李方普光培训-气井钻井工程

高酸性气田程度井投产作业

气井钻井工程

主讲：李方.——在钻井、完井、增产等作业过程中所运用的任务流体统称油气井任务液。包括：钻井液、钻井完井液、水泥浆、射孔液、隔离液、封隔液、砾石充填液、修井液、压裂液、酸液、驱替液等。1、定义.2、分类：〔按作业环节分〕两大类

水基钻井液I.钻井液油基钻井液气基钻井流体II.完井液〔广义〕——油气井完成和完善作业过程中所运用的任务流体。.钻井完井液〔即翻开产层的钻井液〕——在油气层中钻进时所运用的循环流体。有：改性钻井液、清洁盐水聚合物完井液、低固相聚合物完井液、油基完井液、气体类完井液。主要功用：翻开储层时维护油气层。.3-1钻井液技术的开展概略一、早期历史〔公元前256年～公元1844年〕原始阶段早在公元前256年〔春秋战国时期〕。我国发明了“顿钻〞钻井技术，后传至波斯、埃及，然后再传到欧洲。至公元1041～1053年〔北宋年间〕。我国首创“卓筒井〞。即用竹筒当套管下入井内，封隔水层、塌层。到公元1821年〔清道光年间〕，我国已能钻成1000米井。此段期间，所用钻井液完全是清水，目的单一：仅为洗井和协助捞砂，没有循环系统，将清水直接倒入井内，冲钻，下捞砂筒捞出。.二、萌芽阶段〔1844年～1920年〕1844年．英国人RobertBeart发明了“旋转钻井〞方法，并开场运用循环系统循环钻井液，但采用的是“反循环〞方法。〔即抽吸法〕。1845～1860年.法国人Faulle建立了较完好的循环系统，并采用“正循环〞循环钻井液，且认识到了“混浊的水〞比“清水〞带砂好。1887～1901年.美国人开场运用粘土、糠麸、谷物等资料作钻井液添加剂，并认识到用“粘泥〞使钻井液变“稠〞变“重〞的重要性。1906年.钻井液搅拌器问世。〔在此之前，钻井液是由牲口在池中走动配成的。〕1910年.公用泥浆泵问世。这段期间，已开场认识到钻井液的重要性。钻井液特点：成分单一，处于自然形状。.三、开展阶段〔1921年～1948年〕——近代钻井液1921年.美国人Stroud开场运用专门制备的添加剂来调理钻井液性能，并出版了世界上第一本关于钻井液方面的出版物。钻井液工艺技术正式问世。各先进国家相继开场了这方面的研讨任务。出现了加重剂、增粘剂、降滤失剂、堵漏剂等公用途置剂，并建立了比重、粘度、失水等常规性能的测试方法及钻井液滤液分析方法。1930年.全世界已有23种关于钻井液方面的出版物。钻井液技术的开展进入高潮。.此阶段钻井液有如下特点：1.组分较前复杂，逐渐趋于完善。2.普遍运用途置剂来调理维护钻井液性能。3.钻井液类型越来越多，功能越来越全。同时开场了钻井液处置剂研讨和钻井液公用仪器的设计制造。.四、科学化阶段〔1948年至今〕——现代钻井液1.出现并广泛运用了不分散无固相、低固相钻井液。2.处置剂开展迅速。由几十种开展到上千种，并开场了深化的处置剂作用机理研讨。3.开场了泥浆〔钻井液〕流变学研讨，水力参数及流变方式的优选。4.开展了钻井液固相控制技术。5.开展了系统深化的井壁稳定技术研讨。.6.开展了系统深化的深井超深井钻井液技术研讨。7.研制了大量成套的现代测试仪器，并逐渐完善了评价方法。8.开场了钻井液数据库和专家系统的建立。9.深化开展了维护油气层的完井液技术研讨。10.构成了一整套较完善的钻井液技术实际。我国钻井液技术研讨起步晚，但开展非常迅速，无论从实际研讨上或是运用研讨上均有艰苦突破。目前我国钻井液技术与先进国家处于同步程度。.3-2钻井液的组成、类型及功用泥浆mud又称：钻井液drillingfluid洗井液flushingfluid循环流体circulatingfluid可定义为：保证钻井任务能平安顺利进展的一切入井流体统称钻井液。或：由各种不同大小的固体颗粒分散、悬浮于不同的流体中并由各种化学处置剂来维持其性能的一种多级多相分散体系。.一、组成钻井液主要由分散介质、分散相和处置剂三大部分组成。水：淡水/盐水——“水基〞1.分散介质〔延续相〕油：原油/柴油/白油——“油基〞气“气基〞.粘土〔膨润土〕2.分散相油：对水而言水：对油而言气：充于水基中增粘剂降粘剂降滤失剂3.处置剂抑制剂维持钻井液性能的稳定外表活性剂加重剂光滑剂……….二、钻井液的类型国内外分类各异，但目前均有暂行规范。根本上可概括为三大类型：即水基钻井液、油基钻井液、气基流体。1.国内油田习惯分类：细分散钻井液钙处置钻井液：石灰/石膏/氯化钙粗分散钻井液盐水钻井液：盐水/饱和盐水/海水无固相聚合物钻井液水基钻井液聚合物钻井液低固相不分散聚合物钻井液聚磺钻井液等

