钻井液技术简介董波.ppt

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1、1,钻井液技术简介,董 波,二O一二年十一月,2,钻井液体系分类及组成,钻井液概念及功用,钻井液工艺技术,1,二,3,2,一,1,三,钻井液主要处理剂及作用机理,1,四,讲 解 提 纲,钻井液概念及功用,讲 解 提 纲,钻井液体系分类及组成,钻井液概念及功用,讲 解 提 纲,钻井液工艺技术,钻井液体系分类及组成,钻井液概念及功用,讲 解 提 纲,钻井液主要工艺技术,钻井液体系分类及组成,钻井液概念及功用,讲 解 提 纲,3,钻井液是指旋转钻井时通过循环来满足携带钻屑、冷却润滑钻具等功能的各种流体的总称(包含液、气、液+气）。,一、钻井液概念及功用,1、概念,以前钻井液叫做泥浆，是因为在未发展出

2、无固相及油基钻井液体系之前钻井液主要是用膨润土来做造浆材料的，配制出来与下雨天踩出的稀泥相近，由此而得名。后来随着技术的发展，体系多了，浆体也不都像稀泥了，在用泥浆来概括就不全面了，因此改名叫钻井液。,第一章、钻井液概念及功用,1、概念,4,A、悬浮、携带钻屑，清洁井眼 这是旋转钻使用钻井液的最主要目的，钻井液必须将钻头破碎的岩屑从井底带出到地面来，保证井眼畅通清洁。B、冷却润滑钻具，特别是钻头 钻头在冲击，剪切岩石过程中以及钻柱旋转与井壁摩擦时会产生大量热量，必须通过钻井液来冷却，否则就会因温度过高强度下降而无法正常钻进。同时钻井液也具有良好的润滑性能降低干、硬摩擦时的扭矩和摩阻。C、平衡地

3、层压力，可以控制井涌井喷 地层中存在不同压力的各种流体（油、气、水），钻进时通过钻井液的液柱压力来平衡，不让进入井筒或不让其无限制的侵入井筒。,2、钻井液具有的主要功能,5,D、传递水力功率，辅助破岩 利用液体压力传递效果强的特点，将泥浆泵功率的一部分转化为钻头水眼处的喷射能量，冲击破碎岩石，辅助钻头破碎岩石，提高钻速，这也是喷射钻井的基本原理。E、录取地质资料，传递随钻测斜脉冲信息 通过钻井液循环带出的钻屑以及钻井液中的油气显示，可以录取地层岩性，是否含油气层等地质资料，同时在使用MWD随钻测斜工具时，需要钻井液来传递脉冲信号。,2、钻井液具有的主要功能,D、传递水力功率，辅助破岩 利用液体

4、压力传递效果强的特点，将泥浆泵功率的一部分转化为钻头水眼处的喷射能量，冲击破碎岩石，辅助钻头破碎岩石，提高钻速，这也是喷射钻井的基本原理。E、录取地质资料，传递随钻测斜脉冲信息 通过钻井液循环带出的钻屑以及钻井液中的油气显示，可以录取地层岩性，是否含油气层等地质资料，同时在使用MWD随钻测斜工具时，需要钻井液来传递脉冲信号。,2、钻井液具有的主要功能,6,3、钻井过程中对钻井液的附加功能要求,A、稳定井壁，防止井塌 钻进时必须保证井壁稳定性好，不出现垮塌，不严重掉块，否则就会出现起下钻严重阻卡或者埋钻复杂事故。这个要求不是所有钻井液体系都具有的功能，需综合优选。B、防漏堵漏功能 普通钻井液是基

5、本没有防漏堵漏功能的，但在断裂带、大的溶蚀孔、洞地层或者低压高渗地层是极易发生井漏的，为了钻井安全需要，要求泥浆具备或通过泥浆来实施堵漏的功能。C、储层保护功能 钻井液对储层是有污染的，但钻井的目的是为了开发油气，又不能严重污染，所以必须使钻井液具有一定的保护储层功能，尽量减小污染。,7,4、钻井液功能简图,8,第二章、钻井液体系分类及组成,通常根据分散介质分为三大类：水基钻井液（Water-Base Drilling Fluids）油基钻井液（Oill-Base Drilling Fluids）气基钻井液（Gas-Base Drilling Fluids）,钻井液体系分类,9,油基,纯气体,

6、泡沫,充气及微泡沫,气基,水基分散型钻井液 水基钻井液 水基抑制性钻井液 水基聚合物钻井液,10,钻井液的组成 分散相+分散介质+化学处理剂 连续相+不连续相 液相+固相+化学处理剂,11,组分举例,某种水基钻井液组分为：水+膨润土+处理剂 100ml 5g 1g用组分表示的配方为：5%膨润土浆+1%处理剂配方表示的特点：用W/V百分数表示组分。不考虑处理剂的体积。,12,水基钻井液的典型组成,13,油基钻井液的典型组成,14,第一节 水基钻井液,水基强分散型钻井液（细分散）水基钻井液 水基抑制性钻井液（粗分散）水基聚合物钻井液,15,一、细分散钻井液体系1.水基分散型钻井液的组成和特点组成：

