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1、钻井冲洗液技术1钻井冲洗液技术 概述 一冲洗液的分类 钻探中所用的冲洗液根据成分可分为三大类; 1 .清水: 使用经济.简便.水源广,不须加工处理,.减少了加工设施及处理费用,对机场环境卫生及农田没有污染和危害,.流动性好,泵压低,对钻头的冷却效果好,钻进效率高,并可根据孔口返出的冲洗液颜色判断地层,.一般适用水文孔,、稳定地层或套管隔离后的非稳定地层。 2 泥浆; (1)普通泥浆-不加任何化学处理剂,只是粘土加水。优点;配制容易,成本低,无毒无污染,在地层不很复杂,孔壁内比较稳定的地层被采用。 (2)化学泥浆除水土外,再加入一些化学处理剂。通常以加入化学剂的名称命名。如;P HP. SPAM

2、.钙处理泥浆等等。 由于泥浆技术的不断发展,单从化学的名称来命名泥浆已经不能完善地表明泥浆的性能和功用,因此,出现了许多泥浆分类的新方法,例如:按泥浆中粘土分散程度分;细分散.粗分散.不分散; 按分散相和分散介质的不同分:水基泥浆、.乳化泥浆、和油基泥浆。也有按固相含量来分类的。泥浆钻进的护壁与携带岩粉性能大大优于清水。 3. 化学漿液: 不含粘土儨矿物,也就是无固相冲洗液。如乳化液及清水加各种类型的化学处理剂的冲洗液,具有良好的润滑性,冷却性能好,能抑制水敏性地层的膨胀和坍塌,适用于高转速的金刚石钻进及绳索取心钻进。 二.冲洗液在钻探中的功用 在钻探生产中,冲洗液素有钻孔的血液之称,在解决复

3、杂地层的钻进中,国内外专家有“打钻靠泥浆之说”。总括起来有以下几种功用: 清洗孔底。悬浮携带岩粉,防重复破碎,提高钻头寿命和钻进效率。 潤滑钻杆,冷却钻头。进中孔底钻头破碎岩石的有效功只是传到孔底机械功的一小部分,而绝大部分机械功都转化为热能。在强力规程下,金刚石的温度可达600700,如果冲洗液突然中断,钻头温度急剧升高至8001000。钻头胎体变形,金刚石石墨化(即烧钻)。很显然,冲洗夜在孔内循环冲洗钻头时,由热交换作用而带走热量,从而冷却了钻头,改善了钻头的工作环境,增加了钻头的寿命。同时,由于金刚石钻进要求高钻速,冲洗液具有润滑、减阻、防振等性能,从而减少了钻杆与孔壁、钻头与孔底之间的

4、磨擦,提高了效率。保护孔壁预防孔内事故; 泥浆柱的静压力和泥浆的造壁性能可保护水敏性地层和不稳定地层的孔壁,防止孔壁的坍塌掉块事故。如果调节的泥浆性能合适,可以防止钻孔漏失(如;絮凝堵漏)和孔喷(如;增加泥浆比重,加重晶石)。 有利于孔底破碎岩石; 由于冲洗液泵入孔内采用高压水泵,产生的压力水马力作功对孔底岩石产生冲蚀作用,有利于破碎岩石。 往地面输送岩心; 在反循环连续取心钻进中,用冲洗液作为介质,通过钻杆柱向地面输送岩心,使钻进效率高、钻头寿命长、成本低、岩样代表性好、层位准确。 作为孔底冲击回转、螺杆钻、涡轮钻进的动力来源。 三、泥浆的组成 泥浆大多是由水、粘土、以及化学处理剂组成的。

5、(一)、粘土;粘土是造浆的基本材料,是泥浆中的主要成分-称为分散相。粘土颗粒一般都小于2微米。按照胶体化学的定义;固相颗粒大于0.2 微米时为悬浮体系,小于0.2微米时为胶体体系。在泥浆中,粘土颗粒有大于0.2微米的,也有小于0.2微米的,所以泥浆是胶体和悬浮体系的混合体系。 粘土的种类;高岭石(也叫高岭土); 蒙脱石(也称微晶高岭石、胶岭石); 伊利石(也称水白云母); 海泡石;等。 粘土矿物的化学成分主要有;水铝硅酸盐以及多种金属氧化物,如;氧化铁、镁、钙、钠、钾 (二)、水;在泥浆中作为分散介质(液相)。 配制泥浆用水;淡水常用; 盐水特殊情况下用; 海水海洋钻探; 矿化水含离子浓度高的

