钻井化学——钻井液化学ppt课件.ppt

《钻井化学——钻井液化学ppt课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《钻井化学——钻井液化学ppt课件.ppt（193页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、第一篇 钻井化学,第二章,钻 井 液 化 学,第一节 钻井液的功能与组成,第二章 钻井液化学,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；钻井液（drilling fluid)又称做 泥浆(Mud)。,钻井液的定义:,泥浆泵,泥浆罐,地面高压管汇,立管,水龙带,水龙头,方钻杆,钻杆,钻铤,钻头,钻柱与井壁形成的环形空间,从井口返出，流经固控设备进行处理,一、钻井液的循环,第一节 钻井液的功能与组成,一、钻井液的循环,第一节 钻井液的功能与组成,二、钻井液的功能,第一节 钻井液的功能与组成,2.携带岩屑,1.冲洗井底,3.平衡地层压力,5.稳定井壁,4.冷却与润滑钻头钻具,6.悬

2、浮岩屑和固体密度调整材料,8.传递功率,7.获取地层信息,第一节 钻井液的功能与组成,三、钻井液的组成,分散介质,分散相,钻井液处理剂,降滤失剂 增粘剂 降粘剂 絮凝剂,组成,钻井液处理剂,组成,水、油、气体,第二节 钻井液密度及其调整,第二章 钻井液化学,第二节 钻井液密度及其调整,一、钻井液密度定义,定义：单位体积钻井液的质量（用表示）,单位：g/cm3 或 t/m3,第二节 钻井液密度及其调整,二、为什么要调整钻井液密度,（1）防止喷、塌、漏钻井事故的发生,（2）钻井液密度与油气层损害有关,（3）钻井液密度影响钻井速度,三、怎样调整钻井液密度,第二节 钻井液密度及其调整,1、调整钻井液密

3、度原则 平衡地层压力和地层构造应力,2、调整钻井液密度方法,（1）降低钻井液密度,降低钻井液固相含量,加水稀释（但有时会增加处理剂的用量和费用）,混油（但会使钻井液成本增加，且影响地质录井）,充气,（2）提高钻井液密度,方法：加入高密度材料,加重材料,高密度不溶性矿物或矿石粉末,高密度的可溶性盐类（流变性能较好）,第二节 钻井液密度及其调整,表1 高密度不溶性矿物或矿石,第二节 钻井液密度及其调整,表2 可溶性盐类加重材料,第二节 钻井液密度及其调整,甲酸盐：钻井液密度可控制在2.3g/cm3,可溶性盐类做高密度材料所带来的问题,腐蚀问题,盐结晶问题,加缓蚀剂,加盐结晶抑制剂,第二节 钻井液密

4、度及其调整,第二节 钻井液密度及其调整,冰点,海水为什么不容易结冰？,盐水在高密度时温度降至一定程度析出盐,该温度称析盐温度。,盐水在低密度时温度降至一定程度析出冰,该温度称盐水冰点。,第二节 钻井液密度及其调整,盐水冰点：,析盐温度：,随着盐水密度增加，盐水析盐温度陡然上升。,钻井液的使用温度高于该钻井液密度下的析盐温度。在钻井液中加入盐结晶抑制剂,KCl在不同温度下的溶解度,防止析盐,通过离子交换转变为相应的盐,选择性地吸附在刚析出的盐晶表面,使盐晶发生畸变,不利于盐在其表面继续生长变大。,为防止盐从钻井液中析出所加的物质,第二节 钻井液密度及其调整,盐结晶抑制剂：,抑制机理：,第二节 钻

5、井液密度及其调整,第三节 钻井液酸碱性及其控制,第二章 钻井液化学,pH值对膨润土基浆表观粘度的影响,第三节 钻井液酸碱性及其控制,当pH值大于9时，表观粘度随pH值的升高而剧增。其原因是由于当pH值升高时，会有更多的OH被吸附在粘土晶层的表面，进一步增强表面所带的负电性，从而在剪切作用下使粘土更容易水化分散。,一、为什么要控制钻井液酸碱性,一般控制在8-11范围，较弱的碱性环境,原因,粘土具有适当的分散度,可以使有机处理剂充分发挥其效能 如丹宁类、褐煤类和木质素磺酸盐类处理剂等,对钻具腐蚀性低,可抑制体系中钙、镁盐的溶解,第三节 钻井液酸碱性及其控制,碱度的定义：用浓度为0.01mol/L的

6、标准硫酸中和1mL样品至指示剂变色时所需标准硫酸的体积(mL)定义为碱度。,第三节 钻井液酸碱性及其控制,测定碱度可以确定钻井液体系中未溶解的石灰Ca(OH)2的量（即储备碱度）。,碱度的意义：通过碱度可以判断钻井液的碱性来源，从而在调整钻井液酸碱性的同时还能针对性的有效清除体系中的有害离子。,第三节 钻井液酸碱性及其控制,为了建立统一的标准，API选用酚酞和甲基橙两种指示剂来评价钻井液及其滤液碱性的强弱。酚酞的变色点为pH=8.3。在进行滴定的过程中，当pH值降至该值时，酚酞即由红色变无色。甲基橙的变色点为 pH=4.3。当pH值降至该值时，甲基橙由黄色转变为橙红色。,第三节 钻井液酸碱性及

