无固相完井液的性能评价

无固相完井液的性能评价完井液的性能直接影响完井效率，关系到完井工作的成败及其质量的好坏。 我国完井液体系近些年有了较快的发展。本文介绍的主要是水基完井液。水基完 井液具有配制成本较低，所需处理剂来源广，可供选择的类型多以及性能比较容 易控制等特点。本文研究了不同浓度、不同密度的氯化钠、氯化钙完井液体体系，并对其进 行了配方及性能的研究。确定了不同密度完井液的经济配方；并且测试了温度对 完井液密度的影响；评价了不同密度的完井液对粘土的膨胀性能；最后利用岩心 流动实验装置，评价完井液对不同岩心渗透率的影响。寻求最佳的比例，确定了 氯化钠、氯化钙完井液体系的经济配方。密度；完井液；经济配方；温度；膨胀性能第1章概述1.1本文研究的背景及目的意义钻井完井液密度问题是伴随石油钻井和完井过程中的世界性重大工程技术难 题1，半个多世纪以来，钻井完井液密度问题是国内外学者和工程技术人员普遍关 注的热点问题，通过不懈努力，虽然取得了长足进步，但目前仍没有彻底解决。 我国钻井技术人员对钻井完井液调节密度技术进行了几十年的研究，也取得了较 大发展，但它仍然是当前钻井工程普遍存在的井下复杂情况之一，离彻底研究透 还有相当大的距离。当前老油田尽管绝大部分井均能钻达目的层，但井喷、井泳 时常存在，底层空隙被堵死，不能完成采油的要求，而新区钻探时，由于对地层 组构特性和压力剖面认识不清，防喷措施缺乏准确预测性和针对性，钻井过程井 喷、井泳仍然有少数发生，尤其是在西部深井钻井、钻遇较复杂地层构造和大段 泥页岩井段过程中井漏问题表现的尤为突出。此外，钻进多压力层系井段，强地 应力作用下山前构造带，煤层、玄武岩、辉绿岩、凝灰岩、石灰岩、岩膏层、含 盐膏软泥页岩等非泥页岩地层时，钻井完井液不配伍问题仍然相当严重。因而为 了攻克此难题，必须继续加强研究钻井完井液密度技术。石油钻探的目的是为了发现油气层和正确评价油气藏，以及最大限度的开发 油气层。然而从钻开油层到固井、射孔、试油、修井、取芯以及进行增产措施诸 如压裂、酸化、注水过程中，由于外来液体和固体侵入油层，与油层中的粘土发 生物理化学作用，使井眼周围油层渗透率下降形成低渗透带，增加油流阻力，降 低原油产量导致油气层损害，由于油层损害使原油产量降低，储采比减小，这一 问题对中、低渗透性的油层至关重要，对于高渗透油层也不可忽视。所以任何阻 碍流体从井眼周围流入井低的现象均称之为对油气层的损害。一方面，油气层损 害是不可避免的；另一方面，油气层损害又是可以控制的，通过实施保护油气层、 防止污染的技术和措施，完全可能将油气层损害降至最低限度。研究钻井完井液技术就是从平衡地层压力和保护油气层出发3，依据钻井完井 液与地层压力系统的相互关系，运用常用的化学原料及相关的试剂配制出能平衡 地层压力并且使钻井液能在井壁上生成致密的泥饼，在井壁的外围形成保护层， 阻止滤液及钻井液进入地层，有效的防止地层水化膨胀，封堵地层层理裂隙，防 止地层内粘土颗粒的运移，阻止井喷、井漏，保护油气层。加入重品石等加重材料是提高钻井完井液密度最常用的办法囹，在加重前，应 调整好钻井完井液的各种性能，特别要严格控制低密度固相的含量。一般情况下， 所需要钻井完井液密度越高，则加重前钻井完井液的固相含量及粘度，切力应控 制得越低。加入可溶可溶性无机盐也是提高密度较常用的方法。如在保护油气层 的清洁盐水钻井完井液中，通过加入NaCl，可将钻井完井液密度提高全 1.20g/cm35。1.2国内外钻井液和完井液的情况及新进展1.2.1国内钻井液和完井液技术的情况国内钻井完井液有三大类型：水基钻井完井液、油基钻井完井液和气基钻井 完井液。水基钻井液是由膨润土、水、各种处理剂、加重材料以及钻屑所组成的 多项分散体系，其中膨润土和钻屑的平均密度均为2.6g/cm3,通常称它们为低密度 固相；而加重材料常被称为高密度固相。最常用的加重材料为API重品石，其密 度为4.2g/cm3。由于在水基钻井液中膨润土是最常用的配浆材料7，在其中主要起 提粘切，降滤失和造壁等作用，因而又将它和重品石等加重材料叫做有用固相， 而将钻屑称为无用固相。在钻井液中，应通过各种固控措施尽量减少钻屑的含量， 膨润土的用量也应以够用为度，不宜过大，否则会造成钻井液粘切过高，还会严 重影响机械钻速，并对保护油气层产生不利影响。1.2.1.1水基钻井液的特点钻井实践表明，钻井液的性能对于确保深井和超深井的安全、快速钻进起着 十分关键的作用罔。常用的深井钻井液有水基和油基钻井液两大类，目前国内主要 使用水基钻井液钻深井和超深井。油基钻井液虽然具有能抗高温、抗盐钙侵、有 利于井壁稳定、润滑性好和对油气层损害程度较小等多种优点，但是，油基钻井 液的配制成本比水基钻井液高得多，使用时往往会对井场附近的生态环境造成严 重影响。与油基钻井液相比，深井、超深井水基钻井液具有以下优点：（1）成本低；（2）对环境无污染或者污染很小，废弃钻井液的处理容易；（3）钻速快；（4）维护处理简单。另外，由于水基钻井液的连续相水是压力不敏感物质，即在高压下的体积变 化很小，因此压力对水基钻井液体系各种性能的影响很小，几乎可以忽略，所以 如果使用水基钻井液，则在实际工作中，就可以少考虑压力这一因素对钻井液性 能的影响。1.2.1.2水基钻井液存在的问题9虽然水基钻井液在国内外取得了很大的成功，但从整个水基钻井液的应用来说水基钻井液存在着不足，还存在着几点突出问题：（1）抑制性差的问题；（2）井径扩大率大的问题；（3）井眼不规则的问题。