【正文】 高密度鉆井液技術難度分析及對策高密度鉆井液技術難度分析及對策畢業(yè)設計目 錄摘 要 I目 錄 III第一章 緒論 1 1 1 2 5 6 8 8 8 8第二章 高密度鉆井液流變性機理研究 10 10 12 12 13 PH值 13 14 16 16 16 21 22 22 24第三章 高密度鉆井液濾失性機理研究 25 26 27 27 28 2溫度最濾失量的影響 30 30 31第四章 高密度鉆井液難度對策探討 33 33 34 35 35 36 37 38 39 40 41結論 42致 謝 43參考文獻 44I第一章 緒論隨著石油資源的不斷勘探和開發(fā)，淺層簡單地質條件的油氣資源不斷的被開采出來，剩下的將是開采難度更大的深層資源。同時世界范圍油氣資源的消耗速度也呈現(xiàn)出飆升的現(xiàn)象。在這樣的條件下，向深層鉆探就成為了一個必然的趨勢。隨著鉆井深度的不斷增加,地層壓力不斷升高,這就對鉆井液提出了更高的要求,～，～，然而高密度鉆井液由于高密度的原因也帶來了很多鉆井技術難點，特別是高密度鉆井液流變性能控制與濾失性控制等。這些問題到目前為止一直困擾著我國乃至全世界。高密度鉆井液隨加重材料的加入其表觀粘度、塑性粘度呈現(xiàn)不規(guī)律的平臺變化。加重材料對高密度鉆井液性能有較大影響,加重劑密度決定高密度鉆井液固相的體積分數(shù),從而影響其流變性。加重劑粒度影響高密度鉆井液的液相粘度和沉降穩(wěn)定性。加重材料表面改性及活化,改善了加重材料動力穩(wěn)定性和高密度鉆井液流變性能,鉆井液的低剪切粘度是區(qū)分鉆井液有無沉降現(xiàn)象的一個重要參數(shù)。高溫、高壓、高鹽及多壓力系統(tǒng)環(huán)境,高密度鉆井液中40%～60%固相含量導致高密度鉆井液粘度、切力過高變稠,同時產生加重劑沉降問題。高壓深井施工中經常因鉆井液流動困難、循環(huán)阻力大、激動壓力高而發(fā)生井漏、鉆井液失穩(wěn)、固化、高溫膠凝等復雜情況。采用稀釋劑減稠進一步惡化加重劑沉降,采用結構穩(wěn)定劑提高切力,以懸浮加重劑會導致流變性變差。經常陷入“加重 增稠 降粘 加重劑沉降 密度下降 再次加重”的惡性循環(huán),高密度鉆井液流變性與沉降穩(wěn)定性控制已成為深井鉆井的關鍵技術。面對高密度鉆井液比常規(guī)鉆井液更多的技術難點，我們就要從根本上了解高密度鉆井液作用機理、高密度鉆井液加重材料對鉆井液性能的影響、膨潤土對鉆井液性能的影響等，從而才能從根本上找到應對高密度鉆井液技術難點的對策，為在更多地層條件下運用提供理論的支持。隨著鉆井深度增加,鉆遇的復雜地層不斷增多,對鉆井液密度的要求范圍越來越大,而對于不同鉆井液,其組成、性能、使用工藝和維護方式等存在很大差異。 所以在我們研究本論文的高密度鉆井液之前，我們需要給高密度鉆井液一個定義以便能明確研究的對象。根據(jù)密度對鉆井液體系分類,可以有利于鉆井液體系的選擇與使用。根據(jù)以往的經驗和試驗結果,對于現(xiàn)在所用的鉆井液可以按密度分為以下幾類:低密度鉆井液,；普通鉆井液,～；普通加重鉆井液,～；高密度鉆井液,～；超高密度鉆井液,～；特高密度鉆井液。通常,在鉆井過程中如果單純地利用表層土層造漿,其粘度不大,體系性能也比較容易維護,技術也很成熟,所以把這種鉆井液稱之為普通鉆井液。當需要繼續(xù)增加密度時,加入各種各樣的加重劑,體系密度增加,粘度也會增加,。從國內外鉆井液使用的經驗來看,這個密度的鉆井液體系技術也比較成熟,普遍采用重晶石加重,因此稱之為普通加重鉆井液。繼續(xù)增加密度時,粘度出現(xiàn)平臺,越過平臺期后粘度又持續(xù)增加,。