泥浆工艺批注模板

年4月19日泥浆工艺批注模板资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。降失水剂如:Na-CMC、HPAN、NaC、SPA、高水解度低分子量PHP,淀粉FCLS。具有两亲结构的泥浆有机处理剂(如CMC、NaC、FCLS、NaT等)也有乳化作用。紊流减阻作用:PHP絮凝剂:PAM或低H(40%以下)PHP。聚丙烯酰胺PAM或含水量H<30%的水解聚丙烯酰胺PHP作全絮凝剂H=30~40%的PHP作选择性絮凝剂,兼可降失水及增粘H=50~80的PHP作降失水剂,增粘剂,兼絮凝H>80%的PHP作降失水剂及增粘剂。稀释剂:NaT,NaCKC,FCLS。增粘剂:Na-CMC、高分子量PHP(HPAM)、淀粉HPAN不抗钙镁离子:KCNaCPHPHPANNa-CMC抗钙:FCLS(TLM)CPA抗盐:HPANCPAFCLS(TLM)抗高温:FCLSHPANPHPNaC(深井)KC海泡石、不抗高温:Na-CMC多糖类(淀粉发酵)润滑:CMCNaCPHPNaTFCLS盐水泥浆:PACHEC(NaClKCl海水配制,用FCLS做稀释剂,HPAN做降失水剂)第一章钻孔冲洗第一节概述钻孔冲洗是钻进中不可缺少的一个环节,钻孔钻进的三项主要工序破岩、排粉及保护孔壁,冲洗液在这三方面都起着十分重要的作用,因此在钻探中素有钻孔的”血液”之称。下面具体讲:冲洗液的功用及冲洗方式。一.冲洗液的功用:1.冷却钻头:钻头与岩石摩擦产生高热量,需及时冷却,否则就会降低钻头寿命,甚至烧钻。特别是金刚石钻进。2.润滑钻具:目的是开高转速(千rpm以上)以提高破岩效果。3.清洗孔底,排带岩粉:保持井底清洁,防止重复破碎,否则钻孔寿命及效率下降,甚至烧钻。排粉与上返速度有关。石油钻0.5m/s。岩芯钻0.3m/s。金刚石钻0.1～0.8m/s。4.保护孔壁:泥浆还具有护壁作用。5.破碎岩石:高压喷射钻井直接利用冲洗液射流(达100m/s)来破碎岩石,也可用高压自射流(1000kg/m2以上)破碎中硬以上的岩石。6.井底动力钻进时作动力传送介质:如冲击回转、涡轮、螺杆钻等。7.输送岩芯:水力连续返芯。8.降低泵压:起紊流减阻作用。降泵压,特别是井底动力钻进。9.传递信息:随钻技术,传递井底脉冲信号。10.保护油气层及岩矿芯(如盐矿、石膏等)。二、根据以上作用,钻探对冲洗液提出如下要求:(冲洗液要求)1.良好的冷却散热能力及润滑性,保证钻具正常工作。2.清洗—排带—分离岩粉的能力强,保持井底及冲洗液清洁。3.良好的剪切稀释作用。4.护壁作用好,能护壁、防喷、防漏、堵漏。5.抗污染能力强,自身稳定性好。防钙、镁、盐及粘土浸溶。高温高压下能保持稳定。6.利于返芯、测井、防斜及泵送,无污染。第二节钻孔冲洗液的分类及发展一、冲洗液的分类根据洗井介质,以气体、水、油为基础分成气体、液体及气液混合三大类。具体为:1.清水及清水溶液:a.清水:是最早使用的一种冲洗液,用于钻进稳定地层。特点:钻进效率高,冷却好,成本低,护壁排粉差。b.各种盐水溶液:如饱和盐水溶液用于钻进盐层。c.表面活性剂水溶液:如松香酸钠水溶液等用于金刚石小口径钻进,起润滑作用。d.各种高分子聚合物溶液:如减阻液用于降泵压等。2.乳状液:a.水包油乳状液:水是连续相,油是分散相。HBS>7b.油包水乳状液,油是连续相,水是分散相。乳状液用于小口径金刚石钻进稳定岩层时起润滑减摩钻具作用。3.泥浆:粘土分散在清水中并加入合适的处理剂形成的冲洗液,用于钻进不稳定地层起护壁作用,但效率较低。具体分类见第二章。4.无粘土冲洗液:由高聚物及其处理剂配制的冲洗液,兼有泥浆的护壁作用和清水的低比重高钻效作用,是冲洗液发展的主要方向之一,逐步在岩芯钻中推广应用取代泥浆。5.气液混合钻进:a.泡沫钻进:以气体为主。由气+水+发泡剂组成。多用于漏失缺水地层b.混气水钻进:以水为主。由水+气+发泡剂组成。6.空气钻进:a.压缩空气洗孔:钻速高,多用于缺水及漏失地层。b.高压天然气洗孔:钻速高,多用于缺水及漏失地层。冲洗液的发展:*1.公元前250~1122年以来,最早采用清水作冲洗液钻盐井取盐(中国四川自贡),当时是向井内注水。*2.1860年以来开始采用循环冲洗液排岩粉,随着十九世纪九十年代回转钻进的出现,粘土自然造浆,逐步转入泥浆护壁。上世纪二十年代以来,开始出现泥浆原料及处理剂商品,泥浆仪器,逐步走上了科学应用泥浆的道路。1922年开始采用重晶石加重泥浆,控制地层应力。1928年开始广泛采用膨润土泥浆钻井。1930年开始采用高PH泥浆,盐水泥浆及油钻井。1935年采用硅酸钠泥浆钻井,均是解决页岩水敏性地层。*1940年以来先后发展了木质素泥浆,丹宁y泥浆,聚合物泥浆。随后发展了油乳化泥浆及深井泥浆。为了提高钻进效率,发展应用了不分散低固相泥浆和无粘土冲洗液。并取得了较好的效果。*小口径金刚石钻进在岩芯钻中发展较快,其冲洗液也从清水发展到当前使用的各种润滑冲洗液。如乳状液、乳化泥浆及表面活性剂水溶液。为了解决高价离子破乳问题,七十年代以来发展应用了多种抗高钙离子的各种复合型乳状液。空气钻进等也得到了较大的发展,特别缺水的西北高原地区。*全世界当前有数百家泥浆公司,粘土有60多种,各种处理剂超过2600种。*从1931年以来,先后发展应用了各种泥浆仪器如粘度计,失水仪、固相含量测定仪等。且许多泥浆性能监测已广泛采用电脑控制,泥浆参数采用电子计算机设计。泥浆理论在化学、流变学,生物工程学等各方面都得到了发展。*钻井冲洗液当前的国内外动态深入研究各种处理剂的作用机理,争取在理论上有所突破,进而发展高效处理剂;研制多功能处理剂,做到一剂多用;粘土处理剂的改型;超深井泥浆及处理剂;岩芯钻探逐步研究推广无粘土冲洗液;泥浆净化,特别是小于2μm的固相粒子的净化;钻井现场泥浆监测系统的配套及现代化。岩心采取率:75%—85%矿心采取率:85%—95%第三节钻孔冲洗方式1.正循环:全孔正循环是当前常见的循环方式。冲洗液经过水泵及钻杆进入孔底,经钻头水口返出,沿钻杆与井壁的环空上返携带岩粉排出井口。如图1.1a所示特点:1)循环系统简单,应用广泛;2)有利于破岩及排粉;3)冲洗液直接冲刷岩芯,影响采芯率及岩芯质量。2.反循环:全孔反循环如图1.1b所示,冲洗液的流动方向正好与正循环相反。为了将冲洗液压入孔内,孔口必须加密封装置密封。孔口密封器同时要能让钻杆自由回转和上下提动。优点:1)由于钻杆内径断面较小,冲洗液上返流速较较大,有利于排粉(较大的)。特别是大口径钻进和空气钻进;2)能实现水力连续取芯,提高岩芯采取率和钻速;3)由于反循环冲洗液流动方向与岩芯进入岩芯管方向一致,并使其处于悬浮状态,冲洗液不能直接冲刷岩芯,故有利于提高岩芯采取率,防止堵芯缺点:1)冲洗液流速过大时可能使岩芯次序颠倒;2)孔壁漏失时,不适合用之,但可采用双层或三层钻杆隔离实现全孔反循环钻进,可同时解决漏失与孔壁坍塌问题。3.