钻井液工艺原理.docx

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钻井液工艺原理

名词解释

1.晶格取代

2.钻井液:

用于钻井的具有各种各样功用以满足钻井工作需要的循环流体

3.钻井液的阳离子交换容量：

每100ml钻井液所能吸附亚甲基蓝的量，用

表示

粘土的阳离子交换容量CEC：

在分散介质的PH值为7的条件下，100g粘土所能交换下来的阳离子总量

4.粘土的水化作用：

粘土矿物遇水后，在其颗粒表面吸附水分子形成水化膜，经层间增大的过程

5.造浆率:

1t粘土所能配出的表观黏度为15mPa*s的钻井液体积

6.取代度d:

纤维素分子每一葡萄糖单元上的三个羟基中,羟基上的氢被取代而生成醚的个数称为取代度

7.剪切速率：

垂直于流速方向上单位距离流速的增量

剪切应力：

单位面积上的剪切力

8.表观粘度：

又称有效粘度，是在某一剪切速率下，剪切应力与剪切速率的比值，

宾汉：

  幂律：

9.剪切稀释性：

塑性流体和假塑性流体的表观粘度随着剪切速率的增加而降低的特性

钻井液的触变性：

指搅拌后钻井液变稀，静置后又变稠的性质（一般用终切力与初切力之差表示）

10.酚酞碱度:

能使ph值降低至8.3所需的酸量称为酚酞碱度

钾基橙碱度:

能使ph值降至4.3所需的酸量

钻井液的造壁性：

钻井液滤失过程中，其自由水进入岩层，固相颗粒附着在井壁上形成泥饼，减小渗透性阻止或减慢钻井液继续侵入地层

填空

SMP/SMC/SMT

动切比0.36-0.48pa/（mpa*s）    流性指数n控制在0.4-0.7

试验渗滤压差 0.89mpa  

影响粘土阳离子交换容量大小的因素：

粘土矿物的本性；粘土的分散度；溶液的酸碱度

电动现象的存在说明胶粒表面总带有电荷，其主要来源：

电离作用，晶格取代作用，离子吸附作用，未饱和键

简答

1.钻井液的组成:

由膨润土,水.各种处理剂,加重材料,及钻屑所组成的多相分散体系

钻井液的功用：

携带和悬浮岩屑；稳定井壁和平衡地层压力；

冷却和润滑钻头、钻具；传递水动力

此外钻井液还要做到：

与所钻遇的油气层相配伍，满足保护油气层的要求；

有利于底层测试，不影响对地层的评价；

避免对钻井人员和环境发生伤害和污染；

不腐蚀井下工具及地面装备或尽可能减轻腐蚀

钻井液分类：

分散钻井液（细分散）；

钙处理钻井液，盐水钻井液，饱和盐水钻井液（粗分散）；

聚合物钻井液，甲基聚合物钻井液（不分散）；

油基钻井液；  合成钻井液；  气体型钻井液； 保护油气层钻井液

2.静电稳定理论（DLVO理论）：

溶胶在一定条件下是稳定存在还是聚沉，取决于胶粒之间存在的两种相反的作用力，即相互吸引力与静电斥力，当胶体颗粒在布朗运动中相互碰撞时，吸力大于斥力，溶胶就会聚结，反之，斥力大于吸力时，粒子碰撞后又分开，保持其分散状态

3.粘土水化膨胀受三种力制约：

表面水化力；渗透水化力；毛细管作用力

影响粘土水化膨胀的因素：

粘土晶体的部位不同，水化膜厚度不相同；

粘土矿物不同，水化作用的强弱不同；

粘土吸附的交换性阳离子不同，其水化程度有很大差别

泥浆中可溶性的盐类及泥浆处理剂的影响

温度和压力的影响

粘土水化膨胀作用机理：

粘土矿物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

4.丹宁的稀释机理:

单宁酸钠苯环上相邻的双酚羟基可通过配位键吸附在粘土断键边缘的铝离子处，而剩余的—ONa和—COONa均为水化基团，他们又能给粘土颗粒带来较多的负电荷和水化层，使粘土颗粒端面处的双电层斥力和水化膜厚度增加，从而拆散和削弱了粘土颗粒间通过端--面和端—端连接形成的网架结构，使粘度和切力下降

