钻井液性能对钻井、定向井施工过程中的影响——韩耀辉

钻井液性能对钻井、定向井施工过程中的影响韩耀辉（渤海钻探定向井公司定向井作业部）摘要：本文章重点分析了钻井液的密度、粘度、切力、固相含量等性能的特征及对钻井、定向井施工中的影响和钻井液造成钻具托压的原因及解决办法。

关键词：钻井液定向井密度粘度切力固相含量托压1 前言随着油气田勘探、开发手段的日趋完善，与之相对应的工程施工技术也得到不断提高和成熟，从“粗放”型逐步向“精细”型发展，特别是对目前在油气田开发中占据重要位置的定向井、水平井、大位移井等特殊工艺井的井眼轨迹控制精度要求会越来越高。

钻井液是钻井工程系统中一个不可轻视的重要组成部分。

人们常用“泥浆是钻井的血液形象地比喻其在钻井作业中的重要地位，尤其是随着石油勘探工作的发展，勘探领域越来越广，钻井深度不断增加，钻遇地层的地层日益复杂，泥浆越来越的到普遍重视，并提出了更严格的要求。

1982年原石油工业部颁发的“钻井泥浆管理条例”明确提出，钻井必须使用优质泥浆。

本文结合钻井液的各项特性对钻井、定向井施工中造成的影响进行分析。

2 钻井液的密度2.1密度过大的害处1、损害油气层；2、降低钻井速度；3、过大压差易造成压差卡钻；4、易憋漏地层；5、易引起过高的粘切；6、多消耗钻井液材料及动力；7、抗污染能力下降。

密度过低则容易发生井喷、井塌、缩经（对塑性地层，如较纯的粘土、岩盐层等）及携屑能力下降等。

实践证明，钻井液密度升高，产生的静液压力增大，钻速降低，钻井静液压力对钻速的影响程序还与所钻岩石的性质有关，钻井液静液压力与地层流体压力的差值为零时，钻速最快，压差增大，钻速降低。

2.2影响密度的因素1、密度随钻井液中固相含量的增加而增大，随固相含量的减少而减少。

2、钻井液中液相体积减少或液相密度加大，都能使密度升高。

3、油气侵入钻井液后，密度会很快下降。

2.3提高钻井液密度的方法：一般可在钻井液体系中加入密度较大的惰性物质，如重晶石、碳酸钙等，也可加入可溶性盐，另外根据情况可选用除气、除泡等工艺手段。

2.4降低钻井液密度的方法：1、机械法：把有害物质通过机械设备清除；例如使用振动筛、除砂器等；2、稀释法：加入一定量的清水稀释钻井液，使其密度下降；3、使用发泡剂或充气来增大体积而降低密度。

4、使用化学絮凝剂来降低密度。

钻井液密度的设计，以地质设计提出的分层地层压力为依据，油气层以压稳、水层以压死为钻井前提。

必须始终保持在使井壁稳定的狭小范围内，密度必须低得足以控制地层压力，支撑井眼；高得足以防止地层裂缝。

同时随着井眼斜度的增大，钻井液密度范围更加变窄。

2.5钻井液密度对钻速的影响：钻井液密度的基本作用在于保持一定的液柱压力，用以控制地层内的流体进入井内。

提高钻井液密度，增加井内液柱压力和地层孔隙压力之间的压力差，将使钻速急剧下降。

其主要原因是井底压差对刚破碎的岩屑有压持作用，阻碍井底岩屑的及时清除，影响钻头的破岩效果，从而使钻速下降。

另外，在低渗透性岩层内，压差对钻速的影响比在高渗透性岩层内的影响大，这是由于钻井液滤液难于渗入低渗透性的岩层孔隙，不能及时平衡岩屑上下的压力差。

所以在钻进低渗透性岩层时，更应尽量降低钻井液密度，实施平衡压力钻井。

3钻井液粘度、切力的影响3.1粘度、切力过大有以下害处：1、流动阻力大，能量消耗多，功率低，钻速慢。

2、净化不良（固控设备不易充分发挥效力）易引起井下复杂情况；3、易泥包钻头，压力波动大，易引起卡、喷、漏和井塌事故；4、脱气较难，影响气测并易造成气侵。

3.2粘度、切力过低也不利于钻井：1、洗井不良、井眼净化效果差；2、冲刷井壁加剧，引起井塌等井下事故；3、岩屑过细影响录井。

对钻井液的粘度和切力的要求：尽可能采用较低的粘度及切力。

切力越大，悬浮岩屑能力越强，反之越小。

钻井液粘度升高，则钻速降低，因为粘度大、流动阻力大，消耗功率大；另外，粘度太大，在井底易形成粘性垫子，降低和减缓了钻头切削刃对井底的冲击和切削作用，使钻速降低。

在钻井过程中，滤失量过高，地层被浸泡，井壁不稳定，损害油气层；另一方面，泥饼厚而松散，摩擦系数高，易粘卡，引起钻头泥包或堵水眼、起钻上提遇卡、下套管遇阻，不利于电测，影响井身质量等。