孔底局部反循环:如图1.1c所示,它是在正循环的基础上在井底加上一个喷反接头,冲洗液自钻杆内输入,由喷反接头处流出,在下面的岩芯管内产生负压抽吸力,从而形成井底部分是反循环,井上部分是正循环结构。由于其结构简单效果较好,当前在岩芯钻探中也广泛使用,特别是钻进破碎地层。优点:1)避免冲洗液直接冲刷岩芯,可提高采取率,防止堵芯;2)由于只限于井底局部反循环,故克服了全孔反循环受钻孔漏失的限制,可用于破碎难采芯地层钻进。缺点:同反循环一样,岩芯次序易颠倒。小结:本章主要介绍了钻孔冲洗液的功用及分类。主要有10大功用,分成六大类。在此基础上介绍了冲洗液的三种循环方式及其特点。简介了冲洗液的发展。要求了解掌握各类冲洗液的特点、功用及适用范围。能合理选择合适的钻井冲洗液洗井及合适的钻孔循环方式钻进。第二章泥浆第一节概述一、泥浆的组成及类型:它是以粘土为分散相,水为分散介质组成的固—液分散体系,其中粘土大多大于0.2мm(10-6m)属悬浮体,少量小于0.2мm属胶体粒子。为使粘土粒子更好地分散稳定,以满足钻进工艺的要求,常加入各种泥浆化学处理剂对泥浆进行处理。因此说:泥浆是由粘土、化学处理剂及水组成的一种多相分散体系。另外油基泥浆以油为分散介质。随着泥浆工艺的发展,泥浆类型不断增加,泥浆的发展趋势是:细分散淡水泥浆→粗分散泥浆→不分散泥浆;高固相泥浆→低固相泥浆→无粘土(无固相)泥浆;水基泥浆→混油泥浆→油基泥浆;浅井泥浆→深井泥浆;液—固体系→气—固—液体系。当前泥浆主要分成两大类:(一)水基泥浆1.细分散淡水泥浆(FreshWaterMuds)(加碱予水化)含盐<1%,含钙<120ppm(mg/lor1/百万),其中PH=7~9.5的叫低PH泥浆;PH>9的叫高PH泥浆。特点:配制简单,成本较低,一般地层钻进常见。2.粗分散抑制泥浆1)盐水泥浆:含盐量>1%,包括盐水泥浆,饱和盐水泥浆及海水泥浆。2)钙处理泥浆:含钙>120ppm,包括石灰、石膏、CaCl2处理泥浆3)钾基泥浆:含KCl>1%粗分散抑制泥浆特点:粗分散泥浆抑制水敏性泥岩、页岩水化膨胀能力强,适用性广,主要用于水敏、水溶性岩石钻进护壁如页岩、石膏、盐层等。3.不分散低固相泥浆(Non-dispersedlowsolidmuds)粘土(重量计)<10%(体积计<7%)的泥浆叫低固相泥浆。粘土含量<4%的叫不分散低固相泥浆。特点:这是目广泛推广使用的一类泥浆,其中多为聚合物处理,具有护壁性强,固相低,钻效高等优点。如PHP(partiallyhydrolyzedpolyacrylamide部分水解聚丙烯酰胺)泥浆、CMC(羧甲基纤维素钠)泥浆等。4.混油泥浆如水包油乳化泥浆(oil—in—wateremulsionmuds)。将少量原油、柴油等分散稳定于泥浆中配成。特点:润滑性好、流变性好、失水量小、防卡性好,但成本较高。5.泡沫泥浆或充气泥浆(foammuds)泥浆中加入发泡剂或稳泡剂,充入适量的气体而成,其比重可降至0.7左右。特点:比重低,用于减轻或解决钻孔漏失,对于对付高原缺水地层钻孔漏失较为有利。(二)油基泥浆1.油泥浆(Oilmuds)将有机粘土或沥青及有关处理剂加入油(原油、柴油等)中配制而成。2.油包水乳化泥浆(Water-in-oil-emulsionmuds)或反相乳化泥浆(invertemulsionmuds)以油作分散介质,水及有机粘土,处理剂作分散相,加乳化剂处理配制而成。油基泥浆的特点:热稳定性高,失水量极小(可至零),护壁防塌效果好,对油气层损害小。主要用于超深井,高温井及易塌地层,低压油层钻进。但冲洗液成本高。第二节粘土与水一、粘土矿物的组成、分类及基本构造单位1.组成SiO2Al2O3粘土岩主要组成是粘土矿物,但也含少量的非粘土矿物、有机质和可溶盐。粘土岩经粉碎加工而成粘土非粘土矿物有石英、长石、云母等,是泥浆中的含砂量成分;有机质如树木屑、叶子及有机腐植质;可溶盐主要是Ca、Mg、Na、K的可溶盐如碳酸盐,硫酸盐等。总之,粘土中非粘土矿物质越少越好。2.粘土的分类依其性能分成四大类1)高岭石族:以高岭石为主的粘土叫高岭土(陶土、瓷土),另外,还有多水高岭石、地开石和珍珠陶土等。2)蒙脱石族:以蒙脱石为主的粘土叫膨润土,是钻井泥浆的主要材料。(膨润土)3)伊利石族:以伊利石为主的粘土叫伊利石粘土(水云母粘土)。4)海泡石族:以海泡石、凹凸棒石和坡缕缟石为主的粘土叫海泡石、凹凸棒石或坡缕缟石粘土。3.粘土矿物的两种基本构造单位任何粘土矿物,其基本构造单位都是相同的,为硅氧四面体和铝氧八面体两种。1)硅氧四面体如图2.1所示,四面体由一个Si离子和四个O离子组成,Si4+在中心,四角是O2-,O2-以其一个负电荷与Si4+相连结,同时每个氧剩余的负电荷又与其它的硅离子组成另一些四面体,从而形成图2.1所示的六角环片状构造或链。2)铝氧八面体如图2.1所示,八面体由中心的一个Al3+(可被Fe2+、Mg2+取代)和两层紧密堆叠的O2-及OH-组成,同样可构成八面体片状结构,且在六角环中心留有空位。二、几种粘土矿物的晶体构造及性质各类粘土矿物均属于含水硅铝酸盐或含水铝镁酸盐,其主要化学成分为SiO2和Al2O3。1.高岭石(Kaolinite):由一层硅氧四面体和一层铝氧八面体组成一个高岭石晶体(胞),两层间由共同的O2-联结在一起。如图2.2所示属于1:1两层结构,沿C轴空间可迭加在一起特点:1)晶胞中正负电荷中和,内部无离子置换作用。2)晶胞层间形成氢键联结,水分子不易进入晶胞之间,故其属于不膨胀晶体,分散度低,分散颗粒较粗,造浆率低,不适于做泥浆材料。3)自然界中存在较多,能耐高温,适于做陶瓷材料。2.蒙脱石(Montmorillonite)其晶体由两层硅氧四面体中间夹一层铝氧八面体组成,属2:1三层结构。如图2.3所示,两层间由共用的O2-联结。蒙脱石特点:1)两晶层间靠O2-层的分子力联结,水分子易进入两晶格间,使其沿C轴方向产生膨胀(9.6~21.4Å)属膨胀型晶体,水化分散性好,造浆率高(达10~30m3/T),是泥浆的主要材料。2)晶格内部有明显的同晶置换现象(Al3+被Mg2+、Fe2+取代,Si4+被Al3+取代),由此产生电荷不饱和,使粘土颗粒带负电荷,吸附外界阳离子,因此有很强的离子交换能力。另外,同晶置换使晶格破碎,有肋于蒙脱石矿物的分散。3.伊利石(Illites)其晶体构造同蒙脱石,也属2:1三层结构。如图2.4所示特点:1)两晶胞层之间有K+,且有直径(2.66Å)与Si–O四面体六角环空穴内径(2.80Å)相当,K+嵌入后不易出来,使上下两晶胞间连结很紧,水分子不易进入晶层间故其属不膨胀型晶体,分散性差。2)晶格内有一定的离子置换现象(Al3+置换Si4+),但吸附K+之后由于K+不易电离出去,从而使其交换能力降低。3)伊利石粘土由于不易分散,阳离子交换能力低,其造浆能力低,且难以改性和用化学处理剂调节泥浆性能。4)在钻孔中钻到伊利石粘土或含伊利石的泥质岩层时,不易膨胀缩径,但易剥落掉块。4.