钻井液与固控系统西南石油大学 罗平亚院士PPT课件

1、1 石油钻井机械与装备为油气钻井工程服务； 钻井工程为油气勘探开发服务； 钻井液技术为钻井工程服务 为满足油气钻井工程技术不断提高的要求, 石油钻井机械与装备得到不断发展； 石油钻井机械与装备的发展保证和促进了钻井工程技术发展；第1页/共41页2 钻井工程为油气勘探开发服务钻井工程为油气勘探开发服务, ,对所设计的探井或开发生产井对所设计的探井或开发生产井: : 打得成打得成( (消除、减少井下复杂与事故消除、减少井下复杂与事故, ,保证钻井本身安全及公共安全，保证把井到到设计井深与层位保证钻井本身安全及公共安全，保证把井到到设计井深与层位) ) 打得快打得快( (提高机械钻速；消除、减少井下

2、复杂与事故提高机械钻速；消除、减少井下复杂与事故) ) 打得好打得好( (井身质量好；井眼轨迹合符要求；保护油气层井身质量好；井眼轨迹合符要求；保护油气层) ) 打得省打得省( (成本合理成本合理) ) 核心：核心：减少井下复杂与事故减少井下复杂与事故; ;提高机械钻速提高机械钻速, ,这是一个系统工程，而钻井液技术是其关健之一这是一个系统工程，而钻井液技术是其关健之一第2页/共41页3一一. .钻井液与固相控制钻井液与固相控制. .钻井液及其功能钻井液及其功能 满足钻井工程需要，解决钻井中的难题，帮助钻井新技术实现满足钻井工程需要，解决钻井中的难题，帮助钻井新技术实现,在钻在钻井中循环应用的

3、流体。井中循环应用的流体。1.满足钻井工程的基本需要：满足钻井工程的基本需要：建立循环：清洗井底、带出钻屑，悬浮钻屑建立循环：清洗井底、带出钻屑，悬浮钻屑对付地层流体（油、气、水）对付地层流体（油、气、水）冷却钻头冷却钻头第3页/共41页4 2.防止和解决钻井过程（包括使用泥浆本身）所产生的困难和复杂问题防止和解决钻井过程（包括使用泥浆本身）所产生的困难和复杂问题:井漏、井壁不稳定井漏、井壁不稳定(缩径、井塌、缩径、井塌、井壁掉块井壁掉块)，伤害油层，伤害油层,压差卡钻压差卡钻;井筒压力控制井筒压力控制。 3.保证钻井技术的进步和促进钻井技术的发展保证钻井技术的进步和促进钻井技术的发展 传递动

4、力、能量，参与破岩：高压喷散钻井水力破岩，井下动力钻具传递动力、能量，参与破岩：高压喷散钻井水力破岩，井下动力钻具; ;信号传输（信号传输（MWD,LWDMWD,LWD），解），解决大位井、分支井、特殊井的摩阻问题决大位井、分支井、特殊井的摩阻问题 第4页/共41页5.钻井液(泥浆)性能1.钻井液密度所钻井眼内压力控制：即泥浆柱压力P泥（由泥浆静密度+循环当量密度决定）、地层流体压力P地，井壁地层坍塌压力P塌，地层破裂压力P破（有时表现为为承压能力或漏失压力），之间保持一个合理的关系，是保证优质、快速、安全（减少井下复杂与事故）钻井的基础和关键。钻井过程中不可避免产生的井下复杂情况，在本质上与

5、它紧密相关，它与井下漏、喷、塌、卡直接相关，与钻速密切相关，与泥浆流变性、造壁性、抑制性等主要性能密切相关。因此合理的泥浆密度是现代钻井技术的首要问题，也是至今国内外都没有完全解决，又急待解决的重大技术难题。第5页/共41页6钻井液密度：一般1.002.50（已过关）低压欠平衡钻井：01.00（基本过关）超高压（国内）钻井：2.503.00（难点） 这是泥浆工艺技术之一，主要困难是受泥浆流变性及加重剂密度所限制。第6页/共41页7 2.钻井液流变性为起到携带钻屑，悬浮钻屑，悬浮重晶石，有效传递动压和水马力，（减少沿程压降）的作用,及减小或消除其副面作用，钻井液必须要有合符要求的流变性： 适合于

