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鉆井液在鉆井中的作用

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鉆井液在鉆井中的作用

發布日期:2015-07-06 15:28 來源:http://www.ldtckm.icu 點擊:

鉆井液基礎知識
鉆井液在鉆井中的作用:

 1、清洗井底,攜帶巖屑,保持井底清潔,保證鉆頭不斷地破碎地層,使鉆 進不中斷。 2、平衡地層中的流體(油、氣、水)壓力,防止井噴、井漏等井下復雜情 況,保護油氣層。 3、平衡巖石側壓力,并在井壁形成泥餅,保持井壁穩定,防止地層坍塌。 4、發揮水力效能,傳遞動力,沖擊井底,幫助鉆頭破碎井底巖石,提高鉆 井速度。 5、懸浮巖屑和加重劑,降低巖屑沉降速度,避免沉砂卡鉆。另外承受鉆桿 和套管的部分重力。 6、潤滑并冷卻鉆頭,鉆具。 7、防止地層中鹽水、鹽巖、石膏、芒硝等對鉆井液的化學污染,防止硫化 氫污染和損害。 8、利用鉆井液,準確獲得井下資料。 一、鉆井液性能與鉆井工作的關系 一) 、鉆井液密度與鉆井的關系 密度過大有以下害處: 1、損害油氣層; 2、降低鉆井速度; 3、過大壓差造成壓差卡鉆; 4、易憋漏地層; 5、易引起過高的粘切;

6、多消耗鉆井液材料及動力; 7、抗污染能力下降。 密度過低則容易發生井噴、井塌(尤其是負壓鉆井) 、縮徑(對塑性地層, 如較純的粘土、鹽巖層等)及攜屑能力下降等。 二) 、鉆井液粘度、切力與鉆井的關系 1、粘度、切力過大有以下害處。 ⑴流動阻力大,能量消耗多,功率低,鉆速慢; ⑵凈化不良(固控設備不易充分發揮效力) ,易引起井下復雜情況; ⑶易泥包鉆頭,壓力波動大,易引起卡、噴、漏和井塌等事故; ⑷脫氣較難,影響氣測并易造成氣侵。 2、粘度和切力過低也不利于鉆井,如: ⑴洗井不良,井眼凈化效果差; ⑵沖刷井壁加劇,引起井塌等井下事故; ⑶巖屑過細影響錄井。 三) 、濾失量和泥餅質量與鉆井工作的關系 鉆井液濾失量過大,泥餅厚而虛,會引起一系列問題。 1、易造成地層孔隙堵塞而損害油氣層,濾液大量進入油氣層,會引起油氣 層的滲透率等物性變化,損害油氣層,降低產能。 2、泥餅在井壁堆積太厚,環空間隙變小,泵壓升高。 3、易引起泥包鉆頭,下鉆遇阻、遇卡或堵死水眼。 4、在高滲透地層易造成較厚的濾餅而引起阻卡,甚至發生壓差卡鉆。 5、電測不順利,并且由于鉆井液濾液進入地層較深,水侵半徑增大,若超 過測井儀器所測及的范圍,其結果是電測解釋不準確而易漏掉油氣層。

6、對松軟地層,易泡垮易塌地層,會形成不規則的井眼,引起井漏等。 泥餅一定要薄、致密、韌性好,能經受鉆井液液流的沖刷。 四) 、固相含量與鉆井的關系 鉆井液中固相含量越低越好,一般控制在 0.5%以下。固相含量過大,有以 下危害: 1、固相含量高,鉆井液柱壓力大,鉆速降低。 2、固相顆粒愈細對鉆速影響愈大,而且深入油層會造成永久性堵塞,油氣 層受損害嚴重。 3、固相含量高、濾失量大時,泥餅必然厚,摩阻系數增大,因而易引起井 下復雜情況的發生。 4、固相含量高,鉆井液的流變性難以控制,且流阻大,功耗多,鉆井效率 低。 5、含砂量大,易造成鉆頭、鉆具等機械設備的磨損。 6、在固相含量高時,鉆井液受外界影響大且敏感(如對溫度、各種污染物 等的影響變大) 。 降低固相含量的方法 1、 機械除砂:利用振動篩、除砂器、除泥器等設備降低固相含量。

