量水分在短时间内迅速渗入地层,这种情况下的滤失作用称为瞬时滤失。2) 国石油学会)滤失 钻井液中部分水在压差作用下渗透到地层中去,这种现象叫滤失过程。习惯上所说的钻井液滤失指的是滤失量。滤失量定义:钻井液在常温及一定压差(油压滤失仪的压力为 00磅/英寸 2 ≈ 用下, 30 过直径为 75 叫钻井液的滤失。常用符号“ B”表示,单位是“ 3)高温高压滤失 为模拟井下温度和压力条件下测定滤失,更能反映钻井液在井下的真实情况而引出高温高压滤失,其定义是:钻井液在高温( F ≈ 150° C)、高压( 00磅 /英寸 2 ≈ 用下, 30 过直径为 75 温高压滤失测定仪过滤面积的直径为 53 测定结果需乘以 2)的过滤面积所滤失的水量叫高温高压滤失量,习惯称高温高压滤失,用“ 示,单位是“ 4)滤饼( 在滤失过程中,随着钻井液中的部分水进入岩层,钻井液中的固相颗粒便附着在井壁上形成滤饼。测滤失时,在滤纸上附着一层滤饼,其标准以厚薄来衡量,单位“ 低温低压滤失仪5、滤饼的摩擦系数钻井液形成的滤饼表面上有一定的粘滞性,当一物体在其表面产生相对运动时,会受到一定的摩擦阻力,这个摩擦阻力称为滤饼的摩擦系数。6、钻井液含砂量 (钻井液含砂量是指钻井液中不能通过 200目筛网(即边长为 74 µm)的砂粒,、钻井液酸碱值( 钻井液的酸碱值代表钻井液含酸、碱的程度,即钻井液中的氢离子( H+)或氢氧根离子( 浓度,用字母“ 示,又叫 井液的 7时,显中性; 7< 4时,显碱性; 0≤7时,显酸性。8、钻井液中的固相含量 (井液中的固相含量是指钻井液中除液体以外的全部固体占钻井液总体积的百分数。541. 0810203040固相含量( %,W / V )1. 20 1. 32 1. 44 1. 56 1. 68 1. 80 1. 92 2. 04 2. 16密度 ( g / c 膨润土和水时固相含量最高固相含量最低固相含量用重晶石和水时固相含量良好状况下的钻井液固相含量范围506070钻井液性能: 密度 ~ 固相含量三钻井对钻井液性能的要求(一)钻井对钻井液密度的要求1、钻井对钻井液密度的基本要求( 1)平衡地层压力因为钻井液具有质量,必然通过钻井液液柱对井底产生压力,对井壁有一定的支撑力。该压力可以平衡地层及油、气、水层压力,防止井喷,保护和巩固井壁,防止地层中的高压油、气、水侵入钻井液而破坏钻井液性能。( 2)对钻速的影响钻井液密度大,产生的液柱压力就大,钻具在井中转动的摩擦阻力就大,从而增加了动力消耗,加重了钻头研磨新地层的负担,致使钻速降低。密度过大易压漏地层,破坏油层渗透率,或把油、气层压死,增加了发现油气藏的困难。综上所述,钻井对钻井液密度的基本要求是“压而不死,活而不喷”。即密度大,但不能把油层压死;密度小,但不能发生井喷。钻井对钻井液性能的要求2、调整钻井液密度的方法( 1)提高钻井液密度的方法 提高钻井液液相密度,在钻井液中加入 提高钻井液固相含量,在钻井液中加入惰性大、密度大的固相粉末,如重晶石粉、石灰石分等。( 2)降低钻井液密度的方法 减少钻井液中的固相含量; 加入一定数量的发泡剂加入大量清水稀释; 加入一定数量的发泡剂; 加入一定数量的絮凝剂1、钻井对钻井液粘度的基本要求大量实践证明,在钻进过程中,粘度升高,钻速降低。原因是:一、粘度大,流动阻力就大,功率消耗就大,泵功率一定的情况下,排量就降低。二、高粘度的钻井液在井底岩石表面形成一个粘性垫子,它缓和了钻头牙齿对井底岩石的冲击切削作用。但粘度高有利于钻井液携带岩屑,保持井底清洁。所以,钻井液粘度既不能太高,也不能太低,应根据钻井速度、设备功率及所钻地层的特点确定合适的钻井液粘度。