第二章 鉆井液基礎(chǔ)知識(shí)

第二章、鉆井液基礎(chǔ)知識(shí)鉆井液在鉆井中的作用。1、清洗井底，攜帶巖屑，保持井底清潔，保證鉆頭不斷地破碎地層，使鉆進(jìn)不中斷。2、平衡地層中的流體（油、氣、水）壓力，防止井噴、井漏等井下復(fù)雜情況，保護(hù)油氣層。3、平衡巖石側(cè)壓力，并在井壁形成泥餅，保持井壁穩(wěn)定，防止地層坍塌。4、發(fā)揮水力效能，傳遞動(dòng)力，沖擊井底，幫助鉆頭破碎井底巖石，提高鉆井速度。5、懸浮巖屑和加重劑，降低巖屑沉降速度，避免沉砂卡鉆。另外承受鉆桿和套管的部分重力。6、潤(rùn)滑并冷卻鉆頭，鉆具。7、防止地層中鹽水、鹽巖、石膏、芒硝等對(duì)鉆井液的化學(xué)污染，防止硫化氫污染和損害。8、利用鉆井液，準(zhǔn)確獲得井下資料。一、鉆井液性能與鉆井工作的關(guān)系一）、鉆井液密度與鉆井的關(guān)系密度過(guò)大有以下害處：1、損害油氣層；2、降低鉆井速度；3、過(guò)大壓差造成壓差卡鉆；4、易憋漏地層；5、易引起過(guò)高的粘切；6、多消耗鉆井液材料及動(dòng)力；7、抗污染能力下降。密度過(guò)低則容易發(fā)生井噴、井塌（尤其是負(fù)壓鉆井）、縮徑（對(duì)塑性地層，如較純的粘土、鹽巖層等）及攜屑能力下降等。二）、鉆井液粘度、切力與鉆井的關(guān)系1、粘度、切力過(guò)大有以下害處。⑴流動(dòng)阻力大，能量消耗多，功率低，鉆速慢；⑵凈化不良（固控設(shè)備不易充分發(fā)揮效力）易引起井下復(fù)雜情況；⑶易泥包鉆頭，壓力波動(dòng)大，易引起卡、噴、漏和井塌等事故；⑷脫氣較難，影響氣測(cè)并易造成氣侵。2、粘度和切力過(guò)低也不利于鉆井，如：⑴洗井不良，井眼凈化效果差；⑵沖刷井壁加劇，引起井塌等井下事故；⑶巖屑過(guò)細(xì)影響錄井。三）、濾失量和泥餅質(zhì)量與鉆井工作的關(guān)系鉆井液濾失量過(guò)大，泥餅厚而虛，會(huì)引起一系列問(wèn)題。1、 易造成地層孔隙堵塞而損害油氣層，濾液大量進(jìn)入油氣層，會(huì)引起油氣層的滲透率等物性變化，損害油氣層，降低產(chǎn)能。2、 泥餅在井壁堆積太厚，環(huán)空間隙變小，泵壓升高。3、 易引起泥包鉆頭，下鉆遇阻、遇卡或堵死水眼。4、 在高滲透地層易造成較厚的濾餅而引起阻卡，甚至發(fā)生壓差卡鉆。5、 電測(cè)不順利，并且由于鉆井液濾液進(jìn)入地層較深，水侵半徑增大，若超過(guò)測(cè)井儀器所測(cè)及的范圍，其結(jié)果是電測(cè)解釋不準(zhǔn)確而易漏掉油氣層。6、對(duì)松軟地層，易泡垮易塌地層，會(huì)形成不規(guī)則的井眼，引起井漏等。泥餅一定要薄、致密、韌性好，能經(jīng)受鉆井液液流的沖刷。四）、固相含量與鉆井的關(guān)系鉆井液中固相含量越低越好，一般控制在0.5％以下。固相含量過(guò)大，有以下危害：1、固相含量高，鉆井液柱壓力大，鉆速降低。2、固相顆粒愈細(xì)對(duì)鉆速影響愈大，而且深入油層會(huì)造成永久性堵塞，油氣層受損害嚴(yán)重。3、固相含量高、濾失量大時(shí)，泥餅必然厚，摩阻系數(shù)增大，因而易引起井下復(fù)雜情況的發(fā)生。4、固相含量高，鉆井液的流變性難以控制，且流阻大，功耗多，鉆井效率低。5、含砂量大，易造成鉆頭、鉆具等機(jī)械設(shè)備的磨損。6、在固相含量高時(shí)，鉆井液受外界影響大且敏感（如對(duì)溫度、各種污染物等的影響變大）。降低固相含量的方法1、 機(jī)械除砂：利用振動(dòng)篩、除砂器、除泥器等設(shè)備降低固相含量。