鑽井液
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在岩土工程中,鑽井液用於協助地面鑽孔的鑽探,一般用於開採鑽機對石油和天然氣井的鑽探中,鑽井液還用於簡單鑽孔,例如水井。液體鑽井液常被稱為鑽井泥漿。鑽井液的三大類分別是水基泥漿(可分為打散和未打散)、非水泥漿(一般稱為油基泥漿)和氣體鑽井液,其中可用多種氣體。
鑽井液的主要功能是提供液體靜壓力,防止地層流體進入井道,保持鑽頭冷卻、清潔,回收岩屑和當鑽探暫停的時候或鑽具套裝進出鑽孔的時候懸浮岩屑,鑽井液的特殊作用是防止油層損害並阻止腐蝕。
鑽井液的分類
[編輯]有很多鑽井日常使用的鑽井液,一些油井的不同鑽孔需要不同鑽井液,或者相互組合。不同的鑽井液一
般可分為幾大類:[1]
- 空氣: 泵入壓縮空氣入環空或入鑽杆。
- 氣/水: 同上,加入水增加粘度,沖洗鑽孔,進行冷卻和/或控制粉塵。
- 空氣/聚合物: 特殊化學品一般為聚合物,加入空氣和水組成混合物,進行特定操作。例如,起泡劑就是一種聚合物。
- 水: 有時水可單獨使用。
- 水基泥漿(WBM): 很多水基泥漿先備好水,然後加入粘土和其他化學品,進行同質組合,顏色類似於巧克力奶(視粘度而定)。粘土(其岩石形態學名為"頁岩")一般為不同天然粘土的混合物的懸濁液,或者一些粘土加入固體添加劑構成WBM,最常見的添加劑如皂土,在石油開採中稱為"膠"。泵入加膠的鑽井液後,鑽井液稀釋自由流動(像巧克力奶),當停止泵入後,靜態液體可生成阻止流動的膠層。加入適當的泵入力後可打破膠層,很多其他化學品(如甲酸鉀)加入WBM後,有不同效果,包括控制粘度、控制泥漿穩定性、增加鑽頭穿透力,冷卻和潤滑。
- 油基泥漿(OBM):油基泥漿的配置基礎是石油產品,如柴油。油基泥漿的用途很多,可增加潤滑度、增加頁岩抑制力、以更小的粘性增加清潔力。油基泥漿可承受較高溫度。使用油基泥漿一般考慮成本、環境影響(如回收岩屑,避免污染環境),在一些油井,如初探井使用油基泥漿是因為無法根據岩心分析出油情況。因為油基泥漿的熒光與油層的熒光會混淆。因為這種污染,會導致用於TOC化學分析和確定實際API重力值的樣品、岩心、井壁岩心、回收的污染。
- 合成基鑽井液(SBM) (也稱為低毒油基泥漿,英文簡寫:LTOBM): 合成基鑽井液是用合成油作為調配基的鑽井液,一般用於海上鑽探,因為作為油基泥漿,其液體燃燒的毒性比油基泥漿更小。當工人在封閉環境作業時候顯得尤為重要。使用岩石樣品時也會出現同樣的環境和岩心污染問題。
在鑽機上,泥漿從泥漿池通過鑽杆泵入,從鑽頭的噴嘴噴出,可以清洗和冷卻鑽頭。鑽井液然後攜帶着鑽頭切割的岩石碎屑("岩屑")通過鑽杆和井壁之間的環形空間("環空")回到地表。岩屑通過振動篩或者新的頁岩輸送機技術進行分離,泥漿回到泥漿池中。泥漿讓鑽頭保持良好狀態,在泥漿池中可以通過添加化學品和藥劑調配泥漿。
