第三章钻孔冲洗介质LU

单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,工程钻探与取样技术,第三章 钻孔冲洗介质,1,、概述,2,、钻井液护壁原理,3,、钻井液分类,4,、钻井液性能,5,、钻井液添加剂,6,、钻井液的配制,7,、典型地层中使用的泥浆,第一节 概述,一、冲洗介质的用途,1,、携带和悬浮岩粉,2,、冷却钻头,3,、润滑钻具,4,、保护孔壁,5,、平衡地层压力,6,、传递动力,携带、悬浮岩粉,控制压力,保护孔壁,冷却钻头,传递功率,第一节 概述,二、冲洗介质的性能要求,1,、良好的冷却散热能力,2,、良好的润滑性能,3,、良好的剪切稀释性能,4,、良好的护壁和抵御环境影响能力,5,、性能稳定，不腐蚀钻具，对环境无毒害,第二节 钻井液护壁原理,一、保护孔壁是钻井工程的关键技术之一,1,、钻进形成的新孔壁失去原始状态的平衡；,2,、钻具在孔内回转和升降会摩擦和碰撞孔壁。,二、不稳定岩层的类别,（一）力学不稳定岩层,受成因或构造运动影响，岩层被钻穿后，破坏了其原有的相对稳定或平衡状态导致孔壁失稳,浅部：风化残积层、冲积层、洪积层、流沙层,深部：硬脆碎岩层、断层破碎带,第二节 钻井液护壁原理,（二）遇水不稳定岩层,岩层钻穿后与钻井液接触，出现分散、溶胀、坍塌、剥落等复杂情况的岩层。,遇水溶解地层：钾盐、石膏、芒硝等,遇水溶胀地层,:,粘土、泥岩、软页岩等,遇水松散地层：泥质砂岩、风化大理岩、风化花岗岩等,遇水剥落地层：剥落页岩、片岩、千枚岩等,水的存在是遇水不稳定岩层的主要客观因素。,第二节 钻井液护壁原理,三、钻井液对孔壁失稳的影响,1,、钻井液对岩层的水化作用,2,、钻井液对岩层的直接冲刷,3,、滤液的抑制性,第二节 钻井液护壁原理,四、稳定孔壁的综合措施,1,、保持钻孔与地层间的压力平衡,控制好钻井液的比重,控制合理的起下钻速度,坚持提钻灌浆,2,、使用防塌钻井液,针对不同地层采用不同的防塌钻井液,第二节 钻井液护壁原理,四、稳定孔壁的综合措施,防塌钻井液的性能要求：,“一低、二高、二适当”,低失水、高矿化度、高滤液粘度、适当的密度和粘度,防塌泥浆的几种类型,1,、聚合物钻井液：,减少岩屑在泥浆中的积累和分散，提高钻速,2,、钾盐泥浆：抑制泥页岩的水化膨胀，稳定孔壁,3,、油包水乳化泥浆,:,热稳定性好，能有效防塌防卡,第三节 钻井液类型,一、冲洗介质的种类,1,、按分散体系，可分为：纯气体，液,/,气，气,/,液，固,/,液，液,/,液；,2,、按适用条件：,(1),松散层泥浆,;(2),水敏抑制性泥浆,;(3),水溶抑制性泥浆,;(4),硬岩钻进泥浆,;(5),抗高温泥浆,3,、按基本液体：（,1,）水基泥浆；（,2,）油基泥浆,4,、按粘土在泥浆中的分散程度：（,1,）细分散淡水泥浆；（,2,）粗分散抑制性泥浆；（,3,）不分散低固相泥浆,5,、按处理剂成分、关键特性：腐植酸类泥浆、聚合物泥浆、木质素磺酸盐泥浆、抑制性泥浆、充气泡沫泥浆、饱和盐水泥浆、混油润滑泥浆,第三节 钻井液类型,二、常用冲洗介质,1,、清水：,便宜、冲洗效果好、冷却能力强、比重低；易 引起地层不稳、循环停止后无悬浮岩屑能力。用于地层压力不大的稳定和非冲蚀性岩层,2,、空气：,便宜、孔底干净、钻进效率高。用于缺水地区、严重漏失地层和大口径孔的潜孔锤钻进,3,、泥浆：,能加固孔壁、悬浮岩屑、性能可调范围大、有润滑作用；比重和粘度大、钻进效率低、污染环境。用于风化、破碎、松散和遇水失稳岩层。,4,、乳状液：,润滑性能好、降低钻杆振动。主要用于小口径金刚石钻进中。,第三节 钻井液类型,二、常用冲洗介质,5,、无固相冲洗液：,比重低、钻速高、性能可调、护壁。用于裂隙发育、易坍塌和轻微膨胀的地层。,6,、气液混合液：,比重低、粘度大、携带和悬浮岩粉能力好、可护壁堵漏、用水量少。用于严重漏失、干旱和寒冷冰冻地区。,7,、盐溶液和饱和盐水：,冻结温度低。