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。