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钻井液

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钻井液(泥浆)工艺学第一章 钻井液功用无论在石油钻探还是在岩心钻探中,要保证优质快速钻进,正确的选择、使用钻井液十分的重要,因此钻井液被称为钻进过程的血液。其功用有以下几点:1、 清洗孔底,悬浮和携带岩粉。例如:利用钻井液的触变性,将岩粉悬浮起来,可以防止岩粉迅速沉淀造成埋钻事故。2、 冷却钻头,提高钻头的使用寿命。例如:金刚石钻进,其钻头温度可以升到300度以上,如果得不到及时的冷却,就会造成烧钻(即金刚石的碳化)。3、 润滑钻头和钻具,减弱钻具的振动。例如:在高速钻进的金刚石钻进中,加入润滑剂的乳化冲洗液,可以减小钻头与孔底岩石、钻杆与孔壁间的摩擦阻力和有效地减弱钻具高速回转时的振动及减轻钻机等动力机的荷载,使钻头平稳工作。4、 形成泥皮,保护孔壁。例如:钙处理剂泥浆对水敏性地层有抑制作用,有效地防止孔壁的膨胀和坍塌。5、 在反循环钻进中,输送岩心。6、 在采用涡轮钻、螺杆钻及冲击回转钻进中,起传递动力的工作介质。第二章 钻井液的性能按照API推荐的钻井液性能指标,包括:密度、漏斗粘度、塑性粘度(视粘度)、动切力、静切力、API滤失量、HTHP滤失量、PH值、含砂量、固相含量、膨润土含量、和各种离子的质量浓度等。1、 粘土的选择:含蒙脱石的粘土、海泡石抗盐粘土。粘土的性质:粘土因晶格取代而带负电,因内外表面都能进行水化及阳离子交换容量高故而水化膨胀性强。2、 粘土的扩散双电子层理论:粘土溶于水中,吸附的阳离子便解离,向外扩散,结果形成胶粒带负电的扩散双电层。3、 粘土-水胶体分散体系的稳定性与聚结:1) 稳定性包括动力稳定性和聚结稳定性。其中影响动力稳定性因素主要有:颗粒半径、介质粘度;影响聚结稳定性的因素是分散介质的电解质浓度与价态。2) 缩小颗粒半径和增加介质粘度可以提高动力稳定性;降低电解质浓度和价数可以提高聚结稳定性。4、 钻井液的流变性:在外力作用下,钻井液发生流动和变形的特性。1) 塑性流体: 其中为动切力(YP),电解质和粘土可以提高它,降粘剂能拆散网架结构使其降低。为塑性粘度。塑性流体中需要施加静切力才能破坏其网架结构。2) 假塑性流体: 其中k为稠度系数,范围要适当。n为流性指数,降低它有利于携带岩屑,清洁井眼,常用XC生物聚合物实现。不存在静切力。5、 漏斗粘度:用漏斗粘度计测量的数据,反应粘度大小,纯水为15s。6、 表观粘度:又称有效粘度,塑性流体表示为:;假塑性流体表示为:。7、 剪切稀释性:指表观粘度随着剪切速率的增加而降低的特性。8、 动塑比:动切力与塑性粘度的比值。比值越大,剪切稀释性越强,一般在0.36~0.48(Pa/mPa·s‘)9、 触变性:指搅拌后的钻井液变稀(切力降低),静置后又变稠的性质。一般用终凝与初凝之差表示。影响因素有:粘土矿物类型、含量及分散度;处理剂浓度;无机电介质浓度。10、 滤失性能:指钻井液滤失量的大小和所形成泥饼的质量。一般钻井液的固相含量高,泥饼中的固相愈小,则钻井液的滤失量愈小。泥饼的质量表现在渗透性要小和压实性好,一般采用高分子处理剂11、 润滑性能:指钻井液自身的润滑性能和所形成泥饼的润滑性能。一般通过提高泥饼质量、增加润滑剂来实现。