鉆井工程理論與技術(shù)第三章

鉆井工程理論與技術(shù)第三章第1頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月

一、鉆井液的組成

（1）液相：液相是鉆井液的連續(xù)相，水或油。

（2）活性固相：包括人為加入的商業(yè)膨潤土（般土）、有機膨潤土(油基鉆井液用)和地層進入的造漿粘土。

（3）惰性固相：惰性固相是鉆屑和加重材料。

（4）各種鉆井液添加劑:

增粘、稀釋、降失水、PH值、防塌等。第二節(jié)鉆井液的組成和分類第2頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月二、鉆井液的分類

API和IADC分類：

（1）不分散體系——

膨潤土+清水；天然鉆井液（自然造漿而成），淺層鉆進。

（2）分散體系——

水+膨潤土+分散劑（鐵絡(luò)木質(zhì)素黃酸鹽等），深井或復(fù)雜井。

（3）鈣處理體系——

水基鉆井液+鈣鹽（石灰、石膏、氯化鈣），抑制粘土膨脹。（4）聚合物體系——水基鉆井液+高聚物（聚丙烯酰胺PAM、PHP），絮凝劣質(zhì)土，抑制粘土分散。第3頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月

(5）低固相體系——總固相含量6%-10%的水基鉆井液.其中，膨潤土含量小于3%，鉆屑與膨潤土的比值小于2∶1。

特點：提高鉆速，減少對產(chǎn)層的傷害。

（6）飽和鹽水體系——氯離子含量達189g/L的水基鉆井液。

特點：抗鹽侵，抑制粘土水化。海上鉆井、鉆鹽巖層和泥頁鹽層。

（7）修井完井液體系——

水+鹽+聚合物等；油基鉆井液。

特點：低密度、無固相、抑制粘土膨脹、低濾失，保護油氣層。第4頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月（8）油基鉆井液體系—油包水乳化鉆井液：油+水+乳化劑油基鉆井液：柴油+氧化瀝青、有機酸、堿

特點：耐高溫、保護油氣層、防止水敏性地層吸水膨脹。

摩阻小，用于大位移水平井，或特出復(fù)雜層段。

（9）空氣、霧、泡沫和氣體體系——欠平衡壓力鉆井。

特點：提高鉆速，保護油氣層。適用于低壓油氣層、易漏的裂縫性油氣層、低滲透油氣層等。井壁應(yīng)比較穩(wěn)定的地層。

第5頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月一、鉆井液的密度

鉆井液的密度指單位體積鉆井液的質(zhì)量。

加重劑：碳酸鈣、重晶石、鈦鐵礦粉。

二、鉆井液的流變性能

粘度和切力隨流速變化的性能。包括靜切力、動切力、表觀粘度、塑性粘度、流性指數(shù)、稠度系數(shù)等參數(shù)。

第三節(jié)鉆井液的性能第6頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月

根據(jù)液體流動時剪應(yīng)力與流速梯度的關(guān)系，將液體流動分為四種流型：

牛頓流型：

塑性流型：假塑性流型（n<1)

膨脹流型

(n>1)（一）液體的基本流型

鉆井液在鉆柱和環(huán)空內(nèi)流動時，速度分布不均勻，中心處流速大，向外流速減小——流速梯度（剪切速率）：單位距離內(nèi)流速的增量稱為流速梯度。

第7頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月1．塑性流型的特點

(1)所加切應(yīng)力達到某一最低τs之后才開始流動，這個最低切應(yīng)力稱為靜切應(yīng)力。又稱凝膠強度。

它代表了鉆井液靜止時單位面積上所形成的連續(xù)空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)強度。

(2)當(dāng)切應(yīng)力繼續(xù)增大，流變曲線出現(xiàn)直線段，延長該直線與切應(yīng)力軸相交于τ0，稱為動切應(yīng)力或屈服值。

是鉆井液處于層流狀態(tài)時鉆井液中網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)強度的量度。第8頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）塑性流型的流變參數(shù)及調(diào)整

1.靜切力（靜切應(yīng)力）

使鉆井液開始流動所需的最低切應(yīng)力，它是鉆井液靜止時單位面積上所形成的連續(xù)空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)強度的量度。它反映了鉆井液觸變性的好壞。

調(diào)整方法：無機鹽（改變粘土顆粒間靜電力）、降粘劑或增粘劑。

2.動切應(yīng)力（屈服值）

流變曲線直線段的延長線與切應(yīng)力軸交點的應(yīng)力大小。

反映在層流狀態(tài)下粘土顆粒之間及高聚物分子之間的相互作用力（形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)之力）的大小。