海泡石族其晶体构造由硅氧四面体的六角环双链和铝(镁)氧八面体联结而成的棒状,链状或纤维状。特点:1)含Mg量高,属含水铝镁硅酸盐矿物。2)晶体构造中有一系列空穴,水分子可进入。含较多的吸附水,因此其热稳定性好。抗高温(260℃)能力强。适于配制深井或地热井泥浆。3)凹凸棒石抗盐能力强,在盐水中能很好膨胀,可用于配制盐水泥浆或海洋钻井泥浆。4)有一定的离子交换能力。常常利用K+的这一特殊性质(降低晶格中离子交换能力的特殊性质),向冲洗液中加入一定量的K+(KCl),使其进入粘土质泥页岩石晶体的六角环空穴中阻止水分子进入,从而抑制泥页岩水化膨胀而护壁。(水化膨胀过程:1.表面水化膨胀;2.渗透水化膨胀。)钻进水敏性地层时(蒙脱石)加入K+(KCl)防止地层溶蚀。粘土矿物的主要特点对比矿物名称结构晶胞间距层间力阳离子交换量mg/100g土分散性性能高岭石1:17.2Å大3～15差不膨胀,造浆难蒙脱石2:114Å小80～150好膨胀,造浆好伊利石2:110Å中10～40中不膨胀,造浆较差,含K+高海泡石2:112.9Å中20～30中(好于伊利石)抗高温,抗盐强,造浆一般Å(埃)10-10m三、粘土的水化膨胀作用:它是指粘土颗粒表面吸附水分子而产生膨胀以至分散的作用。它对于泥浆性能及井壁稳定都具有十分重要的意义。1.粘土矿物中的水分粘土矿物中水分以如下状态存在:1)自由水(液态水、重力水)不受粘土颗粒的束缚,在重力作用下可在粘土颗粒间自由移动的水。(在100~110℃下失去)2)吸附水(层间束缚水)海泡石吸附在粘土矿物晶体表面及晶层间的水。特点是升温时可失,但也可复水(100~200℃下失去)3)晶格水以OH-离子形式存在于粘土矿物晶格中的水,是矿物晶体结构的一部分。特点是晶格水失去时,晶格就受到破坏。(一般在450℃以上失水)因此能够利用各种粘土矿物中各种状态的水分含量不同,对粘土样品进行加热失水来鉴定粘土矿物(粘土类型)(差热及热分析法)。2.粘土的水化方式粘土的水化方式有两种:1)粘土直接吸附水分子水化a.分子间引力作用,使水分子吸附到粘土颗粒周围。b.静电引力作用。粘土颗粒表面带负电,水分子是极性分子,因此水分子受到静电引力作用而定向排列。c.氢键作用。粘土晶格中的O2-或OH-层与水分子形成氢键联结。如图2.5所示,水分子进入层间使晶格层间距增大(可由17Å长至19～130Å),使粘土产生膨胀分散。2)粘土吸附水化阳离子而水化膨胀由于静电引力作用,粘土表面吸附了许多水化的阳离子,使其表面形成水化膜。这种水化作用的影响比粘土直接吸附水分子大的多。3.影响粘土水化的因素(半径r↓电价↑温度T↑时间t↑盐↓有利水化)1)吸附阳离子半径的影响同价离子离子半径越小,水化能力越强。即Li+>Na+>K+>Rb+>Cs+;Mg2+>Ca2+>Sr2+>Ba2+2)吸附阳离子电价的影响离子半径相近时,电价越高水化能力越强。如Ca2+>Na+。但粘土颗粒按等当量计算吸附,如吸附一个Ca2+就可吸附两个Na+。Na+的水化数为8.4个,Ca2+为10.0个。因此吸附Ca2+时的吸附水分子数为10个,而吸附等当量的Na+时的吸附水分子数为2×8.4=16.8个,因此Na膨润土的水化膨胀能力比Ca膨润土强得多。一般常见加Na+(Na2CO3)取代Ca2+来将自然界中的的Ca土改型成Na土以提高其水化分散能力,这就是我们泥浆用Na2CO3进行碱处理的目的。(泥浆碱处理原因)3.钙膨润土为什么要进行碱处理?3)可溶盐的影响可溶盐类使粘土吸附水分子的能力降低。4)温度及时间的影响温度越高→水化越快时间越长→水化越完全4.粘土水化过程粘土吸水产生水化膨胀→分散1)吸水膨胀:短距离作用2)分散:远距离作用,可达120Å。四、粘土的吸附性能泥浆中广泛存在着粘土—水这一固—液界面吸附,粘土的水化、泥浆处理剂对泥浆性能的作用、可溶盐对泥浆性能的影响等都是经过吸附作用改变粘土颗粒表面性质来进行的。1.吸附的分类根据吸附理论,可将其分成以下三类:1)物理吸附由分子间相互作用力(即范德华力)所产生的吸附。特点:a.吸附力弱并易解吸b.吸附速度快c.无选择性d.分散度高,比表面大则吸附量大泥浆中PAM、CMC等有机处理剂分子与粘土间广泛存在物理吸附2)化学吸附吸附物质之间靠化学键力(离子键、共价键、配价键)所产生的吸附。该吸附可看作是两相界面上发生化学反应。特点:a.吸附力强,不易解吸b.吸附速度慢c.有选择性吸附d.可逆泥浆中广泛存在化学吸附,粘土与处理剂间大量存在化学吸附。如丹宁酸钠与粘土的吸附,焦磷酸钠与粘土的吸附。3)离子交换吸附(泥浆进行化学处理和性能调节的依据)粘土颗粒表面吸附的阳离子同泥浆中的另一种阳离子进行等当量交换的过程叫离子交换吸附。它是一种物物理—化学吸附,整个过程中既有物理吸附又有化学吸附。特点:a.可逆b.等当量交换离子交换吸附是泥浆进行化学处理和性能调整的依据。如2Na++Ca土Na土+Ca2+就是用Na+将Ca2+交换出来。2.粘土产生阳离子交换的原因1)矿物晶格内部的离子交换作用,产生负电荷最多,一般交换量蒙脱石>伊利石>高岭石。2)在碱性条件下,矿物晶格表面OH层中的H+的电离,使粘土带负电,但不大。高岭石以此为主。相反在酸性条件下则产生OH-的电离,使粘土带正电,变为吸附外界的阴离子。3)断键作用,能产生少量的负电荷或正电荷,吸附外界阳离子或阴离子。交换量随粘土分散度增大而增加,是高岭石、伊利石、海泡石产生离子交换的主要原因。3.阳离子交换吸附的特点1)同号离子等电量交换,正与正交换,负与负交换。如一个Ca2+与两个Na+交换。2)交换是有顺序的、可逆的、并受浓度效应的影响。阳离子交换顺序是:H+>Fe3+>Al3+>Ba2+>Ca2+Mg2+>NH4+>K+>Na+>Li+浓度越高,交换反应能力越强,因此反应是可逆的。阳离子交换顺序的原则是:离子电价高,离子半径大,水化能力弱的的离子容易被吸附,按影响从大到小排列。其中H+是个例外,因其体积小,水化差,容易被吸附,但只能在酸性条件下存在。3)几何效应对交换有影响。离子直径与前述Si—O四面体六角环空穴大小相当(如K+、NH4+)时,离子进入后不易出来,成为不可交换的离子。故常见KCl泥浆防止井壁粘土质岩石水化膨胀,维持井壁稳定。4)温度及时间效应的作用。温度越高则交换容量越低,交换反应速度越快;温度越高则交换量越大,特别是层面反应时间较长(一天),而侧面快些。4.阳离子交换容量在中性条件下(PH=7),粘土所能吸附离子的总量叫阳离子交换容量或吸收容量。以mg当量/100g土表示。一般交换性阳离子为H+及盐基Na+、K+、Ca2+、Mg2+影响因素:1)粘土矿物本身成分的影响蒙脱石80~150伊利石10~40海泡石20~30高岭石3~15用下列指标区分钠膨润土和钙膨润土:Na+/Ca2+>1或Na++K+>Ca2++Mg2+时,为钠土Na+/Ca2+<1或Na++K+<Ca2++Mg2+时,为钙土Na++K++Ca2++Mg2+/Na++K++Ca2++Mg2++H+<1PH<7时,为氢土常常采用天然钙土加Na+或H+改型成钠土或氢土,以提高造浆率。