C09 高温高压泥浆.docx
《C09 高温高压泥浆.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《C09 高温高压泥浆.docx（8页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
C09高温高压泥浆
第九章高温高压泥浆
引言
泥浆体系的选择和维护，对一口高温高压井的成功钻进是非常必要的。
相对于一口常规井环境，对于泥浆的任何无用环境条件，都可能使泥浆性能发生根本性的改变。
随着温度的升高，化学反应加快、变强，任何污染物的作用也会增强。
定义
高温高压井通常认为是指井内温度超过300F（150C），为了满足井控需要，当量泥浆比重为16.0ppg（1.92sg）或更高的油井。
然而，从钻井液的观点看，可以这样来认识高温：
它就是指常规钻井液添加剂，以某一合适的速率开始进行热降解时的温度。
这种降解会引起各组分性能的衰减，使得体系的维护变得困难而昂贵。
从自然物质中所提取的许多泥浆化学处理剂，在温度为250F和275F之间时，都会发生热降解反应。
然而，针对高温井所设计的许多泥浆体系，主要包含粘土、lignosulphonate与ligites，这种体系在350F的温度下都是稳定的。
然而，在300F以上时，要维护这些泥浆，就显得非常困难，而且成本也很高。
热降解机理
热降解可简单地认为是：
将那么多的能量施加于某种化学物质中，以致于它的某部分结构被破坏了，或改变了其存在形式，由于存在某些化学物质，在低温条件下，也可能会发生类似的作用。
如氧（从空气中来）可以促进氧化作用，水（存在于泥浆中的）也可促进水解作用。
无论什么原因，或所涉及的特殊化学反应，在高温条件下，最终的结果是：
以前稳定的钻井液，现在却变得难于控制。
很不幸的是，在高温井中，泥浆的温度不仅会升高，而且应力也有变化。
在钻井液中，常常还存在象硫化氢和二氧化碳这样的酸性气体化学污染物。
高比重、深井眼是高温井所具有的部分特征。
长时间的起下钻，使井眼长时间静止，充满泥浆的固相也暴露于污染物中，并且，大量的高温泥浆处于条件差、充满应力的环境中。
搬土浆体系
高温使般土悬浮物发生分散絮凝作用，随着温度和应力的升高，蒙脱石（商用般土的主要成份）的水化也会增强，并且，有更多的粘土小块从它们的聚积束中分离出来。
在悬浮液中，将有更多的颗粒存在，并使悬浮液的粘度升高。
聚积束的分离物可提供更多新表面供氢氧根离子吸附，从而间接造成PH值的降低。
在悬浮液中，由于表面积增加与PH值减小的共同作用，使得絮凝作用增强。
在井底条件下，这就需要向泥浆中加碱和悬浮剂。
如果悬浮剂不够，或者其本身就存在热降解，则会发生严重的絮凝或胶凝作用。
在起下钻和重新建立泥浆循环时，经常会形成这种条件。
图表1表明了：
在清水体系中，温度对一种简单般土悬浮物（18桶）胶凝特性的作用的关系。
该图表明：
当温度达到120F（250C）时，将会产生过度胶凝作用。
实际上，触变絮凝的实际温度是由泥浆的组分来决定的。
般土的类型、钻屑的浓度和类型、悬浮物的浓度和类型以及液相的离
（9-4）
子组分，所有这些对絮凝作用都有影响。
在高矿化度的环境下，钙离子与胶状粘土相互作用，会形成象铝土硅酸钙一样的水泥层。
在这种情况下，可能会产生极高的切力，在最严重的情况时，泥浆实际上是可能会固化。
聚合物泥浆
