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钻井液工艺学
钻井液工艺学
第一章钻井液概论
1、钻井液密度:
单位体积钻井液的质量。
钻井液密度对钻井的影响:
(1)影响井下安全(井喷、井漏、井塌和卡钻等)
(2)与油气层损害有关(3)影响钻井速度
2、钻井液对pH值要求:
一般控制在(8-11)范围,即维持在一个较弱的碱性环境。
控制在这一范围的原因:
(1)粘土具有适当的分散度,便于控制和调整钻井液性能
(2)可以使有机处理剂充分发挥其效能(3)对钻具腐蚀性低(4)可抑制体系中钙、镁盐的溶解
3、钻井液的主要功用:
(1)携带和悬浮岩屑
(2)稳定井壁和平衡地层压力(3)冷却和润滑钻头、钻具(4)传递水动力
(5)传递井下信息、及时发现油气显示和高、低压地层(6)保护油气层
4、水基钻井液是由膨润土、水、各种处理剂、加重材料以及钻屑组成的多相分散体系。
5、油基钻井液是以水滴为分散相,油为连续相,并添加适量乳化剂、注湿剂、亲油的固体处理剂、石灰和加重材料等所开成形的乳状液体系。
6、钻井液的分类,综合分类法:
分为10类
①分散钻井液②钙处理钻井液③盐水钻井液④饱和盐水钻井液⑤聚合物钻井液
⑥钾基聚合物钻井液⑦油基钻井液⑧合成基钻井液⑨气体型钻井流体⑩保护储层的钻井液
7、钻井液流变性是指在外力作用下,钻井液发生流动和变形的特性,其中流动是主要的方面。
8、随着泥饼的不断加厚以及在压差作用下被压实,泥饼对裸眼井壁起到有效稳定和保护作用,这是钻井液的造壁性
9、固相含量:
钻井液中全部固相的体积占钻井液总体积的百分数
10、固相含量对钻速的影响:
(1)固相含量越高,钻速越小。
(2)固相类型不同,钻速影响不一样。
第二章粘土矿物和粘土胶体化学基础
1、常见的粘土矿物有三种;高岭石、蒙脱石、伊利石。
2、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
(2)铝氧八面体与铝氧八面体片
3、晶格取代:
在粘土矿物晶体中,一部分阳离子被另一部分阳离子所置换,产生过剩电荷的现象。
4、阳离子交换容量(CEC):
分散介质pH=7时,100g粘土所能交换下来的阳离子的毫摩尔数(以一价阳离子毫摩尔数表示)。
5、交换性阳离子:
粘土表面带负电,为了保持电中性,必然从分散介质中吸附等量的阳离子。
这些阳离子吸附于粘土上,可以被分散介质中其它阳离子所交换的阳离子。
6、粘土的阳离子交换容量CEC:
分散介质的PH=7时,从粘土上所能交换下来的阳离子总量。
7、影响粘土阳离子交换容量大小的因素:
(1)粘土矿物的本性
(2)粘土的分散度(3)溶液的酸碱度
8、扩散双电层:
从固体表面到过剩反离子为零处。
反离子扩散分布于胶粒周围,形成扩散双电层。
9、电动电势ζ:
从滑动面到均匀液相的电势降。
10、粘土晶体的电荷
(1)永久负电荷——构造电荷
(2)可变负电荷(表面电荷)(3)正电荷——表面电荷
11、粘土矿物表面水化:
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。
12、渗透水化:
由于晶层间阳离子浓度大于溶液内部的阳离子浓度,因而发生水的浓度扩散,使水进入晶层,增加晶层间距,使粘土膨胀。
13、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。
14、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。
第三章钻井液的流变性
1、流变性——在外力(泵送、搅拌)作用下,液体流动和变形的特性。
2、钻井液流变性指网架结构变形与流动特性。
包括粘度、切力、剪切稀释性、触变性等。
3、钻井液流变性对钻井的影响:
(1)携带岩屑,保证井底清洁。
(2)悬浮岩屑与重晶石。
(3)机械钻速井眼规则和井下安全。
4、剪切速率/速度梯度γ:
指垂直于流速方向上单位距离流速的增量。
γ=dv/dx,s-1
5、剪切应力τ:
流体单位面积上的内摩擦力。
τ=F/S=μγ,Pa
F—流体间的内摩擦力;S—接触面积;μ—量度液体粘滞性大小的因素,称为粘度,mPa·s。
6、流变曲线与流变方程:
流变曲线:
描述τ与γ的关系。
流变方程/流变模式:
描述τ与γ关系的数学关系式。
7、流体的基本流型:
牛顿流型、假塑性流型、塑性流型和膨胀流型。
8、塑性粘度的调节:
加预水化般土和加增粘剂可以升高粘度,使用固控设备、使用化学絮凝剂、加水稀释可能以降低粘度。
9、动切力调节:
加预水化般土、加高分子聚合物、加适量的电解质加以提高动切力,加降粘剂、加水稀释、消除影响动切力升高的电解质可以降低动切力
10、表观粘度(有效粘度)μa:
某一剪切速率下,剪切应力与剪切速率的比值
11、剪切稀释性:
表观粘度随剪切速率的增加而降低的特性。
12、触变性:
钻井液搅拌变稀,静止变稠的性质。
13、层流携岩特点:
(1)对井壁冲刷作用小,有利于稳定井壁;
(2)存在“转动靠壁”现象,携岩效率低。
14、紊流携岩特点:
(1)无“转动靠壁”现象,携岩效率高
(2)对井壁冲刷作用大(3)岩屑滑落速度大(4)循环压耗大
