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鑽井液技術詳解

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鑽井液技術詳解

發布日期:2020-04-21 00:00 來源:http://www.shop-apc.com 點擊:


鑽井液概述

鑽井液是鑽探過程中,孔內使用的循環衝洗介質。鑽井液是鑽井的血液,又稱鑽孔衝洗液。鑽井液按組成成分可分為清水、泥漿、無粘土相衝洗液、乳狀液、泡沫和壓縮空氣等。清水是使用最早的鑽井液,無需處理,使用方便,適用於完整岩層和水源充足的地區。泥漿是廣泛使用的鑽井液,主要適用於鬆散、裂隙發育、易坍塌掉塊、遇水膨脹剝落等孔壁不穩定岩層。

 旋轉鑽井初期,鑽井液的主要作用是把岩屑從井底攜帶至地麵。目前,鑽井液被公認為至少有以下十種作用:

1)清潔井底,攜帶岩屑。保持井底清潔,避免鑽頭重複切削,減少磨損,提高效率。

2)冷卻和潤滑鑽頭及鑽柱。降低鑽頭溫度,減少鑽具磨損,提高鑽具的使用壽命。

3)平衡井壁岩石側壓力,在井壁形成濾餅,封閉和穩定井壁。防止對油氣層的汙染和井壁坍塌。

4)平衡(控製)地層壓力。防止井噴,井漏,防止地層流體對鑽井液的汙染。

5)懸浮岩屑和加重劑。降低岩屑沉降速度,避免沉沙卡鑽。

6)在地麵能沉除砂子和岩屑。

7)有效傳遞水力功率。傳遞井下動力鑽具所需動力和鑽頭水力功率。

8)承受鑽杆和套管的部分重力。鑽井液對鑽具和套管的浮力,可減小起下鑽時起升係統的載荷。

9)提供所鑽地層的大量資料。利用鑽井液可進行電法測井,岩屑錄井等獲取井下資料。

10)水力破碎岩石。鑽井液通過噴嘴所形成的高速射流能夠直接破碎或輔助破碎岩石。

鑽井液的運用曆史

 很久以前,人們鑽井通常是為了尋找水源,而不是石油。實際上,他們偶然間發現石油時很懊惱,因為它把水汙染了!最初,鑽井是為了獲得淡水和海水,前者用於飲用、洗滌和灌溉;後者用作製鹽的原料。直到 19 世紀早期,由於工業化增加了對石油產品的需求,鑽井采油才逐漸普及。

 有記載的最早的鑽井要追溯到公元前三世紀的中國。他們使用一種叫做繩式頓鑽鑽井的技術,實現方式是先使巨大的金屬鑽具下落,然後用一種管狀容器收集岩石的碎片。中國人在這項技術上比較領先,中國也被公認為是第一個在鑽探過程中有意使用流體的國家。此處所講的流體是指水。它能軟化岩石,從而使鑽具更容易穿透岩石,同時有助於清除被稱作鑽屑的岩石碎片。(從鑽孔中清除鑽屑這一點非常重要,因為隻有這樣,鑽頭才能沒有阻礙地繼續深鑽。)

1833 年,一位名叫弗勞威勒 (Flauville) 的法國工程師有一次觀察繩式頓鑽鑽井作業。作業進行中,鑽井設備鑽出了水。這時他意識到噴出的水對把鑽屑從井中提出會非常有效。使用流動的液體從鑽孔中清除鑽屑的原理由此確立。他設想了一種裝置,按照這一設想,泵將水沿鑽杆的內側送至鑽孔內,而當水經鑽杆和鑽孔壁間的縫隙返回到地表後,就會將鑽屑一並帶出。此操作程序沿用至今。

1900 年,在德克薩斯州的 Spindletop 鑽探油井期間,鑽井工人驅趕一群牛趟過了一個灌滿水的地坑。被牛趟過的水坑中就會形成泥漿,它是一種粘稠的、泥漿狀的水和泥土的混合物,鑽井工人用泵將它送入鑽孔中。鑽井液如今仍被稱作泥漿,但工程師們已不再隻依賴水和泥土作為鑽井液的原料。他們對混合物的成分進行精心調配,以滿足各種鑽探條件下的具體需要。現代化的鑽井液確實是油井的命脈。今天如果沒有它們,就不可能鑽出深井。

