钻井液完井液化学1.ppt
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1、钻井完井液化学钻井完井液化学Drilling Fluids and Completion Fluids Chemistry主讲:主讲:梁大川梁大川 石工院钻井所泥浆室石工院钻井所泥浆室CNPC钻井液重点研究室钻井液重点研究室 第一章第一章、钻井液钻井液概论概论 本章要求掌握:本章要求掌握:钻井液、完井液概念。钻井液、完井液概念。钻井液、完井液的组成和类型。钻井液、完井液的组成和类型。钻井液、完井液的主要作用。钻井液、完井液的主要作用。钻井液基本性能参数。钻井液基本性能参数。钻井液技术发展简史钻井液技术发展简史.2第一节、第一节、钻井液、完井液的定义钻井液、完井液的定义 狭义钻井液狭义钻井液粘土
2、以小颗粒状态粘土以小颗粒状态(2um)分散在水中所分散在水中所 形成的溶胶形成的溶胶 悬浮体。悬浮体。(泥浆泥浆,mud)广义广义 钻钻 井井 液液 凡钻进中一切有助于从井眼产生和凡钻进中一切有助于从井眼产生和 清除钻屑的流体(液、气、液清除钻屑的流体(液、气、液+气)。气)。(drilling fluid)广义完井液广义完井液 一切与产层接触的流体(各种盐水、一切与产层接触的流体(各种盐水、聚合物溶液、钻井液、泡沫等)。聚合物溶液、钻井液、泡沫等)。(completion fluid)狭义完井液狭义完井液 钻开油气层的钻井液(钻开液)。钻开油气层的钻井液(钻开液)。(drill in flu
3、id)3第二节、第二节、钻井液的组成、类型及性能钻井液的组成、类型及性能1.钻井液的组成钻井液的组成 分散介质分散介质+分散相分散相+化学处理剂化学处理剂 连续相连续相+不连续相不连续相 液相液相+固相固相+化学处理剂化学处理剂 4分散相与分散介质分散相与分散介质分分 散散 相相 在多相分散体系中,被分散的物质。在多相分散体系中,被分散的物质。分散介质分散介质 分散相所在的连续介质。分散相所在的连续介质。分散体系分散体系一种或多种分散相分散在分散介质中一种或多种分散相分散在分散介质中所形成所形成 的体系的体系.例如:钻井液中,粘土颗粒分散在水中例如:钻井液中,粘土颗粒分散在水中:粘土为分散相;
4、粘土为分散相;水为分散介质。水为分散介质。5 组分举例组分举例某种水基钻井液组分为:某种水基钻井液组分为:水水+膨润土膨润土+处理剂处理剂 100ml 5g 1g用组分表示的配方为:用组分表示的配方为:5%膨润土浆膨润土浆+1%处理剂处理剂配方表示的特点:配方表示的特点:用用W/V百分数表示组分。百分数表示组分。不考虑处理剂的体积。不考虑处理剂的体积。6钻井液的组成示例钻井液的组成示例72.钻井液的分类钻井液的分类通常根据分散介质分为四大类:通常根据分散介质分为四大类:水基钻井液(水基钻井液(Water-Base Drilling Fluids)油基钻井液(油基钻井液(Oil-Base Dri
5、lling Fluids)气基钻井流体(气基钻井流体(Gas-Base Drilling Fluids)合成基钻井液合成基钻井液(Synthetic-Base Drilling Fluids)8一般分类一般分类9API和和IADC分类法分类法不分散钻井液(基本不含不分散钻井液(基本不含处理剂的天然泥浆)处理剂的天然泥浆)-non-dispersed drilling fluids分散型钻井液分散型钻井液-dispersed drilling fluids聚合物钻井液聚合物钻井液-polymer drilling fluids低固相钻井液低固相钻井液-low solids drilling fl