2)粘土分散度的影响:分散度越高,则交换容量越大。3)水溶液PH值的影响:PH>7时,交换容量越大。5.阳离子交换速率原则:晶体侧面交换速率快,而晶体层间交换速度慢。因此高岭石交换速度快,加碱处理瞬间即见效,而蒙脱石等交换速度慢,加碱处理需要一天时间搅拌方可加快反应速度。6.阳离子交换的其它作用粘土可吸附有机阳离子,由此可进行染色反应,粘土可吸附阳离子表面活性剂,使亲水粘土变为亲油粘土。某些粘土在PH>7时带负电,在PH<7时带正电。五、粘土—水界面的双电层理论如图2.6所示粘土颗粒带负电,其表面会吸附等当量的阳离子形成双电层,以保持电中性。靠近粘土颗粒表面,且能随其一起运动的一层叫吸附层,其层厚仅几个Å;而远离粘土表面,不能随其一起运动的一层叫扩散层,其层厚达10~100Å。整个双电层就构成了粘土周围的水化膜,且扩散层增厚,则水化膜变厚。吸附层扩散层之间有一假想滑动面。粘土颗粒表面与水溶液间的电位差叫热力学电位E,E是一常数。E增大→粘土表面负电荷增多→可吸附阳离子增多滑动面上的电位差叫ζ电位(电动电位)ζ电位增大→扩散层厚度增大→水化膜厚度增大→粘土在溶液中稳定性增大一秀粘土层面吸附的水化膜厚,而边角部分薄常成为颗粒间粘结的活性中心。ζ电位可用电泳或电渗测定。ζ电位的影响因素:1)阳离子浓度的影响离子浓度增大→吸附层中阳离子增多→扩散层厚度变小→ζ电位减小,压缩双电层→水化膜变薄→聚结沉淀;另外:离子浓度增大→阳离子水化减少→水化膜变薄因此,泥浆产生联结,形成结构,甚至产生聚结而失稳。如泥浆使用时受盐侵、Ca2+侵等。2)阳离子电价的影响电价越高→电性中和越多→ζ电位越低→扩散层越薄→水化膜越薄→粘土颗粒聚结凝聚→泥浆失稳。反之亦然。高价离子成为聚结离子,其聚结值比(胶体开始明显聚结时,加电解质(mg分子/L)的最低浓度)为:一价:二价:三价=25~100:0.5~2:0.01~0.1同价离子中,离子半径越大→降ζ电位越多,如水泥侵如K+>Na+Ba2+>Ca2+>Mg2+3)阳离子水化程度的影响离子水化弱→易吸附在吸附层→ζ电位降低。由双电层理论可知:a.适量加入Na+可使粘土改型,促使其水化分散,使泥浆稳定;b.加入高价离子(Ca2+Mg2+等),使ζ电位降低,泥浆失稳;c.加入过量低价离子也会压缩双电层,降低ζ电位,使泥浆失稳。六.泥浆的稳定与聚结泥浆的稳定与聚结作用对泥浆性能影响很大,因此是十分重要的。它主要受粘土本身及电介质的影响。泥浆中粘土颗粒的分散与稳定是相正确,而凝聚与聚结是绝正确。泥浆中主要存在沉降稳定性和聚结稳定性两方面的问题。1.泥浆的沉降稳定性泥浆中的粘土颗粒抵抗由于自重产生的沉降,而分散稳定于泥浆中的能力。如现场粗粒土搅拌→分散,停搅→沉淀,水土分层现象。影响粘土沉降的因素:1)分散相(粘土)粒子的大小,形状。大→沉降快层状→沉降慢球状→沉降快2)分散相与分散介质(水)的密度(比重)差,差越大→沉降越快;3)分散介质的粘度η,η越大→沉降越慢,如东西在水中比在油中沉的快;4)温度t,t越高→η越小→沉降速度越快。为了减少泥浆中颗粒的沉降速度,可提高泥浆的粘度η,增加其沉降稳定性。2.泥浆的聚结稳定性泥浆中的粘土颗粒间不产生相互凝聚或聚结在一起的特性。失稳过程:小颗粒聚结→大颗粒→成团→沉降失稳影响因素:1)分子间力(范德华力)产生的吸力作用;2)电介质的聚结作用;电介质电价高,浓度大→压缩双电层→ζ电位降低→水化膜变薄→聚结。3)粘土颗粒间同性电荷(负电荷)的斥力作用;负电多→ζ电位高→斥力(∝ζ2)大→聚结。4)吸附层水化膜的稳定作用;吸附层水化膜越厚→聚结。泥浆的粘土颗粒发生聚结作用,形成的空间网状结构。若结构是连续的,则属于凝胶体系;若结构是一团一团不连续的,结构松散,内有大量水,呈絮状物,这就发生絮凝物体系,会失去沉降稳定性。泥浆中加入少量电介质时→ζ电位降低→斥力降低→网状结构多→泥浆黏度变大。加入稀释剂→吸力减低→网状结构少→泥浆黏度变小。七.粘土的寻找与鉴定(略讲)粘土是配浆的主要材料,其质量好坏影响很大,国外有专门的泥浆公司生产商品化粘土及处理剂,国内也向此方向发展。1.粘土的寻找(略讲)主要以找膨润土为主。膨润土主要由中酸性火山凝灰岩蒙脱石化而成,故应在火山岩地区寻找。一般规定蒙脱石含量达70~80%以上才算膨润土矿。自然界中大都为Ca土(如浙江余抗土),少数为Na土(如新疆夏子街)凹凸棒石应在富含Mg的蛇纹岩、白云岩等碱性介质中寻找;海泡石应在含Mg的强碱性介质中寻找,如湖南浏阳、石门;高岭石是由长石分化而成,多存在于酸性介质中,如江西景德镇。2.粘土的鉴定(略讲)1)有复杂的较精确的鉴定方法:a.电子显微镜法:将粘土晶体放大一万部以上观察晶形的区别;b.X-光衍射分析法:利用各粘土矿物的X射线衍射图谱的差异来区别;c.差热分析法:各种粘土矿物加热时产生不同的吸热及放热效应来区别;d.热失重法:利用各种粘土矿物在加热过程中,不同的失水温度来区别。2)有一般的较简易的鉴定方法:a.如化学分析法:分析粘土的化学组成;b.离子交换试验:利用各种粘土阳离子交换量不同,测定其离子交换量来区别,如亚甲基蓝吸收法;c.粘土的染色试验:这是一种简易而又有效的方法,简易中常见。它是利用粘土颗粒带负电荷,能吸附可染色的有机阳离子的原理使不同的粘土染上不同的颜色来区别;d.粘土的膨胀试验及浸泡试验:利用各种粘土水化膨胀性能不同,经过测定其膨胀性或膨润度来区别。一般Ca土吸水1~2倍,Na土吸水5~12倍。e.粘土评价方法:造浆试验:就泥浆而言,造浆率↑→粘土质量↑造浆率:API标准规定,不加任何处理剂时,每吨粘土能配制ya为150CP的泥浆量。单位m3/T土。利用不同粘土造浆率的差异来区别:高岭土1~5m3/T土,膨润土可达8~30m3/T土。总之,粘土鉴定方法很多,必须靠多种方法综合鉴定才行。八、钻探用水(略讲)钻井冲洗液多用水配制,因此水质对冲洗液影响很大,故应对水质进行分析。主要是分析水的硬度和总矿化度。水的总矿化度是指水中离子,分子及各种化合物的总含量。常以每L水在105~110℃下烘干时所得的干涸残渣重量来表示。单位g/L水。按其总矿化度大小,可将水分成三类:淡水干涸残渣<1g/L水盐水干涸残渣1～50g/L水卤水干涸残渣>50g/L水水的硬度是指水中Ca、Mg盐的含量。其中分暂时硬度和永久硬度,以mg当量/L水表示或德国度(1°=1/2.8mg当量/L水)。暂时硬度是指水中Ca、Mg的重碳酸盐和碳酸盐。这类盐经煮沸后生成沉淀物可除去Ca、Mg:M(HCO3)2→MCO3↓+CO2↑+H2OM=Ca.Mg永久硬度是指水中Ca、Mg的硫酸盐,氧化物等。煮沸后这部分不能除去,只能外加碳酸盐等沉淀Ca、Mg而软化水:MSO4+Na2CO3→MCO3↓+Na2SO4M=Ca.Mg另外,水中的Na、K盐叫负硬度。