油包水空气混油钻井液油基钻井液油基气基天然气雾、泡沫.2.国标分类分法一：〔1〕淡水钻井液体系〔2〕钙处置钻井液体系〔3〕不分散聚合物钻井液体系〔4〕盐水钻井液体系〔6〕钾基钻井液体系〔7〕油基钻井液体系〔5〕饱和盐水钻井液体系〔8〕气体体系〔气体、泡沫〕.分法二：〔1〕

不分散聚合物钻井液体系〔2〕

钾基钻井液体系〔3〕

饱和盐水钻井液体系〔4〕

分散钻井液体系〔5〕

钙处置钻井液体系〔6〕

盐水钻井液体系〔7〕

油基钻井液体系〔8〕

气体钻井流体〔9〕修井液完井液体系.3.美国石油学会〔API〕和国际钻井承包商协会〔IADC〕分类：〔1〕

不分散体系〔不作任何处置〕〔2〕

分散体系〔3〕

钙处置体系〔4〕

聚合物体系〔5〕

低固相体系〔6〕

饱和盐水体系〔7〕

完井修井液体系〔8〕

油基钻井液体系〔9〕

气体体系注：1986年前，API和IADC分法与此差别较大，上述分法是86年修正的。.三、钻井液的功用〔十大功能〕1.

清洗井底，携带钻屑。2.

悬浮钻屑和加重剂。3.

控制地层压力。4.

传送水力功率。5.

稳定井壁。6.

冷却、光滑钻头及钻柱。7.

接受钻柱和套管的部分分量。8.

提供所钻地层的大量资料。9.

维护油气层。10.防止钻具腐蚀。.钻井液主要有四大根本性能，即：流变性、造壁性、抑制性和光滑性。3-3钻井液的性能一、钻井液的流变性由<流膂力学>知，流体有四种根本流型〔即牛顿流型、塑性流型、假塑性流型和膨胀流型〕。钻井液大多属塑性或假塑性流型，因此就对应有相应的流变参数。.产生缘由：存在空间网状构造。