7、其控制,3、碱度分类:,第三节 钻井液酸碱性及其控制,能使pH值降至4.3所需的酸量，被称做甲基橙碱度（Methyl Orange Alkalinity）。能使pH值降至8.3所需的酸量被称做酚酞碱度（Phenolphthalein Alkalinity.）,OH+H+H2OCO3 2+H+HCO3,酚酞为指示剂，体系滴定变色时（pH=8.3）以下反应已基本进行完全：,而存在于溶液中的HCO3-不参加反应。当继续用H2SO4溶液滴定，以甲基橙为指示剂，体系滴定变色时（pH=4.3）除了发生上面的化学反应，还发生如下反应：,HCO3+H+CO2+H2O,第三节 钻井液酸碱性及其控制,上一内容,下

8、一内容,回主目录,返回,碱性来源判断,第三节 钻井液酸碱性及其控制,钻井液要求：Pf=1.3 1.5mL（控制 CO32-和 HCO3-）Mf/Pf 3（控制 CO32-含量）,钻井液中CO32-和HCO3-均为有害离子，影响钻井液的流变和降滤失性能，应尽量除去。,第三节 钻井液酸碱性及其控制,2、氢氧化钾（KOH）,1、烧碱（NaOH）,KOH K+OH,有利于井壁稳定,第三节 钻井液酸碱性及其控制,NaOH Na+OH,3、纯碱（Na2CO3),Na2CO3 2 Na+CO32,除钙除镁,第三节 钻井液酸碱性及其控制,CO32+H2O HCO3+OH,Ca 2+CO32 Ca CO3,HC

9、O3+H2O H2CO3+OH,4、碳酸氢钠（NaHCO3),控制钙侵,第三节 钻井液酸碱性及其控制,第四节 钻井液滤失性及其控制,第二章 钻井液化学,第四节 钻井液滤失性及其控制,（1）钻井液滤失性：在压差作用下,钻井液中的自由液向地层渗透的现象。,一、钻井液滤失性,1、相关概念,（2）钻井液滤失量：在一定温度、一定压差和一定时间内通过一定过滤面积的滤液体积。,第四节 钻井液滤失性及其控制,（3）钻井液造壁性 在滤失过程中，随着钻井液中的自由水进入岩层，钻井液中的固相颗粒附着在井壁上形成泥饼的性质。,两者的关系：一般的滤失量少造壁性就好,2、钻井液滤失类型,按是否流动,动滤失,静滤失,按测试

10、条件,常规滤失量（VAPI）,高温高压滤失量(VHTHP),第四节 钻井液滤失性及其控制,钻井液在循环过程中的滤失。,钻井液停止循环时发生的滤失。,易坍塌地层要求VAPI 5mLVHTHP：10-15mL,3、钻井液静滤失方程,静滤失方程,第四节 钻井液滤失性及其控制,式中：A-渗滤面积K-泥饼渗透率P-渗滤压差Csc-泥饼中固相体积分数Csm-钻井液中固相体积分数t-渗滤时间-滤液粘度,动滤失方程,h滤饼厚度,滤失量与渗滤时间的平方根成正比,4、滤失量影响因素,第四节 钻井液滤失性及其控制,（1）渗滤时间 t,（2）压差p,取决钻井液的性质、泥饼的可压缩性,（3）固相含量,钻井液固相含量Cs

11、m越高，泥饼的固相含量Csc越小，滤失量越小。,钻井液固相含量高，钻速低。因此，只能降低泥饼的固相含量。优质粘土配浆固相颗粒细，水化膜厚Csc小,滤失量与渗透率的平方根成正比,第四节 钻井液滤失性及其控制,（5）滤液粘度,（4）泥饼渗透率 K,滤失量与滤液粘度的平方根成反比,（6）温度,温度升高，滤液粘度下降，滤失量增大,（7）渗滤面积 A,5、静滤失量测量,243、0.69MPa、45.8cm2、30min（实测7.5min),1503、3.45MPa、45.8cm2（22.9cm2）、30min,第四节 钻井液滤失性及其控制,VAPI测试条件：,VHTHP测试条件：,第四节 钻井液滤失性及

12、其控制,二、钻井液滤失性控制,1、控制滤失性意义,滤失量过大易造成很大危害（1）井壁不稳定（水敏性泥页岩跨塌、缩径）,（3）泥饼过厚（如起钻具时提力增加、遇卡、泥包钻头、泥饼卡钻等）,（2）损害油气层,2、钻井液降滤失剂分类,能降低钻井液滤失量的化学剂,天然改性（改性褐煤、改性淀粉、改性纤维素）人工合成（改性树脂、烯类单体聚合物）,第四节 钻井液滤失性及其控制,降滤失剂分类：,降滤失剂：,（1）改性褐煤（又称改性腐殖酸）,腐殖酸分子结构,第四节 钻井液滤失性及其控制,褐煤是一种未成熟的煤，燃烧值比较低，有效成分是腐殖酸，好的褐煤腐殖酸含量可达7080。由于分子量较大，一般难溶于水。,H,第四节