水的总硬度=暂时硬度+永久硬度按总硬度可将水分为:极软水Mg.Ca<1.5mg当量/L水(或<4.2)软水Mg.Ca1.5～3.0mg当量/L水中硬水Mg.Ca3.0～6.0mg当量/L水硬水Mg.Ca6.0～9.0mg当量/L水高硬水Mg.Ca9.0～14.0mg当量/L水超硬水Mg.Ca14.0～21.0mg当量/L水极硬水Mg.Ca>21.0mg当量/L水硬水软化:用纯碱处理小结本部分为泥浆的基础理论知识,是学习泥浆知识的基础,应了解掌握。概述部分主要分析介绍了泥浆的组成、分类及特点:组成:由粘土、水及泥浆处理剂组成的多相分散体系。类型:分水基和油基两大类,具体分成8个小类,并分别介绍了其特点和适用方法。第二节主要分析介绍了粘土的组成、类型、结构、性能及寻找鉴定方法,同时介绍了钻探用水。组成:化学成分主要为SiO2、Al2O3,矿物成分为粘土矿物及少量杂质(构成含砂量部分)。类型:依其各种粘土矿物含量不同分成四类,泥浆以膨润土类为主。结构:四类粘土矿物均是由Si-O四面体和Al-O八面体构成的层片状或棒状结构。粘土的性能主要包括:1.水化膨胀作用:粘土颗粒表面吸附水分子而产生膨胀一致分散的作用,吸水方式有直接吸附水分子水化和吸附水化阳离子而水化膨胀两种方式。水化规律是:离子半径小,电价高→水化强,反之亦然。例:一价Na+吸水8.4个,二价的Ca2+吸水10个。2.吸附作用:分物理吸附和化学吸附及离子交换吸附三种方式,各有特点。三种方式在泥浆配制及处理中均广泛存在,以后者为主。离子交换吸附特点:同号离子等当量交换2Na+→Ca2+;有顺序;且离子浓度越高→交换吸附越强。阳离子交换的原则:离子电价低,半径大,水化弱→易被吸附。阳离子交换容量:蒙脱石>伊利石>海泡石>高岭石。且分散度高、PH高→交换容量大。3.双电层理论:粘土表面吸附的水化膜分成吸附层和扩散层。吸附层越厚→扩散层越薄→ζ电位越小→水化膜越薄→分散性越差吸附层越薄→扩散层越厚→ζ电位越大→水化膜越厚→分散性越好吸附阳离子电价高、浓度大→ζ电位小→分散差→聚结沉淀例Ca2+侵、盐侵,使泥浆B↑直至水土分离破坏.4.寻找与鉴定:以找膨润土为主。有精确及简便鉴定方法。钻探常见染色法鉴定。5.钻探用水:主要分析水的总矿化度及硬度,减少水中有害物质(如Ca2+,Mg2+,Cl-,SO42-)对泥浆的侵蚀。第三节泥浆性能及其测量方法一、泥浆的流变性泥浆流变学是研究在外力的作用下,泥浆流动与变形的科学。具体是研究泥浆的黏度η、切力τ及触变性等问题。泥浆流变性直接影响钻速、泵压、排量、携带与悬浮岩粉固井等工艺。本部分主要从液流的基本概念→流型→分析泥浆流变性→测量计算流变性→讨论泥浆流变性与钻井的关系。在外力作用下,液体在管内流动是不均匀的,如图2.7所示流速分布从管中心到管壁由最大逐渐减小到零。用流速梯度来表示流速梯度=dv/dx(秒-1)钻井中,由于各循环部位V不同,也不同:钻头水眼达10000~70000s-1,钻杆内100~1000s-1,环空内50~250s-1,沉砂池10~20s-1流体流动时,由于各层间V不同,在流体内部产生内摩擦,使液体具有粘滞性(剪切变形)。内摩擦力F与液层间接触面积S和剪切速率(dv/dx)成正比关系:即:F∝S·dv/dx∴F=η·S·dv/dx令τ=F/S—单位面积上的剪切力,叫剪切应力∴τ=η·dv/dx或η=τ/η–粘度.是度量液体的粘滞性大小的常数,泊或厘泊1P=100cPη=τ/叫液体的内摩擦定律。它只适用于牛顿流体。τ的单位为达因/厘米21.流型分析一般流体分为牛顿流体(如清水)和非牛顿流体(如泥浆)。不同的流体用不同的流变方程来表示。一般将流体归纳成四种流型,并用流变曲线(τ—关系曲线)来表示。《(1)牛顿流型2)塑性流型3)假塑性流型4)膨胀流型》1)牛顿流型特点:a.流变曲线过原点,且为直线;b.属于单相均匀流体;c.遵循内摩擦定律;d.η是常量不变,与τ、无关,η是流变参数。η=τ/=常数符合牛顿流型的流体叫牛顿流体,如水、油、低分子化合物溶液等。20℃时,水的η=1cP。2)塑性流型特点:a.流变曲线不过原点;b.曲线向上凹;c.属于多相不均匀流体;d.η随τ变化e.不服从牛顿定律而服从宾汉公式τ=+ηp·f.整个流动过程经历了5个状态:静止-塞流-塞流向层流过渡-层流-紊流解释:—静切力或凝胶强度,表示泥浆静止时内部结构的强度—动切力或屈服值,表示泥浆层流状态时塑性流体内部结构的强度。达因/cm2或磅/1000R21磅/1000R2=4.8dyn/cm2ηp—塑性粘度,P或cPηA—表观粘度,P或cP服从塑性流型的流体叫塑性流体,如泥浆、沥青、油漆等。3)假塑性流型特点:a.流变曲线经过原点;b.曲线向上凹;c.属于多相不均匀流体;d.η随τ增加而下降,=0e.服从幂函数关系τ=KnK—稠度系数,与粘度对应η越大→K越大单位达因·秒n/cm2n—流性指数,无因次。n<1,流体属于非牛顿流体n=1,属于牛顿流体n>1,属于膨胀流体K、n是假塑流体的两个流变参数服从幂函数方程的流体叫假塑性流体。如高分子化合物溶液,低固相泥浆、乳状液等。4)膨胀流型特点:a.流变曲线过原点b.曲线向下凹n>1c.=0η随τ增大而增大,体积增大d.服从幂函数τ=Kn符合膨胀流型的流体叫膨胀流体,如淀粉糊等。2.粘度(满足地层护壁与携带岩粉的情况下,泥浆的粘度越小越好)粘度表示泥浆流动时,其内部各相介质之间内摩擦力的总和:分ηp、ηA(将泥浆看成塑性流体时)塑性粘度ηp=τ/表观粘度ηA=ηp+/特点:ηp不随变化,但ηA随的增大而降低。这种ηA随的增大而降低的性质叫泥浆的剪切稀释作用。意义:泥浆经过钻头水眼时增大→ηA减小→冲洗液破岩能力增强泥浆经过环空时,减小→ηA增大→悬浮携带岩粉能力增强由ηA=ηp+/讨论:ηp降低、增大,即/增大,后部分对ηA的影响大,则ηA随变化愈大,故用动塑比表示泥浆的剪切稀释作用。一般要求泥浆的/ηp=1±,且<3对泥浆来说,加大固相含量,增加粘土分散度,加增粘剂,泥浆形成网状结构→ηp表观粘度增大。相反,加水或减少固相含量,加稀释剂→ηp减小3.切力分静切力和动切力。静切力是泥浆开始运动时,所需要的最低剪切应力。它表示泥浆静置时形成内部网状结构的能力。结构形成:泥浆静置时,片状粘土颗粒的边角水化膜较薄,成为粘结的活性中心,使粘土颗粒连结在一起,形成连续的网状结构,内部包围一部分自由水使其不能自由流动,如图2.9所示这种结构是触变结构。外力作用时易于破坏,而静置时结构又恢复。的大小与粘土类型,含量,分散度,ζ电位,水化膜厚薄及外加高分子处理剂等有关。是层流状态下,泥浆内部网状结构力的大小。的大小与固相含量,分散性,粘土的ζ电位,颗粒间的吸力及外加处理剂有关。总之,形成空间网状结构越强→越大。岩芯钻井工艺要求:=10~40mg/cm2,=20~30mg/cm2若、过高→开泵时泵压过高,激动压力过高,除气及净化岩粉困难。前述泥浆内部具有触变结构的性质叫泥浆的触变性。泥浆触变性表现为泥浆搅拌流动时,其内部结构拆散,泥浆变稀;而再静置时,结构又恢复,泥浆变稠。