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鑽井液(原稱泥漿),是指鑽井中使用的工作流體。它可以是液體或氣體。因此,鑽井液應確切地稱為鑽井流體。

鑽井液海上鑽井平台

 鑽井液(drilling fluid)      

鑽井液(原稱泥漿)是指鑽井中使用的工作流體。它可以是液體或氣體。因此,鑽井液應確切地稱為鑽井流體。鑽探過程中,孔內使用的循環沖洗介質。又稱鑽孔沖洗液。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。

 
鑽井液是鑽探過程中,孔內使用的循環沖洗介質。鑽井液是鑽井的血液,又稱鑽孔沖洗液。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。
  鑽井液主要功用是:①冷卻鑽頭、清凈孔底、帶出岩屑。②潤滑鑽具。③停鑽時懸浮岩屑,保護孔壁防止坍塌,平衡地層壓力、壓住高壓油氣水層。④輸送岩心,為孔底動力機傳遞破碎孔底岩石需要的動力等。鑽井中鑽井液的循環程序包括:鑽井、液罐、經泵→地面、管匯→立管→水龍帶、水龍頭→鑽柱內→鑽頭→鑽柱外環形空間→井口、泥漿(鑽井液)槽→鑽井液凈化設備→鑽井液罐。

 

1 鑽井液 - 功能

鑽井液鑽具

       鑽井液在鑽井液泵的作用下經過地面管線,立柱、水龍帶進入鑽桿,然後通過鑽頭水眼噴向井底,再攜帶著鑽頭鑽下來的岩屑,從鑽桿與地層(或套管)之間的環空上返至地面,在地面經過振動篩等固控設備將岩屑出去后,返回鑽井液池。其主要功能如下:

1.沖洗井底:鑽井液可在鑽頭水眼處形成高速的液流,噴向井底。這高速噴出的鑽井液可將由於鑽井液壓力與地層壓力差而被壓持在井底的岩屑衝起,起沖洗井底的作用。

2.攜帶岩屑:當鑽井液在環空的上返速度大於岩屑的沉降速度時,鑽井液可將井中的岩屑帶出,即在一定的上返速度下,鑽井液有攜帶岩屑(簡稱攜岩)的作用。

3.平衡地層壓力:鑽井液的液柱壓力必須與地層壓力相平衡才能達到防止井噴或者鑽井液大量漏進地層的目的。可通過調整鑽井液密度控制鑽井液的液柱壓力,使它與地層壓力相平衡。

4.冷卻與潤滑鑽頭:鑽井液可將鑽井過程中鑽具(鑽頭與鑽柱)與地層摩擦產生的熱帶至地面,起冷卻作用。同時,鑽井液能有效地降低鑽具與地層的摩擦,起潤滑作用。

5.穩定井壁:可在鑽井液中加入適當的處理機,使鑽井液具有抑制頁岩膨脹和(或)分散的能力,同時產生薄而韌的濾餅,起穩定井壁的作用。

6.懸浮岩屑和密度調整材料:當停止循環時,鑽井液處於靜止狀態,其中的膨潤土顆粒可互相聯結,形成結構,將岩屑懸浮起來。若鑽井液中加有密度調整材料(如重晶石),則在停止循環時,鑽井液也可將它懸浮起來。鑽井液懸浮岩屑和密度調整材料的能力,可使鑽井液停止循環后易於再啟動。

