《钻井液完井液化学》PPT课件.ppt

钻井液完井液化学 1 第一章、 钻井液概论 本章要求掌握： 钻井液、完井液概念。 钻井液、完井液的组成和类型。 钻井液、完井液的主要作用。 钻井液基本性能参数。 钻井液技术发展简史 2 第一节、 钻井液、完井液的定义 狭义钻井液粘土以小颗粒状态 (2um)分散在水中所 形成的溶胶 悬浮体 。(泥浆 mud) 广义 钻 井 液 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+气）。 (drilling fluid) 广义完井液 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）。 狭义完井液 钻开油气层的钻井液 （钻开液）。 (completion fluid) 3 第二节、 钻井液的组成、类型及性 能 1. 钻井液的组成 主要由水、粘土和添加剂组成的体系 分散介质+分散相+化学处理剂 连续相+不连续相 液相+固相+化学处理剂 4 分散相与分散介质 分 散 相 在多相分散体系中，被 分散的物质。 (不连续, 可以粒子或液滴 ) 分散介质 分散相所在的连续介质 。 分散体系一种或多种分散相分散在 分散介质中所形 成 的体系. 例如：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。 5 组分举例组分举例 某种水基钻井液组分为： 水 + 膨润土 + 处理剂 100ml 5g 1g 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。 不考虑处理剂 的体积。 6 钻井液的组成示例 7 2. 钻井液的分类 分类方法多 通常根据分散介质分为四大类： 水基钻井液（Water-Base Drilling Fluids） 油基钻井液（Oil-Base Drilling Fluids） 气态钻井液（Gas-Base Drilling Fluids） 合成基钻井液(Synthetic-Base Drilling Fluids) 8 一般分类 9 API和IADC分类法 不分散钻井液（基本不含 处理剂的天然泥浆）-non- dispersed drilling fluids 分散型钻井液- dispersed drilling fluids 聚合物钻井液-polymer drilling fluids 低固相钻井液-low solids drilling fluids 饱和盐水泥浆-saturated saltwater drilling fluids 钙处理钻井液-calcium- treated drilling fluids 修井液，完井液- workover ,completion fluids 油基钻井液-oil-based drilling fluids 气体类钻井液-gas typed drilling fluids 10 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 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 11 钻井液的分类 按是否使用加重材料分为: 非加重泥浆 加重泥浆(密度高于1.25g/cm3) 按钻井液的抑制性强弱分为: 分散泥浆 抑制性泥浆 按粘土的聚集状态分为 细分散泥浆 粗分散泥浆 不分散泥浆 12 钻井液循环路线 泥浆池泵高压管汇水龙带 方钻杆 钻杆钻铤钻头环空 井口及 振动筛 固控设备 13 3. 钻井液的主要功能 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 14 钻井液的主要作用 保持清洁；控制压力； 冷却润滑；防止垮塌； 避免损害；取准资料； 传递功率； 15 4、钻井液的性能 钻井液的密度(Density) 钻井液的流变性(Rheological Properties) 钻井液的失水造壁性(Filtration Properties) 钻井液的含砂量(Sand content of DF) 钻井液的pH值 钻井液的固相含量和油、水含量 钻井液膨润土含量(MBT) 钻井液的润滑性(Lubricity) 钻井液的抑制性 钻井液滤液的化学性质（碱度、硬度 、Cl-含量、.） 16 钻井液密度 平衡地层压 力，防止井喷、井漏和钻井液受地 层流体的污染； 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，提高机 械钻速； 合理选择打 开油气层的钻井液密度，减少钻井 液对 产层的伤害 。 用比重秤测 定。 17 钻井液的含砂量 定义:钻井 液中不能通过200目筛的固相 的体积占钻井液体积的百分 数。一般要求小于0.5。 含砂量过高 带来的危害： 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 ，失水增大； 泥饼表 面摩擦系数增加； 钻头、 钻柱、泵等机械设备磨损严重 。 18 钻井液的pH值 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胶部件 有严重的腐蚀作用，所以， 绝大多数钻井液体系的PH值 都控制在7以上。 不分散型钻 井液体系：PH=7.58.5 分散型钻井 液体系：PH10 钙处理钻井 液体系:PH11 19 钻井液膨润土含量（MBT） 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 ，MBT过高，钻井液的粘度 、切力增大，泥饼增厚，容 易造成井下事故。 