13、 钻井液滤失性及其控制,第四节 钻井液滤失性及其控制,淀粉从谷物或玉米中分离出来，它在50以下不溶于水，温度超过55以上开始溶胀，直至形成半透明凝胶或胶体溶液。淀粉在淡水、海水和饱和盐水钻井液中均可使用。淀粉的降滤失机理一方面是它吸收水分，减少了钻井液中的自由水；另一方面是形成的囊状物可进入泥饼的细缝中，从而堵塞水的通路，进一步降低了泥饼的渗透性。,（2）改性淀粉,第四节 钻井液滤失性及其控制,加碱能使淀粉迅速而有效地溶胀。,(3)改性纤维素,第四节 钻井液滤失性及其控制,纤维素是一种天然高分子，不溶于水，以纤维素为原料可以制得一系列钻井液降滤失剂，其中使用最多的是钠羧甲基纤维素（简称CMC）

14、和羟乙基纤维素（简称HEC）。,(4)改性树脂,第四节 钻井液滤失性及其控制,以酚醛树脂为主体，经磺化或引入其它官能团而制得。,第四节 钻井液滤失性及其控制,（5）烯类单体聚合物,第四节 钻井液滤失性及其控制,制备这类聚合物的主要原料有丙烯腈、丙烯酰胺、丙烯酸和丙烯磺酸等。,常见降滤失剂性能比较：,改性褐煤类：K-Hm、Na-Hm,热稳定性好，耐温180 耐盐耐钙镁性差,改性淀粉类：Na-CMS、HES,抗盐抗钙能力强热稳定性差、易发酵,第四节 钻井液滤失性及其控制,纤维素类：NaCMC、HEC,抗盐抗钙能力强热稳定性差,树脂类：SMP-、SMP-,热稳定性好、耐180-200高温抗盐性强起泡

15、,第四节 钻井液滤失性及其控制,烯类单体聚合物：Na-HPAN、NH4-HPAN,热稳定性好、耐160抗盐能力强加量小,第四节 钻井液滤失性及其控制,（2）增粘机理,增加钻井液滤液粘度。,（1）吸附机理,通过氢键吸附到粘土上，增大粘土的负电性和水化膜厚度，提高粘土颗粒间斥力，使钻井液保持一定数量的细颗粒，形成致密泥饼。,第四节 钻井液滤失性及其控制,2、降滤失剂作用机理,（3）捕集机理,（4）堵塞机理,高分子无规线团通过架桥而滞留在孔隙中的现象。无规线团直径dc dc=（1/3-1）孔隙直径dp,dc dp,无规线团封堵泥饼孔隙入口,第四节 钻井液滤失性及其控制,第五节 钻井液流变性及其调整,

16、第二章 钻井液化学,第五节 钻井液流变性及其调整,在外力作用下，物质发生流动和变形的特性。,（1）携带岩屑，井底和井眼的清洁,流变性：,与钻井液流变性有关的钻井问题：,（2）悬浮岩屑与加重材料,（3）钻井速度,（4）井眼规则和井下安全,钻井液的流态（各流态之间的过渡流）,塞流：流体象塞子一样整体流动，流速为常数。层流：流体分层运动。任意流层与相邻流层方向相同，流速不同。紊流：流体内形成无数小漩涡。任一定点的流速，其大小、方向都在进行着不规则的、连续的变化。,一、基本概念,1、剪切速率：指垂直于流速方向上单位距离上 的流速变化。,=dv/dx s-1,第五节 钻井液流变性及其调整,在钻井过程中，

17、钻井液在各个部位的剪切速率不同：,沉砂池处：10 20 s-1；环形空间：50250 s-1；钻杆内：1001000 s-1；钻头喷嘴处：10000 100000 s-1,第五节 钻井液流变性及其调整,2、剪切应力：流体单位面积上的内摩擦力。,=F/A Pa,式中：F 流体的内摩擦力 N A 相邻流动层接触面积 m2,第五节 钻井液流变性及其调整,3、触变性：,钻井液搅拌变稀（切力下降），静止变稠（切力升高）的性质。,钻井液对触变性的要求：（1）结构恢复的时间短（有利于钻屑悬浮，防止沉砂）（2）最终切力要适当（防止开泵阻力大，压力激动）,4、剪切稀释性:,钻井液表观粘度随剪切速率增大而降低的特

18、性。,环形空间：剪切速率低，av大，有利于携带钻屑。钻头水眼：剪切速率高，av小，有利于水力破岩、提高钻速。,环形空间：50250 s-1；钻头水眼：10000 100000 s-1,动塑比：动切力与塑性粘度的比值。d/pv越大，剪切稀释性越强 要求钻井液具有较高的动塑比，一般将动塑比控制在0.36-0.48Pa/mPa.s。太小，携岩性差，太大，引起泵压显著增加,剪切稀释性用动塑比来表示。,5、牛顿粘度和表观粘度牛顿内摩擦定律：剪切应力（单位面积的摩擦力）与速度梯度成正比，其比例系数为。,牛顿粘度：,表观粘度 AV：剪切应力与对应剪切速率的比值。,（1）牛顿流体,7、流变模式：描述与关系的数

