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1、1,第一篇 钻井化学,第二章钻 井 液 化 学,2,第一节 钻井液的功能与组成,第二章 钻井液化学,3,第一节 钻井液的功能与组成,一、钻井液的循环,泥浆泵,泥浆罐,地面高压管汇,立管,水龙带,水龙头,方钻杆,钻 杆,钻铤,钻头,钻柱与井壁形成的环形空间,从井口返出，流经固控设备进行处理,4,一、钻井液的循环,第一节 钻井液的功能与组成,5,二、钻井液的功能,第一节 钻井液的功能与组成,2.携带岩屑和密度调整材料,1.冲洗井底,3.冷却与润滑钻头钻具,5.获取地层信息,4.平衡地层压力,6.悬浮岩屑和固体密度调整材料,7.稳定井壁,8.传递功率,6,第一节 钻井液的功能与组成,三、钻井液的组成
2、,7,第二节 钻井液密度及其调整,第二章 钻井液化学,8,第二节 钻井液密度及其调整,一、钻井液密度定义,二、为什么要调整钻井液密度,定义：单位体积钻井液的质量（用表示）,（1）防止喷、塌、漏钻井事故的发生,单位： g/cm3 或 t/m3,（2）钻井液密度与油气层损害有关,（3）钻井液密度影响钻井速度,9,三、怎样调整钻井液密度,第二节 钻井液密度及其调整,1、调整钻井液密度原则 平衡地层压力和地层构造应力,2、调整钻井液密度方法,（1）降低钻井液密度,降低钻井液固相含量,加水稀释,混油,充气,低密度惰性固体,10,（2）提高钻井液密度,方法：加入高密度材料,加重材料,高密度不溶性矿物或矿石
3、粉末,高密度的可溶性盐类,第二节 钻井液密度及其调整,11,表1 高密度不溶性矿物或矿石,第二节 钻井液密度及其调整,12,表2 可溶性盐类加重材料,第二节 钻井液密度及其调整,还有有机盐、有机复合盐,13,可溶性盐类做高密度材料所带来的问题,腐蚀问题,盐结晶问题,加缓释剂,加盐结晶抑制剂,第二节 钻井液密度及其调整,14,第二节 钻井液密度及其调整,15,盐水在高密度时温度降至一定程度析出盐，该温度称析盐温度。,盐水在低密度时温度降至一定程度析出冰，该温度称盐水冰点。,随着盐水密度增加，盐水析盐温度陡然上升。,第二节 钻井液密度及其调整,盐水冰点：,析盐温度：,16,通过离子交换转变为相应的
4、盐，选择性地吸附在刚析出的盐晶表面，使盐晶发生畸变，不利于盐在其表面继续生长变大。,为防止盐从钻井液中析出所加的物质,第二节 钻井液密度及其调整,盐结晶抑制剂：,抑制机理：,17,第二节 钻井液密度及其调整,18,第三节 钻井液酸碱性及其控制,第二章 钻井液化学,19,第三节 钻井液酸碱性及其控制,一、为什么要控制钻井液酸碱性,一般控制在8-11范围，较弱的碱性环境。,原因,粘土具有适当的分散度,可以使有机处理剂充分发挥其效能,对钻具腐蚀性低,可抑制体系中钙、镁盐的溶解,20,pH值对膨润土基浆表观粘度的影响,第三节 钻井液酸碱性及其控制,21,用0.01M的标准硫酸中和1mL样品至指示剂变色
5、时所需标准硫酸的体积（mL）定义为碱度。,意义：通过碱度可以判断钻井液的碱性来源，从而在调整钻井液酸碱性的同时还能针对性的有效清除体系中的有害离子,第三节 钻井液酸碱性及其控制,22,3、碱度分类,甲基橙碱度,钻井液的甲基橙碱度（Mm）,滤液的甲基橙碱度 （Mf）,酚酞碱度,钻井液的酚酞碱度（Pm）,滤液的酚酞碱度（Pf）,按指示剂不同分,第三节 钻井液酸碱性及其控制,23,OH-+ H+ H2OCO3 2 - + H+ HCO3-,酚酞为指示剂，体系滴定变色时（pH=8.3）发生的化学反应：,甲基橙为指示剂，体系滴定变色时（pH=4.3）除了发生上面的化学反应，还发生如下反应：,HCO3-
