地?zé)徙@井

鉆井液在鉆進(jìn)工程中的應(yīng)用

  旋轉(zhuǎn)鉆井初期,鉆井液的主要作用是把巖屑從井底攜帶至地面。目前,鉆井液被公認(rèn)為至少有以下十種作用:
 
  (1) 清潔井底,攜帶巖屑。保持井底清潔,避免鉆頭重復(fù)切削,減少磨損,提高效率。
 
  (2) 冷卻和潤滑鉆頭及鉆柱。降低鉆頭溫度,減少鉆具磨損,提高鉆具的使用壽命。
 
  (3) 平衡井壁巖石側(cè)壓力,在井壁形成濾餅,封閉和穩(wěn)定井壁。防止對油氣層的污染和井壁坍塌。
 
  (4) 平衡(控制)地層壓力。防止井噴,
 
  井漏,防止地層流體對鉆井液的污染。
 
  (5) 懸浮巖屑和加重劑。降低巖屑沉降速度,避免沉沙卡鉆
 
  (6) 在地面能沉除砂子和巖屑。
 
  (7) 有效傳遞水力功率。傳遞井下動(dòng)力鉆具所需動(dòng)力和鉆頭水力功率。
 
  (8) 承受
 
  鉆桿和套管的部分重力。鉆井液對鉆具和套管的浮力,可減小起下鉆時(shí)起升系統(tǒng)的載荷。
 
  (9) 提供所鉆地層的大量資料。利用鉆井液可進(jìn)行電法測井,巖屑錄井等獲取井下資料。
 
  (10)水力破碎巖石。鉆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巖石。
 
  很久以前,人們鉆井通常是為了尋找水源,而不是石油。實(shí)際上,他們偶然間發(fā)現(xiàn)石油時(shí)很懊惱,因?yàn)樗阉廴玖耍∽畛酰?a href="http://mhkwt.com/t/鉆井.html" >鉆井是為了獲得淡水和海水,前者用于飲用、洗滌和灌溉;后者用作制鹽的原料。直到 19 世紀(jì)早期,由于工業(yè)化增加了對石油產(chǎn)品的需求,鉆井采油  才逐漸普及。
 
  有記載的最早的鉆井要追溯到公元前三世紀(jì)的中國。他們使用一種叫做繩式頓鉆鉆井的技術(shù),實(shí)現(xiàn)方式是先使巨大的金屬鉆具下落,然后用一種管狀容器收集巖石的碎片。中國人在這項(xiàng)技術(shù)上比較領(lǐng)先,中國也被公認(rèn)為是第一個(gè)在鉆探過程中有意使用流體的國家。此處所講的流體是指水。它能軟化巖石,從而使鉆具更容易穿透巖石,同時(shí)有助于清除被稱作鉆屑的巖石碎片。(從鉆孔中清除鉆屑這一點(diǎn)非常重要,因?yàn)橹挥羞@樣,鉆頭才能沒有阻礙地繼續(xù)深鉆。)
 
  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鉆鉆井作業(yè)。作業(yè)進(jìn)行中,鉆井設(shè)備鉆出了水。這時(shí)他意識到噴出的水對把鉆屑從井中提出會非常有效。使用流動(dòng)的液體從鉆孔中清除鉆屑的原理由此確立。他設(shè)想了一種裝置,按照這一設(shè)想,泵將水沿鉆桿的內(nèi)側(cè)送至鉆孔內(nèi),而當(dāng)水經(jīng)鉆桿和鉆孔壁間的縫隙返回到地表后,就會將鉆屑一并帶出。此操作程序沿用至今。
 
  1900 年,在德克薩斯州的 Spindletop 鉆探油井期間,鉆井工人驅(qū)趕一群牛趟過了一個(gè)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,鉆井工人用泵將它送入鉆孔中。鉆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鉆井液的原料。他們對混合物的成分進(jìn)行精心調(diào)配,以滿足各種鉆探條件下的具體需要。現(xiàn)代化的鉆井液確實(shí)是油井的命脈。今天如果沒有它們,就不可能鉆出深井。
 