調(diào)整方法同靜切力。第9頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月3.塑性粘度

μpv

塑性粘度是塑性流體流變曲線直線段斜率的倒數(shù)，即：

它是鉆井液流動時固相顆粒之間、固相顆粒與周圍液相間以及液相分子間的內(nèi)摩擦作用的總反映。它反映了液體粘滯力的大小。

調(diào)整方法：降低固相含量、加稀釋劑降粘；

加高聚物增粘劑等提粘。

第10頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月4.表觀粘度（視粘度或有效粘度）

它是在某一流速梯度下剪切應(yīng)力與相應(yīng)流速梯度的比值，即：

表觀粘度等于塑性粘度與結(jié)構(gòu)粘度之和，它反映兩者的總的粘滯作用，是“總粘度”的意思。第11頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月5、動塑比

動切力與塑性粘度之比，反映了鉆井液結(jié)構(gòu)強度與塑性粘度的比例關(guān)系。動塑比大，流動過水?dāng)嗝孑^平緩，剪切稀釋能力強，但流動阻力大，泵壓高。

理想值：

=0.36~0.48。 第12頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月（三）假塑性流型和膨脹流型的流變參數(shù)

2.稠度系數(shù)k

為流體在

1s－1流速梯度下的粘度。k值越大，粘度越大。n＜1，假塑性流體，隨剪切速率增加而變稀

n＞1，膨脹型流體，隨剪切速率增加而變稠。n值影響鉆井液的攜巖效果和剪切稀釋特性。理想值：n=0.4~0.7

1.流性指數(shù)n

表示流體在一定流速范圍內(nèi)的非牛頓性程度。第13頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月

（四）流變參數(shù)的測定

儀器：六速旋轉(zhuǎn)粘度計1．靜切力

初切力（10s切力）：將鉆井液在600r／min下攪拌10s，靜置10s后測得3r／min下的表盤讀數(shù)，該讀數(shù)乘以0．511即得初切力(Pa)。

終切力（10min切力）：將鉆井液在600r／min下攪拌10s，靜置10min后再測得3r／min下的表盤讀數(shù)，該讀數(shù)乘以0．511，即得終切力(Pa)。2.動切力(屈服值)：

第14頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月

3.粘度、流性指數(shù)及粘度系數(shù)

流型指數(shù)：

塑性粘度：

表觀粘度：

稠度系數(shù)：第15頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月

三、鉆井液的造壁性能及濾失量（一）濾失和造壁過程鉆井液中的液體(剛開始也有鉆井液)在壓差的作用下向地層內(nèi)滲濾的過程稱為鉆井液的濾失。鉆井液中的固相顆粒附著在井壁上形成濾餅的過程稱為造壁過程。

第16頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）幾種不同的濾失情況1.瞬時濾失

在鉆頭破碎巖石形成新的井眼而濾餅尚未形成的一段時間內(nèi)，鉆井液迅速向地層滲濾，此時的濾失稱為瞬時濾失。瞬時濾失量有利于提高鉆速，但嚴(yán)重?fù)p害油氣層。

2.動濾失

在已形成的井眼內(nèi)，隨著鉆井液的滲濾，在井壁上形成一層濾餅，并不斷增厚、密實。同時，形成的濾餅又受到鉆井液的沖刷和鉆柱的碰撞、刮擠而遭到破壞。最終，濾餅形成速度等于破壞速度而達到平衡，此時濾餅厚度不變，濾失速率也保持不變。這種鉆井液在井內(nèi)循環(huán)流動時的濾失過程稱為動濾失。

3．靜濾失

鉆井液在停止循環(huán)時的濾失過程稱為靜濾失。隨著濾失過程的進行，濾餅逐漸增厚，濾失阻力逐漸增大，濾失速率逐漸減小。

影響濾失量的因素：

濾失時間、壓差、溫度、固相含量及類型、濾餅滲透率。

第17頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月（三）濾失量的控制

控制濾失量的最好方法——用降濾失劑降低濾餅的滲透性。1、常用降濾失劑：

Na-CMC（羧甲基纖維素鈉鹽）

SMP（磺化酚醛樹脂）

NH4（Na、Ca）HPAN（水解聚丙烯睛胺、鈉、鈣鹽）

第18頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月2、降濾失劑作用機理：

(1)護膠作用

一方面能吸附在粘土顆粒表面形成吸附層，以阻止粘土顆粒絮凝變粗；另一方面能把在鉆井液循環(huán)攪拌作用下所拆散的細顆粒吸附在分子鏈上，不再粘結(jié)成大顆粒，而形成薄而韌的泥餅，稱之為降濾失劑的護膠作用。

(2)增加鉆井液中粘土顆粒的水化膜厚度，降低濾失量降濾失劑吸附于鉆井液中的粘土顆粒上，使粘土顆粒周圍的水化膜增厚，形成的濾餅在壓差作用下容易變形，濾餅的滲透率降低。

