钻井与完井液主要内容

钻井与完井液主要内容

第一章绪论

一、钻井液的主要作用

1. 清洗孔底，携带和悬浮岩屑

冲洗液清洗孔底和携带岩屑的能力，决定于送入孔内的冲洗液量及冲洗液的性能指标，其次也与钻具和钻头的结构有关。

冲洗液的携带和悬浮岩屑的能力--切力和粘度；

有效携带岩屑的前提下可降低冲洗液的上返速度。

泥浆悬浮岩屑的能力主要取决于泥浆的静切力值。

2、冷却钻头

冷却钻头的效果，取决于单位时间流经孔底的冲洗液量和冲洗介质的热容量和粘度。

水的粘度低，热容量大，冷却能力强。空气的粘度低，热容量小，需要较大的流量，才能有效地冷却钻头。泥浆的粘度大，流速低，冷却能力不如清水

3、润滑钻具和钻头

冲洗液的润滑效果，取决于在钻具和孔壁岩石表面形成的润滑膜的强度。

润滑膜的强度取决于使用的冲洗液类型和往冲洗液中添加的添加剂的种类和数量。

乳状液，表面活性剂溶液，乳化泥浆和油基泥浆的润滑性能远高于空气、清水和普通的水基泥浆。表面活性剂的添加，可提高冲洗液的润滑性能。

4. 保护孔壁

复杂地层：松散、破碎、坍塌、遇水膨胀等岩层

维护孔壁的影响因素：冲洗液类型、冲洗液的性能参数、在环空中的流态。

矿化度高的聚合物泥浆，具有较好的抑制孔壁的效应，特别是含钾的聚合物泥浆。

油基泥浆具有最强的抑制孔壁的能力。

复杂地层钻进时，维护孔壁是能否持续钻进的关键。

二、钻井液类型

泥浆：

概念：粘土分散在液体（水或油）中形成的分散体系，水基泥浆，油基泥浆。

性能：比重；粘度和切力；失水量。可在较大范围内调节，可适应不同地层的要求；对钻头、牙轮轴承、钻具和套管有一定的润滑作用，可减少其磨损。

适用：风化、破碎、松散和遇水失稳地层（复杂地层）。石油和天然气钻井几乎都是在沉积岩中钻进，冲洗液主要使用泥浆。泥浆称为石油钻井的“血液”。固体矿床勘探钻进，泥浆是对付复杂地层的主要手段。

乳状液

概念：液体（油或水）分散在另一种液体（水或油）中形成的稳定的分散体系。分为：水包油乳状液、油包水乳状液。使小口径金刚石钻进的钻进速度和钻进深度大幅度地提高。

无固相冲洗液

概念：含有无机盐和有机高分子（或聚合物）的溶液。适用：裂隙发育、易坍塌和轻微膨胀的地层。小口径金刚石钻进，绳索取芯钻进中，可防止钻杆内壁结泥皮和降低压损。

完井液：在石油钻井中，无固相钻井液用于钻进生产层，可减轻使用泥浆时对油层的损害

第二章泥浆总论

一、泥浆概念及类型：

泥浆是粘土颗粒（小于2微米）分散在水（或油）中所形成的溶胶——悬浮体系。大多由粘土、水和化学处理剂组成。水基和油基。油基泥浆使用很少。

水基泥浆（细分散淡水泥浆、粗分散抑制性泥浆、不分散低固相泥浆、混油乳化泥浆、地热井及深井泥浆）、充气和泡沫泥浆、油基泥浆。

二、造浆粘土及水

粘土矿物

粘土的主要组成是粘土矿物。非粘土矿物：如长石、石英、方解石、方英石、蛋白石、黄铁矿、沸石。

粘土矿物以其单位晶层的叠置方式不同和层间离子的差别，分为四类：高岭石族、蒙脱石族、水云母族、海泡石族

粘土矿物的基本构造单位是硅氧四面体和铝氧八面体。

粘土的评价：一般采用的是以蒙脱石为主的钠膨润土造浆材料。

钻井液用水：淡水为主，咸水和海水有时用。水的总矿化度：水中离子、分子和各种化合物的总含量。水的硬度一般指水中钙、镁盐的含量。水的硬度又分为：暂时硬度和永久硬度。

三、粘土—水分散体系

分散相、分散介质、均匀体系概念

粘土颗粒表面带电的原因：晶格置换、氢氧层中氢的电离、断键作用、吸附阴离子

阳离子交换容量：一百克粘土所能吸附的阳离子毫克当量数。

粘土—水界面扩散双电层结构：

影响电动电位的因素：吸附高价阳离子，电动电位降低，扩散层中阳离子数目少，粘土表面水化膜薄，粘土颗粒易于聚结；阳离子的浓度大，挤入吸附层机会增大，电动电位降低，本身水化性能不好，并夺去粘土直接吸附的水分子

