第三章 钻井液

续相；
②油浆或油相钻井液，常由氧化沥青、有机酸、碱、各种药剂 和柴油混合而成。
常用于钻开油气层或异常低压地层，以及易发生粘卡的地层。
9、空气、雾、泡沫和气体体系。 常用于欠平衡压力钻井技术。
第三节 钻井液的性能
一、钻井液的密度
钻井液的密度指单位体积钻井液的质量。
二、钻井液的流变性能
液体分为牛顿液体和非牛顿液体，非牛顿液体又分为塑
钻井液中固相含量(体积％) 图3-3 钻井液中固相含量相同时 钻井液类型对钻速的影响
二、固相控制方法
1．大池子沉淀 利用固相与液相的密度差，在重力的作用下，钻屑从钻 井液中沉降下来。 2．清水稀释 向钻井液中加水，固相含量相对减少。 3．替换部分钻井液 用水或固相含量低的钻井液替换部分固相含量高的钻井液，从 而达到降低整个钻井液固相含量的目的。
6、饱和盐水体系。饱和盐水体系具有189g／L的氯根浓度。
盐水体系具有6～189g/L的氯根含量。主要用于钻盐岩层与泥页 岩易塌地层，具有较强的防塌能力。 7、完井修井液体系。具有抑制粘土膨胀保护储层的作用。 由经高度处理的钻井液(封隔液)和混合盐或清洁盐水组成。
8、油基钻井液体系。
包括两种类型： ①反相乳化钻井液，是属油包水流体，以水为分散相，油为连
dx
pv
pv 称之动塑比，反映钻井液中结构强度和塑性粘度的比例关系。它 o pv ＝0.36～0.48之间。
决定钻井液在环空中的流态，与钻井液携带岩屑效果密切相关。一般情 况下要求
(二)假塑性流型和膨胀流型
k dv