本质：钻井液凝胶强度的高低。

影响要素：①粘土含量和分散度：含量大，

分散度高，τs大。

②粘土颗粒的ζ电位和水化膜：ζ低，

水化膜薄，吸力占优势，τs大。

③处置剂的种类和加量

作用：钻井液静止时悬浮钻屑和加重剂。

丈量方法：用旋转粘度仪测其静止10分钟的切力。〔用最低转速：每分钟3转〕或用浮筒切力计。

1.静切应力：τs〔现场又用“θ〞表示〕GelStrength

简称“切力〞：即塑性流体开场流动时的最低切应力，又称“凝胶强度〞。.2.动切应力：τo又称屈服值“YP〞YieldPoint塑性流体特有的性质，反映钻井液作层流流动时，粘土颗粒之间及高聚物分子之间的相互作用力。〔即构造拆散、恢复到达动平衡时的构造强度。〕τo是常量，不随速度梯度变化，体系定它那么定。产生缘由：构造所至〔同τs〕本质：钻井液在层流条件下的构造强度。影响要素：①粘土含量和分散度。②粒子ζ电位和水化膜。③处置剂的运用：吸附端面，拆散减弱构造，τo降低。④高分子聚合物的运用：吸附桥联，τo升高。.作用：钻井过程中悬浮携带岩屑。〔动态条件〕τo的大小反映了钻井液携屑才干的大小。τo大，阐明层流时构造强度大，流核面积大，携屑才干强，反之弱。丈量方法：用旋转粘度仪测600转和300转的数据，代入宾汉公式或相应的直读公式计算而得。τo=5.11〔φ300-PV〕τo=0.511(2φ300-φ600).旋转粘度计.3.表观粘度：又称视粘度或有效粘度，用η’表示。AV:ApparentViscosity——某一流速梯度下，速梯与相应切应力之比。即：ηi’=τi/Di单位：cP或mPa·s可见：表观粘度随速梯而变，同一体系，不同速梯，ηi不同.本质：钻井液在流动过程中实践表现出来的总的粘滞性。作用：衡量钻井液的宏观流动性。丈量方法：用旋转粘度仪。现场习惯用600转数据的1/2值表示，AV=φ600/2。方可将对应速梯下测得的切力值代入宾汉或指数方程求得。.4.塑性粘度：符号：PV或ηsPlasticViscosity——塑性流体层流流动时的粘度。PV也是常量，不随速度梯度变化，体系定它那么定。本质：钻井液中构造拆散与恢复处于动平衡时，固—液之间、液—液之间的内摩擦力的反响。影响要素：固相含量：固含高，那么PV高。分散度：分散度↗，那么PV↗。液相粘度：液相粘度↗，那么PV↗。水溶性处置剂的粘度：水溶性处置剂的粘度↗，那么PV↗。显然，它直接反映了钻井液中固相含量的高低及分散程度。.作用：衡量判别钻井液中固相含量的高低及分散程度。高那么有害，低那么有利。PV与YP是塑性型钻井液的两个重要流变参数，它们直接影响流阻、压降、水力功率的大小及井眼净化的程度。丈量方法：用旋转粘度仪测φ600、φ300读值。