1）、振動(dòng)篩振動(dòng)篩是對(duì)鉆井液進(jìn)行固相控制的第一級(jí)設(shè)備，又是唯一能適用于加重鉆井液的常規(guī)分離設(shè)備。因此，它是固控的關(guān)鍵設(shè)備，擔(dān)負(fù)著清除大量鉆屑的任務(wù)，同時(shí)為下一級(jí)固控設(shè)備的使用創(chuàng)造必要的條件，如果振動(dòng)篩發(fā)生故障，其下一級(jí)設(shè)備就會(huì)超載，嚴(yán)重影響凈化效果。所以，要根據(jù)鉆井條件，選好、用好振動(dòng)篩。2）、旋流器旋流器按其直徑不同，可分為除砂器和除泥器。⑴除砂器。直徑為150?300毫米的旋流器稱為除砂器。其處理能力是：在進(jìn)料壓力為0.2兆帕?xí)r不低于20?120立方米每小時(shí)。正常工作的除砂器能清除約95％大于74微米的鉆屑和約50％大于40微米的鉆屑。為了提高使用效果，在選用除砂器時(shí)，其許可處理量必須為鉆井時(shí)最大排量的125％。⑵除泥器。直徑為100毫米和150毫米的旋流器稱為除泥器。其處理能力是：在進(jìn)料壓力為0.2兆帕?xí)r不低于10和15立方米每小時(shí)。正常工作的除泥器能清除約95％大于40微米的鉆屑和約50％大于15微米的鉆屑。除泥器能除去12?13微米的重晶石，因此，不能用它來(lái)處理加重鉆井液。在使用中，除泥器的許可處理量，應(yīng)為鉆井時(shí)最大排量的125％?150％。3） 、清潔器清潔器是旋流器與超細(xì)網(wǎng)振動(dòng)篩的組合。上部為旋流器，下部為超細(xì)網(wǎng)振動(dòng)篩。清潔器是二次處理設(shè)備。它處理鉆井液的過(guò)程分為兩布：第一步是旋流器把鉆井液分離成低密度的溢流和高密度的底流。第二步是超細(xì)網(wǎng)振動(dòng)篩將高密度的底流再分離成兩部分，一部分是重晶石和其它小于網(wǎng)孔的顆粒透過(guò)篩網(wǎng)，另一部分是大于網(wǎng)孔的顆粒從篩網(wǎng)尾部排出。4） 、離心機(jī)離心機(jī)有沉淀式、篩筒式、水力渦輪式、疊片式等多種類型，而在石油鉆井中處理鉆井液用的多數(shù)是前三種。離心機(jī)主要用在加重鉆井液中回收重晶石和清除細(xì)小固相及膠體，在非加重鉆井液中清除鉆屑，也可用離心機(jī)對(duì)旋流器排出的底流進(jìn)行第二次分離，回收液相，排除鉆屑。離心機(jī)的處理量和分離粒度與其轉(zhuǎn)速和容量有關(guān)。2、化學(xué)除砂：加入化學(xué)絮凝劑，將細(xì)小的砂子變大而沉降。3、降低鉆井液粘度有利于降低固相含量：因此在現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)鉆井液時(shí)，對(duì)固相含量有下列要求。⑴根據(jù)需要配備良好的凈化設(shè)備，徹底清除無(wú)用固相。⑵必須嚴(yán)格控制膨潤(rùn)土的含量，所使用鉆井液的密度愈高、井愈深、溫度愈高，膨潤(rùn)土的含量應(yīng)愈低，一般應(yīng)控制在30?80kg/m3。⑶在輕鉆井液中，固相含量應(yīng)不超過(guò)10%（體積）或密度不大于1150kg/nt。⑷無(wú)用固相含量與膨潤(rùn)土含量的比值，應(yīng)控制在2:1?3:1。五）、PH值與鉆井工作的影響1、 PH值過(guò)高，0H-在粘土表面吸附，會(huì)促進(jìn)泥頁(yè)巖的水化膨脹和分散，對(duì)鞏固井壁、防止縮徑和坍塌都不利，往往會(huì)引起井下復(fù)雜情況的發(fā)生。另外，高PH值的鉆井液具有強(qiáng)腐蝕性，縮短了鉆具及設(shè)備的使用壽命。