钻井液性能及其测试

苏式漏斗粘度计

该粘度计由漏斗和量 筒组成。构造如图3。 量筒由隔板分成两部 分，大头为500ml，小 头为200ml，漏斗下端 是直径为5mm，长为 100mm的管子。


旋转粘度计
液体放置在两个同心圆筒的环 隙空间内，电机经过传动装置 带动外筒恒速旋转，借助于被 测液体的粘滞性作用于内筒一 定的转矩，带动与扭力弹簧相 连的内筒一个角度。该转角的 大小与液体的粘性成正比，于 是液体的粘度测量转换为内筒 转角的测量。 6个读值：φ 600,φ 300,φ 200，

常用的加重剂
重晶石（BaSO4）(ρ =4.2～4.6) 石灰石（CaCO3）(ρ =2.7～2.9) 菱铁矿（Fe CO3） (ρ =3.7～3.9) 方铅矿（PbS）(ρ =7.5～7.6) 钛铁矿（FeTiO3）或[TiO2· 2 O3] (ρ >3.0) Fe 用作钻井液的加重材料 CaCO3可作暂堵剂


钻井过程中，当钻头钻过渗透性地层时，由于钻井液的液柱压 力一般总是大于地层孔隙压力，在压差作用下，钻井液的液体 便会渗入地层，这种特性常称为钻井液的滤失性(Filtration Properties of Drilling F1uids)。在液体发生渗滤的同时，钻 井液中的固相颗粒会附着沉积在井壁上形成一层泥饼(Mud cake)。随着泥饼的逐渐加厚以及在压差作用下被压实，会对裸 眼井壁有效地起到稳定和保护作用，这就是钻井液的所谓造壁 性。由于泥饼的渗透率远远小于地层的渗透宰，因而形成的泥 饼还可有效地阻止钻井液中的固相和滤液继续侵入地层。 在钻井液工艺中，通常用一个重要参数——滤失量(Water loss 或Filtration Rate)来表征钻井液的渗滤速率。钻井液的滤失性 也是钻井液最重要的性能之一，有关内容将在后面的教学工作 中详述。
安全密度窗口（△P）
安全密度窗口： 安全钻进时的 泥浆密度范围
井漏
厚泥饼
井喷
复杂情况
钻具
卡钻
坍塌
坍塌压力P塌和泥浆压力P泥
井眼形成后，地应力在井壁上的二次分布所 产生的指向井内引起井壁岩石向井内移动的 应力，称为井壁（地层）坍塌应力P塌。P塌 一旦产生（P塌≥0），井壁岩石必然逐渐掉 （挤）入井中（垮塌）。 钻井过程中P塌可以（也只能）用井内泥浆 液柱压力来有效地平衡，P泥≥P塌时则井壁保 持稳定；P泥＜P塌时，则发生井塌。
钻井液性能及其测试
蔡记华

按照API推荐的钻井液性能测试标准，需
检测的钻井液常规性能包括：密度、漏斗
粘度、塑性粘度、动切力、静切力、API滤
失量、HTHP滤失量、pH值、碱度、含砂
量、固相含量、膨润土含量和滤液中各种 离子的质量浓度等。
一、钻井液密度
1.钻井液密度与安全密度窗口 钻井液的密度是指每单位体积钻井液的质量，常用 g/cm3(或kg/m3)表示。在钻井工程上，钻井液密度和 泥浆比重(Mud weight)是两个等同的术语。其英制单 位通常为lbm/ga1(即磅/加仑，或写做ppg)，1 g/cm3等 于8.331bm/ga1。 钻井液密度是确保安全、快速钻井和保护油气层的一 个十分重要的参数。通过钻井液密度的变化，可调节 钻井液在井筒内的静液柱压力，以平衡地层孔隙压力 时亦用于平衡地层构造应力，以避免井塌的发生。

滤饼质量评价

滤饼质量评价 光滑性：将滤饼放在一平面上，用手指触摸 ，如果滤饼薄而光滑，并无有砂子的感觉则 光滑性好，否则，光滑性不好。

坚实性：将滤饼放在一容器里，并装入水 或柴油，放置24小时，观察其破坏滤饼的 程度，如果滤饼经过浸泡而松散或消失， 证明坚实性较差，否则，则好。

韧 性：将滤饼放在一立方形物品(桌面)边缘 ，向下折90°，如果滤饼无明显断裂，证明 韧性较 好，否则较 差。


校API推荐的试验方法，要求对Pm、Pf和Mf分别进行测定。 并规定，以上三种碱度的值，均以滴定1ml样品(钻井液与滤 液)所需0.01M H2SO4的毫升数来表示，毫升单位份可省略。 由测出的Pf和Mf可计算出钻井液滤中OH-、HCO3-和CO32-等 的浓度。其根据在于，当pH＝8.3时，以下反应已基本进行完 全： OH-＋H+ →H2O CO32-＋H+→HCO3而存在于溶液的HCO3-不参加反应，当继续用H2SO4溶液滴 定至pH＝4.3时， HCO3-与H+的反应也已基本上反应完全， 即: HCO3-+H+→CO2+H2O
² γ ² γ
2
υ
R
R
1
Ω

φ 100,φ 6,φ 3
常用
流变 参数 计算
关于切力 在600r/min下搅 拌60s，静止10s后 在3r/min下读取并 记录最大读数值 再在600r/min下 搅拌60s，静止 10min后在3r/min 下读取并记录最大 读数值。
三、钻井液的滤失造壁性

