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C09高温高压泥浆
第九章高温高压泥浆
引言
泥浆体系的选择和维护,对一口高温高压井的成功钻进是非常必要的。
相对于一口常规井环境,对于泥浆的任何无用环境条件,都可能使泥浆性能发生根本性的改变。
随着温度的升高,化学反应加快、变强,任何污染物的作用也会增强。
定义
高温高压井通常认为是指井内温度超过300F(150C),为了满足井控需要,当量泥浆比重为16.0ppg(1.92sg)或更高的油井。
然而,从钻井液的观点看,可以这样来认识高温:
它就是指常规钻井液添加剂,以某一合适的速率开始进行热降解时的温度。
这种降解会引起各组分性能的衰减,使得体系的维护变得困难而昂贵。
从自然物质中所提取的许多泥浆化学处理剂,在温度为250F和275F之间时,都会发生热降解反应。
然而,针对高温井所设计的许多泥浆体系,主要包含粘土、lignosulphonate与ligites,这种体系在350F的温度下都是稳定的。
然而,在300F以上时,要维护这些泥浆,就显得非常困难,而且成本也很高。
热降解机理
热降解可简单地认为是:
将那么多的能量施加于某种化学物质中,以致于它的某部分结构被破坏了,或改变了其存在形式,由于存在某些化学物质,在低温条件下,也可能会发生类似的作用。
如氧(从空气中来)可以促进氧化作用,水(存在于泥浆中的)也可促进水解作用。
无论什么原因,或所涉及的特殊化学反应,在高温条件下,最终的结果是:
以前稳定的钻井液,现在却变得难于控制。
很不幸的是,在高温井中,泥浆的温度不仅会升高,而且应力也有变化。
在钻井液中,常常还存在象硫化氢和二氧化碳这样的酸性气体化学污染物。
高比重、深井眼是高温井所具有的部分特征。
长时间的起下钻,使井眼长时间静止,充满泥浆的固相也暴露于污染物中,并且,大量的高温泥浆处于条件差、充满应力的环境中。
搬土浆体系
高温使般土悬浮物发生分散絮凝作用,随着温度和应力的升高,蒙脱石(商用般土的主要成份)的水化也会增强,并且,有更多的粘土小块从它们的聚积束中分离出来。
在悬浮液中,将有更多的颗粒存在,并使悬浮液的粘度升高。
聚积束的分离物可提供更多新表面供氢氧根离子吸附,从而间接造成PH值的降低。
在悬浮液中,由于表面积增加与PH值减小的共同作用,使得絮凝作用增强。
在井底条件下,这就需要向泥浆中加碱和悬浮剂。
如果悬浮剂不够,或者其本身就存在热降解,则会发生严重的絮凝或胶凝作用。
在起下钻和重新建立泥浆循环时,经常会形成这种条件。
图表1表明了:
在清水体系中,温度对一种简单般土悬浮物(18桶)胶凝特性的作用的关系。
该图表明:
当温度达到120F(250C)时,将会产生过度胶凝作用。
实际上,触变絮凝的实际温度是由泥浆的组分来决定的。
般土的类型、钻屑的浓度和类型、悬浮物的浓度和类型以及液相的离
(9-4)
子组分,所有这些对絮凝作用都有影响。
在高矿化度的环境下,钙离子与胶状粘土相互作用,会形成象铝土硅酸钙一样的水泥层。
在这种情况下,可能会产生极高的切力,在最严重的情况时,泥浆实际上是可能会固化。
聚合物泥浆
温度对聚合物泥浆的影响主要是由于温度对聚合物组分存在影响。
在绝大多数情况下,聚合物泥浆是低固相泥浆,并且,所有的聚合物泥浆对粘土的水化都有一定抑制作用。
在般土浆中,会出现粘土水化增强的问题,在聚合物泥浆体系中,却是很少出现这样的问题,然而,聚合物泥浆体系对热降解比较敏感。
聚合物链的断裂可能伴随着所联基团的化学变性。
由聚合物断链所引起的两个主要反应是氧化反应和水解反应。
通过将体系的PH值维持在9.5--10.5范围内,并使用除氧剂,是可以将这两个反应控制到一定程度的。
油基泥浆体系
在水基泥浆中,带电粘土与聚合物相互间存在电性作用。
而在非极性连续相的油基泥浆中,却不会发生这种作用。
只有对于相对较弱的氢键,才会产生这种作用。
如果升高温度,这些较弱作用力,是很容易破坏的,因此,油基泥浆中的热胶凝作用并不常见的。
温度极限
对于水基泥浆处理剂和水基泥浆体系,下面这些表给出了发生热分解
泥浆处理剂
常用类型
温度(F)
温度(C)
瓜尔胶
225
107
淀粉
250
120