返回的泥漿中可能含有天然氣或其他可燃物質,在振動篩或頁岩輸送機附近收集。因為可能點燃導致火災,需要特殊的監控設備防爆器進行監控,工人採取安全措施。泥漿然後泵回鑽孔中,進行重新循環。在泥漿池中需要定期調配鑽井液,保證最優屬性,提高鑽井效率、鑽孔穩定(下述功能)等等。
功能
[編輯]鑽井泥漿 的功能總結如下:
移除岩屑
[編輯]鑽井液將岩屑帶回地表,需要考慮切割尺寸、形狀、密度、速度、液體流速(環空流速)。這都會影響攜帶沉積物的能力,大型砂礫在緩慢流動中會沉澱,小型砂礫在快速流動中會隨水流走,泥漿粘度是一個重要屬性,如果粘度太低岩屑就會沉澱到井底。
其他屬性包括:
- 很多鑽井泥漿有觸變性 (即在靜態條件下會變為膠質)。這個屬性可以讓岩屑在鑽井液不流動時懸浮。
- 具有剪切稀化和粘性增加的鑽井液可以有效洗井。
- 環空流動速度增加提高岩屑攜帶率,攜帶率(攜帶速度/最低環空速度)應為至少50%。
- 儘管環空速度低時,高密度鑽井液可洗井(增加應用於岩屑的浮力)。但是如果岩屑重量超過所需平衡周邊岩石壓力(地層壓力)的重量時會有負面效果,所以泥漿重量在洗井時一般不應增加。
- 鑽機旋轉速度增加會增加環空通道的循環速度,這種鑽機周圍的螺旋力會導致井壁周圍的岩屑,在洗井條件不好的情況下,移動到環空的更高段。增加轉速是大角度和水平井的最佳方法。
懸浮和釋放岩屑
[編輯]- 必須在多種情況下可懸浮岩屑、材料和添加物。
- 鑽機停頓可導致卡鑽、井漏。
- 停頓的重材料稱為sag,導致鑽井液密度大幅變化,常發生在大角度和熱井中。
- 鑽井固體富集會損害:
- 鑽井效率(增加泥漿重量和粘度,從而增加修井和稀釋成本)
- 鑽進速度(ROP) (增加循環所用功率)
- 進行懸浮的泥漿屬性必須通過固控設備,與去除岩屑的屬性進行平衡
- 為了有效進行固體控制,鑽井固體必須在第一次循環中從泥漿中去除,如果進入了重新循環,碎成更小塊的岩屑會更難去除
- 比較流動中和泥漿池中泥漿中的沙土含量,確定岩屑是否已去除
控制油層壓力
[編輯]- 如果油層壓力增加,油層密度必須增加,一般用重晶石(或其他加重材料)以平衡壓力,保持井內穩定。不穩定的油層壓力會導致壓力意外外溢,可能導致壓力油層的井噴
- 液體靜壓力=鑽井液密度*真實垂直深度*重力加速度,如果液體靜壓力大於等於油層壓力,釉層液體會流入井道
- 井控是指釉層液體流入井道
- 液體靜壓力也控制地質構造力的壓力,地質構造力也會導致,在油層壓力穩定的時候,井道壓力不穩定
- 如果油層壓力不穩定,可以使用空氣、天然氣、粉塵、泡沫、低濃度泥漿(油基泥漿)
- 實際中,泥漿密度應限於井控和井道穩定所需的最小壓力,如果太多會壓裂油層
密封油層
[編輯]- 泥漿柱壓力必須超過油層壓力,在這種條件下,泥漿濾液會侵入油層,井壁上會形成泥漿濾餅
- 泥漿可以形成稀薄、低穿透性的濾餅,限制侵入
- 如果形成稀薄的濾餅會有問題:孔內壓力過大、錄井條件不好、卡鑽、井漏、損害油層
- 在大口徑鑽杆的高穿透油層,根據泥漿固體尺寸,整個泥漿可能侵入油層
- 要使用橋堵劑堵住大的空隙,讓泥漿固體形成密封
- 更加有效的是,用橋堵劑比較蓋過孔隙、孔裂的一半尺寸
- 橋堵劑(如碳酸鈣、基礎纖維素).