7.獲取地層信息:通過鑽井液攜帶出的岩屑,可以獲取地層許多信息,如油氣顯示、地層物性等。

8.傳遞功率:鑽井液可將鑽井液泵的功率經鑽柱從鑽頭水眼高速噴射傳到井底,提高鑽頭的破岩能力,加快鑽井速度。

2 鑽井液 -組成

鑽井液由分散介質、分散相和鑽井液處理劑組成。

鑽井液中的分散介質可以是水、油或者氣體。

鑽井液中的分散相,若是懸浮體則為粘土和(或)密度調整材料;若為乳狀液則為油或水;若為泡沫則為氣體。

鑽井液處理劑是為調節鑽井液性能而加入鑽井液中的化學劑。鑽井液處理劑,若按元素組成,可分為無機鑽井液處理劑(包括無機的酸、鹼、鹽和氧化物等)和有機鑽井液處理劑(如表面活性劑和高分子等);若按用途,則可分為下列15類,即鑽井液pH值控制劑、鑽井液除鈣劑、鑽井液起泡劑、鑽井液絮凝劑、頁岩抑製劑(又稱防塌劑)、鑽井液緩蝕劑、鑽井液降粘劑、鑽井液增粘劑、鑽井液降濾失劑、鑽井液潤滑、解卡劑、溫度穩定劑、密度調整材料、堵漏材料。在鑽井液處理劑按用途分類中最後兩類之所以稱為材料是因為它們用量較大,一般超過5%。

3 鑽井液 -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系統。固控系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。

遇到這種情況怎麼辦?倒划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。倒划眼要產生更多的固相,如果沒有大泵要使用低粘度泥漿。往泥漿體系中加水,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,用文丘里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,這到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。

加入其他干聚合物添加劑時,要用文丘里漏斗緩慢加入。

4 鑽井液 -鑽井液的負面作用

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

5 鑽井液 -運用歷史

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,因為它把水污染了!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,鑽井採油才逐漸普及。

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,因為只有這樣,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,泵將水沿鑽桿的內側送至鑽孔內,而當水經鑽桿和鑽孔壁間的縫隙返回到地表后,就會將鑽屑一併帶出。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,但工程師們已不再只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。不象鑽木頭那樣只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。鑽木時,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

6 鑽井液 -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,主要有四個方面:
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
  鑽開油氣層后,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(鑽井液失水后,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(濾液進入地層后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。

7 鑽井液 -備註

1.頁岩 這裡提到的頁岩是指粘土含量高的岩石,頁岩與水相遇即引起粘土膨脹和(或)分散以及井壁坍塌等問題,因此需要處理劑予以抑制。

2.5%  在鑽井液中所涉及的物質含量,除另外有說明外,均指一定體積的溶劑或分散介質中所含物質的質量。如這裡所講的超過5%是指100ml水中所含處理劑超過5g。

8 鑽井液 -鑽井液的迅速發展

鑽井液在鑽井作業和保護油氣層中起到的作用和各方面對鑽井液的嚴格要求,促使鑽井液技術取得了迅速的發展。經過多年的科研開發和生產實踐,鑽井液已從僅滿足鑽頭鑽進發展到適應各方面需求的鑽井液體系。例如為快速鑽井服務的低粘度、低摩擦、低固相的聚合物鑽井液,防卡鑽井液,針對岩石特點的防塌鑽井液,鑽鹽岩層的飽和鹽水鑽井液,保護油氣層的低密度水包油鑽井液,防堵塞油氣通道的油基鑽井液和開發低壓油氣田的泡沫鑽井液等。形成了較為完整的鑽井液體系。

如今優質的鑽井液已不是由一兩種材料(例如膨潤土,俗稱搬土)配製的,保持鑽井液的性能要依靠加入各種處理劑。例如鑽井液潤滑劑、高溫穩定劑、防塌處理劑和防卡處理劑等。據1992年統計,處理劑系列已發展到10類202種,形成油田化學的一個重要分支。

為清除鑽井液中的固相顆粒,鑽井液中的固相顆粒處理系統已經得到了加強和改進。鑽井液中的固相顆粒像鑽屑、重晶石等,使鑽井液的流動性能變壞,不但破壞了鑽井液性能的穩定,而且增大了循環系統的摩擦力,使設備過早磨損。清除鑽井液中固體含量的主要方法是加強振動篩的振動頻率,採用增加篩網的目數和雙層篩網,提高除砂器、除泥器的除砂效率。另外,有時還用增設分離器來清除鑽井液中的微細顆粒。

為了提高鑽井液的使用和測量標準,中國目前已經採用了比較先進的美國石油學會標準和規範及其鑽井液測量儀器和設備

9 鑽井液 -參考資料

[1] 趙福麟 油田化學  石油大學出版社 2000:17~19

[2] 徐惠峰 鑽井技術手冊(三)固井 北京 石油工業出版社 1988:237

[3] 劉希聖 完井工程 北京 石油工業出版社 1988:98

 

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