(二)钻井对钻井液粘度的基本要求2、调整钻井液粘度的方法( 1)提高粘度的方法提高固相颗粒的含量和分散度,如增加粘土的含量、机械搅拌、加分散剂等。提高液相粘度,如向钻井液中加入水溶性的高分子化合物。加入适量电解质( 2)降低粘度的方法向钻井液中补充清水;升高温度降低固相含量,机械除砂、加絮凝剂等加稀释剂(三)钻井对钻井液切力的基本要求1、 钻井对钻井液切力的基本要求钻井液具有切力,有利于携带和悬浮岩屑、重晶石等,不会因停泵而发生沉砂卡钻,也不至于因重晶石沉淀而难于加重。若切力太大,则清除砂粒、钻屑困难。含砂量高,磨损设备,降低钻速;流动阻力大,开泵困难,易憋泵或憋漏地层;滤饼质量差、滤失大,易引起缩径、井漏、卡钻等事故。若切力太小,则携带和悬浮岩屑能力降低,停泵易造成沉砂,下钻不到底甚至沉砂卡钻。所以,钻井液切力太大或太小都对钻井不利,必须根据实际情况选择适当的切力。2、钻井液切力的调整1)提高钻井液切力的方法提高钻井液中固体颗粒含量。提高粘土颗粒分散度。加入适当电解质(如 灰等)。加入水溶性高分子化合物。2)降低钻井液切力的方法加水或低浓度处理剂溶液,增大颗粒间距离,降低粘土含量。加稀释剂。1、钻井对滤失量和滤饼质量的要求 滤饼质量高,具有润滑作用,有利于防止粘附卡钻,有利于井壁稳定,防止地层坍塌与剥蚀掉块。 钻井液滤失量过大,滤饼厚而疏松,会引起一系列问题。如:( 1)对于井壁为泥页岩的地层,滤失量过大会引起地层岩石水化膨胀、剥落,是井径扩大或缩小。( 2)滤液大量进入油气层,会引起油气层的渗透率等物性变化,降低产能;( 3)滤饼在井壁堆积太厚,环空间隙变小,泵压升高;( 4)在高渗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,若超过测井仪所测范围,其结果是电测解释不准确而易漏掉油气层;(四)钻井对滤失量和滤饼质量的要求虽然滤失量过大会引起许多问题,但滤失量也不是越小越好,在一般地层中也不需要过小的滤失量。因为一方面瞬时滤失量大可增加钻井速度,有利于钻头破碎岩石,提高机械效率,延长钻头使用寿命;另一方面,过分降低滤失量会造成处理剂大量消耗,增加成本。2、降低钻井液滤失量的方法( 1)在膨润土含量不足时加入优质膨润土,达到降低滤失量、形成质量好的滤饼的目的;( 2)加入适量的 粘土颗粒保持合适的粒度级配,形成好的滤饼;( 3)加入 摩擦系数太大,将对钻具产生较大摩擦阻力,且易粘附卡钻,起下钻遇阻,对钻具磨损严重。因此,滤饼摩擦系数越小对钻井越有利。为降低滤饼摩擦系数可加入润滑剂,如钻井液中混入一定量原油、液体润滑剂、加入高分子聚合物(如聚丙烯酰胺)等。(六)钻井液滤饼摩擦系数与钻井的关系含砂量高时,钻井液密度升高,钻速降低;滤饼质量变差,滤失变大,滤饼摩擦系数变大,影响固井质量;对设备的磨损严重。所以,钻井要求钻井液含砂量越小越好,一般控制在 下。(七)钻井对含砂量的基本要求1、钻井对钻井液 1)一般钻井液 ( 2)深井钻井液应严格控制 10;( 3)不分散型: ( 4)分散型: 10;2、 高 碱和熟石灰等处理剂。在常温下它们的水溶液具有以下 10% 10% 2)饱和溶液, 若需降低 场一般不采用加无机强酸,而是采用加弱酸性的柠檬酸等。(八)钻井对钻井液 有用固相 粘土 重晶石无用固相 钻屑按性质分: 活性固相 惰性固相按粒度分: 粘土: m钻井液中固相含量越低越好,一般控制在 5%左右。固相含量过大将有以下危害:( 1)钻井液密度大,钻速下降,钻头寿命缩短。( 2)滤饼质量差,质地松散,摩擦系数高,导致起下钻遇阻,易引起粘附卡钻;另外,滤失增大,地层膨胀,易缩径、剥落、坍塌引起井塌卡钻;再者,滤饼渗透性大,滤失大,可降低油层渗透率和原油生产能力,也影响固井质量。