钻井液工艺原理.ppt

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1、钻井液工艺原理油田化学系孙明波,2,钻井液的定义：,狭义钻井液：粘土以小颗粒状态(2um)分散在水中所形成的溶胶。(泥浆 mud)广义 钻 井 液：凡钻进中一切有助于从井眼产生和清除钻屑的流体（液、气、液+气）。(drilling fluid),3,钻井液的主要功能,冷却润滑钻头,地层压力,钻井液压力,钻井液,井壁,平衡地层压力：选择合适的钻井液密度，使钻井液液柱压力与地层压力相平衡，防止井喷、井漏、井壁坍塌。,第一章 平衡地层压力与钻井液密度,一、钻井液密度的确定 三个压力剖面：坍塌压力Pc 破裂压力Pr 孔隙压力Pp 一般情况下：坍塌压力Pc 钻井液密度破裂压力Pr 钻井液密度 孔隙压力P

2、p,实例1：1M1井地层压力预测数据,地层压力预测结果说明(1)孔隙压力馆陶组地层孔隙压力为0.98g/cm31.02g/cm3（当量钻井液密度，下同），东营组为0.99g/cm31.04g/cm3，沙二段为1.00g/cm31.04g/cm3，沙三段为0.96g/cm31.01g/cm3。(2)坍塌压力馆陶组地层坍塌压力为1.08g/cm31.15g/cm3，东营组为1.10g/cm31.22g/cm3，沙二段为1.14g/cm31.22g/cm3，沙三段为1.061.20g/cm3。(3)破裂压力馆陶组地层破裂压力最低为1.60g/cm3，东营组最低为1.62g/cm3，沙二段最低为1.6

3、8 g/cm3，沙三段最低为1.67g/cm3。,实例2：地层压力预测结果表,特殊情况下：1、易发生井漏的地层：裂缝、孔隙发育，孔隙压力低。适当降低钻井液密度，采取堵漏措施。2、蠕变地层：盐膏层、软泥岩地层：提高钻井液密度，采取短起下、划眼等措施。3、多套压力系数地层：“上吐下泻”根据地层情况调整钻井液密度。4、坍塌压力曲线与破裂压力曲线重合，无钻井液密度窗口：钻井液密度平衡坍塌压力，采取强化封堵措施，形成人工井壁。,二、钻井液密度与井底压力1、钻井液不循环：井底压力=钻井液液柱压力2、钻井液循环：循环压耗与循环当量密度 井底压力=泵压+钻井液液柱压力-钻具内压耗（摩阻）=钻井液液柱压力+环空

4、压耗+流速压头,三、钻井液密度与井下温度、压力的关系1、温度的影响随着温度升高，钻井液膨胀，密度降低。温度对油基钻井液的影响更大。计算实际井底压力时，需考虑温度的影响。2、压力的影响对水基钻井液，压力影响较小；对油基钻井液，压力影响较大。,四、不同钻井液密度的划分1、低密度体系：一般指钻井液密度1.0g/cm3。使用范围：低密度钻井液主要应用于孔隙压力极低的情况下，如低压储层或易发生井漏的地层。常见体系：气体钻井、泡沫钻井液、混油钻井液、油基钻井液、充气钻井液、漂 珠钻井液等。2、常规密度钻井液：一般指钻井液密度为1.01.5g/cm3。3、高密度钻井液：一般指钻井液密度1.5g/cm3。使用

5、范围：高密度钻井液主要应用于孔隙压力、坍塌压力较高，或蠕变地层。常见体系：固体加重钻井液、液体加重钻井液。,五、与钻井液密度相关的技术难点1、低密度体系主要问题：气体钻井之后体系转化问题；泡沫钻井液稳定性问题。2、高密度体系主要问题：固体加重体系流变性和沉降稳定性问题；液体加重钻井液的腐蚀问题和成本问题。,六、常用的钻井液加重材料 加重材料又称加重剂，由不溶于水的惰性物质经研磨加工制备而成。为了对付高压地层和稳定井壁，需将其添加到钻井液中以提高钻井液的密度。加重材料应具备的条件是自身的密度大，磨损性小，易粉碎；并且应属于惰性物质，既不溶于钻井液，也不与钻井液中的其它组分发生相互作用。钻井液的常

6、用加重材料有以下几种：(1)重晶石粉 重晶石粉是一种以BaSO4为主要成分的天然矿石，经过机械加工后而制成的灰白色粉末状产品。按照API标准，其密度应达到4.2g/cm3，粉末细度要求通过200目筛网时的筛余量3.0。重晶石粉一般用于加重密度不超过2.30 g/cm3的水基和油基钻井液，它是目前应用最广泛的一种钻井液加重剂。,(2)石灰石粉(Limestone)石灰石粉的主要成分为CaCO3，密度为2.72.9 g/cm3。易与盐酸等无机酸类发生反应，生成CO2、H2O和可溶性盐，因而适于在非酸敏性而又需进行酸化作业的产层中使用，以减轻钻井液对产层的损害。但由于其密度较低，一般只能用于配制密度