上述问题的存在和解决，主要取决于乳化剂以及其它钻井液处理剂品种、性 能、加量和配伍。1.2.1.3表面活性剂及处理剂10表面活性剂是指在低浓度下吸附于体系的两相表（界）面上，改变界面性质， 显著降低表（界）面张力，并通过改变体系的界面状态，从而产生润湿反润湿、 乳化与破乳、起泡与消泡以及在较高浓度下产生增溶的物质，称之为表面活性剂。表面活性剂之所以能在界面上吸附，改变界面性质，降低表（界）面张力， 主要是因为分子结构是由非极性的亲油基和极性的亲水基两部分组成。亲油基一 般是碳氢链、聚氧丙烯链、碳氟链和硅烷链等；而亲水基一般则是羧酸基、磺酸 基、聚氧乙烯链等。表面活性剂的分类，一般以亲水基团的结构为依据。根据表面活性剂在溶剂 中的电离情况，将表面活性剂分为阴离子型、阳离子型、非离子型、两性表面活 性剂等四类。（1）阴离子表面活性剂这类表面活性剂的特点是在水中可以电离，电离后起活性作用的是阴离子部 分。羧酸盐类、磺酸盐类、硫酸酯盐和磷酸酯盐都属于这类表面活性剂。（2）阳离子表面活性剂这类表面活性剂在水中可以电离，电离后起活性作用的是阳离子部分11。阳 离子表面活性剂的另一特点是容易吸附于一般固体的表面，主要原因是在水介质 中的固体表面（即固液界面）一般都是负电性的，如粘土，离子表面活性剂吸附 于固体表面又赋予固体表面某些特性，如憎水性等。这类表面活性剂主要有：季 铵盐类和烷基毗啶盐类。（3）非离子表面活性剂非离子表面活性剂是钻井液中应用最多的一类表面活性剂，非离子表面活性 剂的特点是在水中不电离，其亲水基主要是由具有一定数量的含氧基团（一般为 醚基和羟基）构成。正是这一特点，决定了非离子表面活性剂在某些方面比离子 型表面活性剂更优越。因为在溶液中是非离子状态，所以稳定性好，不易受无机 盐类、酸及碱等强电介质的影响，与其它类型的表面活性剂的相容性好，能很好 地与其它表面活性剂混合使用，在水及有机溶剂中皆有较好的溶解性能。目前在 钻井液中应用的非离子表面活性剂主要有平平加型、OP型、司盘型和吐温型等。（4）两性表面活性剂此类表面活性剂分子结构与蛋白质中的氨基酸相似，在分子中同时存在酸性基和碱性基，易形成“内盐”。这类表面活性剂在钻井液中不常用，而处理剂常用 在钻井液中。1.2.1.4处理剂的研制12处理剂研制包括四方面的内容：（1）根据要求，明确处理剂在钻井液中的作用效能（是稀释剂、润滑剂、还 是降失水剂等）以及实现他的途径，必须知道此处理剂的作用机理和实现此途径 的多少、类型；（2）具有上述要求的处理剂自身性质如：水溶性、抗盐性、水溶液粘度，水 中的构象以及粘土表面作用能力等；（3）进行分子结构设计，包括作用效能、途径、性质与处理剂分子结构的关 系；（4）如何实现这种分子结构？只有合成将以上四方面的内容归结为处理剂研 制及其作用原理研究。1.2.1.5处理剂的研究现状自然选用阶段为20世纪50年代前，当时采用无机处理剂13，后来加煤碱液， 选化工产品国内主要用聚合物处理，国外主要是失水控制剂、防塌剂，专门为钻 井液使用的处理剂。1.2.2国外钻井液和完井液技术的新进展1.2.2.1地层损害的新机理地层损害存在于许多油井生产的始终14。微粒运移，粘土矿物水化、膨胀分 散，无机垢、沥青质和其它有机沉淀物等都对地层产生损害。为了消除各种作业 过程中对油气层的损害，采用化学解堵，如吸附型垢的挤压处理（用膦酸类的除 垢剂）、在致密的碳酸盐地层用互溶剂处理水锁、在砂岩地层用土酸（HCl与HF 的质量比为12 : 3）清除滤饼等15。这些处理原本是用来解除地层损害的，但若在 解堵过程中实施措施不当，又会对地层造成新的损害，导致许多井在生产中产量 下降。（1）除垢时造成的地层损害16用膦酸作除垢剂时，由于和地层离子作用造成了新的损害。在砂岩地层，离子 主要来源于泥岩、赤铁矿、菱铁矿、铁白云石和硫化铁。新的地层损害发生后， 可用与盐酸互溶的溶剂或是水润湿性表面活性剂处理。在现场应用前（尤其是在 砂岩地层应用时），测试除垢剂与储层流体、岩石的配伍性是相当重要的。（2）砂岩地层中用土酸处理滤饼造成的地层损害这类损害主要由含铝化合物沉淀造成US使用土酸处理滤饼时，处理液中含 有较高浓度的铝，此时pH值在34之间，残余酸就逐步与粘土矿物和长石（Al-Si） 作用生成铝氟化合物垢AlFx（OH）3-x。这类垢可用HCl除去。土酸中两种酸的比 例要适宜，并保持低的pH值，才可以减小铝氟化合物沉淀。（3）清除水锁时产生的地层损害18在生产作业中向地层注入大量液相，会引发油气井的诸多问题。液相在近井 地带聚集，由于相对渗透率的影响，会降低油井产率，在致密地层，由于毛细管 力的作用，液相被封闭在孔喉处，导致水锁。处理水锁最常用的方法是用表面活 性剂和互溶剂来减小表面张力（气井中）和界面张力（油井中）。近几年，在北海 引入了新型互溶剂来处理致密碳酸盐地层的水锁问题。在现场应用前必须进行大 量的室内研究，从理论上讲，纯溶剂和水很相似，有利于降低近井地区水的饱和 度。然而，配伍性试验却表明，这种溶剂将引起水溶性的盐和CaSO4的沉淀。因 CaSO4不溶于酸，所以就引起了新的储层损害，要除去这类垢需用价格昂贵的螯合 剂。1.2.2.2无损害钻井无损害钻井的目标是打出损害接近于零的油井I，是一种将岩石渗透率的损 害降低到最低程度的钻井方法。在过去的几年中，欠平衡钻井日益普及但是在很 多情况下，由于经济和技术原因而不能使用欠平衡钻井，只能使用近平衡和过平 衡压力的钻井液。