第三章鉆井液性能及其控制

第三章鉆井液性能及其控制第一節(jié)鉆井液密度及其調(diào)整

鉆井液密度定義鉆井液密度測量

鉆井液的調(diào)整第一節(jié)鉆井液密度及其調(diào)整一、鉆井液密度1、定義：單位體積鉆井液的質(zhì)量。g/cm3,kg/m31g/cm3=1000kg/m32、鉆井液密度對鉆井的影響（1）影響井下安全（井噴、井漏、井塌和卡鉆等）（2）與油氣層損害有關（3）影響到鉆井速度二、鉆井液密度測量1、儀器：鉆井液比重稱2、測量程序（1）在泥漿杯中盛滿鉆井液，蓋上計量蓋，檫凈從計量蓋小孔溢出的鉆井液。（2）將比重稱刀口放置在底座的刀墊上，不斷移動游碼，直到水平泡位居兩條線的中央。（3）讀出秤桿游碼左測的刻度，即鉆井液密度，單位為g/cm3。三、鉆井液密度調(diào)整（1）提高方法：加入高密度材料1、提高鉆井液密度（2）鉆井液加重材料高密度不溶性礦物或礦石粉末高密度的可溶性鹽類表1高密度不溶性礦物或礦石名稱分子式密度g/cm3酸溶性重晶石BaSO44.2-4.6石灰石CaCO32.7-2.9酸溶鐵礦粉Fe2O34.9-5.3酸溶鈦鐵礦粉TiO2.Fe2O34.5-5.1酸溶方鉛礦PbS7.4-7.7酸溶水溶性鹽飽和鹽水密度g/cm3KCl1.16(20℃)

NaCl1.20(20℃)

CaCl21.40(60℃)

CaBr21.80(10℃)

ZnBr22.30(40℃)

表2可溶性鹽類加重材料（3）加重材料用量計算例:設某鉆井液加重前密度為ρ1，體積為V1，加重后密度為ρ2，體積為V2，試求密度為ρ的加重劑用量？解：加重前后質(zhì)量相等：加重前后體積相等：聯(lián)立（1）式和（2）式可得：若泥漿罐有限制，加重前需排放掉部分鉆井液，可根據(jù)加重后體積V2，計算出應保留的原漿體積V1，然后由（4）計算加重劑用量。例：使用重晶石將200m3密度為1.32g/cm3的鉆井液加重到密度為1.38g/cm3。（1）如最終體積無限制，求重晶石（密度為1.32g/cm3）的用量（2）如果最終體積200m3，求重晶石的用量解：（1）V1已知，V2未知(2)最終體積有限制，V2=200m32、降低鉆井液密度降低鉆井液固相含量（機械+化學絮凝）加水稀釋（增加處理劑用量和鉆井液費用）混油（影響地質(zhì)錄井和測井解釋）充氣（需額外設備）降低密度的方法：本節(jié)完第二節(jié)鉆井液PH值和堿度一、鉆井液酸堿性對鉆井的影響

1、粘土在鉆井液中的分散程度2、鉆井液處理劑使用效果3、鉆井液流變性和濾失造壁性4、井眼穩(wěn)定5、鉆具的腐蝕鉆井液酸堿性大小與下列問題密切相關：二、鉆井液酸堿性表示法1、PH值表示法（1）PH值測量測量PH值有兩種方法，一種是PH試紙，另一種是使用PH計，后者測量精度高。（2）鉆井對鉆井液PH值要求原因如下：可以使有機處理劑充分發(fā)揮其效能對鉆具腐蝕性低可抑制鈣、鎂鹽在體系中的溶解要求：一般控制在（8-11）范圍，即維持在一個較弱的堿性環(huán)境。（3）PH值法缺點

鉆井液維持堿性的無機離子除了OH-外，還可能有HCO3-和CO32-等離子，PH值不能反映鉆井液中這些離子的種類和類型。2、堿度表示法（1）堿度：指用0.02N的標準硫酸中和1ml樣品至酸堿指示劑變色時所需要的毫升數(shù)。表示樣品中和酸的能力。①酚酞堿度：以酚酞為指示劑，滴定樣品使其PH值降至8.3所需要的酸量（酚酞變色點為PH=8.3,顏色由紅色變?yōu)闊o色）。鉆井液的酚酞堿度：Pm鉆井液濾液的酚酞堿度：Pf②甲基橙堿度：以甲基橙為指示劑，滴定樣品使其PH值降至4.3所需要的酸量（甲基橙變色點為PH=4.3,顏色黃色變?yōu)槌燃t色).鉆井液的酚酞堿度：Pm鉆井液濾液的酚酞堿度：Pf（2）堿度的測定及堿性來源判斷

