钻井液的性能为了正确使用钻井液,对甲酸钾钻井液的了解首先需要对基本性能有正确的认识。一般用密度、粘度、切力、失水量、泥饼、pH值、稳定性、胶体率、含盐量和含砂量等项指标来表示钻井液性能的好坏,这些指标直接影响钻井质量和钻井速度。为了快速打出优质井,必须针对不同的钻井情况和要求调整好钻井液的性能指标。
对于一般井,着重要求提高钻速、安全钻井;对于深井,还要能够做到充分暴露油气层;对于生产井,还要做到保护油气层,提高产量。这些要求都需要通过制定合理的钻井液性能指标来实现。
1.密度钻井液密度是指钻井液单位体积的质量,一般用符号ρ表示,习惯上单位用g/cm3。钻井液柱对井壁和井底产生的压力可以平衡地层压力、防止井喷、稳定和保护井壁,同时可防止高压油、气、水侵入钻井液破坏其性能,使井下情况复杂化。调节钻井液密度可以控制液柱产生的压力。钻井液密度过大会增大动力消耗,降低钻速,憋漏地层,伤害甚至压死油气层,因而钻井液密度不能过高。在可比条件下,密度下降0.1~0.2g/cm3,钻速可提高10%以上。因此,国外目前尽量采用低密度钻井液钻井。
2.粘度、触变性和切力1)粘度钻井液粘度是流动时钻井液中固体颗粒间、固体颗粒与液体之间以及液体分子之间的内摩擦的反映。由于测量方法不同,有不同的粘度值。目前最常用的是塑性粘度。
塑性粘度是指在层流流动状况下,钻井液中固相颗粒间、固体与液体分子间的内摩擦以及液体本身受剪切所产生的流动阻力的总和。用旋转粘度计测定,单位用mPa·s表示。
影响塑性粘度的主要因素是钻井液中所含固体颗粒的数量、大小以及粘土矿物的类型。固体颗粒多、粒度细,比表面增加,内摩擦增大,塑性粘度必然增加。降低塑牲粘度最有效的办法是用水稀释或通过机械降砂的办法降低固相含量。
钻井液的粘度要适当。粘度太低,不利于携带岩屑;粘度太高则会带来许多问题,如:(1)使流动阻力增大、泵压上升、排量下降,井底清洗效果变差,以致于严重影响钻速。(2)造成清砂和降气工作困难。(3)易引起泥包钻头,造成“拔活塞”或卡钻。(4)下钻后开泵困难,循环压力高,易憋漏地层。因此,必须根据钻井速度、动力设备和所钻地层的实际情况选择合适的粘度。
2)触变性和切力钻井液的触变性是指钻井液搅拌后变稀、静置后变稠的这种特性。钻井液在停止搅拌后,由于粘土颗粒形状不规则、性质不均匀,粘土颗粒间能形成网状结构,慢慢失去流动性,并且结构强度随静止时间的延长而增加。用力搅拌可以破坏网状结构,使钻井液重新恢复其流动性。这就是触变性的一般机理。这种情况在钻井中经常出现,如钻进时钻井液不断循环,粘度较低;而起、下钻时钻井液停止循环,粘度就增大。
钻井液的触变性可用静切力来表示。静切力是指破坏每平方厘米钻井液的网状结构所需的最小力,单位为mg/cm2。钻井液静切力的大小可用切力计进行测定。
由于钻井液具有触变性,则静止时间不同,静切力也不同。一般测两种静止时间的切力:静止1min后所测切力值为初切;静止10min后所测切力值为终切。1min与10min切力值的差异是由触变性所决定的,故其差值能描述钻井液触变性的大小。
钻井液流动时,部分网状结构被破坏,同时另一部分的网状结构又在恢复,最终形成一种动态平衡。网状结构的存在使钻井液具有一定的胶凝强度。度量动态平衡状态下网状结构强度大小的量称作动切力。动切力是钻井液在层流状态时一项非常重要的性能参数,它对流动阻力及运输岩屑的能力影响最大。动切力受粘土粒子表面性质、固相浓度和固相表面带电性质等因素的影响。常用旋转粘度计测定,单位为g/cm2。
3.失水量与泥饼在钻井过程中钻井液的失水可分为静失水和动失水。一般动失水是指钻井液流动循环过程中的失水。循环中泥饼有一个形成过程,从建立、增厚直到平衡,在这个阶段的失水都属于动失水。静失水是指静止状态的失水量,地面测量的失水就是静失水。起钻时钻井液停止循环,泥饼随着失水量的增加有所增厚,随着泥饼增厚失水量又有所减少,这个阶段属于静失水。钻井过程实际上是静失水与动失水交替变化的过程。
综上所述,甲酸钾钻井液的作用及成分钻井液在钻井工程中的主要功用是:(1)清洗井底,携带岩屑;(2)冷却和润滑钻头、钻柱;(3)形成泥饼,保护井壁;(4)控制与平衡地层压力;(5)悬浮岩屑和加重剂;(6)提供所钻地层的有关资料;(7)将水功率传给钻头;(8)防止钻具腐蚀。因为甲酸钾钻井液中离子浓度高,自由水较小,水的活度低。甲酸钾属于强碱弱酸盐,水溶液显弱碱性,随甲酸钾浓度增加,碱性增强,饱合溶液pH值为10.6,能进一步稳定钻井液稳定性,从而稳定钻井液自身的防塌能力。