( 3)含砂量增高,对钻井设备磨损严重。( 4)钻井液流动性能不稳定,粘度、切力偏高,流动性变差。(九)固相含量与钻井的关系1、钻表层前后首先找好水源,将水罐、大循环池打满水,然后用清水检查循环系统的设备是否完好,有无刺漏现象,钻井液槽坡度是否合适。若用钻井液钻表层,要备足钻井液,在钻表层过程中要注意防止井漏。另外,还要检查并校正好钻井液仪器。2、快速钻进阶段某些油田上部地层比较松软,钻进速度快,钻井液消耗量大,要经常不断地补充清水,保持钻井液总量。开始钻进时以清水稀释为主,在起钻前 50 钻井液达到起钻要求,且起钻过程中灌好钻井液。四 一口井各阶段的钻井液工作3、中深井和深井阶段此阶段首先要调整好钻井液性能,使钻井液性能良好、稳定,符合井下要求。同时,认真清理循环系统,除掉循环系统中沉积的岩屑和砂粒。钻井液处理前要认真做好小型实验,力求每次处理成功。在钻进过程中要注意防塌、防漏、防喷、防卡等事故及钻井液的化学污染,进入高压油、气、水层前要使密度达到设计要求。此外,深井起下钻时间长,检修设备多,要认真灌好钻井液。4、完钻完井阶段 此阶段是一口井的最后阶段,一口井在钻完设计井深以后,能否取全、取准所需地质资料和达到固井质量要求,取决于完井工作能否顺利进行及完井工作的质量。本阶段的主要工作包括完钻、电测、井壁取心、通井下套管、固井、安装井口等工作。完井阶段的特点是进行完井作业,不再进行钻进,井内钻井液不可能由地层造浆而得到补充,也不会有新的粘土颗粒来补充和更替。因此,应注意以下几点:( 1)粘度应比钻进时适当地高点(约高 5 ~ 10 s)。钻井液应在最后一只钻头钻进中进行处理,同时要适当循环洗井,以保证井筒清洁和畅通。( 2)造成电测遇阻的因素很多,如井筒的清洁与否、滤饼的厚薄和质量的好坏、井身质量的优劣、井筒方位的变化、井眼有无台阶、电缆是否滑出键槽、电测下放电缆的操作方法是否得当等。若发生电测遇阻,应科学地分析原因,采取相应措施,切忌盲目处理钻井液,致使其性能大幅度变化。( 3)下套管前通井、下套管后循环,要用低浓度处理剂药液进行处理,用水调整钻井液,使钻井液具有良好的稳定性。不要大幅度地降低钻井液粘度、切力,避免破坏井壁造成井塌,防止井漏和卡套管事故的发生,保证固井过程安全顺利、固井质量合乎要求。1粘土侵钻遇大段的粘土层、泥页岩层时会产生粘土侵大量粘土进入钻井液中进行水化分散,使钻井液的密度、粘度、切力剧增,流动性变差,滤饼厚且松散,含砂量上升。处理方法是用大量清水稀释或使用盐水或钙处理钻井液。五钻井过程中钻井液性能变化及处理方法2盐侵钻遇盐水层时易发生盐水侵。若盐水中含盐量不高,而侵入钻井液量很大时,钻井液的粘度、切力明显下降;当含盐量较高时,钻井液的粘度、切力升高,流动性变差。提高钻井液密度,压死盐水层;再有加处理剂,必要时用盐水钻井液。3钙侵钙离子进入钻井液中引起钙侵。轻微钙侵用碳酸钠或碳酸氢钠处理;钙侵严重时,改用钙处理钻井液。4岩屑侵在硬脆性泥页岩或胶结性差的砂岩中钻进时,若钻井液粘度、切力过高,又没有进行固相控制时产生的。岩屑侵时,大量的岩屑和砂子进入钻井液,使钻井液得密度、粘度、切力升高,滤饼厚且松散,含砂量上升,钻速下降,钻头、钻具、钻井泵等设备磨损严重。处理方法降低钻井液的粘度、切力,同时使用固控设备清楚钻屑和砂子。5油气侵钻遇油气层时易发生油气侵。油气侵时,钻井液的密度下降,粘度、切力升高。处理时以提高钻井液的密度为主,同时进行捞油除气处理,否则会发生井涌或井喷等事故。
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