5.不同交换性阳离子引起水化程度不同的原因P42

粘土单元晶层间存在两种力：

1.晶层间阳离子水化产生的膨胀力和带负电荷的晶层之间的斥力，

2.粘土单元晶层—层间阳离子—粘土单元晶层之间的静电引力

若静电引力大于晶层间的斥力，即2〉1，则粘土只能发生晶格膨胀

若晶层间斥力大于静电引力，即2〈1，粘土发生渗透膨胀

6.对抗高温钻井液处理剂的一般要求

1）高温稳定性好，在高温条件下不易降解

2）对粘土颗粒有较强的吸附能力，受温度影响小

3）有较强的水化基团，使处理剂在高温下有良好的亲水特性

4）能有效抑制粘土的高温分散作用

5）在有效加量范围内，抗高温滤失剂不得使钻井液严重增稠

6）在PH较低（7-10）时也能充分发挥其效力，有力与控制高温分散，防止高温胶凝和高温固化现象的发生

7．聚合物钻井液的特点

1．固相含量低而且亚微粒子所占比例也较低

2．具有良好的流变性

3．钻速快

4．井壁稳定民井径规则

5．对油气层伤害小，有利于发现和保护气层

6．防止井漏

7．钻井成本低

论述

1.影响聚结稳定性的因素并举例

（1）电解质浓度的影响

1）在高浓度电解质存在时，除了胶粒非常靠近以外，在任何距离上都是吸引能占优势，在这种情况下聚结速度最快

2）在中等电解质浓度下，由于存在远程斥力能的作用，聚结过程被延缓了

3）在低电解质浓度下，由于存在明显的远程斥力能的作用，聚结过程很慢

例：

钻井时发生盐侵或钙侵时，易导致钻井液性质发生变化，应采用饱和盐水钻井液体系

（2）反离子价数的影响

电解质中起聚沉作用的主要是与胶粒带相反电荷的反离子，反离子价数越高，聚沉值越低，聚沉率越高，聚沉能力越强

例：

（3）反离子大小的影响

水化离子半径越小越容易靠近胶粒，越容易发生聚沉，尤其对低价离子影响显著

例：

钾基聚合物钻井液中钾离子起页岩抑制剂的作用

（4）同号离子的影响

同号离子对胶体有一定的稳定作用，可以降低反离子的聚沉能力，但有机高聚物离子例外

例：

HPAM在膨润土颗粒上吸附，可增加粘土颗粒的电动电位

（5）相互聚沉现象

带相同电荷的两种溶胶混合后没有变化，除个别例外，而两种相反电荷的溶胶相互混合则发生聚沉

例：

正电胶MMH加入水基钻井液中，使得其切力增加，滤失量也增加

2．无机处理剂在钻井液中的作用机理（举例说明）

（1）离子交换吸附

在配置预水化膨润土时，加入适量碳酸钠，使钠离子与钙蒙脱土颗粒表面的钙离子发生交换，从而使粘土的水化和造浆性能提高，分散成更小的颗粒，使钻井液粘度和切力升高，滤失量降低

（2）调控钻井液的PH值 添加适量的烧碱提高钻井液的PH值，以应对PH值下降的现象

3）沉淀作用

如有过多的钙离子或镁离子侵入钻井液，则会削弱粘土的水化和分散能力，破坏钻井液性能，这时可先加入适量烧碱出去镁离子，然后用适量纯碱除去钙离子

（4）结合作用  在受到钙侵的钻井液中加入足量的六偏磷酸钠，可生成稳定的络离子，将钙离子束缚起来，相当于从钻井液中除去钙离子

（5）与有机处理剂生成可溶性盐

单宁腐殖酸等有机处理剂在水中溶解度很小，不易吸附在粘土颗粒上，加入适量烧碱，使之转化为可溶性盐，如单宁酸钠和腐植酸钠，才能发挥其效能

（6）抑制溶解的作用

在钻遇岩盐和石膏地层时，常使用盐水钻井液和石膏处理的钻井液，甚至是使用饱和盐水钻井液，来增强钻井液抗污染能力，以及防止可溶性岩层的溶解，使井径保持规则

推导静滤失方程：

假设：

泥饼厚度与钻井直径相比很小，泥饼是平的且厚度为定值，泥饼不可压缩且其渗透率不变

滤失速率：

（1）      K—泥饼渗透率

滤液粘度

滤液体积

于是有

（2）  

钻井液体积

将

（2）带入

（1）中得：

将上式积分得：

分析静滤失量的影响因素：

1）滤失时间；2）压差越大，滤失量越大；3）滤液的粘度；4）温度（T增大，粘度减小，滤失量增大）；5）固相含量，钻井液中固相含量越高，泥饼中固相含量越小，钻井液滤失量越小；6）岩层的渗透性；7）泥饼的压实性，泥饼越薄，渗透性越小，滤失量越小；8）钻井液的絮凝和聚结，可提高泥饼渗透率，从而增大滤失量

