无机盐在钻井液中的应用及对钻井液性能影响

1、无机盐在钻井液中的应用无机盐在钻井液中的应用及对钻井液性能影响及对钻井液性能影响硅酸盐应用及影响硅酸盐应用及影响 研究背景研究背景钙盐应用及影响钙盐应用及影响 其他无机盐应用及影响其他无机盐应用及影响碳酸盐应用及影响碳酸盐应用及影响结论结论目录目录 研究背景研究背景 井壁稳定问题是钻井过程中经常遇到井壁稳定问题是钻井过程中经常遇到的难题。据统计，世界石油工业每年用于处的难题。据统计，世界石油工业每年用于处理井壁稳定事故的经费高达理井壁稳定事故的经费高达7 7亿美元。由于无亿美元。由于无机盐钻井液的抑制性能近于油基钻井液，有机盐钻井液的抑制性能近于油基钻井液，有利于保护油气层，且成本低、无毒、无

2、污染，利于保护油气层，且成本低、无毒、无污染，具有良好性能。具有良好性能。硅酸盐防塌机理硅酸盐防塌机理堵塞页岩空隙和微裂缝，阻止滤液进入地层，同时减小了冲击压力2硅酸盐与粘土矿物发生反应34抑制页岩中粘土矿物膨胀和分散与其他无机盐的协同稳定井壁作用1硅酸盐应用及影响硅酸盐应用及影响应用历程应用历程 早在20世纪30年代，前苏联和美国就开始研究硅酸盐钻井液，并应用在墨西哥湾地区打断已坍塌页岩底层，解决了钻井过程中卡钻等问题。 20世纪60年代研究利用硅酸盐提高羟甲基纤维素钠的抗温性。稀硅酸盐钻井液开始在现场应用，取得了较好的稳定井壁效果。 20世纪90年代国外石油公司基本上已将硅酸盐体系作为成熟

3、技术使用。我国也开始对该体系进行系统研究，开发了多种复合型硅酸盐钻井液体系。硅酸盐应用及影响硅酸盐应用及影响硅酸盐的模数和加量对钻井液的抑制性和六边形影响硅酸盐的模数和加量对钻井液的抑制性和六边形影响较大，钻井液较大，钻井液PHPH和温度对其抑制性防塌性有重要影响。和温度对其抑制性防塌性有重要影响。良好的环境保护和井壁稳定能力是硅酸盐钻井液主要良好的环境保护和井壁稳定能力是硅酸盐钻井液主要的技术优势。的技术优势。时间证明硅酸盐钻井液既经济又环保，具有封堵能力时间证明硅酸盐钻井液既经济又环保，具有封堵能力强、抑制性好、润滑性能优良等特点，能有效保护油强、抑制性好、润滑性能优良等特点，能有效保护油

4、气层。气层。硅酸盐应用及影响硅酸盐应用及影响结论结论钙处理剂种类钙处理剂种类 钙盐应用及影响钙盐应用及影响 钙处理钻井液是以钙处理剂为主要处理剂的水基钻钙处理钻井液是以钙处理剂为主要处理剂的水基钻井液。可用的钙处理剂包括石灰，石膏和氯化钙等，它井液。可用的钙处理剂包括石灰，石膏和氯化钙等，它们分别称为石灰处理钻井液、石膏处理钻井液和氯化钙们分别称为石灰处理钻井液、石膏处理钻井液和氯化钙处理钻井液。处理钻井液。 钙处理钻井液具有抗钙侵、稳定页岩和控制钻井液钙处理钻井液具有抗钙侵、稳定页岩和控制钻井液中粘土分散性等特点。中粘土分散性等特点。现场应用现场应用 钙盐应用及影响钙盐应用及影响 2003

5、2003年、年、20042004年，塔河油田在钻进第三系、三叠系、石炭系地年，塔河油田在钻进第三系、三叠系、石炭系地层时应用了高钙盐钻井液体系，钻井过程中钻井液性能稳定、滤失层时应用了高钙盐钻井液体系，钻井过程中钻井液性能稳定、滤失易于控制、流变性易于调整，起下钻顺畅，全井最大摩阻小于易于控制、流变性易于调整，起下钻顺畅，全井最大摩阻小于300kN300kN，很少出现划眼现象，三叠系和石炭系井径扩大率均小于很少出现划眼现象，三叠系和石炭系井径扩大率均小于6%6%，表现出，表现出很好的防塌性。很好的防塌性。 再者，在配制胶液时可全部使用井场高矿化度水再者，在配制胶液时可全部使用井场高矿化度水，仅

