第二章 钻井液（1）.ppt

第一节钻井液的功用、组成和类型第二节粘土胶体化学基础第三节钻井液的工艺性能第四节钻井液常用原材料和处理剂第五节钻井液体系,,,,,,第二章钻井液,定义钻井液是指具有各种各样功能以满足钻井工程需要的循环流体。有“钻井工程的血液”之称，又称为“泥浆”。钻井液始终是为钻井工程服务的，它的发展与钻井工程的发展紧密相关。一口油气井钻井成功和钻井成本的减少在很大程度上取决于钻井液的性能。,b,第二章钻井液,第二章钻井液,冷却润滑钻头,一、钻井液的功能,第一节钻井液的功能、组成和类型,第二章钻井液,提供所钻地层的地质资料（岩屑录井）,第一节钻井液的功用、组成和类型,一、钻井液的功能钻井液的功能体现在油气井钻井、完井的两个方面在整个钻进过程中，要保持安全优质快速低成本钻井；在进入油气层时，要具有保护储层的作用。,第二章钻井液,二、钻井液的组成和类型,1、钻井液的组成钻井液的基本成分由分散相分散介质化学处理剂组成。,处理剂各种维护分散体系稳定和调整体系性能的化学处理剂。,第一节钻井液的功用、组成和类型,第二章钻井液,多相多级胶体悬浮体分散体系固分散液液分散液气分散液,钻井液的实际配制,如以水为连续相的某种水基钻井液组分为水膨润土处理剂100ml5g1g用组分表示的配方为5膨润土浆1处理剂配方表示的特点用W/V百分数表示组分。不考虑其它的体积。,第一节钻井液的功用、组成和类型,第二章钻井液,随钻井工艺技术的发展，钻井液的种类增多，有不同的分类方法按照密度大小低密度高密度（≥1.35g/cm3）根据分散介质分为四大类水基钻井液（Water-BaseDrillingFluids）油基钻井液（Oil-BaseDrillingFluids）气基钻井液（Gas-BaseDrillingFluids）合成基钻井液Synthetic-BaseDrillingFluids,2、钻井液的分类,第一节钻井液的功用、组成和类型,第二章钻井液,第一节钻井液的功用、组成和类型,第二章钻井液,PAM－聚丙烯酰胺,API和IADC分类法,不分散钻井液（基本不含处理剂的天然泥浆上部井段或浅井）分散钻井液（水＋膨润土＋处理剂中、深井）钙处理钻井液（石灰、石膏和氯化钙抑制粘土化和抗盐侵）聚合物钻井液（由天然改性或合成的线性长链高分子聚合物普遍使用）,低固相钻井液（总固体积为6～10％提高钻井速度）盐水钻井液（防页岩膨胀、抗盐及抗石膏侵）油基钻井液（用于油气层保护）合成基钻井液（具有油基钻井液的性能却对环境不成造成损害）气体类钻井液（空气、雾化、泡沫及充气低压钻井）,第一节钻井液的功用、组成和类型,第二章钻井液,石油钻井工程标委会钻井液分委会综合分类法,不分散聚合物钻井液（用大中小分子聚合物处理的低固相泥浆）钾基钻井液,K≮1800mg/L（防塌）分散钻井液盐水钻井液,饱和盐水泥浆钙处理钻井液修井液，完井液油基钻井液气体类钻井流体,第一节钻井液的功用、组成和类型,第二章钻井液,初步形成时期18881928年；快速发展时期19281948年；高速发展时期19481965年；科学化时期1965年现在。,3、钻井液的发展,第一节钻井液的功用、组成和类型,第二章钻井液,初步发展时期自然造浆阶段（清水－钻屑中的粘土泥浆）,主要解决问题携带钻屑控制地层压力典型技术水粘土使用重晶石、铁矿粉（1920年前后,第一节钻井液的功用、组成和类型,第二章钻井液,快速发展时期细分散泥浆阶段,主要解决问题泥浆性能的稳定井壁稳定典型技术一些泥浆性能测试仪器研制出来（切力计、漏斗粘度计等）使用膨润土、丹宁、烧碱、褐煤（无机和有机）,第一节钻井液的功用、组成和类型,第二章钻井液,高速发展阶段粗分散泥浆阶段（适度絮凝的粗分散满足失水要求，粘度、切力较低，提高钻速）,主要解决问题石膏、盐污染温度影响典型技术各种盐水、钙处理泥浆油基泥浆处理剂品种16大类降失水、降粘、增粘、加重、堵漏、泡沫剂等）,第一节钻井液的功用、组成和类型,第二章钻井液,科学发展时期聚合物不分散低固相钻井液阶段,主要解决问题快速钻井保护油气层典型技术不分散低固相钻井液气体钻井保护油气层的完井液,第一节钻井液的功用、组成和类型,第二章钻井液,国内钻井液技术发展特点,同样经历了以上的阶段,但滞后一定时间;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（钾基）、聚合物钻井液理论较成熟；成功研制了一些钻井液处理剂如SMT－SMC－SMP［磺化（磺甲基）丹宁、磺化褐煤、磺化酚醛树脂）、MMH正电胶等；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；研制了大量钻井液性能评价仪器（旋转粘度计、失水仪、固相含量测定仪等）；计算机应用相对滞后。