dx

n
n流性指数，表示假塑性流体在一定流速范围内的非牛 顿性程度， n ＜ 1 时为假塑性流体； n ＞ 1 时为膨胀型流体。
A点的表观粘度 AvA A dv

dx A

而B点的表观粘度 AvB B dv

dx B

说明钻井液在不同流速梯度下的表观粘度是不同的。
图3-1 四种基本流型
对塑性流体 o pv
dv dx
o ，表观粘度为： Av dv

o
屈服值是与层流时体系中网架结构的密度和强度有关，故 / dv o dx 称为钻井液的结构粘度，故塑性流体的表观粘度 Av pv 结构
(二)几种滤失的概念
1．瞬时滤失 在滤饼尚未形成的一段时间内的滤失称为瞬时滤失。 影响瞬时滤失的因素包括地层孔隙大小、钻井液中固 相含量及颗粒尺寸分布、钻井液及滤液粘度等。
2．动滤失
钻井液在井内循环流动时的滤失过程称为动滤失。动滤 失的特点是滤饼薄，滤失量大。它除了受地层条件、压差、 钻井液中固相类型和含量及粘度影响外，钻井液的流变参数 与动滤失密切相关，平衡滤饼的厚度与钻井液的流速与流态 有关。 3．静滤失 钻井液在停止循环时的滤失过程称为静滤失。
图3-5 聚合物全絮凝作用机理示意图
3．聚合物絮凝剂的加量 达到最佳絮凝效果的加量：聚合物絮凝剂的加量为钻井液 中固相饱和吸附量的1/2。
第五节
井塌及防塌措施
井塌就是指井眼不稳定，即井壁岩石碎块掉入井内的现象。
一、井塌的征兆与危害
1．滤失时间
V f 2 V f 1 t2 t1
式中 Vf2——时间t2时的未知滤矢量，mL；
Vf1———时间t1时的已知滤失量，mL。
例：如果7.5min内的滤失量Vf1是5mL，则在30min内的 滤矢量将是：
V f 2 5 30 7.5 10
mL
2．压差 滤矢量应该与压差的平方根成正比。但在泥饼的情况下并 非如此，要根据所形成滤饼的性质决定。 3．温度 温度升高引起滤液粘度下降，导致滤失速率增加。
1．携岩 2．冷却和润滑钻头及钻柱 3．造壁性能
4．控制地层压力
平衡地层压力的钻井液密度：
d
式中： D —井深，m；
pp 0.00981 D
d —钻井液密度，g／cm3；
p p —地层压力，MPa。
再加一附加值 (g／cm3)。 对于气层，附加值为0.07～0.15g／cm3；对于油层，附加值 为0.05～0.10g／cm3。
1．静滤失量
静滤失量即常称的 API滤失量，用API滤失量仪测定， 是 在 常 温 、 0.7MPa 压 差 下 测 量 30min 所 得 的 滤 液 体 积
（mL）。
钻油气层时，API滤矢量不能高于5mL。
2．高温高压滤失量 试验在 150℃温度、 3.5MPa 压差下 30min 所测得的滤失 量值乘以2即得高温高压滤矢量。 钻油气储层时，高温高压滤失量不得大于15mL。
第四节 钻井液的固相控制
一、钻井液中的固相对钻速的影响
1．固相含量对钻速的影响 如图3-2所示。钻速随固相含量升高而下降，固相含量 每降低1％，钻速至少可提高10％。 2．固相类型对钻速的影响 如图3-3所示。从图中可以看出：固相含量相同时，用
不分散钻井液体系，其钻速大于分散钻井液体系的钻速。
钻井液中固相含量(体积％) 图3-2 钻井液中固相含量与钻速的关系
(四)降滤失剂及其作用机理
1．护胶作用 一方面能吸附在粘土颗粒表面形成吸附层，以阻止粘土颗粒 絮凝变粗； 另一方面能把在钻井液循环搅拌作用下，所拆散的细颗粒吸 附在分子链上，不再粘结成大颗粒，而形成薄而韧的泥饼，称之 为降滤失剂的护胶作用。
2．增加钻井液中粘土颗粒的水化膜厚度，降低滤失量 降滤失剂吸附于钻井液中的粘土颗粒上，使粘土颗粒周围 的水化膜增厚，形成的滤饼在压差作用下容易变形，滤饼的渗
第三章
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节
钻井液
钻井液的定义和功用 钻井液的组成和分类 钻井液的性能 钻井液的固相控制 井塌及防塌措施 油气层保护及完井液
第一节 钻井液的定义和功用
一、钻井液的定义
钻井时用来清洗井底并把岩屑携带到地面、维持钻井操 作正常进行的流体称为钻井液或洗井液。
二、钻井液的功用
三、聚合物絮凝剂
1．聚合物絮凝剂的类型 (1)全絮凝剂：聚合物能使钻井液中所有的固相都发生絮
凝沉淀，如聚丙烯酰胺。
(2)选择性絮凝剂：只絮凝钻屑和劣质土，而不絮凝膨润
土的聚合物絮凝剂，如合适水解度的部分水解聚丙烯酰胺。 常用的有机聚合物絮凝剂有聚丙烯酰胺(PAM)、部分水解 聚丙烯酰胺(PHP)、80A—51、醋酸乙烯酯—顺丁烯二酸酐共 聚物(VAMA)。
o pv
dv dx
3．塑性流型的流变参数及物理意义
(1) s (静切力，静切应力)：使钻井液开始流动所需的最低切应力， 它是钻井液静止时单位面积上所形成的连续空间网架结构强度的量度。
(2) o (动切应力，屈服值)：延长流变曲线直线段与切应力轴相交
得，它是一假想值，反映钻井液处于层流状态时钻井液中网状结构强 度的量度。
o (3) pv 塑性粘度： pv dv / dx
塑性粘度是塑性流体流变曲线段斜率的倒数，它不随剪 切力而变化。 它是由流体在层流状态下体系中固相颗粒之间、固相颗 粒与周围液相间以及液相分子间的摩擦形成的。
(4)表观粘度 Av ：表观粘度又称视粘度或有效粘度。它 是在某一流速梯度下剪切应力与相应流速梯度的比值，见图 3-1：
(三)影响静滤失量的因素
K Vf A Cc Cm 1 pt 10