2、 通過(guò)PH值的變化，可以預(yù)測(cè)井下情況。如鹽水侵、石膏侵、水泥侵等都會(huì)引起PH值的變化。二、有機(jī)處理劑一）、稀釋劑（降粘劑）稀釋作用主要是通過(guò)稀釋劑分子在粘土顆粒某些部位的吸附，改變粘土顆粒的表面水化狀態(tài)，減弱或拆散鉆井液內(nèi)部的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)來(lái)達(dá)到稀釋的目的。1、單寧堿液：代號(hào)NaT2、 磺甲基單寧：又叫磺化單寧，代號(hào)SMT3、 鐵鉻木質(zhì)素磺酸鹽簡(jiǎn)稱鐵鉻鹽，代號(hào)FCLS。為棕黑色粉末，易溶于水，水溶液呈弱酸性。其主要用作抗鹽抗鈣的分散型鉆井液的稀釋劑，可減弱粘土顆粒間的流動(dòng)阻力，降低粘度和切力；也可抑制泥頁(yè)巖的水化膨脹和分散，而防止粘度和切力的上升，有利于井壁穩(wěn)定。此外鐵鉻鹽還具有降濾失作用和抑制粘土水化膨脹的作用。二）、降濾失劑1、羧甲基纖維素鈉鹽代號(hào)為Na—CMC,簡(jiǎn)稱CMC,目前常用的有低粘CMC、中粘CMC、高粘CMC三種。為白色纖維狀粉末，具有吸濕性，不溶于酸和醇等有機(jī)溶劑，易分散于水中形成膠狀液，抗溫達(dá)90?140°C，有一定抗鹽、抗鈣能力。主要用于各種水基鉆井液的降濾失劑,還具有抑制頁(yè)巖水化膨脹作用、增稠作用等。2、水解聚丙烯腈鹽類⑴水解聚丙烯腈鈉鹽代號(hào)Na—HPAN,是聚丙烯腈加NaOH水解而得的產(chǎn)物。為淡黃色顆?；蚍勰?溶于水,水溶液呈堿性。主要用作聚合物鉆井液的降濾失劑,并有增粘和絮凝作用?？果}可至飽和而抗鈣較差,抗溫性強(qiáng)。⑵水解聚丙烯腈鈣鹽代號(hào)Ca—HPAN或CPAN，為淺黃色、灰白色顆?；蚍勰?，水溶性好。主要用作聚合物鉆井液的降濾失劑,抗鹽、抗鈣、抗溫能力強(qiáng)。⑶水解聚丙烯腈胺鹽代號(hào)NH4—HPAN或NPAN,主要用作防塌降濾失劑，抑制能力強(qiáng)，不提粘，耐高溫,使用時(shí)堿度不宜過(guò)高。3、腐植酸類利用褐煤中的腐植酸進(jìn)行磺化或硝化而形成的各種鹽類。它既有降濾失作用，又有降粘作用。⑴腐植酸鈉代號(hào)NaHm或NaC,是由褐煤和NaOH水解產(chǎn)物，黑褐色粉末，易溶于水，水溶液呈堿性。主要用作淡水鉆井液的降濾失劑，具有降粘作用，抗溫性好。⑵硝基腐植酸鈉代號(hào)Na-NHm，是用硝酸氧化的腐植酸鈉鹽。黑褐色粉末，易溶于水，水溶液呈堿性。主要用作淡水鉆井液的降濾失劑,并具有降粘作用,抗鹽作用較強(qiáng)。⑶腐植酸鉻代號(hào)CrHm,是一種抗高溫降濾失劑和稀釋劑，抗溫可達(dá)200°C以上?？果}、抗鈣能力也較強(qiáng)。⑷聚合腐植酸代號(hào)SH、SH,為黑色粉粒,易溶于水,主要用作各種水基鉆井液的降濾失劑,2324抗鹽、抗鈣、防塌能力強(qiáng)，抗溫達(dá)200C。三）、絮凝劑絮凝劑可分為無(wú)機(jī)絮凝劑和有機(jī)絮凝劑兩類,無(wú)機(jī)絮凝劑若控制不好易發(fā)生聚沉,而有機(jī)絮凝劑能溶于水,因而現(xiàn)場(chǎng)一般都用有機(jī)絮凝劑。有機(jī)絮凝劑又分為完全絮凝劑和選擇性絮凝劑。1、聚丙烯酰胺代號(hào)PAM,分為膠劑和粉劑兩種，膠劑為無(wú)色透明都彈性膠體；粉劑是白色粉末。它水溶性好，熱穩(wěn)定性高，抗溫也00C,在水中不電離。主要用作不分散低固相鉆井液的絮凝劑，并有改善鉆井液流變性、減少摩阻和防塌等效能。2、部分水解聚丙烯酰胺代號(hào)PHP，通常也分膠劑和粉劑兩種。高水解度的PHP還有增稠、堵漏、潤(rùn)滑、降濾失和剪切稀釋效能。