温度对聚合物泥浆的影响主要是由于温度对聚合物组分存在影响。
在绝大多数情况下，聚合物泥浆是低固相泥浆，并且，所有的聚合物泥浆对粘土的水化都有一定抑制作用。
在般土浆中，会出现粘土水化增强的问题，在聚合物泥浆体系中，却是很少出现这样的问题，然而，聚合物泥浆体系对热降解比较敏感。
聚合物链的断裂可能伴随着所联基团的化学变性。
由聚合物断链所引起的两个主要反应是氧化反应和水解反应。
通过将体系的PH值维持在9.5--10.5范围内，并使用除氧剂，是可以将这两个反应控制到一定程度的。
油基泥浆体系
在水基泥浆中，带电粘土与聚合物相互间存在电性作用。
而在非极性连续相的油基泥浆中，却不会发生这种作用。
只有对于相对较弱的氢键，才会产生这种作用。
如果升高温度，这些较弱作用力，是很容易破坏的，因此，油基泥浆中的热胶凝作用并不常见的。
温度极限
对于水基泥浆处理剂和水基泥浆体系，下面这些表给出了发生热分解
泥浆处理剂
常用类型
温度（F）
温度（C）
瓜尔胶
225
107
淀粉
250
120
生物聚合物
250-275
120-135
HTStarch
275
135
CMC和PAC
275
135
Lignosulphonate
250-325
120-160
StangardLignite
300-350
150-175
ModifiedLignite
350-450
175-230
合成基聚合物
400-500
205-260
泥浆体系
常用类型
温度（F）
温度（C）
不分散聚合物
275
135
NDP-HighTemperatureFormulation
350
175
般土/FCL
300
150
般土/FCL/Lignite
350
175
般土/ModifiedLignite/PolymerBlends
400
205
合成基聚合物（PHPA\PA\SSMA
VSA等）
400-500
205-260
作用的温度极限值，或者实际应用的温度极限值。
如果正确配制油基泥浆，在450F（230C）井底温度下，泥浆仍可很好发挥其作用。
延长温度极限
为了提高泥浆体系和处理剂的热稳定性，有必要对引起处理剂失效的机理进行抑制，并（或）替换掉体系中首先出现性能衰减的处理剂。
通过减少引起聚合物链破坏的反应，来延长聚合物寿命，这些反应主要是水解和氧化反应。
水解反应可通过维持体系的PH值在9.5－10.5范围内来减少其发生，而氧化反应，则可通过加除氧剂来避免。
单独使用任何一种方法，都可将绝大多数泥浆体系的热稳定性温度提高大约25F。
我们相信，存在一些重金属，它们对这种破坏性反应起催化作用，如果除去这些元素，则这些处理剂就可以使用了。
最近的一个研究表明：
当在甲酸盐中使用聚合物时，其热稳定性可以提高50F，这主要是因为甲酸是一种较强的抗氧化剂。
泥浆性能
温度和压力对泥浆性能有重要影响
密度
泥浆的比重随温度而发生较大的变化，认识到这一点是非常重要的。
这个变化可以通过升高温度，泥浆的密度会降低来说明。
之所以出现这种情况，是因为液相存在热膨胀问题。
而连续的油相比水相具有更大的膨胀系数，这是油基泥浆很特殊的现象。
流变性和切力
在油田用普通钻井液中，随着温度的升高，泥浆的各种性质都会降低，然而，在井下条件时，这种现象可能会由于压力的升高而减少，并且，由于水化作用增强，商用粘土和钻屑的絮凝，这种现象可能会完全颠倒（如温度升高，粘度也会升高）。