  旋轉(zhuǎn)鉆探已基本上取代了繩式頓鉆鉆井。使用這種技術(shù)時(shí),鉆頭位于旋轉(zhuǎn)巖管的末端。鉆探過程與使用手持式電鉆或螺絲鉆鉆入一塊木頭的過程類似。不象鉆木頭那樣只鉆入幾英寸或幾厘米,現(xiàn)代油井可深達(dá)地下幾千英尺或幾千米。鉆木時(shí),鉆屑沿孔道的螺旋槽被從鉆孔中帶出。這種方法對鉆淺孔有效,卻不適用于鉆探深井。鉆探深井時(shí),鉆屑是隨循環(huán)泥漿一起被帶到地表上。油井鉆得越深,就愈加體現(xiàn)出鉆井液的重要性。它的用途很廣并可解決各種問題,而這些問題各處差異極大。
 
  鉆井液的類型及組成
 
  鉆井液按分散介質(zhì)(連續(xù)相)可分為水基鉆井液、油基鉆井液、氣體型鉆井流體等。
 
  鉆井液主要由液相、固相和化學(xué)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(巖石)。化學(xué)處理劑包括無機(jī)、有機(jī)及高分子化合物。   水基鉆井液    水基鉆井液是一種以水為分散介質(zhì),以粘土(膨潤土)、加重劑及各種化學(xué)處理劑為分散相的溶膠懸浮體混合體系。其主要組成是水、粘土、加重劑和各種化學(xué)處理劑  等。水基鉆井液基本經(jīng)歷了五個(gè)階段,即天然鉆井液(1904-1921年)、細(xì)分散鉆井液(1921-1946年)、粗分散鉆井液(1946-1973年)、不分散低固相鉆井液(1966年至今)、無固相鉆井液(1968年至今)、聚合物鉆井液(1978年至今)階段等。       水基鉆井液還可分為:
 
  (1)淡水鉆井液。氯化鈉含量低于10mg/cm³,鈣離子含量低于0.12mg/cm³。
 
  (2)鹽水鉆井液(包括海水及咸水鉆井液)。氯化鈉含量高于10mg/cm³。
 
  (3)鈣處理鉆井液。鈣離子含量低于0.12mg/cm³。
 
  (4)飽和鹽水鉆井液。含有一種或多種可溶性鹽的飽和溶液。
 
  (5)混合乳化(水包油)鉆井液。含有3%-40%乳化油類的水基鉆井液
 
  (6)不分散低固相聚合物鉆井液。固相含量低于4%,含有適量聚合物。
 
  (7)鉀基鉆井液。氯化鉀含量高于3%。1978年以來開始在我國鉆井現(xiàn)場使用。
 
  (8)聚合物鉆井液。它是以聚合物為主體,配以降粘劑,降濾失劑、防塌劑和潤滑劑等多種化學(xué)處理劑所組成的鉆井液。它是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的一種新型鉆井液體系。包括陽離子聚合物鉆井液、兩性離子聚合物鉆井液、全陽離子聚合物鉆井液、深井聚合物鉆井液和正電膠鉆井液等。
 
  油連續(xù)相鉆井液
 
  油連續(xù)相鉆井液(習(xí)慣稱為油基鉆井液)是一種以油(主要是柴油或原油)為分散介質(zhì),以加重劑、各種化學(xué)處理劑及水等為分散相的溶膠懸浮混合體系。其主要組成是原油、柴油、加重劑、化學(xué)處理劑和水等。它基本經(jīng)歷了原油鉆井液(1930年初)、油基鉆井液、油包水(反相乳化)鉆井液(1960年至今)等三個(gè)階段。
 