Ecopetral公司研制出了一种新型无侵入钻井液，填补了这一空 白。在某些情况下，欠平衡钻井的效果不好，其原因是在筛选方法时没有考虑所 有的因素。目前已有9个欠平衡钻井失败的实例，并不是说欠平衡钻井技术不好， 而是所选的油层不合适。目前，在南美洲和亚洲已进行了无损害钻井的现场研究。使用传统的钻井液， 很难达到无损害钻井。如果使用无固相钻井液，可能要产生一定程度的侵入，因 为即使钻井液中有少量固相存在，也能发生侵入，必然对地层产生损害。而另一 方面，为了桥堵孔隙，采用了加有碳酸钙等固相颗粒的钻井液也因产生损害而失 败。因此，需要一种在钻井过程中产生最小损害的新型钻井液。NIFSM是一种新型钻井液20，该钻井液具有超低固相含量（固相含量低于 28.5kg/m3）。利用表面化学原理使NIFsm钻井液在地层表面产生可以密封地层的非 渗透性薄膜。与传统桥堵地层方法不同的是，NIFsm钻井液通过钻井液内颗粒的引 力密封地层。引力把颗粒集中在岩石的表面，这样就可以用同一种组分的钻井液 封闭不同孔隙尺寸分布的地层。NIFsm钻井液主要由DWC2000TM （增粘剂） FLC2000TM （动态降漏失剂，不是API降滤失剂）和KFA2000TM （润滑剂）组成。 NIFsm钻井液可以无损害地钻开油层，还可以钻进油层与页岩的互层、在同一裸眼 井段中不同压力的油层、由于力学原因而严重失稳的地层。在哥伦比亚地区对无 损害钻井液NIFsm进行了试验。该地区进行欠平衡钻井的主要限制因素是井眼失 稳21，因此建议在钻第一口井时使用过平衡钻井方式。使用NIFSM钻井液进行了 试验，包括使用注射器和透明腔室对不同尺寸的砂岩岩心进行试验，以及使用合 成岩心进行渗透率恢复试验。室内试验证明，NIFsm钻井液可使岩石的渗透率恢复 率达到90%以上。1.3本文研究内容及成果可溶性无机盐钻井完井液是近年发展起来的一种新型水基钻井完井液22，能 有效地应用于钻探易水化膨胀的蒙脱石页岩底层和易剥落掉块的伊利石页岩地 层。本项研究确定的主要研究内容有：（1）利用氯化钠、氯化钙配制不同密度1.00g/cm31.20g/cm3的完井液；（2）确定不同密度完井液的经济配方；（3）考察温度对完井液密度的影响；（4）评价不同密度的完井液对粘土的膨胀性能；（5）利用岩心流动实验装置，评价完井液对不同岩心渗透率的影响。通过对以上内容的研究，测试各种配方的密度，并且对比研究各种配方23， 依据现在工业原料的价格优选出密度为1.00g/cm31.20g/cm3完井液的经济配方， 然后测试已经确定的经济配方完井液的性能。利用水浴实验考察温度对完井液密 度的影响，用膨胀实验测定粘土浸泡在完井液中的水化膨胀能力的大小，评价不 同密度的完井液对粘土的膨胀性能。最后利用岩心流动实验装置，评价完井液对 不同岩心渗透率的影响。第2章完井液的配制及经济配方2.1完井液配制要求及实验仪器本课题完井液配制要求为利用氯化钠、氯化钾配制不同密度（1.001.20） g/cm3 的完井液，确定不同密度完井液的经济配方。可以看出研究的主要就是不同密度完井液的配制，那么首先说一下完井液的 密度。钻井完井液的密度是钻井完井液设计和应用过程中特别着意控制的性能指 标。尤其是欠平衡钻井完井，为了控制井底的压差，达到欠平衡的程度，对密度 要求更为严格。钻井完井液密度的设计是根据地层孔隙压力、破裂压力、坍塌压 力确定的。完井液液密度的测定用专门的密度计24，量程0.70g/cm32.50g/cm3， 它是由支架，钻井液杯、杯盖、带刻度的秤杆和可沿秤杆滑动的砝码和水准泡组 成。秤杆一端的钻井液被另一端上的一个具有固定量的砝码和一个可沿秤杆移动 的游码所平衡，测量步骤为：（1）放好仪器底座，使之接近水平；（2）将要测量的钻井液注满清洁而干燥的钻井液杯；（3）盖好杯盖，并慢慢拧紧使多余的一些钻井液从盖子的小孔里冒出来；（4）用于指压住盖孔，清洗杯外及秤杆上的钻井液并擦干；（5）把秤杆上的刀口放在支点上，移动砝码，直到平衡；（6）在砝码的左端边缘读取钻井液的密度值；（7）记录测量结果，要求精确到0.01g/cm3。2.2测量不同含量的氯化钠配制的完井液密度完井液的实验室配制首先确定基液为自来水，NaCl为实验室无水氯化钠，然 后确定不同百分数需要多少克的氯化钠。分别用4个烧杯取基液自来水200ml来 配制质量分数为10%、15%、20%、25%的氯化钠完井液。（1）NaCl质量分数为10%（即浓度为10%）的完井液需要的NaCl的质量为:YX100% = 10% 可得 X=22.2（g）x + 200即需要的NaCl的质量为22.2g。（2）NaCl质量分数为15% （即浓度为15%）的完井液需要的NaCl的质量为:YX100% = 15% 可得 X=35.2 (g) y + 200即需要的NaCl的质量为35.2。(3) NaCl质量分数为20% (即浓度为20%)的完井液需要的NaCl的质量为:YX100% = 20% 可得 X=50.0 (g) y + 200即需要的NaCl的质量为50.0g。(4) NaCl质量分数为25% (即浓度为25%)的完井液需要的NaCl的质量为:Yx 100% = 25% 可得 X=66.7 (g) y + 200即需要的NaCl的质量为66.7g。然后分别将22.2g、35.2g、50.0g、66.7gNaCl加入各自的200ml自来水基液并且用玻璃棒搅拌，让NaCl全部溶解后用液体密度计测量密度值如下表2-1所示。