鉆井液的性能為了正確使用鉆井液,對甲酸鉀鉆井液的了解首先需要對基本性能有正確的認識。一般用密度、粘度、切力、失水量、泥餅、pH值、穩定性、膠體率、含鹽量和含砂量等項指標來表示鉆井液性能的好壞,這些指標直接影響鉆井質量和鉆井速度。為了快速打出優質井,必須針對不同的鉆井情況和要求調整好鉆井液的性能指標。
對于一般井,著重要求提高鉆速、安全鉆井;對于深井,還要能夠做到充分暴露油氣層;對于生產井,還要做到保護油氣層,提高產量。這些要求都需要通過制定合理的鉆井液性能指標來實現。
1.密度鉆井液密度是指鉆井液單位體積的質量,一般用符號ρ表示,習慣上單位用g/cm3。鉆井液柱對井壁和井底產生的壓力可以平衡地層壓力、防止井噴、穩定和保護井壁,同時可防止高壓油、氣、水侵入鉆井液破壞其性能,使井下情況復雜化。調節鉆井液密度可以控制液柱產生的壓力。鉆井液密度過大會增大動力消耗,降低鉆速,憋漏地層,傷害甚至壓死油氣層,因而鉆井液密度不能過高。在可比條件下,密度下降0.1~0.2g/cm3,鉆速可提高10%以上。因此,國外目前盡量采用低密度鉆井液鉆井。
2.粘度、觸變性和切力1)粘度鉆井液粘度是流動時鉆井液中固體顆粒間、固體顆粒與液體之間以及液體分子之間的內摩擦的反映。由于測量方法不同,有不同的粘度值。目前最常用的是塑性粘度。
塑性粘度是指在層流流動狀況下,鉆井液中固相顆粒間、固體與液體分子間的內摩擦以及液體本身受剪切所產生的流動阻力的總和。用旋轉粘度計測定,單位用mPa·s表示。
影響塑性粘度的主要因素是鉆井液中所含固體顆粒的數量、大小以及粘土礦物的類型。固體顆粒多、粒度細,比表面增加,內摩擦增大,塑性粘度必然增加。降低塑牲粘度最有效的辦法是用水稀釋或通過機械降砂的辦法降低固相含量。
鉆井液的粘度要適當。粘度太低,不利于攜帶巖屑;粘度太高則會帶來許多問題,如:(1)使流動阻力增大、泵壓上升、排量下降,井底清洗效果變差,以致于嚴重影響鉆速。(2)造成清砂和降氣工作困難。(3)易引起泥包鉆頭,造成“拔活塞”或卡鉆。(4)下鉆后開泵困難,循環壓力高,易憋漏地層。因此,必須根據鉆井速度、動力設備和所鉆地層的實際情況選擇合適的粘度。
2)觸變性和切力鉆井液的觸變性是指鉆井液攪拌后變稀、靜置后變稠的這種特性。鉆井液在停止攪拌后,由于粘土顆粒形狀不規則、性質不均勻,粘土顆粒間能形成網狀結構,慢慢失去流動性,并且結構強度隨靜止時間的延長而增加。用力攪拌可以破壞網狀結構,使鉆井液重新恢復其流動性。這就是觸變性的一般機理。這種情況在鉆井中經常出現,如鉆進時鉆井液不斷循環,粘度較低;而起、下鉆時鉆井液停止循環,粘度就增大。
鉆井液的觸變性可用靜切力來表示。靜切力是指破壞每平方厘米鉆井液的網狀結構所需的最小力,單位為mg/cm2。鉆井液靜切力的大小可用切力計進行測定。
由于鉆井液具有觸變性,則靜止時間不同,靜切力也不同。一般測兩種靜止時間的切力:靜止1min后所測切力值為初切;靜止10min后所測切力值為終切。1min與10min切力值的差異是由觸變性所決定的,故其差值能描述鉆井液觸變性的大小。
鉆井液流動時,部分網狀結構被破壞,同時另一部分的網狀結構又在恢復,最終形成一種動態平衡。網狀結構的存在使鉆井液具有一定的膠凝強度。度量動態平衡狀態下網狀結構強度大小的量稱作動切力。動切力是鉆井液在層流狀態時一項非常重要的性能參數,它對流動阻力及運輸巖屑的能力影響最大。動切力受粘土粒子表面性質、固相濃度和固相表面帶電性質等因素的影響。常用旋轉粘度計測定,單位為g/cm2。
3.失水量與泥餅在鉆井過程中鉆井液的失水可分為靜失水和動失水。一般動失水是指鉆井液流動循環過程中的失水。循環中泥餅有一個形成過程,從建立、增厚直到平衡,在這個階段的失水都屬于動失水。靜失水是指靜止狀態的失水量,地面測量的失水就是靜失水。起鉆時鉆井液停止循環,泥餅隨著失水量的增加有所增厚,隨著泥餅增厚失水量又有所減少,這個階段屬于靜失水。鉆井過程實際上是靜失水與動失水交替變化的過程。
綜上所述,甲酸鉀鉆井液的作用及成分鉆井液在鉆井工程中的主要功用是:(1)清洗井底,攜帶巖屑;(2)冷卻和潤滑鉆頭、鉆柱;(3)形成泥餅,保護井壁;(4)控制與平衡地層壓力;(5)懸浮巖屑和加重劑;(6)提供所鉆地層的有關資料;(7)將水功率傳給鉆頭;(8)防止鉆具腐蝕。因為甲酸鉀鉆井液中離子濃度高,自由水較小,水的活度低。甲酸鉀屬于強堿弱酸鹽,水溶液顯弱堿性,隨甲酸鉀濃度增加,堿性增強,飽合溶液pH值為10.6,能進一步穩定鉆井液穩定性,從而穩定鉆井液自身的防塌能力。