7、淡水+粘土+分散型处理剂特点：粘土颗粒高度分散。粘土分散度改变，导致性能改变。性能容易受电解质污染，稳定性差。维护、处理需要很多水量。成本低。关键：保持粘土颗粒的高度分散。,16,2.选土与配浆 选土要求：最少的土量得到最高的粘度。实验观察：不同的土达到相同粘度时，用土量相差很大。,0,土量%,粘度mPa.s,15,优质膨润土,普通粘土,劣质粘土,17,选择配浆土的指标 造浆率。造浆率：每吨干土配出表观粘度为15mPa.s的钻井液的体积量。单 位：M3/T测定计算方法：三个样品杯，加入350ml蒸馏水，再加入不同重量的土；搅拌20分钟 陈化24小时 搅拌5分钟；测定600r/min读数，计算表

8、观粘度；在半对数坐标上作图，找出15mPa.s时的膨润土加量；按照公式计算造浆率。,18,造浆率（m3/t）=1000/Cc+0.4Cc 表观粘度为15mPa.s时膨润土的加量，g/l；0.4 每吨膨润土所占体积，m3/t。,C,CC,lg,lg15,0,19,配浆 配制原浆、基浆原浆：仅由水+膨润土组成的一种初始钻井液。基浆：原浆+处理剂,20,钙膨润土特点：Ca+价数高，与晶层吸引力强，水中不易分散；Ca+半径大，水化差，胶粒周围扩散双电层薄，造浆性差。性能上表现为：表观粘度小、造浆率低、静失水量大。,21,钠膨润土特点：Na+价数低、吸引力弱；Na+水化能力强，造浆性好；表观粘度大。造浆

9、率高；静失水量小。,22,钙土改造为钠土：Ca土+Na2CO3 Na土+CaCO3 Ca土+NaOH Na土+CaOH Ca+OH-原理：利用离子交换吸附，钙钠置换。,23,最优加碱量确定,Na2CO3(%),API,0,2,7,24,最优加碱量确定方法简介 最大造浆率法 最低失水量法 化学当量法 最佳分散法 最大电位法 分散微粒最佳级配法 滤液分析法 经验法：Ca土 5%-7%纯碱,25,配制定量、定密度钻井液所需土量式中：浆 钻井液密度，g/cm3;土 粘土密度，g/cm3;水 配浆水密度，g/cm3；V浆 欲配钻井液体积。,26,配制定量、定密度钻井液所水量V水=V浆-W土/土,27,现

10、场配浆流程图,28,3.水基分散型钻井液受污染及其处理污染物定义:凡进入钻井液中使性能变坏的物质.可溶性盐（钙、钠盐、盐水）污染物类型 钻屑 地层流体(水、气体),29,钙污染钙来源：石膏层：CaSO4 Ca+SO42-水泥塞：Ca(OH)2 Ca+2OH-影响规律：失水：Ca+Vf 有效粘度：高固相：Ca+max 低固相：先升后降=C,30,Vf,Ca+（mg/l）,失水,低固相,高固相,31,钙污染机理：电解质压缩双电层，改变聚结稳定性。,-,-,-,d1,d2,d3,钙离子增加,32,由上可见，随Ca+浓度增加：d1 d2 d31 2 3分散 絮凝 聚结(E-F)(E-E)低固相：1 2

11、 3 高固相：1 2 3=max,33,钙污染处理处理原则：除钙、护胶、拆结构。除钙：加纯碱。CO3-+Ca+CaCO3 护胶：加降失水剂（NaC、CMC）拆结构：加入稀释剂（NaT、FCLS）,34,石膏侵的处理特点：PH 因为：SO4-处理：对于薄层石膏层纯碱+烧碱（除钙）（提PH）对于大段石膏层使用高碱比的混合液 预处理预先配成钙处理钻井液，抑制石膏溶解。,35,盐污染及其处理污染曲线,Vf,NaCL（g/100ml）,失水,低固相,高固相,1,36,盐侵污处理原则：抗盐、护胶、拆结构、换土。抗盐、护胶：加入抗盐能力强的有机护胶剂。如：CMC，PAC，JT888等 拆 结 构：加入抗盐稀

12、释剂。如：FCLS,37,水基分散型钻井液的优缺点本质：尽量提高粘土粒子的分散度来保持钻井液性能的稳定。方法：分散介质 淡水（PH 10）处理剂 分散剂（稀释、护胶剂）优点：泥饼质量好 薄、密、韧。固相容量限高 最适合配制高密度钻井液。抗温能力强 可抗温 200 0C,38,缺点：固相含量高 影响机械钻速 分散性强、抑制性差，不适应强造浆地层钻进。油气层保护能力差，钻达油气层必须加以改造。对可溶性盐类敏感。,39,二、水基抑制性钻井液（粗分散体系）,1.抑制性钻井液的基本特点 2.石灰钻井液性能指标及维护原理 3.盐水钻井液性能指标及维护原理,40,抑制性钻井液 组成：水+粘土+无机盐+处理剂

13、 实质（特点）：利用粘土粒子的适度分散，保持钻井液性能稳定。核心：保持固相具有适当的分散度。方法：利用无机盐压缩双电层作用使粘土粒子絮凝，再利用稀释剂的解絮凝作用去抵消一部分絮凝，直到分散度合适 性能符合要求。,41,抑制性钻井液定义 能抑制钻屑造浆（能提供抑制性化学环境）的钻井液。方法：采用无机盐和聚合物。实质：土粒由高度分散 适度絮凝。类型：钙处理钻井液 盐水钻井液 甲酸盐钻井液 钾石灰钻井液 硅酸盐钻井液 聚合物钻井液 等,42,（一）钙处理钻井液 石灰钻井液 钙处理钻井液 石膏钻井液 氯化钙钻井液,43,1.石灰钻井液 基本配方膨润土浆+护胶剂+石灰（CaO）石灰的作用 提供Ca+;C