  (1)原油鉆井液。主要成分是原油。
 
  (2)油基鉆井液。以柴油(或原油)為連續(xù)相,以氧化瀝青為分散相,再配以加重劑和各種化學(xué)處理劑配制而成。
 
  (3)油包水(反相乳化)鉆井液。一柴油(或原油)為連續(xù)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(jī)膨潤土(親油鵬潤土)和氧化瀝青等穩(wěn)定劑,再配以加重劑和各種化學(xué)處理劑等配制而成。1978年以來開始在我國鉆井現(xiàn)場使用。
 
  氣體型鉆井流體
 
  氣體鉆井液是以空氣或天然氣作為鉆井循環(huán)流體的鉆井液。
 
  泡沫鉆井液是以泡沫作為鉆井循環(huán)流體的鉆井液。主要組成是液體、氣體及泡沫穩(wěn)定劑等。
 
  20世紀(jì)80年代我國標(biāo)準(zhǔn)化委員會鉆井液體系分委會把鉆井液分為:不分散地固相聚合物鉆井液、淡水鉆井液、鹽水鉆井液、飽和鹽水鉆井液、鈣處理鉆井液、鉀基鉆井液、油基鉆井液、氣體鉆井液等八大體系。
 
  API(美國石油學(xué)會)及LADC(國際鉆井承包商協(xié)會)認(rèn)可的鉆井液體系如下:
 
  不分散鉆井液體系、分散性鉆井液體系、鈣處理鉆井液體系、聚合物鉆井液體系、低固相鉆井液體系、飽和鹽水鉆井液體系、修井完井鉆井液體系、油基鉆井液體系和空氣、霧、泡沫和氣體體系。
 
  鉆井液的選用標(biāo)準(zhǔn)
 
  鉆井液是鉆井的“血液”,在鉆井作業(yè)中起著非常重要的作用。因此對鉆井液要求很高,主要有四個(gè)方面:
 
  鉆井循環(huán)的要求
 
  鉆井循環(huán)對鉆井液的要求是泵壓低(粘度低),攜砂能力強(qiáng)(動(dòng)切力高),啟動(dòng)泵壓低(靜切力低),潤滑性能好,摩擦力低,磨損小(固體顆粒少)。
 
  要保持井眼的穩(wěn)定
 
  鉆穿的地層要用鉆井液的壓力柱與地層壓力取得平衡,鉆井液密度穩(wěn)定;鉆井油氣層時(shí)要靠鉆井液的壓力柱來平衡油氣的壓力要求鉆井液密度適當(dāng)。要求鉆井液有克服不穩(wěn)定地層的性能,例如泥巖吸水膨脹造成井眼收縮;
 
  礫巖、火山巖遇水造成跨塌,鹽巖遇水而形成溶洞等,即要求有不同性質(zhì)的鉆井液。
 
  要求鉆井液保護(hù)油氣層
 
  鉆開油氣層后,鉆井液與油氣層接觸,為防止鉆井液損害油氣層,要求鉆井液的失水小、泥餅薄(鉆井液失水后,固壓差固體顆粒在井壁上形成泥餅環(huán))、固相含量低、濾液的水化作用低(濾液進(jìn)入地層后與地層中的液體發(fā)生的化學(xué)作用)等。
 
  保護(hù)環(huán)境和生態(tài)
 
  鉆井液中常含有原油、柴油和各種油類以及含有大量的化學(xué)處理劑,為防止鉆井液對環(huán)境和生態(tài)可能造成的影響,要求使用無害、無毒的鉆井液。  鉆井液的主要作用
 
  地下鉆井作業(yè)的嚴(yán)酷環(huán)境促進(jìn)了對鉆井液的研究和開發(fā),要求能夠在鉆井過程中完成以下多項(xiàng)關(guān)鍵任務(wù):懸浮、壓力控制、巖層穩(wěn)定性、浮力、潤滑和冷卻。
 