一般要求钻井液具有适当低的滤失量和薄而致密坚韧的泥饼。

初切力与终切力的差值表示了钻井液的另一特征：触变性，即网状结构随静止时间的长短而恢复的程度。

差值越大，触变性越强，差值越小，触变性就越弱。

钻井液的触变性是指搅拌后钻井液变稀（切力降低），静止后又变稠（切力升高）的特性。

或者说，钻井液的切力随搅拌时间的增长而增大的特性。

一般用终切力和初切力的差值表示其触变性的大小。

恢复结构所需的时间和最终的胶凝强度（或切力）的大小，是触变性的主要特征。

动切力表示钻井液在层流流动时形成结构的能力，又叫屈服值。

实践证明，钻井液携带岩屑的能力随钻井液粘度的升高而增加；紊流携带岩屑优于层流；且钻杆旋转有助于岩屑的上返。

但紊流携带岩屑有以下缺点：要求钻井液排量大；岩屑下沉速度比层流大，对井壁冲刷力强。

实践证明，通过调节钻井液的流变性，提高动塑比值和降低钻井液的上返速度以实现平板型层流，对提高钻井液岩屑的能力有重大意义。

由于紊流的运动方向是紊乱而无规则的，且流速高，动能大，因此对井壁的冲击作用大，易引起地层坍塌。

而层流的运动方向都是向上的，一般平行于井壁，速度低，动能小，所以钻井液循环时，需要比较准确地计算出临界上返速度，以保证环空液流保持在层流状态而避免出现紊流。

当钻井液停止循环时，希望钻井液中的岩屑和加重剂能够稳定地悬浮着或下沉很慢，不出现沉砂卡钻。

在这里起决定作用的是钻井液的静切力和触变性。

静切力高，钻井液形成空间网架结构的能力强，悬浮能力强，触变性好；循环停止时，钻井液很快达到一定的切力值，有利于悬浮岩屑和加重剂。

3.3钻井液粘度对钻速的影响：钻井液粘度并不直接影响钻速，而是通过对循环压耗和井底净化等作用的影响而间接影响钻速的。

在一定的地面功率条件下，降低钻井液粘度，可以减小钻柱和环形空间的循环压耗，使钻头喷嘴处的压降增加，提高液流对井底的冲击力，加强清除岩屑，使钻速也相应地增加。

钻井液粘度高，在井底易形成一个类似粘性垫子的液层，它降低和减缓了钻头对井底的冲击力和切削作用，使钻速降低。

实践证明，钻井液的粘度越高，钻速越低，钻井液的密度是影响钻速的重要因素。

但须注意，影响钻速的粘度是指钻头喷嘴处紊流情况下的钻井液粘度。

4钻井液固相含量有用固相：指维持和调节钻井液性能所必须的固相，如膨润土、重晶石和一些固相处理剂有害固相：除有用固相以外的固相。

如岩屑、劣质土和砂粒。

4.1固相含量越低越好，一般控制在0.5％以下。

过大有以下危害：1、固相含量高，钻井液压力大，钻速低；2、固相颗粒越细对钻速影响越大，而且深入油层会造成永久性堵塞，油气层受损害严重；3、固相含量高、滤失量大时，泥饼必然厚，摩阻系数增大，因而易引起井下复杂情况的发生；4、固相含量高，钻井液的流变性难以控制，且流阻大，功耗多，钻井效率低；5、含砂量大，易造成钻头、钻具等机械设备的磨损；6、在固相含量高时，钻井液受外界影响大且敏感（如对温度、各种污染物等的影响变大）。

尽管如此，为了提供一些必要的钻井液性能，仍需要一定量的有用固相，如膨润土可提高钻井液粘度和切力，加重剂可提高钻井液的密度。

4.2降低固相含量的方法：1、机械除砂：利用振动筛、除砂器、除泥器等设备降低固相含量；2、化学除砂：加入化学絮凝剂，将细小的砂子变大而沉降；3、降低钻井液粘度有利于降低固相含量。