7、不超过1.68 g/cm3 的钻井液和完井液。(3)铁矿粉(Hematite)和钛铁矿粉(Ilmenite)前者的主要成分为Fe2O3，密度4.95.3 g/cm3；后者的主要成分为TiO2Fe2O3，密度4.55.1 g/cm3。均为棕色或黑褐色粉末。因它们的密度均大于重晶石，故可用于配制密度更高的钻井液。此外，由于铁矿粉和钛铁矿粉均具有一定的酸溶性，因此可应用于需进行酸化的产层。由于这两种加重材料的硬度约为重晶石的两倍，因此耐研磨，在使用中颗粒尺寸保持较好，损耗率较低。但另一方面，对钻具、钻头和泥浆泵的磨损也较为严重。在我国，铁矿粉是用量仅次于重晶石的钻井液加重材料。,(4)方铅矿粉(Ga

8、lena)方铅矿粉是一种主要成分为PbS的天然矿石粉末，一般呈黑褐色。由于其密度高达7.47.7 g/cm3，因而可用于配制超高密度钻井液，以控制地层出现异常高压。由于该加重剂的成本高、货源少，一般仅限于在地层孔隙压力极高的特殊情况下使用。如我国滇黔桂石油勘探局在官-3井使用方铅矿，配制出密度为3.0g/cm3的超高密度钻井液。,第二章 稳定井壁与钻井液防塌功能,第一节 基本概念,一、井壁稳定性及其影响因素1、井壁稳定性定义：井壁保持原始状态（物理、化学）的能力井壁不稳定现象：井塌：井壁岩石剥落掉块，井径扩大缩径：高压层或易水化膨胀地层，井径缩小压裂地层：钻井液循环压力大于地层破裂压力,2、井

9、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（2）钻井工程因素井内激动压力过大钻井液对井壁的冲刷作用钻具对井壁的碰撞井内液柱压力大副度降低（3）物理化学因素泥页岩地层与钻井液接触后导致的不稳定原因膨胀性粘土，水化膨胀缩井非膨胀性粘土，剥落坍塌,二、井壁不稳定性应付对策1、地质因素引起：适当提高钻井液密度2、钻井工程因素引起：改进钻井工艺3、物理化学因素引起：改进钻井液性能，加入防塌剂,是解决井壁不稳定的钻井、泥浆技术。它是我们具有丰富经验并能较好解决生产问题的系列配套技术，但同时又是我们并未能完全掌握而时常碰到的技术难题。,三、井壁稳

10、定技术,井眼形成后，地应力在井壁上的二次分布所产生的指向井内引起井壁岩石向井内移动的应力，称为井壁坍塌应力。P塌0。P塌一旦产生（P塌0）井壁岩石必然逐渐掉（挤）入井中（垮塌）。钻井过程中P塌可以（也只能）用井内泥浆柱压力有效平衡：P泥P塌则井壁保护稳定。,井壁坍塌应（压）力：P塌,P塌与地应力方向和大小、岩石的力学性质、岩体强度、强度（破坏）准则有关；与岩石物性（渗透率、裂缝发育状态、界面润湿性）、地层流体组成性质有关；与地层流体压力、岩石组成、产状及水化状态有关；与井眼状态（斜度、方位）等因素有关；与泥浆类型、组份性能、泥浆柱压力有关。,井壁坍塌应（压）力：P塌,一般情况下，人们常把井壁稳

11、定问题主要分成二大类：水敏性地层的井壁稳定问题破碎性地层的井壁稳定问题而对地应力异常及塑性地层（软泥岩、纯盐层）的井壁稳定问题不划归此列。,井壁坍塌应（压）力：P塌,第二节 页岩的组成与分类,一、基本概念 在地层里，粘土并不是单独存在的，而多数是夹杂在页岩里。在钻井过程中，页岩是经常会遇到的一种岩层，所以对页岩应该引起足够的重视。页岩是在海相盆地里埋藏若干地质年代的沉积岩，其组成通常为石英、长石、方角石和一些不同比例的粘土成分。水敏性粘土成分即蒙脱石、伊利石及其混晶结构页岩总重量的2030%，这是造成页岩复杂问题的主要原因。,大多数页岩，特别是形成年代较久的一些页岩，由于时间的推移、压力和温度

12、的变化，其物理性质和矿物学特性发生了很大的变化，然而，仍然用“页岩”这个名字来笼统地称呼从粘土质（极易与水发生作用）到板岩（它是完全惰性的）那种岩性坚硬的各种泥石质的物质。当与钻井液接触时，它们的行为可能完全不同。,二、页岩的分类 因为页岩的概念是很笼统的，所以有必要对页岩进行较为详细的分类。曾经有人根据各种页岩吸水后的行为不同划分为易塌页岩、膨胀页岩、胶态页岩、塑性页岩，剥落页岩和脆性页岩等。为研究页岩稳定问题，对页岩进行了许多研究工作，分析了大量页岩的物理、化学、岩性、地质力学等性质，取得了大量数据，发现页岩中的粘土含量（特别是蒙脱石的含量）、密度、含水量和水分含盐量等对页岩的吸水以及其吸

13、水后的行为有密切的关系。密度越高，蒙脱石的含量越高，含水量越低，水中含盐量越高，则越易水化膨胀。蒙脱石的含量高的页岩易吸水膨胀，而伊利石、绿泥石含量高的页岩则易吸水裂解和剥落。,对不稳定页岩已经提出过各种分类方法，最容易理解和最有实际意义的是由奥布赖恩（OBrien）和切奈副弗特(Chenevert)发表的分类方法（表1-5）。此方法根据粘土含量，强度、基岩特性以及水化和分散趋势，把页岩划分为五类。,表15不稳定页岩的分类方法,在进行页岩分类的时候，把粘土中绿泥石成分考虑在内是有帮助的。因为这些粘土虽然只是稍微膨胀和基本上不分散，但却能改变页岩的全部行为。这样分类有利于讨论在每种具体条件下应使