在高温条件下，如果在井眼中含有象钙、镁和二氧化碳这样污染物，则可能会使水基泥浆的流变性升高到那么一个程度，以致于最后变得不可泵送了。
油基和合成油基泥浆的粘度也会随所施加压力的增大而升高。
泥浆滤液
API失水和高温高压失水随温度升高而增加。
这主要是由于处理剂性能减弱，以及滤饼的压缩性随温度而改变引起。
在大于100psi的压差作用下，只使压力升高，对粘土泥浆的滤失量几乎没什么影响，这说明了滤饼的可压缩效应。
通常，超过一定温度时，在该温度条件下，聚合物会失去其增粘能力，但却保持了控制失水的功能。
这是由于，已断裂的、短的聚合物键具有滤失控制剂一样的功能，但又不会象增粘剂那样引起体系粘度的升高。
矿化度
温度可以提高许多化学反应的速率和程度。
粘土泥浆屈服值的升高，使得它与离子间相互作用更有利，特别是对于羟基离子，更是如此。
最终结果会使得泥浆矿化度降低，絮凝作用增强。
在油基泥浆中，特别是在长期起下钻后，随着温度的升高，石灰与表面活性剂的反应会增强，泥浆矿化度会减小。
由于缺少性能良好的石灰，泥浆性能常常受到影响。
亚甲基蓝测定法
当使用水基泥浆时，亚甲基蓝测定法（MBT）是最有效的测试方法之一，这种测定方法可显示出泥浆一般状况。
从测试结果，可知道到泥浆中活性粘土的含量和粒度。
例如，在常规井中，对于一个非分散聚合物泥浆体系，其MBT值（般土含量值），应该不超过20磅/桶。
在高比重泥浆中，15磅/桶MBT值可以认为是其上限值。
高温可以快速提高商用般土和反应性固相的屈服值，从而，会使MBT的测试值迅速升高。
般土含量较高的泥浆对污染物是比较敏感的，而在低固相泥浆体系中（如碳酸钙泥浆等），污染物是不会产生什么问题的。
闪点
在高温高压井中，使用油基泥浆时，特别是钻121/4"深井段时，出口管线的温度可能达到了油基泥浆的闪点。
在171/2"井眼中，通常井底温度太低，以致于会引起一些问题，并且，在小直径井眼中，随着泥浆进入环空，其循环速度使得泥浆有时间得以冷却。
如果高返出泥浆温度较高，它可能对弹性材料具有不良影响，并还可能产生一些意想不到的烟气，从而增加了着火的危险性。
应认真管理好地面泥浆池，可以利用它冷却泥浆，但所有这些作用通常都是很小的。
一些作业者提倡使用泥浆冷却器（热交换器），一些证据表明：
在正常使用时，这种方法证明还是有效的。
征兆与补救措施
现象
同高温相关问题的典型征兆是：
高粘度和高切力
泥浆漏失量增加
矿化度降低
这些问题本身可表示为：
很难中断泥浆循环
很难将工具下入到井底
很难对循环过的泥浆进行除气
有可能发生压差卡钻
如果泥浆体系温度发生了恶化，首先，在起下钻以后，通过循环出井口的泥浆可监测到。
在高温高压井中，由于起下钻的时间较长，泥浆长时间暴露在井底附近的温度下。
如果不采取补救措施，则应该对循环出井口的泥浆进行测试，并且把测试结果用来预测可能出现的问题，这是非常重要的。
补救措施－水基泥浆
增加流变性与切力：
添加水－由于粘土表面积的增加，井下滤失量会增加，在高温时，泥浆表面由蒸发作用迅速转变为脱水化作用。
减少固相含量－减少泥浆中低比重固相的百分含量，将有助于对泥浆流变性进行控制，并能提高处理剂的性质。
添加悬浮剂－如果从返出泥浆表明：
泥浆正变得非常稠，则增加悬浮剂或分散剂的浓度是很有用的。
如果可能的话，用一种更合适于井底温度的处理剂，代替已存在的处理剂。
在提高泥浆处理剂的浓度时，应格外小心。