,第一节钻井液的功用、组成和类型,第二章钻井液,粘土胶体化学在一般胶体化学规律指导下，专门研究粘土胶体的生成、破坏和物理化学性质的科学。狭义胶体胶体大小（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所形成的分散体系。广义胶体包括粗分散体系（悬浮体、乳状液、泡沫）；溶胶；高分子真溶液；缔合胶体。,第二节粘土胶体化学基础,第二章钻井液,相和相界面相物质的物理化学性质都完全相同的均匀部分。体系中有两个或两个以上的相，称为多相体系。界面相与相之间的接触面。,一、粘土胶体化学的几个基本概念,第二节粘土胶体化学基础,第二章钻井液,分散相与分散介质分散相是指在多相分散体系中被分散的物质。分散介质则是分散相所在的连续介质。例如，在水基钻井液中，粘土颗粒分散在水中，粘土为分散相，水为分散介质。,第二节粘土胶体化学基础,第二章钻井液,分散度和比表面分散度分散相的分散程度。比表面单位体积（重量）物质的总表面积。,第二节粘土胶体化学基础,第二章钻井液,二、主要粘土矿物的晶体构造和特点,粘土主要由粘土矿物和少量非粘土矿物组成的细粒粘滞土状物质。特性细粒（2μm以下），粘性，高温成型性，可塑成型性成分粘土矿物（蒙托石、伊利石等）非粘土矿物（石英、长石等）非晶质的胶体矿物（蛋白石、Fe2OH等）。粘土矿物含水的细分散的层状及层链状构造硅酸盐矿物的及含水的非晶质硅酸盐矿物的总称。特点具有相对固定的化学组成和确定的内部结构（内部格子构造--晶格）。,第二节粘土胶体化学基础,第二章钻井液,硅、氧、铝,1、粘土矿物的两种基本构造单元,（1）硅氧四面体与硅氧四面体片由一个硅原子和四个等距的氧原子组成的正四面体。硅原子在四面体的中心，氧原子在四面体的顶点。图中基底氧四面体底面三个氧原子。顶端氧四面体顶点一个氧原子。OO距离2.61埃0.261nmSiO距离1.61埃1.61nm。,,,,,,,,,,,,,,,硅原子,氧原子,第二节粘土胶体化学基础,第二章钻井液,单个四面体与若干个相邻四面体通过底面氧相连，构成平面连续的四面体晶格。四面体片特点由SiO4彼此连接而成的Si4O10的无限重复的六方网格。所有基底氧排列在同一个平面上。所有顶端氧在另一个平面上。平面投影形成正六角形的三层空心六角环网格。四面体片在粘土中不能独立存在（通过阳离子和附加氧离子结合）。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,硅原子,氧原子,,,,Si4O10最小重复单元分子式,第二节粘土胶体化学基础,第二章钻井液,（2）铝氧八面体与铝氧八面体片,铝原子处于正八面体中心，六个氧原子或氢氧原子处于八面体顶点。图中OO距离0.260nm。OHOH距离0.294nm,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,铝原子,氢氧原子,第二节粘土胶体化学基础,第二章钻井液,单个八面体与相邻的八面体通过共用氢氧连接起来，顶端和底端氧原子则构成两个平行的平面（每个八面体同相邻的六个其它八面体通过共用氧（氢氧）连接）。二八面体（铝氧片）每三个八面体中心只有二个中心被Al3、Fe3占据（1/3空位）。三八面体（镁氧片）每三个八面体中心全被Mg3、Fe3充填（无空位）。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,氢氧原子,铝原子,Al4OH12最小重复单位分子式,,第二节粘土胶体化学基础,第二章钻井液,八面体片能独立存在。,（3）晶片的结合,晶层四面体片和八面体片沿C轴按一定顺序相互重合，通过共用氧原子连接形成电中性的统一结构层。