初切力:静置1分钟后测得的为初切力。终切力:静置10分钟后测得的为终切力。触变性好坏以终切力-初切力差值来表示,差值越大,触变性越好。钻井要求泥浆具有良好的触变性,防止埋钻,正常循环时,排带岩粉,再循环槽中便于沉淀岩粉,停泵时以利于悬浮岩粉,但又不致于开泵时泵压过高。同时利于堵塞裂隙,减少钻孔漏失。4.泥浆流变性的测量与计算主要是测量并计算ηp、ηA、τ、、n、K当前使用的泥浆流变性测量仪有:野外漏斗粘度计:测量泥浆对水的相对粘度,单位秒,反映了泥浆的表观粘度,简便,但不能反映ηp、。清水15秒,泥浆一般18—30秒。旋转粘度计:国外有能自动作流变曲线的范氏39型、无级调速的范氏36型;国内青岛照相机厂仿制范氏35型生产的D6-ZNN电动6速。具体仪器原理,测试方法等实验课介绍由宾汉公式可推出:ηp(泊)(dyn/cm2)dyn—达因由幂函数公式可推出:(dyn·sn/cm2)以上公式代表一般性理论意义,用其计算太麻烦,实际应用中常见直读式旋转粘度计测定后计算。当前国内常见6速旋转粘度计测定。其对应的流变参数计算式为:牛顿流体:ηA=600CP(粘)塑性流体:ηp=600—300CP=300—ηp磅/1000R2=5.11(300—ηp)dyn/cm2假塑流体:=4.9(300—ηp)mg/cm2(dyn·sn/cm2)(一分时)(10分时)、00、600分别是旋转粘度计转速为3、300、600转/分时之读数。牛顿流体η=300CP另外,也可先作流变曲线,然后再从其上求出ηp、ηA、、n、K的值。5.泥浆流变性对钻井工作的影响主要影响以下几方面:1)对破岩及钻速的影响η越大→Vt越小/ηp=0.75~1,其剪切稀释作用越好→Vt越大2)对携带及悬浮岩粉的影响良好的触变性→有利于携带及悬浮岩粉、太大不利于净化岩粉。3)对稳定孔壁的影响η越大→有利于减少漏失,胶结孔壁但↑、η↑→激动压力↑、泵压↑、抽吸作用↑,净化岩粉困难。二.泥浆的失水与造壁性1.泥浆的失水特性泥浆中的水以化学结合水,自由水及吸附水三种状态存在。失水:当孔内泥浆柱的静压力大于地层孔隙的流体压力,即在一定的孔内压差作用下,泥浆中的自由水会透过孔壁岩石小裂隙或孔隙而渗透到地层中去的现象。造壁:泥浆中的粘土颗粒随着失水的进行而附着在孔壁上形成泥皮(饼),反过来阻止失水的过程。失水量:在一定压力差和单位时间内,经过一定的过滤面积的失水量B,常以”ml”表示。如:美国API标准压差100磅/英寸2(7atm),30分钟,7.1英寸2(45.8cm2)苏联用柱塞式压差1atm,30分钟,22.9cm2中国当前两种都采用。井内泥浆失水及泥饼形成过程(静失水过程):1)泥饼形成前一瞬间,一部分颗粒较细的固相(粘土,岩粉等)与自由水一起进入地层中,构成泥饼的初损侵入层。这部分失水因泥浆不同而异。其侵入范围的大小也不一样,一般是不大的。2)随着固相颗粒的侵入,一部分较大的固相颗粒正好与裂隙大小相吻合,堵在孔隙口起架桥作用,而构成架桥层,起泥饼的骨架作用,因其卡在孔隙中不易为冲洗液所冲刷带走。3)架桥后细粒固相随着失水的进行不断充填于骨架细小缝隙中使架桥层更致密,同时在其外逐渐形成一层薄而软的泥皮层,进一步阻止泥浆失水。上述泥饼的形成是在瞬间完成的,由外层泥皮、架桥层及初损侵入层三层构成的。由于泥饼本身有一定的孔隙度,因此可继续渗透自由水产生失水。孔内失水分三种情况:1)孔底失水:即钻出新孔底的瞬时失水。失水量较小,影响不大,一般资料未列入。2)静失水:泥浆停止循环时的失水。由于无冲刷作用,泥饼会逐渐变厚,B变小。3)动失水:泥浆循环过程中的孔壁失水。特点:开始较大,随着冲洗液的冲刷,泥饼的增厚与破坏达到动平衡后,失水便恒定。因动失水与冲洗液上返速度成直线比例上升,因此小口径钻进中当>1.5m/s时,泥饼被冲毁,动失水量快速上升。一般情况下,动失水>>静失水,当较大时,动失水占70~90%,而静失水只占10~30%。2.失水评介方法1)泥浆失水的影响因素根据达西定律,可推导出如下计算累计失水量B的公式:(1)其中:K—常数R=B/V—固相含量因素V—泥饼中固体体积P—压差(atm)t—失水时间(秒)u—滤液粘度(cP)由(1)式可得出如下三式:B∝B∝B∝以上(1)式是泥浆静失水的基本方程,由此方程讨论泥浆失水量B的影响因素:a.t对B的影响B∝t↑→B↑b.P对B的影响B∝P↑→B↑但P↑→泥饼致密度↑→B↓故应结合考虑两方面因素。c.温度对B的影响T↑→u↓,且粘土水化差→B∝→B↑d.泥浆性能对B的影响泥浆中粘土水化强分散好,细颗粒多,外加合适处理剂(降失水剂)→形成薄而致密的泥饼→渗透率K↓→B↓e.固相含量对B的影响固相含量↑→泥饼增厚V↑→R↓→B↓,但泥饼厚而松易被冲毁,B动↑2)常规方法测失水量B采用气压式或柱塞式普通失水仪测泥浆的静失水,国内当前有1009型柱塞式ZNS-3型气压式(采用液态CO2或N2作气源)直接测泥浆的滤失量(具体实验中讲)。由泥浆静失水基本方程知:B∝即B1=KB2=K∴即—时间内的B—时间内的B这样可测定任一时间(如=1、2、3……分钟)的,而计算出=30分钟的。一般岩芯钻探要求B＜15ml,而石油钻井要求B＜10ml以上的理论计算公式,考虑到瞬时失水(测定时,最初一下子的连续初失水)的误差,实际计算公式为:(ml)因若=7.5分,=30分,=2.故常测量7.5分钟失水来计算30分的B即:B=2+(ml)例:=5ml=3ml,求30分时的B值B=2+=2×5+3=13m3)作失水曲线评价B:作失水B-t曲线,然后用斜率k和截距b作指标评定泥浆的Bk↓→B增长↓→泥饼质量好,失水性能好,反之亦然。一般可用计算机处理并作图分析(先编程序输入作图模式,然后输入不同的及即可自动作出图)这种方法考虑了泥浆的整个失水过程,比较全面。4)高温高压失水:考虑到深井高温高压的需要,采用高温高压失水仪测B,T可达260℃。P达49.72atm。如美国的40、42、70、71型多种。5)二次失水为了简单评价泥饼质量测定其渗透性大小,采用测泥浆二次失水的方法。一般是用术塞式失水仪先测泥浆的30分钟失水量后,将泥浆倒掉,不换滤纸(上有一层泥饼),再加入清水,再测其失水量大小作为泥浆二次失水值。由的大小能够定性评价泥饼质量的好坏。当小→泥饼渗透性小→泥饼质量好反之亦然。一般聚丙烯酰胺泥浆的=3~5ml6)动失水当前尚无测量动失水的精确测量仪器,国内外均提出了几种测试方法,如模拟进口量内循环冲刷装置等。当前国外常见”滚子炉”测试指标来表示动失水性能。7)滤液性能滤液性能对井壁稳定影响很大,清水或分散性泥浆的滤液使井壁岩石产生水化膨胀,导致井壁失稳;滤液PH愈高,岩石越易水化膨胀,滤液矿化度(含Ca、Mg、盐)越高,抑制岩石水化膨胀能力越强。如前述K+抑制性最强,故常见含K+冲洗液钻进水敏性地层。滤液中高聚物含量越高,粘度u越大,则胶结岩石的能力越强,越有利于护壁。