19、学关系式。,6、流变曲线：描述与关系的曲线。,1、宾汉模式,=d+pv,d：动切力或屈服值，Pa pv：塑性粘度，Pa.s,第五节 钻井液流变性及其调整,二、流变模式,=d+pv,第五节 钻井液流变性及其调整,静切力,动切力,静止 塞流 塞流-层流 层流 紊流,（1）塑性粘度pv,反映流体在层流下达到动平衡时，固相颗粒之间、固相颗粒与液相之间以及液相内部内摩擦力的大小,第五节 钻井液流变性及其调整,物理意义,影响因素,A、固相含量多固相颗粒数目多塑性粘度pv大,B、固相分散度大 固相表面积大 塑性粘度pv 大,C、液相粘度大内摩擦力大 塑性粘度pv 大,第五节 钻井液流变性及其调整,调整,增加

20、 pv,加预水化粘土,加增粘剂,增粘机理,极性基团水化，降低自由水,与粘土形成网架结构,在粘土表面吸附，增加粘土体积分数(提高其流动阻力）,第五节 钻井液流变性及其调整,降低 pv,加水稀释,第五节 钻井液流变性及其调整,使用固控设备,使用化学絮凝剂,（2）动切力d,物理意义：钻井液在层流状态下达到动平衡时形成网架结构的强弱。,影响因素,A、固相含量大结构数目多 动切力d大,B、固相分散度大 固相颗粒数量多 动切力d大,C、加入降粘剂动切力d 降低,第五节 钻井液流变性及其调整,增加d,降低d,第五节 钻井液流变性及其调整,调整,加预水化粘土,加高分子聚合物,加适量的电解质（压缩双电层 网架结

21、构）,加降粘剂,加水稀释,消除引起d升高的电解质,=Kn（0 n 1）K 稠度系数，PaSn n 流性指数,第五节 钻井液流变性及其调整,2、幂律模式,（1）流性指数n,物理意义：一、反映流体的结构强度，结构越强，n越小。二、反映钻井液偏离牛顿流体的程度，n越小,越偏离牛顿流体。,（2）稠度系数K,物理意义：反映钻井液内部内摩擦力的大小。,=Kn,1/2=C 1/2+1/21/2C 卡森动切力 卡森的极限粘度,第五节 钻井液流变性及其调整,3、卡森模式,物理意义：反映钻井液网架结构的强弱,物理意义：反映钻井液内摩擦力的强弱,第五节 钻井液流变性及其调整,(1)卡森屈服值c,(2)极限剪切粘度,

22、影响因素与调整：同0,影响因素与调整：同p,1/2=C 1/2+1/21/2,宾汉模式的局限性：适合在中剪切速率 范围描述钻井液的流变性,第五节 钻井液流变性及其调整,幂律模式的局限性：适合在低、中剪切速率描述钻井液的流变性,卡森模式的优点：在低剪切区和中剪切区有较好的精确度，还可以利用低、中剪切区的测定结果预测高剪切速率下的流变特性,第五节 钻井液流变性及其调整,1、漏斗粘度计,漏斗,容积：750ml,三、流变参数测量,原理：测定一定钻井液（500ml）从漏斗下端流出所需的时间。,2、范氏六速粘度计,测量原理:,(1)剪切速率与转子转速n成正比：=1.703n s-1 n 600 300 2

23、00 100 6 3 1022 511 340.7 170.3 10.22 5.11,(2)剪切应力与粘度计读数成正比：=0.511 Pa,3、流变参数计算,（1）宾汉模式,Pa.s,mPa.s,塑性粘度pv,=0.511 Pa,Pa,动切力,表观粘度 AV：,无特殊说明，AV是指=1022 s-1时的 AV（n=600）,1、为什么要调整钻井液的流变性,（1）粘度和切力过大，影响钻井速度、泥包钻头、岩屑在地面不易除去、钻井液脱气困难等,（主要指调整钻井液的粘度和切力）,第五节 钻井液流变性及其调整,（2）粘度和切力过小，影响钻井液携屑、冲刷井壁，影响井壁稳定等,2、调整钻井液粘度和切力的方法

24、,根据测量实验结果判断粘度和切力偏高还是偏低,偏高 减少体系的固相含量、加降粘剂,偏低 增加体系的固相含量、加增粘剂,流变性调整剂：调整钻井液粘度和切力的化学物质,第五节 钻井液流变性及其调整,非加重钻井液：塑性粘度 pv 控制在5-12mPa.s，动切力d控制在1.4-14.4Pa.,3、降粘剂,钻井液增稠的主要原因,（1）钻井液体系的无用固相,（2）粘土粒子联结形成空间网架结构及高分子与粘土颗粒间形成网状结构使大量自由水束缚不能自由移动,第五节 钻井液流变性及其调整,第五节 钻井液流变性及其调整,粘土粒子联结形成空间网架结构,第五节 钻井液流变性及其调整,粘土粒子联结形成空间网架结构被拆开