6、+ H+ CO2 + H2O,第三节 钻井液酸碱性及其控制,24,Pf与Mf值与三种离子质量浓度之间的关系,第三节 钻井液酸碱性及其控制,25,钻井液要求 ： Pf =1.3 1.5mL（控制 CO32-和 HCO3-） Mf /Pf 3 （控制 CO32-含量）,钻井液中CO32-和HCO3- 均为有害离子，影响钻井液的流变和降滤失性能，应尽量除去。,第三节 钻井液酸碱性及其控制,26,2、 氢氧化钾（KOH）,1、 烧碱（NaOH）,KOH K+ + OH-,有利于井壁稳定,第三节 钻井液酸碱性及其控制,NaOH Na+ + OH-,27,3、 纯碱（Na2CO3）,Na2CO3 2 Na
7、+ + CO32-,除钙除镁,第三节 钻井液酸碱性及其控制,CO32- + H2O HCO3- + OH-,Ca 2+ + CO32- Ca CO3 ,HCO3- + H2O H2CO3 + OH-,Mg 2+ + CO32- Mg CO3 ,28,4、 碳酸氢钠（NaHCO3）,控制钙侵,第三节 钻井液酸碱性及其控制,29,第四节 钻井液滤失性及其控制,第二章 钻井液化学,30,第四节 钻井液滤失性及其控制,（1）钻井液滤失性： 在压差作用下，钻井液中的自由液向地层渗透的现象。,一、钻井液滤失性,1、相关概念,（2）钻井液滤失量： 在一定温度、一定压差和一定时间内通过一定过滤面积的滤液体积。
8、,31,第四节 钻井液滤失性及其控制,（3）钻井液造壁性在滤失过程中，随着钻井液中的自由水进入岩层，钻井液中的固相颗粒附着在井壁上形成泥饼的性质。,两者的关系：一般滤失量少造壁性就好,32,2、钻井液滤失类型,按是否流动,动滤失,静滤失,按测试条件,常规滤失量（VAPI）,高温高压滤失量（VHTHP）,第四节 钻井液滤失性及其控制,33,243、0.69MPa、45.8cm2、30min,1503、3.45MPa、45.8cm2、30min,第四节 钻井液滤失性及其控制,VAPI测试条件：,VHTHP测试条件：,34,3、钻井液滤失方程,第四节 钻井液滤失性及其控制,动滤失方程,静滤失方程,3
9、5,滤失量与渗滤时间的平方根成正比,4、滤失量影响因素,第四节 钻井液滤失性及其控制,取决泥饼的可压缩性,钻井液固相含量增大，滤失量降低泥饼的固相 含量降低（水含量高），滤失量降低,（1） 渗滤时间 t,（2）压差p,（3）固相含量,36,滤失量与渗透率的平方根成正比,第四节 钻井液滤失性及其控制,（5）滤液粘度,温度升高，滤液粘度下降，滤失量增大,（4）泥饼渗透率 K,滤失量与滤液粘度的平方根成反比,（6）温度,37,第四节 钻井液滤失性及其控制,二、钻井液滤失性控制,1、控制滤失性意义,滤失量过大易造成很大危害（1）井壁不稳定（水敏性泥页岩跨塌、缩径）,（3）泥饼过厚（如起钻具时提力增加、
10、遇卡、泥包钻头、泥饼卡钻等）,（2）损害油气层,38,2、钻井液降滤失剂分类,能降低钻井液滤失量的化学剂,天然改性（改性褐煤、改性淀粉、改性纤维素、改性树脂）人工合成（烯类单体聚合物）,第四节 钻井液滤失性及其控制,降滤失剂分类：,降滤失剂：,39,（1）改性褐煤,腐殖酸分子结构,第四节 钻井液滤失性及其控制,40,第四节 钻井液滤失性及其控制,41,第四节 钻井液滤失性及其控制,42,（2）改性淀粉,第四节 钻井液滤失性及其控制,43,（3）改性纤维素,第四节 钻井液滤失性及其控制,44,（4）改性树脂,第四节 钻井液滤失性及其控制,45,第四节 钻井液滤失性及其控制,46,（5）烯类单体聚