14、用钻井液类型。,由表1-5可以看出，第一类包括主要是蒙脱石和一些伊利石的软页岩，活性很强，极易水化，有较强的水化和分散作用；第二类包括蒙脱石和伊利石含量都很高的其它软页岩。在这类页岩中，粘土的总含量特别高，膨胀程度很大，分散低于第一类。第三类和第五类一般为硬页岩。第三类包括以其坍塌趋势著称的中硬页岩，它们表现出大量的膨胀，而仅为中等程度的分散。,第三类和是易坍塌的硬页岩，其中伊利石和绿泥石组成全部粘土成分，约占页岩总量的20%。第三类和第四类包括了容易造成井下复杂问题的大多数页岩。第五类为极硬的页岩，其中一些是具有微裂缝的基岩，与水接触时很少分散或不分散性，利石含量很高，并有一些绿泥石。由于这

15、种页岩水分沿微裂缝的侵入，引起微裂缝中伊利石的水化，从而加速页岩的剥落和呈现不稳定性。,最简单的分类方法是由达利（Darley）提出的，他认为：区分各种页岩的唯一特征是其在水中的分散性。但是，实际上不稳定页岩可以根据其破坏机理大致地分为水化和分散的页岩、脆性页岩以及高压页岩。,1、水化和分散的页岩 虽然水化和分散的页岩都受其中粘土的种类和含量的影响，但是，它们是有差别的。水化是由两种机理引起的：表面水化和渗透水化。表面水化是由于粘土颗粒表面上有若干水分子层的吸附，使压实的粘土颗粒间略有膨胀；渗透水化主要是由于粘土颗粒内离子表面吸水引起的晶体构造本身的膨胀。,2、脆性页岩 脆性页岩表面看来是相当

16、坚硬和稳定的，但是，当放在水中时，则逐渐变成碎块，不过碎块在水中并不软化或膨胀。脆性页岩的不稳定性可能是由如下任何一种机理引起的：页岩可能是由于结构内的微裂缝表面、层面和解离面水化而软化，然后，较大的页岩碎块掉入井内；当少量粘土被完全不膨胀的石英或长石基岩包围时，甚至粘土的少量水化将产生很高的膨胀压差，使地层变得不稳定。,3、高压页岩 高压页岩的膨胀机理与以上两种不同，纯属于物理作用。它是由于井壁的剥落或塑性变形造成破坏的。高压页岩是普遍从在的，也是造成井壁不稳定的重要因素。,三、页岩的实验室测定方法 一种特殊的钻井液在现场推广使用之前，必须对面临的页岩进行实验室测定，以便对不稳定页岩进行分类

17、。现将实验室测定不稳定页岩在钻井液中的行为的主要方法简要介绍如下。1、目检法 目检法虽然不是定量的方法，但是，它可以检查页岩的硬度、微裂缝和层面，帮助确定问题。,2、x射线衍射分析法 此方法能够确定页岩中各种矿物的相对百分含量。往往是根据粘土的种类和含量来决定应该采用的钻井液。3、阳离子交换容量测定 阳离子交换容量测定是用亚甲基蓝测定有效粘土的相对含量。该方法与钻井液测定方法中估计膨润土含量的方法相类似。,4、页岩活度测定 用湿度计最容易测定页岩活度，把页岩样品封闭在一个饼子里，当样品与大气达到平衡状态时，测定大气的相对湿度，然后根据相对湿度确定岩屑活度。5、膨胀性能测定 膨胀性能测定是把页岩

18、压碎，在制成小球，然后再把页岩球放入各种钻井液里，测定其相对平整程度。,6、分散性测定 简单地把页岩放在不同的钻井液里，记录它们的行为变化，即可估计其分散趋势。定量的测定方法是小页岩球放在不同的钻井液里进行高温（70）滚动一夜，然后用标准套筛将其泥浆进行湿筛，每号筛上的残留百分数即可表示其分散特性。7、三维压力测定 这是一个及好的测定方法，但是，成本很高，测定时把预先制好的页岩样品装在特殊的容器里，再放在三维压力仪里，然后通过的小孔，用不同的钻井液里循环。通过该程序能近似地模拟井底条件。,第三节 井壁稳定技术,主要指泥、页岩地层、钻井实施中井壁稳定问题。它们占80%。1、坍塌应力P塌由地应力、

19、地层岩石力学性质、岩石强度、地层流体压力、井眼状态（井斜、方位）等因素确定，以上因素一旦确定，井眼一形成P塌即是一确定的值。同时，此P塌将因受泥浆作用而增加。,（一）水敏性地层的井壁稳定,2.泥浆对P塌的影响 泥浆引起页岩中粘土水化。此水化作用导致P塌增加：引起水化作用的内在因素（岩石方面）粘土水化产生膨胀压（P膨）此膨胀直接转化为P塌：粘土表面水化：P膨404000大气压（400MPa)粘土渗透水化：P膨几100大气压(10MPa),（一）水敏性地层的井壁稳定,（一）水敏性地层的井壁稳定,粘土水化（特别是渗透水化）大大改变岩石力学性质（刚性下降，塑性增加），使P塌上升。粘土水化大大降低页岩强