25、,（1）改性单宁,第五节 钻井液流变性及其调整,第五节 钻井液流变性及其调整,（2）改性木质素磺酸盐,第五节 钻井液流变性及其调整,铁铬木质素磺酸盐(FCLS),（1）泡沫问题,第五节 钻井液流变性及其调整,（2）环境问题（铬）铁、锆、钛木质素磺酸盐,铁铬木质素磺酸盐使用问题：,研制替代产品,通过结构中的羟基与粘土表面的羟基形成氢键吸附在粘土颗粒表面,水化基团在水中电离,形成扩散双电层,提高了粘土颗粒表面负电和水化层厚度,拆散粘土颗粒连接所产生的结构,降低了钻井液的粘度和切力。,第五节 钻井液流变性及其调整,上述两种降粘剂作用机理:,(3)烯类单体低聚物（分子量2000-6000）,第五节 钻

26、井液流变性及其调整,聚合物类降粘剂作用机理:,第五节 钻井液流变性及其调整,在聚合物钻井液中,低聚物通过竞争吸附使吸附在粘土颗粒表面的聚合物解吸下来，破坏聚合物和粘土颗粒形成的结构,通过氢键或阳离子链节吸附在粘土颗粒表面,水化基团通过增加粘土颗粒表面负电和水化层厚度,拆散粘土颗粒连接所产生的结构,4、增粘剂,（1）纤维素,第五节 钻井液流变性及其调整,正电胶,第五节 钻井液流变性及其调整,混合金属盐溶液逐步用沉淀剂将金属离子沉淀出来所配得的增粘剂。,第五节 钻井液流变性及其调整,分子链中极性基团水化和分子链之间的互相纠缠，对钻井液的水起稠化作用,增粘作用机理:,通过吸附，增加粘土颗粒体积，提高

27、流动阻力,通过桥接，在粘土颗粒间形成结构，产生结构粘度,第五节 钻井液流变性及其调整,第六节 钻井液中的固相及其含量的控制,第二章 钻井液化学,第六节 钻井液中的固相及其含量的控制,一、钻井液固相类型及对钻井的影响,有用固相：配浆粘土、加重材料,无用固相：钻屑,胶体粒子(颗粒直径2m)泥(2-74m)砂(74m),1、钻井液固相类型,（2）固相含量高，形成的滤饼厚，容易引起卡钻,第六节 钻井液中的固相及其含量的控制,2、钻井液中的固相对钻井的影响,（1）固相含量升高，钻速降低,（3）固相含量高，对油气层损害严重,第六节 钻井液中的固相及其含量的控制,二、固相控制方法,1、沉降法,2、稀释法,3

28、、机械设备法（振动筛、除砂器、除泥器等）,4、化学法（使用絮凝剂）,固控：在保存适量有用固相的前提下,尽 可能 清除无用固相的工艺,第六节 钻井液中的固相及其含量的控制,三、絮凝剂,1、定义：通过桥连吸附将一些细颗粒聚结在一起的化学物质。,2、类型,第六节 钻井液中的固相及其含量的控制,全絮凝剂：即絮凝有用固相又絮凝无用固相,选择性絮凝剂：只絮凝无用固相,25,第六节 钻井液中的固相及其含量的控制,选择性絮凝作用,全絮凝作用,降粘剂,絮凝剂,降粘剂,絮凝剂,膨润土（负电）,钻屑（不带电或少量负电）,吸附,吸附,吸附,不吸附,PAM,HPAM,第六节 钻井液中的固相及其含量的控制,3、絮凝机理：

29、,絮凝过程：吸附架桥蜷曲絮凝成团,第六节 钻井液中的固相及其含量的控制,CPAM含有阳离子链节和非离子链节，比PAM、HPAM具有更好的絮凝作用,第六节 钻井液中的固相及其含量的控制,4.影响絮凝作用的主要因素,（1）相对分子质量,（3）浓度 饱和吸附量的一半,（4）pH值 HPAM作为絮凝剂的pH值为7-8,（2）水解度,分子量3106,=30%,亚甲基蓝在水溶液中电离出有机阳离子和氯离子 C16H18N3SCl3H2O C16H18N3S+Cl-+3H2O（绿蓝色）有机阳离子很容易与膨润土发生离子交换。膨润土-M+C16H18N3S+膨润土-C16H18N3S+M+(蓝色水不溶物）,实验五