生物聚合物
250-275
120-135
HTStarch
275
135
CMC和PAC
275
135
Lignosulphonate
250-325
120-160
StangardLignite
300-350
150-175
ModifiedLignite
350-450
175-230
合成基聚合物
400-500
205-260
泥浆体系
常用类型
温度(F)
温度(C)
不分散聚合物
275
135
NDP-HighTemperatureFormulation
350
175
般土/FCL
300
150
般土/FCL/Lignite
350
175
般土/ModifiedLignite/PolymerBlends
400
205
合成基聚合物(PHPA\PA\SSMA
VSA等)
400-500
205-260
作用的温度极限值,或者实际应用的温度极限值。
如果正确配制油基泥浆,在450F(230C)井底温度下,泥浆仍可很好发挥其作用。
延长温度极限
为了提高泥浆体系和处理剂的热稳定性,有必要对引起处理剂失效的机理进行抑制,并(或)替换掉体系中首先出现性能衰减的处理剂。
通过减少引起聚合物链破坏的反应,来延长聚合物寿命,这些反应主要是水解和氧化反应。
水解反应可通过维持体系的PH值在9.5-10.5范围内来减少其发生,而氧化反应,则可通过加除氧剂来避免。
单独使用任何一种方法,都可将绝大多数泥浆体系的热稳定性温度提高大约25F。
我们相信,存在一些重金属,它们对这种破坏性反应起催化作用,如果除去这些元素,则这些处理剂就可以使用了。
最近的一个研究表明:
当在甲酸盐中使用聚合物时,其热稳定性可以提高50F,这主要是因为甲酸是一种较强的抗氧化剂。
泥浆性能
温度和压力对泥浆性能有重要影响
密度
泥浆的比重随温度而发生较大的变化,认识到这一点是非常重要的。
这个变化可以通过升高温度,泥浆的密度会降低来说明。
之所以出现这种情况,是因为液相存在热膨胀问题。
而连续的油相比水相具有更大的膨胀系数,这是油基泥浆很特殊的现象。
流变性和切力
在油田用普通钻井液中,随着温度的升高,泥浆的各种性质都会降低,然而,在井下条件时,这种现象可能会由于压力的升高而减少,并且,由于水化作用增强,商用粘土和钻屑的絮凝,这种现象可能会完全颠倒(如温度升高,粘度也会升高)。
在高温条件下,如果在井眼中含有象钙、镁和二氧化碳这样污染物,则可能会使水基泥浆的流变性升高到那么一个程度,以致于最后变得不可泵送了。
油基和合成油基泥浆的粘度也会随所施加压力的增大而升高。
泥浆滤液
API失水和高温高压失水随温度升高而增加。
这主要是由于处理剂性能减弱,以及滤饼的压缩性随温度而改变引起。
在大于100psi的压差作用下,只使压力升高,对粘土泥浆的滤失量几乎没什么影响,这说明了滤饼的可压缩效应。
通常,超过一定温度时,在该温度条件下,聚合物会失去其增粘能力,但却保持了控制失水的功能。
这是由于,已断裂的、短的聚合物键具有滤失控制剂一样的功能,但又不会象增粘剂那样引起体系粘度的升高。
矿化度
温度可以提高许多化学反应的速率和程度。
粘土泥浆屈服值的升高,使得它与离子间相互作用更有利,特别是对于羟基离子,更是如此。
最终结果会使得泥浆矿化度降低,絮凝作用增强。
在油基泥浆中,特别是在长期起下钻后,随着温度的升高,石灰与表面活性剂的反应会增强,泥浆矿化度会减小。
由于缺少性能良好的石灰,泥浆性能常常受到影响。
亚甲基蓝测定法
当使用水基泥浆时,亚甲基蓝测定法(MBT)是最有效的测试方法之一,这种测定方法可显示出泥浆一般状况。
从测试结果,可知道到泥浆中活性粘土的含量和粒度。
例如,在常规井中,对于一个非分散聚合物泥浆体系,其MBT值(般土含量值),应该不超过20磅/桶。
在高比重泥浆中,15磅/桶MBT值可以认为是其上限值。
高温可以快速提高商用般土和反应性固相的屈服值,从而,会使MBT的测试值迅速升高。
般土含量较高的泥浆对污染物是比较敏感的,而在低固相泥浆体系中(如碳酸钙泥浆等),污染物是不会产生什么问题的。
闪点
在高温高压井中,使用油基泥浆时,特别是钻121/4"深井段时,出口管线的温度可能达到了油基泥浆的闪点。
