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1、油气井工作液技术 The Technology of Working Fluids in Oil and Gas Well,主讲教师：崔茂荣（教授） 西南石油大学石油工程学院,Chapter One Preface 第1章 绪 论,1.1定义,在钻井、完井、增产等作业过程中所使用的工作流体统称油气井工作液。 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。,建立油气通道 发现油气层 解放油气层 保护油气层 提高油气产量,1.2主要功用,（按作业环节分）两大类,I.钻井液,II.完井液（广义） 油气井完成和完善作业过程中所使用的工作流体。,1
2、.3分类,II.完井液（广义）,钻井完井液（即打开产层的钻井液） 在油气层中钻进时所使用的循环流体。 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：打开储层时保护油气层。 隔离液 替换作业时用来隔离两种不配伍的工作液的流体。如：固井注水泥。 主要功用：消除工作液间不配伍带来的不利影响，提高作 业（施工）质量。,II.完井液（广义）,射孔液 射孔作业时使用的流体。 有：无固相清洁盐水、阳离子聚合物射孔液、无固相聚合物盐水、暂堵性聚合物射孔液、油基射孔液、酸基射孔液。 主要功用：协助打开油气通道，保护油气层，平衡地层压力。 水泥浆 固井作业时注入套
3、管与井壁环形空间内的流体。 主要功用：将套管与井壁固结在一起，建立安全的油气通道，同时为后续作业提供安全的施工环境。,II.完井液（广义）,封隔液 完井时套管与油管间的充填液体。 有：清洁盐水、聚合物胶液（CMC）、改性钻井液、油基钻井液。 主要功用：平衡压力、防腐、保护油套管。 套管封隔液 套管与井壁间无水泥段的充填液体。 主要功用：平衡压力、稳定井壁、保护套管、节约成本。 砾石充填液 防砂作业时用来输送砾石的流体。 主要功用：输送砾石、保护油气层、平衡地层压力。,II.完井液（广义）,修井液 修井作业时所用的工作液。 修井作业：套管修理、修理更换井下设备、清除井眼中的有害固体（砂、砾石、淤
4、泥等）、处理井下事故。 有：清洁盐水、聚合物盐水、油基钻井液等。 主要功用：修复油井，平衡压力，保护油气层。 压裂液 压裂作业时使用的流体。 有：水基类（稠化水压裂液、水冻胶压裂液、水包油压裂液） 油基类（稠化油压裂液、油冻胶压裂液、油包水压裂液） 主要功用：传递压力、携砂、保护油气层（扩大通道） 。,II.完井液（广义）,酸液：（含前置液） 酸化作业中使用的流体。 有：盐酸、氢氟酸和两者混合的土酸。 此外：氨基磺酸（NH2SO3H）、碳酸、甲酸、乙酸。 常加入：缓蚀剂、缓速剂、稳定剂。 主要功用：解堵和溶解胶结物，恢复和提高储层渗透率，解放储层，保护储层。 驱替液 三次采油作业过程中所使用的
5、流体。 有：盐水类、聚合物类、微乳液、泡沫类。 主要功用：驱替残余油，提高采收率。,此外：还有注水作业，调剖堵水等所使用流体均属油气井工作液。,影响探井成功率（影响录井、试井结果、误判为干层或水层等） 影响油田开发速度（井塌、井漏、卡钻等延长建井周期、报废） 影响油井采收率（损害、油气层渗透率降低、产量低） 影响油田稳产期（射孔液、修井液与储层流体不配物、结垢等） 影响油田综合效益,1.4油气井工作液在油气田勘探开发中的地位和作用,Chapter Two The Technology of Drilling Fluids 第2章 钻井液技术,2.1.1早期历史（公元前256年公元1844年）原
6、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10411053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：仅为洗井和帮助捞砂，没有循环系统，将清水直接倒入井内，冲钻，下捞砂筒捞出。,2.1钻井液技术的发展概况,2.1.2萌芽阶段（1844年1920年） 1844年英国人Robert Beart发明了“旋转钻井”方法，并开始使用循环系统循环钻井液，但采用的是“反循环”方法。（即抽吸法）。 184518
7、60年. 法国人Faulle建立了较完整的循环系统，并采用“正循环”循环钻井液，且意识到了“混浊的水”比“清水”带砂好。 18871901年. 美国人开始使用粘土、糠麸、谷物等材料作钻井液添加剂，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. 专用泥浆泵问世。 这段期间，已开始认识到钻井液的重要性。 钻井液特点：成分单一，处于自然状态。,2.1钻井液技术的发展概况,2.1.3发展阶段（1921年1948年）近代钻井液 1921年. 美国人Stroud开始使用专门制备的添加剂来调节钻井液性能，并出
8、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。各先进国家相继开始了这方面的研究工作。出现了加重剂、增粘剂、降滤失剂、堵漏剂等专用处理剂，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。钻井液技术的发展进入高潮。,2.1钻井液技术的发展概况,2.1.3发展阶段（1921年1948年）近代钻井液 此阶段钻井液有如下特点： 组分较前复杂，逐渐趋于完善。 普遍使用处理剂来调节维护钻井液性能。 钻井液类型越来越多，功能越来越全。 同时开始了钻井液处理剂研究和钻井液专用仪器的设计制造。,2.1钻井液技术的发展概况,