15、卡森模式优点:
不仅在低剪切区和中剪切区有较好的精确度,还可以利用低、中剪切区的测定结果预测高剪切速率下的流变特性。
第四章钻井液的滤失和润滑性能
1、瞬时滤失:
钻井液与新地层接触的瞬间,泥饼尚未形成时的滤失
2、动滤失:
钻井液在循环过程中的滤失。
3、静滤失:
钻井液停止循环时发生的滤失。
4、造壁性:
在滤失过程中,随着钻井液中的自由水进入岩层,钻井液中的固相颗粒便附着在井壁形成泥饼。
5、API滤失量测定仪是最常用的低温低压条件下评价钻井液滤失量。
6、高温高压滤失量测定仪必须进行高温高压条件下的滤失量评价。
7、对钻井液滤失性能的要求:
(1)在钻开油气层时,应尽力控制滤失量,以减轻对油气层的损害
(2)钻遇易坍塌地层时,滤失量需严格控制,API滤失量最好不大于5ml
(3)对一般地层,API滤失量应尽量控制在10ml以内,HTHP滤失量不应超过20ml
(4)要注意提高滤饼质量,尽可能形成薄、韧、致密及润滑性好的滤饼,以利于固壁和避免压差卡钻(5)加强对钻井液滤失性能的检测
8、静滤失影响因素
(1)滤失时间t
(2)压差△P(3)泥饼渗透率K(4)固相含量(5)滤液粘度μ
9、瞬时滤失的影响因素:
①压差:
ΔP↗,瞬时失水量↗。
②粘度:
粘度↗,瞬时失水量↘。
③固相颗粒大小与多少。
10、影响动失水的因素:
①影响静失水的因素同样影响动失水。
②环空返速③泥饼强度:
强度高,不易冲蚀,动失水小。
11、液体类润滑剂:
类型:
矿物油、植物油和表面活性剂
作用原理:
通过在金属、岩石和粘土表面形成吸附膜,减少钻具对井壁和套管的摩擦。
12、固体类润滑剂:
类型:
塑料小球、石墨、玻璃微珠等
作用原理:
多数固体润滑剂类似细小滚珠,将滑动摩擦转化为滚动摩擦,因而可以大幅度降低扭矩和阻力。
第五章钻井液配浆材料与处理剂
1、
式中,V1、V2、VB:
分别表示加重前、加重后的钻井液体积和重晶石的体积,mB,ρB为重晶石的质量和密度。
与此同时,钻井液在加重前、后的质量关系:
V2计算:
求出V2后,重晶石用量可由下式求得:
mB=(V2-V1)ρB
然而有时因受现场泥浆池容积的限制,加重前必须排掉一部分钻井液,或者希望在加重之前先排掉一部分不加重钻井液,这样就不会造成加重剂的浪费,这种情况下,首先根据加重后可以容纳的体积V2,用下式求出应保留的原浆的体积:
如:
用重晶石(ρB=4.2g/cm3)把200m3钻井液由密度ρ1=1.10g/cm3加重到ρ2=1.50g/cm3,并且每100kg重晶石需同时加入9L水以防止钻井液过度增稠,试求:
(1)最终体积无限制,需加入重晶石多少吨?
(2)若最终体积为200m3,需加入重晶石多少吨,放掉钻井液多少方?
解:
已知水的密度为ρW=1.0g/cm3
V2=V1+VB+VW=V1+
+VW ① 联立①②③式得V2=257.39989m3
m2=m1+mB+mW→
B+mW ② mB+
mB=(V2-V1)ρ2→mB=78990.672kg
mW=
mB③
=
→
=44.59978m3mB+
mB=
ρ2→mB=61375.842kg
2、无机处理剂的作用机理:
(1)离子交换吸附
(2)调控钻井液中的PH值(3)沉淀作用(4)铬合作用
(5)与有机处理剂生成可溶性盐(6)抑制溶解作用
3、无机处理剂的类型:
纯碱、烧碱、石灰、石膏、氯化钙、氯化钠、氯化钾、硅酸钠
4、降粘剂稀释机理:
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。
5、降滤失剂作用机理:
水化膜增厚,聚结阻力增大,胶粒稳定性增强,Vf降低。
6、絮凝剂作用机理:
(1)吸附
(2)桥连(3)形成团块、团块下沉。
7、典型的有机处理剂:
降粘剂、降滤失剂、防塌剂、增粘剂、絮凝剂、堵漏剂
第六章水基钻井液
1、水基分散型钻井液的特点:
(1)粘土颗粒高度分散。
(2)粘土分散度改变,导致性能改变。
(3)性能容易受电解质污染,稳定性差。
(4)维护、处理需要很多水量。
成本低。
2、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
3、水基分散型钻井液受污染及其处理:
(1)污染物类型:
可溶性盐(钙、钠盐、盐水)、钻屑、地层流体(水、气体)
(2)钙污染处理原则:
除钙、护胶、拆结构。
(3)水泥侵的处理:
加低碱比的护胶混合液、加入NaHCO3、清水钻水泥塞,钻完放掉。
(4)石膏侵的处理:
对于薄层石膏层:
纯碱+烧碱(除钙)(提pH)
(5)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。
(6)盐侵污处理:
抗盐、护胶、拆结构、换土。
4、钙处理钻井液分类:
石灰钻井液、石膏钻井液、氯化钙钻井液
5、聚合物钻井液的基本特点
(1)无用固相少,密度低,压差小;
(2)钻屑较粗,固相体积含量较小;
(3)膨润土固相含量低,亚微米颗粒少;(4)剪切稀释性好,水眼粘度低;(5)携砂能力强;
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