其中,最好的是矿物油、植物油、表面活性剂在金属、岩石。粘土表面形成吸附膜,使之转化为非极性端或油膜之间的摩擦。第三章 钻井液的种类1、 水基泥浆 包括低PH水基泥浆(PH=7~9.5)和高水基泥浆(PH=11~12)。2、 低固相泥浆 固相含量小于4%,包括水基及油基泥浆中的低固相泥浆。3、 混油泥浆 即在以上泥浆中混10%~40%的油,属于水包油乳化泥浆。4、 油基泥浆 即油包水反相乳化泥浆或油泥浆。5、 泡沫泥浆 使用发泡剂和稳定剂使泡沫稳定的泥浆。6、 阴离子乳化泥浆 即由基础油加阴离子表面活性剂加水组成。7、 非离子型泥浆 即由基础油加非离子表面活性剂组成。8、 复合型泥浆 即由基础油加阴离子和非离子表面活性剂组成。9、 无固相泥浆 清水中加入絮凝剂、表面活性剂和润滑材料组成。10、 清水11、 空气第四章 钻井液的处理剂泥浆常用化学处理剂分类处理机举例作用与用途增粘剂水泥、水玻璃、石灰、石膏、氯化钠以及各种有机降水剂如淀粉、植物胶类、纤维素等。提高泥浆粘度,增加泥浆的悬浮和携带岩屑能力。但无机类在増粘的同时,也伴随着失水的增加。稀释剂(减稠剂)栲胶、单宁酸、野生植物的碱浸提液(单宁类)、铁铬盐、铬腐殖酸、磷酸钠盐等。降低泥浆的粘度和静切力,改善流动性,也能部分的降低失水量。降失水剂煤碱剂、硝基腐殖酸碱剂、铬腐殖酸、野生植物胶类、淀粉、羧甲基纤维素、水解聚丙烯酰胺。降低泥浆失水量,并可以作增粘剂。粘土水化抑制剂石灰、石膏、氯化钙、氯化钠。木质素及腐殖酸类、磺化沥青。用于抑制粘土的水化性能,防止地层中粘土吸水膨胀,增加泥浆的稳定性,防止岩层溶解。酸碱控制剂烧碱、纯碱、石灰等。调节泥浆PH值,稳定泥浆的性能。钙离子控制剂纯碱、烧碱。用于控制或沉除泥浆中的钙离子或转化钙基泥浆为钠基泥浆。絮凝剂石灰、石膏、氯化钙、食盐、丙烯酰胺、醋酸乙烯酯-顺丁烯二酸酐(马来酸酐)共聚物。加速泥浆中有害物质的清除,而不絮凝造浆好的粘土这种选择性絮凝剂,它可以絮凝各种有害固体颗粒。加重剂重晶石、磁铁矿、赤铁矿。增加泥浆比重,平衡地层压力,防止扩孔壁坍塌和层压水的喷出。防酵剂多聚甲酸、苯甲酸钠、五氯酸钠泥浆滤液含氯化钠超过10%或泥浆PH值12以上时。用于防止淀粉类或野生植物胶类等处理剂在泥浆中发酵降解。发泡剂脂肪醇硫酸钠(含碳原子12个以上)在配置泡沫泥浆时产生泡沫一般和稳定剂一起使用。稳泡剂木质素磺酸钙使泡沫泥浆稳定。消泡剂硬脂酸铝,含5个以上的脂肪醇类。用于消灭泥浆泡沫。减摩剂磺化沥青、有机聚丙烯酰胺、各种阴离子乳化剂,阴离子活性剂。减摩、润滑、减少钻具和孔壁阻力,减少功耗、利于防卡和解卡。常用泥浆无机处理剂名称分子式主要性能主要用途氢氧化钠(烧碱、火碱、苛性碱)NaOH是强碱,有强的腐蚀性,易溶于水,吸收空气中二氧化碳后形成碳酸钠。比烧碱中2倍。调节PH值,溶解有机处理剂,使泥浆分散。氢氧化钾(苛性钾)KOH强碱,强腐蚀性,易潮溶与水,白色固体。提供钾离子对页岩有抑制作用。氢氧化钙(熟石灰、生石灰)Ca(OH)2白色粉末,吸潮性强,可由生石灰加水得到。提供钙离子配制该处理剂泥浆,对页岩有抑制作用。碳酸钠Na2CO3工业纯碱为白色娄状结晶,水溶成碱性,PH值低。提供钠离子,去钙化水质,起泥浆分散剂作用。六偏磷酸钠(NaPO3)6无色玻璃固体片,块状物,易潮解变质,溶于水,成弱碱,易水解。可络合除钙,处理水泥及石膏侵效果好,是泥浆的稀释降黏剂。