1) 、振動篩 振動篩是對鉆井液進行固相控制的第一級設備,又是唯一能適用于加重鉆井 液的常規分離設備。因此,它是固控的關鍵設備,擔負著清除大量鉆屑的任務, 同時為下一級固控設備的使用創造必要的條件,如果振動篩發生故障,其下一級 設備就會超載,嚴重影響凈化效果。所以,要根據鉆井條件,選好、用好振動篩。 2) 、旋流器

旋流器按其直徑不同,可分為除砂器和除泥器。 ⑴除砂器。直徑為 150~300 毫米的旋流器稱為除砂器。其處理能力是:在進 料壓力為 0.2 兆帕時不低于 20~120 立方米每小時。正常工作的除砂器能清除約 95%大于 74 微米的鉆屑和約 50%大于 40 微米的鉆屑。為了提高使用效果,在選 用除砂器時,其許可處理量必須為鉆井時最大排量的 125%。 ⑵除泥器。 直徑為 100 毫米和 150 毫米的旋流器稱為除泥器。 其處理能力是: 在進料壓力為 0.2 兆帕時不低于 10 和 15 立方米每小時。正常工作的除泥器能清 除約 95%大于 40 微米的鉆屑和約 50%大于 15 微米的鉆屑。除泥器能除去 12~ 13 微米的重晶石,因此,不能用它來處理加重鉆井液。在使用中,除泥器的許可 處理量,應為鉆井時最大排量的 125%~150%。 3) 、清潔器 清潔器是旋流器與超細網振動篩的組合。上部為旋流器,下部為超細網振動 篩。 清潔器是二次處理設備。它處理鉆井液的過程分為兩布:第一步是旋流器把 鉆井液分離成低密度的溢流和高密度的底流。第二步是超細網振動篩將高密度的 底流再分離成兩部分,一部分是重晶石和其它小于網孔的顆粒透過篩網,另一部 分是大于網孔的顆粒從篩網尾部排出。 4) 、離心機 離心機有沉淀式、篩筒式、水力渦輪式、疊片式等多種類型,而在石油鉆井 中處理鉆井液用的多數是前三種。 離心機主要用在加重鉆井液中回收重晶石和清除細小固相及膠體,在非加重 鉆井液中清除鉆屑,也可用離心機對旋流器排出的底流進行第二次分離,回收液 相,排除鉆屑。

離心機的處理量和分離粒度與其轉速和容量有關。 2、化學除砂:加入化學絮凝劑,將細小的砂子變大而沉降。 3、降低鉆井液粘度有利于降低固相含量:因此在現場維護鉆井液時,對固 相含量有下列要求。 ⑴根據需要配備良好的凈化設備,徹底清除無用固相。 ⑵必須嚴格控制膨潤土的含量,所使用鉆井液的密度愈高、井愈深、溫度 愈高,膨潤土的含量應愈低,一般應控制在 30~80kg/m3。 ⑶在輕鉆井液中, 固相含量應不超過 10% (體積) 或密度不大于 1150kg/m3。 ⑷無用固相含量與膨潤土含量的比值,應控制在 2﹕1~3﹕1。 五) 、PH 值與鉆井工作的影響 1、PH 值過高,OH-在粘土表面吸附,會促進泥頁巖的水化膨脹和分散,對 鞏固井壁、防止縮徑和坍塌都不利,往往會引起井下復雜情況的發生。另外, 高 PH 值的鉆井液具有強腐蝕性,縮短了鉆具及設備的使用壽命。 2、通過 PH 值的變化,可以預測井下情況。如鹽水侵、石膏侵、水泥侵等 都會引起 PH 值的變化。 二、有機處理劑 一) 、稀釋劑(降粘劑) 稀釋作用主要是通過稀釋劑分子在粘土顆粒某些部位的吸附,改變粘土顆 粒的表面水化狀態,減弱或拆散鉆井液內部的網狀結構來達到稀釋的目的。 1、單寧堿液:代號 NaT 2、磺甲基單寧:又叫磺化單寧,代號 SMT 3、鐵鉻木質素磺酸鹽 簡稱鐵鉻鹽,代號 FCLS。為棕黑色粉末,易溶于水,水溶液呈弱酸性。