表2-1不同质量的NaCl配制完井液密度值NaCl的质量分数(%)NaCl的质量(g)溶液密度(g/cm3)1022.21.0751535.21.1052050.01.1502566.71.190将22.2g、35.2g、50.0g、66.7g的NaCl加入各自的自来水基液测得数据绘出图2-2不同质量的NaCl配制完井液密度变化曲线图配制质量分数是25%的完井液时，NaCl没有完全溶解，溶液中NaCl的含量已 经达到饱和，即没有达到1.20的密度要求。2.3测量不同含量的氯化钙配制的完井液密度首先确定基液为自来水，CaCl2为实验室无水氯化钙，然后确定不同百分数需 要多少克的氯化钠。分别用4个烧杯取基液自来水200ml来配制质量分数为10%、 15%、20%、25%的氯化钙完井液。（1）CaCl2质量分数为10% （即浓度为10%）的完井液需要的CaCl2的质量 为：YX100% = 10% 可得 X=22.2（g）x + 200即需要的CaCl2的质量为22.2g。（2）CaCl2质量分数为15% （即浓度为15%）的完井液需要的CaCl2的质量 为：xX100% = 15% 可得 X=35.2（g）x + 200即需要的CaCl2的质量为35.2。（3）CaCl2质量分数为20% （即浓度为20%）的完井液需要的CaCl2的质量 为：xX100% = 20% 可得 X=50.0（g）x + 200即需要的CaCl2的质量为50.0g。（4）CaCl2质量分数为25% （即浓度为25%）的完井液需要的CaCl2的质量 为：xX100% = 25% 可得 X=66.7（g）x + 200即需要的CaCl2的质量为66.7g。然后分别将22.2g、35.2g、50.0g、66.7g的CaCl2加入各自的200ml自来水基 液并且用玻璃棒搅拌，让CaCl2全部溶解后用液体密度计测量密度值如表2-3所示。表2-3不同质量的。2。12配制完井液密度值CaCl2的质量分数（%）CaCl的质量（g）溶液密度（g/cm3）1022.21.0971535.21.1382050.01.1752566.71.215将22.2g、35.2g、50.0g、66.7g的CaCl2加入各自的自来水基液测得数据绘出 密度随质量分数的变化图，如图2-4所示。图2-4不同质量的CaCl2配制完井液密度变化曲线图配制质量分数是25%的完井液时，溶液密度为1.215，即已经达到1.20的密度 要求。2.4测量氯化钠和氯化钙按不同比例配制的完井液密度因为氯化钠、氯化钙每吨的价格是不一样的，氯化钠和氯化钙按不同比例配 制完井液目的是找到最符合要求，并且非常经济的配方。2.4.1按NaCl： CaCl2=1： 1配制不同浓度的完井液并测量密度首先确定基液为自来水，NaCl为实验室无水氯化钠，CaCl2为实验室无水氯化 钙，然后确定不同浓度需要多少克的氯化钠和氯化钙。分别用4个烧杯取基液自 来水200ml来配制浓度为10%、15%、20%、25%的NaCl： CaCl2=1： 1完井液。（1）NaCl： CaCl2=1： 1质量分数为10% （即浓度为10%）的完井液需要的 NaCl和CaCl2 一共的质量为：YX100% = 10% 可得 X=22.2（g）x + 200按NaCl： CaCl2=1： 1分配，即需要的CaCl2的质量为11.1g，NaCl的质量为 11.1g。（2）NaCl： CaCl2=1： 1质量分数为15% （即浓度为15%）的完井液需要的 NaCl和CaCl2 一共的质量为：xX100% = 15% 可得 X=35.2（g）x + 200按NaCl： CaCl2=1： 1分配，即需要的CaCl2的质量为17.6g，NaCl的质量为 17.6g。（3）NaCl： CaCl2=1： 1质量分数为20% （即浓度为20%）的完井液需要的NaCl和CaCl2 一共的质量为：Y X100% = 20% 可得 X=50.0 （g） x + 200按NaCl： CaCl2=1： 1分配，即需要的CaCl2的质量为25.0g, NaCl的质量为 25.0g。（4） NaCl： CaCl2=1： 1质量分数为25% （即浓度为25%）的完井液需要的 NaCl和CaCl2 一共的质量为：x X100% = 25% 可得 X=66.7（g） x + 200按NaCl： CaCl2=1： 1分配，即需要的CaCl2的质量为33.3g，NaCl的质量为 33.3g。（NaCl和CaCl2的质量应该是33.35g，但由于电子秤最小刻度为0.1g，所以 把0.05舍去取33.3g）分别称量出不同浓度需要的NaCl和CaCl2的质量，然后按照NaCl： CaCl2=1： 1的质量比分别加入各自的200ml自来水基液并且用玻璃棒搅拌，让NaCl和CaCl2 全部溶解后用液体密度计测量密度值如表2-5所示。按照NaCl： CaCl2=1： 1的质量比分别加入各自的200ml自来水基液后将测得 数据绘出密度随质量分数的变化图，如图2-6所示。图2-6不同浓度下NaCl： CaCI2=1： 1配制完井液密度变化曲线图实验测试结果：配制浓度是25%的完井液时，溶液密度为1.205，即已经达到 1.20的密度要求。