14、a+使粘土絮凝。,44,实验曲线,Ca+(PPm),0,(mPa.s),120,300,普通泥浆,干膨润土,45,从曲线得到规律Ca+=120-300 ppm 最好。此时，粘度合适，钻屑对粘度影响最小。,46,滤液含钙量的保证 滤液碱度 Pf意义：滤液中OH-浓度的量度。作用：控制石灰溶解度：PfCa+一般：Pf=1-10 ml方法：用NaOH控制。,47,泥浆碱度 Pm意义：钻井液中溶解和未溶解的氢氧化物多少的量度。规律：Ca(OH)2 Pm 一般：Pm=10-25 ml方法：用Ca(OH)2 控制。,48,游离石灰含量（剩余石灰含量）意义：反映钻井液中未溶解（过剩）石灰量。滤液 Ca+意义

15、：已经溶解了的Ca+含量。一般：120-300 ppm,49,石灰泥浆最大的问题高温固化：石灰+粘土+NaOH 水化硅酸钙,50,2.石膏钻井液 基本配方 膨润土浆+混合剂（褐煤、烧碱、单宁、纯碱）或FCLS+石膏（CaSO4）石膏的作用 同离子效应；提供Ca+;Ca+使粘土絮凝；维持较低的PH值。,51,3.氯化钙钻井液基本配方膨润土浆+褐煤+氯化钙（CaCl2）氯化钙的作用 提供Ca+:Ca+2Hm-Ca(Hm)2降失水 储备Ca+，使Ca+=200ppm 保证抑制性和流变性稳定。,52,三、水基聚合物钻井液,1.聚合物钻井液的基本特点 2.不分散低固相聚合物钻井液 3.聚磺钻井液,53,

16、（一）聚合物钻井液的基本特点无用固相少，密度低，压差小；钻屑较粗，固相体积含量较小；膨润土固相含量低，亚微米颗粒少；剪切稀释性好，水眼粘度低；携砂能力强；抑制、包被能力强；对油气层损害较小；,54,（二）不分散低固相聚合物钻井液1、要求 不分散低固相聚合物钻井液的要求：不分散、低固相。不分散：固相粒子粒度不变，不再分散，新钻屑也不分散。低固相：低密度固相特别是活性固相含量较低。不分散目的：尽量减少亚微米颗粒（1微米）含量，保证钻井液良好性能，减少亚微米颗粒对钻速的影响。低固相目的：包被钻屑，阻止分散，降低低密度固相含量。结论：“不分散”是手段，“低固相”是目的。,55,2、性能指标1）固相含量

17、（不含加重剂）5%（W/V）2）岩屑/膨润土（D/B）2：13）动塑比（YP/PV）=0.25_0.48Pa/mPa.s4）动切力（YP）=1.5-3Pa5）滤失控制视情况具体分析：地层稳定，放宽；坍塌地层，从严；油层，尽量低。6）优良流变参数：=3-6mPa.s,Im=300-600,c=0.3-1.5Pa。其中：1/2=1.195(6001/2-1001/2)(mPa.s)1/2 c1/2=0.4755(6100)1/2-6001/2(Pa)1/2 Im=1+(c/)1001/22 3、常用处理剂 聚丙烯酰胺及其衍生物包括80A系列、SK系列、PAC系列等，VAMA、XC、FA367、XY

18、27等。,56,（三）聚磺钻井液1、高分子聚合物的作用 絮凝和包被钻屑、增效膨润土、包被重晶石，减少粒子间的摩擦。2、磺化处理剂的作用 抗高温，并适度分散，改善泥饼质量3、配制 在原不分散低固相聚合物钻井液基础上加入磺化类处理剂进行转化,57,（四）复合型聚合物钻完井液,1、两性离子聚合物/聚磺钻井液2、聚合醇类/聚合物钻井液3、正电性聚合物钻井液4、钾基聚合物/聚磺钻井液5、甲基葡萄糖甙聚合物/聚磺钻井液6、黑色正电胶钻井完井液 7、新型暂堵型钻井完井液 8、无固相聚合物钻完井液,58,第二节 油基（合成基）钻井液,1.油基钻井液的基本特点 2.油包水乳化钻井液的组成和性能调节 3.平衡活度

19、油包水乳化钻井液,59,一、油基钻井液概念及相关知识1、概念 以油作为连续相（分散介质）的洗井液，称为油基钻井液。2、分类 主要分为油基和油包水乳化钻井液两大类。一般，油基钻井液中含水量小于10%，油包水乳化钻井液中含水量大于10%。3、基本组成 柴油或原油（分散介质）+氧化沥青。4、苯胺点概念 等体积的油和苯胺相互溶解时的最低温度。苯胺点越高，表明油中烷烃含量越高，芳烃含量越低。,60,二、油包水乳化钻井液（W/O）1、配制原理 水和固体稳定地分散于油中。2、乳化剂 主乳化剂+辅乳化剂。主乳化剂：决定乳状液类型和建立牢固的乳化膜的骨架基础。主乳化剂是油溶的。辅乳化剂：配合主乳化剂形成混合乳化