①酚酞堿度：以酚酞為指示劑，用酸滴定樣品由紅色變?yōu)闊o色，以下反應進行完全，消耗鹽酸體積為V1：

OH-+H+=H2OCO32-+H+=HCO3-②甲基橙堿度：在測定完酚酞堿度的樣品中加入甲基橙指示劑溶液2-3滴，用酸滴定至水樣呈橙紅色，記錄消耗鹽酸的體積為V2（不包括滴定酚酞堿度消耗的酸量），此時起如下反應：③堿性來源判斷(根據(jù)V1和V2的相對大小)。V1和V2的相對大小堿性來源在同一體系中,OH-和是不能共存的。三、鉆井液酸堿性調(diào)整1、燒堿（NaOH）4、碳酸氫鈉（NaHCO3)2、氫氧化鉀（KOH）3、純堿（Na2CO3)本節(jié)完第三節(jié)鉆井液含砂量及其測定一、鉆井液含砂量二、鉆井要求：鉆井液含砂量是指鉆井液中不能通過200目篩網(wǎng)，即粒徑大于74μm的砂粒占鉆井液總體積的百分數(shù)。

鉆井液含砂量越小越好，一般要求控制在0.5%以下。含砂量過大會對鉆井過程造成以下危害：

（1）使鉆井液密度增大，對提高鉆速不利．（2）形成的泥餅松軟，濾失量大，不利于井壁穩(wěn)定，影響固井質(zhì)量；（3）泥餅中粗砂粒含量過高會使泥餅的摩擦系數(shù)增大，容易造成壓差卡鉆；（4）增加對鉆頭和鉆具的磨損，縮短使用壽命。三、含砂量控制方法充分利用震動篩和除砂器等固控設備。1、測量儀器鉆井液含砂量用一種專門設計的含砂量測定儀進行測定。該儀器由一個帶刻度的類似于離心試管的玻璃容器和一個帶漏斗的篩網(wǎng)筒組成，所用篩網(wǎng)為200目。四、含砂量測量2、測量方法（1）將一定體積的鉆井液注入玻璃容器中，然后注入清水至刻度線。（2）用力振蕩后將容器中的流體倒入篩網(wǎng)筒過篩．然后將漏斗套在篩網(wǎng)筒上反轉(zhuǎn)，漏斗嘴插入玻璃容器。（3）將不能通過篩網(wǎng)的砂粒用清水沖入玻璃容器中，待砂粒全部沉淀后讀出體積刻度，由下式求出鉆井液含砂量N：本節(jié)完第四節(jié)鉆井液中膨潤土含量膨潤土作為鉆井液造漿材料，在提粘切、降濾失等方面起著重要作用，但其用量又不易過大，因此，在鉆井液中必須保持適宜的膨潤土含量。膨潤土含量測定原理：使用亞甲基藍法測出鉆井液的陽離子交換容量(CEC)，然后通過計算確定鉆井液中膨潤土的含量。

1、試驗步驟

（1）用不帶針頭的注射器量取1mL鉆井液，放入適當大小的錐形瓶中，加入10mL水稀釋。為消除有機處理劑的干擾，加入15mL3%的H2O2和0.5mL濃度為2.5M的釋H2S04，緩緩煮拂10min，然后用水稀釋到50mL。