30、 钻井液中膨润土含量的测定,测量原理,70mmol/100g*M g(粘土)0.01V甲,膨润土被染色,用0.01N亚甲基蓝滴定钻井液，每次滴入1mL亚甲基蓝后，旋摇30秒钟，用玻璃沾一滴液体到滤纸上，观察在已染色的固体外是否出现绿蓝色圈，若无色圈，继续添加。当发现绿蓝色圈，且旋摇2分钟后色圈仍不褪色，则达到终点，记录所消耗的亚甲基蓝溶液的毫升数V甲。膨润土的阳离子交换容量等于70mmol/100g粘土,亚甲基蓝试验和终点的确定,设体积为VmL的钻井液中含有粘土X克 膨润土的阳离子交换容量等于70mmol/100g粘土 有机阳离子很容易与膨润土发生离子交换。膨润土-M+C16H18N3S+膨润

31、土-C16H18N3S+M+(蓝色水不溶物）,实验五 钻井液中膨润土含量的测定,测量原理,70*10-3mol/100g*X(粘土)0.01V甲,钻井液膨润土含量=g/L,第七节 钻井液润滑性及其改善,第二章 钻井液化学,第七节 钻井液润滑性及其改善,钻井液润滑性:钻井液能使钻柱与井壁之间 的干摩擦变成湿摩擦,从而使摩擦产生的阻力减小，钻井液的这种性能称钻井液润滑性。,一、钻井液润滑性,摩阻系数：一定条件下，相对运动物体所产生的摩擦力与垂直摩擦面作用力的比值。,1、概念,摩擦系数空气为0.5，清水为0.35，柴油为0.07,水基钻井液摩阻系数在0.200.35之间,油基钻井液的摩阻系数在0.0

32、80.09之间,水平井要求钻井液的摩阻系数在0.080.10范围,第七节 钻井液润滑性及其改善,减少钻柱的摩擦阻力，缩短起下钻时间,能用较小的动力来转动钻具,能防粘卡，防止钻头泥包,第七节 钻井液润滑性及其改善,2、为什么钻井液要具有良好的润滑性,润滑性是钻水平井、大位移井、超深井等 复杂井的关键技术,（1）固相的影响,固相含量增高，钻井液润滑性变差,（2）有机高分子处理剂的影响,改善泥饼质量,在井壁上形成吸附膜,降低摩擦阻力,（3）润滑剂,第七节 钻井液润滑性及其改善,3、钻井液润滑性影响因素,1、液体类润滑剂,类型：矿物油、植物油和表面活性剂等,第七节 钻井液润滑性及其改善,二、钻井液润滑

33、性改善,合理使用润滑剂可以降低摩阻系数改善润滑性,第七节 钻井液润滑性及其改善,第七节 钻井液润滑性及其改善,作用机理：通过在金属、岩石和粘土表面形成吸附膜，减少钻具对井壁和套管的摩擦,第七节 钻井液润滑性及其改善,形成均匀油膜，润滑效果好,亲水,亲水,水包油,2、固体类润滑剂,作用机理：多数固体润滑剂类似细小滚珠，将滑动摩擦转化为滚动摩擦，因而可大幅度降低扭矩和阻力,类型：塑料小球、石墨、玻璃微珠等,第七节 钻井液润滑性及其改善,第八节 井壁稳定性及其控制,第二章 钻井液化学,第八节 井壁稳定性及其控制,1、井壁稳定性,定义：井壁保持原始状态的能力,井壁不稳定现象：,井塌：井壁岩石剥落掉块，

34、井径扩大,缩井：高压层或易水化膨胀地层，井径缩小,2、井壁稳定性影响因素,（1）地质因素：地层本身原因引起,高压地层压力释放、松散地层的坍塌、高压盐岩层的塑性变形,第八节 井壁稳定性及其控制,地质因素,钻井工程因素,物理化学因素,（2）钻井工程因素,钻井液对井壁的冲刷作用,井内激动压力过大,钻具对井壁的碰撞,井内液柱压力大幅度降低,第八节 井壁稳定性及其控制,（3）物理化学因素,非膨胀性粘土：,膨胀性粘土：,剥落、坍塌,泥页岩地层与钻井液接触后导致的不稳定原因,水化膨胀、缩径,第八节 井壁稳定性及其控制,3、物理化学因素引起：加入页岩抑制剂,1、地质因素引起：适当提高钻井液密度,2、钻井工程因

35、素引起：改进钻井工艺,二、井壁不稳定性应付对策,第八节 井壁稳定性及其控制,又称防塌剂能抑制泥页岩膨胀和分散的化学剂,1、盐：KCl、NaCl,作用机理,压缩粘土扩散双电层，降低其负电性,K+、NH4+镶嵌作用,三、防塌剂及其防塌机理,第八节 井壁稳定性及其控制,2、阳离子表面活性剂,第八节 井壁稳定性及其控制,第八节 井壁稳定性及其控制,（1）中和粘土的负电荷,（2）改变粘土表面润湿性，由亲水变为亲油,作用机理：,3、阳离子聚合物,第八节 井壁稳定性及其控制,（1）中和粘土的负电荷,（2）通过吸附桥连在井壁上形成一层保护膜,第八节 井壁稳定性及其控制,作用机理：,4、非离子型聚合物,第八节