粘土颗粒端部带正电荷的扩散双电层：必须使粘土悬浮液处于碱性状态，即PH值大于7，一般为8.0—9.0

粘土水化与膨胀：粘土颗粒的表面吸附水分子，粘土颗粒表面形成水化膜，粘土晶格的距离增大，产生膨胀以至分散的过程。原因粘土表面直接吸附水分子；粘土吸附的阳离子的水化。

泥浆的性能及其测定：

1、泥浆的固相含量：泥浆中固体颗粒占的重量或体积百分数，有用固相（粘土、重晶石），无用固相（岩屑）。采用造浆率高的膨润土配制泥浆，粘土含量（重量/体积）在4-6%以下，便可达到要求的粘度，比重在1.03-1.05左右。

2、无用固相的危害：泥浆流变特性变差；引起卡钻、抽吸、压力激动，造成漏失或井塌。泥饼松疏，韧性低。失水量大，孔壁水化崩塌；泥皮易脱落，形成井下事故。对管材、钻头、水泵缸套、活塞拉杆磨损大。

四、泥浆的流变特性

牛顿流体：

塑性流体

①静止时流体内部形成结构，需要附加一定的力，才能开始流动，流动开始后，剪切应力和剪切速率之间呈正比关系

②从静止开始流动，需要附加一定的力，但流动开始后的最初速度较低的阶段，剪切应力和剪切速率之间不是线性关系，达到一定的剪切速率后，剪切应力与剪切速率呈正比关系。

幂律流体

流体静止施加一剪切应力，便开始流动，即流体静止时没有凝胶强度，其流变曲线通过原点。流动开始后，随着剪切速率的增加，流体逐渐变稀或变稠，即剪切应力和剪切速率之间的关系不是直线关系。

n<1 假塑性流体，如长链高分子化合物溶液、高分子熔体、、抗菌素溶液; n>1膨胀性流体,如淀粉糊、蔗糖溶液.

静切力：衡量静止时泥浆体系凝胶强度的大小。反映静止状态时，泥浆内部颗粒之间引力的大小。

API规定，测静止10秒和10分钟的切力，分别为初切力和终切力。降低静切力：清除无用固相，加稀释剂

触变性：▲泥浆静止时，颗粒之间相互吸引而形成结构，结构中束缚一定量的分散介质，而当外加一定的切力时，结构拆散，流动性增长，这种特性称为泥浆的触变性。

对静切力和触变性的要求

静止时，能悬浮岩屑和加重剂。在开泵时，不困难，不会蹩漏地层

动切力反映泥浆层流流动时，泥浆体系内部粘土颗粒之间，粘土颗粒和高分子化合物之间以及高分子化合物之间的相互作用力，即泥浆流动时形成结构的能力。提高动切力的因素：固相含量大，分散度高。若降低粘土颗粒的电动电位。若加入高聚物的分子量较大，分子量较大对动切力的要求：泥浆能将岩屑顺利带出地表，而不引起地面沉淀岩屑的困难。降低动切力的方法：除钙、加稀释剂、除砂。提高动切力的方法：优质粘土、结构剂（钙盐）

泥浆粘度反映体系内部的摩擦：液相分子间的内摩擦，液相粘度随有机物含量增加而升高。分散相颗粒间的相互作用力，它是表征特性不同的分散相。颗粒相互产生的作用力和形成网架结构而增加的流动阻力。分散相颗粒之间的内摩擦。液体分子与分散相固体颗粒间的内摩擦。