(3)提高濾液粘度，降低濾失量濾失量與濾液粘度的二分之一次方成正比。

(4)降濾失劑分子本身的堵孔作用第19頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月

（四）濾失量的測量和要求1.靜濾失量（API濾失量）

用API濾失量儀在常溫、0.7MPa壓差下測量30min所得的濾液體（mL）。

要求：上部地層和堅固地層，濾失量可放寬；

水敏性易坍塌地層，濾失量要低；

油氣層，濾失量不能高于5mL。

2.高溫高壓濾失量

在150℃溫度、3.5MPa壓差下測量30min所得的濾失量乘以2，

即得高溫高壓濾失量。

在鉆油氣層時，高溫高壓濾失量不大于15mL。

第20頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月一、固相對鉆井的影響

1．固相含量升高，鉆速降低；

2．固相含量高，形成的濾餅厚，容易引起壓差卡鉆。

3.固相含量高，對油氣層損害嚴(yán)重。第四節(jié)鉆井液的固相控制第21頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月

二、固相控制方法

1．大池子沉淀

2．清水稀釋

3．替換部分鉆井液

4．利用機械設(shè)備清除固相

振動篩：清除0.5mm以上固相顆粒。

旋流分離器：除砂器>74μm、除泥器10-74μm；

超級分離器：5-10μm;

離心機：清除2～5μm以上的顆粒和回收重晶石。

第22頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月5.聚合物絮凝劑

功用：清除更細小的顆粒

類型：全絮凝劑—聚丙烯酰胺（PAM）

選擇性絮凝劑—只絮凝鉆屑和劣質(zhì)土，不絮凝膨潤土。如水解聚丙烯酰胺（PHP）。

作用機理：吸附→架橋→形成團塊。

加量：固相飽和吸附量的二分之一。第23頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月第五節(jié)井塌及防塌措施第24頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月第五節(jié)井塌及防塌措施第25頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月

三、防塌措施1．鉆井液中加入K+、NH+4等無機陽離子（1）K+的固定作用

K+進入晶層之間并嵌入到相鄰兩層硅氧四面體氧原子組成的六角環(huán)中，把帶負(fù)電荷的粘土晶片緊緊聯(lián)結(jié)在一起，阻止水化膨脹。

第26頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）K+的水化較弱，抑制粘土水化膨脹。

K+離子的未水化直徑（0.266nm）比Na+離子未水化直徑（0.19nm）大，而K+離子水化半徑比Na+離子水化半徑小，因而K+離子水化能(322J／mol)比Na+離子的水化能(406J／mol)低，水化膜薄。當(dāng)它進入粘土的層間，既減少粘土的水化，又增加粘土層間的吸引力。第27頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）使粘土顆粒的擴散雙電層變薄，

利于有機處理劑分子

在粘土上的吸附。

K+等電解質(zhì)的加入，使粘土顆粒的ξ電位降低，擴散雙電層變薄，有利于各種有機處理劑分子的吸附（非極性容易吸附非極性），提高處理劑的使用效果。第28頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月

2．加入高聚物

（1）高聚物在井壁上形成多點吸附，鞏固井壁

高聚物三種吸附方式：單點吸附、環(huán)—軌—尾吸附、多點吸附;

常用的高聚物：

聚丙烯酰胺(PAM)、部分水解聚丙烯酰胺(PHP)、陽離子聚丙烯酰胺、各種陽離子聚合物、兩性離子聚合物FA367等。

（2）高聚物分子的護膠和堵孔作用第29頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月3．利用瀝青類物質(zhì)在井壁上起封堵作用

瀝青類物質(zhì)親水性弱，親油性強，可有效地涂敷在井壁上上形成一層油膜。

（1）減輕鉆具與井壁的摩擦和鉆具對井壁的沖擊；（2）防止濾液向地層滲透。

常用的封堵類防塌劑：

磺化瀝青、氧化瀝青、植物渣油、磺化妥爾油瀝青。第30頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月

第六節(jié)油氣層保護及完井液一、儲層損害的主要原因及防止措施

1．外來流體中的固體顆粒對儲層的損害

在壓差的作用下，外來流體中粒徑極小的固體顆粒(粘土、巖屑、加重材料等)在濾餅形成前會侵入儲層，造成儲層油氣流通道堵塞，儲層滲透性降低。

防止措施：

（1）實施屏蔽暫堵技術(shù)

選擇與儲層孔喉直徑相匹配的架橋粒子（如酸溶性超細碳酸鈣、油溶樹脂等，直徑為儲層平均孔徑的1/2～2/3，加入量一般大于3％。），再配用充填粒子（如磺化瀝青、氧化瀝青、石蠟、樹脂等）封堵孔喉。

（2）使用無固相清潔鹽水做完井液第31頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月2．儲層內(nèi)部微粒運移造成的損害

流體在油氣層孔隙通道流動時，帶動地層中