20、剂，提高界面膜强度和紧密程度。辅乳化剂一般是水溶的。3、乳化剂作用机理 在油/水界面形成具有一定强度的吸附膜；降低界面张力；增加外相粘度。,61,4、基本组成 基油+水相+乳化剂+润湿剂+有机土（氧化沥青）+石灰+加重材料。1）基油 一般是柴油、低毒矿物油，为连续相。2）水相 一般是淡水、盐水、海水，通常是含一定量的CaCl2或NaCl盐水，为分散相。3）乳化剂 主乳化剂+辅乳化剂。4）润湿剂 一般是使亲水性固体表面变成亲油性的表面活性剂。5）有机土（氧化沥青）有机土是由亲水膨润土与季胺类阳离子表面活性剂相互作用后制成的亲油土。有机土、氧化沥青都用作提高粘度、降失水、促进乳化。,62,6）石灰

21、 CaO（1）维持PH=8.5-10，防止钻具腐蚀；（2）提供Ca2+，形成二元金属皂，改善乳化剂效能；（3）有效阻止CO2和H2S等酸性气体对钻井液的污染。7）加重材料 一般是碳酸钙（重钙）和重晶石，用于加重。5、HLB值（Hydrophilic Liponhilic Balance）亲水亲油平衡值。6、影响油包水乳化钻井液性能的因素1）水油比2）乳化剂的品种和剂量 性 能 提粘增加水量或有机土、氧化沥青3）有机土加量 降粘增加油量、加入石油磺酸盐4）润湿反转剂的品种和数量 降滤失量使用有机土、氧化沥青5）PH 调 节 提比重加亲油加重剂6）温度、压力7）氧化沥青的使用7、破乳电压 破乳时的

22、电压称为破乳电压。W/O破乳电压较高，在400V以上，最高达1300V。,63,三、平衡活度油包水乳化钻井液 在W/O乳化钻井液基础上，应用了平衡活度概念。1、活度 用一个称为逸度（fugacity）的函数代替压力，并将盐溶液和纯水的逸度比fw/fw0定义为水的活度aw。2、平衡活度 通过适当增加水相中无机盐（CaCl2、NaCl）的浓度使钻井液和地层中水的活度保持相等，从而达到制止油浆中的水向地层运移的目的。CaCl2溶液：aw=1-5.89210-11c1.789 NaCl 溶液：aw=1-3.0010-8c1.27 C为溶液的重量百万分之一浓度（ppm）。,64,第三节 气态钻井液体系,

23、气态钻井液体系主要有：1.空气、氮气钻井液体系2.（微）泡沫钻井液体系注意氯化钾以及粘土稳定剂的使用3.雾化钻井液体系 主要用于密度小于1g/cm3的低密度钻井液体系中。由于尽量减少自由水量或无自由水，因此，对井壁稳定极为有利。,65,1、井壁稳定技术2、防漏堵漏钻井液技术3、润滑防卡技术4、储层保护技术,第三章、钻井液主要工艺技术,66,第一节 井壁稳定技术,一、井塌的原因和类型 井塌的主要原因是井壁周围的围压大于了岩石的抗张强度导致岩石破碎、剥落、掉块。1、地质原因页岩孔隙压力异常页岩里面的砂岩透镜体孔隙压力异常受构造应力的岩石局部存在高应力，发生断裂，破碎岩石胶结、充填不好,67,2、物

24、理化学原因地层中粘土矿物水化效应 泥浆滤液进入地层，泥页岩中的粘土矿物吸水后发生不均衡的水化膨胀，产生巨大的水化膨胀压，井壁岩石受力不平衡而井塌。粘土水化膨胀压力=表面水化压力+渗透水化压力。P表面水化=P覆盖-P孔隙 3、工程因素原因失水过大，泥饼质量不好。流变性不合理，紊流冲刷密度过低或过高,68,二、井壁稳定技术1）技术思路静液柱压力泥页岩的坍塌应力强化封堵尽量减少泥浆滤液进入井壁岩层或使井壁两边的水无运移。提高滤液抑制性，尽量减少侵入地层的滤液与粘土矿物发生水化反应2）防塌泥浆体系纯油基泥浆或者油基前置液，油包水乳化泥浆低失水高矿化度的水基钻井液 低失水、高矿化度、高滤液粘度、适当密度

25、、适当泥浆粘度强抑制性的水基泥浆 钾基泥浆、有机盐泥浆、甲酸钾泥浆、硅酸钾泥浆、盐水泥浆（饱和、欠饱和盐水泥奖）等。强抑制聚合物或聚磺体系聚合醇体系 仿油基聚合物体系,69,第二节 防漏堵漏钻井液工艺技术,一、井漏 钻井液在井里向地层漏失的现象。二、井漏的原因与分类原因 地层压力低于液柱压力且联通孔隙发育类型渗透性漏失、裂缝性漏失、溶洞性漏失，压裂性漏失。,70,井漏类型,71,72,三、防漏堵漏技术思路,防漏技术措施：优化流变性,降低循环摩阻；合理控制钻井液密度；加入随钻堵漏剂和非渗透材料。,总体原则：“防漏为主，堵漏为辅”技术思路：通过架桥、成塞、凝固成块的方式主动将孔、缝、洞封堵住，提高