6、uids饱和盐水泥浆饱和盐水泥浆-saturated saltwater drilling fluids钙处理钻井液钙处理钻井液-calcium-treated drilling fluids修井液,完井液修井液,完井液-workover,completion fluids油基钻井液油基钻井液-oil-based drilling fluids气体类钻井液气体类钻井液-gas typed drilling fluids10石油钻井工程标委会钻井液分委会石油钻井工程标委会钻井液分委会综合分类法综合分类法不分散聚合物钻井液(用大不分散聚合物钻井液(用大中小分子聚合物处理的低固中小分子聚合物处理的低
7、固相泥浆)相泥浆)钾基钻井液钾基钻井液,K+1800mg/L分散钻井液分散钻井液盐水钻井液盐水钻井液饱和盐水泥浆饱和盐水泥浆钙处理钻井液钙处理钻井液修井液,完井液修井液,完井液油基钻井液油基钻井液气体类钻井流体气体类钻井流体11钻井液循环路线钻井液循环路线泥浆池泥浆池泵泵高压管汇高压管汇水龙带水龙带方钻杆方钻杆钻杆钻杆钻铤钻铤钻头钻头环空环空井口及井口及振动筛振动筛固控固控设备设备123.钻井液的主要作用钻井液的主要作用携带、悬浮岩屑及加重材料控制压力形成泥饼破岩、清岩保护油气层传递水功率冷却润滑钻头13钻井液的主要作用钻井液的主要作用保持清洁;控制压力;保持清洁;控制压力;冷却润滑;防止垮塌
8、;冷却润滑;防止垮塌;避免损害;取准资料;避免损害;取准资料;传递功率;承受重量;传递功率;承受重量;144、钻井液的性能、钻井液的性能钻井液的密度钻井液的密度(Density)钻井液的流变性钻井液的流变性(Rheological Properties)钻井液的失水造壁性钻井液的失水造壁性(Filtration Properties)钻井液的含砂量钻井液的含砂量(Sand content of DF)钻井液的钻井液的pH值值钻井液的固相含量和油、水含量钻井液的固相含量和油、水含量钻井液膨润土含量钻井液膨润土含量(MBT)钻井液的润滑性钻井液的润滑性(Lubricity)钻井液滤液的化学性质(碱
9、度、硬度、钻井液滤液的化学性质(碱度、硬度、Cl-含量、含量、.)15钻井液密度钻井液密度平衡地层压力,防止井喷、井漏和钻井液受平衡地层压力,防止井喷、井漏和钻井液受地层流体的污染;地层流体的污染;平衡地层压力,保持井壁稳定,防止井塌;平衡地层压力,保持井壁稳定,防止井塌;实现近平衡钻井技术,减少压持效应,提高实现近平衡钻井技术,减少压持效应,提高机械钻速;机械钻速;合理选择打开油气层的钻井液密度,减少钻合理选择打开油气层的钻井液密度,减少钻井液对井液对产层的伤害。产层的伤害。用比重秤测定。用比重秤测定。16钻井液的含砂量钻井液的含砂量定义定义:钻井液中不能通过钻井液中不能通过200目筛的固相
10、的体目筛的固相的体积占钻井液体积的百分数。一般要求小于积占钻井液体积的百分数。一般要求小于0.5。(74m)含砂量过高带来的危害:含砂量过高带来的危害:钻井液密度升高,降低机械钻速;钻井液密度升高,降低机械钻速;泥饼中含砂量升高,泥饼渗透率增大,失水增泥饼中含砂量升高,泥饼渗透率增大,失水增大;大;泥饼表面摩擦系数增加;泥饼表面摩擦系数增加;钻头、钻柱、泵等机械设备磨损严重。钻头、钻柱、泵等机械设备磨损严重。17钻井液的钻井液的pH值值由于钻井液中使用的化学处理剂在碱性条件由于钻井液中使用的化学处理剂在碱性条件下才能溶解,而酸性环境对钻井设备上的橡下才能溶解,而酸性环境对钻井设备上的橡胶部件有