2.4.2按NaCl： CaCl2=1： 2配制不同浓度的完井液并测量密度本实验同上一实验原理基本相同，首先确定基液为自来水，NaCl为实验室无 水氯化钠，CaCl2为实验室无水氯化钙，然后确定不同浓度需要多少克的氯化钠和 氯化钙。分别用4个烧杯取基液自来水200ml来配制浓度为10%、15%、20%、25% 的 NaCl： CaCl2=1： 2 完井液。（1）NaCl： CaCl2=1： 2质量分数为10% （即浓度为10%）的完井液需要的 NaCl和CaCl2 一共的质量为：xx 100% = 10% 可得 X=22.2（g）x + 200按NaCl： CaCl2=1： 2分配，即需要的CaCl2的质量为 竺三=14.8（g），NaCl22.2 x 1 - 的质量为 =7.4（g）。3（2）NaCl： CaCl2=1： 2质量分数为15% （即浓度为15%）的完井液需要的NaCl和CaCl2 一共的质量为：xx 100% = 15% 可得 X=35.2（g）x + 200按NaCl： CaCl2=1： 2分配，即需要的CaCl2的质量为兼；乂 2 =23.6（g），NaCl 的质量为35m=11.8（g）。（3）NaCl： CaCl2=1： 2质量分数为20% （即浓度为20%）的完井液需要的 NaCl和CaCl2 一共的质量为：xx 100% = 20% 可得 X=50.0（g）x + 200按NaCl： CaCl2=1： 2分配，即需要的CaCl2的质量为50拦 =33.4（g），NaCl 的质量为 50；xl =16.7（g）。（4）NaCl： CaCl2=1： 2质量分数为25% （即浓度为25%）的完井液需要的 NaCl和CaCl2 一共的质量为：xx 100% = 25% 可得 X=66.7（g）x + 200按NaCl： CaCl2=1： 2分配，即需要的CaCl2的质量为 电；2 =44.4（g），NaCl 的质量为竺* =22.2（g）。分别称量出不同浓度需要的NaCl和CaCl2的质量，然后按照NaCl： CaCl2=1： 2的质量比分别加入各自的200ml自来水基液并且用玻璃棒搅拌，让NaCl和CaCl2 全部溶解后用液体密度计测量密度值如表2-7所示。表2-7不同浓度下NaCl： CaCl2=1： 2配制完井液密度值浓度（%）NaCl的质量（g）CaCl2的质量（g）溶液密度（g/cm3）107.414.81.0931511.823.61.1322016.733.41.1682522.244.41.210按照NaCl： CaCl2=1： 2的质量比分别加入各自的200ml自来水基液后将测得 数据绘出密度随质量分数的变化图，如图2-8所示。图2-8不同浓度下NaCl： CaCl2=1： 2配制完井液密度变化曲线图实验测试结果：配制浓度是25%的完井液时，溶液密度为1.210，即已经达到1.20的密度要求。2.4.3按NaCl： CaCl2=1： 2配制不同浓度的完井液并测量密度首先确定基液为自来水，NaCl为实验室无水氯化钠，CaCl2为实验室无水氯化 钙，然后确定不同浓度需要多少克的氯化钠和氯化钙。分别用4个烧杯取基液自 来水200ml来配制浓度为10%、15%、20%、25%的NaCl： CaCl2=1： 3完井液。（1）NaCl： CaCl2=1： 3质量分数为10% （即浓度为10%）的完井液需要的 NaCl和CaCl2 一共的质量为：YX100% = 10% 可得 X=22.2（g）x + 200按 NaCl： CaCl2=1： 3 分配，即需要的 CaCl2 的质量为 22：3 =16.6 (g)，NaCl 的质量为 22.221 =5.6 (g)。(2)NaCl： CaCl2=1： 3质量分数为15% (即浓度为15%)的完井液需要的 NaCl和CaCl2 一共的质量为：YX100% = 15% 可得 X=35.2 (g)x + 200按NaCl： CaCl2=1： 3分配，即需要的CaCl2的质量为竺|2! =26.5 (g)，NaCl 的质量为 35：X1=8.8 (g)。(3)NaCl： CaCl2=1： 3质量分数为20% (即浓度为20%)的完井液需要的 NaCl和CaCl2 一共的质量为：xX100% = 20% 可得 X=50.0 (g)x + 200按NaCl： CaCl2=1： 3分配，即需要的CaCl2的质量为 岑23 =37.5 (g)，NaCl 的质量为50拦=12.5 (g)。(4)NaCl： CaCl2=1： 3质量分数为25% (即浓度为25%)的完井液需要的 NaCl和CaCl2 一共的质量为：xX100% = 25% 可得 X=66.7 (g)x + 200按 NaCl： CaCl2=1： 3 分配，即需要的 CaCl2 的质量为 66.:3 =50.0 (g), NaCl 的质量为 66：乂1 =16.7 (g)。分别称量出不同浓度需要的NaCl和CaCl2的质量，然后按照NaCl： CaCl2=1： 3的质量比分别加入各自的200ml自来水基液并且用玻璃棒搅拌，让NaCl和CaCl2 全部溶解后用液体密度计测量密度值如表2-9所示。按照NaCl： CaCl2=1： 3的质量比分别加入各自的200ml自来水基液后将测得 数据绘出密度随质量分数的变化图，如图2-10所示。图2-10不同浓度下NaCl： CaCl亓1： 3配制完井液密度变化曲线图实验测试结果：配制浓度是25%的完井液时，溶液密度为1.213，即已经达到1.20的密度要求。