9、2.1.4科学化阶段（1948年至今）现代钻井液 出现并广泛使用了不分散无固相、低固相钻井液。 处理剂发展迅速。由几十种发展到上千种，并开始了深入的处理剂作用机理研究。 开始了泥浆（钻井液）流变学研究，水力参数及流变模式的优选。 发展了钻井液固相控制技术。 开展了系统深入的井壁稳定技术研究。 开展了系统深入的深井超深井钻井液技术研究。 研制了大量成套的现代测试仪器，并逐步完善了评价方法。 开始了钻井液数据库和专家系统的建立。 深入开展了保护油气层的完井液技术研究。 形成了一整套较完善的钻井液技术理论。,2.1钻井液技术的发展概况,我国钻井液技术研究起步晚，但发展非常迅速，无论从理论研究上或是应
10、用研究上均有重大突破。目前我国钻井液技术与先进国家处于同步水平。,泥浆mud 又称：钻井液drilling fluid 洗井液flushing fluid 循环流体circulating fluid 可定义为：保证钻井工作能安全顺利进行的所有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理剂来维持其性能的一种多级多相分散体系。,2.2钻井液的组成、类型及功用,2.2.1组成 钻井液主要由分散介质、分散相和处理剂三大部分组成。 分散介质（连续相） 水：淡水/盐水“水基” 油：原油/柴油/白油“油基” 气：“气基” 分散相 粘土（膨润土） 油：对水而言 水
11、： 对油而言 气：充于水基中 处理剂：增粘剂、降粘剂、降滤失剂、抑制剂、表面活性剂、加重剂、润滑剂，维持钻井液性能的稳定。,2.2钻井液的组成、类型及功用,2.2.2钻井液的类型 国内外分类各异，但目前均有暂行标准。基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。 国内油田习惯分类,2.2钻井液的组成、类型及功用,2.2.2钻井液的类型 国标分类 分法一： 淡水钻井液体系 钙处理钻井液体系 不分散聚合物钻井液体系 盐水钻井液体系 饱和盐水钻井液体系 钾基钻井液体系 油基钻井液体系 气体体系（气体、泡沫）,2.2钻井液的组成、类型及功用,分法二： 不分散聚合物钻井液体系 钾基钻井液体
12、系 饱和盐水钻井液体系 分散钻井液体系 钙处理钻井液体系 盐水钻井液体系 油基钻井液体系 气体钻井流体 修井液完井液体系,2.2.2钻井液的类型 美国石油学会（API）和国际钻井承包商协会（IADC）分类 不分散体系（不作任何处理） 分散体系 钙处理体系 聚合物体系 低固相体系 饱和盐水体系 完井修井液体系 油基钻井液体系 气体体系,2.2钻井液的组成、类型及功用,注：1986年前，API和IADC分法与此差异较大，上述分法是1986年修改的。,2.2.3钻井液的功用（十大功能）,2.2钻井液的组成、类型及功用,清洗井底，携带钻屑。 悬浮钻屑和加重剂。 控制地层压力。 传递水力功率。 稳定井壁
13、。 冷却、润滑钻头及钻柱。 承受钻柱和套管的部分重量。 提供所钻地层的大量资料。 保护油气层。 防止钻具腐蚀。,2.3.1钻井液的流变性,2.3钻井液的性能,由流体力学知，流体有四种基本流型（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。,钻井液主要有四大基本性能，即： 流变性、造壁性、抑制性和润滑性。,2.3钻井液的性能,2.3.1钻井液的流变性,静切应力：s（现场又用“”表示）Gel Strength 简称“切力”：即塑性流体开始流动时的最低切应力，又称“凝胶强度”。 产生原因：存在空间网状结构。 实质：钻井液凝胶强度的高低。 影响
14、因素： 粘土含量和分散度：含量大，分散度高，s大。 粘土颗粒的电位和水化膜：低，水化膜薄， 吸力占优势，s大。 处理剂的种类和加量 作用：钻井液静止时悬浮钻屑和加重剂。 测量方法：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。,2.3钻井液的性能,2.3.1钻井液的流变性,动切应力：o 又称屈服值“YP” Yield Point 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。（即结构拆散、恢复达到动平衡时的结构强度。） o是常量，不随速度梯度变化，体系定它则定。 产生原因：结构所至（同s） 实质：钻井液在层流条件下的结构强
15、度。 影响因素： 粘土含量和分散度。 粒子电位和水化膜。 处理剂的使用：吸附端面，拆散削弱结构，o 降低。 高分子聚合物的使用：吸附桥联， o升高。,2.3钻井液的性能,2.3.1钻井液的流变性,动切应力 作用：钻井过程中悬浮携带岩屑。（动态条件） o的大小反映了钻井液携屑能力的大小。o大，说明层流时结构强度大，流核面积大，携屑能力强，反之弱。 测量方法：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。 o=5.11（300-PV） o=0.511(2300-600),旋转粘度计,2.3钻井液的性能,2.3.1钻井液的流变性,表观粘度：又称视粘度或有效粘度，用表示
16、。 AV:Apparent Viscosity 某一流速梯度下，速梯与相应切应力之比。 即：i=i/Di 单位：cP或mPas 可见：表观粘度随速梯而变，同一体系，不同速梯，i不同。 实质：钻井液在流动过程中实际表现出来的总的粘滞性。 作用：衡量钻井液的宏观流动性。 测量方法：用旋转粘度仪。现场习惯用600转数据的1/2值表示，AV=600/2。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。,2.3钻井液的性能,2.3.1钻井液的流变性,塑性粘度（PV或s）（Plastic Viscosity） 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，体系定它则定。 实质：钻井液中结构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应。 影响因素：固相含量：固含高，则PV高。 分散