6、此一项就仅此一项就节约淡水几千方，在塔河油田淡水紧缺地区具有重大意义。节约淡水几千方，在塔河油田淡水紧缺地区具有重大意义。 在钻遇含石膏地层时，高钙盐钻井液基本不存在钙污染问题，在钻遇含石膏地层时，高钙盐钻井液基本不存在钙污染问题，至钻穿含膏地层，钻井液性能保持稳定。至钻穿含膏地层，钻井液性能保持稳定。结论结论 钙盐应用及影响钙盐应用及影响1.1.高钙盐钻井液体系具有极强的抑制性和防塌能力，对解决深部泥页高钙盐钻井液体系具有极强的抑制性和防塌能力，对解决深部泥页岩地层剥蚀掉块垮塌问题有明显效果。岩地层剥蚀掉块垮塌问题有明显效果。2.2.高钙盐钻井液体系通过协同作用确保该体系具有较强的防塌能力。

7、高钙盐钻井液体系通过协同作用确保该体系具有较强的防塌能力。同时有机聚合物的包被絮凝作用与钙盐、钾盐、铝盐的无机封堵、固同时有机聚合物的包被絮凝作用与钙盐、钾盐、铝盐的无机封堵、固壁作用相结合，进一步提高了井壁的稳定性。壁作用相结合，进一步提高了井壁的稳定性。3.3.高钙盐钻井液体系性能稳定，转化、处理、维护简单易行。高钙盐钻井液体系性能稳定，转化、处理、维护简单易行。碳酸盐应用及影响碳酸盐应用及影响1.1.随着随着NaNa2 2COCO3 3的增加，的增加，pHpH不断增加，滤失量不断增加，表现粘度不断增加，滤失量不断增加，表现粘度和动切力先增加后减小；随和动切力先增加后减小；随NaClNaC

8、l浓度的增加，浓度的增加，pHpH不断减小，滤不断减小，滤失量不断增加，表现粘度动切力先增加后减小。失量不断增加，表现粘度动切力先增加后减小。NaNa2 2COCO3 3或或NaClNaCl加加入量较少时，塑性粘度变化不大；加入量较大时，塑性粘度增入量较少时，塑性粘度变化不大；加入量较大时，塑性粘度增加，但增加量不大。加，但增加量不大。2.2.无论用无论用NaNa2 2COCO3 3和和NaOHNaOH调调pHpH，随，随pHpH的增加，表现粘度和动切力先的增加，表现粘度和动切力先增加后减小，增加后减小，pH=812pH=812，塑性粘度基本不变；，塑性粘度基本不变；pH11pH11时，滤失量

9、时，滤失量随随pHpH缓慢增加。缓慢增加。碳酸盐应用及影响碳酸盐应用及影响3.3.向基浆中加向基浆中加NaNa2 2COCO3 3至饱和，基浆表现粘度和动力粘度基本不变，塑至饱和，基浆表现粘度和动力粘度基本不变，塑性粘度变化不大，随性粘度变化不大，随NaNa2 2COCO3 3浓度增加，基液滤失量不断增加。浓度增加，基液滤失量不断增加。4.4.随随NaNa2 2COCO3 3浓度增加，基浆的表现粘度和动切力显示降低，然后有所浓度增加，基浆的表现粘度和动切力显示降低，然后有所增加，塑性粘度变化不大，高浓度时有所增加。增加，塑性粘度变化不大，高浓度时有所增加。5.5.钙侵可以导致钻井液粘度增加，而

10、进一步钙侵会导致粘度减小。钙侵可以导致钻井液粘度增加，而进一步钙侵会导致粘度减小。6.6.随随COCO2 2增加，基浆表现粘度减小，塑性粘度减小，动切力减小，但增加，基浆表现粘度减小，塑性粘度减小，动切力减小，但变化不大，变化不大，pHpH减小，滤失量增加，碳酸根减小，碳酸氢根增加，用减小，滤失量增加，碳酸根减小，碳酸氢根增加，用NaOHNaOH调节调节pHpH，碳酸根增加，碳酸氢根减少，基浆的其余各项性能没有，碳酸根增加，碳酸氢根减少，基浆的其余各项性能没有恢复。恢复。 其他无机盐应用及影响其他无机盐应用及影响纯碱能通过离子交换和沉淀作用使钙质粘土变为钠质粘土纯碱能通过离子交换和沉淀作用使钙

11、质粘土变为钠质粘土Ca-Ca-粘土粘土NaNa2 2COCO3 3Na-Na-粘土粘土CaCOCaCO3 3从而有效地改善粘土的水化分散性能，因此加入适量纯碱可使新浆从而有效地改善粘土的水化分散性能，因此加入适量纯碱可使新浆的失水下降，粘度、切力增大。但过量的纯碱要产生压缩双电层的的失水下降，粘度、切力增大。但过量的纯碱要产生压缩双电层的聚结作用，反而使失水增大。其合适加量要通过造浆实验来确定。聚结作用，反而使失水增大。其合适加量要通过造浆实验来确定。生石灰是生石灰是CaOCaO，吸水后变成熟石灰，吸水后变成熟石灰Ca(OH)Ca(OH)2 2，在水中的溶解度不大，在水中的溶解度不大( (常常