26、地层承压能力,73,四、堵漏方法静止堵漏法降密度法、提高钻井液粘度法桥接堵漏法（钻井液中加桥塞剂）高失水堵漏法（Disier法，DTR法，重晶石段塞法）柴油-坂土法或柴油-坂土-水泥堵漏法凝固性堵漏法（水泥浆堵漏法、热固性树脂堵漏法，X-link法，MTC堵漏法）加高聚物絮凝剂、交联物（智能凝胶物ZND）堵漏法投泥球、砖块挤堵缝隙法尼龙袋+注水泥堵漏法五、堵漏工艺选择微漏或渗漏：采用随钻堵漏技术，静止堵漏法，降密度法一般性井漏：桥接堵漏，高失水堵漏；恶性反复型井漏：采用凝胶堵漏或化学凝固性堵漏技术等,74,平衡法注水泥堵漏示意图,75,循环加压挤水泥堵漏示意图,76,钻井液润滑性的主要影响因素

27、,(1)粘度、密度和固相的影响(2)滤失性、岩石条件、地下水和滤液PH值的影响(3)有机高分子处理剂的影响(4)润滑剂性能的影响,第三节 润滑防卡技术,77,卡钻的种类及应对措施,1、井壁坍塌埋钻提高密度、增强抑制封堵防塌能力2、掉块或落物硬卡提高密度、增强抑制封堵防塌能力等3、缩径卡钻泥页岩吸水膨胀缩径提高抑制性，提高密度盐层或膏盐层蠕变缩径提高密度高渗透层厚泥饼缩径降低失水改善泥浆质量，挤堵降渗透率4、压差粘附卡钻加强润滑、降低压差、降渗透率,润滑防卡技术重点,78,润滑防卡技术思路,1、条件允许的情况下尽量降低压差降低钻井液密度2、减少钻具与泥饼的接触面积调整固相粒径级配，形成薄而致密的

28、泥饼。3、降低地层渗透率阻隔压力传递主动挤堵或加入非渗透材料，形成一段极低渗透隔层。4、尽量降低摩阻系数固液相结合，通过固相隔离以及油膜滑动的方式来降低摩阻。,79,润滑机理示意图,80,超深水平井润滑防卡钻井液主要配方,非渗透-复合金属离子聚磺防卡钻井液体系 推荐配方：2.03.0%膨润土+0.10.3%聚合物增粘剂+35%抗盐钙降失水剂+35%稀释剂+35%流性调节剂+13%井壁封固剂+0.10.3%pH调节剂+0.10.3%乳化剂+1-2%非渗透处理剂+35%高效润滑剂+2-3%超细活化石墨粉+46%高效润滑油+12%高效抗磨减阻剂,81,第四节 储层保护技术,储层损害：在钻井、完井井下

29、作业及油气田开采全过程中，造成储层渗透率下降的现象。储层保护技术：认识和诊断储层损害原因及损害过程的各种手段，防止和解除储层损害的各种技术措施。储层保护的核心是有针对性地控制各种外因，使储层的内因不发生改变或改变小，从而达到保护储层的目的。,任何钻井液对储层都存在伤害，只是大小不同而已,82,储层损害原因分析：,固相侵入,液相侵入,加重剂、膨润土微粒、细颗粒钻屑等侵入储层孔喉，发生堵塞或降低孔喉宽度，从而降低渗透率,液相侵入改变储层岩石表面性质形成水相圈闭液相侵入引发“五敏”伤害,83,储层损害的室内评价,84,岩样钻取,X-射线衍 射分 析,85,储层保护技术思路：,阻止固相和液相侵入，特别

30、是防止侵入深部,侵入的固相和液相能尽可能后期返出、液相与储层矿物不发生敏感性反应,屏蔽暂堵技术,非渗透技术,防水锁技术,可酸溶解堵技术,滤液低敏感技术,高返排暂堵剂技术,86,使用屏蔽暂堵+非渗透+防水锁储层保护技术，即优质金属离子聚磺润滑防卡钻井液或MEG防油基聚磺防卡钻井液+510%酸溶性裂缝暂堵剂或者级配碳酸钙+1%非渗透处理剂+0.51%防水锁剂。,常用超深水平井储层保护钻井液配方：,87,第四章 钻井液主要处理剂及作用机理,1.粘土矿物的晶体结构及性质 2.钻井液配浆基础材料 3.无机处理剂及作用机理 4.有机处理剂及作用机理,88,第一节 粘土矿物的晶体构造与性质,粘 土：主要由粘

31、土矿物和少量非粘土矿物组成的 细粒粘滞土状物质。特点：粒度 5微米.成分：粘土矿物（蒙托石等）+非粘土矿物（石英、长石等）+胶体矿物（蛋白石等）。粘土矿物：含水的层状及层 链状铝硅酸盐总称。特点：具有相对固定的化学组成和确定的内部结构 内部格子构造。,89,粘土矿物的晶格构造和特点,常见的粘土矿物(clay minerals)高岭土（Kaolinite）蒙脱石(Montmorillonite)伊利石(illite)化学组成,90,一、粘土矿物的两种基本构造单元,1.硅氧四面体与硅氧四面体片 硅氧四面体 由一个硅原子和四个等距的氧原子组成的正四面体。硅原子在四面体的中心，氧原子在四面体的顶点。图