晶体许多单位晶层在C轴方向上按一定距离反复重合而成。单位晶胞能代表晶体性质的单位层内最小物质组合。常以a、b轴范围表示其大小。C轴间距某一晶面与相邻晶层的对应晶面间的距离。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,C,,,a,,,,C间距,b,第二节粘土胶体化学基础,第二章钻井液,晶格取代在晶体结构保持不变的条件下，高价中心离子被低价正离子取代的现象。结果是正电荷亏损，粘土带负电。又叫同晶置换。补偿阳离子被吸附来补偿正电荷亏损的阳离子。如K,Na,Ca2,Mg2等。可交换阳离子在有水存在时，可与溶液中其它阳离子发生交换的那部分补偿阳离子。注由于基本结构层、层间物质、层间电荷、补偿阳离子不同、结晶的有序与无序粘土的种类繁多。,第二节粘土胶体化学基础,第二章钻井液,2、几种主要粘土矿物的晶体构造,（1）高岭石（Kaolinite晶体结构11型单元晶层由一层四面体片和一层八面体片组成，所有硅氧四面体的尖顶都朝向八面体，通过共用氧原子连接成晶层。若干个晶层在C轴方向上层层重叠，而在a、b轴方向上连续延伸。特点原子电荷平衡晶层间连接紧密（晶层一面为“O”层，一面为“OH”层，易形成氢键。）水化分散性差，矿物较稳定。C轴间距0.72nm。晶胞分子式Al4Si4O10OH8,,,,,,-612-1016-12-----0,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,6OH4Al4O2OH4Si6O,氧,,,氢氧,铝,硅,第二节粘土胶体化学基础,第二章钻井液,,,,,,,,,,,,非膨胀性、水化造浆性差。,电中性,（2）蒙托石（Montmorillonite晶体结构21型两层四面体片中间夹一层八面体片。每个四面体尖顶均指向中央的八面体，通过共用的氧连接成晶层。若干个晶层按一定距离在C轴方向上重叠构成晶体（0.9～1.0nm）。晶胞分子式Al4Si8O20OH4特点晶格取代（剩余电荷0.20.6）主要在八面体中Mg2Fe2取代Al3补偿阳离子Na、Ca2由其它阳离子交换阳离子交换容量高CEC＝70130毫克当量/100克土,,6O4Si4O2OH4Al4O2OH4Si6O,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,氧,,氢氧,铝,硅,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,C,,,,,,,,,,,第二节粘土胶体化学基础,第二章钻井液,,,,,,,,,,,,,水化能力强、造浆性好。,第二节粘土胶体化学基础,第二章钻井液,（3）伊利石（illite晶体结构21型K晶体结构类似与蒙托石的晶体结构。区别A晶格取代比蒙托石多，且主要发生在四面体片中。B补偿阳离子主要为K。C单位晶胞电荷数比蒙托石的高11.5倍。特点A单位晶胞电荷数高（负）0.61.8（蒙托石0.20.6）。B晶格的六角形空隙由K充填，其大小相等－不易膨胀。C阳离子交换容量低CEC2040meg/100g土,水化能力弱。,第二节粘土胶体化学基础,第二章钻井液,普通泥浆最基本的组成是粘土和水，即粘土水悬浮体。而泥浆处理剂大多都是通过粘土水界面产生作用。因此，粘土胶体化学（界面性质）是泥浆的重要基础。,1.粘土-水界面扩散双电层（1）电泳与电渗粘土颗粒向阳极移动;若固相不动，水通过粘土表面向阴极流动。得到两个概念电泳在电场作用下，分散相微粒在介质中向某一电极移动的现象。电渗在电场作用下，液体对固定的带电荷的固体表面作相对运动的现象。显然，电泳和电渗都是胶体体系在外加直流电场所引起的运动现象。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,土粒,水,电泳,电渗,,-,,三、粘土-水悬浮体系的胶体化学,第二节粘土胶体化学基础,第二章钻井液,电荷来源晶格取代、OH根的电离、吸附离子。,泥浆,粘土胶粒子带电性,（2）扩散双电层的形成与结构扩散双电层从固体表面到过剩反离子为零处。吸附层固体表面紧密吸引着的部分反离子所构成。扩散层其余反离子扩散地分布在液相中所构成。