氯化钠(食盐)NaCl白色结晶细粒,易溶于水。用于配制速凝混合物,用于钻进膨胀页岩等地层。氯化钾KCl白色晶体,溶于水呈中性。用于配制钙泥浆,抑制页岩膨胀。氯化铁FeCl3棕褐色层状晶体,易潮解易溶于水。泥浆絮凝剂。(重)铬酸盐(钾、钠)Na2CrO4·10H2O K2CrO4Na2Cr2O7·2H2OK2Cr2O7重铬酸钠(红矾钠)红至橘红色结晶,易潮解,有氧化性。重铬酸钾,有氧化性,不潮解,易溶于水。氧化作用生成的铬离子对粘土有氧化作用,可提高降水剂和稀释剂的热稳定性。常用泥浆有机处理剂作用类别名称稀释降黏剂(分散剂)丹宁类丹宁碱液(丹宁酸钠,抗温100℃);栲胶液(抗温80℃);磺甲基化丹宁(SMT)及铬盐(SMT-Cr)(抗温180~200℃);磺甲基栲胶;合成丹宁;各种植物丹宁(松柏树皮、红根、柚橘树皮等)木质类丹宁、木质素复合类铁铬木质素磺酸盐(FCLS抗温170~180℃);木质素磺酸钠;酚化木质素磺酸盐;磺化木质素-羟基苯酚;铬木质素磺酸盐;缩合亚硫酸盐酒精废液(KCCB)褐煤、丹宁、木质素复合类丹宁木质素磺酸钠(DMX、聚酚木素磺酸钠,抗温180~200℃)铬制剂(泥炭制腐殖酸铬与铬木素磺酸盐复配置)也有降失作用。降失水剂纤维素类钠羧甲基纤维素(Na—CMC)(高、中、低三种粘度)(抗温130~140℃);聚阴离子纤维素;高分子量聚阴离子纤维聚合物;速溶CMC;羧甲基羟乙基纤维素(CMHEC);羟乙基纤维;甲基羧甲基纤维素(MCMC)聚醣类预胶化淀粉;不发酵淀粉;低粘度羧甲基淀粉;糊精;瓜尔胶和改性瓜尔胶;海藻胶;黄原单胞杆菌多糖胶(XC—聚合物);钻井粉;香叶粉等野生植物胶。煤碱液(NaC);腐植酸钠(NHm)抗温180~190℃;硝基腐植酸(抗温200℃以上);磺化硝基腐植酸;铬褐煤(抗温235℃以上);磺甲基化褐煤SMC;磺甲基腐植酸铬(抗温200~220℃);磺化褐煤和特制树脂混合物(抗温230℃);褐煤锌铬物。水解聚丙烯(HPAN,抗温240~250℃);聚丙烯酸钠;聚丙烯酰胺磺甲基改性物;聚甲基丙烯酸钠等。増粘降失水剂纤维素类 聚醣类降失水剂类得纤维素类处理剂都能起増粘作用。低粘度羧甲基淀粉;瓜尔胶;高分子长链黄原胶聚合物;有机聚醣;聚醣—CMC;钻井粉(淡水中抗温70℃,盐水抗温90℃).含植物胶有:雷公蒿叶粉;香叶粉;香胶粉;榆树皮;柳筋叶粉;楠树皮粉;皂仁粉;槐豆分;上石粉;石青粉;白胶粉;三股筋粉;上玉粉等。絮凝剂丙烯酸衍生物类聚丙烯酰胺及其水解物;甲基丙烯酸与丙烯酰胺共聚物;甲基丙烯酸与丙烯酰胺共聚物;甲基丙烯酸与甲基丙烯酰胺共聚物;聚丙烯酰胺阳离子改性物。顺丁烯二酸酐——醋酸乙烯酯共聚物;顺丁烯二酸酐——烷基乙烯基键共聚物。页岩水化抑制剂木质素及腐植酸类木质素磺酸钾;铬木素磺酸钾;腐植酸钾;铬褐煤;铬制剂;聚丙烯酰胺磺甲基改性物;磺化沥青;分散性硬沥青;有机铝铬合物。乳化剂水包油乳化剂各种阴离子及非离子表面活性剂(油酸钠、松香酸钠、十二烷基苯磺酸钠、石油磺酸钠、聚氧乙烯蓖麻油、OP乳化剂……);各种农药(0202、0204等);泥浆处理剂起乳化作用的(Na—CMC、聚阴离子纤维素、羧甲基羟乙基纤维素、羟乙基纤维素、腐植酸钠、硝基腐植酸;磺化沥青…)反相油包水乳化剂亲水亲油值小于7的非离子表面活性剂(司盘—80等)及各种有机羧酸的钙、镁、铝盐;石油磺酸钠等。