11、严重的腐蚀作用,所以,绝大多数胶部件有严重的腐蚀作用,所以,绝大多数钻井液体系的钻井液体系的PH值都控制在值都控制在7以上。以上。不分散型钻井液体系不分散型钻井液体系:PH=7.58.5分散型钻井液体系:分散型钻井液体系:PH10钙处理钻井液体系钙处理钻井液体系:PH1118钻井液膨润土含量(钻井液膨润土含量(MBT)钻井液中活性粘土的数量。钻井液中活性粘土的数量。水基钻井液都有一个合适的膨润土含量,水基钻井液都有一个合适的膨润土含量,MBT过高,钻井液的粘度、切力增大,泥饼过高,钻井液的粘度、切力增大,泥饼增厚,容易造成井下事故。增厚,容易造成井下事故。MBT过小,钻井过小,钻井液的粘度、切
12、力急剧下降,失水增大。液的粘度、切力急剧下降,失水增大。19钻井液不应具有的性能钻井液不应具有的性能伤害钻井人员,损害或污染环境伤害钻井人员,损害或污染环境影响对所钻地层的评估影响对所钻地层的评估对产层产生伤害对产层产生伤害对钻井设备和管材造成较大腐蚀对钻井设备和管材造成较大腐蚀Detrimental to the operators and environment.Detrimental to the formation evaluation.Cause any formation damage.Cause any corrosion of the drilling equipment an
13、d subsurface tubulars.20优质钻井液的标准优质钻井液的标准有利于安全、快速、优质、低耗钻井;有利于安全、快速、优质、低耗钻井;有利于取全、取准各项工程、地质资料;有利于取全、取准各项工程、地质资料;有利于发现、保护油气层有利于发现、保护油气层;有利于保护环境。有利于保护环境。21钻井液工作的基本任务钻井液工作的基本任务根据所钻井类型、地层特性、孔隙及破裂压力、根据所钻井类型、地层特性、孔隙及破裂压力、井温、测井及环保要求等正确选择钻井液类型;井温、测井及环保要求等正确选择钻井液类型;自始至终维护、保持良好的钻井液性能;自始至终维护、保持良好的钻井液性能;预防、诊断及处理各
14、种井下复杂情况和事故;预防、诊断及处理各种井下复杂情况和事故;保证安全顺利钻井前提下,尽可能降低钻井液成保证安全顺利钻井前提下,尽可能降低钻井液成本。本。根据地质及钻井工程需要研究新型钻井液处理剂、根据地质及钻井工程需要研究新型钻井液处理剂、体系及工艺技术。体系及工艺技术。22第三节、第三节、钻井液工艺技术的发展钻井液工艺技术的发展1 初步发展时期初步发展时期 自然造浆阶段自然造浆阶段 1888 1928年年主要解决问题:主要解决问题:携带钻屑携带钻屑 控制地层压力控制地层压力典型技术:典型技术:水水+钻屑钻屑+地面土地面土 使用重晶石、铁矿粉(使用重晶石、铁矿粉(19201920年以后年以后
15、)232.快速发展时期快速发展时期 细分散泥浆阶段细分散泥浆阶段 1928 1948年年主要解决问题:主要解决问题:泥浆性能的稳定泥浆性能的稳定井壁稳定井壁稳定典型技术:典型技术:一些泥浆性能测试仪器研制出来一些泥浆性能测试仪器研制出来 使用膨润土、单宁、烧碱、褐煤等处理剂使用膨润土、单宁、烧碱、褐煤等处理剂.243.高速发展阶段高速发展阶段 粗分散泥浆阶段粗分散泥浆阶段 1948 1965年年主要解决问题:主要解决问题:石膏、盐污染石膏、盐污染 温度影响温度影响典型技术:典型技术:各种盐水、钙处理泥浆各种盐水、钙处理泥浆 油基泥浆油基泥浆 处理剂品种处理剂品种1616大类大类254.4.科学