3、丙烯酰胺和丙烯酸鈉共聚物代號(hào)80A51,為無(wú)色或白色粉末，易溶于水，空氣中易吸水結(jié)塊主要用作水基鉆井液的絮凝劑，并有增粘、改善流變性、抑制造漿和防塌等效能。四） 、增粘劑1、高粘CMC代號(hào)HV—CMC,不溶于酸和醇等有機(jī)溶劑，易分散于水中成膠體溶液。主要用作水基鉆井液增粘劑，也可作乳化劑。有一定降濾失作用和抗鹽能力。2、復(fù)合離子型聚丙烯酸鹽代號(hào)PAC,為白色或微黃色可流動(dòng)粉末。本品不僅可以提高粘度,還可改141善流變參數(shù)、提高剪切稀釋能力、降低濾失量、包被巖屑和抑制粘土顆粒分散的作用,并有抗鹽、抗鈣、和抗溫能力。主要用于水基鉆井液,也可用于海水及飽和鹽水鉆井液。五） 、頁(yè)巖抑制劑1、磺化瀝青鈉鹽代號(hào)SAS—1,為黑褐色膏狀膠體或粉劑,PH值為8?11,密度為1.0g/cm3。其主要用作各類鉆井液的頁(yè)巖抑制劑，并有潤(rùn)滑和控制高溫高壓濾失量的效能。2、 水分散瀝青代號(hào)SR—401,黑色粉末。主要用作頁(yè)巖微裂縫和破碎帶的圭寸閉劑而起防塌作用，并有較好的潤(rùn)滑能力。一般用量為0.5％?4％。3、 水解聚丙烯腈鉀鹽代號(hào)KPAN，為棕紅色或淡黃色粉末，易溶于水，水溶液呈堿性。為丙烯酸類頁(yè)巖抑制劑，并有降濾失、抗污染和防塌等特點(diǎn)。六）表面活性劑表面活性劑的種類繁多，在鉆井液中的作用也是多方面的。除用作乳化劑消泡劑外，選用適當(dāng)?shù)谋砻婊钚詣┨幚磴@井液，對(duì)提高鉆井液的熱穩(wěn)定性、保護(hù)油氣層、降低濾餅?zāi)Σ料禂?shù)，防塌、防腐、提高鉆速、預(yù)防和解除鉆井液中的復(fù)雜事故等方面有突出的效果。1、乳化劑。⑴烷基磺酸鈉（AS）。⑵聚氧乙烯辛基苯酚醚（0P）。2、潤(rùn)濕、防卡、解卡劑。⑴聚乙二醇（PEG—400）。⑵CP233防卡劑。⑶SR301解卡劑。3、消泡劑。⑴甘油聚醚。⑵7501消泡劑。三、鉆井液的有關(guān)計(jì)算1、增密度計(jì)算公式：式中W——加重劑量，t；加V——加重鉆井液體積，m3 原鉆井液體積，m3；原P 加重劑的密度，g/cm3；重P——加重鉆井液密度，g/cm3；加P——原鉆井液密度，g/cm3。原2、降低密度的計(jì)算公式：買爲(wèi)（D爲(wèi)一。?。?。稀-P水）式中X 所需水量，m3；P——稀釋后的鉆井液密度，g/cm3；稀 原漿體積，m3；原P 水的密度，g/cm3。水四、常用鉆井液類型一）、水基鉆井液水基鉆井液以水為分散介質(zhì)（連續(xù)相），以粘土為分散相（固相），加入一定的化學(xué)處理劑或加重材料組成。這類鉆井液發(fā)展最早，使用最廣泛。水基鉆井液又可分為以下幾種類型：1、 淡水鉆井液：由淡水、粘土和一般的降粘劑、降濾失劑配制而成。含鹽量Nacl）小于1％或低于10000毫克／升。含鈣量小于120毫克／升。2、 鹽水鉆井液：含鹽量大于1％或高于10000毫克／升。包括鹽水鉆井液、飽和鹽水鉆井液、海水鉆井液。主要用在海灣海上鉆井，鉆鹽巖層及泥頁(yè)巖易塌地層。3、 鈣處理鉆井液：含鈣量大于120毫克／升。包括石灰鉆井液、石膏鉆井液、氯化鈣鉆井液。其主要特點(diǎn)是抗可溶性鹽侵蝕能力強(qiáng)，性能穩(wěn)定。4、不分散低固相聚合物鉆井液：一般低固相鉆井液粘土含量小于7％（體積百分?jǐn)?shù)）；不分散低固相鉆井液的粘土含量小于4％。其主要特點(diǎn)是鉆速快，流動(dòng)性好，鉆井總成本低。5、混油鉆井液：在水基鉆井液中混入3?4%的乳化油類（原油或柴油），使油成小珠分散的乳化狀態(tài)。其主要特點(diǎn)是潤(rùn)滑性好，流動(dòng)性好，失水量低，泥