另外,无粘土冲洗液的成膜作用等有利于降失水防塌,以后再讲总之,泥浆的失水与造壁性能对钻进影响很大。失水大,泥饼厚,一方面会引起孔壁岩石水化膨胀而失稳,别一方面过厚的泥皮会使泥浆不稳定,损害地层,产生缩径现象,增加钻杆回转阻力,产生抽吸作用和激动压力,造成压差卡钻,引起事故。另外,在失水理论研究方面仍存在许多问题。动失水的测定与评价,井底失水过程的模拟评定及计算机控制处理,动失水与静失水的关系(当前测定的动、静失水相关性甚差),如何正确评价失水与井壁稳定的关系等等问题都有待今后进一步深入研究解决。泥浆的其它性能漏水—降低泥浆比重γ(减少固相成分,充气泡沫)涌水—提升泥浆比重γ(加高重度矿粉,提高动切力)1.泥浆比重 泥浆重量与同体积水重量之比值叫泥浆比重单位:英制磅/加仑(Pound/gallonorPPg)公制g/cm31g/cm3=8.33PPg主要取决于泥浆中固相含量的多少及固相比重的大小。用比重秤测定,单位”g/cm3”,具体实验课讲。是维持井内压力与地层压力平衡的重要手段,对于漏失地层应采用低固相、充气、泡沫或低比重材料等降低泥浆比重(可降到0.7g/cm3),减少或防止漏失。相反,地压较高时,应加入加重剂,如重晶石粉、氧化铁粉等增加,以平衡地压,防止井喷和涌水,维护井壁稳定。泥浆比重(重度)对钻速影响较大,↑→V钻↓,故正常情况下应尽可能采用低固相低泥浆钻进,以提高钻速。一般膨润土低固相泥浆=1.02~1.052.泥浆含砂量Q(除有效成分外其它所有成分,主要指岩粉粘土粉内的石英)泥浆中大于74u(不过200目)的颗粒(包括粘土及非粘土矿物)占泥浆总体积的百分含量叫Q。Q↑→泵,钻头及钻具磨损↑,一般Q<1~4%合格现场常采用旋流除砂器及除泥器等机械方法,配合化学絮凝沉降法除砂。一般采用筛析法(如ZNH型),沉降法(如含砂量杯)来测量泥浆的Q。具体实验课讲。3.固相含量W(所有非溶解质含量总和)W系指泥浆中所有固相(包括粘土、岩粉、处理剂等)含量的总和。常采用泥浆蒸馏法来分离固相进行分析(如ZNG型分析仪)。W可直接影响,泥浆流变性及钻速V钻。W大→大、η大、大→V钻低现代钻井研究表明,泥浆中的W,特别是小于2u的颗粒含量是影响V钻的主要因素。V钻随W的增加而急降。如图2.10所示因此应设法清除泥浆中多余的固相,特别是小于2u的细颗粒。4.PH值(酸性环境下会聚结)如前述,泥浆及滤液的PH值对其性能及井壁影响都很大,同时PH高低也是泥浆进行化学处理的依据,泥浆一般在碱性情况下保持稳定,故:一般泥浆PH=8~10钙处理泥浆PH=10~11PH测量:PH试纸简易测量,酸度计精确测量。5.泥浆胶体率及稳定性胶体率是泥浆静置24小时后析水分层,其泥浆部分所占的百分比率。它粗略地表示泥浆中粘土颗粒的水化与分散程度。如静置1天后上部折水3ml,则泥浆胶体率为97%,一般要求泥浆胶体率大于96%。但它并不能说明泥浆中胶体颗粒的多少、B的大小及其性能指标的好坏。泥浆稳定性是指泥浆静置一天后,上下两层的比重差大小。它表示泥浆中粘土颗粒分散的均匀程度,反映了泥浆沉降稳定性的好坏。一般要求比重差<0.02,加重泥浆为<0.06,低固相泥浆更小。6.泥浆润滑性小口径金刚石钻进要求泥浆既能护壁,又要有较好的润滑性以利于其开高转速。泥浆中常见加入润滑剂有石墨粉、二硫化钼、阴离子表面活性剂等,以减少摩擦阻力。测量:简易润滑仪,极压润滑仪及摩擦系数测定仪(我校研制)等。7.泥饼粘滞性(加入固相溶解剂,随粘土颗粒依附于泥皮,减小粘滞阻力)主要是指泥饼对钻具回转的粘滞阻力。泥饼太厚,粘滞阻力大,常引起压差卡钻,或影响钻具回转开高转速等。用泥饼粘附系数测定仪测试扭矩并经计算其粘附系数大小来表示泥饼的粘滞性。第三节小结主要分析介绍了泥浆的各种性能及其对钻井的影响因素。要求掌握剪切稀释及触变性的概念及意义。流变性:主要参数是粘度η,切力泥浆的/ηp大(>0.5)→剪切稀释作用好→冷却钻头、冲洗井底、破碎岩石效果越好→钻效高。泥浆的触变性越好→停泵悬浮岩粉能力越好、排粉效果更佳、堵漏效果更好。η、大→悬浮携带岩粉能力强、钻效低、故应适中。失水造壁:粘土分散性好、自由水含量减少、加入降失水剂→形成的泥饼薄而致密→泥皮渗透性减小→B小→护壁作用好。泥浆PH值低(7~8)、矿化度高,含K+高,含高聚物→抑制粘土质泥页岩水化膨胀能力强→护壁作用好。固相含量↑、含砂量↑→↑,钻头、钻具、泵磨损↑→钻效↓。因此应采取絮凝除砂除泥措施维护低固相。思考题:2.影响泥浆护壁作用的因素有哪些?(流变性,护壁性)5.讨论泥浆的ηp、对钻井的影响。第四节泥浆处理剂(泥浆化学处理)为了适应钻进过程中的各种需要,提高泥浆的各种性能,必须对泥浆进行化学处理。而处理所用的药剂就叫泥浆化学处理剂。一般,泥浆的化学处理工作包括两个方面:初步处理:对新配泥浆(即原浆)进行化学处理,使其性能达到钻进要求的过程。一般是加入化学处理剂帮助粘土颗粒分散或适度絮凝,配成合乎钻进工艺要求的各类泥浆(如加Na2CO3帮助分散,加CaCl2适度絮凝成粗分散体系)。初步处理一般较容易,花费药剂亦较少。补充处理:钻进过程中对泥浆性能进行调节,使其合乎钻进工艺要求的处理过程。如粘土或岩粉侵使泥浆η、、增大后,加水、稀释剂及降失水剂调节泥浆性能,降低η、、及B以提高钻速V钻。一般补充处理较复杂,花费药剂量较大。化学处理剂来源有天然产品(如瓜尔胶、钻井粉等),改性产品(如各种改性腐植酸等)及人工合成产品(如CMC、PAM等)。当前40多个国家有140多家泥浆公司2600多种泥浆处理剂商品。中国的泥浆处理剂近几年来也得到了不断发展。今后的工作是进一步深入研究处理剂理论,不断发展完善各种钻进工艺所要求的处理性能,研究多功能综合处理剂,做到一剂多用。用处理剂调节泥浆性能主要是:(泥浆处理内容)(1)降失水B↓;(2)稀释η、↓;(3)增粘η、↑;(4)絮凝;(5)加重或减重↑或↓;(6)页岩稳定;(7)防漏堵漏;(8)发泡、消泡;(9)润滑减阻;(10)乳化泥浆;(11)调节PH值;(12)增表面活性;(13)防卡减卡;(14)防腐杀菌;(天然植物胶放置时间久会发酵,在碱性条件下才起作用)(15)去钙等。常见处理剂分成三大类:无机、惰性材料及有机处理剂。以下分别介绍之。一、无机处理剂1.作用原理无机处理剂在泥浆中应用广泛,泥浆处理中最先使用的也是无机处理剂,其作用原理有如下几方面:1)分散作用如前所述粘土能进行阳离子交换,故常加入适量的能电离的可溶性电介质提供可交换的阳离子,帮助粘土颗粒水化分散。(钙土碱处理)例:因大部分澎润土是Ca土,而Ca土的水化分散作用差,造浆率低,故常采用纯碱Na2CO3或NaHCO3等处理泥浆,以Na+取代Ca2+而使Ca土改型成Na土,帮助粘土颗粒水化分散,提高造浆率,同时达到去Ca2+的目的:2Na++Ca土→Na土+Ca2+↓此时除了阳离子(Na+)作用外,阴离子影响也较大。如用Na2CO3或NaHCO3处理泥浆:Na2CO3+Ca土→Na土+CaCO3↓2NaHCO3+Ca土→Na土+Ca(OH)2而Ca(OH)2在水中能部分溶解,电离出Ca2+,因此上面反应是一可逆反应。