钻井液

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钻工将防沫剂通过钻机的钻杆倒入
调制水基泥浆所用的重晶石粉

岩土工程中,钻井液用于协助地面钻孔的钻探,一般用于开采钻机石油和[[天然气

]]井的钻探中,钻井液还用于简单钻孔,例如水井。液体钻井液常被称为钻井泥浆。钻井液的三

大类分别是水基泥浆(可分为打散和未打散)、非水泥浆(一般称为油基泥浆)和气体钻井液,其中可用

多种气体

钻井液的主要功能是提供液体静压力,防止地层流体进入井道,保持钻头冷却、清洁,回收岩

屑和当钻探暂停的时候或钻具套装进出钻孔的时候悬浮岩屑,钻井液的特殊作用是防止油层损害并阻

止腐蚀。

钻井液的分类[编辑]

有很多钻井日常使用的钻井液,一些油井的不同钻孔需要不同钻井液,或者相互组合。不同的钻井液一

般可分为几大类:[1]

  • 空气: 泵入压缩空气入环空或入钻杆
  • 气/水: 同上,加入水增加粘度,冲洗钻孔,进行冷却和/或控制粉尘。
  • 空气/聚合物: 特殊化学品一般为聚合物,加入空气和水组成混合物,进行特定操作。例如,起泡剂就

是一种聚合物

  • 水: 有时水可单独使用。
  • 水基泥浆(WBM): 很多水基泥浆先备好水,然后加入粘土和其他化学品,进行同质组合,颜色类似于巧

克力奶(视粘度而定)。粘土(其岩石形态学名为"页岩")一般为不同天然粘土的混合物的悬浊液,或者

一些粘土加入固体添加剂构成WBM,最常见的添加剂如皂土,在石油开采中称为"胶"。泵入加胶的

钻井液后,钻井液稀释自由流动(像巧克力奶),当停止泵入后,静态液体可生成阻止流动的胶层。加入

适当的泵入力后可打破胶层,很多其他化学品(如甲酸钾)加入WBM后,有不同效果,包括控制粘度

、控制泥浆稳定性、增加钻头穿透力,冷却和润滑。

  • 油基泥浆(OBM):油基泥浆的配置基础是石油产品,如柴油。油基泥浆的用途很多,可增加润滑度、增

加页岩抑制力、以更小的粘性增加清洁力。油基泥浆可承受较高温度。使用油基泥浆一般考虑成本、环

境影响(如回收岩屑,避免污染环境),在一些油井,如初探井使用油基泥浆是因为无法根据岩心分析

出油情况。因为油基泥浆的荧光与油层的荧光会混淆。因为这种污染,会导致用于TOC化学分析和确定

实际API重力值的样品、岩心、井壁岩心、回收的污染。

  • 合成基钻井液(SBM) (也称为低毒油基泥浆,英文简写:LTOBM): 合成基钻井液是用合成油作为调配基

的钻井液,一般用于海上钻探,因为作为油基泥浆,其液体燃烧的毒性比油基泥浆更小。当工人在封闭

环境作业时候显得尤为重要。使用岩石样品时也会出现同样的环境和岩心污染问题。

钻机上,泥浆从泥浆池通过钻杆泵入,从钻头的喷嘴喷出,可以清洗和冷却钻头。钻井液然

后携带着钻头切割的岩石碎屑("岩屑")通过钻杆和井壁之间的环形空间("环空")回到地表。岩屑通过[[振

动筛]]或者新的页岩输送机技术进行分离,泥浆回到泥浆池中。泥浆让钻头保持良好状态,在泥浆池中

可以通过添加化学品和药剂调配泥浆。

泥浆池

返回的泥浆中可能含有天然气或其他可燃物质,在振动筛或页岩输送机附近收集。因为可能点燃导致火

灾,需要特殊的监控设备防爆器进行监控,工人采取安全措施。泥浆然后泵回钻孔中,进行重新循环

。在泥浆池中需要定期调配钻井液,保证最优属性,提高钻井效率、钻孔稳定(下述功能)等等。

功能[编辑]

钻井泥浆 的功能总结如下:

移除岩屑[编辑]

泥浆池

钻井液将岩屑带回地表,需要考虑切割尺寸、形状、密度、速度、液体流速(环空流速)。这都会影响

携带沉积物的能力,大型砂砾在缓慢流动中会沉淀,小型砂砾在快速流动中会随水流走,泥浆粘度是一

个重要属性,如果粘度太低岩屑就会沉淀到井底。

钻井液中的粉煤灰吸收剂

其他属性包括:

  • 很多钻井泥浆有触变性 (即在静态条件下会变为胶质)。这个属性可以让岩屑在钻井液不流动时悬浮

  • 具有剪切稀化和粘性增加的钻井液可以有效洗井。
  • 环空流动速度增加提高岩屑携带率,携带率(携带速度/最低环空速度)应为至少50%。
  • 尽管环空速度低时,高密度钻井液可洗井(增加应用于岩屑的浮力)。但是如果岩屑重量超过所需平衡周

边岩石压力(地层压力)的重量时会有负面效果,所以泥浆重量在洗井时一般不应增加。

  • 钻机旋转速度增加会增加环空通道的循环速度,这种钻机周围的螺旋力会导致井壁周围的岩屑,在洗

井条件不好的情况下,移动到环空的更高段。增加转速是大角度和水平井的最佳方法。

悬浮和释放岩屑[编辑]

  • 必须在多种情况下可悬浮岩屑、材料和添加物。
  • 钻机停顿可导致卡钻、井漏
  • 停顿的重材料称为sag,导致钻井液密度大幅变化,常发生在大角度和热井中。
  • 钻井固体富集会损害:
    • 钻井效率(增加泥浆重量和粘度,从而增加修井和稀释成本)
    • 钻进速度(ROP) (增加循环所用功率)
    • 进行悬浮的泥浆属性必须通过固控设备,与去除岩屑的属性进行平衡
  • 为了有效进行固体控制,钻井固体必须在第一次循环中从泥浆中去除,如果进入了重新循环,碎成更

小块的岩屑会更难去除

  • 比较流动中和泥浆池中泥浆中的沙土含量,确定岩屑是否已去除

控制油层压力[编辑]

  • 如果油层压力增加,油层密度必须增加,一般用重晶石(或其他加重材料)以平衡压力,保持井内稳

定。不稳定的油层压力会导致压力意外外溢,可能导致压力油层的井喷

  • 液体静压力=钻井液密度*真实垂直深度*重力加速度,如果液体静压力大于等于油层压力,釉层液体会

流入井道

  • 井控是指釉层液体流入井道
  • 液体静压力也控制地质构造力的压力,地质构造力也会导致,在油层压力稳定的时候,井道压力不

稳定

  • 如果油层压力不稳定,可以使用空气、天然气、粉尘、泡沫、低浓度泥浆(油基泥浆)
  • 实际中,泥浆密度应限于井控和井道稳定所需的最小压力,如果太多会压裂油层

密封油层[编辑]

  • 泥浆柱压力必须超过油层压力,在这种条件下,泥浆滤液会侵入油层,井壁上会形成泥浆滤饼
  • 泥浆可以形成稀薄、低穿透性的滤饼,限制侵入
  • 如果形成稀薄的滤饼会有问题:孔内压力过大、录井条件不好、卡钻、井漏、损害油层
  • 在大口径钻杆的高穿透油层,根据泥浆固体尺寸,整个泥浆可能侵入油层
    • 要使用桥堵剂堵住大的空隙,让泥浆固体形成密封
    • 更加有效的是,用桥堵剂比较盖过孔隙、孔裂的一半尺寸
    • 桥堵剂(如碳酸钙、基础纤维素).
  • 根据使用的泥浆,不同添加剂可提高滤饼(如皂土, 天然和合成聚合物, 沥青黑沥青)

保持井内稳定[编辑]

  • 泥浆的属性和化学组成必须混合,提供井内更好的稳定性。泥浆重量必须在机械力的适当范围内
  • 井内不稳定= 坍塌油层,可能导致井陉紧、桥堵(井内清洗有问题)
  • 井内稳定= 钻孔保持大小和圆柱形状不变
  • 如果井陉增加,会更加脆弱,会造成如环空速度降低、洗井困难、固体体积和油层评估困难
  • 在沙土和砂石层,孔径增加可以通过机械动作完成(水力和喷头速度)。通过保持水力系统降低油层