MBT过小 ，钻井液的粘度、切力急剧 下降，失水增大。 20 钻井液不应具有的性能 伤害钻井人员，损害或污染环境 对所设计的地层评估有不利的性能 对产层产生伤害 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 and subsurface tubulars. 21 优质钻井液的标准 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； 有利于发现、保护油气层。 22 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、井温、测井及环保要求正 确选择钻井液类型； 自始至终维护、保持良好的钻井液性 能； 预防、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 低钻井液成本。 根据地质及钻井工程需要研究新型钻 井液处理剂及体系。 23 第三节、 钻井液工艺技术的发展 1 初步发展时期 自然造浆阶段 1888 1928年 主要解决问题： 携带钻屑 控制地层压力 典型技术： 水+钻屑+地面土 使用重晶石、铁矿 粉（1920年以后) 24 2. 快速发展时期 细分散泥浆阶段 1928 1948年 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 使用膨润土 、单宁、烧碱、褐煤 25 3. 高速发展阶段 粗分散泥浆阶段 1948 1965年 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 26 4. 科学发展时期 聚合物不分散 低固相钻井液阶段 1965年 现在 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 合成基钻井液 抗高温钻井液 27 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 ; 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 钻井液理论较成熟； 成功研制了一些钻井液处理剂，如 FA367, XY27, SMP, 80A51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； 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。 计算机应用及固控技术相对滞后。 28 预测钻井液技术发展方向 钻井液强化稳 定井壁技术 复杂地质条件 下深井、超深井、大位移井钻井液 技术 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 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 恶性漏失的防 治技术 29 国内钻井液技术与国外对比 优势: 钻井液体系及处理剂多 差距: 钻井用土质量差 固控技术不成熟、不重视 钻井液体系及使用不规范 基础理论研究及应用不多 30 课程内容包括 三大基础： o粘土胶化 o流变学 o处理剂化学 三大体系： o水基 o油基 o气体类 两大工艺： o固控技术 o复杂情况预防及 处理 两大技能： o钻井液、完井液 配制 o钻井液、完井液 性能测试 31 课程特点及要求 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、基本实验技 能； 了解钻井液完井液体系及应 用工艺、发展方向和动态。 32 主要参考书刊 李健鹰编著, 泥浆胶体化学 H.范.奥尔芬, 粘土胶体化学导 论 (译本) G.R.格雷, 钻井液的组成与性 能 (译本) 鄢捷年，钻井液工艺学， 张绍槐等编著, 保护储集层技 术 张孝华等编著, 现代泥浆实验 技术 期刊: 钻井液与完井液、 油田 化学、石油钻采工艺、石油学报 、石油钻探技术、石油学院学报 等 33 习题：1、9、10 34 第二章、 粘土胶体化学基础 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。 2. 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。 4. 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。 35 学习本章的意义 粘土是配浆的基础材料 泥浆是粘土 水的溶胶 悬浮体 地层造浆、井壁稳定、储层保护 等均与地层粘土矿物有关。 所以，必须学习粘土矿物及胶体 化学基本知识。 36 几个概念 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 。 具有丁达耳现象、扩散慢、不渗析 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。 37 胶体概念的沿革 1864年Graham的半透膜实验： 将一块羊皮纸( 一种半透膜)缚在一个玻璃筒下端，筒内 装着要研究的水溶液，并把筒浸于水中， 经过一段时间后，测定水中溶质的浓度， 求得溶质透过羊皮纸的扩散速度。