2.4.4按NaCl： CaCl2=3： 1配制不同浓度的完井液并测量密度NaCl单独配制完井液时最大密度为1.90g/cm3 （饱和状态），所以本次实验思 路是配合CaCl2加重完井液测量是否能到达密度1.20g/cm3。本实验同以上实验原理基本相同，首先确定基液为自来水，NaCl为实验室无 水氯化钠，CaCl2为实验室无水氯化钙，然后确定不同浓度需要多少克的氯化钠和 氯化钙。分别用4个烧杯取基液自来水200ml来配制浓度为10%、15%、20%、25%的 NaCl： CaCl2=3： 1 完井液。（1）NaCl： CaCl2=3： 1质量分数为10% （即浓度为10%）的完井液需要的NaCl和CaCl2 一共的质量为：YX100% = 10% 可得 X=22.2（g）x + 200按NaCl： CaCl2=3: 1分配，即需要的CaCl2的质量为 号*1 =5.6（g），NaCl 的质量为a：*3 =16.6（g）。（2）NaCl： CaCl2=3： 1质量分数为15% （即浓度为15%）的完井液需要的 NaCl和CaCl2一共的质量为：xX100% = 15% 可得 X=35.2（g）x + 200按NaCl： CaCl2=3： 1分配，即需要的CaCl2的质量为兼：* 1=8.8（g），NaCl 的质量为 35：*3 =26.5（g）。（3）NaCl： CaCl2=3： 1质量分数为20% （即浓度为20%）的完井液需要的NaCl和CaCl2 一共的质量为：YX100% = 20% 可得 X=50.0（g）x + 200按NaCl： CaCl2=3: 1分配，即需要的CaCl2的质量为50拦=12.5（g），NaCl 的质量为兰4*3 =37.5（g）。（4）NaCl： CaCl2=3： 1质量分数为25% （即浓度为25%）的完井液需要的 NaCl和CaCl2 一共的质量为：xX100% = 25% 可得 X=66.7（g）x + 200按NaCl： CaCl2=3： 1分配，即需要的CaCl2的质量为竺目=16.7 （g）, NaCl 的质量为66 =50.0 （g）。分别称量出不同浓度需要的NaCl和CaCl2的质量，然后按照NaCl： CaCl2=3： 1的质量比分别加入各自的200ml自来水基液并且用玻璃棒搅拌，让NaCl和CaCl2 全部溶解后用液体密度计测量密度值如表2-11所示。表2-11不同浓度下NaCl： CaCl2=3： 1配制完井液密度值浓度（%）NaCl的质量（g）CaCl2的质量（g）溶液密度（g/cm3）1016.65.61.0791526.58.81.1152037.512.51.1552550.016.71.193按照NaCl： CaCl2=3: 1的质量比分别加入各自的200ml自来水基液后将测得 数据绘出密度随质量分数的变化图，如图2-12所示。图2-12不同浓度下NaCl： CaCl2=3： 1配制完井液密度变化曲线图实验测试结果：配制浓度是25%的完井液时，溶液密度为1.193,即没达到1.20 的密度要求。2.4.5按NaCl： CaCl2=2： 1配制不同浓度的完井液并测量密度首先确定基液为自来水，NaCl为实验室无水氯化钠，CaCl2为实验室无水氯化 钙，然后确定不同浓度需要多少克的氯化钠和氯化钙。分别用4个烧杯取基液自 来水200ml来配制浓度为10%、15%、20%、25%的NaCl： CaCl2=2： 1完井液。（1）NaCl： CaCl2=2： 1质量分数为10% （即浓度为10%）的完井液需要的 NaCl和CaCl2 一共的质量为：YX100% = 10% 可得 X=22.2（g）x + 200按NaCl： CaCl2=2： 1分配，即需要的CaCl2的质量为关皆 =7-4（g），NaCl 的质量为奖守 =14.8（g）。（2）NaCl： CaCl2=2： 1质量分数为15% （即浓度为15%）的完井液需要的 NaCl和CaCl2 一共的质量为：xX100% = 15% 可得 X=35.2（g）x + 200按NaCl： CaCl2=2： 1分配，即需要的CaCl2的质量为关亨1 =11.8（g），NaCl 的质量为芝宇2 =23.6（g）。（3）NaCl： CaCl2=2： 1质量分数为20% （即浓度为20%）的完井液需要的 NaCl和CaCl2 一共的质量为：xX100% = 20% 可得 X=50.0（g）x + 200按 NaCl： CaCl2=2： 1 分配，即需要的 CaCl2 的质量为 500竺1 =16.7（g），NaCl 的质量为=33.4（g）。（4）NaCl： CaCl2=2： 1质量分数为25% （即浓度为25%）的完井液需要的 NaCl和CaCl2 一共的质量为：YX100% = 25% 可得 X=66.7（g）x + 200按NaCl： CaCl2=2： 1分配，即需要的CaCl2的质量为竺目=22.2 （g）, NaCl 的质量为竺予2 =44.4 （g）。分别称量出不同浓度需要的NaCl和CaCl2的质量，然后按照NaCl： CaCl2=2： 1的质量比分别加入各自的200ml自来水基液并且用玻璃棒搅拌，让NaCl和CaCl2 全部溶解后用液体密度计测量密度值如表2-13所示。