钻井液固相含量及其分散性对钻速的影响：固相含量对钻速的影响很大，不仅固相含量对钻速有影响，固相颗粒的分散度也对钻速有影响，实践证明，钻井液中小于1µm的胶体颗粒越多，对钻速的影响越大，因此，低固相不分散钻井液的推广使用越来越广泛。

4.3钻井液漏失量过大，泥饼厚而虚，会引起一系列问题：1、易造成地层孔隙堵塞而损害油气层，滤液大量进入油气层，会引起油气层的渗透率等物性变化，损害油气层，降低产能。

2、泥饼在井壁堆积太厚，环空间隙变小，泵压升高。

3、易引起泥包钻头，下钻遇阻、遇卡或堵死水眼。

4、在高渗透地层易造成较厚的滤饼而引起阻卡，甚至发生在压差卡钻。

5、电测不顺利，并且由于钻井液滤液进入地层较深，水侵半径增大，若超过测井仪器所测及的范围，其结果是电测解释不准确而易漏掉地层。

6、对松软地层、易泡垮易塌地层，会形成不规则的井眼，引起井漏等。

在钻井过程中，钻井液滤失量过高，泥饼厚而松散，对钻井很利，一方面，滤失量过高，地层被浸泡，井壁不稳定，损害油气层；另一方面，泥饼厚而松散，摩擦系数高，易粘卡，引起钻头泥包或堵水眼、起钻上提遇卡、下套管遇阻，不利于电测，影响井身质量等，一般要求钻井液具有适当低的滤失量和薄而致密坚韧的泥饼。

5因为钻井液的特性而造成钻进过程中钻具托压现象托压就是送钻的过程中，无论你是多么快的频率点送(带或者不带电磁刹车)，都无法振动工具面。

而工具面是螺杆弯方的朝向，它朝哪弯就朝哪打。

井口锁住螺杆钻具，开泵钻头顺时针转动。

尊重力学原理，螺杆本体必然有个逆时针的力，当钻头渐渐接触井底，这种逆时针的力慢慢减小。

这也就是缓慢加压，工具面在司显上慢慢的逆时针转至需要的角度。

当钻头很快吃掉了井底一段井深后，在往前探时，阻点将钻具拖住整体无法前行。

5.1井眼不干净，有岩屑床的存在：造成定向井定向过程中、直井反扣过程中托压的另一个原因是井眼不干净，下井壁有岩屑床的存在。

造成井眼不干净的原因主要有以下几点：5.1.1 泥浆的本身流变性能不好，不能满足携带岩屑的需求；5.1.2 泥浆泵排量不能满足要求使得钻井液在井眼中的上返速度达不到要求；5.1.3 在钻进的过程中长时间或长的井段不进行短起下作业及时挂拉井壁这些都是造成井壁不干净岩屑不能及时被清除的原因；5.1.4 指地面的净化设备差，即地面净化设备对被泥浆携带的有害固相、岩屑等清除的能力差，使得有害固相又重新进入井内。

5.1.5 另外就大井斜定向井及水平井来说45-90度本身存在一个岩屑携带困难。

在定向的过程中钻具与井壁是滑动摩擦，岩屑床的存在使得其间的滑动摩擦力增大，从而造成定向过程中托压。

岩屑床的存在一般是明化镇以下的地层，地层岩性较硬，对定向钻进影响较大。

对大井斜定向井及水平井来说在明化镇中施工很少有托压产生，而在沙河街、孔店中施工岩屑床的存在易造成托压。

5.2泥饼虚厚、泥浆的摩阻系数大：在定向井的施工中接单根、起钻时的上提拉力的大小除了与井眼净化等有关系以外与泥浆的摩擦阻力系数有很大的关系，摩阻系数越小钻具下滑的阻力也就越小，反之越大即易产生托压现象。

泥浆由于固相含量等原因造成泥饼虚厚时也易产生定向过程中托压，泥饼越虚厚与钻具的接触面积越大，易造成粘卡，泥饼需厚造成的钻具托压的现象与井眼轨迹不好造成的现象有所不同，由于泥饼需厚造成的托压在加大的压力后（如30吨钻压），有时会突然憋泵，在上提的过程中上提附加拉力会大于下放的压力。