实验发 现： 有些物质如无机 盐、白糖等，扩散快，能很快透过羊皮纸 。另一类物质如明胶、丹宁、蛋白质、氢 氧化铝等，扩散速度缓慢，而且极难甚至 不能透过羊皮纸。 当溶剂蒸发时， 前一类者物质易成晶体析出，后一类物质 则不成晶体，而成粘稠的胶状物质。 38 39 胶质 （胶体Colloid） +溶剂 蛋白质 明胶 氢氧化铝 溶胶 sol 溶液 solution 凝晶质（晶体Crystalloid）+溶剂 食盐 白糖 40 胶体(Graham): 一种特殊的物质,其特点是扩散 慢,不渗析,蒸干后呈粘稠的状态 41 随着科学的发展，经过多次实验证实 ，发现这样的分类并不合适，因为任 何物质既可制成晶体也可制成胶体状 态。例如典型的结晶物质NaCl在水中 形成真溶液，却可在酒精中制成胶体 状态。另一方面，许多表现胶体性质 的物质在适当的条件下也可制成晶体 。 维依马林(俄 1905) 胶体、晶体是物质的两种存 在状态。 在胶体状态下,物质是以大颗 粒的形式分散于溶剂中,大颗 粒由许多原子或分子组成 42 胶体的概念 物质以某种分散程度分散 在介质中所形成的分散体 系。 颗粒能通过滤纸 不渗析(不能通 过半透膜) 扩散很慢 超显微镜下可见 43 几个基本概念 1. 相和相界面 相 任何物理化学性质都完 全相同的均匀部分称为一个相。 如果体系中有两个或两个以上的 相，称为多相体系。 相界面 相与相之间的宏观 物理界面。 在相互接触的两相中： 若一相为气体，相界 面称为表面。 若是液/固分界面，称 为界面。 44 分散度和比表面 分散度 分散相的分散程度。 含 形状，级配，粒度 中值等概念 比表面 单位体积（重量）物 质的总表面积。 比表面 = S/V （ S/W）, 一般用cm-1,cm2/g示之。 45 分散相分散介质质 名称例 液气气液溶胶雾雾 固气气固溶胶灰尘尘、烟 气液泡沫泡沫 液液乳状液牛奶、O/W 、W/O 固液溶胶、悬悬浮 体 泥浆浆 气固固态态泡沫面包 液固固态态乳状液珍珠 固固固体悬悬浮体合金 分散体系分类（按聚集状态） 46 分散体系分类（按分散相大小分 ） 物质微粒的长、宽、高三维中任意一维的尺寸（ 或至少在一个方向）在1100nm之间，并分散在另 外一种连续介质中所形成的分散体系胶体 47 按分散相与分散介质的亲合程度分 ： 憎液胶体：分散相则不能在介质 中自动分散形成，必须用其它方 法并加入稳定剂，即便如此，形 成的溶胶也不稳定，或迟或早总 会自动析出。 这两类胶体的这种区别表示分散 相与分散介质之间的亲合能力不 同。 亲液胶体：分散相可以在介质中 自动分散，形成的胶体溶液长期 稳定，例如明胶水体系： 48 亲液胶体 憎液 胶体 分散相自动分散 分散相不能自 动分散(外界作功) 长期稳定 不能长期 稳定 可逆胶体 不可逆胶 体 是有机胶体(高分子溶液) 是无机 胶体 亲液胶体是热力学稳定的单相体系; 憎液胶体是热力学不稳定的多相体系. 49 胶体分散体系（憎液溶胶）的基本性 质 多相性 高度分散性 比表面积 大 聚结不稳定性 易聚结 合并 憎液胶体中分散得很细的分 散相微粒有自动聚结（自动降低 分散度）缩小总表面积的趋势， 这就是胶体的聚结不稳定性。 50 聚结不稳定示意图 51 第一节、 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，粘性，高温成型性，可塑 成型性 矿物组成：粘土矿物（蒙脱石等）+ 非 粘土矿物（石英、长石等）+ 胶体矿物（蛋 白石等）。 化学组成: Si O Al OH，少量的 Fe Na Ca Mg 等 粘土矿物：含水的细分散的层状及链状构造硅 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）。 52 一、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 硅氧四面体(silica tetrahedron) 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。 SiO距离：1.61埃。 硅原子 氧原子 53 硅氧四面体片 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。 平面投影形成三层。 是六角对称的（六角环半径 1.33A，空心） 四面体片在粘土中不能独立存 在。 硅原子 氧原子 Si4O10 最小重复单元分子式 54 四面体片立体模型 55 硅氧四面体与 硅氧四面体片 56 2. 铝氧八面体与铝氧八面体片 铝氧（Al O(OH)）八面 体(alumina octahedron) 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=2.60埃。 OHOH距离=2.94埃。 铝原子 氢氧原子 57 铝氧（氢氧）八面体片 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）。 氢氧原子 铝原子 Al4(OH)12 最小重复单位分子式 58 铝氧八面体与 铝氧八面体片 59 八面体片立体模型 60 八面体片特点 许多八面体通过共用氧原子(同 一平面上的)而联接 在a b两方向上无限延伸 三个层面 六角对称( 六角环半径1.33, 实 心,六角环中心被OH原子团所占 据) 61 八面体片系 二-八面体片：在八面体片中， 平均每三个八面体的中心只有二 个被中心离子（如铝离子Al3+） 占据 又称为铝氧片 三水铝矿片 三-八面体片：在八面体片中， 平均每三个八面体的中心被三个 被中心离子（如镁离子Mg2+）占 据 又称镁氧片 水镁石片 62 粘土矿物的晶层 四面体片和八面体片的对称性相 似,六角环大小相等, 它们共用 顶角氧而形成粘土矿物的晶层 晶层在c轴上的堆迭形成层状粘 土矿物 晶层:在c轴上能重复再现的最小 单位. 63 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。 