- 根據使用的泥漿,不同添加劑可提高濾餅(如皂土, 天然和合成聚合物, 瀝青和黑瀝青)
保持井內穩定
[編輯]- 泥漿的屬性和化學組成必須混合,提供井內更好的穩定性。泥漿重量必須在機械力的適當範圍內
- 井內不穩定= 坍塌油層,可能導致井陘緊、橋堵(井內清洗有問題)
- 井內穩定= 鑽孔保持大小和圓柱形狀不變
- 如果井陘增加,會更加脆弱,會造成如環空速度降低、洗井困難、固體體積和油層評估困難
- 在沙土和砂石層,孔徑增加可以通過機械動作完成(水力和噴頭速度)。通過保持水力系統降低油層損害。高質量的濾餅包含皂土,可以限制井陘增加。
- 在頁岩中,泥漿重量一般足夠平衡油層壓力,井一般穩定。用水基泥漿,化學品的不同可能導致泥漿和頁岩的互動,導致天然岩石的鬆動。高度破碎、乾燥、脆弱的頁岩可能非常不穩定(導致機械問題)。
- 不同的化學抑制劑可以控制泥漿/頁岩互動(鈣、鉀、鹽、聚合物、瀝青、乙二醇和石油——最好用於水敏感油層)
- 石油(或合成油)基鑽井液用於大部分難鑽探區的水敏感頁岩
- 為了增加抑制效果,乳化鹽(氯化鈣)鑽井液可用於減少水活動,創造滲透力,防止水被頁岩吸收
減少地層損害
[編輯]- 自然油層的多孔性和滲透性(washout)的損害和減少都可稱為油層損害
- 一般損害
- 特別設計的鑽井、修井或完井液,減少油層損害
冷卻、潤滑和支撐鑽頭、鑽井鑽具
[編輯]- 當鑽杆旋轉時,機械力和水力在鑽頭上產生熱,與套管和井壁摩擦
- 從源頭冷卻和轉移熱量,降低溫度
- 否則鑽頭、鑽杆和井下動力鑽具可能迅速失效
- 根據摩擦係數進行潤滑,油基和合成油基一般比水基潤滑效果好(但後者可添加潤滑劑改善)
- 鑽井液提供的潤滑程度取決於鑽井固體的類型、數量和重量物質+化學組成
- 潤滑較差導致高摩阻扭矩,鑽杆熱裂、往往由鍵槽、洗井不佳、井下鑽具設計問題導致
- 鑽井液通過浮力支撐鑽杆、套管,通過與泥漿重量(密度)相等的懸浮在鑽井液上,減少井架的起吊載荷
- 井架能支撐的重量受到機械力、鑽杆和套管的深度增加限制
- 使用長、重鑽杆和套管時,浮力可以帶動重量超過鑽機起吊載荷的鑽杆
將水力轉給工具與鑽頭
[編輯]以鑽頭噴嘴尺寸為基礎,水力設計可用於泥漿泵功率,優化井底衝擊力。
- 僅限於:
- 泵功率
- 鑽杆內壓力損失
- 最大表面壓力
- 最佳流量
- 鑽杆壓力損失超過液體密度、塑性粘度和固體
- 低固剪切稀化鑽井液,如聚合物在傳遞水力上更有效
- 可通過控制泥漿屬性增加深度
- 通過壓力脈衝,得到MWD & LWD到地表的傳遞信息
保證測井正確
[編輯]- 泥漿的化學和物理屬性和井內條件,進行鑽後油層評估
- 通過檢查礦層岩屑、油氣表徵、記錄岩石泥漿記錄、天然氣探測、地理參數等進行錄井
- 電纜測井 – 電氣、聲波、核能、磁性和回聲
- 孤立產區、油層測試和鑽杆測試
- 泥漿防止岩屑分散,提高岩屑運輸,用於錄井,確定岩屑深度
- 油基泥漿、潤滑劑、瀝青可掩蓋油氣表徵
- 選擇調配基泥漿用於岩心鑽探(很多岩心操作需要最少數量的添加劑的混合泥漿).