其主要用作抗鹽抗鈣的分散型鉆井液的稀釋劑,可減弱粘土顆粒間的流動 阻力,降低粘度和切力;也可抑制泥頁巖的水化膨脹和分散,而防止粘度和切 力的上升,有利于井壁穩定。此外鐵鉻鹽還具有降濾失作用和抑制粘土水化膨 脹的作用。 二) 、降濾失劑 1、羧甲基纖維素鈉鹽 代號為 Na-CMC,簡稱 CMC,目前常用的有低粘 CMC、中粘 CMC、高粘 CMC 三種。為白色纖維狀粉末,具有吸濕性,不溶于酸和醇等有機溶劑,易分散于 水中形成膠狀液,抗溫達 90~140℃,有一定抗鹽、抗鈣能力。 主要用于各種水基鉆井液的降濾失劑,還具有抑制頁巖水化膨脹作用、增 稠作用等。 2、水解聚丙烯腈鹽類 ⑴水解聚丙烯腈鈉鹽 代號 Na-HPAN, 是聚丙烯腈加 NaOH 水解而得的產物。 為淡黃色顆粒或粉末, 溶于水,水溶液呈堿性。 主要用作聚合物鉆井液的降濾失劑,并有增粘和絮凝作用。抗鹽可至飽和 而抗鈣較差,抗溫性強。 ⑵水解聚丙烯腈鈣鹽 代號 Ca-HPAN 或 CPAN,為淺黃色、灰白色顆粒或粉末,水溶性好。 主要用作聚合物鉆井液的降濾失劑,抗鹽、抗鈣、抗溫能力強。 ⑶水解聚丙烯腈胺鹽 代號 NH4-HPAN 或 NPAN,主要用作防塌降濾失劑,抑制能力強,不提粘, 耐高溫,使用時堿度不宜過高。

3、腐植酸類 利用褐煤中的腐植酸進行磺化或硝化而形成的各種鹽類。它既有降濾失作 用,又有降粘作用。 ⑴腐植酸鈉 代號 NaHm 或 NaC,是由褐煤和 NaOH 水解產物,黑褐色粉末,易溶于水,水 溶液呈堿性。主要用作淡水鉆井液的降濾失劑,具有降粘作用,抗溫性好。 ⑵硝基腐植酸鈉 代號 Na-NHm,是用硝酸氧化的腐植酸鈉鹽。黑褐色粉末,易溶于水,水溶液呈 堿性。主要用作淡水鉆井液的降濾失劑,并具有降粘作用,抗鹽作用較強。 ⑶腐植酸鉻 代號 CrHm,是一種抗高溫降濾失劑和稀釋劑,抗溫可達 200℃以上。抗鹽、抗鈣 能力也較強。 ⑷聚合腐植酸 代號 SH23、SH24,為黑色粉粒,易溶于水,主要用作各種水基鉆井液的降濾失劑, 抗鹽、抗鈣、防塌能力強,抗溫達 200℃。 三) 、絮凝劑 絮凝劑可分為無機絮凝劑和有機絮凝劑兩類,無機絮凝劑若控制不好易發 生聚沉,而有機絮凝劑能溶于水,因而現場一般都用有機絮凝劑。有機絮凝劑 又分為完全絮凝劑和選擇性絮凝劑。 1、聚丙烯酰胺 代號 PAM,分為膠劑和粉劑兩種,膠劑為無色透明都彈性膠體;粉劑是白色 粉末。它水溶性好,熱穩定性高,抗溫達 200℃,在水中不電離。主要用作不分 散低固相鉆井液的絮凝劑,并有改善鉆井液流變性、減少摩阻和防塌等效能。

2、部分水解聚丙烯酰胺 代號 PHP,通常也分膠劑和粉劑兩種。高水解度的 PHP 還有增稠、堵漏、潤 滑、降濾失和剪切稀釋效能。 3、丙烯酰胺和丙烯酸鈉共聚物 代號 80A51,為無色或白色粉末,易溶于水,空氣中易吸水結塊。主要用作 水基鉆井液的絮凝劑,并有增粘、改善流變性、抑制造漿和防塌等效能。 四) 、增粘劑 1、高粘 CMC 代號 HV-CMC,不溶于酸和醇等有機溶劑,易分散于水中成膠體溶液。主要 用作水基鉆井液增粘劑,也可作乳化劑。有一定降濾失作用和抗鹽能力。 2、復合離子型聚丙烯酸鹽 代號 PAC141,為白色或微黃色可流動粉末。本品不僅可以提高粘度,還可改 善流變參數、提高剪切稀釋能力、降低濾失量、包被巖屑和抑制粘土顆粒分散 的作用,并有抗鹽、抗鈣、和抗溫能力。主要用于水基鉆井液,也可用于海水 及飽和鹽水鉆井液。 五) 、頁巖抑制劑 1、磺化瀝青鈉鹽 代號 SAS-1, 為黑褐色膏狀膠體或粉劑,PH 值為 8~11, 密度為 1.0 g/cm3。 其主要用作各類鉆井液的頁巖抑制劑,并有潤滑和控制高溫高壓濾失量的效能。 2、水分散瀝青 代號 SR-401,黑色粉末。主要用作頁巖微裂縫和破碎帶的封閉劑而起防塌 作用,并有較好的潤滑能力。一般用量為 0.5%~4%。 3、水解聚丙烯腈鉀鹽