两种原型粘土矿物（基本类型） 1：1型（高岭石） 2：1型（叶腊石） C a C 间 距 b 64 几个概念 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+,Ca 2+,Mg 2+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。 阳离子交换容量（CEC）：分散介质 的PH=7时，从粘土上所能交换下来的 阳离子总量。以meq/100g(毫克当量 /100克）示之。 65 二、几种粘土矿物的晶体构造和特性 1. 高岭石（Kaolinite) 晶体结构 1：1型 单位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。 晶胞分子式：Al4Si4O10(OH)8 特点 A 晶层间连接紧密（晶层一面为 “O”层，一面为“OH”层，易形成 氢键。） B 阳离子交换容量低： 3-5 毫克当量/100克土 C 水化分散性膨胀性差，矿物较 稳定。 D C轴间距=7.2埃。 -6 +12 -10 +16 -12 - =0 6OH 4Al 4O+2OH 4Si 6O 氧 氢氧 铝硅 66 叶腊石 是2:1型 八面体为二八面体 电中性 单胞面积:5.15X8.9A2 C轴间距 9.2A 晶层联结力:范德化引力 叶腊石是2:1型粘土矿物的原型矿物,没 有任何变异 叶腊石中的八面体片为二八面体，若换 成三八面体，便成了另一种矿物滑 石， 叶腊石和滑石不能叫作粘土矿物 67 2. 蒙脱石（Montmorillonite) 晶体结构 2：1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。 晶胞分子式：Al4Si8O20(OH)4 特点 晶格取代 主要在八面体中： Mg 2+、Fe 2+ Al3+ 单位层之间由分子间力连接 补偿阳离子：Na+、Ca2+ 阳离子交换容量高： 70130 毫克当量/100克土 水化能力强。 C间距随层间阳离子类型及含水 量而变（9.6-21.4埃). 68 3. 伊利石（illite) 晶体结构 2：1型+K+ 晶体结构与蒙托石的晶体结构 类似。 区别： A 晶格取代比蒙脱石多，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脱石的高 11.5倍。 特点 A 单位晶胞电荷数高：0.61.8。 B 单位层之间由分子间力和K+和 强的静电引力连接。 C 阳离子交换容量低： CEC=1040 meq/100g土 D 水化能力弱。 E C间距10埃。 氧 氢氧 铝硅 K+ 10 埃 69 绿泥石(chorite) 结构：两层硅氧四面体片夹一层铝氧 八面体片构成单位层，单位层间夹 一层水镁石片。 2：1：1型。 特性： (1)晶格取代多，但CEC值低 (2)层间连接紧密,C间距14A (3)水化能力差，颗粒粗，属于劣土 ，多呈绿色。 70 绿泥石的晶体结构 71 绿泥石 晶层结构属于2:1:1型 绿泥石的结构单位层由一层2:1 型云母层和一层水镁石片组成 云母层带负电，水镁石片带正电 ，二种片体靠静电引力结合在一 起，并维持电中性。 在沉积岩中，绿泥石常与蒙石， 蛭石等粘土矿物共存，形成间层 矿物。 72 间层粘土(mixed layer clay) 结构：由两种或两种以上粘土单 位层相间堆叠而成。 分类：规则间层和不规则间层。 常见：伊/蒙间层和绿/蒙间层。 特性：介于组分之间，取之于间 层比，分散性强。 73 海泡石、凹凸棒石 结构：层链状 纤维状粘土 形象比喻：藕 特性： （1）水化分散差，但机械剪 切可配浆 （2）抗温性好 （3）抗盐性好，称为抗盐土 74 坡缕石晶体构造示意图 75 76 课 程 小 结 C轴间距 层间阳离子 77 第二节、粘土的电性和离子交换吸附 一、粘土晶体的电荷及其来源 1. 永久负电荷 构造电荷 来源：晶格取代产生过剩负电荷。 如： 四面体：Al3+ Si4+；八面体：Mg2+ Ai3+ 。 特点： 永久负电荷主要受晶格取代影响，不受PH影 响。 蒙脱石的永久负电荷：主要来源于铝氧八面体 ，少部分来源于硅氧四面体。 伊利石的永久负电荷：主要来源于硅氧四面体 ，少部分来源于铝氧八面体。 高岭石几乎无永久负电荷。 永久负电荷大小排序： 伊利石蒙脱石高岭 石。 永久负电荷主要分布在粘土晶层层面上。 78 2 . 可变负电荷 表面电荷 来源： 晶体端面的Al OH键， 例如：在碱性条件： 表面吸附OH-、SiO3 2-等无机阴离子 ，或有机阴离子聚电解质。 Al O-. H+ OH- SiO3 2- 79 3. 正电荷 表面电荷 来源：当PH 3000C，释放出结晶水。 2. 吸附水（束缚水） 定义：由于分子间力和静电引力吸附极 性水分子而在粘土表面上形成的一层 水化膜。 特点：温度1100C，释放出吸附水。包 括：薄膜水、毛细管水、胶体水。 3. 自由水 定义：粘土颗粒孔隙或孔道中存在的可 自由运动的水。 84 二、粘土的水化和