用于钻进冻结岩层、各种盐层（光卤石、芒硝）,第四节 钻井液性能,钻井液比重,钻井液的固相含量,钻井液流变性,钻井液滤失造壁性,钻井液的,pH,值和碱度,钻井液的含砂量,钻井液的润滑性,第四节 钻井液性能,一、比重,1,、定义,：,泥浆重量与同体积水的重量之比。决定于泥浆中固相的含量和固相的比重、可溶性盐的含量。,2,、测量方法,：比重称或液体比重计,3,、对钻井的影响：,（,1,）平衡地层压力,（,2,）钻进速度,（,3,）携屑能力,（,4,）泥浆漏失量,第四节 钻井液性能,二、固相含量：,1,、定义：,钻井液中全部固体颗粒的体积占钻井液总体积的百分数。,2,、测量方法：,泥浆固相含量测定仪,3,、对钻井的影响：,（,1,）影响钻井液流变性能,（,2,）影响钻进速度,（,3,）护壁效果,（,3,）磨损钻具,第四节 钻井液性能,三、流变特性：,1,、定义：,钻井液在外力作用下变形和流动的特性，其中流动性是主要方面。通常用流变曲线、塑性粘度、动切力、静切力、表观粘度等参数描述。,2,、基本概念：,剪切速率,在垂直于流速方向上单位距离流速的增量，,s,-1,剪切力,在液层之间由于流速不同而产生的摩擦力，,N,粘度,产生单位剪切速率所需要的剪切应力，,Pa,s,流变模式,描述剪切应力和剪切速率关系的数学方程式,流变曲线,描述剪切应力和剪切速率关系的曲线,第四节 钻井液性能,静切应力,钻井液静止时形成的凝胶强度，其大小是使塑性流体开始流动所需的最小剪切应力,塑性粘度,当剪切应力的数值大到一定程度之后，粘度不再随剪切速率增大而变化，此时的粘度称塑性粘度,动切应力,钻井液开始作层流流动时,所需要的最小剪切应力，也就是塑性流体粘度稳定段直线延长线与剪切应力轴的交点,牛顿流体,在外力作用下，剪切应力与剪切速率成正比的流体,塑性流体,在受到外力作用时并不立即流动，而要等到外力增大到某一程度时才开始流动，,并类似于牛顿型的流体,假塑性流体,流变曲线通过原点并凸向剪切应力轴的流体,第四节 钻井液性能,牛顿流体：,清水、低分子化合物溶液,稀溶胶,塑性（宾汉）流体：,各种泥浆,假塑性（幂律）流体：,低固相泥浆、乳状液,第四节 钻井液性能,3,、对钻井的影响：,（,1,）携屑能力,（,2,）钻孔漏失和流动阻力,（,3,）保护井壁,（,4,）影响钻速,第四节 钻井液性能,四、钻井液滤失造壁性,1,、概念,漏失：,钻井液的固相和液相全 部进入地层的现象,滤失：,钻井液中的自由水在压力差作用下向孔壁岩石的裂隙或孔隙中渗透。用失水量表示滤失性的强弱,造壁性：,随着钻井液中的自由水进入岩层，钻井液中的固体颗粒附着在孔壁上形成泥皮,泥饼,：,钻井液滤失过程中留在井壁或者滤膜上的物质。,第四节 钻井液性能,2,、滤失过程,（,1,）初失水（瞬时失水）：,时间：,钻井液接触井底新破碎岩石表面开始到泥皮形成,特点：,滤失时间短；,滤失速率高，伴有少量固相漏失；,失水量少；,存在于整个钻井过程中,第四节 钻井液性能,（,2,）动失水：,时间：,钻井液循环过程中,特点：,泥饼形成、增厚与冲蚀处于动平衡；,压差大，失水速率大、失水量大；,井壁失水；,失水速度由大到小逐渐恒定,（高渗透率 低渗透率,=C,）；,存在于整个循环过程中，时间长，累积失水量大。,第四节 钻井液性能,（,3,）静失水：,时间：,钻井液循环停止后,特点：,失水速率小、失水量较小；,泥饼厚（无冲蚀作用）；,同时向井壁井底失水，以井壁为主；,泥饼在动失水的基础上随时间增长而增厚；,失水速度随静止时间的增长而减少；,静失水量,动失水量。,失水全过程为：初失水 动失水和静失水的反复交替。,第四节 钻井液性能,时间,累计失水量,T,o,T,1,T,2,T,3,T,4,T,5,T,6,V,瞬,V,动,V,静,h=0,h,h=c,h,h,h=c,h-,泥皮厚度,第四节 钻井液性能,第四节 钻井液性能,3,、失水性对钻井的影响,（一）不利影响,（,1,）向井壁的失水有害,如：泥页岩、黄土、粘土,易吸水膨胀，造成井壁坍塌和缩径,易损害油气层：阻、堵，降低渗透率，降低井的产量,溶解性地层失水越多，井壁溶解程度越高,（,2,）泥皮厚的不利影响,加大对钻具的吸附力，使钻杆回转阻力增加；,环空面积减小，循环阻力和压力激动增大；,测井数据的准确性降低。