(2)以每次0.5mL亞甲基藍標準溶液（0.01M）加入到錐形瓶中，然后旋搖30s，在固體懸浮的狀態(tài)下，用攪拌棒取一滴液體放在濾紙上，觀察染色的鉆井液固相周圍有無蘭色環(huán)出現(xiàn)，若無蘭色環(huán)出現(xiàn)，重復以上操作。一旦發(fā)現(xiàn)蘭色環(huán)，搖蕩錐形瓶2min，再放1滴在濾紙上，如色圈仍不消失，即達到滴定終點，如圖1-5所示。此時，所消耗的亞甲基藍標準溶液的毫升數(shù)即為鉆井液的陽離子交換容量(CEC)。圖1-5亞甲基藍滴定終點的點滴試驗2、膨潤土含量計算本節(jié)完第五節(jié)鉆井液固相含量一、鉆井液固相含量：鉆井液中全部固相體積占鉆井液總體積的百分數(shù)。固相含量的高低以及這些固相顆粒的類型、尺寸和性質(zhì)均對鉆井時的井下安全、鉆井速度及油氣層損害程度等有直接的影響。因此，在鉆井過程中必須對其進行有效的控制。二、鉆井液中固相的類型2、按用途分類有用固相：配漿粘土、加重材料。無用固相：鉆屑。1、根據(jù)其性質(zhì)不同分類活性固相：容易發(fā)生水化作用的固相，如膨潤土。惰性固相：水化作用弱的固相，如鉆屑和重晶石。4、按固相粒度分類按照美國石油學會制定的標準，鉆井液中的固相可按照其顆粒的大小分為三類：（1）粘土（或稱膠粒）粒徑<2um（2）泥粒徑2~73um（3）砂（或稱API砂）粒徑>74um3、按固相密度分類可分為高密度固相和低密度固相。前者主要指密度為4.2g/cm3的重晶石，還有鐵礦粉、方鉛礦等其他加重材料；后者主要指膨潤土和鉆屑，還包括一些不溶性的處理劑，一般認為這部分固相的平均密度為2.6g/cm3。在鉆井過程中，過高的固相含量往往對井下安全造成很大的危害，其表現(xiàn)主要有以下幾個方面：1、使鉆井液粘度、切力偏高，流動性和攜巖效果變差．2、使井壁上形成厚的泥餅，摩擦系敷大，容易造成起下鉆遇阻和粘附卡鉆．3、泥餅質(zhì)量不好會使鉆井液濾失量增大，造成井徑縮小，井壁剝落或坍塌．4、對油氣層損害加大，油井產(chǎn)能下降．三、鉆井液固相含量與鉆井的關系5、固相含量越大，鉆速越低A、當固相含量為零(即清水鉆進)時鉆速為最高。B、隨著固相含量增大鉆速顯著下降，特用是在較低固相含量范圍內(nèi)鉆速下降更快，在固相含量超過10%(體積分數(shù))之后，對鉆速的影響就相對較小了。固相顆粒大?。菏覂?nèi)模擬實驗結(jié)果還表明，鉆井中小于1μm的亞微米顆粒要比大于1μm的顆粒對鉆速的影響大12倍。因此，如果鉆井液中小于1μm的亞微米顆粒越多，所造成鉆速下降的幅度就越大。分散鉆井液：亞微米顆粒約占全部固相顆?？倲?shù)的80%聚合物不分散鉆井液：亞微米顆粒僅占全部固相顆粒總數(shù)的13％四、鉆井液固相含量測定1、測定儀器：鉆井液固相含量測定儀2、測量原理

采用蒸餾的方法使鉆井液固液分離，液相體積可由帶刻度的接收器直接讀出，固相體積為鉆井液體積和液相體積的差值。五、固相控制方法1、沉降法：在鉆井液粘切較高時，效率低。2、稀釋法：在降低固相含量的同時也降低了其它有用成分的含量。3、機械設備法：振動篩、除砂器、除泥器、離心機。4、化學法：使用絮凝劑（把小顆粒絮凝成大顆粒，以便被固控設備清除。本節(jié)完第六節(jié)鉆井液濾液分析鉆井液濾液分析就是測定鉆井液濾液中各種離子的含量。一、氯離子濃度的測定在鉆遇巖鹽層或鹽水層過程中，NaCl等無機鹽進入到鉆井液后會在不同程度上對鉆井液造成污染，破壞其性能。因此，需要對鉆井液濾液中的Cl-離子濃度進行檢測。1、測量原理以K2CrO4為指示劑，用硝酸銀滴定法對鉆井液濾液進行滴定，鉆井液中的Cl-和硝酸銀溶液Ag+發(fā)生反應生成AgCl沉淀，即：由于AgCl的溶度積常數(shù)遠遠小于Ag2CrO4，只有等到上面的反應進行完全后，少過量的Ag+才會和指示劑中的CrO42-發(fā)生如下反應生成橘紅色的Ag2CrO4沉淀。滴定過程中溶液顏色由黃色變?yōu)殚偌t色，就是滴定終點。2、計算試驗中用硝酸銀濃度一般為0.0282M，若鉆井液濾液中的Cl-離子濃度用mg/L表示，可用下式計算其大?。喝绻鸆l-完全是由NaCl電離產(chǎn)生的，則濾液中的NaCl含量可由下式計算：二、鈣離子與鎂離子的測定

Ca2+和Mg2+均為二價陽離子，與一價的Na+相比，在相同濃度下它們對鉆井液的穩(wěn)定性和性能會造成更大的影響。除鈣處理鉆井液外，它們在其它類型鉆井液中都是應盡可能清除的污染物。1、這兩種離子進入鉆井液的主要途徑(1)某些地區(qū)的配漿水中含有較高濃度的Ca2+和Mg2+，通常稱這樣的水為硬水，并稱Ca2+和Mg2+的總質(zhì)量濃度為水的硬度。(2)在鉆遇石膏或鹽膏地層時，隨著膏鹽的溶解，Ca2+也不可避免地會進入鉆井液中。(3)在鉆水泥塞過程中，來自水泥中的鈣會對鉆井液造成一定的污染。2、測量原理與方法鉆井液中Ca2+和Mg2+的含量通常采用EDTA（己二胺四乙酸的二鈉鹽）滴定法進行測定。EDTA是用于絡合滴定的一種常用試劑．其測量厚理：EDTA遇到Ca2+和Mg2+后，立即生成EDTA螯合物．由于其螯環(huán)結(jié)構十分穩(wěn)定，因此相當于從溶液中清除了這兩種離子。EDTA與Ca2+的反應可用下式表示：在滴定中，