16、发展时期科学发展时期 聚合物不分散低固聚合物不分散低固相钻井液阶段相钻井液阶段 1965年年 现在现在主要解决问题:主要解决问题:快速钻井快速钻井 保护油气层保护油气层典型技术:典型技术:不分散低固相钻井液不分散低固相钻井液 气体钻井气体钻井 保护油气层的完井液保护油气层的完井液26国内钻井液技术发展特点国内钻井液技术发展特点同样经历了这些阶段,但滞后一定时间同样经历了这些阶段,但滞后一定时间;水基体系的研究应用比油基体系多水基体系的研究应用比油基体系多;深井水基钻井液、防塌钻井液、聚合物钻井液理论较成深井水基钻井液、防塌钻井液、聚合物钻井液理论较成熟;熟;成功研制了一些钻井液处理剂,如成功研
17、制了一些钻井液处理剂,如FA367,XY27,SMP,80A51等;等;成功应用了一些钻井液体系,如三磺体系,两性离子聚成功应用了一些钻井液体系,如三磺体系,两性离子聚合物体系,聚磺体系等;合物体系,聚磺体系等;研制了大量钻井液性能评价仪器;研制了大量钻井液性能评价仪器;钻井液工艺技术日益提高:预防和减少了各种井下复杂,钻井液工艺技术日益提高:预防和减少了各种井下复杂,保证了常规井及各种特殊井的完成。保证了常规井及各种特殊井的完成。计算机应用及固控技术相对滞后。计算机应用及固控技术相对滞后。27预测钻井液技术发展方向预测钻井液技术发展方向钻井液强化稳定井壁技术钻井液强化稳定井壁技术复杂地质条件
18、下深井、超深井、大位移井钻井复杂地质条件下深井、超深井、大位移井钻井液技术液技术新型钻井液体系及其处理剂的研制与应用新型钻井液体系及其处理剂的研制与应用废弃钻井液的处理技术废弃钻井液的处理技术保护油气层的钻井液技术保护油气层的钻井液技术低密度钻井液完井液体系及技术低密度钻井液完井液体系及技术恶性漏失的防治技术恶性漏失的防治技术28课程内容包括课程内容包括三大基础:三大基础:o粘土胶化粘土胶化o流变学流变学o处理剂化学处理剂化学三大体系:三大体系:o水基水基o油基油基o气体类气体类两大工艺:两大工艺:o固控技术固控技术o复杂情况预防及处理复杂情况预防及处理两大技能:两大技能:o钻井液、完井液配制
19、钻井液、完井液配制o钻井液、完井液性能钻井液、完井液性能测试测试29课程特点及要求课程特点及要求涉及领域宽,属应用学科。涉及领域宽,属应用学科。要求掌握基本概念、基本原理、基本计算、要求掌握基本概念、基本原理、基本计算、基本实验技能;基本实验技能;了解钻井液完井液体系及应用工艺、发展了解钻井液完井液体系及应用工艺、发展方向和动态。方向和动态。30主要参考书刊主要参考书刊李健李健鹰编著鹰编著,泥浆胶体化学泥浆胶体化学H.范范.奥尔芬奥尔芬,粘土胶体化学导论粘土胶体化学导论 (译本译本)G.R.格雷格雷,钻井液的组成与性能钻井液的组成与性能 (译本译本)鄢捷年,钻井液工艺学,鄢捷年,钻井液工艺学,
20、张绍槐等编著张绍槐等编著,保护储集层技术保护储集层技术张孝华等编著张孝华等编著,现代泥浆实验技术现代泥浆实验技术期刊期刊:钻井液与完井液、钻井液与完井液、油田化学、石油钻采油田化学、石油钻采工艺、石油学报、石油钻探技术、石油学院学工艺、石油学报、石油钻探技术、石油学院学报等报等31习题:习题:1、9、1032 第二章第二章、粘土胶体化学基础粘土胶体化学基础 本章要求重点掌握内容:本章要求重点掌握内容:1.几种粘土矿物的晶体构造及其特点。几种粘土矿物的晶体构造及其特点。2.粘土水化机理。粘土水化机理。3.扩散双电层理论和电解质对电动电势的影响。扩散双电层理论和电解质对电动电势的影响。4.胶体体系