旋轉鑽探已基本上取代了繩式頓鑽鑽井。使用這種技術時,鑽頭位於旋轉岩管的末端。鑽探過程與使用手持式電鑽或螺絲鑽鑽入一塊木頭的過程類似。不象鑽木頭那樣隻鑽入幾英寸或幾厘米,現代油井可深達地下幾千英尺或幾千米。鑽井時,鑽屑沿孔道的螺旋槽被從鑽孔中帶出。這種方法對鑽淺孔有效,卻不適用於鑽探深井。鑽探深井時,鑽屑是隨循環泥漿一起被帶到地表上。油井鑽得越深,就愈加體現出鑽井液的重要性。它的用途很廣並可解決各種問題,而這些問題各處差異極大。

鑽井液的類型及組

 鑽井液按分散介質(連續相)可分為水基鑽井液、油基鑽井液、氣體型鑽井流體等。鑽井液主要由液相、固相和化學處理劑組成。液相可以是水(淡水、鹽水)、油(原油、柴油)或乳狀液(混油乳化液和反相乳化液)。固相包括有用固相(膨潤土加重材料)和無用固相(岩石)。化學處理劑包括無機、有機及高分子化合物。

①水基鑽井液

水基鑽井液是一種以水為分散介質,以粘土(膨潤土)、加重劑及各種化學處理劑為分散相的溶膠懸浮體混合體係。其主要組成是水、粘土、加重劑和各種化學處理劑等。水基鑽井液基本經曆了五個階段,即天然鑽井液(1904-1921年)、細分散鑽井液(1921-1946年)、粗分散鑽井液(1946-1973年)、不分散低固相鑽井液(1966年至今)、無固相鑽井液(1968年至今)、聚合物鑽井液(1978年至今)階段等。

水基鑽井液還可分為:

淡水鑽井液。氯化鈉含量低於10mg/cm³,鈣離子含量低於0.12mg/cm;

鹽水鑽井液(包括海水及鹹水鑽井液)。氯化鈉含量高於10mg/cm³

鈣處理鑽井液。鈣離子含量低於0.12mg/cm³

飽和鹽水鑽井液。含有一種或多種可溶性鹽的飽和溶液;

混合乳化(水包油)鑽井液。含有3%-40%乳化油類的水基鑽井液;

不分散低固相聚合物鑽井液。固相含量低於4%,含有適量聚合物;

鉀基鑽井液。氯化鉀含量高於3%。1978年以來開始在我國鑽井現場使用

聚合物鑽井液。它是以聚合物(如:聚陰離子纖維素、羧甲基纖維素等)為主體,配以降粘劑,降濾失劑、防塌劑和潤滑劑等多種化學處理劑所組成的鑽井液。它是20世紀80年代發展起來的一種新型鑽井液體係。包括陽離子聚合物鑽井液、兩性離子聚合物鑽井液、全陽離子聚合物鑽井液、深井聚合物鑽井液和正電膠鑽井液等。

②油連續相鑽井液

油連續相鑽井液(習慣稱為油基鑽井液)是一種以油(主要是柴油或原油)為分散介質,以加重劑、各種化學處理劑及水等為分散相的溶膠懸浮混合體係。其主要組成是原油、柴油、加重劑、化學處理劑和水等。它基本經曆了原油鑽井液(1930年初)、油基鑽井液、油包水(反相乳化)鑽井液(1960年至今)等三個階段。

原油鑽井液。主要成分是原油。

油基鑽井液。以柴油(或原油)為連續相,以氧化瀝青為分散相,再配以加重劑和各種化學處理劑配製而成。

油包水(反相乳化)鑽井液。一柴油(或原油)為連續相,以水為分散相呈小水滴分散在水中(水可占60%的體積),以有機膨潤土(親油鵬潤土)和氧化瀝青等穩定劑,再配以加重劑和各種化學處理劑等配製而成。1978年以來開始在我國鑽井現場使用。

