钻井液性能及其测试课件.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,钻井液性能及其测试,钻井液常规性能包括：密度、流变性（漏斗粘度、表观粘度、塑性粘度、动切力、静切力等）、滤失造壁性（滤失量、滤饼厚度、滤饼性能等）、,pH,值、含砂量、固相含量等。,一、钻井液密度,1.,钻井液密度与安全密度窗口,钻井液的密度是指每单位体积钻井液的质量，常用,g/cm,3,(,或,kg/m,3,),表示。在钻井工程上钻井液密度和泥浆比重,(Mud weight),是两个等同的术语。其英制单位通常为,lbm/ga1(,即磅,/,加仑，或写做,ppg),，,1 g/cm,3,等于,8.331bm/ga1,。,钻井液密度是确保安全、快速钻井和保护油气层的一个十分重要的参数。通过钻井液密度的变化，可调节钻井液在井筒内的静液柱压力，以平衡地层孔隙压力时亦用于平衡地层构造应力，以避免井塌的发生。,坍塌压力,P,塌,和泥浆压力,P,泥,井眼形成后，地应力在井壁上的二次分布所产生的指向井内引起井壁岩石向井内移动的应力，称为井壁（地层）坍塌应力,P,塌,。,P,塌,一旦产生（,P,塌,0,），井壁岩石必然逐渐掉（挤）入井中（垮塌）。,钻井过程中,P,塌,可以（也只能）用井内泥浆液柱压力来有效地平衡，,P,泥,P,塌,时则井壁保持稳定；,P,泥,P,塌,时，则发生井塌。,泥浆压力,P,泥,和破裂压力,P,破,除了,P,塌,之外，裸眼井段还有地层流体压力（,P,地,）和地层破裂压力,P,破,（,P,漏,）等两个地层压力。钻进过程中，我们人为施加的是泥浆压力,P,泥。,当,P,泥,P,破,（,P,漏,）则发生井漏；,P,泥,P,地,时，则发生井涌或井喷。,安全密度窗口问题分析,常规地层,井口,易漏，低,P,破,P,泥,P,泥,低压地层,高压地层,易喷地层，高,P,地,常规地层,P,塌、,P,地,P,泥,P,破,(,P,漏,),安全密度窗口,P=P,破,P,地,（,P,塌,）,用清水校正,用淡水注满洁净、干燥的样品杯，盖上杯盖并擦干样品杯外部，把密度计的刀口放在刀垫上，将游码左侧边线对准刻度,1.00 g/cm,3,处，观察密度计是否平衡（平衡时水平泡位于中央），如不平衡，在平衡圆柱上加上或取下一些铅粒，使之平衡。,常用的加重剂,重晶石（,BaSO,4,）,(,=4.2,4.6),石灰石（,CaCO,3,）,(,=2.7,2.9),菱铁矿（,Fe CO,3,）,(,=3.7,3.9),用作钻井液的加重材料,方铅矿（,PbS,）,(,=7.5,7.6)CaCO,3,可作暂堵剂,钛铁矿（,FeTiO,3,）或TiO,2,Fe,2,O,3,(,3.0),铁矿粉（,Fe,2,O,3,）,(,=4.9,5.3),为实现平衡压力钻井或欠平衡压力钻井，有时需要适当降低钻井液的密度。通常降低密度的方法有以下几种：,最主要的方法是用,机械和化学絮凝的,方法清除无用固相，降低钻井液的固相含量。,加水稀释。但往往会增加处理剂用量和钻井液费用。,混油。但有时会影响地质录井和测井解释；,钻低压油气层时可选用充气钻井液等。,二、钻井液流变性,钻井液的流变性,(Rheological ProPerties of Drilling F1uids),是指钻井液流动和变形的特性。,该特性通常是由不同的流变模式及其参数来表征的，最常用的流变模式为宾汉和幂律模式。其中,宾汉模式的参数为塑性粘度,(Plastic Viscosity),和动切力,(Yield Point),；,幂律模式的参数为流性指数,(FLow Behavior Index),和稠度系数,(Consistency Index),。