6、水。 (三)、处理剂; 为使泥浆具有钻进工艺所需求的各种性能指标而加入的一些有机、无机化学药品以及一些其它惰性材料来调节泥浆性能,叫做泥浆处理剂。 泥浆的物理化学性质 分散体系中粘土的分散、稳定和凝聚 1、沉降稳定性粘土颗粒能稳定地分散于泥浆中而不产生沉降的特性。换句话说,就是在重力作用下分散颗粒是否容易下沉的性能。 影响因素;(1)颗粒越小沉降越慢; (2)、颗粒与分散介质的密度差越小沉降越慢; (3)、分散介质的粘度越大沉降越慢。 2、聚结稳定性-泥浆中粘土颗粒之间,不会结成团和体积变大的特性。也是指分散相颗粒是否容易自动粘结变大(即自动降低分散度)的性质。 影响因素; (1)胶粒电荷的稳

7、定作用。胶粒表面带有相同电荷(粘土颗粒带负电),相互接近时产生斥力,斥力越大,胶粒越难聚结,即稳定性好。 (2)吸附溶剂化层的稳定作用。粘土颗粒外面存在的水化膜(即吸附溶剂化层)具有较高粘度和弹性,构成粘土颗粒聚结的阻力。 3、分散和凝聚-在泥浆中同时存在,即分散中有凝聚,凝聚中有分散,不能截然分开,问题是看那方面占主要趋势而决定其是分散还是凝聚。保持粘土在泥浆中的分散与稳定是化学处理剂的任务之一。 泥浆分散体系内部的几种状态 分散状态; (1)、细分散状态粘土颗粒的高度分散状态。泥浆中这种成分越多越稳定,但不耐盐、钙、粘土侵。 (2)、粗分散状态通过加入钙离子(石灰、石膏、氯化钙)或食盐等,

8、使粘土细分散颗粒凝聚成较大的颗粒,再配合有机处理剂保护,形成粗分散状态。这种泥浆有较强的抗盐、 钙、粘土侵能力,控制自然造浆,抑制水敏性地层水化等作用。 2、凝聚状态 (1)、亲液状态形成的网状结构易于被破坏,使粘土颗粒重新分散(这种网状结构也叫一次胶联结构)。形成条件是;保持一定的固相浓度,膨润土只要12%浓度就可以形成网状结构。亲液凝聚过程的出现,会使部分的聚结稳定性消失而保持动力稳定性。 (2)、憎液凝聚状态在电解质作用下,粘土表面的吸附水化膜变薄,当它们相互碰撞时,引起颗粒表面间的粘结,使小颗粒变成大颗粒失去聚结稳定性,泥浆出现下部稠上部稀的水土分层现象。对泥浆来说,是不希望有此现象的

9、。泥浆遭受盐、钙侵时,以及其它高价离子侵时就会出现上述现象。 三、泥浆性能 泥浆性能主要有;泥浆流变特性、比重、失水量及造壁性能,含砂量、胶体率、稳定性、P H值、润滑性能等。 (一)、泥浆的流变性; 泥浆的流变性包括粘度、切力、触变性,随流体流动变型发生变化的特性。 流变学是属于物理、化学、力学的笵筹,泥浆流变学是研究泥浆流变性的一门科学,研究的对象为:(1)作用力;(2)、作用力作用的时间历程;(3)泥浆在力的作用下的流动状态。 1、泥浆粘度泥浆流动时内部各层间的摩阻力。粘度与泥浆内部的固相含量、内部结构有关。粘度实际上是一个比例常数,常用字母表示。单位为泊(P)。1泊=1达因。秒/厘米2

10、=100厘泊。(cP)。 切力当泥浆停止流动时,泥浆中的粘土颗粒会形成网状结构,网眼里都包含有水,这些水被束缚在网眼里不能自由流动,结构的强度都随着静止时间的延长而增大,破坏这种结构强度(使之流动)所需最小的力称为静切力,也称切力。静止一分钟的切力称为初切力、静止十分钟的切力称为終切力。 泥浆的触变性泥浆静止时产生网状结构,经搅拌网状结构被破坏,恢复了流动性,泥浆再静止又恢复了网状结构,这种静止时形成网状结构,搅拌时恢复其流动性的性质叫做触变性。例如在现场我们经常可以看到的现象,在循环槽里流动的泥浆看上去是稀溜溜的,但是在泥浆池里显得很稠,象豆腐脑一样。 泥浆流变性对钻进的影响; (1)、影响