6、泥浆的流变性：常用的（本构方程） 宾汉流型： 幂律流型： 卡森流型：不同泥浆适用于不同的本构关系，而幂律最常用，宾汉次之。第7页/共41页8泥浆必须的流变性及表征参数 表观粘度：漏斗粘度： 流变参数：塑性粘度、动切应力、流型指数、稠度系数、极限粘度 静切应力：（悬浮能力） 触变性 剪切稀释性： 它必然是非牛顿流体和结构性流体流变性与温度，压力和泥浆矿化度（含盐）有密切关系，必须专题研究。第8页/共41页93.钻井液的造壁性失水造壁性的概念(失水、泥饼) 当钻井液与井壁岩石接触时，在压差作用下钻井液将进入井壁地层，岩石孔隙、裂缝尺寸大于泥浆中各种粒子，则泥浆进入地层（漏失）；若岩石孔隙裂缝尺寸小

7、于泥浆中大部分固相粒子，则泥浆向地层发生滤失。在滤失过程中泥浆固相在地层井壁表面发生过滤，其固相粒子沉积其上形成滤饼（泥饼），过滤过去的液相称为失水（滤失量）。这个滤失过程是一客观存在，它对井壁稳定，油层保护、防止压差卡钻有直接关系，必须严加控制（低失水，好泥饼），因此就产生了泥浆的“失水造壁性”这个特殊的重要性能。第9页/共41页104、抑制性这是关系到井壁稳定，油层损害与保护，泥浆自身性能及其稳定的重要这是关系到井壁稳定，油层损害与保护，泥浆自身性能及其稳定的重要性质；性质；抑制性是指泥浆本身对粘土水化、膨胀、分散作用的抑制性。抑制性是指泥浆本身对粘土水化、膨胀、分散作用的抑制性。如何尽可

8、能提高抑制性一直是泥浆技术的重点和难点，至今并未完全达如何尽可能提高抑制性一直是泥浆技术的重点和难点，至今并未完全达到所希望的水平。到所希望的水平。 使用油基泥浆的初衷也是基于这一考虑。使用油基泥浆的初衷也是基于这一考虑。第10页/共41页11 5.封堵性(封堵能力): 这是关系到井壁稳定，油层损害与保护，提高地层承压能力的重要性质；这是关系到井壁稳定，油层损害与保护，提高地层承压能力的重要性质； 封堵性能是指泥浆封堵性能是指泥浆(通过其某些组分通过其某些组分)借助物理、化学借助物理、化学等作用对井壁地层的微裂缝等作用对井壁地层的微裂缝,孔隙喉道进行填充、孔隙喉道进行填充、封堵的能力。封堵的能

9、力。 如何尽可能提高泥浆封堵能力目前是泥浆技术发展的重点和难点，至今并未完全达到所希望的水平。如何尽可能提高泥浆封堵能力目前是泥浆技术发展的重点和难点，至今并未完全达到所希望的水平。第11页/共41页12 6.润滑性： 泥并润滑性、极压润滑性，深井、高密度泥浆；水平井、大位移井、分支井必须要的特性 7、其它： PH、含砂量 随钻井技术的发展而不断变化第12页/共41页13. .钻井液类型钻井液类型它分为水基、油基、气基几大类，我国现在以水基钻井液为主。它分为水基、油基、气基几大类，我国现在以水基钻井液为主。 水基钻井液水基钻井液: :是以粘土为分散相在水中稳定的多级分散体系。属于胶体是以粘土为

10、分散相在水中稳定的多级分散体系。属于胶体, ,悬浮悬浮体混合分散体系（体混合分散体系（0.050.0511）。）。 基本组成：水基本组成：水+ +粘土粘土+ +各种处理剂各种处理剂+ +专用材料专用材料 油基钻井液：油基钻井液：它是以有机土或其它油分散固体为分散相在油中的稳定的多级它是以有机土或其它油分散固体为分散相在油中的稳定的多级分散体系。属于油的胶体分散体系。属于油的胶体悬浮体混合分散体系；悬浮体混合分散体系； 基本组成：油（代用品基本组成：油（代用品)+)+有机土（油分散固相）有机土（油分散固相）+ +处理剂处理剂+ +专用材料（加专用材料（加重重） 气基钻井液气基钻井液：以气体（空气

11、、氮气、天然气）为基础，雾、（泡沫）：以气体（空气、氮气、天然气）为基础，雾、（泡沫）第13页/共41页14 . .水基泥浆发展过程水基泥浆发展过程 1.自然泥浆体系自然泥浆体系 水在钻井中地层自然造浆水在钻井中地层自然造浆 2细分散泥浆体系细分散泥浆体系：以分散剂保证配浆般土高度分散来实现：以分散剂保证配浆般土高度分散来实现泥浆体系的建立和功能的实现泥浆体系的建立和功能的实现 3.粗分散泥浆体系粗分散泥浆体系：以分散剂：以分散剂+无机聚凝剂，以保证般土的无机聚凝剂，以保证般土的适度分散（按要求），来实现泥浆体系的建立和功能的实现适度分散（按要求），来实现泥浆体系的建立和功能的实现 4.聚合物