32、中：基底氧：四面体底面三个氧原子。顶端氧：四面体顶点一个氧原子。O-O距离：2.61埃。Si-O距离：1.61埃。,硅原子,氧原子,91,硅氧四面体片 单个四面体与若干个相邻四面体通过底面氧相连，构成平面连续的四面体晶格。四面体片特点：由SiO4彼此连接而成的Si4O10的无限重复的六方网格。所有基底氧排列在同一个平面上。所有顶端氧在另一个平面上。平面投影形成正六角形的三层空心六角环网格。四面体片在粘土中不能独立存在。,硅原子,氧原子,Si4O10 最小重复单元分子式,92,2.铝氧八面体与铝氧八面体片,铝氧（氢氧，Al O(OH)）八面体 铝原子处于正八面体中心，六个氧原子或氢氧原子处于八面

33、体顶点。图中：O-O距离：2.60埃。OH-OH距离：2.94埃。,铝原子,氢氧原子,93,铝氧（氢氧）八面体片 单个八面体与相邻的八面体通过共用晶棱连接起来，顶端和底端氧原子则构成两个平行的平面（每个八面体同相邻的六个其它八面体通过共用氧（氢氧）连接。两种八面体（片）二八面体（铝氧片）每三个八面体中心只有二个中心被Al3+、Fe3+占据（1/3空位）。三八面体（镁氧片）每三个八面体中心全被Mg3+、Fe3+充填（无空位）。,氢氧原子,铝原子,Al4(OH)12 最小重复单位分子式,94,3.晶片的结合,晶层 四面体片和八面体片沿C轴按一定比例相互重合，通过共用氧原子连接形成电中性的统一结构层

34、。晶体 许多单位晶层在C轴方向上按一定距离反复重合而成。单位晶胞 能代表晶体性质的单位层内最小物质组合。常以a、b轴范围表示其大小。C轴间距 某一晶面与相邻晶层的对应晶面间的距离。晶格取代 晶体结构中四面体的Si4+被Al3+取代,或铝氧八面体的Al3+被Fe2+、Mg2+等取代，其结果是晶体结构不变，晶体带负电。,C,a,C间距,b,95,二、几种粘土矿物的晶体构造,1.高岭石（Kaolinite)晶体结构 1：1型 单元晶层由一层四面体片和一层八面体片组成，所有硅氧四面体的尖顶都朝向八面体，通过共用氧原子连接成晶层。若干个晶层在C轴方向上层层重叠，而在a、b轴方向上连续延伸。特点 晶层间连

35、接紧密（晶层一面为“O”层，一面为“OH”层，易形成氢键。）水化分散性差，矿物较稳定。C轴间距=7.2埃。晶胞分子式：Al4Si4O10(OH)8,-6+12-10+16-12-=0,6OH4Al4O+2OH4Si6O,氧,氢氧,铝,硅,96,2.蒙脱石（Montmorillonite)晶体结构 2：1型 两层四面体片中间夹一层八面体片。每个四面体尖顶均指向中央的八面体，通过共用的氧连接成晶层。若干个晶层按一定距离在C轴方向上重叠构成晶体。晶胞分子式：Al4Si8O20(OH)4 特点 晶格取代 主要在八面体中：Mg2+Al3+补偿阳离子：Na+、Ca2+阳离子交换容量高：70-130 毫克当

36、量/100克土 水化能力强。,6O4Si4O+2OH4Al4O+2OH4Si6O,氧,氢氧,铝,硅,14埃,97,3.伊利石（illite)晶体结构 2：1型+K+晶体结构类似与蒙脱石的晶体结构。区别：A、晶格取代比蒙脱石多，且主要发 生在四面体片中。B、补偿阳离子主要为K+。C、单位晶胞电荷数比蒙脱石的高 1-1.5倍。特点A、单位晶胞电荷数高：0.6-1.8。B、单位层之间由分之间力和K+连接。C、阳离子交换容量低：CEC=20-40 meg/100g土D、水化能力弱。,氧,氢氧,铝,硅,K+,10 埃,98,三、粘土的电性,粘土晶体的电荷及其来源1.永久负电荷 构造电荷来源：晶格取代产生

37、过剩负电荷。如：四面体：Al3+Si4+；八面体：Mg2+Ai3+。特点：永久负电荷主要受晶格取代影响，不受PH影响。蒙托石的永久负电荷：主要来源于铝氧八面体，少部分来源于硅氧四面体。伊利石的永久负电荷：主要来源于硅氧四面体，少部分来源于铝氧八面体。高岭石几乎无永久负电荷。永久负电荷大小排序：伊利石蒙脱石高岭石。永久负电荷主要分布在粘土晶层层面上。,99,2.可变负电荷 表面电荷来源：晶体端面的Al OH键 例如：在碱性条件：端面吸附OH-、SiO3 2-等无机阴离子，或有机阴离子聚电解质。,Al O-.H+,OH-SiO3 2-,100,3.正电荷 表面电荷来源：当PH8时,Al O H A