表2-13不同浓度下NaCl： CaCl2=2： 1配制完井液密度值浓度（%）NaCl的质量（g）CaCl2的质量（g）溶液密度（g/cm3）1014.87.41.0821523.611.81.1202033.416.71.1552544.422.21.198按照NaCl： CaCl2=2： 1的质量比分别加入各自的200ml自来水基液后将测得 数据绘出密度随质量分数的变化图，如图2-14所示。实验测试结果：配制浓度是25%的完井液时，溶液密度为1.198，即没有达到1.20的密度要求。2.4.6综合评价各种配方的经济性根据以上数据即曲线画出综合曲线图，如图所示图2-15不同配方不同浓度综合曲线图根据以上曲线可以很明显的看出单纯CaCl2配制的完井液，NaCl： CaCl2=1： 1 配制的完井液，NaCl： CaCl2=1： 2配制的完井液，NaCl： CaCl2=1： 3配制的完井 液的密度超过了 1.20，符合要求。所以依据现在工业氯化钠、氯化钙每吨的价格 对四种不同配方进行经济评价。现在工业无水氯化钙含量为95%的价格是2000元/吨，含量97%的价格是4000 元/吨。而工业氯化钠含量95%的价格是100元/吨，含量98%的价格是180元/吨。 可以看出两种配方原料的每吨价格相差比较大，为经济性考虑必须降低氯化钙的 用量。单纯CaCl2配制的完井液，密度为1.215,按NaCl： CaCl2=1： 1配制的完井液， 密度为1.205，为按NaCl： CaCl2=1： 2配制的完井液，密度为1.210，为按NaCl： CaCl2=1： 3配制的完井液，密度为1.213。依据工业氯化钙和氯化钠的价格算出四 种配方的成本（同以含量为95%的原料配制浓度为25%的完井液）。（1）单纯CaCl2配制的完井液，密度为1.215，需要CaCl2质量是66.7g，购买原料所花钱数为：66.7x迎0 = 0.1334 （元）106（2）NaCl： CaCl2=1： 1配制的完井液，密度为1.205,需要CaCl2质量是33.3g, 需要NaCl质量是33.3g，所以购买原料所花钱数为：33.3 x 000 + 33.3 x 坚=0.0666+0.00333=0.06993 （元）106106（3）NaCl： CaCl2=1： 2配制的完井液，密度为1.210，需要CaCl2质量是44.4g， 需要NaCl质量是22.2g，所以购买原料所花钱数为：44.4 x 2000 + 22.2 x 四=0.0888+0.00222=0.09102 （元）106106（4）NaCl： CaCl2=1： 3配制的完井液，密度为1.213,需要CaCl2质量是50.0g， 需要NaCl质量是16.7g，所以购买原料所花钱数为：50.0x2000 +16.7x100 = 0.1+0.00167=0.10167 （元）106106很明显可以看出NaCl： CaCl2=1： 1配制的完井液所花在购买原料上的钱最少， 并且可以满足密度要求范围1.00g/cm31.20g/cm3。所以按NaCl： CaCl2=1： 1配制 完井液是最经济的配方。第3章完井液性能研究及评价3.1性能研究的重要性在钻井、完井、修井及采油等作业过程中，都可能产生油层损害，降低原油 产量，因此保护油层是现代钻采技术中一个十分重要的内容25。钻井液、完井液 是最先与油气层接触的液体，是影响油气层渗透率的重要因素。如果完井液性能 不佳，或者使用不当，都可能严重损害产层。损害机理主要有以下几个方面：（1） 泥浆固相颗粒的侵入，主要是粘土颗粒及其它固相颗粒（如加重剂）分散运移， 堵塞油流孔道，降低原油渗透率；（2）泥浆滤液造成水锁效应，增加油流阻力。 此外，滤液的侵入使储层中粘土膨胀也会造成油气层空隙堵塞，减少油气层产量; （3）外来液与地层水不配伍，产生沉淀，堵塞油流孔道。据上诉机理，已研制出 了各种保护油气层的钻井完井液。主要有无固相完井液和加有各种暂堵剂（如油 溶性、水溶性和酸溶性的）完井液。但这些完井液成本普遍较高，维护要求严格， 使用不便。3.2温度实验取质量分数分别为10%、15%、20%、25%，NaCl： CaCl2=1： 1的经济配方溶液 考察温度对完井液密度的影响。各取4种溶液200ml在30C，40C，50C，60C， 70 C水浴中稳定后测量它们的密度。（1） NaCl： CaCl2=1： 1的经济配方溶液放入30C水浴结果如表3-1所示。表3-1 NaCl： CaCl2=1： 1完井液在30C水浴中的密度1015201.0851.1231.158浓度（）密度（g/cm3）251.205将 NaCl： CaCl2=1： 1 的经济配方溶液放入 30C，40C，50C，60C，70C水 浴中稳定后测得数据绘出密度随质量分数的变化图，如图3-2所示。（2） NaCl： CaCl2=1： 1的经济配方溶液放入40C水浴结果如表3-3所示。表3-3 NaCl： CaCI2=1： 1完井液在4bC水浴中的密度浓度（%）101520密度（g/cm3）1.0881.1251.160251.208将NaCl： CaCl2=1： 1的经济配方溶液放入40C水浴中稳定后测得数据绘出密 度随质量分数的变化图，如图3-4所示。（3） NaCl： CaCl2=1： 1的经济配方溶液放入50C水浴结果如表3-5所示。表3-5 NaCL CaC1： 1完井液在50C水浴中的密度浓度（%）101520密度（g/cm3）1.0901.1271.16325将NaCl： CaCl2=1： 1的经济配方溶液放入50C水浴中稳定后测得数据绘出密（4） NaCl： CaCl2=1： 1的经济配方溶液放入60C水浴结果如表3-7所示。