12、不分散泥浆体系聚合物不分散泥浆体系：以有机高分子处理剂为主，控制：以有机高分子处理剂为主，控制造浆般土的分散度，利用聚合物的聚凝造浆般土的分散度，利用聚合物的聚凝,包被作用，抑制地包被作用，抑制地层粘土造浆，以保持低固相来建立的泥浆体系层粘土造浆，以保持低固相来建立的泥浆体系 5.无粘土相泥浆体系无粘土相泥浆体系：利用特种聚合物代替般土来建立泥浆：利用特种聚合物代替般土来建立泥浆体系和实现功能（还未实现）体系和实现功能（还未实现）第14页/共41页15 . .固相控制技术固相控制技术 钻井的理论和实践表明，必须把在钻井过程中钻井的理论和实践表明，必须把在钻井过程中( (必然必然) )混入泥浆的

13、各类地混入泥浆的各类地层固相层固相( (包括地层钻屑、井壁坍塌物包括地层钻屑、井壁坍塌物) ) 及时、有效的从泥浆中清除出去，才能维护泥及时、有效的从泥浆中清除出去，才能维护泥浆性能和保证钻井工程安全、顺利、快速的进行浆性能和保证钻井工程安全、顺利、快速的进行, ,保证钻井目标的实现。保证钻井目标的实现。 固相控制固相控制( (简称为固控，现场上也习惯称其为泥浆净化简称为固控，现场上也习惯称其为泥浆净化) )。 固相控制装置固相控制装置 固相控制固相控制( (装置装置) )系统系统 固相控制技术技术固相控制技术技术第15页/共41页16 二、泥浆中固相对泥浆性能与功能的影响 (为什么要固控,以

14、水基泥浆为例以水基泥浆为例) .钻井液中必须含有的固相 (必须保留在泥浆中有用固相) 钻井液中固相以颗粒存在,颗粒的大小不等，大小固相颗粒的含量也不等。固相颗粒的大小称为粒度(即粗细程度)。各种大小固相颗粒占固相总量的百分数比称为级配(级数分配)。 第16页/共41页17 1.造浆搬土 目前钻井液必须使用搬土，目前钻井液必须使用搬土，而且搬土必须高度分散（粒径而且搬土必须高度分散（粒径1-2m)，成为成为一种搬土在水中高度分散的多级分散胶体一种搬土在水中高度分散的多级分散胶体-悬浮体，此分散体系的稳定性及内部悬浮体，此分散体系的稳定性及内部结构状态是体系的宏观性能的内在依据，结构状态是体系的宏

15、观性能的内在依据，必须靠各种化学处理剂（分散度稳定剂、必须靠各种化学处理剂（分散度稳定剂、分散剂、护胶剂）来实现分散剂、护胶剂）来实现,分散稳定剂的种类及其作用机理不同，即决定了泥浆不分散稳定剂的种类及其作用机理不同，即决定了泥浆不同的类型。同的类型。 2.泥浆泥浆加重材料加重材料 重晶石粉重晶石粉(200目目) 碳酸钙粉碳酸钙粉(200目目) 铁矿粉铁矿粉(200目目)第17页/共41页18、无用(有害)固相 泥浆在使用中必然有大量地层钻屑和井壁坍塌物混入，且必然被分散磨泥浆在使用中必然有大量地层钻屑和井壁坍塌物混入，且必然被分散磨细，成为粒径大小不等的微粒，其中石灰炭、花岗岩等可能达到几百

16、微粒细，成为粒径大小不等的微粒，其中石灰炭、花岗岩等可能达到几百微粒(100-200目目); 而泥页岩中粘土混入，混入泥浆的大量粘土，而泥页岩中粘土混入，混入泥浆的大量粘土，也因水化作用和泥浆中也因水化作用和泥浆中胶体稳定剂的作用而高度的分散，胶体稳定剂的作用而高度的分散，使体系成为胶体使体系成为胶体半胶体半胶体悬浮体的多级分悬浮体的多级分散体系散体系(达到微米级达到微米级)。这种作用叫地层或岩屑造浆，这种作用叫地层或岩屑造浆，它使泥浆中粘土含量不断它使泥浆中粘土含量不断升高，从而泥浆性能及其功能发挥带来十分不利的影响，升高，从而泥浆性能及其功能发挥带来十分不利的影响，成为泥浆技术必须解成为泥