20、度，从而使P塌上升此影响受页岩矿物组成、结构、产状及地层水状态的影响。其中主要是粘土矿物的种类、含量、存在状态以及原始水化状态（即粘土实际水化状态、地层水矿化）是决定P塌产生及大小的内在因素。,（一）水敏性地层的井壁稳定,引起页岩水化作用的泥浆因素（外在因素、人力可控因素）：泥浆水相进入页岩地层：推动力：正压差：P泥P地0泥浆水相（滤液）进入地层；页岩亲水表面引起的毛管附加压力P加0，泥浆水相进入地层；化学势（渗透压）：泥浆中水的活度岩石中粘土水化水的活度。,（一）水敏性地层的井壁稳定,进入地层的泥浆水相引起粘土表面水化或渗透水化由于其水化程度大小由泥浆水化能力或抑制水化能力所决定。其水化程度

21、可在0（完全不水化）极大（完全水化分散）之间变化。因此而引起P塌的增加。相当于密度增加02（依地层组成、埋深等因素变化）。水化引起岩石力学性质及强度的变化使P塌进一步上升。,（一）水敏性地层的井壁稳定,理论和实践证明，在一般情况下（地应力正常、地层倾角小、页岩埋藏深度不太大、地层不破碎），P塌通常为0。但经泥浆作用后，P塌可以上升到12（当量密度）,（一）水敏性地层的井壁稳定,3.水敏地层的防塌泥浆技术 技术要点 全过程保持合理的泥浆密度，确保P泥P塌 减少泥浆液相对地层的渗入：P泥接近等于或低于P地P0改变岩石表面润湿性：使P加0或P加0（油基泥浆或使用阳离子表活剂）泥浆矿化度高于地层水矿化

22、度，使泥地改善泥浆造壁性：改善泥饼质量，降低泥浆失水封堵、阻断地层中泥浆水相流动通道,（一）水敏性地层的井壁稳定,提高泥浆水化抑制能力泥浆抑制能力：抑制水化能力 抑制水化膨胀、分散能力抑制水化能力：加入处理剂（以电解质为主）降低泥浆中水相活度a水至小于地层粘土的a水，从而消除或减少粘土表面水化和渗透水化。,（一）水敏性地层的井壁稳定,当前存在的主要问题 P塌的确定不准确由各种井壁应力分布模型和相应的实验测定方法可以确定出P塌。但若考虑到水化作用的各种影响而改变后的P塌至今没有一个得到公认的办法。得不到具体一口井井下实际的P塌。,（一）水敏性地层的井壁稳定,客观准确反映井壁稳定技术的评价方法不过

23、关目前常用的方法有岩心浸泡、滚动回收、SSI值测定。都不能很好反映其实质。而必须应该有的 粘土水化（去水化）程度。水化（去水化）程度引起岩石力学性质、岩石强度变化情况。泥浆及其组份水化抑制性强弱的评价方法至今尚未建立。因此现有防塌泥浆处理剂及泥浆体系的防塌能力的评价仍不够准确。,（一）水敏性地层的井壁稳定,技术观念要进一步更新泥浆增加P塌。不同泥浆增加幅度不同。由现场井下实际情况总结出的P塌一般都偏大失水低未必就是好的防塌泥浆这类地层的封堵是指封堵剂渗入页岩微细孔道后对它的堵塞（不可能是泥浆中固相粒子造成）KCl、CaCl2、聚合物体系的抑制性达不到要求。,（一）水敏性地层的井壁稳定,高效抑制

24、泥浆体系并未建立常用抑制剂(KCl、CaCl2、MMH、阳离子、高分子聚合物)抑制性不足泥浆抑制性与泥浆性能之间的矛盾未能根本解决，其兼顾协调结果使抑制性被削弱。,（一）水敏性地层的井壁稳定,防塌泥浆技术新进展（在原有技术基础上）：有针对性的评价方法。水化程度、水化程度与岩石力学性质、强度关系、泥浆抑制水化能力评价以及特殊封堵评价等方法已在建立。泥浆作用引起P塌增加的测定和计算方法已在建立室内测试与理论计算数值模拟工程测井：测定井下页岩实际P塌,（一）水敏性地层的井壁稳定,高效抑制泥浆体系可能解决有机酸盐泥浆体系：用机机酸盐（如 HCOOK、HCOONa)代替无机盐（NaCl、CaCl）。,（

25、一）水敏性地层的井壁稳定,HCOOK、HCOONa 等甲酸盐溶解度大，可配成浓度很高活度很低的溶液。以它作水相建立的泥浆可有效抑制井下地层常见的各种水化。而且有机酸盐对泥浆性能的破坏作用较大地低于同浓度的无机盐。因此，建立泥浆体系、维持泥浆性能比较容易，对其抑制性的降低不大。从而使泥浆抑制性的整体水平有较大提高。若再配合其它办法比如与乙二醇、聚合物配合使用，则有可能得到抑制性完全满足钻井需要的新泥浆体系。,（一）水敏性地层的井壁稳定,可有效阻断页岩内微细孔道 利用具有浊点的水溶性聚合物例如各类聚合醇（聚乙二醇、聚乙氧基短链醇、聚丙氧基短链醇），它可提高泥浆抑制性，增强聚合物温度稳定性，提高处理