11、合物,第四节 钻井液滤失性及其控制,47,常见降滤失剂性能比较：,改性褐煤类：K-Hm、Na-Hm,热稳定性好，耐温180耐盐耐钙镁性差,改性淀粉类：Na-CMS、HES,抗盐抗钙能力强热稳定性差、易发酵,第四节 钻井液滤失性及其控制,48,纤维素类： Na-CMC、HEC,抗盐抗钙能力强热稳定性差,树脂类： SMP-、SMP-,热稳定性好、耐180-200高温抗盐性强起泡,第四节 钻井液滤失性及其控制,49,烯类单体聚合物：Na-HPAN、NH4-HPAN,热稳定性好、耐160抗盐能力强加量小,第四节 钻井液滤失性及其控制,50,吸附机理,3、降滤失剂作用机理,捕集机理,增粘机理,物理堵塞机
12、理,第四节 钻井液滤失性及其控制,51,（2）增粘机理,增加钻井液滤液粘度。,（1）吸附机理,通过氢键吸附到粘土上，增大粘土的负电性和水化膜厚度，提高粘土颗粒间斥力，使钻井液保持一定数量的细颗粒，形成致密泥饼。,第四节 钻井液滤失性及其控制,52,（3）捕集机理,（4）堵塞机理,高分子无规线团通过架桥而滞留在孔隙中的现象。无规线团直径dc=1/3-1）孔隙直径dp。,Dc dp ，无规线团封堵泥饼孔隙入口。,第四节 钻井液滤失性及其控制,53,第五节 钻井液流变性及其调整,第二章 钻井液化学,54,第五节 钻井液流变性及其调整,是指在外力作用，物质发生流动和变形的特性,（1）携带岩屑，井底和井
13、眼的清洁,流变性：,与钻井液流变性有关的钻井问题：,（2）悬浮岩屑与加重材料,（3）钻井速度,（4）井眼规则和井下安全,55,一、基本概念,1、剪切速率 ：指垂直于流速方向上单位距离上的流速变化。,=dv/dx s-1,第五节 钻井液流变性及其调整,56,在钻井过程中，钻井液在各个部位的剪切速率不同：,沉砂池处：10 20 s-1 ；环形空间：50250 s-1；钻杆内：1001000 s-1 ；钻头喷嘴处：10000 100000 s-1,第五节 钻井液流变性及其调整,57,2、剪切应力：流体单位面积上的内摩擦力。, = F/A Pa,式中：F 流体的内摩擦力 N A 相邻流动层接触面积 m
14、2,3、触变性：,钻井液搅拌变稀，静止变稠的性质。,钻井液表观粘度随剪切速率增大而降低的特性。,4、剪切稀释性:,第五节 钻井液流变性及其调整,58,5、流变曲线：描述与关系的曲线。,6、流变模式： 描述与关系的数学关系式。,第五节 钻井液流变性及其调整,7、流态 钻井液的流态有塞流、层流、紊流。,59,1、宾汉模式, = 0 + p,0 ：动切力或屈服值，Pa p ：塑性粘度， Pa.S,第五节 钻井液流变性及其调整,二、钻井液的流变模式,60, = 0 + p,第五节 钻井液流变性及其调整,0-1：静止阶段；1-2：塞流阶段；2-3：塞流-层流过渡阶段；3-4：层流阶段；4-5：紊流阶段。
15、,61,（1）塑性粘度p,反映流体在层流下达到动平衡时，固相颗粒之间、固相颗粒与液相之间以及液相内部内摩擦力的大小。,第五节 钻井液流变性及其调整,物理意义,62,影响因素,A、固相含量多固相颗粒数目多塑性粘度p大,B、固相分散度大 固相表面积大 塑性粘度p 大,C、液相粘度大内摩擦力大 塑性粘度p 大,第五节 钻井液流变性及其调整,63,调整, p ,加预水化粘土,加增粘剂,增粘机理,极性基团水化，降低自由水,与粘土形成网架结构,在粘土表面吸附，增加粘土体积分数,第五节 钻井液流变性及其调整,64, p,加水稀释,第五节 钻井液流变性及其调整,使用固控设备,使用化学絮凝剂,65,（2）动切力0,物理意义：钻井液在层流状态下达到动平衡时形成网架结构的强弱。,影响因素,A、固相含量大结构数目多 动切力0大,B、固相分散度大 固相颗粒数量多 动切力0大,C、加入降粘剂动切力0 降低,第五节 钻井液流变性及其调整,66,0 ,0 ,第五节 钻井液流变性及其调整,调整,