PV=φ600-φ300mPa·s.5.剪切稀释性：ShearThinningBehavior——表观粘度随速梯增大而降低的景象，称为剪切稀释。本质：高剪切作用破坏了体系内部构造，使总的粘滞性降低。显然：只需能构成构造的钻井液，均有剪切稀释性。.表征量：τo/ηs〔动切应力YP/塑性粘度PVPa/mPa·s〕大小衡量。比值大——剪切稀释才干强，反之那么弱。由于比值大，阐明构造多〔τo大〕，固含低〔ηs小〕，体系受剪切稀释明显。作用：判别携屑才干：强者——好，有利低速带砂〔构造〕。0.36～0.48Pa/mPa·s估计钻头水眼处的粘度大小：强者——小，有利放射。故：普通要求钻井液的剪切稀释才干强。〔太强也有害〕。.6.流性指数：符号“n〞，亦称n值：0<n<1，无因次。——表示假塑性流体中构造的多少及存在的方式。当n→1时：阐明构造少，且不延续。n=1时，完全无构造，牛顿体。当n→0时：阐明构造逐渐增多，且延续。非牛顿性越强。作用：判别携屑才干：n小，流核大，带砂好。n=0.4～0.7好。判别剪切稀释性：n越小，剪切稀释才干越强。〔构造多〕.7.稠度系数：符号“K〞，亦称K值。单位：达因·秒n/厘米2——表示假塑性钻井液的稀稠程度。由假塑性流体本构方程：τ=KDn可知，当n=1时，τ=KD〔即为牛顿体〕。显然，此时K即为牛顿粘度〔牛顿内摩擦系数〕，阐明K与粘度有关。本质：假塑性流体在一定速梯下非构造性内摩擦的反映。作用：衡量钻井液流动阻力的高低及固相含量的多少。.8.触变性：ThixotropicBehavior——指钻井液受搅拌后变稀，静止后又变稠的特性。或：钻井液切力〔搅拌后〕随静止时间的增长而增大的特性。产生缘由：受搅构造被拆散，粘度、切力下降——变稀。静止构造恢复，粘度、切力增大——变稠。本质：体系恢复构造的才干。影响要素：①粒子浓度↗，构造恢复快、强，触变性强。②ζ电位↗，构造恢复慢、弱，触变性弱。③假设是端—面、端—端构造为主，恢复慢，但最终构造强。〔需求一定时间完成定向〕④假设是高聚物吸附土粒构成桥联构造，恢复快，但最终构造强度弱。.衡量标志：①恢复构造的速度〔即时间〕。②最终构造的强度〔即最终切力的大小〕。钻井液触变性类型：①快的强凝胶：构造恢复很快，最终切力大。②慢的强凝胶：构造恢复慢，最终切力很大。③快的弱凝胶：构造恢复很快，最终切力较小。④慢的弱凝胶：构造恢复很慢，最终切力小。.评价方法：用旋转粘度仪测钻井液静置1分钟〔初切〕和10分钟〔终切〕的切力，用它们的差值〔θ10-θ1〕表示其大小。钻井液对触变性的要求：①构造恢复要快〔有利钻屑悬浮，防止沉砂〕②最终切力要适当〔防止开泵阻力大，压力激动〕快的弱凝胶〔图中曲线3〕τ/Pa1234t/min.9.漏斗粘度：FunnelViscosity——一定量的钻井液流出特制漏斗所需的时间。单位：s。本质：是钻井液表观粘度的宏观表征。量具：漏斗粘度计量法：国内——装700mL，测流出500mL的时间。国外——装1500mL，测流出946mL的时间。仪器校正规范：国内——清水值15±0.5s国外——清水值26±0.5s作用：衡量钻井液的宏观流动性和稀稠程度。.二、钻井液的失水造壁性钻井液中水的形状束缚水：不延续，不易失去。吸附水：受约束，不失去，随土挪动。自在水：延续，可自在挪动，易失去。1.失水与失水量WaterLoss〔滤失量FiltrationLoss〕失水——钻井液中自在水在压差作用下向具有孔隙的地层渗滤的景象，称为失水。失水量——单位时间的滤失量。习惯上用30分钟的失水多少来表示体系的失水量大小。现场亦称“失水量〞为“失水〞，常用符号“B〞表示。.2.泥饼与泥饼质量：MudCake或FilterCake