26、剂效能，降低失水，而最有效的是随着溶液进入地层微孔后温度上升，达到或超过其浊点温度而析出有效堵塞孔道。（用量较大3%10%）,（一）水敏性地层的井壁稳定,因此，以有机酸盐聚乙二醇为水相建立的泥浆体系或在现有防塌体系中引入HCOOK、聚乙二醇等加以改造，就完全有可能获得比现有防塌体系好得多的泥浆体系。再配合现有成功的防塌技术和新建的评价方法则有可能使对付水敏性地层的井壁不稳定问题的系列配套技术上一个新的台阶。,（二）破碎性地层的井壁稳定,受构造应力原本破碎的地层（完全破碎、大量裂缝）以及在井眼形成后在上覆压力作用下产生破碎的地层（深部白云岩、硬碎性页岩、煤层等）为破碎性地层（大量微型裂缝存在）。

27、P塌由地应力、岩石本体力学性质、岩石本体强度、岩体结构面（弱面）的密度（包括裂缝密度）、弱面间摩擦力以及井眼状态所决定。泥浆要严重影响P塌的大小。,（二）破碎性地层的井壁稳定,1.泥浆对P塌的影响 泥浆对岩石的水化作用同样影响P塌，其影响规律同于水敏性页岩地层。但由于通常这类地层水化能力很弱，其影响占次要地位，不作专门讨论。,（二）破碎性地层的井壁稳定,泥浆或泥浆滤液进入地层裂缝引起P塌上升:进入推动力：正压差：P泥P地 引起泥浆或滤液进入裂缝，特别是当泥，将裂缝压开后更为严重。毛管附加压力：地层表面亲水，将自动吸水，阻止油的进入地层表面亲油，将自动吸油，阻止水的进入,（二）破碎性地层的井壁稳

28、定,作用机理泥浆或滤液进入裂缝，使裂缝张开，同时大大降低缝面间摩擦力，使P塌大幅度上升。对于破碎性地层一般P塌0，即必须用泥浆柱压力P泥P塌来平衡才能保证稳定。因此遇到井塌必须提高泥浆密度。但只有当裂缝完全都是闭合时，P泥才能起到稳定井壁（防塌）作用，若裂缝不能完全闭合，或提高密度而使裂缝开启则会出现以下问题。,（二）破碎性地层的井壁稳定,（A）泥浆或滤液渗入地层其推动压力来源于P泥，则P泥中只有一部份（称为有效压力 P有效=P泥-P渗）用来平衡P塌。因此，若不能阻止泥浆渗入裂缝，提高P泥未必就对防塌有好处。可能引起P有效反而下降，对于严重破碎的地层甚至降为0。即此时提高泥浆密度可能适得其反。

29、（B）泥浆液相进入地层胀开裂缝，降低弱面摩擦力使P塌上升。泥浆进入愈多进入愈深，P塌上升愈多。,（二）破碎性地层的井壁稳定,现象与规律若不能有效封堵住裂缝阻断泥浆液相进入裂缝，则不能防塌。与泥浆类型无关；油基泥浆、水基泥浆效果一样。提高泥浆密度不起作用反而密度愈高，井塌愈凶，甚至形成恶性循环。从钻进这类地层经验中总结的地层P塌一般偏高较多。若有水化作用，二者叠加，问题更为复杂。,（二）破碎性地层的井壁稳定,2.泥浆防塌技术 技术要点 在现有防塌技术的基础上特别强调 有效封堵 在井壁表层很浅(深度小于地层破碎块的尺寸)的地方很快(形成井壁的同时)形成渗透率为0的封堵层。,（二）破碎性地层的井壁稳

30、定,A.物理化学封堵 亲水的地层用油基泥浆：毛管压力阻止泥浆进入裂缝。设：ow=50dyncm-1，地层完全亲水：,（二）破碎性地层的井壁稳定,B.泥浆封堵作用:(对地层的封堵不是泥浆泥饼)封堵机理：固相粒子裂缝上架桥，变缝为孔，孔上架桥逐级填充，最后变形粒子填死。关键因素：裂缝架桥粒子的形状与级配(与裂缝匹配)变形粒子的粒度与软化点。(无萤光),（二）破碎性地层的井壁稳定,泥浆封堵能力的评价装置、方法和标准目前正在建立封堵剂架桥粒子：纤维状的各级粒子变形粒子：粒度中值，2-5，不同软化 点的塑性粒子（探井还需无萤光）。,（二）破碎性地层的井壁稳定,合理泥浆密度 由三个因素决定：由地应力和岩石

31、力学因素与地层流体压力决定的P塌由地层粘土水化作用和泥浆抑制水化能力决定的P塌的增加由泥浆的封堵能力所决定的P塌,（二）破碎性地层的井壁稳定,破碎地层防塌泥浆体系现有的各类泥浆体系均有可能形成有效的防塌泥浆体系。用泥浆抑制水化能力和封堵能力的评价方法和评价标准，指导泥浆抑制剂、封堵剂的选择。用已有的泥浆技术和成功经验完成泥浆处理剂的选择、各种性能调节、控制，最终建立起相应的泥浆体系。,（三）小结,目前，防塌泥浆技术的发展是建立在现有防塌泥浆体系及防塌钻井、泥浆应用配套技术的基础上：定量评价泥浆抑制水化能力、封堵方式和封堵能力的基础上合理确定泥浆密度（有利于防塌、有利于钻井的其它作业）；,（三）