此外，,漏斗粘度,(Funnel Viscosity,、,表观粘度,(Apparent Viscosity),和,静切力,(Gel Strength),等也是钻井液的重要流变参数,由于钻井液的流变性与携岩、井壁稳定、提高机械钻速和环空水力参数计算等一系列钻井工作密切相关，因此它是钻井液最重要的性能之一。有关内容将在后面的教学工作中重点阐述。,钻井液流变性的测量,苏式漏斗粘度计,该粘度计由漏斗和量筒组成。构造如图,3,。量筒由隔板分成两部分，大头为,500ml,，小头为,200ml,，漏斗下端是直径为,5mm,，长为,100mm,的管子。,旋转粘度计,液体放置在两个同心圆筒的环隙空间内，,电机经过传动装置带动外筒恒速旋转,，借助于,被测液体的粘滞性作用于内筒一定的转矩,，带动与扭力弹簧相连的内筒一个角度。该转角的大小与液体的粘性成正比，于是液体的粘度测量转换为内筒转角的测量。,6,个读值：,600,300,200,，,100,6,3,常用流变参数计算,关于切力,在,600r/min,下搅拌,10s,，静止,10s,后在,3r/min,下读取并记录最大读数值,再在,600r/min,下搅拌,10s,，静止,10min,后在,3r/min,下读取并记录最大读数值。,在钻井液工艺中，通常用一个重要参数,滤失量,(Water loss,或,Filtration Rate),来表征钻井液的渗滤速率。钻井液的滤失性也是钻井液最重要的性能之一，有关内容将在后面的教学工作中详述。,ZNS,型泥浆失水量仪,该仪器是将泥浆用惰性气体（二氧化碳、氮气或压缩空气）加压的情况下，测量泥浆的失水量。当泥浆在,0,.69MPa,压力的作用下，,30,分钟,内通过截面为,45.6,0.5,2,过滤面渗透出的水量，以毫升表示。同时，可以测得泥浆失水后泥饼的厚度，以毫米表示,.,滤饼质量评价,滤饼质量评价,光滑性,：将滤饼放在一平面上，用手指触摸，如果滤饼薄而光滑，并无有砂子的感觉则光滑性好，否则，光滑性不好。,坚实性,：将滤饼放在一容器里，并装入水或柴油，放置,24小时，观察其破坏滤饼的程度，如果滤饼经过浸泡而松散或消失，证明坚实性较差，否则，则好。,韧,性,：将滤饼放在一立方形物品,(桌面)边缘，向下折90,，如果滤饼无明显断裂，证明韧性较 好，否则较 差。,四、钻井液的,pH,值和碱度,1.,钻井液的,pH,值,通常用,钻井液滤液的,pH,值,表示钻井液的酸碱性。由于酸碱性的强弱直接与钻井液中粘土颗粒的分散程度有关，因此会在很大程度上影响钻井液的粘度、切力和其它性能参数。,右图表示经预水化的膨润土基浆,(,其中膨润土含量为,57.1kg/m,3,),的表现粘度随,pH,值的变化。由图可知，当,pH,值大于,9,时，表现粘度随,pH,值升高而剧增。其原因是当,pH,值升高时，会有更多,OH,-,被吸附在粘土晶层的表而，进一步增强表面所带的负电性，从而在剪切作用下使粘土更容易水化分散。,松科,1,井，,470m,处井口泥浆，,pH,为,6.5,，失水量为,18ml,；加入,0.5%KOH,后，,pH,为,10.5,，失水量为,14.4ml,。,在实际应用中，大多数钻井液的,pH,值要求控制在,8,11,之间，即维持一个较弱的碱性环境。这主要是由于有以下几方面的原因：,可减轻对钻具的腐蚀；,可预防因氢脆而引起的钻具和套管的损坏；,可抑制钻井液中钙、镁盐的溶解；,有相当多的处理剂需要在碱性介质个才能充分发挥其效能如丹宁类、褐煤类和木质素磺酸盐类处理剂。,烧碱（即工业用,NaOH,）是调节钻井液,pH,值的主要添加剂，有时也使用纯碱和石灰。,在常温下，它们的水溶液具有如下的,pH,值：,10%,NaOH,溶液，,pH,12.9,；,10%,Na,2,CO,3,溶液，,pH,11.1,；,饱和,Ca(OH)2,溶液，,pH,12.1,。,通常使用,pH,试纸测量钻井液的,pH,值，如要求的精度较高时，可使用,pH,计。,五、钻井液含砂量,钻井液含砂量是指钻井液中,不能通过,200,目筛网，即粒径大于,74,微米,的砂粒占钻井液总体积的百分数。