17、浆技术必须解决的重大问题。决的重大问题。第18页/共41页19 、无用(有害)固相对泥浆性能与功能的不利影响 1.增加泥浆粘度 石灰炭、花岗岩等固相的侵入对石灰炭、花岗岩等固相的侵入对泥浆粘度增加的增加影响不大; 而泥页岩中混入粘土，因水化作用产生地层或岩屑造浆，而泥页岩中混入粘土，因水化作用产生地层或岩屑造浆，它使泥浆中粘土含量不断升高，它使泥浆中粘土含量不断升高，可能造成井浆的粘度大幅度上升可能造成井浆的粘度大幅度上升,甚致丧失流动性、无法维持正常钻进甚致丧失流动性、无法维持正常钻进,引发事故并大大增加泥浆维引发事故并大大增加泥浆维护成本。护成本。这在深井这在深井(5000M)、高温、高温

18、(180)、重泥浆、重泥浆(密度密度2.00)的情况下引起的粘度上升的情况下引起的粘度上升,至今仍是未解决的重大技术难题。至今仍是未解决的重大技术难题。固相固相(粘土粘土)含量越大含量越大,其分散度越高其分散度越高(颗粒越细颗粒越细)对对泥浆粘度增加越越大。大。第19页/共41页20 2.泥饼质量变差、增厚，将导致井下复杂情况。 钻井液的功能之一是在井壁周围形成泥饼。若钻井液中的岩屑增多将导致泥饼变厚，而这种泥饼质地松软(特别是分散的岩屑在泥饼中容易形成厚而松的假泥饼): 在厚泥饼使井径变小后，必然增加钻柱运动阻力，摩擦系数增大，致使钻柱扭矩增大；打定向井、水平井、大位移井时问题更为突出,甚至

19、钻井无法进行。 起下钻时挂卡情况加剧，特别有假泥饼时情况更坏，其结果导致动力消耗增大、钻柱寿命缩短、钻具事故增多。第20页/共41页21 容易引起压差卡钻。 若在渗透性地层这种泥饼会更厚,一但钻具不居中,则陷入泥饼中,泥饼越厚陷入面积越大,此时钻柱就会受井内钻井液液柱压力与地层压力之间的压差作用而被紧紧地压在井壁上,而无法拔出(压差卡钻)。这在深井、高温、重泥浆情况下至今仍是未很好解决的重大这在深井、高温、重泥浆情况下至今仍是未很好解决的重大技术难题。技术难题。打斜井或定向井时问题更为突出。薄泥饼厚泥饼井壁泥饼钻具泥饼厚度对钻柱粘附面积的影响第21页/共41页22 3.降低机械钻速，如图所示:

20、 固相含量每降低l%，每只钻头的进尺数即可提高710%； 固相含量在10%范围内时，钻头的消耗数几乎随固相含量的增加呈线性增加;表明钻头消耗量随钻井液固相含增加而剧增，即钻头寿命缩短。 钻一口井所需时间(即钻进时间)也随固相含量的增加而增加。 钻头消耗数1020304050607050100150200250051015123钻头进尺 (m)钻井液固相含量 (%)1-钻头进尺；2-钻进时间；3-钻头消耗数第22页/共41页23 研究发现: 所有固相颗粒都影响机械钻速 而粘土影响最大,以810% (质量比)为一转折; 固相含量相同时,小于1微米的 颗粒比大于1微米的颗粒机械 钻速降低12倍机械钻

21、速 （m/h）钻井液固相含量 (%)01.32.53.74.9481216201231-岩屑；2-粘土颗粒；3-重晶石机械钻速与钻井液固相含量的关系第23页/共41页24 钻井液粘度对机械钻速有重要的影响，当钻井液的粘度增大至超过O.04ps时，对机械钻速的影响不明显，但此时机械钻速很低；当粘度小于0.022ps时影响最大，使机械钻速变化很大。而粘度又是固相含量及分散度的函数。00.020.040.060.080.100.120械钻速 （m/h）粘度 (Pas)机械钻速与钻井液粘度的关系第24页/共41页25 为提高机械钻速发展了高压喷射钻井: 大机泵(高泵压18MP

22、a35MPa); 新型钻头; 低固相(4%V)不分散(地层粘土不分散)泥浆(严格固控) 4.缩短机械设备及井下钻具的寿命 根据钻井泵易损件的摩擦磨损试验表明，钻井液中的含砂量由0.3%增加到0.6%，活塞使用寿命即由400小时降到70小时。第25页/共41页26 5.堵塞油(气)层通道 打开油气层时,在压力差作用下，钻井液中小于油(气)层孔隙的固相颗粒随滤液进入油(气)层，直到被孔径更小的孔隙堵住为止。这样必然使油(气)层的渗透率下降。当进行采油(气)时，仅借助于原油(气)进入井口的反向流动力是很难解除这种堵塞状态的，从而造成油(气)层的永久性损害。 研究表明：有害固相对中低渗率油(气)层的损