防卡、减卡及具有润滑作用的处理剂磺化妥尔油沥青;极压润滑油;月桂醇硫酸醋;月桂醇硫酸镁;复胺磺酸盐;烷基芳基磺酸胺类;磺化沥青;羟乙基纤维素;有机聚醣;磺化残油;蓖麻油渣;腐植酸钾衍生物;水解聚丙烯酰胺;各种阴离子乳化油;阴离子活性剂。第五章 钻井液的计算1、 粘土量的计算:式中:W-所需粘土的重量(t); γ—水的密度(淡水1.0,海水1.03); γ1—粘土的相对密度(一般为2.2~2.7); V—所需的泥浆量(m3)。2、 所需水的计算:式中:G—配置泥浆时所需的总水量;; V—所需配置泥浆的数量; W—配置泥浆时,所需粘土的重量; —粘土的相对密度。3、 加重剂用量的计算:式中:X—所需加重料的重量(t); —加重料的相对密度; V—原浆体积(); —欲配的泥浆相对密度; —原浆相对密度。4、 降低相对密度加水量的计算:式中:X—降低相对密度时需要的水量; V—原浆液的体积;—水的密度;—原浆的相对密度;—稀解后的泥浆相对密度。第六章 各种钻井液的配置一、 水基钻井液1、 分散钻井液:由淡水、配浆膨润土和起分散作用的处理剂配置的水基钻井液。分散钻井液的组成:组成作用加量(kg/m3)常用品牌名称膨润土提粘和控制滤失量42.8~71.3/铁铬木质素磺酸盐降低静切力,控制滤失量2.8~11.4FCLS褐煤控制滤失量,降低动切力2.8~11.4NaC烧碱调节PH值0.7~5.7/多聚磷酸盐降低动切力和静切力0.3~1.4SAPPCMC提粘,控制滤失量0.7~5.7CMC聚阴离子纤维素提粘,控制滤失量0.7~5.7Monpac重晶石增加密度0~499/分散钻井液特点:1)泥饼好,护壁较好,API滤失量较低;密度大,抗温能力强。2)性能不稳定,易受粘土和可溶性盐污染;滤液矿化度低,不利于防塌。2、 钙处理钻井液:由含钙离子的无机絮凝剂、降粘剂和降滤失剂组成,粘土颗粒处于适度絮凝凝粗分散状态,因此又叫粗分散钻井液。钙处理钻井液组成:① 石灰钻井液组成及性能配方性能材料名称加量(kg/m3)项目指标膨润土纯碱磺化栲胶铁铬盐石灰CMCNaOH过量石灰80~1504~7.54~126~95~155~153~810~15密度(g/cm3)漏斗粘度(s)静切力(Pa)API滤失量(ml)HTHP滤失量(ml)泥饼厚度(mm)PH值含砂量(%)1.15~1.2025~300~1.0、1.0~4.05~10<200.5~1.011~12<1.0用途:用于抗开污染和粘土污染严重地层。② 石膏钻井液组成及性能配方性能材料名称加量(kg/m3)项目指标膨润土纯碱烧碱铁铬盐石膏CMC磺化栲胶重晶石80~1304~4.62~4.512~1812~203~4视需要而定视需要而定密度(g/cm3)漏斗粘度(s)静切力(Pa)API滤失量(ml)HTHP滤失量(ml)泥饼厚度(mm)PH值含砂量(%)1.15~1.2025~300~1.0、1.0~5.05~80.5~1.0<209.5~10.50.5~1.0特点:有较强的抗盐污染和石膏污染能力。以及抗175℃高温能力,利于深孔。③ 氯化钙钻井液组成及性能配方性能材料名称加量(kg/m3)项目指标膨润土纯碱褐煤碱液氯化钙CMC重晶石80~1303~5500左右5~103~6视需要而定密度(g/cm3)漏斗粘度(s)API滤失量(ml)泥饼厚度(mm)PH值静切力(Pa)1.15~1.2018~245~80.5~1.010~11.50~1.0、1.0~4.0特点:有较强稳定井壁和抑制页岩坍塌及造浆的能力;同时,流变性能稳定。