虽然许多化学药品都吸收自由水，但这些可能对悬浮剂并没有任何不利影响。
调节PH值－-保持足够的矿化度，可会减少粘土的絮凝，保证絮凝剂有效发挥它们的作用，并可降低聚合物水解。
对于绝大多数水基泥浆，其目的就是要维持PH值在9.5－10.5的范围内。
滤失量增加：
添加高温降虑失剂－-如果使用现有的处理剂，很明显不能经济地控制滤失量，应该使用一种更高温度稳定性的处理剂。
这种方案看起来成本常常较高，但通常表明还是很经济的。
补救措施－油基泥浆
流变性与切力升高：
添加原油－-由于滤失量的升高与表面蒸发作用，会减少泥浆中整个原油的含量，如果不进行替换，最终将会使整个体系脱水。
加入油湿剂－-通过保证所有固相都具有油湿性，从而使粒子之间反应减少。
这些作用会引起泥浆粘度和切力下降。
当加油湿剂时，必须小心谨慎。
它们通常是浓缩产品，在油基泥浆中，这种处理剂对粘土泥浆流变性是非常有效的稀释剂。
如果对泥浆过分处理，可能会使悬浮液的特性降低到某种程度，这将使井眼的净化问题更严重，并可能引起重晶石沉降。
高温高压滤失量增加。
通常，在高温高压下，很容易使滤失量升高，出现这种情况时，通过向泥浆中加入足量石灰，并保持一定余量（2－3磅/桶），可以很经济地得以补救。
如果这种方法无效，则可提高所需乳化剂的量。
最后，根据需要，可加入一种干粉末状降虑失剂（如amine、lignite、soltex、gilsonite）。
在加入这种处理剂以前，需确认它们同地层的配伍性。
计划
在高温高压环境中，一种泥浆体系成功的使用，很大程度上受作业前计划的影响。
在钻一口高温高压井之前，必须制定合适的紧急情况应急措施，以保证在高温高压井中，潜在的泥浆问题和一些普通的问题可以被预测到，并可采取措施进行解决。
泥浆体系选择
对于某个特殊的应用，，所选择的泥浆类型，不只由最高井底温度来决定，而且还有许多其它因素。
油井的位置对泥浆体系的选择有一定影响，如果是在一个特别偏远或存在环境敏感性地区钻井，则应使用油基泥浆，对常规井，通常是比较好的方案，而对高温井来说，使用就存在一定限制性。
在选择泥浆体系时，需先对地层和污染物的情况进行预测。
例如，高分散性水基泥浆不适合于钻活性页岩，或者预测有二氧化碳或盐流的地层。
因为，在不含石灰的水基泥浆中，二氧化碳可能会产生严重的负面影响。
然而，用石灰高度处理过的水基泥浆中，在高温条件下，其稳定性极差。
在高温条件下，聚合物泥浆很容易通过各种方式进行降解。
可以看到，对于高温环境，粘土泥浆或聚合物泥浆是比较理想的泥浆体系。
然而，对于情况了解的地层，所用泥浆材料也是经过认真选择的，但在温度达到450F的油井中，使用水基泥浆仍具有一些困难。
因此，有必要选择一个合适的泥浆体系用于高温高压井，作为设计过程的一部分，为满足处理井下环境和污染物的需要。
需对所选泥浆体系的配方进行优化。
重晶石沉降
如果所钻油井为大斜度井（井斜大于30），则优化泥浆配方必须包括对重晶石沉降可能性试验。
在高井斜，高温高压井中，主要的困难就是预防重晶石沉降的发生。
通过实验室试验，并选择最合适的增粘剂混和物，可以最大限度地减少这种风险。
固控设备
钻屑是所有钻井液体系中主要的污染物。
在高温高压井的泥浆体系中，高固相含量的负面效应可能会扩大。
在这种泥浆中，由于加重剂造成了固相含量过高。
几乎没有自由液相来润湿固相，使得粒间作用较强。
由于高摩阻作用，使得粒子尺寸减小，并使问题很快变得复杂化。