损害。高质量的滤饼包含皂土,可以限制井陉增加。

  • 页岩中,泥浆重量一般足够平衡油层压力,井一般稳定。用水基泥浆,化学品的不同可能导致泥

浆和页岩的互动,导致天然岩石的松动。高度破碎、干燥、脆弱的页岩可能非常不稳定(导致机械问题)

  • 不同的化学抑制剂可以控制泥浆/页岩互动(钙、、盐、聚合物、沥青、乙二醇和石油——最好

用于水敏感油层)

  • 石油(或合成油)基钻井液用于大部分难钻探区的水敏感页岩
  • 为了增加抑制效果,乳化盐(氯化钙)钻井液可用于减少水活动,创造渗透力,防止水被页岩吸收

减少地层损害[编辑]

  • 自然油层的多孔性和渗透性(washout)的损害和减少都可称为油层损害
  • 一般损害
    • 泥浆或钻井固体侵入油层,减少多孔性,导致皮损
    • 油层中粘土膨胀,减少渗透性
    • 不同泥浆滤液混合导致固体沉淀,油层液体中不可溶性盐的沉淀
    • 泥浆滤液和油层液体构成乳浊液,减少油层多孔性
  • 特别设计的钻井、修井或完井液,减少油层损害

冷却、润滑和支撑钻头、钻井钻具[编辑]

  • 当钻杆旋转时,机械力和水力在钻头上产生热,与套管和井壁摩擦
  • 从源头冷却和转移热量,降低温度
  • 否则钻头、钻杆和井下动力钻具可能迅速失效
  • 根据摩擦系数进行润滑,油基和合成油基一般比水基润滑效果好(但后者可添加润滑剂改善)
  • 钻井液提供的润滑程度取决于钻井固体的类型、数量和重量物质+化学组成
  • 润滑较差导致高摩阻扭矩,钻杆热裂、往往由键槽、洗井不佳、井下钻具设计问题导致
  • 钻井液通过浮力支撑钻杆、套管,通过与泥浆重量(密度)相等的悬浮在钻井液上,减少井架的起吊

载荷

  • 井架能支撑的重量受到机械力、钻杆和套管的深度增加限制
  • 使用长、重钻杆和套管时,浮力可以带动重量超过钻机起吊载荷的钻杆

将水力转给工具与钻头[编辑]

以钻头喷嘴尺寸为基础,水力设计可用于泥浆泵功率,优化井底冲击力。

  • 仅限于:
    • 泵功率
    • 钻杆内压力损失
    • 最大表面压力
    • 最佳流量
    • 钻杆压力损失超过液体密度、塑性粘度和固体
  • 低固剪切稀化钻井液,如聚合物在传递水力上更有效
  • 可通过控制泥浆属性增加深度
  • 通过压力脉冲,得到MWD & LWD到地表的传递信息

保证测井正确[编辑]

  • 泥浆的化学和物理属性和井内条件,进行钻后油层评估
  • 通过检查矿层岩屑、油气表征、记录岩石泥浆记录、天然气探测、地理参数等进行录井
  • 电缆测井 – 电气、声波、核能、磁性和回声
  • 孤立产区、油层测试和钻杆测试
  • 泥浆防止岩屑分散,提高岩屑运输,用于录井,确定岩屑深度
  • 油基泥浆、润滑剂、沥青可掩盖油气表征
  • 选择调配基泥浆用于岩心钻探(很多岩心操作需要最少数量的添加剂的混合泥浆).

防腐蚀(有一定效果)[编辑]

  • 钻杆和套管不断与钻井液接触可能导致腐蚀.
  • 溶解气体(氧气、二氧化碳、硫化氢)导致严重腐蚀
  • pH腐蚀,使用腐蚀取样[需要解释]对腐蚀类型、腐蚀率进行检测,使用正确的抑制剂
  • 泥浆通气、起泡等O2可在短时间内导致腐蚀
  • 在高H2S环境中,增加pH + 硫污染化学品(锌).