,第四节 钻井液性能,3,、失水性对钻井的影响,（二）有利影响,（,1,）向井底失水有利,降低井底岩石强度，增加可钻性，有利钻速提高。,消除压持效应，避免重复切削，有利钻速提高。,显然：瞬失失水越大，钻速越高。,第四节 钻井液性能,4,、降低泥浆失水的主要途径,减小钻井液和地层孔隙流体之间的压差,增加泥浆中粘土的含量,添加处理剂，提高泥浆滤液粘度,加快复杂地层钻进速度，减少井壁裸露时间,减少钻井液循环对井壁的冲刷,第四节 钻井液性能,五、钻井液的,pH,值,1,、,pH,值：,（,1,）定义：,钻井液酸碱性的度量,（,2,）影响,：,a,、决定粘土颗粒的分散程度，影响泥浆性能,b,、钻具腐蚀,c,、防氢脆,d,、抑制钙、镁盐的溶解，促进植物胶溶解,一般情况下，泥浆的,PH,控制在,8,10,之间为宜；使用植物胶类钻井液时,PH,值可提高到,10,12,；水敏性地层,PH,值不宜过高；过高和过低的,PH,值都会影响泥浆的使用质量，对钻井和护壁不利。,第四节 钻井液性能,六、含砂量：,1,、定义：,钻井液中大于,74,微米（,200,）的砂粒所占钻井液总体积的百分数。一般要求控制在,4,以下。,2,、影响（危害）,：,（,1,）使泥浆密度增大，钻速下降；,（,2,）使泥皮松软，导致滤失量增大；,（,3,）使泥皮摩擦系数增大，容易卡钻；,（,4,）增加对钻具的磨损。,第四节 钻井液性能,七、润滑性：,包括泥皮的润滑性和钻井液本身的润滑性。,影响因素包括：,密度、粘度、固相含量、有机添加剂含量、岩石条件、滤失性、润滑剂,对钻进的影响,：,（,1,）钻具磨损；,（,2,）扭矩传递；,（,3,）起下钻阻力,第五节 钻井液添加剂,加量很少，就能明显改善钻井液性能的外加剂。,一、钻井液添加剂的分类,1,、按化学组成分：,无机添加剂和有机添加剂,2,、按作用分（,16,种）：,加重剂，碱度和,pH,值控制剂，降失水剂，增粘剂，稀释和分散剂，除钙剂，杀菌剂，腐蚀抑制剂，消泡剂，起泡剂，乳化剂，絮凝剂，表面活性剂，润滑剂，页岩稳定剂，堵漏材料,3,、按材料来源分：,天然植物，矿物和石化产品，微生物,第五节 钻井液添加剂,二、加重剂,1,、对加重剂的要求,：,（,1,）密度大；（,2,）惰性；（,3,）磨损性小；（,4,）易粉碎,2,、常用加重剂：,（,1,）重晶石粉,（,2,）石灰石粉,（,3,）铁矿粉,（,4,）钛铁矿粉,（,5,）菱铁矿粉,（,6,）方铅矿粉,第五节 钻井液添加剂,加重剂,主要成分,密度,硬度,泥浆密度,重晶石,BaSO,4,4.04.5,2.53.5,2.3,石灰石粉,CaCO,3,2.62.8,3.0,1.68,铁矿粉,Fe,2,O,3,4.95.3,5.56.5,2.5,钛铁矿粉,FeTiO,3,4.65.0,5.06.0,1.95,菱铁矿粉,FeCO,3,3.73.9,3.54.0,2.1,方铅矿粉,PbS,7.47.7,2.52.7,3.0,钻井液常用加重剂,第五节 钻井液添加剂,二、加重剂,3,、加重剂加量计算,加重前后体积关系：,加重前后质量关系,：,加重后体积：,加重剂加量：,（,1,）,（,2,）,第五节 钻井液添加剂,三、碱度和,pH,值控制剂,1,、常用碱度和,pH,值控制剂,（,1,）氢氧化钠（,NaOH,）：,（,2,）氢氧化钾（,KOH,）：,（,3,）碳酸钠（,NaCO,3,）：,（,4,）石灰（,CaO,Ca(OH),2,）：,（,5,）碳酸氢钠（,NaHCO,3,）：,（,6,）石膏（,CaSO,4,）：,第五节 钻井液添加剂,四、降,滤失,（失水）剂,1,、纤维素类：,羧甲基纤维素（低、中、高粘型）、聚阴 离子纤维素、改性纤维素,加量：,1,2,