11、破碎岩石的速度; (2)、影响泥浆的携带岩粉、岩屑的能力; (3)、影响孔壁稳定性和孔内液柱压力激动; (4)影响岩粉和加重物质的悬浮; (5)、影响泵压和泵排量的大小。 对于我们在钻探中所要求的泥浆,应当是在钻头刃部的粘度小,甚至于接近清水,这样钻头的破碎效率高,进尺速度快。单从这点要求来看,清水是最理想的,但清水的排粉携屑能力较差,需要较高的上返速度才能将岩粉携带上来,不利于护壁。为了有效地排除孔底岩粉和钻屑,必须要求泥浆在环状空间有较高的上返速度,这样对孔壁产生冲刷作用而不利于保护孔壁。为了解决这个矛盾,就要求泥浆必须具有很好的流变性能。 粘度大、切力大、触变性好的泥浆能有效地携带岩粉,

12、但粘度切力太大,对机械钻速有影响。这是因为,钻头要破碎岩石,必须首先克服刃部与岩石表面间的泥浆薄层的阻力,泥浆粘度越大,这种阻力也越大,钻进效率也越低。粘度太小,对携带岩粉不利。另外,粘度和切力太大,还会带来水泵泵压增高,特别是启泵压力过高,容易憋漏地层。虽对携粉有利,但泥浆返出孔口后岩粉不易沉淀与清除。 因此,我们调节好泥浆的流变特性,既可以提高泥浆的携粉排粉能力、提高钻速,又可以减 少泥浆对孔壁的冲刷破坏作用,有利于防塌。 (二)、泥浆比重、固相含量及对钻速的影响 1、比重(密度):定义某一物体的重量和同体积的4时纯水重量之比。 泥浆比重泥浆的重量与同体积的纯水重量比。 影响比重的因素:(

13、1)、分散相(固相)含量; (2)、固相比重的大小。 3、比重对钻进的影响: (1)、比重小,有利于提高钻进效率,在漏失地层钻进能降低泥浆柱压力,减少压漏地层的可能性,减轻或避免泥浆漏失。 (2)、比重大,对抑制孔壁坍塌,压抑地层涌水有利,适合于岩石破碎及涌水地层。但对提高钻速不利。当岩石破碎或孔内涌水时,往往把泥浆比重提高,以增加泥浆液柱的静压力。有利于防止井壁坍塌和涌水。同样道理,降低泥浆比重,就能减少泥浆对孔壁的侧压力,避免压漏地层。 4、调整泥浆比重的方法: (1)、提高比重的方法:提高固相含量,通常增加粘土用量;加入高比重材料,如重晶石。 (2)、降低比重的方法:减少泥浆固相含量(少

14、加粘土粉),或配制化学浆液。配制泡沫泥浆(向泥浆中冲气),能使比重降低到1.0以下。 (三)、泥浆的失水与造壁性: 1、泥浆失水与失水量的定义: 失水孔内泥浆在一定压差下使水从泥浆中分离出来,渗入孔壁岩石的裂隙中,这种性能叫做失水。 失水量在一定时间、压力和一定的过滤面积上从泥浆中分离出来的水量称为泥浆失水量。 泥浆的造壁性: 泥浆在失水过程中,由于自由水向孔壁渗透,结果使泥浆的固体颗粒沉积在孔壁上,形成一层泥皮,从而阻止了失水的继续进行,这就是泥浆的造壁性。 泥浆的失水与造壁过程: 在钻进过程中,泥浆内的自由水便向地层孔隙渗透,在一段很短的时间内,泥皮尚未形成,称为瞬时失水(也叫孔底失水).

15、接着泥皮在泥浆循环的情况下逐渐形成且增厚,直至厚度保持不变,而单位时间内的失水量也由较大逐渐减小以至恒定,这一过程属于动失水过程。当钻进一段时间后,在起下钻时停止泥浆循环,泥浆的液流不再冲刷泥皮,而随失水过程的进行泥皮逐渐增厚,失水量逐渐减小,这就是静失水过程。静失水的失水量比动失水量小,而泥皮比动失水厚。在起下钻结束后又继续钻进,泥浆又开始循环,静失水转变为动失水。这次的动失水是经过一段静失水,产生了静失水所形成的泥皮之后的动失水,其数量比上一次小。这样周而复始,单位时间里的失水量在逐渐减小,泥皮大体保持一定的厚度,累计失水量也达到一定的数值,这就是孔内失水与造壁的全过程。 当泥皮形成后,泥