③氣體型鑽井流體

 氣體鑽井液是以空氣或天然氣作為鑽井循環流體的鑽井液。泡沫鑽井液是以泡沫作為鑽井循環流體的鑽井液。主要組成是液體、氣體及泡沫穩定劑等。20世紀80年代我國標準化委員會鑽井液體係分委會把鑽井液分為:不分散地固相聚合物鑽井液、淡水鑽井液、鹽水鑽井液、飽和鹽水鑽井液、鈣處理鑽井液、鉀基鑽井液、油基鑽井液、氣體鑽井液等八大體係。

API(美國石油學會)及LADC(國際鑽井承包商協會)認可的鑽井液體係如下:不分散鑽井液體係、分散性鑽井液體係、鈣處理鑽井液體係、聚合物鑽井液體係、低固相鑽井液體係、飽和鹽水鑽井液體係、修井完井鑽井液體係、油基鑽井液體係和空氣、霧、泡沫和氣體體係。

鑽井液的選用標準

鑽井液是鑽井的“血液”,在鑽井作業中起著非常重要的作用。因此對鑽井液要求很高,主要有四個方麵:

①鑽井循環的要求

鑽井循環對鑽井液的要求是泵壓低(粘度低),攜砂能力強(動切力高),啟動泵壓低(靜切力低),潤滑性能好,摩擦力低,磨損小(固體顆粒少)。

②要保持井眼的穩定

鑽穿的地層要用鑽井液的壓力柱與地層壓力取得平衡,鑽井液密度穩定;鑽井油氣層時要靠鑽井液的壓力柱來平衡油氣的壓力要求鑽井液密度適當。要求鑽井液有克服不穩定地層的性能,例如泥岩吸水膨脹造成井眼收縮;礫岩、火山岩遇水造成跨塌,鹽岩遇水而形成溶洞等,即要求有不同性質的鑽井液。

③要求鑽井液保護油氣層

 鑽開油氣層後,鑽井液與油氣層接觸,為防止鑽井液損害油氣層,要求鑽井液的失水小、泥餅薄(鑽井液失水後,固壓差固體顆粒在井壁上形成泥餅環)、固相含量低、濾液的水化作用低(濾液進入地層後與地層中的液體發生的化學作用)等。

④保護環境和生態

 鑽井液中常含有原油、柴油和各種油類以及含有大量的化學處理劑,為防止鑽井液對環境和生態可能造成的影響,要求使用無害、無毒的鑽井液。

鑽井液的主要作用

地下鑽井作業的嚴酷環境促進了對鑽井液的研究和開發,要求能夠在鑽井過程中完成以下多項關鍵任務:懸浮、壓力控製、岩層穩定性、浮力、潤滑和冷卻。

1、懸浮

沿鑽杆向下或從鑽孔中向上流動的鑽井液有時會停止運動。出現這種情況隻能有兩種原因:一是出現了故障,二是在更換鑽頭時將鑽杆提出了鑽孔。鑽探停止時,懸浮在鑽井液中的鑽屑就會沉入鑽孔的底部,將鑽孔堵塞。鑽井液被設計為具有一種非常有趣的特性,而該特性可以解決這一問題。鑽井液的稠度(或粘度)隨鑽井液流速降低而增加。鑽井液停止流動後,就會形成一種粘稠的凝膠體,這種凝膠體可使岩石鑽屑懸浮在其中,從而防止它們沉入鑽孔底部。而當鑽井液又開始流動後,它就會越變越稀薄,恢複到其以前稀薄的液體形態。

2壓力控製

許多人都看到過石油從鑽井台中噴入高空,石油工人為之而歡呼雀躍的情景。實際上,這類井噴罕有發生,也並不值得慶祝,因為鑽探的目標是以控製流量的方式來開采石油。泥漿被設計為可以抵消岩層中流體的自然壓力,從而防止發生此類事故。壓力間必須達到適當的平衡,即鑽井液對鑽孔壁的壓力應足以抵消岩層和石油或天然氣施加的壓力,但這種壓力又不能太大,否則會對油井造成破壞。如果鑽井液的重量太大,可能會使岩石破裂,鑽井液也會因此而流失入地下。