36、井壁稳定性及其控制,第八节 井壁稳定性及其控制,（2）竞争吸附作用。多元醇在粘土上的吸附能力大于水与粘土的吸附作用，多元醇可优先吸附到粘土矿物表面，阻止水分子进入，同时也可把吸附在粘土上的水分子挤走,（1）浊点效应。当低于一定温度时是水溶性的，但高于此温度时从水中析出形成乳状液（封堵）,第八节 井壁稳定性及其控制,作用机理：,（1）类型：氧化沥青、改性沥青粉、磺化沥青（水溶）、乳化沥青,（2）机理：封堵微裂缝，涂敷在井壁上形成疏水油膜，减少水进入泥页岩地层。,第八节 井壁稳定性及其控制,5、沥青类,四、抑制剂评价方法,1、页岩膨胀实验（膨胀量测试）,2、页岩滚动分散实验(滚动回收率),将10g

37、粘土试样浸泡于处理剂溶液中，加压至4MPa，随着时间的延续，试样发生缓慢的吸水膨胀，测试膨胀量（高度）,取研究区域粒径2-5毫米钻屑50g，装入盛有350mL试样的滚动瓶中，滚动瓶放入滚子炉在一定温度下热滚16小时后，40目筛回收，105烘干，冷却24h后称重，计算页岩滚动分散回收率。,第九节 卡 钻 与 解 卡,第二章 钻井液化学,第九节 卡钻与解卡,一、卡钻,钻具被卡住而不能正常运转的现象,压差卡钻、沉砂卡钻、井塌卡钻、砂桥卡钻等,砂桥卡钻：泥浆中的细碎砂粒搭成砂桥/井壁泥饼和岩屑形成砂桥。,压差卡钻：钻井液液柱压力大于地层孔隙压力。,钻井液在井径扩径处产生涡流，使所携带的钻屑下沉形成砂桥

38、。,第九节 卡钻与解卡,二、压差卡钻（泥饼粘附卡钻）,在钻井液压力与地层孔隙压力之差的作用下，静止钻具紧压在井壁泥饼上而导致的卡钻,1、定义,第九节 卡钻与解卡,2、压差卡钻原因,静止钻具与泥饼接触后其摩擦力大于钻机的最大提升力。,第九节 卡钻与解卡,粘附卡钻断面位置,F-提力r-卡钻处钻柱半径-泥饼与钻柱的包角L-粘附长度m-钻井液密度h-卡钻深度pf-地层压力f-摩擦系数,式中：,提力=粘附面积粘附压差摩阻系数,实例：某井在1000米深处卡钻,钻杆尺寸为114mm,围包角90,泥饼粘附长度15m,钻井液比重1.20,地层孔隙水的压力100atm（10MPa),泥饼摩擦系数0.25,解卡所需

39、力为67吨,第九节 卡钻与解卡,三、解卡,1、使用解卡剂浸泡,降低摩擦系数,2、降低钻井液密度,降低压差,第九节 卡钻与解卡,液体润滑剂（柴油）沥青 表面活性剂,解卡剂,降低m，f,第十节 钻井液中的漏失与地层的堵漏,第二章 钻井液化学,井漏的原因 钻井过程中，井内钻井液液柱压力大于地层破裂压力便会发生井漏。引起井漏的因素主要有两方面：一是井下地层破裂压力异常低，岩层孔隙度大、渗透性好，或有裂缝、溶洞等；另一方面是由于钻井工艺措施不当，如钻井液密度过大、压力过高，或开泵过猛以及下钻速度过快而造成井下压力激动等。,井漏会造成钻井液池面下降，返出的钻井液量减小，严重的井漏则会使钻井液失去循环，只进

40、不出，进而会导致井壁坍塌或井喷。,井漏的现象:,一、漏失定义及类型,1、定义：钻井过程中，钻井液大量流入地层的现象,2、类型：,(1)渗透性漏失：,砂岩或砾岩地层，漏失速率0.5-10m3/h，钻井液液面缓慢下降。,第十节 钻井液中的漏失与地层的堵漏,(2)裂缝性漏失：,裂缝性灰岩和砂岩地层，漏失速率10-100m3/h，钻井液液面迅速下降。,(3)溶洞性漏失：,溶洞性灰岩地层，漏失速率100m3/h，钻井液只进不出。,第十节 钻井液中的漏失与地层的堵漏,第十节 钻井液中的漏失与地层的堵漏,（a）渗透性漏失,（c）溶洞性漏失,（b）裂缝性漏失,溶胶是粒径为10-710-9m的固体粒子分布于分散

41、介质的分散体系。,溶胶,液溶胶 油漆,气溶胶 雾、烟、发胶,一定浓度的高分子溶液或溶胶，在适当条件下，粘度逐渐增大，最后失去流动性，整个体系变成一种外观均匀，并保持一定形态的弹性半固体，这种弹性半固体称为凝胶。,豆腐、肉冻,凝胶,冻胶（含液量常在90以上）,干凝胶（含液量低）明胶、硅胶,1、堵漏：对漏失地层的封堵,2、堵漏材料：封堵漏失地层采用的材料,（1）渗透性地层堵漏,硅酸凝胶,铬冻胶,HPAM+重铬酸钾+亚硫酸钠,铬冻胶,二、堵漏与堵漏材料,第十节 钻井液中的漏失与地层的堵漏,水玻璃+盐酸 硅酸溶胶，注入漏失层 硅酸凝胶,酚醛树脂,苯酚+甲醛,不溶于水的酚醛树脂,（2）裂缝性或溶洞性地层