在171/2"井眼中,通常井底温度太低,以致于会引起一些问题,并且,在小直径井眼中,随着泥浆进入环空,其循环速度使得泥浆有时间得以冷却。
如果高返出泥浆温度较高,它可能对弹性材料具有不良影响,并还可能产生一些意想不到的烟气,从而增加了着火的危险性。
应认真管理好地面泥浆池,可以利用它冷却泥浆,但所有这些作用通常都是很小的。
一些作业者提倡使用泥浆冷却器(热交换器),一些证据表明:
在正常使用时,这种方法证明还是有效的。
征兆与补救措施
现象
同高温相关问题的典型征兆是:
高粘度和高切力
泥浆漏失量增加
矿化度降低
这些问题本身可表示为:
很难中断泥浆循环
很难将工具下入到井底
很难对循环过的泥浆进行除气
有可能发生压差卡钻
如果泥浆体系温度发生了恶化,首先,在起下钻以后,通过循环出井口的泥浆可监测到。
在高温高压井中,由于起下钻的时间较长,泥浆长时间暴露在井底附近的温度下。
如果不采取补救措施,则应该对循环出井口的泥浆进行测试,并且把测试结果用来预测可能出现的问题,这是非常重要的。
补救措施-水基泥浆
增加流变性与切力:
添加水-由于粘土表面积的增加,井下滤失量会增加,在高温时,泥浆表面由蒸发作用迅速转变为脱水化作用。
减少固相含量-减少泥浆中低比重固相的百分含量,将有助于对泥浆流变性进行控制,并能提高处理剂的性质。
添加悬浮剂-如果从返出泥浆表明:
泥浆正变得非常稠,则增加悬浮剂或分散剂的浓度是很有用的。
如果可能的话,用一种更合适于井底温度的处理剂,代替已存在的处理剂。
在提高泥浆处理剂的浓度时,应格外小心。
虽然许多化学药品都吸收自由水,但这些可能对悬浮剂并没有任何不利影响。
调节PH值--保持足够的矿化度,可会减少粘土的絮凝,保证絮凝剂有效发挥它们的作用,并可降低聚合物水解。
对于绝大多数水基泥浆,其目的就是要维持PH值在9.5-10.5的范围内。
滤失量增加:
添加高温降虑失剂--如果使用现有的处理剂,很明显不能经济地控制滤失量,应该使用一种更高温度稳定性的处理剂。
这种方案看起来成本常常较高,但通常表明还是很经济的。
补救措施-油基泥浆
流变性与切力升高:
添加原油--由于滤失量的升高与表面蒸发作用,会减少泥浆中整个原油的含量,如果不进行替换,最终将会使整个体系脱水。
加入油湿剂--通过保证所有固相都具有油湿性,从而使粒子之间反应减少。
这些作用会引起泥浆粘度和切力下降。
当加油湿剂时,必须小心谨慎。
它们通常是浓缩产品,在油基泥浆中,这种处理剂对粘土泥浆流变性是非常有效的稀释剂。
如果对泥浆过分处理,可能会使悬浮液的特性降低到某种程度,这将使井眼的净化问题更严重,并可能引起重晶石沉降。
高温高压滤失量增加。
通常,在高温高压下,很容易使滤失量升高,出现这种情况时,通过向泥浆中加入足量石灰,并保持一定余量(2-3磅/桶),可以很经济地得以补救。
如果这种方法无效,则可提高所需乳化剂的量。
最后,根据需要,可加入一种干粉末状降虑失剂(如amine、lignite、soltex、gilsonite)。
在加入这种处理剂以前,需确认它们同地层的配伍性。
计划
在高温高压环境中,一种泥浆体系成功的使用,很大程度上受作业前计划的影响。
在钻一口高温高压井之前,必须制定合适的紧急情况应急措施,以保证在高温高压井中,潜在的泥浆问题和一些普通的问题可以被预测到,并可采取措施进行解决。
泥浆体系选择
对于某个特殊的应用,,所选择的泥浆类型,不只由最高井底温度来决定,而且还有许多其它因素。
油井的位置对泥浆体系的选择有一定影响,如果是在一个特别偏远或存在环境敏感性地区钻井,则应使用油基泥浆,对常规井,通常是比较好的方案,而对高温井来说,使用就存在一定限制性。
在选择泥浆体系时,需先对地层和污染物的情况进行预测。
例如,高分散性水基泥浆不适合于钻活性页岩,或者预测有二氧化碳或盐流的地层。
因为,在不含石灰的水基泥浆中,二氧化碳可能会产生严重的负面影响。
然而,用石灰高度处理过的水基泥浆中,在高温条件下,其稳定性极差。
在高温条件下,聚合物泥浆很容易通过各种方式进行降解。
可以看到,对于高温环境,粘土泥浆或聚合物泥浆是比较理想的泥浆体系。
然而,对于情况了解的地层,所用泥浆材料也是经过认真选择的,但在温度达到450F的油井中,使用水基泥浆仍具有一些困难。