21、的基本概念。胶体体系的基本概念。5.聚结稳定性和沉降稳定性概念及其影响因素。聚结稳定性和沉降稳定性概念及其影响因素。33学习本章的意义学习本章的意义粘土是配浆的基础材料粘土是配浆的基础材料泥浆是粘土泥浆是粘土 水的溶胶水的溶胶 悬浮体悬浮体地层造浆、井壁稳定、储层保护等均与地层粘地层造浆、井壁稳定、储层保护等均与地层粘 土矿物有关。土矿物有关。所以,必须学习粘土矿物及胶体化学基本知识。所以,必须学习粘土矿物及胶体化学基本知识。34几个概念几个概念粘土胶体化学粘土胶体化学:在一般胶体化学规律指导下,:在一般胶体化学规律指导下,专门研究粘土胶体的生成、破坏和物理化学性专门研究粘土胶体的生成、破坏和
22、物理化学性质的科学。质的科学。狭义胶体狭义胶体:胶体大小(三维中任一维尺寸在:胶体大小(三维中任一维尺寸在1-100nm之间)的微粒分散在另一种连续介质中之间)的微粒分散在另一种连续介质中所形成的分散体系。所形成的分散体系。广义胶体广义胶体:包括粗分散体系(悬浮体、乳状液、:包括粗分散体系(悬浮体、乳状液、泡沫);溶胶;高分子真溶液;缔合胶体。泡沫);溶胶;高分子真溶液;缔合胶体。35几个基本概念几个基本概念1.相和相界面相和相界面 相相 物质的物理化学性质都完全相同的均物质的物理化学性质都完全相同的均匀部分。匀部分。如果体系中有两个或两个以上的相,如果体系中有两个或两个以上的相,称为多相体系
23、。称为多相体系。相界面相界面 相与相之间的宏观物理界面。相与相之间的宏观物理界面。在相互接触的两相中:在相互接触的两相中:若一相为气体,相界面称为表面。若一相为气体,相界面称为表面。若是液若是液/固分界面,称为界面。固分界面,称为界面。36分散度和比表面分散度和比表面分散度分散度 分散相的分散程度。分散相的分散程度。含含 形状,级配,粒度中值等概念形状,级配,粒度中值等概念比表面比表面 单位体积(重量)物质的总表面积。单位体积(重量)物质的总表面积。比表面比表面=S/V(S/W),一般用一般用cm-1,cm2/g示之。示之。37分散相分散相分散介质分散介质名称名称例例液液气气气液气液溶胶溶胶雾
24、雾固固气气气固气固溶胶溶胶灰尘、烟灰尘、烟气气液液泡沫泡沫泡沫泡沫液液液液乳状液乳状液牛奶、牛奶、O/W、W/O固固液液溶胶、悬浮体溶胶、悬浮体泥浆泥浆气气固固固态泡沫固态泡沫面包面包液液固固固态乳状液固态乳状液珍珠珍珠固固固固固体悬浮体固体悬浮体合金合金分散体系分类(按聚集状态)分散体系分类(按聚集状态)38胶体分散体系(憎液溶胶)的基本性质胶体分散体系(憎液溶胶)的基本性质多相多相性性高度分散性高度分散性 比表面积大比表面积大聚结不稳定性聚结不稳定性 易聚结合并或吸附易聚结合并或吸附39钻井液体系的复杂性钻井液体系的复杂性 钻井液体系中的化学反应是钻井液体系研究与钻井液体系中的化学反应是钻
25、井液体系研究与应用的基础。应用的基础。钻井液体系是相当复杂的多元体系,液相、固钻井液体系是相当复杂的多元体系,液相、固相(活性的和惰性的)、溶解的盐和碱(因而产相(活性的和惰性的)、溶解的盐和碱(因而产生各种金属阳离子和多种阴离子)、多种溶解的生各种金属阳离子和多种阴离子)、多种溶解的和(或)溶胀的改性天然聚合物和合成聚合物等和(或)溶胀的改性天然聚合物和合成聚合物等共存于一个体系中,又遭受到诸如温度、压力、共存于一个体系中,又遭受到诸如温度、压力、各种污染物、剪切、静止等因素的影响。这种复各种污染物、剪切、静止等因素的影响。这种复杂体系中各种组份间的化学反应,特别是高温、杂体系中各种组份间的
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