42、堵漏,纤维性材料,植物纤维：短棉绒,矿物纤维：石棉纤维,颗粒性材料,植物性颗粒：核桃壳、花生壳等,矿物性颗粒：粘土、石灰岩等,第十节 钻井液中的漏失与地层的堵漏,第十一节 钻 井 液 体 系,第二章 钻井液化学,第十一节 钻井液体系,水基钻井液体系,油基钻井液体系,气体钻井液体系,钻井液体系,第十一节 钻井液体系,一、水基钻井液,水基钻井液,非抑制性钻井液,抑制性钻井液,O/W 钻井液,泡沫钻井液,钙处理钻井液,钾盐钻井液,盐水钻井液,聚合物钻井液,正电胶钻井液,1、非抑制性钻井液,（1）定义：由淡水、粘土和降粘剂为主要处理剂配制而成的水基钻井液。（分散型钻井液）,（2）特点,配制简便，成本低

43、,滤失造壁性能好,可配制高密度钻井液,抗温能力强,优点,第十一节 钻井液体系,抗污染能力差，性能不稳定,抑制性差，不利于井壁稳定,亚微米颗粒（直径小于1m）多，钻速慢,不能有效地保护油气层,缺点,（3）适用地层,适合一般地层打深井和高温井,第十一节 钻井液体系,2、抑制性钻井液,以页岩抑制剂为主要处理剂的水基钻井液,钙处理钻井液（石灰、石膏、氯化钙）,盐水钻井液（氯化钠）,钾盐钻井液（氯化钾）,聚合物钻井液,正电胶钻井液,第十一节 钻井液体系,细分散钻井液,具有抗钙侵、稳定页岩和控制钻井液粘土分散特点 加少量稀释剂，使钻井液处于适度分散。,第十一节 钻井液体系,（1）钙处理钻井液,石灰 pH值

44、大于11.5，Ca2+含量0.12-0.20 g/L,石膏 pH值 9.5-10.5，Ca2+含量 0.6-1.5 g/L,氯化钙 pH值 10-11，Ca2+含量 3-4 g/L,适于钻石膏层,具有抑制页岩分散、膨胀，控制地层造浆、坍塌、减少亚微粒子特点。,第十一节 钻井液体系,（2）钾盐钻井液,聚合物钾盐、聚合物铵盐、无机钾盐、有机钾盐为主要处理剂，要求pH值 8-9，K+大于18 g/L。,适于钻页岩层,适用海上、近海滩、缺乏淡水的地区钻井。饱和盐水钻井液适用钻岩盐层、页岩层、岩盐与石膏的混合层,第十一节 钻井液体系,（3）盐水钻井液,以盐为主要处理剂。盐含量10 g/L饱和。,具有耐盐

45、、耐钙、镁离子、抑制页岩、滤液对油层损害小等特点,由于聚合物的桥接作用，钻井液中的粘土颗粒保持在较粗的状态，同时由于聚合物的吸附作用，钻屑表面受到保护而不分散成更细的颗粒，因此钻井速度更快。,第十一节 钻井液体系,（4）聚合物钻井液（不分散钻井液）,聚合物为主要处理剂,第十一节 钻井液体系,阴离子聚合物,阳离子聚合物,两性离子聚合物,非离子聚合物,井深3500m之内，井温低于150,页岩层钻井,海上钻井、页岩层,第十一节 钻井液体系,携岩能力强稳定井壁性能好对油气层有保护作用,（5）正电胶钻井液,适用水平井钻井和打开油气层,3、水包油钻井液：,水基钻井液中加入油和乳化剂形成,润滑性好,滤失量低

46、,保护油气层能力强,特点,适用地层：,易卡钻及易泥包钻头地层,第十一节 钻井液体系,4、泡沫钻井液,特点,摩阻低,携带能力强,保护油气层,适用地层：,低压易漏地层,第十一节 钻井液体系,1、特点,润滑性好,有利于井壁稳定,保护油气层,抗污染能力强,抗高温,优点,成本高,污染环境,不安全,缺点,二、油基钻井液,第十一节 钻井液体系,（1）全油基钻井液,特点：,组成：,油、沥青、乳化剂、水含量10%,成本高、易着火、钻速慢,2、油基钻井液分类,第十一节 钻井液体系,（2）油包水乳化钻井液,油、润湿剂、乳化剂、亲油胶体、水含量10-60%,3、油基钻井液适用地层,泥页岩地层、岩盐层、石膏层、高温地层及油气层,第十一节 钻井液体系,组成：,特点：,比全油基钻井液成本低、不易着火、钻速较快,1、特点：,钻速快、保护油气层,2、适用地层：,低压易漏地层,三、气体钻井流体,第十一节 钻井液体系,本章完,