38、l+OH-特点:受环境PH值影响。正电荷负电荷，因此，粘土一般带负电。,101,四、粘土的水化作用,（一）、粘土矿物的水分1.结晶水 定义：粘土矿物晶体构造的一部分。又叫结构水。特点：温度 3000C，释放出结晶水。2.吸附水（束缚水）定义：由于分之间力和静电引力吸附极性水分子而在粘土表面上形成的一层水化膜。特点：温度1100C，释放出吸附水。包括：薄膜水、毛细管水、胶体水。3.自由水定义：粘土颗粒孔隙或孔道中存在的水。,102,（二）、粘土的水化和水化膨胀1.几个名称概念粘土水化 粘土矿物遇水后，在其颗粒表面吸附水分子形成水化膜的过程。粘土膨胀 水分子进入粘土矿物晶层间，其体积由小变大的过程

39、。粘土分散 水分子进入粘土矿物晶层间，使粘土由大颗粒变为小颗粒的过程。粘土收缩 在高温作用下，粘土矿物吸附的水分子逐渐蒸发，其体积由大变小的过程。,103,2.引起粘土矿物水化的原因 靠静电吸附水分子产生水化 靠氢键吸附水分子产生水化,104,3.粘土水化的过程两个水化过程：表面水化和渗透水化。表面水化定 义：粘土矿物晶层表面吸附水分子和补偿阳离子吸附水 分子、增大晶层间距的过程。影响因素：影响表面水化膨胀的三种力：a.晶层间的范德华力；b.水化能；c.晶层间的静电引力。,105,表面水化特点：主要推动力：表面水化能（水的吸附能）。表面吸附的水分子只有两个水分子厚度，体积膨胀小。产生的膨胀压大

40、（2000-4000kg/cm2)。,106,渗透水化 特点：主要推动力：双电层斥力。体积膨胀大。膨胀压较小。,107,4.影响粘土水化膨胀的因素,(1)因粘土晶体的部位不同，水化膜的厚度 也不相同。(2)粘土矿物不同，水化作用的强弱也不同。(3)因粘土吸附的交换性阳离子不同，其水 化程度有很大差别(如钙蒙脱石，钠蒙脱石，见下 图)。,108,109,五、粘土 水悬浮体的稳定性,（一）、电动现象莱斯实验 实验中观察到两个现象：粘土颗粒通过细砂层向阳极移动，并沉积起来。水通过粘土团块的毛细管向阴极流动。总结这两种实验现象，得到两个概念：电泳：在电场作用下，分散相微粒在介质中向某一电极移动的现象。

41、电渗：在电场作用下，液体对固定的带电荷的固体表面作相对运动的现象。显然，电泳和电渗都是外加直流电场于胶体体系引起的运动现象。,莱斯实验装置,土粒,水,电泳,电渗,+,-,110,（二）、界面双电层1.胶体颗粒扩散双电层胶粒周围带有电荷后，会出现如下现象：反离子扩散分布于胶粒周围，形成扩散双电层。扩散双电层结构 扩散双电层 从固体表面到过剩反离子为零处。吸附层 固体表面紧密吸引着的部分反离子所构成。扩散层其余反离子扩散地分布在液相中所构成。滑动面 吸附层与扩散层错开的界面。胶核：固体表面 胶粒：胶核+吸附层,扩散双电层结构,-,滑动面,吸附层,扩散层,距离,粘土,111,离子的分布 双电层内既有

42、同号离子，又有反离子，其分布如右图所示。双电层电荷必须平衡。,离子分布,反离子,过剩反离子,同号离子,0,X,n,n0,112,2.双电层中的电势（位）表面电势 定义：从固体表面到均匀液相内的电势降。特点：固体表面电势最大。表面电势随离表面距离的增大而大致依指数关系降低。电动电势定义：从滑动面到均匀液相的电势降。特点：胶粒带电越多，电位越高。大小取决于吸附层内的静电荷数。,0,x,0,113,电势方程式 赫斯公式(Helmhohz Smoluchouski)对于片状离子：=(4v/DE)3002对 于 球 离 子：=(6v/DE)3002 式中：介质粘度；v 电泳速度；E 电位梯度；D 液体介

43、电常数,114,3.电解质对电位的影响 电解质压缩双电层作用 电泳实验表明，任何电解质加入，都要影响电泳速度，从而影响电位值。,1=2,1,2,0,x,电解质压缩恒定表面电势双电层,1 2,1,2,0,x,电介质压缩恒定表面电荷双电层,115,恒定表面电势型双电层 吸附定势离子产生的。其表面电势由定势离子浓度决定，基本上不受其它电介质浓度的影响，所以其表面电势不变。恒定表面电荷型双电层 由内部晶格不完整性引起的。其表面电荷由晶格内部的不完整性决定，与电解质浓度无关。总之，这两种双电层均受电介质压缩，电位要降低。电解质压缩双电层机理：加入电介质 正负离子浓度增加 过剩反离子受阻 扩散层减薄 电位

44、降低。,116,影响因素反离子浓度：浓度越高 压缩越多 电位降低越多。反离子价数：价数越高压缩越多 电位降低越多。反离子对恒表面电势型双电层影响,117,等电态 电势等于零，胶粒不带电，电泳、电渗速度为零的状态。再带电现象 高价反离子进入吸附层，使电势改变符号的现象。此时，胶粒电荷反号，电泳方向改变。,电解质浓度对电势的影响,-,x,1,2,电势+,等电点,118,胶团结构胶粒胶核+吸附层胶团胶粒+扩散层其中：胶核：由许多分散相分之、原子和离子构成，一般具有晶体结构。胶粒：胶核和吸附层沿滑动面与扩散层分开，但一起运动，带有电荷。胶团：由胶粒与扩散层中的反离子构成。胶团为电中性的，分散在液体介质