ZNS型泥浆失水量仪 该仪器是将泥浆用惰性气体（二氧化碳、氮 气或压缩空气）加压的情况下，测量泥浆的 失水量。当泥浆在0.69MPa压力的作用下， 30分钟内通过截面为45.6±0.5㎝2过滤面渗 透出的水量，以毫升表示。同时，可以测得 泥浆失水后泥饼的厚度，以毫米表示。

按逆时针方向缓缓旋转 放空阀5手柄，同时观 察压力表指示。当压力 表稍有下降或听见泥浆 杯有进气声响时，即停 止旋转放空阀手柄，微 调减压阀3手柄，使压 力表指示为0.69MPa， 泥浆杯内保持0.69MPa 的恒定状态，当见到第 一滴滤液开始记时。


二、钻井液流变性

钻井液的流变性(Rheological ProPerties of Drilling F1uids)是 指钻井液流动和变形的特性。 该特性通常是由不同的流变模式及其参数来表征的，最常用的流 变模式为宾汉和幂律模式。其中宾汉模式的参数为塑性粘度 (Plastic Viscosity)和动切力(Yield Point)；幂律模式的参数为流 性指数(FLow Behavior Index)和稠度系数(Consistency Index) 。此外，漏斗粘度(FunneL Visosity、表现粘度(Apparent Viscosity)和静切力(Gel Strength)等也是钻井液的重要流变参数
铁矿粉（Fe2 O3）(ρ =4.9～5.3)

为实现平衡压力钻井或欠平衡压力钻井，有时 需要适当降低钻井液的密度。通常降低密度的方 法有以下几种：
最主要的方法是用机械和化学絮凝的方法清除无用固相 ，降低钻井液的固相含量。 加水稀释。但往往会增加处理剂用量和钻井液费用。 混油。但有时会影响地质录并和测并解释； 钻低压油气层时可选用充气钻井液等。
四、钻井液的pH值和碱度

1.钻井液的pH值
通常用钻井液滤液的pH值表示钻
井液的酸碱性。由于酸碱性的强弱 直接与钻井液中粘土颗粒的分散程 度有关，因此会在很大程度上影响 钻井液的粘度、切力和其它性能参 数。右图表示经预水化的膨润土基 浆(其中膨润土含量为57.1kg/m3)的 表现粘度随pH值的变化。由图可知 ，当pH值大于9时，表现粘度随pH 值升高而剧增。其原因是当pH值升 高时，会有更多OH-被吸附在粘土晶 层的表而，进一步增强表而所带的 负电性，从而在剪切作用下壁稳定、提高机械钻速和环空水 力参数计算等一系列钻井工作密切相关，因此它是钻井液最重要 的性能之一。有关内容将在后面的教学工作中重点阐述。
钻井液流变性的测量

马氏漏斗：ZMN型马式 漏斗粘度计由锥体马式 漏斗、孔径1.6mm的滤 网和946ml量杯组成。 锥体上口直径152mm， 锥体下口直径与导流管 直径4.76mm，锥体长度 305mm，漏斗总长 356mm，筛底以下的漏 斗容积1500ml。

用清水校正：

用淡水注满洁净、干燥的样品杯，盖上杯 盖并擦干样品杯外部，把密度计的刀口放 在刀垫上，将游码左侧边线对准刻度1.00 g/cm3处，观察密度计是否平衡（平衡时 水平泡位于中央），如不平衡，在平衡圆 柱上加上或取下一些铅粒，使之平衡。
3.钻井液密度的调整
加入重晶石等加重材料是提高钻井液密度最常 用的方法。 在加重前，应调整好钻井液的各种性能，特别要 严格控制低密度固相的含量。一般情况下，所需 钻井液密度越高，则加重前钻井液的固相含量及 粘度、切力应控制得越低。 加入可溶性无机盐也是提高密度较常用的方法。 如在保护油气层的清洁盐水钻井液中，通过加入 NaCl，可将钻井液密度提高至1.20 g/cm3左右。
松科1井，470m处井口泥浆， pH为6.5，失水量为18ml；加 入0.5%KOH后，pH为10.5， 失水量为14.4ml。
在实际应用中，大多数钻井液的pH值要求控制 在8—11之间，即维持一个较弱的碱性环境。这 主要是由于有以下几方面的原因： 可减轻对钻具的腐蚀； 可预防因氢脆而引起的钻具和套管的损坏； 可抑制钻井液中钙、镁盐的溶解；

若测得的结果为从Mf＝Pf，表示滤液的碱性完全由OH所引起；若测得的Pf＝0，表示碱性完全由HCO3-引起 ；如果Mf＝2Pf，则表示滤液中只含有CO32-。 显然，以上情况是比较特殊的。在一般情况下，钻井液 滤液中这三种离子的质量浓度可按下表中的有关公式进 行计算。但需注意，有时钻井液滤液中存在着某些易与 H＋起反应的其它无机离子(如SiO32-、PO43-等)和有机 处理剂，这样会使Mf和Pf的测定结果产生一定误差。
P塌 、P地
常规地层
常规地层
高压地层
P泥
易喷地层，高P地
安全密度窗口△P=P破－P地（P塌）
2.钻井液密度的测量
钻井液密度是用一种专门设计的钻井液比重秤(Mud
Balancer）测得的，比重秤的外观如下图所示。测定时 ，首先在泥浆杯中盛满钻井液，盖上计量盖，然后用棉 纱布擦净从计量盖小孔溢出的钻井液。再将比重秤刀口 放置在底座的刀垫上，不断移动游码，直至水平泡位居 两条线的小央。此时游码左侧的到度即表示所测量钻井 液的密度。