钻井液固相粒度分布及堆积密度研究.docx

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钻井液固相粒度分布及堆积密度研究

本科毕业设计（论文）

题目

钻井液固相粒度分布及堆积密度研究

学生姓名

学　号

教学院系

石油工程学院

专业年级

石油工程2007级

指导教师

职　称

单　　位

石油工程学院

辅导教师

职称

单　　位

完成日期

2011

年

06

月

01

日

SouthwestPetroleumUniversity

GraduationThesis

StudiesonparticlesizedistributionandPackingdensityofdrillingfluid

Grade:

2007

Name:

Speciality:

PetroleumEngineering

Instructor:

PetroleumEngineeringInstitute

2011-06

摘要

本文研究的目的在于以分散钻井液体系为研究对象，通过分析钻井液中固相的种类及其作用，确定钻井液固相颗粒粒度分布情况及颗粒堆积密度对钻井液各项性能的影响方式和影响结果，结合水泥浆中水泥颗粒尺寸分布与堆积密度的关系来研究钻井液中固相粒度分布与堆积密度两者间的相关性，然后结合国内外研究资料和实践成果分析固相粒度分布的测量方法以及堆积密度的计算模型，在此基础上分析影响钻井液颗粒粒度分布及堆积密度的影响因素及影响方式通过分析得到钻井液固相粒度分布及堆积密度的调控方式。

最终得到在某一具体情况下的最优化颗粒粒度分布及最优化配比，期望能用于指导实际生产。

关键字：

钻井液；粒度分布；堆积密度；性能；影响因素

Abstract

Thepurposeofthispaperistousespreadingdrillingfluidforstudy.Throughanalyzingsolidstypesanditsfonctionofdrillingfluids.Inthearticle,itdiscussestheinfluenceofpaticlesizedistributionanditdiscussesthefactorswhichaffectsthepaticlesizedistributionandpackingdensity.Basedonthis,itdiscussestherelationshipofpaticlesizedistributionandpackingdensity.Moreimportant,itprovidestheexperimentaldeterminationmethodoftheparticlesizedistributionandthecalculationmethodofthepackingdensity.Inthispart,itputsthesizedistributionandpackingdensityofbariteforanexample.Next,thearticlebrieflymentionedthecontrolmethodsoftheparticlesizedistributionandpackingdensity.Finally,wecangetoptimalpaticlesizedistributionandoptimalpackingdensity.Also,weexpectthattheresultsofresearchcanbeusedinactualproduction.

Keywords:

drillingfluid；particlesizedistribution；packingdensity；properties；factors

1绪论

1.1研究目的及意义

随着钻井工艺技术的不断发展和进步，现代钻井承包商们对钻井工作者们提出了跟多更高的要求。

为了实现快速、高效、优质、安全钻进，钻井液作为钻井工程的重要组成部分越发地受到人们的重视和关注。

纵观钻井液技术的发展历程，钻井液体系的研究和开发经历了一轮又一轮的更新换代。

尽管现在市场上钻井液种类举不胜数，但值得我们注意的是无论那一种钻井液体系它都离不开一些基础理论的研究和进步。

据统计资料分析，钻井与完井工程占据了现代油气田勘探开发总成本的40%~60%[60]。

可以说，钻井质量的好坏直接影响到我们可以取得的经济效益。

钻井过程中的井壁稳定，泥饼质量，钻速高低，井内复杂事故的预防和处理都离不开钻井液的性能控制。

在钻进的不同井段、不同时期和不同情况下，我们需要随时调控钻井液的密度、粘度，保持钻井液的体系稳定性和润滑性能，增强钻井液体系的滤失造壁性以及复杂情况下的特殊性能。

经大量的文献调研和实践结果，可发现钻井液的各项性能都与钻井液固相粒度的分布和颗粒堆积密度有直接或间接的关系。

通过调控钻井液固相颗粒含量、尺寸大小、分布情况及级配关系可以很大程度上影响钻井液的密度、粘度、体系稳定性、体系润滑性、滤失情况、泥饼质量以及遇到易漏失地层时的堵漏效果。

同时考虑作为基础理论研究的一部分，固相粒度分布及堆积密度研究显示出了它的重要性及必要性。

本文研究的目的在于以分散钻井液体系为研究对象，通过分析钻井液中固相的种类及其作用，确定钻井液固相颗粒粒度分布情况及颗粒堆积密度对钻井液各项性能的影响方式和影响结果，结合水泥浆中水泥颗粒尺寸分布与堆积密度的关系来研究钻井液中固相粒度分布与堆积密度两者间的相关性，然后结合国内外研究资料和实践成果分析固相粒度分布的测量方法以及堆积密度的计算模型，在此基础上分析影响钻井液颗粒粒度分布及堆积密度的影响因素及影响方式通过分析得到钻井液固相粒度分布及堆积密度的调控方式。

最终得到在某一具体情况下的最优化颗粒粒度分布及最优化配比，期望能用于指导实际生产。

1.2本课题国内外研究现状

钻井液固相粒度分布及堆积密度理论研究是随着现代钻井液技术理论的不断发展和进步而逐步发展和成熟的。

1.2.1国外研究和实际现状

1929年Andreasen[39]是经典的连续颗粒堆积理论的主要倡导者,他试图把颗粒分布描述为分布形式总是具有“统计类似”的特点,并在此基础上给出的模型方程为φB=（d/dL）n。