代號 KPAN,為棕紅色或淡黃色粉末,易溶于水,水溶液呈堿性。為丙烯酸類頁 巖抑制劑,并有降濾失、抗污染和防塌等特點。 六)表面活性劑 表面活性劑的種類繁多,在鉆井液中的作用也是多方面的。除用作乳化劑、 消泡劑外,選用適當的表面活性劑處理鉆井液,對提高鉆井液的熱穩定性、保 護油氣層、降低濾餅摩擦系數,防塌、防腐、提高鉆速、預防和解除鉆井液中 的復雜事故等方面有突出的效果。 1、乳化劑。 ⑴烷基磺酸鈉(AS) 。 ⑵聚氧乙烯辛基苯酚醚(OP) 。 2、潤濕、防卡、解卡劑。 ⑴聚乙二醇(PEG-400) 。 ⑵CP233 防卡劑。 ⑶SR301 解卡劑。 3、消泡劑。 ⑴甘油聚醚。 ⑵7501 消泡劑。 三、鉆井液的有關計算 1、增密度計算 公式:

式中

W 加——加重劑量,t; V 加——加重鉆井液體積,m3;

V 原——原鉆井液體積,m3; ρ重——加重劑的密度,g/cm3; ρ加——加重鉆井液密度,g/cm3; ρ原——原鉆井液密度,g/cm3。 2、降低密度的計算 公式:

式中

X——所需水量,m3; ρ稀——稀釋后的鉆井液密度,g/cm3; V 原——原漿體積,m3; ρ水——水的密度,g/cm3。

四、常用鉆井液類型 一) 、水基鉆井液 水基鉆井液以水為分散介質(連續相) ,以粘土為分散相(固相) ,加入一 定的化學處理劑或加重材料組成。這類鉆井液發展最早,使用最廣泛。水基鉆 井液又可分為以下幾種類型: 1、淡水鉆井液: 由淡水、粘土和一般的降粘劑、降濾失劑配制而成。含鹽量(Nacl)小于 1%或低于 10000 毫克/升。含鈣量小于 120 毫克/升。 2、鹽水鉆井液: 含鹽量大于 1%或高于 10000 毫克/升。 包括鹽水鉆井液、 飽和鹽水鉆井液、 海水鉆井液。主要用在海灣海上鉆井,鉆鹽巖層及泥頁巖易塌地層。 3、鈣處理鉆井液:

含鈣量大于 120 毫克/升。包括石灰鉆井液、石膏鉆井液、氯化鈣鉆井液。 其主要特點是抗可溶性鹽侵蝕能力強,性能穩定。 4、不分散低固相聚合物鉆井液: 一般低固相鉆井液粘土含量小于 7%(體積百分數) ;不分散低固相鉆井液 的粘土含量小于 4%。其主要特點是鉆速快,流動性好,鉆井總成本低。 5、混油鉆井液: 在水基鉆井液中混入 3~4%的乳化油類(原油或柴油) ,使油成小珠分散的 乳化狀態。其主要特點是潤滑性好,流動性好,失水量低,泥餅摩擦系數小。 二) 、油基鉆井液 以油為分散介質的鉆井液。它又可分為: 1、油基鉆井液: 是以原油或柴油為連續相(液相) ,以氧化瀝青作為分散相(固相) ,再加 入化學處理劑和加重劑配成的, 含水量在 3%以下。 其主要特點是對油層損害小, 抗可溶性鹽侵污的能力強。 2、油包水乳化鉆井液: 以柴油作連續相,以水作分散相,呈小液滴狀分散在水中(水的體積分數 可達 60%) ,以有機膨潤土(或稱親油膨潤土)和氧化瀝青作穩定劑,再加入其 它處理劑、加重劑配制而成。其主要特點是熱穩定性高,有較好的防塌效果, 對油氣層損害小,常用于高溫井段,鉆易塌地層和低壓油氣層。

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