滑动面吸附层与扩散层的界面。胶粒固体颗粒吸附层,,----------,,,,,,,,,,,,,滑动面,吸附层,扩散层,距离,第二节粘土胶体化学基础,第二章钻井液,胶粒,水中粘土颗粒代负电，它的周围分布电荷相等的阳离子维持整个分散体系的电中性，两种作用，而在固液界面形成双电层。,取胶粒表面一部分,热力学电位φ0固面所带的总电荷。电动电位ζ固面电荷与吸附层内反离子电荷之差。ζ越高胶粒越难聚集，反之易于聚集。,第二节粘土胶体化学基础,第二章钻井液,加入电解质的影响,此种状态加入正离子，浓度增大，进入机会增加，胶粒电荷减小，双电层变薄压缩双电层作用。,第二节粘土胶体化学基础,第二章钻井液,胶体的聚结稳定性与双电层厚度、电动电位有关1、双电层愈厚度，ζ电位愈大，胶体愈稳定；2、双电层愈薄，ζ电位愈小，胶体容易聚结；3、加入电解质可改变其稳定性及聚结性。,小结,2、粘土-水悬浮体的稳定性钻井液中的粘土颗粒（片状）多数在悬浮体范围（0.1～2微米），少数在溶胶范围（0.1微米～l毫微米）。钻井液是粘土-水的胶质悬浮体系，具有胶体和悬浮体的性质。由于粘土-水分散体系具有多相多级性和巨大的表面积，是一种热力学不稳定的分散体系。所以，掌握粘土-水胶质悬浮体的稳定性（分散与聚集的关系）及其影响因素对于钻井液的配制、使用、维护和处理具有指导意义。,第二节粘土胶体化学基础,第二章钻井液,（1）沉降稳定性和聚结稳定性沉降稳定性是指在重力作用下分散相颗粒是否容易下沉的性质。若下沉速度很小，甚至可略而不计，则称该体系具有沉降稳定性。观察钻井液沉降稳定性的方法，是将充分搅拌好的钻井液注满250毫升量简，静置24小时后，分别量测上、下部分的钻井液密度，其上下密度的差值愈小，沉降稳定性愈高（一般要求上下密度差不超过0.06g/cm3）。聚结稳定性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。若不自动降低分散度，则称此体系具有聚结稳定性。可由钻井液的屈服值大小、失水量及泥饼厚度评价其聚结稳定性。,第二节粘土胶体化学基础,第二章钻井液,设分散相的粒子为球形，半径为r，它在分散介质中所受的重力为，下沉时所受的阻力f6πηru。下沉速度u越大，阻力f亦越大，故粒子在分散介质中下沉时不可能无限制地加速，而是会很快地变成等速下沉。令Pf，即重力等于阻力时求出u，就是该颗粒的下沉速度。式中，u分散相颗粒的下沉速度，cm／s；r分散相颗粒的半径，cm；ρ、ρ0分别为分散相和分散介质的密度，g／cm3；η分散介质的粘度，泊；g重力加速度；981cm／s2。,第二节粘土胶体化学基础,第二章钻井液,（2）影响沉降稳定性的因素（分散相）,根据上式分散相颗粒小、分散相与分散介质的密度差小、分散介质的粘度大，沉降稳定性好，反之则沉降稳定性差。钻井液这类能形成一定结构（有静切力）的体系，钻井液的结构对粘土颗粒的下沉起阻碍作用，这是一种切力悬浮作用，显著地提高了钻井液的沉降稳定性。尺寸小于1微米的颗粒具有的布朗运动使胶体粒子能向上扩散而保持悬浮状态，具有较高的沉降稳定性。,第二节粘土胶体化学基础,第二章钻井液,与r、密度差、η有关,第二节粘土胶体化学基础,第二章钻井液,（3）影响聚结稳定性的因素（分散相）,阻碍因素双电层的斥力（两颗粒聚结前，有移动过程，吸附层的反离子随颗粒一起运动，此时粘土粒子就具有负电荷多少的ζ电位）、吸附层（降低了固液界面的表面能，降低了颗粒的聚结趋势）,引起因素颗粒间的吸力（范德华力）、电解质（负离子对带正电的溶胶起聚结，正离子对带负电的溶胶起聚结）,沉降稳定性在重力作用下，分散相粒子是否容易下沉的性质。聚结稳定性分散相粒子是否容易自动聚结变大（自动降低分散度）的性质。两种稳定性的关系因为分散相粒子自动聚结变大，重量加大，粒子下沉，体系失去沉降稳定性。所以聚结稳定性是根本的。沉降稳定性是聚结稳定性的反映。,第二节粘土胶体化学基础,第二章钻井液,聚结作用与凝胶有些情况下，聚结作用凝胶（如盐、钙侵污）,凝胶----溶胶适度聚结形成布满容积的冻胶状体系。特征无水析出，不流动，有结构，有一定强度，如豆腐、凉粉等。形成条件胶粒形状高度不规则，胶粒表面性质不均匀，胶粒浓度足够大。,第二节粘土胶体化学基础,第二章钻井液,