Rosin-Rammler[30]粒度分布模型的数学表述式R=exp-（d/de）n式中d为任意粒径;R为大于粒径d的粒级含量;de为特征粒径,等于R=0.368相对应的粒径;n为模型参数。

Gaudin-Schuhmann[30]粒度分布模型的数学表达式y=（d/dL）n式中y为小于粒径d的粒级含量;dL为颗粒体系中的最大粒径。

Alfred[30]粒度分布模型是对Gaudin-Schuhmann模型的改进。

因为在式y=（d/dL）n式中,当d=0时无定义,故改为y=（dn-dSn）/（dLn-dSn）式中dS为颗粒体系中的最小粒径。

Andreason[30]用实验方法确定,对于服从Gaudin-Schuhmann粒度分布模型的颗粒体系,当模型参数n=0.3~0.5时有最高的堆积效率。

Suzuki[30]等人将多种离散粒度颗粒堆积的计算方法推广至连续粒度分布,得出对于服从Gaudin-Schuhmann粒度分布模型的颗粒体系,当模型参数n=0.5~0.8时有最紧密的堆积。

Funk[46]推导出凡是满足Alfred粒度分布模型的颗粒体系,当模型参数n=0.37时有最高的堆积效率

1930年West-man和Hugill[38]以不连续尺寸颗粒的堆积理论为基础,计算出多尺寸颗粒的最大堆积因子,还列举了2种和3种尺寸颗粒混合物的计算步骤,并给出了用于4种或4种以上尺寸颗粒的计算规则和方法。

1931年Furnas[37]理论认为相关颗粒堆积模型是建立在颗粒尺寸不连续基础上的,小颗粒恰好填入大颗粒的孔隙时便形成最紧密堆积。

1939年瑞典物理学家WallodiWeibull引进Weibull分布函数[48],即F（x）=1-e-（d/d0）m　d>0，F（x）=0d≤0对于固相颗粒,d>0,故钻井液固相粒度分布函F（x）=1-e-（d/d0）m式中,d为钻井液中固相粒径;d0为全部粒径的统计平均值;m为分布宽度指数,反映粒径分布范围的宽窄。

钻井液的粒度分布可用d0和m两个分布参数进行描述。

20世纪70年代,Dinger和Funk[47]在分布中引入有限小最小颗粒尺寸,对Andreasen方程进行了修正,得到Dinger-Funk方程,即φB=（dn-dSn）/（dLn-dSn）;并对连续体系的颗粒堆积进行了二维（圆环）和三维（球体）的计算机模拟,提出在三维情况下,连续分布球体在分布模数为0.37时出现最紧密堆积;而在二维情况下,连续分布圆环在分布模数为0.56时出现最紧密排列。

1973年Kaeuffer[41]首先提出了暂堵剂颗粒的“理想充填理论”,又称作d1/2理论。

他假设钻井液中的暂堵颗粒服从Gaudin_Schuhmann粒度分布模型,并通过物理实验及计算机模拟计算得出:

当模型参数n=0.5时有最高的堆积效率。

1977年Abrams[44]首次提出了对钻井液中所使用的暂堵剂颗粒尺寸进行优选的准则,即“三分之一”架桥规则。

80年代根据Stokes原理设计西德Frich公司20型光学沉降扫描仪测定钻井液固相粒度分布。

1986年Stovall[9]等提出了多粒径颗粒堆积密度的线性模型和计算公式。

Stovall等研究证实,n组粒径体系中至少有一组粒径的颗粒是充分密实堆积的,由此推导了连续粒径分布的干粉体系堆积密度公式。

1988年A.B.Yu[57]曾建立了针对球形颗粒堆积体系的密实度计算模型。

1996年王德怀和G.Fu[58]分别研究了混凝土集料颗粒堆积的修正模型和混凝土集料的级配等。

1996年Smith[43]等人的研究结果表明,储层中的较大孔喉对渗透率的贡献相当大,而一些较小孔喉对渗透率几乎没有贡献。

1998年Hands[42]等人依据“理想充填”理论,进一步提出了便于现场实施的d90规则,即当暂堵剂颗粒在其粒径累计分布曲线上的d90值（指90%的颗粒粒径小于该值）与储层的最大孔喉直径或最大裂缝宽度相等时,可取得理想的暂堵效果。

2000年德国水泥工业研究所ThorstenReschke[49]工程师在其一篇研究报告中介绍了一种水泥堆积密度计算方法。

1.2.2国内研究和实践现状

20世纪80年代以来开发了大量的造粒粒度预测模型,其中最普遍的是质量集合平衡模型和数群集合平衡模型[50]。

数群集合平衡模型的研究比较完善,现已应用于工业。

数群集合平衡模型建立在二元聚合机理基础上,是根据造粒过程中造粒总数量相等的原理建立模型。

90年代我国引进的SALD-1100型激光粒度仪综合研究了时间、粘土含量、纯碱含量以及常用处理剂对钻井液中粘土粒度分布的影响规律[1]。

在此基础之上又对不同含盐（NaCl）量的盐水钻井液和加入常用处理剂的海水钻井液中粘土的粒度分布进行了研究。

90年代胜利油田利用光学沉降扫描仪测定了常用的几种钻井液处理剂对固相粒度分布的影响[2]。

实验结果表明，处理剂80A51、以PAC141、HPAN对粘土及明化镇地层土均有不同程度的絮凝作用，而Na2CO3、FCLS、NaK等处理剂对粘土及明化镇地层土具有强烈的分散作用，同时还研究了不同体系钻井液的固相拉度