第六章水基钻井液讲解.ppt

第六章 水基钻井液 第一节 分散钻井液 由淡水、配浆膨润土和各种对粘土、钻屑起分散作用的处理剂(简称分散剂)配制成的水基钻井液称为分散钻井液。是油气钻井中最早使用并且使用时间相当长的一类水基钻井液。随着钻井液工艺技术的不断发展，分散钻井液的使用范围已不如过去广泛，但是配制方法简便、处理剂用量较少，成本较低，适于配制密度较大的钻井液，特别是在钻开表层时普遍使用。 2．分散剂及钻井液的典型组成 主要起降粘作用的分散剂有多聚磷酸盐、丹宁碱液、铁铬木质素磺酸盐、褐煤及改性褐煤等；主要起降滤失作用的分散剂有CMC和聚阴离子纤维素等。调节pH值的NaOH具有较强的分散作用。分散钻井液体系中常用组分的名称、作用及加量见表6—1和表6—2。 在实际应用中，将分散性钻井液中亚微米颗粒所占比例减到最小程度，一方面控制膨润土的加量，另一方面通过固控设备的使用，降低体系的总固相含量。膨润土的含量随钻井液密度和井温的高低调整。密度和井温越高，膨润土含量越低。分散剂和NaOH的加量不宜过高，PH值一般控制在9.5-11范围内。大多数分散剂的抗盐性不强，分散性钻井液中保持较低的无机盐含量。 钻井液中的粘土矿物由于晶格取代颗粒表面带有负电荷，吸附阳离子形成扩散双电层。随着进入钻井液的Na+浓度不断增大，增加粘土颗粒扩散双电层中阳离子的数目，压缩双电层，使扩散层厚度减小，颗粒表面的ξ电位下降。粘土颗粒间的静电斥力减小，水化膜变薄，颗粒的分散度降低，颗粒之间端—面和端—端连接的趋势增强。絮凝结构的产生，导致钻井液的粘度、切力和滤失量均逐渐上升。当Na+浓度增大到一定程度之后，压缩双电层的现象更为严重，粘土颗粒的水化膜变得更薄，使粘土颗粒发生面—面聚结，分散度降低，钻井液的粘度和切力在分别达到最大值后又转为下降，滤失量继续上升。 盐侵的另一表现是随含盐量增加，钻井液的PH值逐渐降低，Na+将粘土中的H+及其它酸性离子不断交换出去。 当钻井液受到盐侵或盐水侵之后，采取化学方法除去钻井液中的Na+是十分困难的，目前常用的处理方法是及时补充抗盐性强的各种处理剂，将分散钻井液转化为盐水钻井液。 降滤失剂CMC的分子链电离后生成的羧基(-C00-)带负电荷，可以补偿被Na+压缩双电层所降低的ξ电位。加入CMC可阻止粘土颗粒间相互聚并的趋势，有助于保持钻井液的聚结稳定性。聚阴离子纤维素、磺化酚醛树脂和改性淀粉等是常用的抗盐降滤失剂，铁铬盐（FCLS）等是常用的抗盐稀释剂。海泡石和凹凸棒石等抗盐粘土是用于配制盐水钻井液以及对付盐侵、盐水侵的优质材料。 存在H2S、HS-、S2-以及FeSx，电离出的H+迅速地吸附在金属表面，并渗入金属晶格内，转变为原子氢。当金属内有夹杂物、晶格错位现象或其它缺陷，原子氢在易损部位聚结结合成H2。这一过程在瞬间完成，氢的体积增加，在金属内部产生很大应力，强度高或硬度大的钢材产生晶格变形，变脆产生微裂缝，通常将这一过程称“氢脆”。在拉应力和钢材残余应力的作用下，钢材上因氢脆引起的微裂缝很容易迅速扩大，钢材发生脆断破坏。 PH值对控制石灰钻井液钻井液的 Ca2+浓度起很大作用。一般石灰钻井液的 pH 值应控制在 11-12 ， Ca2+含量保持在120-200 mg/l 。PH值过低，Ca2+含量增大，粘度与切力超过范围；PH值过高，Ca2+含量很少。按照石灰用量及PH值的不同，石灰钻井液分为高石灰和低石灰钻井液。当遇到有盐、钙污染或在造浆地层钻进时，经常用高石灰钻井液；另一方面，高石灰钻井液在高温下发生固化，钻井液变稠，失去流动性，在深井的深部井段钻进时，使用低石灰钻井液。 3.石灰钻井液的使用要点 石灰钻井液经常是在原有分散钻井液基础上经转化而成。转化程序为：先加入一定量的水降低固相含量，同时加入石灰、烧碱和稀释剂。注意高温固化问题。当钻达井底温度超过 135℃时，钻井液中的各种粘土会与石灰、烧碱发生反应，生成水合硅酸钙等类似于水泥凝固后的物质，钻井液急剧增稠。这种情况下，必须降低石灰含量、钻井液碱度和固相含量，转化为低石灰低固相钻井液。有使用固控设备，保持低的固相含量是将石灰钻井液用于高温深井的前提条件。 (2)与石灰相比，石膏的溶解度受PH值的影响较小。 Ca2+含量较高，更有利于抑制粘土的水化膨胀和分散，防塌效果优于石灰钻井液。多用于钻厚的石膏层和容易坍塌的泥页岩地层。 (3)石膏钻井液比石灰钻井液有更高的抗温能力，发生固化的临界温度在175℃左右，高于石灰钻井液。 盐水钻井液是通过人为添加无机阳离子来抑制粘土颗粒的水化膨胀和分散，在分散剂的协同作用下，形成抑制性粗分散钻井液的。盐水钻井液的PH值一般随含盐量的增加下降，一方面