  懸浮
 
  沿鉆桿向下或從鉆孔中向上流動(dòng)的鉆井液有時(shí)會停止運(yùn)動(dòng)。出現(xiàn)這種情況只能有兩種原因:一是出現(xiàn)了故障,二是在更換鉆頭時(shí)將鉆桿提出了鉆孔。鉆探停止時(shí),懸浮在鉆井液中的鉆屑就會沉入鉆孔的底部,將鉆孔堵塞。鉆井液被設(shè)計(jì)為具有一種非常有趣的特性,而該特性可以解決這一問題。鉆井液的稠度(或粘度)隨鉆井液流速降低而增加。鉆井液停止流動(dòng)后,就會形成一種粘稠的凝膠體,這種凝膠體可使巖石鉆屑懸浮在其中,從而防止它們沉入鉆孔底部。而當(dāng)鉆井液又開始流動(dòng)后,它就會越變越稀薄,恢復(fù)到其以前稀薄的液體形態(tài)。
 
  壓力控制
 
  許多人都看到過石油從鉆井臺中噴入高空,石油工人為之而歡呼雀躍的情景。實(shí)際上,這類井噴罕有發(fā)生,也并不值得慶祝,因?yàn)殂@探的目標(biāo)是以控制流量的方式來開采石油。泥漿被設(shè)計(jì)為可以抵消巖層中流體的自然壓力,從而防止發(fā)生此類事故。壓力間必須達(dá)到適當(dāng)?shù)钠胶猓淬@井液對鉆孔壁的壓力應(yīng)足以抵消巖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。如果鉆井液的重量太大,可能會使巖石破裂,鉆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。在鉆井液中添加增重劑可以提高其濃度,進(jìn)而增大它對鉆孔壁的壓力。可調(diào)整液體的濃度以滿足油井中的環(huán)境要求。
 
  裸露巖層的穩(wěn)定性
 
  鉆井過程分為兩個(gè)階段:第一階段是鉆穿不含石油的巖層,目標(biāo)是盡快鉆穿不含油巖層,到達(dá)含油巖層,即儲集層。此時(shí)的重點(diǎn)是要保持鉆孔中裸露巖層的穩(wěn)定,同時(shí)還要避免鉆井液流失。而如果保持鉆井液壓力高于巖層孔隙流體壓力,鉆井液就會出現(xiàn)向巖層的透水巖石中滲入的自然趨勢。在鉆井液中加入特殊的添加劑,就能防止發(fā)生這種情況。
 
  鉆井液可能會以其它方式與周圍的巖石相互作用。例如,如果巖石含鹽量很高,水就會溶解其中的鹽分,從而使鉆孔壁變得不穩(wěn)定。在這種情況下,使用油基鉆井液效果會更好。粘土含量高的巖層也容易被水沖刷掉。對這類巖層需使用抑止性的鉆井液,以保持井眼穩(wěn)定并防止井眼擴(kuò)大或被沖蝕。隨著鉆探不斷深入,井眼被用鋼套管保護(hù)起來,鋼套管用水泥加固,這樣既保持了井眼的穩(wěn)定性,又為到達(dá)儲集層后開采的石油提供了通往地表的通道。到達(dá)儲集層后,必須改變鉆井液的成分,以避免阻塞巖石孔隙。保持巖石孔隙不被阻塞可使石油更順暢地流入鉆孔,然后上流至地表。
 
  浮力
 
  一座油井可能深達(dá)數(shù)千英尺或數(shù)千米。而一根如此長的鋼鉆桿將重達(dá)數(shù)噸。如果將鉆桿浸入鉆井液,就會產(chǎn)生浮力作用,降低鉆桿重量,并會減小對鉆探機(jī)械裝置的壓力。
 