表3-7 NaCl： CaCI2=1： 1完井液在6bC水浴中的密度浓度（%）101520密度（g/cm3）1.0911.1291.165251.210将NaCl： CaCl2=1： 1的经济配方溶液放入60C水浴中稳定后测得数据绘出密 度随质量分数的变化图，如图3-8所示。（5） NaCl： CaCl2=1： 1的经济配方溶液放入70C水浴结果如表3-9所示。表3-9 NaCL CaC1： 1完井液在70C水浴中的密度浓度（%）10%1520密度（g/cm3）1.0921.1321.16725将NaCl： CaCl2=1： 1的经济配方溶液放入70C水浴中稳定后测得数据绘出密 度随质量分数的变化图，如图3-10所示。11.251.2度 1-15 密1.11.05质量百分数0%10%15%20%25%图3-10密度变化曲线图(6)综合以上数据及曲线画出综合曲线图并且分析结果将不同质量百分数的溶液随温度变化，表现在同一张图中，如图(3-11)所示 分别是在30C, 40C, 50C, 60C, 70C水浴中稳定后测量它们的密度，如图所 示。1.251.210%10%15%20%25%质量百分数1.151.1度 密1.0570C30C40C50C60C图3-11综合密度变化曲线图由上图综合密度变化曲线图可以看出：密度随着温度的升高而略有升高，但 十分微小。最大相差值为0.009，近似可以看成密度不变，即温度对完井液密度的 影响不大。3.3粘土膨胀实验用膨胀实验可测定粘土浸泡在各种液体中的水化膨胀能力的大小。本项实验 采用实验室内页岩膨胀测试仪测定设计所要研究的常用密度1.00g/cm31.20g/cm3 完井液对粘土水化膨胀的影响。测定其膨胀值并且计算膨胀率。（1）清水膨胀实验把0.5g粘土在0.5MPa的压力下压成页岩，页岩厚度L=4.44mm，把300ml清 水倒入装好粘土页岩的膨胀量测定仪器中，后调零。记下时间，每隔1小时读一 次数据，连续记录12个小时的数据。膨胀率=X/L（3-1）其中X是读数，单位是mm； L是粘土页岩厚度，单位是mm。记录数据如表 3-12所示表3-12清水的膨胀试验数据及膨胀率时间读数膨胀率时间读数膨胀率（T）（mm）（%）（T）（mm）（%）10.6900.15572.2100.49821.3150.30082.2250.50131.7820.40192.2290.50242.0850.470102.2320.50352.1500.484112.2320.50362.1810.491122.2320.503将页岩厚度L=4.44mm的页岩放入300ml清水中测得数据绘出随时间膨胀率的变化图，如图3-13所示。图3-13清水的膨胀实验膨胀率变化图（2）质量分数是10%, NaCl： CaCl2=1： 1完井液的膨胀实验把0.5g粘土在0.5MPa的压力下压成页岩，页岩厚度L=4.60mm,把300ml质 量分数是10%，NaCl： CaCl2=1： 1完井液倒入装好粘土页岩的膨胀量测定仪器中， 后调零。记下时间，每隔1小时读一次数据，连续记录12个小时的数据。计算膨 胀率，根据公式（3-1）。记录数据如表3-14所示。表3-14质量分数是10%, NaCl： CaCl2=1： 1完井液膨胀实验数据及膨胀率时间读数膨胀率时间读数膨胀率（T）（mm）（%）（T）（mm）（%）10.6350.13872.1480.46721.2550.27382.1600.47031.7130.37292.1630.47042.0210.439102.1650.47152.0900.454112.1650.47162.1210.461122.1650.471将页岩厚度L=4.60mm的页岩放入300ml质量分数是10%，NaCl： CaCl2=1：1完井液中测得数据绘出随时间膨胀率的变化图，如图3-15所示。3-15质量分数是10%，NaCl：施叫二1： 1完井液膨胀实验膨胀率变化图（3）质量分数是15%，NaCl： CaCl2=1： 1完井液的膨胀实验把0.5g粘土在0.5MPa的压力下压成页岩，页岩厚度L=4.26mm，把300ml质 量分数是15%，NaCl： CaCl2=1： 1完井液倒入装好粘土页岩的膨胀量测定仪器中， 后调零。记下时间，每隔1小时读一次数据，连续记录12个小时的数据。计算膨 胀率，根据公式（3-1）。记录数据如表3-16所示。表3-16质量分数是15%, NaCL CaC 1完井液膨胀实验数据及膨胀率时间读数膨胀率时间读数膨胀率（T）（mm）（%）（T）（mm）（%）10.8310.19571.3800.32421.2100.28481.3900.32631.2800.30091.4010.32941.3210.309101.4100.33151.3510.317111.4180.33361.3700.322121.4240.334将页岩厚度L=4.26mm的页岩放入300ml质量分数是15%, NaCl： CaCl2=1：1完井液中测得数据绘出随时间膨胀率的变化图，如图3-17所示。图3-17质量分数是11.1120.2356%, NaCl： CaC顷:1完井液膨胀实验膨胀率变化图（4）质量分数是20%，NaCl： CaCl2=1： 1完井液的膨胀实验把0.5g粘土在0.5MPa的压力下压成页岩，页岩厚度L=4.22mm，把3