32、小结,以能反映井下实际情况的泥浆抑制水化能力评价方法和标准为指导，合理选择抑制剂；有机酸盐、聚乙二醇等是近年来新发展的抑制剂。以泥浆封堵能力(各类)的评价标准和评价方法指导泥浆封堵技术和封堵剂的选择；(聚乙二醇对页岩中微孔的堵塞是近年的一个突破)。,（三）小结,以现有泥浆理论和技术建立泥浆体系。与钻井工程密切配合形成有效的钻井、泥浆防塌技术。油基泥浆：抑制性好，则封堵方式及封堵能力是重点。水基泥浆：抑制性和封堵能力同样重要。,三、高温深井水基重泥浆流变性的控制与调整,三、高温深井水基重泥浆流变性的控制与调整,（一）深井高温深井水基重泥浆的重要性能中流变性控制仍是目前泥浆技术未能很好解决的重大技

33、术难题,1.深井高温水基重泥浆流变性的主要表现,流变性的高温稳定性：高温后增稠：泥浆经高温后粘度、切力增加，直至丧失流动性（高温后胶凝、高温固化）；,1.深井高温水基重泥浆流变性的主要表现,表现：泥浆经井下循环使用后粘度不断增加（严重时流不动），降粘剂效果愈来愈小，直至失效。带来的问题：井愈深，温度愈高，使用时间愈长，泥浆愈重(密度愈高)，泥浆处理愈难，引发井下问题愈大，常常导致无法使用。钻井无法正常进行。,1.深井高温水基重泥浆流变性的主要表现,高温后减稠：泥浆经高温作用后粘度、切力下降的现象,1.深井高温水基重泥浆流变性的主要表现,表现：泥浆经井下循环使用后粘度愈来愈低(且目前一般提粘剂难

34、以扭转)。带来问题：井下携带能力、悬浮能力下降，停泵沉砂、起钻井下重晶石沉淀，泥浆槽（池）内重晶石沉淀。,1.深井高温水基重泥浆流变性的主要表现,流变性随温度而变性高温降粘：泥浆粘度、切力随温度升高而下降。（随温度可逆变化）可能引起泥浆在深井高温井段携带能力及悬浮能力下降，严重时井下重晶石沉淀。高温增粘：泥浆粘度、切力随温度升高而上升(严重时可丧失流动性)，（随温度可逆变化）将引起井下一系列问题。,2.作用机理及影响因素,作用机理高温引起泥浆中各组份(粘土、各种处理剂)本身及各组份之间的相互作用发生物理、化学及物理化学等变化。各种变化综合作用，再加上粘土含量的累积效益。,2.作用机理及影响因素

35、,2.作用机理及影响因素,影响因素 温度：温度愈高影响愈大。150、180、200、220 高温作用时间愈长影响愈大 处理剂：抗温能力（抗降解）抗高温解吸附能力 交联能力,2.作用机理及影响因素,固相含量：特别是粘土含量 高温泥浆粘土容量限：泥浆在高温下流变性的热稳定性和粘温性能保持良好，所能允许的最高和最低容量(上、下限)。它是泥浆体系的一个固有性质。,2.作用机理及影响因素,泥浆中实际粘土超过其容量上限：高温后增稠、胶凝、固化，高温下增粘、胶凝浆中实际粘土低于其容量下限：高温后减稠，高温下降粘。泥浆粘土高温容量上、下限中，上限最为重要。上限愈高，上、下限差值愈大，泥浆流变性好控制，反之则困

36、难。,影响因素,温度愈高，容量上限愈低，下限愈高二者差值愈小 粘土(泥浆中必含组分)种类：高温分散愈强，容量上限愈低；高温分散愈弱，容量上限愈高。处理剂：高温下抑制粘土高温分散能力及降粘能力愈强，则容量上限愈高，反之愈低。固相含量：泥浆密度愈高，容量上限愈低。水相抑制性愈高、容量上限愈高，反之则低。,3.当前主要技术难题,无论深井泥浆高温后增稠(胶凝、固化)、减稠，高温增粘、降粘都 将引起人们熟知的钻井安全和技术问题。而且这些问题随井深而加剧。从而随着井愈深、井温愈高，使用时间愈长，性能愈差，处理愈困难，技术要求愈高，成本消耗也愈大。其中尤以泥浆高温流变性的稳定性(首先表现为高温后增稠)最常见

37、，最难办(重点)。,（二）解决办法与现状,1.解决思路及办法 尽量降低固相含量：减少加重剂的量：受泥浆密度和加重剂密度限制尽量减少钻屑含量：用好固控技术尽量降低般土含量：但受流变性本身及高温增稠、高温降粘等因素制约。,研发抗高温(抗盐)重泥浆高效降粘剂提高抑制高温分散的能力提高高温降粘能力(高温下的吸附及水化能力)提高泥浆的水化抑制能力：解决好泥浆抑制性与配浆性的矛盾。,（二）解决办法与现状,现状目前从面上讲可以应付生产，但未形成成熟的系列配套技术、抗高温降粘剂至今无实质性突破，仍是一项没有真正解决的技术难题，而随处可见。,（二）解决办法与现状,目前较有希望的技术方向：在上述基本思路的基础上，

38、加强三个方向：不影响泥浆密度而大量减少重晶石用量(泥浆加重不完全依靠重晶石)不影响泥浆流变性而能大幅度降低般土含量(流变性控制不完全依靠般土)对粘土分散的抑制性不依靠降粘剂，而是以大幅度提高水相的抑制性为重点。,（二）解决办法与现状,有机酸盐加重泥浆体系（i）有机酸盐：甲酸钠(钾、铷、铯)、乙酸钠(钾)具有溶解度很高、溶液密度可以达到很高、结晶点很低的特点,（二）解决办法与现状,盐水溶液活度,高浓度有机酸盐，具有很高的抑制粘土水化分散能力。若它与聚合醇等配合使用，则抑制性还能进一步提高到现有泥浆达不到的程度。,高浓度有机酸盐与现有高温处理剂有较好的配伍性(不严重影响其高温降失水、降粘效能)，在