泥浆表观粘度（有效粘度）是层流运动时，流体内部四种阻力之和。

在流变学上定义为，某一剪切速率下，剪切应力和剪切速率之比。

塑性粘度：反映泥浆层流条件下，分散相固体颗粒之间，固体颗粒与液相之间和液相分子之间的内摩擦阻力。

有些有机处理剂（如FCLS等稀释剂）加入适量，可降低塑性粘度；但大多数有机处理剂加入，使塑性粘度增大。

降低塑性粘度的方法：减少加土量尽量除去无用固相

结构粘度：反映泥浆层流条件下，粘土颗粒之间及高分子化合物之间所形成的网架结构的力。在表观粘度一定时，应尽量降低塑性粘度和提高结构粘度，来达到携带和悬浮岩屑的目的。实际施工中，应设法提高动切力，降低塑性粘度，以提高泥浆的剪切稀释性

冲洗液压力激动对岩层的破坏作用开泵时，压力激动与静切力、孔深、环状间隙尺寸有关；粘滞力引起的压力激动与泥浆流速、粘度、切力、环状间隙尺寸有关；钻具惯性力引起的压力激动与钻具的加速度、泥浆密度、孔深、环状间隙尺寸有关；

泥浆的失水和造壁性

失水：泥浆中的自由水，在压差作用下向孔壁岩石的裂隙或孔隙中渗透；造壁性：泥浆失水时，随着泥浆中的自由水进入岩层，泥浆中的固体颗粒便附着在孔壁上形成泥皮，这便是泥浆的造壁性。初失水：时间短，孔底岩石表面尚无泥皮，失水率很高，又称瞬时失水。动失水：压差较大，泥皮厚度维持在较薄水平，单位时间失水量开始较大，其后逐渐减小，直至稳定在某一值。静失水：压差较小，泥皮较厚，单位时间的失水量比动失水小。失水量过大：孔壁遇水膨胀、剥落，孔径减小。减少岩层层面间的摩擦力，掉块卡钻泥皮过厚：粘附卡钻，阻力，功率消耗增大高矿化度、碱性弱、含高聚物的滤液，不易引起孔壁岩层的膨胀和坍塌

降低泥浆失水量和改善造壁性：使用优质膨润土或人工钠土造浆；加入CMC或其他有机聚合物，保护粘土颗粒，提高水化膜的厚度和泥皮的可压缩性。加入极细的胶体粒子、堵塞泥皮孔隙，减小泥皮的孔隙。

含沙量指泥浆中大于74微米的砂粒（即200目筛子通不过的砂粒）占泥浆总体积的百分含量。

胶体率：泥浆中粘土颗粒分散和水化程度以及保持。悬浮状态的粗略衡量测定方法：100ml 泥浆，静止24小时

提高PH值，通过加入NaOH或Na2CO3,Ca(OH)2；降低PH值，加入HCl或酸式盐。

造浆率它是指配得表观粘度为15╳10-3Pa?S 的泥浆时，每吨粘土造浆的立方米数。

增效剂无机：碱、盐和重金属盐。有机：有机高分子化合物，如植物胶等。

第三章泥浆各论

一、细分散淡水泥浆

1、概念：是指靠粘土在水中高度分散而获得泥浆所需要的流变特性和失水特性的泥浆.

2、含盐量<1%，含钙量<120ppm，不含抑制性高聚物

3、主要成份：粘土，碳酸钠，水，降失水剂，稀释剂。

4、碳酸钠加量一般为粘土重量的5—6%左右。

5、细分散淡水泥浆的侵污及其处理

钙侵

（1）现象：泥浆中钙离子增多，钙离子取代粘土表面的钠离子，水化膜变薄，泥浆中形成结构，粘度、切力、失水量增加，出现水土分层而聚沉

（2）处理方案：石膏（CaSO

4）侵时，应提高PH值，水泥（Ca(OH)