例如，在泥浆中，由于存在大量的细钻屑，这会加剧由二氧化碳或钙离子引起任何污染作用。
可以看到，对泥浆中固相进行有效清除，对维护高密度泥浆性能很有必要，特别是对于高温环境，更显得比较重要。
而振动筛的初级分离作用，通常是很有效的。
在小直径井眼中，泥浆比重可能非常高，而流速却比较低。
因此，对这种情况，允许使用细目振动筛，如果使用小于200目（74u）的筛布，必须考虑到大量的重晶石可能会被除去。
当处理高固相泥浆时，氯化物对泥浆体系几乎没有什么影响，因为它们很容易快速结块。
正确安装离心机，使用起来效果也是比较好的。
泥浆工程师
对于高温高压井的泥浆工程师，必须熟悉所要使用的泥浆体系，这一点是绝对必要的。
他们也必须熟悉所有的工程技术，以及钻井过程中所需的应急措施。
而且，他们必须知道并熟悉以下各项内容：
必须使各相关人员知道各种泥浆的转化与混和作业。
当使用水基泥浆时，对各种可能存在的污染物作用和热胶凝作用，应具有处理能力。
会使用热轧烘箱和范氏70转/分钟流速计。
硫化氢的检测、分析与处理。
重晶石泥浆的配制与驱替方法。
普通循环漏失技术与诱导裂缝引起的特殊循环漏失技术。
质量保证与质量控制
对于重晶石，建立一个质量控制程序是非常重要的，当使用般土时，也可建立一个质量控制程序。
如果使用的是水基泥浆，这一点就显得特别重要。
重晶石的污染物，特别是对于碳酸盐中的污染物，通过絮凝般土和钻屑，引起一些重大问题。
如果要用到般土，可只用袋装的俄怀明级材料。
大量的成块般土可通过分散，来满足技术规范的需要。
在这个过程中，所添加的化学处理剂对高固相水基泥浆，会产生较大的危害。
作业考虑
当使用水基泥浆时，泥浆工程师应仔细观测井口返出的泥浆。
就象上面所讨论的一样，这些泥浆通常是循环体系中性能最差部分。
由于粘土水化和悬浮剂组分性能减弱，在油井中它可能变得非常稠。
如果环境条件容许，应该将这些泥浆弃掉。
如果将它们混入循环体系中，则它将对般土含量、流变性和切力升高值产生不确定的伤害。
在高温井中，如果使用的是水基或油基泥浆，为了使钻井液性能更好一些，经常需要往钻井液中加入基液。
随着井下泥浆滤失的进行，以及地面泥浆高温蒸发作用，使得基液的量不断减少。
注意：
1、在高温高压井段，向泥浆体系中加入任何物质，通常都应该在泥浆循环过程中进行，而在钻井过程中，则不能往泥浆中添加任何处理剂。
在钻井作业过程中，如要向泥浆中加入处理剂，则应该将泥浆损益监测器关掉，因为，即使是向循环池中加入最易控制的处理剂，都有可能会引起一些混乱和猜疑
2、在使用一种分散性水基泥浆时，将泥浆体系中低比重固相含量保持在控制范围之内，这是非常关键的。
在许多泥浆工程师中，都普遍存在一种倾向，就是用化学稀释剂来控制泥浆切力的升高，因此，这样一来，就得允许泥浆中固相含量增加到某一点，达到这一点时，泥浆性能就很难进行控制。
3、在钻台上，有一个热轧烘箱和（或）一个70转/分钟范氏流速计，可利用它们对泥浆的流变性和切力值进行监测。
通过对达到预期温度的循环泥浆的反应进行研究，并对此制定出新的措施。
4、特别是在水基泥浆中，要确保对硫化氢进行严密监测，它们可能来自于地层或泥浆中处理剂的分解。
在钻台上，手头上必须有泥浆处理剂的合适处理方法，以保证硫化氢对钻井人员和设备不会造成危害。
必须随时备有循环漏失处理剂，以便对漏失，特别是诱导裂缝漏失进行处理。
升级会员 