23、害尤为明显，小于油(气)层孔隙的固相颗粒含量越高,分散度越高对油(气)层的损害越大，侵入油层深度越大，渗透率降低越多,越难恢复，对油(气)层的损害越严重。 第26页/共41页27 因此: 钻井液固相控制是保证钻井打得成、打得快、打得好、打得省必须进行的工作,也是钻井新技术发展必要的保证。 钻井液固相控制必须要保护有用固相,而清除有害固相(重点是粘土),即有“选择性”. 钻井液固相控制既要保证钻井液固相总量控制;又要使固相粒度和级配控制在合理范围之内。 第27页/共41页28 三、固相控制系统 、 固液分离基本原理 沉降原理 动态过滤原理 旋流分离原理 、钻井液固相控制方法 稀释法 替换法 自然

24、沉淀法 化学沉淀法 机械清除方法 第28页/共41页29 钻井液振动筛 为钻井液处理的第一级固控设备，首先将从井底返出钻井液中的较大固相颗粒清除出去，它适合于各种钻井液的筛分。振动筛始终是目前钻井装备中的必备设备。 而且，它的工作质量好坏将直接影响到除砂器、除泥器及离心机能否正常工作。与旋流器、离心机及除气器相比，振动筛消耗的功率最小、投资也少，因而振动筛是目前固控设备中最经济的设备。特别在近20年来，为适应钻井工艺的变革，固控设备及固控理论得到了长足的发展，这也推动了振动筛研发技术的发展，现已能满足钻井工艺的需要。第29页/共41页30 在石油钻井作业中，振动筛主要用于清除钻井液的岩屑和其它

25、有害固相颗粒。它一方面要求有较大的处理量，能尽可能多地回收成本较高的钻井液；另一方面尽可能清除更细颗粒，它选择使用不同目数的筛布来控利分离颗粒尺寸；尽量增大振动筛激振力来解决增大处理量及泥浆高粘度带来的问题，现可以用到200目的筛布第30页/共41页31 .水力旋流器 水力旋流器是离心力引起悬浮在钻井液中的固相从钻井液中分离出来的设备。通过提高锥形旋流器中的离心力增大至200倍重力。在钻井作业中，水力旋流器就是利用这种离心力将钻井液中1580m范围的固相颗粒分离出去。承载着固相颗粒的钻井液从锥形容器底流口排出，净化后的钻井液从溢流口排出。 第31页/共41页32 在钻井作业中，水力旋流器是除砂

26、器、除泥器的总称。 除砂器内径尺寸大于100mm，用于分离44 74 m以上的砂粒； 除泥器内径尺寸等于小于100mm，用于分离1544 m以上的泥质固相颗粒。 微型旋流器用于分离2 4 m以上的泥质固相颗粒。除砂器主要用于钻井液的二级净化，除泥器主要用于钻井液的三级净化。旋流器使用效果与结构参数、工艺操作参数和钻井液性能有关。 振动筛、除砂器、除泥器、微型旋流器构成一个可以清除钻井液中2 m 以上固相颗粒的系统能解决多数钻井液的固控问题第32页/共41页33 .钻井液清洁器 旋流器用于钻井液固相控制，还存在下两问题： (1)在旋流器开始工作和停止工作时，由于旋流器内钻井液的流速达不到正常工作

27、流速，大量的钻井液白白的从沉砂口流走； (2)在正常工作时，虽然从沉砂口可清除大量钻屑，但钻井液也流失不少。根据SWACO的资料，当沉砂口为伞状排泄时，每天的失液量为28.3方。即使为绳状排泄，每天失液量也达ll.76方，这也是一些井队不使用旋流器的原因； (3)加重钻井液经过旋流器处理后，贵重的重晶石也被清除了；第33页/共41页34 因此，60年代后，出现了清洁器，目前已得到广泛应用。清洁器就是水力旋流器加极细目振动筛组合而成的一种固控设备。钻井液清洁器和离心机可用来处理离心锥的底流。因此，钻井液清洁器属于可二次处理的设备。钻井液进入清洁溢流筛网底流排除的固相颗粒细目振动筛钻井液返回循环系统水力旋流器除砂器/除泥器第34页/共41页35 .离心机 螺旋沉降倾注式离心机可用于控制粘度，它也是一种固控设备。它的内筒或滚筒以l800rpm的速度高速旋