加速固井和完井[编辑]

  • 关键地区的固井[需要解释]和完井
  • 在下套管过程中,泥浆保持流动,减少压力波动,不会发生井漏[需要解释]
  • 泥浆应该稀薄、滤饼状、无岩屑、坍塌和桥堵[需要解释]
  • 为了正确完井和固井[需要解释],泥浆应用水泥替代[需要解释]

增加效率:

减少环境影响[编辑]

泥浆在很多时候有毒。从环境角度处理非常困难、昂贵。 一篇[http://www.vanityfair.com/politics/features/2007/05/texaco200705?currentPage=5 Vanity Fair的文章介绍了Lago Agrio油田(厄瓜多尔大型油田)的方法[來源請求]

钻井液构成[编辑]

水基钻井液一般由皂土 粘土 (胶)和添加剂构成

硫酸钡 (重晶石), 碳酸钙 (石灰)或赤铁矿。使用不同的粘稠剂改变液体的粘度,如黄原胶瓜尔豆胶乙二醇羧甲基纤维素、聚阴离子纤维素(PAC)、淀粉等。. In turn, 粘土悬浮剂、阴离子型聚电解质用于减少粘土基泥浆的粘性(如丙烯酸盐三聚氰胺聚磷酸盐木质素磺酸盐(Lig)或单宁酸的衍生物,如常用Quebracho单宁)。红土Quebracho单宁基混合物的俗称,是因为红色单宁酸盐呈红色。后来,逐渐被木质素磺酸盐所取代,其他物质可以添加不同的属性#功能。一些其他常用的添加剂包括润滑剂、页岩抑制剂、失水剂(控制钻井液从渗透油层流失)。增重剂如重晶石是为了增加钻井液的整体密度,可以保持井底压力,防止不必要或危险的油层液体外泄。

影响钻井液属性的因素[编辑]

三个因素可能影响钻井液的属性[2]

  • 钻井液粘度
  • 钻井液密度
  • 泥浆pH值

钻井液分类[编辑]

根据流体、碱性、扩散性和化学构成可以分为:

可扩散系统[编辑]

  • 淡水泥浆 – 低pH泥浆(7.0–9.5),包括探测液、皂土、天然磷酸盐泥浆、有机泥浆和有机胶质泥浆,高pH泥浆如碱性单宁酸盐泥浆,pH超过9.5
  • 水基钻井液抑制粘土的水合作用和扩散 – 有四种:高pH石灰泥浆、低pH石膏、海水泥浆和饱和盐水泥浆

不扩散系统[编辑]

  • 低固体泥浆 –包括少于3–6%固体的泥浆,重量低于9.5 lbs/gal。很多这种泥浆都是水基的,有不同含量的皂土和聚合物。
  • 乳化剂 – 两种是油中有水(油乳化泥浆)、水中有油(反向油乳化泥浆).
    • 油基泥浆油基泥浆将油作为调配剂,水作为污染物,通常包括体积少于5%的水。油基泥浆一般是柴油、沥青的混合物,可能基于原油和泥浆。


参见[编辑]

参考[编辑]

  1. ^ Oilfield Glossary
  2. ^ {{cite web|url=http://www.dccleaningsystem.com/?p=529%7Ctitle=According the change of drilling fluid to understand under well condition|work=Drilling Mud Cleaning System|date=2012年12月|accessdate=26 September 2013}}

阅读更多[编辑]

  • ASME Shale Shaker Committee (2005) The Drilling Fluids Processing Handbook ISBN 0-7506-7775-9
  • Kate Van Dyke (1998) Drilling Fluids, Mud Pumps, and Conditioning Equipment
  • G. V. Chilingarian & P. Vorabutr (1983) Drilling and Drilling Fluids
  • G. R. Gray, H. C. H. Darley, & W. F. Rogers (1980) The Composition and Properties of Oil Well Drilling

Fluids

  • DCS Shale Shaker SUPPLIER The Drilling Fluids cleaning system

外部链接[编辑]

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