這段密度范圍的鉆井液體系技術要求較高,粘度比較大,容易出現(xiàn)問題。而這個密度的鉆井液往往用于深井鉆井,所以稱之為高密度鉆井液?！ｋS著近年來對深部地層和復雜地層的勘探開發(fā)，我國高密度水基鉆井液技術也得到了長足的進步，形成了自己的理論：1）降低配漿土量，減少鉆井液中低密度固相含量，提高高密度水基鉆井液流變性的可控性；2）釋放自由水，增強高密度欠飽和有機鹽鉆井液流動性；3）使用甲酸鹽（如KCOOH、CsCOOH等）、有機鹽等提高液相粘度，降低加重材料用量，降低粘度效應；4）對加重劑進行活化，降低加重材料對高密度欠飽和有機鹽鉆井液產生的粘度效應。伴隨著這些新理論誕生了一系列的新型處理劑，最突出的就是活化加重材料、甲酸鹽及有機鹽?；罨鼐⒒罨F礦粉已經在現(xiàn)場上得到肯定并廣泛應用，甲酸鹽由于成本高而沒有普及使用，為此有機鹽無論在性能要求的應用還是自身成本上都有著極大推廣價值和應用前景。國內在高密度水基鉆井液體系使用上普遍使用聚磺體系和磺化體系，這兩種體系已經有了很長的使用歷史，也積累了一定的經驗，取得了較好的使用效果。全國范圍內對高密度欠飽和有機鹽鉆井液體系的探索也在進行著。如川東地區(qū)開展了包括兩性離子及陰離子高密度聚合物鉆井液工藝研究，抗溫（150℃內）抗鹽性降失水劑、降粘劑、抑制包被劑（如CT34，CT310，CPF，CUD，LS2，PPL等）配套處理劑研究，基本滿足了聚合物鉆井液鉆深井的需要。通過對高密度聚合物鉆井液組分及流變參數(shù)的優(yōu)選，實現(xiàn)了“四個提高”、“兩個突破”和“一個增強”?！八膫€提高”即聚合物鉆井液使用井深從“七五”的3000m左右提高到“八五” 的5000m以上，最深達5336m（川東梁8井）；～；聚合物鉆井液抗溫性從120℃提高到150℃；機械鉆速明顯提高，實現(xiàn)了全井使用聚合物鉆井液鉆井，平均機械鉆速提高了8％～30％，使用高密度聚合物鉆井液在深井段的機械鉆速提高了5％～20％?！皟蓚€突破”即突破深井高溫高壓層段機械鉆速1m/h大關和聚合物鉆井液不能在高礦化度條件下使用關。川東梁8井，全井使用聚合物鉆井液，當Cl達110000mg/l，Ca2+達1300mg/l時，鉆井液依然保持良好性能?！耙粋€增強”即聚合物鉆井液抑制性增強。統(tǒng)計表明：井徑擴大率由25%～30%下降到18%～10%以內，而兩性離子聚合物鉆井液其井徑擴大率比其它聚合物鉆井液還低5%～20％，抑制性強的鉀鈣瀝青質聚合物鉆井液，在茍西天東大天3和梁8井的現(xiàn)場應用中，取得了增強井壁穩(wěn)定性的良好效果，平均機械鉆速提高了18%。川東地區(qū)高密度磺化水基鉆井液已取得的成果為：1）密度可調性好，，能滿足各種情況下的井控需要；2）濾失造壁性好，高密度欠飽和有機鹽鉆井液高溫高壓濾失量、高溫高壓濾餅、濾餅摩阻系數(shù)三大指標易優(yōu)控，防粘卡效果好，成功地鉆成了一批定向井，待別是近三年來實現(xiàn)了鉆進進尺32萬米無粘卡事故的紀錄；3）鉆井液高溫穩(wěn)定性好，能抗200℃左右，鉆成了川東地區(qū)最深（井深6016m）的座3井、井深5739m的轎1井等一批井深超過5000m的復雜深井；4）抗膏鹽污染能力強，用配制的飽和鹽水磺化鉆井液對鹽層取心，收獲率為100％；5）造壁性好，深部樂一和陽一易塌層有良好的封堵效果，減緩了井塌程度。此外，基本消除了深井鉆井液稠化現(xiàn)象。川東地區(qū)高密度欠飽和有機鹽鉆井液存在的技術問題表現(xiàn)為：1）流變性能未實現(xiàn)優(yōu)控，體系屈服值及靜切力偏高，普遍呈強凝膠狀態(tài)；2）鉆井液中處理劑種類多，用量大。