12、温下约为温下约为0.16%)0.16%)且随温度升高而降低。石灰可提供且随温度升高而降低。石灰可提供CaCa2+2+，控制粘土的，控制粘土的水化分散能力使之保持适度的粗分散，配合降粘剂和降失水剂进行水化分散能力使之保持适度的粗分散，配合降粘剂和降失水剂进行钙化处理，可得性能比较稳定、对可溶盐侵污不敏感、对泥页岩防钙化处理，可得性能比较稳定、对可溶盐侵污不敏感、对泥页岩防塌性能较好的钙处理泥浆。但石灰泥浆在高温情况下可能产生固化塌性能较好的钙处理泥浆。但石灰泥浆在高温情况下可能产生固化，因此超深井慎用。石灰还可配制石灰乳堵漏剂封堵漏层。，因此超深井慎用。石灰还可配制石灰乳堵漏剂封堵漏层。 其他无

13、机盐应用及影响其他无机盐应用及影响水玻璃加入泥浆，可以部分水解生成胶态沉淀：水玻璃加入泥浆，可以部分水解生成胶态沉淀：NaNa2 2O OXSiOXSiO2 2+(Y+1)H+(Y+1)H2 2O XSiOO XSiO2 2YHYH2 2O+2NaOHO+2NaOH可使部分粘土颗粒可使部分粘土颗粒( (或粉砂等或粉砂等) )聚沉，从而保持较低的固相含量和比聚沉，从而保持较低的固相含量和比重。此外，水玻璃泥浆对泥页岩的水化膨胀有一定的抑制作用，故重。此外，水玻璃泥浆对泥页岩的水化膨胀有一定的抑制作用，故有较好的防塌性能。有较好的防塌性能。氯化钙氯化钙(CaCl(CaCl2 2) )能大量溶于水中

14、能大量溶于水中( (常温下约为常温下约为75%)75%)且其溶解度随温度且其溶解度随温度增高而增大，它比石灰、石膏的溶解度大得多，故可用来配制防塌增高而增大，它比石灰、石膏的溶解度大得多，故可用来配制防塌性能较好的高钙泥浆。由于性能较好的高钙泥浆。由于 ，用，用CaClCaCl2 2处理时常常引起泥浆处理时常常引起泥浆pHpH值降值降低，同时低，同时CaClCaCl2 2泥浆的泥浆的pHpH值不宜过高，才能保证较高的值不宜过高，才能保证较高的CaCa2+2+浓度。浓度。 其他无机盐应用及影响其他无机盐应用及影响食盐食盐(NaCl)(NaCl)为白色晶体，常温密度约为为白色晶体，常温密度约为2.

15、17g/cm32.17g/cm3。纯品不潮解，含。纯品不潮解，含MgClMgCl2 2、CaClCaCl2 2、等杂质的食盐容易吸潮。在水中的溶解度较大、等杂质的食盐容易吸潮。在水中的溶解度较大(20(20时时为为36.036.0克克/100/100克水克水) )，且其溶解度随温度增高略有增大，且其溶解度随温度增高略有增大(80(80时为时为38.438.4克克/100/100克水克水) )。食盐主要用来配制盐水泥浆和饱和盐水泥浆，以防岩盐井。食盐主要用来配制盐水泥浆和饱和盐水泥浆，以防岩盐井段溶解成段溶解成“大肚子大肚子”。还可用来提高泥浆的矿化度，抑制井壁泥岩水化。还可用来提高泥浆的矿化度

16、，抑制井壁泥岩水化膨胀或坍塌。有时用于提高泥浆的切力和粘度。膨胀或坍塌。有时用于提高泥浆的切力和粘度。重铬酸钠重铬酸钠(Na(Na2 2CrCr2 2O O7 72H2H2 2O)O) 加碱时平衡右移。加碱时平衡右移。在泥浆中在泥浆中 能与有机处理剂起复杂的氧化还原反应，生成的能与有机处理剂起复杂的氧化还原反应，生成的 又能与多官又能与多官能团的有机处理剂形成络合物能团的有机处理剂形成络合物( (如木质素磺酸铬，铬腐植酸如木质素磺酸铬，铬腐植酸) )，少量铬酸，少量铬酸盐能提高铁铬盐泥浆和煤碱剂泥浆的热稳定性，有时也用作防腐剂。盐能提高铁铬盐泥浆和煤碱剂泥浆的热稳定性，有时也用作防腐剂。结论结论(1)(1)离子交换吸附。主要是粘土颗粒表面的离子交换吸附。主要是粘土颗粒表面的NaNa+ +、CaCa2+2+交换。这一交换。这一过程在改善粘土的造浆性能，泥浆的钙侵及其处理，钙处理泥过程在改善粘土的造浆性能，泥浆的钙侵及其处理，钙处理泥浆以及防塌等方面都很重要，对泥浆性能的影响也较大。浆以