2

）侵时，应降低PH值

加入稀释剂铁铬盐降粘和降切力；加Na-CMC降失水

盐侵或盐水侵

（1）现象：粘度、切力、失水量增加，NaCl含量增大，粘度、切力下降，失水量更大

钠离子置换氢，PH值降低

（2）处理方案：CMC降失水，FCLS降粘降切力，野生植物胶维护粘土颗粒的稳定和分散，用高碱比的煤碱剂处理，必要时，转为盐水泥浆施工。

粘土侵

（1）现象：粘度增加，失去流动性

（2）处理方案：加水稀释的同时，加强机械除砂；必要时，加降失水剂

二、粗分散泥浆

1、概念：是在分散的粘土悬浮液中，加入无机聚结剂，使泥浆中高度分散的粘土颗粒变粗，同时加入有机保护胶处理剂，形成适度聚结的粗分散体系。

2常用的粗分散泥浆：钙处理泥浆、盐水泥浆

3适用情况：厚的覆盖层和大段泥页岩地层，控制地层造浆，防止孔壁坍塌；石膏地层、岩盐地层，降低粘度、切力，改善泥浆的流动性等。

4钙处理泥浆的配制方法1、优质膨润土加量不超过6%（体积），普通粘土不超过8%---10%（体积）；2、粘土应预水化，钙质膨润土应用纯碱处理；3、钙离子浓度至少在80—150ppm以上，才有抑制性，依地层特点确定钙离子合适含量；4、为使结构稳定，需要加入有机保护胶（一般为降失水剂和稀释剂）；5、PH值应控制，并用NaOH调节；6、钻进中，因孔壁和岩屑吸附钙离子，泥浆钙离子不断下降，需要经常补充钙盐。对于石膏地层，需要加NaOH调节PH值，并加碳酸钠除钙。

5盐水泥浆：是粘土悬浮液中氯化钠含量大于1%，或用盐水（海水）配制的泥浆，它是靠氯化钠的含量较大而促使粘土颗粒适度聚结并用有机保护胶维持此适度聚结的稳定的粗分散体系。

抑制泥页岩水化膨胀与坍塌剥落效果很好。

三、不分散低固相泥浆

1、护壁效应机理（1）多点吸附，形成薄的吸附膜；2）比重低，静液柱压力小；3）与三氯化铁或硫酸铝起交联反应形成大的聚凝块，或未水解的聚丙烯酰胺的完全絮凝作用，堵塞中小漏失。

2、提高钻进速度的原因（1）比重小（2）固相含量低（3）固相含量的组成（4）固相的分散度保持地层压力平衡的情况下，应尽量降低固相含量

3、低固相：固相含量按体积计不大于4%

4、不分散意义：（1）粘土颗粒因高聚物存在变粗（2）对岩屑起絮凝作用，不使其分散

（3）对孔壁不起分散作用而起抑制保护作用

PAM

高分子量未水解或水解度低于10%的PAM是完全絮凝剂；

分子量在250—500*104，水解度30%的部分水解PAM是选择性絮凝剂，孔壁稳定剂；

分子量在100*104以下，水解度高于60%的PAM是降失水剂和增粘剂；

第四章泥浆处理剂

一、无机处理剂的作用机理

（1）分散作用: 低价离子取代高价离子电动电位升高，水化膜增厚，粘土颗粒分散。粘度升高，失水量下降

（2）控制聚结作用: 适当的高价盐粘土颗粒适度聚结状态泥浆呈稳定的粗分散状态提高粘度和切力

（3）调节PH值: 加碱或碱式盐，可提高PH值；加酸或酸式盐，可降低PH值

（4）沉淀除钙和络合作用: 形成碳酸钙沉淀、络合作用使钙离子很难电离络合作用可提高部分处理剂的抗温性能。

（5）使有机处理剂溶解或水解: 如丹宁酸用烧碱处理、聚丙烯腈经烧碱水溶液中和

（6）交联和胶凝作用: 链状多官能团的高分子化合物，经高价盐交联，改善其失水造壁特性

二、有机处理剂作用机理

1、降失水作用：（1）水化膜，压差作用下，致密的渗透性小的薄泥皮；（2）众多亲水基束缚大量自由水

2、稀释作用：吸附在粘土颗粒端部水化弱的部位，拆散粘土颗粒间的端-面联结，破坏泥浆体系内部的网状结构，放出自由水，粘土颗粒保持分散状态，降低粘度和切力。

3、絮凝作用：有机高分子长链上的吸附基吸附或捕捉岩屑颗粒，使岩屑絮凝

4、增粘作用：分子量很大，有强亲水基团的长链式高分子化合物，分子链间可因氢键或与交联剂交联而形成网状结构

5 抑制页岩水化：多点吸附，形成致密的薄膜，抑制水的渗透，从而抑制地层的水化膨胀。与无机盐配合使用效果好

6 流型调节作用：分子链长的线型高分子化合物，分子链的柔软性大，结合的水分子多，分子间的内摩擦阻力小，流型调节特性好。

三、有机处理剂主要种类

1、稀释剂：丹宁和栲胶类、木质素磺酸盐类

2、降失水剂：纤维素类、淀粉类、腐植酸类

3、絮凝剂：聚丙烯酰胺及其衍生物