  潤滑和冷卻
 
  金屬鉆入巖石時(shí),會因摩擦生熱。鉆井液可潤滑和冷卻鉆頭,使鉆探平穩(wěn)進(jìn)行,同時(shí)延長鉆頭的壽命。對延伸區(qū)域或水平油井而言,潤滑可能尤為重要,因?yàn)樵谶@些地方,鉆桿、鉆頭和巖石表面間的摩擦必須保持在最低水平。
 
  鉆井液的正確維護(hù)
 
  越來越多的鉆井承包商正在換用大型鉆機(jī)并使用固控系統(tǒng)。固控系統(tǒng)不適用于高粘度鉆井液。高粘度鉆井液不像低粘度鉆井液那樣容易過篩,高粘度鉆井液能使鉆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。
 
  遇到這種情況怎么辦?倒劃眼時(shí)要泵入更多的泥漿,理由是較大的鉆機(jī)要使用較大的泥漿泵。倒劃眼要產(chǎn)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(shè)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(wěn)定通過固控設(shè)備。
 
  在使用某些聚合物添加劑時(shí),如果使用固控設(shè)備,混合不當(dāng)或在高濃度下能發(fā)生問題。PHPA聚合物可包被作用而堵塞網(wǎng)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(shè)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(shí),要用文丘里漏斗緩慢加入。
 
  鉆井液的負(fù)面作用
 
  鉆井液在使用過程中,對油氣層有一定程度的損害,主要表現(xiàn)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)鉆井液濾液中離子與地層離子作用產(chǎn)生沉淀堵塞通道;
 
  (4)產(chǎn)生水鎖效應(yīng),增加油氣流動(dòng)阻力。  鉆井液的迅速發(fā)展
 
  鉆井液在鉆井作業(yè)和保護(hù)油氣層中起到的作用和各方面對鉆井液的嚴(yán)格要求,促使鉆井液技術(shù)取得了迅速的發(fā)展。經(jīng)過多年的科研開發(fā)和生產(chǎn)實(shí)踐,鉆井液已從僅滿足鉆頭鉆進(jìn)發(fā)展到適應(yīng)各方面需求的鉆井液體系。例如為快速鉆井服務(wù)的低粘度、低摩擦、低固相的聚合物鉆井液,防卡鉆井液,針對巖石特點(diǎn)的防塌鉆井液,鉆鹽巖層的飽和鹽水鉆井液,保護(hù)油氣層的低密度水包油鉆井液,防堵塞油氣通道的油基鉆井液和開發(fā)低壓油氣田的泡沫鉆井液等。形成了較為完整的鉆井液體系。
 
  如今優(yōu)質(zhì)的鉆井液已不是由一兩種材料(例如膨潤土,俗稱搬土)配制的,保持鉆井液的性能要依靠加入各種處理劑。例如鉆井液潤滑劑、高溫穩(wěn)定劑、防塌處理劑和防卡處理劑等。據(jù)1992年統(tǒng)計(jì),處理劑系列已發(fā)展到10類202種,形成油田化學(xué)的一個(gè)重要分支。
 
  為清除鉆井液中的固相顆粒,鉆井液中的固相顆粒處理系統(tǒng)已經(jīng)得到了加強(qiáng)和改進(jìn)。鉆井液中的固相顆粒像鉆屑、重晶石等,使鉆井液的流動(dòng)性能變壞,不但破壞了鉆井液性能的穩(wěn)定,而且增大了循環(huán)系統(tǒng)的摩擦力,使設(shè)備過早磨損。清除鉆井液中固體含量的主要方法是加強(qiáng)振動(dòng)篩的振動(dòng)頻率,采用增加篩網(wǎng)的目數(shù)和雙層篩網(wǎng),提高除砂器、除泥器的除砂效率。另外,有時(shí)還用增設(shè)分離器來清除鉆井液中的微細(xì)顆粒。       為了提高鉆井液的使用和測量標(biāo)準(zhǔn),我國目前已經(jīng)采用了比較先進(jìn)的美國石油學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范及其鉆井液測量儀器和設(shè)備。