39、高温浓度条件下仍比较容易建立符合要求的泥浆体系。且腐蚀性也比无机盐相对较弱。,有机酸盐加重泥浆体系,（ii）有机盐重泥浆体系由于有机盐溶液密度很容易达到1.50以上，这样使重点泥浆所需加重剂的量可大幅度减少。例如重晶石加重泥浆。设淡水泥浆=1.20 相同钻屑含量的甲酸钾泥浆=1.70。它加重到2.00、2.50所需重晶石相当于淡水泥浆加重到1.50、2.00。这样固相含量就低得多，其粘土容量限升高很多。,有机酸盐加重泥浆体系,(B)同时，由于其活度很低，泥浆抑制粘土水化能力成倍提高。又使粘土容量限大大提高。同时减轻对高温降粘剂的压力，又能稳定井壁和保护油层。(C)这样辅之以降粘剂的抑制性及稀释

40、性，则可达到预期效果。(D)成功体系示例：甲酸盐聚合物泥浆、甲酸盐聚磺泥浆、甲酸盐正电胶泥浆存在问题：成本较高、防腐蚀问题及有效配套处理剂。需进一步应用研究并使体系配套。,有机酸盐加重泥浆体系,抗温抗盐增粘(切)剂的开发与应用把泥浆中般土含量降低到粘土容量下限，彻底解决靠近(超过)上限所带来的问题。用自身可以提高泥浆粘度、切力的新型抗温抗盐聚合物来建立(补充)泥浆所需的粘、切及携带、悬浮能力。再配合现有抗高温泥浆技术，从而使整体问题简化。这类体系可以在现在成型的所有高温泥浆体系中方便使用。包括聚合物泥浆、聚磺泥浆、磺化泥浆、正电胶泥浆。,（二）解决办法与现状,问题的关键和核心是这类聚合物的抗温

41、、抗盐增粘、增切能力。现已有的较为成功的产品如：XCD、M-I公司微交联聚合物，AP-P系列(XCF系列)。是现在国内外正大力研究开发的体系。此体系与有机酸配合使用其效果将可能更好。综上所述：有望在23年内解决这个至今困扰深井钻井的重大技术难题。,（二）解决办法与现状,（三）深井窄安全密度窗口时重泥浆安全钻井,这是当前国内外深井重泥浆钻井未能很好解决的另一重大技术难题。它是建立在深井、高温、重泥浆流变性的有效控制基础上的钻井、泥浆综合技术。,井眼中有三个压力剖面：P破、P地、P塌P泥P破 井漏；P泥P地井喷；P泥P塌 井塌因此，必须 P破P泥P地（P地P塌）或 P破P泥P塌（P塌P地）,安全压

42、力（密度）窗 口,1.钻井安全密度(压力)窗口,只有当实际泥浆密度处于安全密度窗口内才能正常钻井，安全密度窗口大，钻井易，反之则难。当安全密度窗口 泥浆循环压降，则无法钻进。,1.钻井安全密度(压力)窗口,2.深井井段P确定之后的重泥浆钻井技术,保证泥浆循环当量压耗(密度)小于P，优化井眼结构及优化泥浆技术使井眼的P尽量扩大，同时：、高温高压井内泥浆循环当量压耗的确定(i).井内循环过程中各点泥浆的温度（温度剖面）确定及调整和改变温度剖面的方法。由泥浆比热、地层岩石比热、各部分传热系数、地温梯度、泥浆排量、泥浆入井温度、井身结构、钻具组合、循环时间等因素确定。,2.深井井段P确定之后的重泥浆钻

43、井技术,(ii).泥浆循环过程中按温度剖面分布的流变性的变化及其循环压耗的确定；(iii)泥浆可压缩性与其密度的确定：（这为人们所忽视）油基泥浆的影响很大，水基泥浆不容忽视；(iv).水力参数，井身结构、钻具组合的影响。,2.深井井段P确定之后的重泥浆钻井技术,、符合上述要求的泥浆体系及应用技术，以泥浆循环压耗 P耗P为原则：(i).调整井内泥浆循环温度；(ii).调整泥浆流变性；(iii).建立相应的泥浆体系及应用技术。,四、几种新的泥浆体系,（一）微泡沫水基钻井（完井）液（多为无固相）,在水相中均匀分布布着未聚结（独立）的微气泡（10-100）的流体，微泡的存在对流体流变性无实质性影响，且

44、具有以下特点：稳定：在井下使用及循环过程中保持不变，无需附加设备就可循环使用；不影响泵上水，不影响井下测试工具，动力工具的应用，不影响固控设备的应用；现有钻井工艺及设备无需大改就可应用；无需注入空气、天然气的情况下产生气泡。而是由高速搅拌、钻头喷射等作用产生气泡。被特殊的发泡剂形成的多层膜包裹汽核而形成。,（一）微泡沫水基钻井（完井）液（多为无固相）,(2)体系构成水加上必需的各种抑制剂（无机盐、有机酸盐）作为基液；发泡剂：抗盐、抗温、抗油的特种表面活性剂；泡沫动力稳定剂：能在水中提高粘度，产生切力（结构）的聚合物。XC、XCD、XCF；流变性调节剂：保证体系具有的携带能力及悬浮能力。一种可产