液體的壓力隨其濃度的變化而變化。在鑽井液中添加增重劑可以提高其濃度,進而增大它對鑽孔壁的壓力。可調整液體的濃度以滿足油井中的環境要求。

3、裸露岩層的穩定性

鑽井過程分為兩個階段:第一階段是鑽穿不含石油的岩層,目標是盡快鑽穿不含油岩層,到達含油岩層,即儲集層。此時的重點是要保持鑽孔中裸露岩層的穩定,同時還要避免鑽井液流失。而如果保持鑽井液壓力高於岩層孔隙流體壓力,鑽井液就會出現向岩層的透水岩石中滲入的自然趨勢。在鑽井液中加入特殊的添加劑,就能防止發生這種情況。

鑽井液可能會以其它方式與周圍的岩石相互作用。例如,如果岩石含鹽量很高,水就會溶解其中的鹽分,從而使鑽孔壁變得不穩定。在這種情況下,使用油基鑽井液效果會更好。粘土含量高的岩層也容易被水衝刷掉。對這類岩層需使用抑止性的鑽井液,以保持井眼穩定並防止井眼擴大或被衝蝕。隨著鑽探不斷深入,井眼被用鋼套管保護起來,鋼套管用水泥加固,這樣既保持了井眼的穩定性,又為到達儲集層後開采的石油提供了通往地表的通道。到達儲集層後,必須改變鑽井液的成分,以避免阻塞岩石孔隙。保持岩石孔隙不被阻塞可使石油更順暢地流入鑽孔,然後上流至地表。

4、浮力

一座油井可能深達數千英尺或數千米。而一根如此長的鋼鑽杆將重達數噸。如果將鑽杆浸入鑽井液,就會產生浮力作用,降低鑽杆重量,並會減小對鑽探機械裝置的壓力。

5、潤滑和冷卻

金屬鑽入岩石時,會因摩擦生熱。鑽井液可潤滑和冷卻鑽頭,使鑽探平穩進行,同時延長鑽頭的壽命。對延伸區域或水平油井而言,潤滑可能尤為重要,因為在這些地方,鑽杆、鑽頭和岩石表麵間的摩擦必須保持在最低水平。

鑽井液的正確維護

 越來越多的鑽井承包商正在換用大型鑽機並使用固控係統。固控係統不適用於高粘度鑽井液。高粘度鑽井液不像低粘度鑽井液那樣容易過篩,高粘度鑽井液能使鑽井液堵塞泥漿篩而造成漫篩。另外,對水力旋流器(除砂器、除泥器等)的尺寸要求也增大了。

 遇到這種情況怎麽辦?倒劃眼時要泵入更多的泥漿,理由是較大的鑽機要使用較大的泥漿泵。倒劃眼要產生更多的固相,如果沒有大泵要使用低粘度泥漿。往泥漿體係中加水,稀釋作用可增加分離設備的效率。可添加任何一種稀釋劑來稀釋泥漿,用文丘裏混合器和任何攪拌器來混合泥漿添加劑,這樣就可能保證泥漿穩定通過固控設備。

 在使用某些聚合物添加劑時,如果使用固控設備,混合不當或在高濃度下能發生問題。PHPA聚合物可包被作用而堵塞網篩的孔眼,這不是說不能使用這種添加劑,而是說要注意加入聚合物的方法,在固控設備前方不要加入任何種類的泥漿添加劑。

加入其他幹聚合物添加劑時,要用文丘裏漏鬥緩慢加入。

鑽井液的負麵作用

鑽井液在使用過程中,對油氣層有一定程度的損害,主要表現在:

1)固相顆粒及泥餅堵塞油氣通道;

2)濾失液使地層中粘土膨脹而堵塞地層孔隙;

3)鑽井液濾液中離子與地層離子作用產生沉澱堵塞通道;

4)產生水鎖效應,增加油氣流動阻力。


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