16、浆的失水速度就不再取决于地层的渗透性,而取决于泥皮的渗透性。 (1)、细颗粒多、分散度高的泥浆,所形成的泥皮薄而致密,渗透阻力大,故失水就小; (2)、分散度差、大颗粒多的泥浆,形成的泥皮厚而疏松,故失水较大。 4、失水量太大对钻孔的影响: (1)、容易使粘土岩吸水膨胀縮径; (2)、使断层带、破碎带、水敏岩层,坍塌掉块、超径,引起卡、埋钻、及断钻杆事故; (3)、在渗透性强的岩层处形成松而厚的泥皮,这种泥皮粘滞性大,易发生粘卡钻事故,并易脱落,孔壁被暴露,坍塌,造成不安全。所以钻探中对泥浆失水量要求越小越好。经常采 用的值515ml/30分。(7个大气压) (四)、泥浆的含砂量: 含砂量是指

17、泥浆中直径大于0、074毫米,即不能通过200目筛砂子体积占泥浆体积的百分数。 含砂量高对钻进的危害性: (1)、磨损钻杆、钻具、钻头; (2)、增加水泵各部件的磨损。如:水泵缸套、活塞、活塞杆、阀门等零件; (3)、使孔壁形成的泥皮松散,影响泥浆护壁效果; (4)、增大泥浆比重,影响钻进效率; (5)、一旦停止循环,砂子在孔内沉淀,易造成孔内事故。 综上所述:我们一般要求泥浆中的含砂量越小越好,普通钻进:小于4%。但对于金刚石钻进来说,最好要小于1%。 降低含砂量的方法: (1)、选用含砂量小的粘土造浆; (2)、勤清理循环系统(勤捞砂); (3)、采用除砂、除泥措施; (4)、加化学处理剂

18、絮凝。 (五)、PH值 泥浆的PH值就是指泥浆的酸碱值,用114的数值来表示,16是酸性,814是碱性, 7是中性。不同类型的泥浆对PH值的要求不同,普通泥浆PH值常为中性,PH值为7,有时略显酸性或碱性。但对化学泥浆来讲,泥浆的PH值就显得比较重要,化学泥浆的PH 值一般都在8-10之间,甚至可达到12,显碱性。但PH值太高的泥浆容易腐蚀钻具及设备,也容易伤害人的皮肤,也不宜采用。 (六)、泥浆胶体率及稳定性: 1、泥浆胶体率 (1)、定义泥浆静止24小时后,凝胶体的体积与泥浆总体积之比的百分数(%)。也就是指泥浆在静止24小时后的水土分离程度。胶体率越高,表示泥浆质量越好,一般在96%以上

19、。 (2)、胶体率差的泥浆,质量一般也比较差,泥浆上部往往有一层清水,失水量偏大,往往比重大而粘度低。这种泥浆携带岩粉能力差,护壁效果不好。 (3)、影响胶体率的因素: a、粘土颗粒分散不好,水化不好; b、泥浆在孔内受到钙侵、盐侵等污染。 (4)、改善泥浆胶体率的方法: a、优质粘土造浆; b、在泥浆中加入碱或其它化学处理剂。 2、泥浆稳定性: 泥浆稳定性是指泥浆保持其胶体不被破坏的特性,它分沉降稳定性和絮凝稳定性。 泥浆的现场使用与管理 泥浆技术是钻探技术的重要组成部分,长期以来,就有“打钻靠泥浆”的说法。尤其是近年来,深孔钻探项目越来越多,钻孔深度越来越深,泥浆的重要性更为突出。科学合理

20、的使用泥浆,是确保钻探施工任务顺利完成的保障。再好的泥浆配方、泥浆材料,如果不能在现场实现科学的使用和管理,都将难以发挥优势。因此,我们认为,泥浆的现场使用及管理是极其重要的环节。在钻探施工中,我们应注意以下问题: 现场配制泥浆的容器、器具、设施要齐全。施工现场必须配置浸泡粘土粉的容器,容量在1立方米左右;泥浆搅拌机,以及浸泡化学处理剂的容器。 设计布置泥浆循环系统。泥浆池应有足够的容积,总容量应达到20立方米左右;泥浆循环槽总长度应不少于15米,并要有一定的水流坡度(逆向),以利于泥浆在循环槽中缓慢流动,使岩粉尽量在循环槽中沉淀下来。 现场配置泥浆净化装置。配泥浆除砂机,除泥机。 配置泥浆测