3、 盐水泥浆:凡NaCl含量超过1%(质量分数)的钻井液统称盐水钻井液。盐水钻井液组成及性能配方性能材料名称加量(kg/m3)项目指标膨润土(经预水化)抗盐粘土(海泡石)聚阴离子纤维素钠褐煤铁铬盐高粘CMC改性沥青抗高温处理剂20~3020~304~615~2030~401~3视需要而定视需要而定密度(g/cm3)塑性粘度(mPa·s)动切力(Pa)API滤失量(ml)HTHP滤失量(ml)泥饼厚度(mm)PH值流性指数1.15~1.2025~307.2~9.6<515~20/9.5~10.50.6左右特点:矿化度高,井壁稳定;适于钻进含盐地层,能抑制地层造浆,流动性好,性能稳定。4、 不分散低固相聚合物钻井液:凡是线性水溶性聚合物作为处理剂的钻井液体系称为聚合物钻井液。不分散低固相聚合物钻井液组成和性能配方性能材料名称加量(体积比)项目指标膨润土纯碱PHPCMC抗高温处理剂3~5%7%200~350PPM0.2~0.3%视需要而定密度(g/cm3)漏斗粘度(s)动切力(Pa)API滤失量(ml)泥饼厚度(mm)PH值视粘度1.02~1.0518~2012~296~80.58~8.517~23特点:通过具有选择性絮凝剂作用,使无用的固相颗粒被絮凝成团,因而除之。5、 泡沫泥浆:由低固相泥浆加泡沫剂配制而成。配方性能材料名称加量(体积比)项目指标膨润土纯碱PHPCMCDF-1发泡剂3~5%7%200~350PPM0.2~0.3%150~200PPM密度(g/cm3)漏斗粘度(s)动塑比(Pa)API滤失量(ml)泥饼厚度(mm)PH值流行指数0.75~0.95/3.6~4.78~100.3~0.57.5~80.4~0.6特点:适用孔内复杂情况,以及干旱缺水的地方。6、 无固相钻井液:配置泥浆时不加粘土的钻井液。配方性能材料名称加量(体积比)项目指标水玻璃纯碱PHPCMC皂化油7~9%7%200~250PPM视需要而定0.3%密度(g/cm3)漏斗粘度(s)动切力(Pa)API滤失量(ml)泥饼厚度(mm)PH值1.02~1.0616~1812~29//10~10.5特点:节约粘土,提高钻速。用于完整地层。二、 油基钻井液 油基钻井液:是以水滴为分散相,油为连续相,并添加适量的乳化剂、湿润剂、亲油胶体和加重剂等形成的稳定的乳状液体系。 1、油包水(活度平衡)乳化钻井液配方性能材料名称加量(kg/m3)项目指标有机土主乳化剂:环烷酸钙或油酸或石油磺酸铁或环烷酸酰胺辅助乳化剂:Span-80或ABS或烷基本磺酸钙石灰氯化钙油水比氧化沥青加重剂20~3020左右20左右100左右40左右20~7020左右70左右50~10070~15065~70/15~30视需要而定视需要而定密度(g/cm3)漏斗粘度(s)动切力(Pa)静切力(Pa)API滤失量(ml)HTHP滤失量PH值表观粘度(mPa·s)塑性粘度破乳电压含砂量(%)泥饼摩阻系数水滴细度(35um所占%)0.9~2.030~1002~240.5~2/0.8~50~54~1010~11.520~12015~100500~1000小于0.5小于0.1595以上
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