45、中便是溶胶。例如：粘土胶团（蒙托石）结构：m(Al 3.34 Mg 0.66)(Si8O20)(OH)4 0.66mx(0.66m-x)Na+x-xNa+,胶核,胶粒,胶团,粘土胶团结构图,119,.粘土 水悬浮体的稳定性,粘土 水悬浮体稳定性的概念 沉降稳定性 聚结稳定性沉降稳定性：在重力作用下，分散相粒子是否容易下沉的性质。聚结稳定性：分散相粒子是否容易自动聚结变大（自动降低分散度）的性质。两种稳定性的关系：因为：分散相粒子自动聚结变大 重量加大 粒子下沉 体 系失去沉降稳定性。所以：聚结稳定性是根本的。,120,影响沉降稳定性的因素 Stocks 沉降速度公式：式中，r 粒子半径；分散介

46、质粘度；粒子密度；0 分散介质密度。从上式可见，影响沉降速度v的因素为：r、0。说明：Stocks 沉降速度公式没有考虑钻井液凝胶强度的悬浮作用。,121,第二节 钻井液配浆基础材料,1.粘土类膨润土膨润土在淡水钻井液中具有以下作用：(1)增加粘度和切力，提高井眼净化能力(2)形成低渗透率的致密泥饼，降低滤失量；(3)对于胶结不良的地层，可改善井眼的稳定性；(4)防止井漏。有机土有机土是由膨润土经季铵盐类阳离子表面活性剂处理而制成的亲油膨润土 海泡石、凹凸棒石、坡缕缟石,122,2.加重材料 用于提高钻井液密度的物质材料。要求：密度大、耐磨损、不增粘。(1)重晶石粉(2)石灰石粉(3)铁矿粉和

47、钛铁矿粉(4)方铅矿粉3.配浆水和油,123,常 见 固 体 加 重 材 料 的 物 化 性 质材料名称 化学成分 密度g/cm3 硬度 酸溶性 重晶石 BaSO4 4.0 4.5 2.5 3.5 难溶 赤铁矿 Fe2O3 4.9 5.3 5.5 6.5 溶 方铅矿 PbS 7.4 7.7 2.5 2.7 溶 菱铁矿 FeCO3 3.7 3.9 3.5 4.0 溶 钛铁矿 FeTIO3 4.6 5.0 5.0 6.0 溶 石灰石 CaCO3 2.6 2.8 3 溶 磁铁矿 Fe3O4 5.0 5.2 5.5 6.5 溶,124,一、常用的无机处理剂1.纯碱2.烧碱3.石灰4.石膏5.氯化钙6.

48、氯化钠7.氯化钾8.硅酸钠9.重铬酸钠和重铬酸钾10.酸式焦磷酸钠和六偏磷酸钠11.混和金属层状氢氧化物,第三节 无机处理剂,125,二、无机处理剂的作用机理,1.离子交换吸附 主要是粘土颗粒表面的Na与Ca之间的交换。2.调控钻井液中的PH值 3.沉淀作用 4.络合作用 5.与有机处理盐生成可溶性盐 6.抑制溶解的作用,126,有机处理剂主要种类：稀释剂 增粘剂 降失水剂 絮凝剂 润滑剂 防塌剂 堵漏剂 乳化剂 消泡剂 缓蚀剂,第四节 有机处理剂,127,1.钻井液稠化原因 由于粘土颗粒表面与端面性质不同：带电情况不同 表面带负电，端面带正电。水化程度不同 表面水化膜厚，端面水化膜薄。,Al

49、+,Si+,一、稀释剂（又称解絮凝剂）,128,钻井液稠化原因：当钻井液中固相含量高和外界污染改变粘土表面性质时，极易形成：边 边、边 面联结的空间网架结构，从而造成：钻井液结构粘度增加；网状结构包裹大量自由水，流动阻力增加。,129,2.稀释剂稀释机理 稀释剂分子通过（静电吸附、配位键吸附）吸附在粘土颗粒端面上，改变端面性质，拆散网架结构，从而降低钻井液结构粘度。具体方法为：使端面反号 由带正电性端面转变为负电性端面。即：正负相吸 负负相斥,+,-,-,-,-,-,-,-,-,130,增强端面水化膜厚度 吸附基吸附在粘土颗粒端面上，水化基给端面带来丰厚的水化层，削弱边-边、边-面连接，拆散了

50、网架结构，同时放出自由水，使粘度降低。,131,稀释剂作用特点 作用于端面，拆散网状结构。用量少、效果显著（因为端面少）。降失水与稀释作用有时相一致，有时不同。主要降低 0、s、，不降 s。,132,3.常见稀释剂 单宁酸钠（NaT）磺甲基单宁（SMT）铁铬木质素磺酸盐(FCLS)两性离子聚合物稀释剂（XY-27）有机硅稀释剂 硅氟稀释剂 硅醇稀释剂 磺化苯乙烯-马来酸酐共聚物稀释剂,133,铁铬木质素磺酸盐(FCLS)的使用 通常配制成碱液使用。FCLS碱液的配制FCLS:NaOH=3 5:1（FCLS+NaOH）/（FCLS+NaOH）混合碱液=1/5或1/10,134,二、降失水剂（护胶