在现场应用中，该数值越小越好，一般要求控制在,0.5,以下。这是由于含砂量过大会对钻井过程造成以下危害：,使钻井液密度增大，对提高钻速不利；,使形成的泥饼松软，导致滤失量增大，不利于井壁稳定，并影响固井质量；,泥饼中级砂粒含量过高会使泥饼的摩擦系数增大，容易造成压差卡钻；,增加对钻头和钻具的磨损，缩短其使用寿命。,降低钻井液含砂量量有效的方法，是充分利用振动筛、除砂器、除泥器等设备，对钻井液的固相含量进行有效的控制。,含砂量的测量,六、钻井液的固相含量,钻井液固相含量通常用钻井液中全部固相的体积占钻井液总体积的百分数来表示，固相含量的高低以及这些因相颗粒的类型、尺寸和性质均对钻井时的井下安全、钻井速度及油气层损害程度等有直接的影响。因此，在钻井过程中必须对其进行有效的控制。,1,钻井液中固相的类型,一般情况下，钻井液中存在着各种不同组分、不同性质和不同颗粒尺寸的固相。根据其性质的不同，可将钻井液中的固相分为两种类型，即活性固相,(Active,So1ids),和惰性固相,(Inert So1ids),。凡是容易发生水化作用或易与液相中某些组分发生反应的称为活性固相，反之则称为惰性固相。前者主要指膨润土，后者包括石英、长石、重品石以及造浆率极低的粘土等除重晶石外，其余的惰性固相均被认为是有害固相，是需要尽可能加以清除的物质。,080305 15:35,2.,钻井液固相含量对与井下安全的关系,使钻井液流变性能不稳定，粘度、切力偏高，流动性和携岩效果变差。,使井壁上形成厚的泥饼，而且质地松散，摩擦系数大，从而导致起下钻遏阻，容易造成粘附卡钻。,泥饼质量不好会使钻井液滤失量增大，常造成井壁泥页岩水化膨胀、井径缩小、井壁剥落或坍塌；,钻井液易发生盐钙侵和粘土侵，抗温性能变差，维护其性能的难度明显增大。,3.,钻井液固相含量对钻速的影响,大量钻井实践表明，钻井液中因相含量增加是引起钻速下降的一个重要原因。此外，钻井液对钻速的影响还与固相的类型、固相颗粒尺寸和钻井液类型等因素有关。,根据,100,口井统计资料做出的钻井进尺、钻头使用数量及钻井天数与钻井液固相含量的关系曲线如下图所示。虽然这些曲线不能用来预计某口井的钻速，但是可以表明固相含量对钻速影响的大概趋势。,关于固相类型对钻速的影响，一般认为重晶石、砂粒等惰性固相对钻速的影响较小，钻屑、低造浆率劣土的影响居中，高造浆率膨润土对钻速的影响最大。,4.,钻井液固相含量的测定,蒸馏的方法快速测定钻井液中固相及油水的含量。,测试步骤,在蒸馏器内注入,20 m1,钻井液，将插有加热棒的套简连接到蒸馏器上。,将蒸馏器的引流管插入冷凝器的孔中，然后将量筒放在引流嘴下方，以接收冷凝成液体的油和水,接通电源，使蒸馏器开始工作，直至冷凝器引流嘴中不再有液体流出时为止。这段时间一般需,20,一,30 min,。,待蒸馏器和加热棒完全冷却后，将其卸开。用铲刀刮去蒸馏器内和加热棒上被烘干的固体。用天平称取固体的质量，并分别读取量简中水、油的体积。,通常用固相所占有的体积分数表示钻井液的固相含量，需要注意的是，对于,含盐量,1,的淡水钻井液，很容易由实验结果求出钻井液中固相的体积分数,；但对于,含盐量较高,的盐水钻并液，被蒸干的盐和固相会共存于蒸馏器中。此时,需扣除由于盐析出引起体积增加的部分,，才能确定钻井液中的实际固相含量。,f,s,=1-,f,w,C,f,-,f,o,f,s,、,f,w,、,f,o,分别为钻井液中固相、水和油的体积分数；,Cf,考虑盐析出面引入的体积校正系数，显然它总是大于,l,的无因次常数。,除以上钻井液的基本性能外，钻井液的其它性能还包括抑制性、润滑性、抗温性、荧光度以及对生物的毒性等，这些性能将在以后有关章节中进行讨论。,页岩试样（,8,10,目）,E-P,极压润滑仪,激光粒度分析仪,高温高压页岩膨胀仪,高温高压失水仪,高温高压堵漏仪,