因此,有必要选择一个合适的泥浆体系用于高温高压井,作为设计过程的一部分,为满足处理井下环境和污染物的需要。
需对所选泥浆体系的配方进行优化。
重晶石沉降
如果所钻油井为大斜度井(井斜大于30),则优化泥浆配方必须包括对重晶石沉降可能性试验。
在高井斜,高温高压井中,主要的困难就是预防重晶石沉降的发生。
通过实验室试验,并选择最合适的增粘剂混和物,可以最大限度地减少这种风险。
固控设备
钻屑是所有钻井液体系中主要的污染物。
在高温高压井的泥浆体系中,高固相含量的负面效应可能会扩大。
在这种泥浆中,由于加重剂造成了固相含量过高。
几乎没有自由液相来润湿固相,使得粒间作用较强。
由于高摩阻作用,使得粒子尺寸减小,并使问题很快变得复杂化。
例如,在泥浆中,由于存在大量的细钻屑,这会加剧由二氧化碳或钙离子引起任何污染作用。
可以看到,对泥浆中固相进行有效清除,对维护高密度泥浆性能很有必要,特别是对于高温环境,更显得比较重要。
而振动筛的初级分离作用,通常是很有效的。
在小直径井眼中,泥浆比重可能非常高,而流速却比较低。
因此,对这种情况,允许使用细目振动筛,如果使用小于200目(74u)的筛布,必须考虑到大量的重晶石可能会被除去。
当处理高固相泥浆时,氯化物对泥浆体系几乎没有什么影响,因为它们很容易快速结块。
正确安装离心机,使用起来效果也是比较好的。
泥浆工程师
对于高温高压井的泥浆工程师,必须熟悉所要使用的泥浆体系,这一点是绝对必要的。
他们也必须熟悉所有的工程技术,以及钻井过程中所需的应急措施。
而且,他们必须知道并熟悉以下各项内容:
必须使各相关人员知道各种泥浆的转化与混和作业。
当使用水基泥浆时,对各种可能存在的污染物作用和热胶凝作用,应具有处理能力。
会使用热轧烘箱和范氏70转/分钟流速计。
硫化氢的检测、分析与处理。
重晶石泥浆的配制与驱替方法。
普通循环漏失技术与诱导裂缝引起的特殊循环漏失技术。
质量保证与质量控制
对于重晶石,建立一个质量控制程序是非常重要的,当使用般土时,也可建立一个质量控制程序。
如果使用的是水基泥浆,这一点就显得特别重要。
重晶石的污染物,特别是对于碳酸盐中的污染物,通过絮凝般土和钻屑,引起一些重大问题。
如果要用到般土,可只用袋装的俄怀明级材料。
大量的成块般土可通过分散,来满足技术规范的需要。
在这个过程中,所添加的化学处理剂对高固相水基泥浆,会产生较大的危害。
作业考虑
当使用水基泥浆时,泥浆工程师应仔细观测井口返出的泥浆。
就象上面所讨论的一样,这些泥浆通常是循环体系中性能最差部分。
由于粘土水化和悬浮剂组分性能减弱,在油井中它可能变得非常稠。
如果环境条件容许,应该将这些泥浆弃掉。
如果将它们混入循环体系中,则它将对般土含量、流变性和切力升高值产生不确定的伤害。
在高温井中,如果使用的是水基或油基泥浆,为了使钻井液性能更好一些,经常需要往钻井液中加入基液。
随着井下泥浆滤失的进行,以及地面泥浆高温蒸发作用,使得基液的量不断减少。
注意:
1、在高温高压井段,向泥浆体系中加入任何物质,通常都应该在泥浆循环过程中进行,而在钻井过程中,则不能往泥浆中添加任何处理剂。
在钻井作业过程中,如要向泥浆中加入处理剂,则应该将泥浆损益监测器关掉,因为,即使是向循环池中加入最易控制的处理剂,都有可能会引起一些混乱和猜疑
2、在使用一种分散性水基泥浆时,将泥浆体系中低比重固相含量保持在控制范围之内,这是非常关键的。
在许多泥浆工程师中,都普遍存在一种倾向,就是用化学稀释剂来控制泥浆切力的升高,因此,这样一来,就得允许泥浆中固相含量增加到某一点,达到这一点时,泥浆性能就很难进行控制。
3、在钻台上,有一个热轧烘箱和(或)一个70转/分钟范氏流速计,可利用它们对泥浆的流变性和切力值进行监测。
通过对达到预期温度的循环泥浆的反应进行研究,并对此制定出新的措施。
4、特别是在水基泥浆中,要确保对硫化氢进行严密监测,它们可能来自于地层或泥浆中处理剂的分解。
在钻台上,手头上必须有泥浆处理剂的合适处理方法,以保证硫化氢对钻井人员和设备不会造成危害。
必须随时备有循环漏失处理剂,以便对漏失,特别是诱导裂缝漏失进行处理。
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