当达动平衡时,泥浆中除了一部分Ca土→Na土外,尚存一部分Ca土即泥浆中粘土由Na土和Ca土两部分组成。故其分散稳定性不如全部改型成Na土时强(Na2CO3),泥浆性能也不如前者好。同样若用NaCl处理,它提供的Na+也是不可取的:由反应2NaCl+Ca土→Na土+CaCl2可知,体系中同时存在NaCl和CaCl2而二者的溶解度分别为:温度℃020306080100NaCl35.736.036.337.338.439.8CaCl259.574.5102.0136.8147.0159.0在20℃以上时,CaCl2的溶解度比NaCl大一倍以上,上述动平衡体系中Ca2+浓度比Na+多的多,且Ca2+是二价离子比Na+(一价)高,因此粘土吸附Ca2+的机会大的多,即体系中大多数粘土仍以Ca土形式存在,因此用NaCl达不到改型粘土的目的。这也是粘土在盐水溶液中不易分散的因素之一。因此当前钻井中大多用Na2CO3作为泥浆分散剂来处理泥浆以达Ca土→Na土的目的。2)絮凝作用这种作用也是因粘土的离子交换性,按双电层理论进行反应。如前述,粘土颗粒表面带负电荷(PH>7)时,当体系中加入一定量的电介质,以提供可交换性阳离子时,粘土颗粒就会吸附阳离子(特别是高价阳离子如Ca2+、Mg2+),引起双电层压缩。使ζ电位减小,水化膜变薄,从而引起粘土颗粒之间产生絮凝作用。因此钻井中就利用这一理论,有意加入Ca盐或食盐,提供Ca2+或过量的Na+,压缩双电层,降低ζ电位,使粘土颗粒进行适度絮凝,形成粗分散体系泥浆或网状结构,前者可用于抑制粘土质岩石的水化膨胀和造浆防塌,保护井壁稳定,后者可用于堵漏。如常见的CaCl2、石灰、石膏泥浆及盐水泥浆等。3)水解或溶解作用许多有机及高分子处理剂在水中的溶解度很小,不易被粘土颗粒吸附,而它们经水解或中和反应后即可成为水溶性泥浆处理剂。溶解中和反应:如丹宁酸、腐植酸等在水中溶解性很小,用碱溶解中和成盐后就成为水溶性泥浆处理剂,易被粘土吸附而起稀释和降B作用。即:丹宁酸+NaOH→丹宁酸钠+H2O腐植酸+NaOH→腐植酸钠+H2O水解作用:高分子处理剂上有一些不溶于水但可水解的极性基,如酰胺基CONH2、腈基CN等,可先用碱进行水解中和反应,使其变成亲水性基团如COONa等成为水溶性泥浆处理剂。如,PAN(不溶,人造羊毛)+NaOH→HPAN(可溶)+H2O作降失水剂4)其它作用加碱调泥浆的PH值,在碱性范围内以保持泥浆稳定。加重、增粘η、↑及无机交联堵漏。2.常见无机处理剂1)烧碱NaOH(分子量40,乳白色=2~2.2)易溶于水T增大→溶解度增大,水深液呈强碱性,有强腐蚀性。易吸嘲,从空气中吸CO2→Na2CO3。工业烧碱浓度:固体98%、液体30%。在水中NaOH完全电离:NaOH→Na++OH-作用:a.调节泥浆PH值,帮助分散,加入量0.5~11kg/m3b.溶解、水解有机高分子处理剂c.处理非膨润土泥浆d.控制Ca2+处理泥浆中Ca2+浓度Ca2++2OH-→Ca(OH)22)纯碱Na2CO3(分子量106白色=2.5左右)又名苏打或面碱,易吸潮结块,白色粉末。易溶于水,水溶液呈强碱性,T↑→W↑。超过36℃后T↑→W↓。工业Na2CO3含量一般在98%以上。Na2CO3在水中易电离和水解:Na2CO3→2Na++CO32-为主CO32-+H2O→HCO3-+OH-HCO3-+H2O→H2CO3+OH-即Na2CO3可提供Na+、CO32-及OH-。作用:a.粘土改型Ca土+Na2CO3→Na土+CaCO3↓并去Ca2+,帮助粘土水化分散(作分散剂),加入量0.6~11kg/m3;b.调节泥浆PH值;c.硬水软化及除Ca2+、Mg2+(如石膏侵、水泥侵时);与其类似的还有酸性碳酸钠或小苏打NaHCO3,特点是对PH值影响较小,但溶解较小故用的也较少。主要用于抗水源污染。加量1~14kg/m3。3)石灰Ca(OH)2(分子量74.1=2.08~2.24白色粉末)又名熟石灰,消石灰,由生石灰CaO加水反应而得:CaO+2H2O=Ca(OH)2易吸潮,在空气中能吸收CO2→CaCO3,水溶性较小且T↑→W↓。水溶液呈强碱性有腐蚀性,水溶液PH=12.4Ca(OH)2在水中部分电离Ca(OH)2→Ca2++2OH-作用:a.提供Ca2+配制粗分散的Ca处理泥浆,加量1~57kg/m3;b.作絮凝剂用于配制适度絮凝的粗分散泥浆;c.生石灰CaO作油包水乳化泥浆的乳化剂。d.配制高η、的石灰泥浆堵漏。4)石膏CaSO4(分子量136,=2.31~2.32)分生石膏CaSO4·2H2O白色块状熟石膏CaSO4·H2O水溶性较小且T↑→W↑,超过40℃后T↑→W↓在水中部分电离:CaSO4→Ca2++SO42-作用:a.提供Ca2+,配制石膏钙处理泥浆,加量6~23kg/m3;b.提供SO42-使泥浆PH↓;c.石膏水溶性比石灰大,故提供Ca2+能力比石灰强;5)氯化钙CaCl2(分子量111,=2.15)有无水CaCl2(111)及六水CaCl2·6H2O(219.1),前者常见。极易溶于水,且T↑→W↑↑,易吸潮。作用:a.提供Ca2+能力比石灰、石膏大的多,故用于配制高钙泥浆;b.提供Cl-使泥浆PH减小,加量28~570kg/m3;c.作干燥剂。6)食盐NaCl(分子量58.45=2.165)易溶于水,且T↑→W↑作用:a.提供Ｎa+,配制盐水泥浆或饱和盐水泥浆。钻进盐层;b.压缩双电层,抑制井壁岩石的水化膨胀,加量30~360kg/m3;c.提高泥浆η、τ。7)氯化钾KCl(分子量74.55=1.984)易溶于水,且T↑→W↑作用:a.提供K+,抑制井壁岩石的水化膨胀,加量30~50kg/m3;b.提高泥浆的η、。8)磷酸钠盐包括正、偏、焦磷酸钠盐及复盐,酸式盐。作用:a.偏、焦磷酸钠盐作稀释分散剂,同时除Ca2+,提高泥浆的η,常见的如三聚磷酸钠、六偏磷酸钠、四磷酸钠等;b.正磷酸钠除Ca2+、Mg2+;c.洗井除泥皮9)水玻璃Na2SiO3(PH=11~12=1.5~1.6)为粘稠状半透明液体。实际结构Si-O-Si键连结的低聚合度无机聚合物。因此其粘度较高。其性质受模数m影响较大:m增大→SiO2增大→化学活性降低、可溶性降低、比重变小、η变大。反之亦然。m>3时叫中性水玻璃,反之叫碱性水玻璃。工业上m可为1.5~4,常见m=2.6~2.8,钻井常见低m的水玻璃。其浓度用波美度表示:波美度=145-作用:a.PH<9时,作泥浆的结构形成剂,用于配制冻胶泥浆堵漏。因PH<9时,水玻璃发生缩合反应使Si-O-Si链增长并带支链,它与粘土吸附后能形成网状包围住泥浆中的全部水,从而形成流不动的冻胶泥浆。而形成冻胶的关键在于调节PH值,故可利用这一特点将水玻璃泥浆打入所需的堵漏井段进行胶凝堵漏;b.水玻璃泥浆可抑制页岩水化膨胀,防塌性好,并可用于高压盐水层钻进(PH>9);