這是因為此鉆井液屬分散體系，調整被高含量鉆屑污染過的鉆井液性能，需耗用大量的處理劑；另一方面，磺化體系不可避免地使用大量的FCLS、SMK及NaOH等強分散劑（平均單井耗FCLS、SMK約8—15t），從而導致鉆井液中細顆粒固相增多。此外，高溫產生酸性氣體，這都將嚴重污染鉆井液。大量的研究文獻也表明，F(xiàn)CLS對膨潤土和含伊利石、伊蒙混層的粘土礦物的地層具有強烈的分散作用，F(xiàn)CLS的少量加入就會使膨潤土漿的細顆粒增加一倍左右，而這些大量的細顆粒又無法被固控設備清除，只能殘留在鉆井液中危害其性能。同時，此類強分散劑對非膨脹性泥頁巖有明顯的水化分散作用，高溫下這種作用更強烈；3）未能很好地解決井壁穩(wěn)定問題。這是因為體系缺乏強抑制性，而且體系中用的大量強分散劑對深部樂一和陽一鋁土質泥頁巖有強分散作用；4）不利于深井噴射鉆井且鉆速受限。分散型高密度欠飽和有機鹽鉆井液中細微粒子含量高使鉆速受限，導致塑性粘度、屈服值及靜切力過高，使鉆井液在井底形成塑性墊層從而影響鉆頭齒破巖。研究了川東地區(qū)典型的聚磺高密度欠飽和有機鹽鉆井液體系在井深3200m時的粒度分布，結果表明，％，而目前配套的三級鉆井液固控設備對于分離小于50 μm的固相顆粒的能力很差。過高的漏斗粘度、屈服值及靜切力必然導致過高的壓差。計算表明，～、井深3000m、通常鉆井參數(shù)：YP為10～35Pa、PV為8～50mPa～。而要達到同樣的水力分配需增加3～5MPa的泵壓。即PV、YP越低，環(huán)空壓耗、循環(huán)壓耗和有效當量密度越低、鉆頭噴嘴壓降、沖擊力、噴射速度就越高，越有利于鉆頭破巖。因此，塑性粘度PV和動切力YP的降低有利于鉆速的提高，～3Pa，最高限定在10Pa。靜切力是決定小井眼深井段內波動壓力最明顯的流動參數(shù)，應嚴格控制高密度欠飽和有機鹽鉆井液的弱凝膠特性?！?Pa，10min靜切力為2～7Pa。綜上所述，要解決好上述四個方面的問題，特別是高密度欠飽和有機鹽鉆井液條件下提高機械鉆速的問題，要在保持磺化高密度欠飽和有機鹽鉆井液已有成果的基礎上，還必須具有強抑制性。聚合物不分散鉆井液充分顯示了其包被絮凝、防塌和剪切稀釋性能好的特性。因此，聚合物高密度欠飽和有機鹽鉆井液是深井鉆井液類型的發(fā)展方向。到目前為止，在國內文獻上高密度欠飽和有機鹽鉆井液體系密度使用最高的是位于四川盆地赤水凹陷官渡構造的官3井，使用過程中選用了活化重晶石粉配成的聚合物鉆井液體系，取得了較好的現(xiàn)場效果：1）鉆井液流變性良好；2）鉆井液沉降穩(wěn)定性良好；3））鉆井液的潤滑性能良好；4）鉆井液的鉆屑容限高；5）鉆井液維護處理工藝簡單，易于掌握。[1]目前國外鉆高壓、。國外所用的鉆井液基本為聚合物或油基鉆井液體系,體系中的相關處理劑均具有抑制鹽膏污染、抗泥巖膨脹的作用。為了保護油氣層,目前已開始向無固相鉆井液體系發(fā)展, 所使用的加重劑為溴鹽, ,但成本較高。其間,國外鉆井液工作者不斷實踐,提出了一些針對于高密度鉆井液的理論：1）Chiligcrian G V 等認為,重晶石的加重極限可以達到2. 64g/cm3 ,超過此極限,鉆井液的流變性與沉降穩(wěn)定性之間的矛盾將不可調和,出現(xiàn)顧此失彼的困難。2） Cafe 和Rebb 等人認為,在堿性環(huán)境中,重晶石表面帶微弱負電。另一方面,在堿性環(huán)境中重晶石粉表面離子處于不平衡狀態(tài),可吸附其他物質。根據(jù)法揚斯法規(guī)則,處于堿性環(huán)境中帶負電的重晶石表面能吸附高價的陽離子,如Fe、Al 和Ti。