泥饼——失水过程中，分散相颗粒附着在井壁上所构成的一层“假井壁〞称为泥饼。用符号“K〞表示。单位：mm〔毫米〕

造壁性——指钻井液失水构成泥饼的特性。泥饼质量：①厚度：薄而致密为好，厚而疏松为差。②浸透率：越小越好，为零最正确。③摩擦系数：值越小越好。④抗剪强度：越高越好。⑤可紧缩性：越大越好。〔太大也有害〕显然：泥饼能有效地阻止失水的继续进展，泥饼好，失水小。.〔1〕瞬时失水——钻头破碎岩石构成井眼而泥饼尚未构成这一瞬间的失水。特点：·主要是向井底失水。·时间短而量大，伴有少量泥浆渗失。·存在于整个钻井过程中。3.失水的种类〔2)动失水——即钻井液在循环过程中的失水。特点：·向井壁失水·泥饼处于建立、增厚、冲蚀平衡形状·失水速度由大到小逐渐恒定·存在于整个循环过程中，时间长，累积失水量大。.〔3〕静失水——钻井液静止时的失水。〔在压差作用下〕特点：·同时向井壁井底失水，以井壁为主。·泥饼在动失水的根底上随时间增长而增厚。·失水速度随静止时间的增长而减少。·静失水量<动失水量。.4.失水量的影响要素影响瞬时失水的要素①压差：ΔP↗，瞬时失水量↗。②粘度：粘度↗，瞬时失水量↘。③固相颗粒大小与多少。影响静失水的要素静失水方程Vf——渗滤量t——渗滤时间A——泥饼面积Cc——泥饼中固相的体积分数K——泥饼浸透率Cm——钻井液中固相的体积分数△P——渗滤压差μ——滤液粘度.故影响要素有：①时间：t↗，Vf↗。②压差：ΔP↗，Vf↗。泥饼可紧缩性好时那么不然。③固相含量、类型及级配④泥饼浸透滤：K↘，Vf↘。⑤滤液粘度：μ↗，Vf↘。⑥温度：温度↗，μ↘那么Vf↗。上述要素中，泥饼浸透率的影响是关键。.影响动失水的要素：①影响静失水的要素同样影响动失水。②环空返速·紊流：返速高，冲蚀大，动失水大。·层流：返速低，冲蚀小，动失水小。·平板型层流：返速低，冲蚀小，动失水小。③泥饼强度：强度高，不易冲蚀，动失水小。.5.失水、泥饼与钻井的关系失水与钻井的关系·向井壁的失水有害①易呵斥井塌和缩径阻、卡、划②易损害油气层：阻、堵、水锁、沉淀·向井底的失水有利①降低井底岩石强度，添加可钻性，有利钻速提高。②消除压持效应，防止反复切削，有利钻速提高。显然：瞬失失水越大，钻速越高。.失水大小确实定原那么①井浅——宽，井深——严。②裸眼短——宽，裸眼长——严。③用分散剂时——严，用抑制剂时——宽。④钻井液矿化度高——宽，矿化度低——严。总之，以井下能否正常为根据，合理调控失水量。现场规范：·普通地层：10～15mL/30分钟·易塌地层及油气层：<5mL/30分钟.·有利方面①护壁防塌②防止浸透性井漏③维护油气层泥饼与钻井·有害方面①易发生泥饼粘附卡钻〔压差卡钻〕②引起井径减少、遇阻、遇卡，摩阻、扭矩大。③影响固井质量只需泥饼质量高，其有害的一面是完全可以防止的。因此，如何提高泥饼质量也是钻井液技术的关键技术之一。.1.抑制性——钻井液防止或减缓地层和钻屑中粘土矿物水化膨胀分散的特性。包括两方面：①对钻屑水化分散的抑制②对地层水化膨胀的抑制三、钻井液的抑制性2.抑制性的表征量：①钻屑回收率.%越高越好。②泥页岩线膨胀率.%越低越好。③毛细管吸吮时间CST〔CapillarySuctionTime〕值越低越.3.抑制性的评价方法①用滚子炉作滚动回收实验——回收率。②用膨胀仪测岩样的膨胀量——膨胀率。③用CST仪测吸吮时间——CST值。4.抑制性的功用①防止地层造浆②防止井眼缩径③防止井眼跨塌〔硬脆性地层〕④维持体系的聚结稳定性.高温高压智能页岩膨胀仪滚子加热炉.四、钻井液的光滑性——钻井液降低钻具扭矩、摩阻的特性。1.表征量有三个①钻井液的光滑系数：越小越好。——钻井液作用下金属间的摩擦系数。②泥饼摩擦系数Kf越小越好。——指泥饼与光滑金属面间的摩擦系数。③极压膜强度：越高越好。——指吸附于钻具外表的光滑膜的极限强度。.2.评价方法：光滑系数——用极压光滑仪测定泥饼摩擦系数——用泥饼摩擦系数测定仪测定极压膜强度——用极压光滑仪测定3.功用①降低摩阻和扭矩②防止套管的磨损〔南海例子〕③延伸钻头轴承寿命④防止压差卡钻⑤防止钻头泥包注：钻井液的光滑性在大斜度井、程度井、开窗侧钻、丛式井钻井中尤为重要。.EP光滑仪粘滞系数测定仪.在钻井过程中，按摩擦付外表光滑情况，摩擦可分为以下三种情况：a-边境摩擦；b-干摩擦或妨碍摩擦c-流体摩擦三种不同光滑方式表示图.①边境摩擦：两接触面间有一层极薄的光滑膜，摩擦和磨损不取决于光滑剂的粘度，而是与两外表和光滑剂的特性有关，如光滑膜的厚度和强度、粗糙外表的相互作用以及液体中固相颗粒间的相互作用。有钻井液的情况下，钻铤在井眼中的运动等属边境摩擦。②干摩擦〔无光滑摩擦〕：又称为妨碍摩擦，如空气钻井中钻具与岩石的摩擦，或井壁不规那么情况下，钻具直接与部分井壁岩石接触时的摩擦。③流体摩擦：由两接触面间流体的粘滞性引起的摩擦。实践上，钻井过程中的摩擦多微混合摩擦①③共存为主。.①固相类型，颗粒外形及尺寸粘土>钻屑>加重剂不规那么>片状>球状小尺寸>大尺寸②泥饼质量：越致密、均匀、薄而光滑越好〔井壁岩石特性〕③有机高分子处置剂④光滑剂多级复配优于单剂，混油不如光滑剂。影响钻井液光滑性的要素：.1.密度对钻速的影响：ρ↗，V↘。钻井液性能对钻速的影响：ρ从1.10g/cm3↗1.65g/cm3，V从10m/h↘3.3m/h。Vρ.2.粘度对钻速的影响：