45、生结构的水溶性聚合物与动力稳定剂类似；失水控制剂:（不依靠粘土）。,（一）微泡沫水基钻井（完井）液（多为无固相）,(3)使用范围：油层保护、防漏、堵漏 1低压欠平衡钻井:(低压低渗油气层、枯竭油田）侧钻水平井；低压漏失地层的钻井；低压产层的射孔液、洗井液、修井液；漏失产层的完井防漏失；提高机械钻速；。,井壁稳定、抑制造浆维持低固相，深井重泥浆流变性控制、油层保护，都需要尽可能提高泥浆的抑制性。目前，大多数泥浆的抑制性达不到要求。,（二）高抑制性泥浆体系,（二）高抑制性泥浆体系,提高泥浆抑制性的主要困难：抑制剂自身抑制能力有限，无法达到完全抑制粘土水化的程度；泥浆配浆性与抑制性的必然矛盾，大大削

46、弱泥浆的抑制性,（二）高抑制性泥浆体系,(1)有机酸盐的应用有机酸盐包含甲酸钠、钾、铯盐，乙酸钠、钾盐等。特点：有极高的溶解度，可以获得很高浓度和很高密度的水溶液，且结晶温度很低；可以得到活度很低的水溶液，其抑制性大大高于常用无机盐可与常用大多数处理剂匹配，对泥浆性能影响比常用无机盐小，可以建立起常用的泥浆体系。,(2)、聚合醇的应用聚合醇指水溶性的聚乙氧基短链醇。聚丙氧基短链醇等不同聚合度（分子量）的产物。也包括乙醇、脂肪酸、脂肪胺与氧乙烯，氧丙烯的缩合物。最常用的为不同分子量的聚乙二醇，它具有以下特性：,（二）高抑制性泥浆体系,能明显改变水相性质，降低水的活度，明显提高泥浆的抑制性（用量3

47、%-10%）；能与有机阳离子比如胆碱盐酸盐、硫酸盐、碳酸氢盐（三甲基羟乙基氯化胺、硫酸胺、碳酸氢胺）配合使用使其抑制性大幅度提高。能与甲酸盐复配使其抑制性大幅度提高。能与常用处理剂发生协同作用，提高其抗温能力和稳定性；,（二）高抑制性泥浆体系,有浊点：能很好降低泥浆的HTHP失水，能有效的在页岩微细孔道中沉积，阻断水进入页岩深处的通道，对页岩井壁稳定有特殊作用。浊点：随温度上升聚合醇从水溶液中析出的现象，其析出温度叫浊点。只有具有浊点现象的聚合物才能起到有效阻断水在页岩中微细孔道中的通道。浊点与聚合醇分子结构:(基团种类、聚合度)和矿化度有关。不同泥浆的矿化度和使用温度不同，所以使用的聚合醇应

48、是一个针对不同使用条件的产品系列。,（二）高抑制性泥浆体系,(3)有机硅醇及有机硅酸盐的应用有机硅分子中的Si能在粘土粒子表面（端面）吸附，改变粘土表面的性质，阻止水分子进一步进入到粘土层间，从而抑制粘土的水化。这种现象类似在粘土表面（包括井壁上的粘土）形成一种“半透膜”。因此又称为成膜泥浆技术。协调好这种处理剂与其它处理剂的相容性，则可建立新的抑制性泥浆体系。,（二）高抑制性泥浆体系,(4)常用体系它们可以和现有大多数泥浆处理剂相复配，将常用的各种泥浆体系改造而成。也可专门开发与之相匹配的新处理剂与现有处理剂配合建立新的泥浆体系：甲酸盐聚合物泥浆体系（可含聚乙二醇等）甲酸盐磺化泥浆体系（可含

49、聚乙二醇等）甲酸盐聚磺泥浆体系（可含聚乙二醇等）甲酸盐无固相泥浆体系（可含聚乙二醇等）甲酸盐无固相完井液（可含聚乙二醇等）成膜泥浆体系,（二）高抑制性泥浆体系,(5)、主要用途 高抑制性防塌泥浆：其抑制性可大大高于现有水基泥浆，其抑制性可调。配合聚乙醇应用效果更好。重泥浆强造浆井段的重泥浆。特别是解决固相控制与流变性控制相矛盾的难题；是目前解决深井高温重泥浆的流变性技术难题的有效新方法：,（二）高抑制性泥浆体系,由于溶液本身密度很高，大大减少加重泥浆中重晶石含量；抑制地层造浆能力和粘土高温水化分散能力很强，从而有效解决高温分散作用；不影响其它处理剂发挥作用；再与结构性水溶性聚合物配合，有可能完全解决这个技术难题。多种密度的无固相钻井液、完井液主要问题：成本较高，必须认真建立体系。,（二）高抑制性泥浆体系,未能实现的原第五代泥浆。泥浆的流变性、造壁性、密度等性能完全不依赖粘土。大大有利于机械钻速的提高和有效保护油层以及保护环境。,（三）无粘土钻井液,体系特点：1、泥浆密度由溶解盐类（有机盐、无机盐）来解决；2、泥浆流变性：由可在溶液中提高粘度和产生结构以提高静切力、动切力的特种聚合物（XCD、XCF）来完成；3、造壁性由惰性降失水剂来形成；4、抑制性和絮凝能力分别由电解质（有机酸盐、聚合醇、有机硅、无机盐和聚合物絮凝剂来实现；5、有效配合固控系统。,（三）无粘土钻井液,谢 谢！,