7.流变参数的计算

宾汉流体：

假塑性流体：

2.几种主要粘土矿物的晶体构造特点及其对储层的影响

（1）高岭石

1）1:

1层型粘土矿物；2）几乎无晶格取代，CEC很小，负电量少；3）晶层与晶层之间容易形成氢键，故晶层间连接紧密；4）水化性能差，造浆性能不好

影响：

1）在钻井过程中，含高岭石的泥页岩地层易发生剥蚀掉块

2）高岭石常见疏松地层，在砂岩空隙中常以分散质点式存在且颗粒较大，附着力弱，是储层中产生微粒运移的基础物质

3）流体以较高流速流向油层时，因剪切力作用使其从砂岩颗粒表面脱落随流体一起流动，在喉道上产生堵塞

4）当储层中有较多高岭石成分时，应控制流体流速

（2）蒙脱石

1）2:

1型粘土矿物

2）晶格取代多在八面体中，CEC大，负电量大

3）晶层间引力以分子间力为主，因力弱，晶层间距较大，水分子易进入晶层，引起晶格膨胀

4）晶层的内外表面均可进行水化及阳离子交换，吸水性强，造浆率高

影响：

1）钻井时易导致缩径，卡钻事故

2）易出现在浅层，以薄膜形式粘附在碎屑颗粒表面

3）亲水性强，比表面高其水化膨胀会降低储层渗透率，降低产量

（3）伊利石

1）2:

1层型粘土矿物

2）晶格取代多发生在四面体中，其晶胞平均负电荷比蒙脱石高，产生的负点主要由钾离子平衡

3）晶层间引力以静电引力为主，比氢键强，晶层间距较小是非膨胀型粘土矿物

4）水化作用仅限于外表面

影响：

1）多是搭桥式，有很多微细孔隙，产生强吸水区，外来液体侵入后，易造成含水饱和度增加，使油层的相对渗透率下降

2）一些毛发状的伊利石在流体流动时有可能被粉碎，并运移至喉道外形成阻塞，其单向阀作用，从而伤害油气层的渗透率

（4）绿泥石

1）2:

2层型粘土矿物

2）层间有水镁石晶片，静电核数很低

3）非膨胀性粘土矿物

影响：

1）富含铁，具有酸敏性

2）酸化时被溶解，释放铁离子，当酸耗尽时会形成氢氧化铁沉淀，其粒度比一般底层喉道尺寸大，易堵塞喉道而损害油层，造成酸化失败

3. 调整钻井液宾汉模式流变性参数的一般方法可概括为：

（1）降低

：

1）通过合理使用固控设备，加水稀释，减少固相含量

2）用化学絮凝方法降低粘土分散度

（2）提高

：

1）加入低造浆率粘土，重晶石，增加固相含量

2）混入原油或适当提高PH值

3）增加聚合物处理剂的浓度

（3）降低

：

1）加入降粘剂，拆散钻井液中已形成的网架结构

2）如因

，

等污染引起的

升高，可用沉降方法去除这些离子

3）用清水或稀浆稀释也可起到降低

的作用

（4）提高

：

1）可加入预水化膨润土浆，或增大高分子聚合物的加量

2）对于钙处理钻井液或盐水钻井液，可通过适当增加

和

浓度来提高

8.钻井液在井内发生滤失的全过程由三个阶段组成：

瞬时滤失；动滤失；静滤失

瞬时滤失：

地层刚钻开尚未形成泥饼之前的滤失

特点：

时间短；滤失速率最大；利于钻井

动滤失：

钻井液循环时的滤失

特点：

压差较大；泥饼薄；滤失量由较大减小至定植

静滤失：

钻井液停止循环时的滤失

特点：

压差较小；泥饼较厚；滤失量较小

结论:

静滤失比动滤失的滤失速率小，但泥饼厚

控制滤失量应控制动滤失，控制泥饼厚度应控制静滤失