防腐蝕(有一定效果)
[編輯]- 鑽杆和套管不斷與鑽井液接觸可能導致腐蝕.
- 溶解氣體(氧氣、二氧化碳、硫化氫)導致嚴重腐蝕
- 導致災難性故障
- 可以在短時間內導致人員傷亡
- 低pH腐蝕,使用腐蝕取樣[需要解釋]對腐蝕類型、腐蝕率進行檢測,使用正確的抑制劑
- 泥漿通氣、起泡等O2可在短時間內導致腐蝕
- 在高H2S環境中,增加pH + 硫污染化學品(鋅).
加速固井和完井
[編輯]- 關鍵地區的固井[需要解釋]和完井
- 在下套管過程中,泥漿保持流動,減少壓力波動,不會發生井漏[需要解釋]
- 泥漿應該稀薄、濾餅狀、無岩屑、坍塌和橋堵[需要解釋]
- 為了正確完井和固井[需要解釋],泥漿應用水泥替代[需要解釋]
增加效率:
減少環境影響
[編輯]泥漿在很多時候有毒。從環境角度處理非常困難、昂貴。 一篇([//web.archive.org/web/20131226035948/http://www.vanityfair.com/politics/features/2007/05/texaco200705?currentPage=5 頁面存檔備份,存於互聯網檔案館) Vanity Fair的文章介紹了Lago Agrio油田(厄瓜多爾大型油田)的方法[來源請求]
鑽井液構成
[編輯]硫酸鋇 (重晶石), 碳酸鈣 (石灰)或赤鐵礦。使用不同的粘稠劑改變液體的粘度,如黃原膠、瓜爾豆膠、乙二醇、羧甲基纖維素、聚陰離子纖維素(PAC)、澱粉等。. In turn, 粘土懸浮劑、陰離子型聚電解質用於減少粘土基泥漿的粘性(如丙烯酸鹽、三聚氰胺聚磷酸鹽、木質素磺酸鹽(Lig)或單寧酸的衍生物,如常用Quebracho單寧)。紅土是Quebracho單寧基混合物的俗稱,是因為紅色單寧酸鹽呈紅色。後來,逐漸被木質素磺酸鹽所取代,其他物質可以添加不同的屬性#功能。一些其他常用的添加劑包括潤滑劑、頁岩抑制劑、失水劑(控制鑽井液從滲透油層流失)。增重劑如重晶石是為了增加鑽井液的整體密度,可以保持井底壓力,防止不必要或危險的油層液體外泄。
影響鑽井液屬性的因素
[編輯]三個因素可能影響鑽井液的屬性[2]
- 鑽井液粘度
- 鑽井液密度
- 泥漿pH值
鑽井液分類
[編輯]根據流體、鹼性、擴散性和化學構成可以分為:
可擴散系統
[編輯]- 淡水泥漿 – 低pH泥漿(7.0–9.5),包括探測液、皂土、天然磷酸鹽泥漿、有機泥漿和有機膠質泥漿,高pH泥漿如鹼性單寧酸鹽泥漿,pH超過9.5
- 水基鑽井液抑制粘土的水合作用和擴散 – 有四種:高pH石灰泥漿、低pH石膏、海水泥漿和飽和鹽水泥漿
不擴散系統
[編輯]- 低固體泥漿 –包括少於3–6%固體的泥漿,重量低於9.5 lbs/gal。很多這種泥漿都是水基的,有不同含量的皂土和聚合物。
- 乳化劑 – 兩種是油中有水(油乳化泥漿)、水中有油(反向油乳化泥漿).
- 油基泥漿 – 油基泥漿將油作為調配劑,水作為污染物,通常包括體積少於5%的水。油基泥漿一般是柴油、瀝青的混合物,可能基於原油和泥漿。
參見
[編輯]參考
[編輯]- ^ Oilfield Glossary. [2022-02-12]. (原始內容存檔於2011-07-27).
- ^ {{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}}
閱讀更多
[編輯]- 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