21、试仪器。由专人负责泥浆性能的测量工作。 泥浆的现场配制、维护和保养。粘土粉应预先加碱浸泡,浸泡时间不要少于24小时,以使粘土粉能够充分水化,加碱量一般为粘土粉重量的3-5%。化学处理剂一般也要浸泡,变成低浓度溶液,按配方比例加入到泥浆中搅拌均匀。机台要指定专人负责维护保养泥浆,定期检测泥浆性能,及时补充化学药剂。 提下钻具要平稳,尽量降低对孔壁产生冲击或抽吸力。坚持提钻回灌泥浆,以维持孔内液柱的压力平衡。 绳索取心钻探要注意的问题: 绳索取心钻探要特别重视冲洗液的应用,在地层较稳定且不太复杂的地层钻进,可采用低固相、低黏度、低切力和具有良好润滑性的冲洗液。同时更要加强冲洗液的管理,维持好性能稳

22、定,特别是固相含量,必要时要开动除砂、除泥机以清除过多的有害固相物质,防止钻杆内壁结泥皮。 在深孔钻探施工中经常会遇到复杂地层,如坍塌、掉块、缩径等。当不能用绳索取心钻进快速通过时,一定要调整冲洗液的比重(密度)、粘度、失水量等指标,加强护壁能力。应用泥浆来维护孔壁时,首先要判断好地层的复杂类型,是属于松散、破碎地层,还是水敏性地层或构造应力异常带,然后针对性地采取治理措施。必要时,可暂时放弃绳索取心钻进工艺,改用普通钻探,提钻取心的方法以适应泥浆性能的变化,待穿过复杂地层段,用水泥封堵或下入套管隔离后,再回复到绳索取心工艺上来。 复杂地层往往伴随地层漏失或涌水,极大地增加了处理的难度,此时一

23、定要建立起地层压力平衡的概念,利用冲洗液比重(密度)的调整来处理平衡地层压力。 工程实例 例一、 2008年在河南柘城施工一钻孔,该孔设计孔深1200米,第四系覆盖层厚度约950米,采用95口径裸眼钻进,泥浆护壁。泥浆中加入聚丙烯酰胺、聚丙烯腈、广谱护壁剂等化学处理剂。钻孔穿过第四系进入基岩约100米时一直都很顺利。此时春节放假,钻孔停待十多天。春节后恢复施工,几天后钻孔坍塌,钻具埋入孔内,处理一个多月,最后钻孔报废,并报废几百米钻杆。 事故原因:造成该孔事故的原因是由于春节后复工时,对泥浆缺乏管理和维护,不能及时补充处理剂调理泥浆,而是只补充清水使泥浆性能指标严重恶化,已起不到护壁作用,并破

24、坏了原来孔内形成的泥皮,而导致恶性事故的发生。 例二、 2009年在安徽临泉施工的Zk09-01孔,设计孔深1400米,预计第四系、第三系地层总厚度约800米。根据地质设计情况,钻孔结构及工艺设计为:上部采用110口径普通钻进工艺钻进,泥浆护壁,待进入完整基岩后,下入89套管护壁,然后换75绳索取心钻进。但该孔一直钻进到1170米,仍未穿过第三系地层。第四系、第三系地层非常复杂,尤其第三系地层,软硬不均,夹杂砂层、淤泥质地层等,钻进中采用高比重(密度)、高粘度的泥 浆仍难抑制钻孔缩颈、坍塌现象的发生,泥包钻杆、粘钻、埋钻事故屡屡发生。因此该孔钻进至1170米时被迫终孔。该孔的教训是:泥浆比重大

25、,达1、31、4,而比重大是由粘土粉、孔内自然造浆、岩粉含量大、含砂量大而形成的,并不是专门配制的加重泥浆。粘度高达50多秒,失水量也很大。这种泥浆在孔内形成的泥皮厚而松散,很容易脱落,因而造成泥包钻杆、埋钻等事故的发生。 该孔结束后,钻机移至zk0901孔施工。该孔第四系、第三系总厚度约900米左右,仍采用普钻、泥浆护壁。施工中因注意了泥浆的使用,顺利进入基岩,下人89套管护壁,换用75绳索取心钻进工艺。施工至设计孔深1400米后,经物探测井,决定孔深加深至1600米,在1509-1557米之间见到总厚度20多米厚的铁矿。又物探测井后,决定钻孔继续加深至1800米。因当时所用钻机为XY-5型,已经超负荷,决定换用XY-6型钻机施工。该孔施工至1805、64米终孔。 在绳索取心钻进中,采用了无固相和低固相泥浆施工,施工比较顺利,效率、岩心采取率都较高,钻孔质量较好,终孔孔斜只有8左右。