PV↗，V↘。η’↗，流阻大，井底有效压力高。η∞↗，流阻大，水力损耗大。VPV(η’).3.失水的影响：瞬时失水↗，V↗。V瞬时失水.4.固相的影响：固相含量↗，V↘。类型：重晶石<钻屑<粘土V固含.分散程度↗，V↘。V分散度.5.光滑性的影响：光滑性↗，V↘。油基钻速<水基〔20%～30%〕V光滑性.复杂情况下的钻井液体系复杂情况下的钻井液体系运用：井漏〔防漏堵漏钻井液〕井喷〔防喷钻井液〕井塌〔防塌钻井液〕卡钻〔防卡解卡钻井液〕65.井漏〔防漏堵漏钻井液〕一、井漏—钻井液在井里向地层漏失的景象。二、井漏的缘由与分类—浸透性漏失、裂痕性漏失、溶洞性漏失。三、井漏的预防1〕低比重、低粘度、低切力钻井液：2〕减小压力激动，防止裂痕漏失；3〕坚持较小的钻井液上返速度；4〕预防地表疏松地层漏失；5〕制定合理井深构造。66.复杂情况处置〔井漏〕..四、堵漏方法起钻静止降密度、提高粘度，小排量循环投泥球挤堵缝隙钻井液中加桥塞剂加高聚物絮凝剂、交联物〔智能凝胶物ZND〕堵漏用水泥或其他胶凝物质堵漏五、漏失层位确定测井温法放射性测井法叶轮旋转器测定法67.平衡法注水泥堵漏表示图.循环加压挤水泥堵漏表示图.井喷〔防喷钻井液〕一、井喷—井内液柱压力小于地层压力时钻井液冲出井口的景象。二、井喷的过程1、钻井过程中的井喷—钻井液受气侵，液柱压力逐渐减小以致小于油、气层压力所致。2、起钻过程中的井喷—起钻时无循环压力，“抽吸作用〞，未及时向井内灌钻井液所致。3、下钻过程中的井喷—下入钻具引起过大压力激动呵斥井漏使井内液面下降所致。68.复杂情况处置井喷油气上窜引起井喷表示图.4、下钻后循环过程中的井喷—起钻时，“抽吸作用〞使地层油、气进入钻井液和井筒内；下钻至油、气层顶部循环钻井液，此时钻井液中的气体膨胀，当其压力大于它上面的液柱压力时，钻井液被顶溢出。随后，井内剩下的钻井液假设液柱压力小于油、气层压力，油、气大量侵入以致井喷。油气上窜速度U窜：当井内钻井液静止后，油、气层中的气体在井内上窜的速度。计算法：U窜=〔H油-60QT见/V)/T静式中，U窜—油、气上窜速度，米/时；Q—钻井液排量，升/秒；T见—自开泵循环至见油、气显示的时间，分；