這些被吸附的金屬離子的原子具有空軌道,可接受配位體,具有絡合能力,可與 OH , COOH 等給電子基團產生絡合吸附。這樣,重晶石的表面弱負電性會因吸附高價離子而有所加強,重晶石在鉆井液中的靜電斥力增大. 有利于鉆井液沉降穩(wěn)定性的改善,也利于彌補因重晶石顆粒變粗給鉆井液沉降穩(wěn)定性帶來的負面影響。3） 高密度鉆井液中,重晶石參與了鉆井液內部結構的形成。高密度水基鉆井液可能就會表現(xiàn)出與其他類型的鉆井液不同的流變性。4） 高溫下,粘土和堿之間得反應降低了鉆井液的穩(wěn)定性。因此要嚴格控制堿金屬的加量。5） 有機鹽提高鉆井液液相粘度,從而減少了常規(guī)惰性加重材料（如重晶石、鐵礦粉等） 的加量即減小了低固相含量,達到了減少了低固相對鉆井液粘度的影響的目的。據(jù)國外報道,使用甲酸鈉、,而使用甲酸銫加重,。在新理論出現(xiàn)的同時,也產生了以這些理論為依據(jù)的新型體系,出現(xiàn)了一系列的高密度鉆井液體系。伴隨著新的體系,同時也出現(xiàn)了一些新型處理劑：1）甲酸鹽 可溶性加重劑（降低鉆井液固相含量） ：使用于高密度水基鉆井液,提高液相基漿密度,減少加重劑的加量,減小固相含量對鉆井液粘度的影響,減小了改善鉆井液流變性的難度。2）超低滲透處理劑：在破碎性地層使用超低滲透處理劑,提高巖層承壓能力。3）低分子量陽離子聚合物（二甲胺對環(huán)氧氯丙烷） ：陽離子聚合物能吸附到井壁上帶負電的粘土表面和巖屑上,從而抑制頁巖的分散。4）超細碳酸鈣：鉆小井眼井連續(xù)取心時,使用特細碳酸鈣,把固相顆粒在井壁上的沉淀減少到最低限度,從而解決了因鉆桿高速旋轉而導致粗顆粒加重劑在離心力的作用下被甩到鉆桿壁上形成“橋塞”,最終給繩索回收巖心帶來困難。5）聚乙二醇：被廣泛用于控制出問題的頁巖層。在鉆井液工程中有很多優(yōu)良特性,如控制流變性、流體濾失,較低稀釋率和整體性能容易維護。6）Therma Via （超高溫鉆井液材料） ：增粘劑,亦有潤滑性。無機合成聚合物,耐熱溫度約370 ℃,抗溫能力強,使用于井下超高溫鉆井使用。這些處理劑的出現(xiàn),解決了現(xiàn)場上的一些技術上的難題或提高了鉆井液的性能指標。但高密度鉆井液技術仍然有許多地方需要提高,仍有許多難題沒有解決。如流變性問題,常常一種體系在某口井使用時表現(xiàn)出了良好的流變性能,但換給地方就失去了其良好的流變性性能,主要歸結于體系還不很成熟。鉆井液體系不簡化,高密度水基鉆井液由于常常是上層鉆井液轉化而來,鉆井液中處理劑種類繁多,相互之間影響,降低了處理劑的效用,成為井下復雜事故的隱患。[1]高密度鉆井液在經過幾十年的發(fā)展歷程以后，在很多特殊井的鉆探過程中取得了一定的成果，比較好的滿足了鉆井的需要。但是在應用中同樣發(fā)現(xiàn)了很多實際的技術難題，這些難題嚴重制約著高密度鉆井液的進一步發(fā)展。根據(jù)國內外現(xiàn)階段高密度鉆井液應用的現(xiàn)狀，和高密度鉆井液在各個油田的實際應用實例，以下總結出高密度鉆井液現(xiàn)階段的應用難點。1）鉆井液流動性問題變得比較突出,在謹慎而合理的維護操作下,可以保證體系具有較好的流動能力,但這種工作狀態(tài)易受多種因素的影響而變壞,包括維護方案的合理性、助劑配伍的合理性、各種污染(如酸性氣體、高礦化度地層水、固相等) 對體系的破壞等均會造成其穩(wěn)定性下降,粘度非正常升高。2) 高密度條件下(特別是密度高于2. 20g/cm3 )井眼環(huán)空水力環(huán)境漸趨惡化,由于體系的固相含量和液柱壓力很高,導致固相粒子在井壁的沉積機會增大,要求液流具有一定的沖刷能力以抵消這種沉積