式中 Vf—钻井液的滤失量，mL；
A——过滤面积，cm2；
K—滤饼的渗透率； Cc—滤饼中固相含量(以体积计)，％； Cm—钻井液中固相含量(以体积计)。％；
Δ p—压差，MP；
t—滤失时间，min
μ —钻井液滤液粘度，mPa· s。
2．其它流变参数 用六速旋转粘度计测得 600r／ min和300r／ min表盘读数 (φ 600，φ 300)，就可计算下列流变参数。 表观粘度： Av ＝0.5φ 600(mPa· s)
塑性粘度：
pv ＝ φ 600一φ 300(mPa· s) pv )(Pa)
600 300 （无因次）
二、钻井液的分类
1、不分散体系。 2、分散体系。
3、钙处理体系。含Ca2+>120mg/L，用以控制易塌页岩及井眼
扩大。 4、聚合物体系。能够有效地增加粘度，降低失水和稳定
性能；可以减少为维持粘度所需的膨润土用量；稳定性好；润
滑性能好。
5、低固相体系。总固相含量大约在6％～10％。膨润土固
相少于3％，其固相与膨润土的比值应小于2：1。可以明显地提 高钻速。
n
动切力(屈服值)： o ＝0．511(φ 300一 流性指数：n＝3．321g
600 稠度系数： k 0.511
1022
(mPa· sn)
三、钻井液的造壁性能及降滤失量剂
(一)滤失和造壁过程 钻井液中的液体(刚开始也有钻井液)在压差的作用下向 地层内渗滤的过程称为钻井液的滤失。 滤饼在井壁上的形成过程称为造壁过程。
4．固相含量及类型
Vf Cc Cm 1
，Cc／Cm 比值下降，就会降低滤失量，使
Cm 增大或使Cc 降低。Cc 越小，说明滤饼中固相含量越低；
而水分含量越高，粘土颗粒的束缚水就多，在压差作用下易 于变形，使滤饼渗透性降低，失量减少。
5．滤饼的渗透率
主要取决粘土类型及其颗粒的尺寸、级配、形状和水化 程度。
透率降低。
3．提高滤液粘度，降低滤失量
4．降滤失剂分子本身的堵孔作用 常用的降滤失剂有：Na-CMC(羧甲基纤维素钠盐)， SMP(磺化酚醛树脂)、NH4HPAN(水解聚丙烯腈铵盐)、 Na-HPAN(水解聚丙烯腈钠盐)、Ca-HPAN(水解聚丙烯 腈钙盐)、SPNH(磺化褐煤树脂)及PAC系列产品。
5．循环停止时悬浮钻屑和加重材料，防止下沉（即悬 浮作用） 6．从所钻地层获得资料 7．传递水力功率
第二节 钻井液的组成和分类
一、钻井液的组成
1、液相：液相是钻井液的连续相，可以是水或油。 2 、活性固相：包括人为加入的商业膨润土、地层进
入的造浆粘土和有机膨润土(油基钻井液用)。
3、惰性固相：惰性固相是钻屑和加重材料。 4、各种钻井液添加剂。
一般要求n值在0.7～0.4之间。
k稠度系数，与流体在1s-1流速梯度下的粘度有关，k值 越大，粘度越大。
(三)流变参数的测定
1．静切力（六速旋转粘度计） 一般要测定初切(10s切力)和终切(10min切力)。
初切测定：将钻井液在 600r ／ min 下搅拌 10s ，静置
10s 后测得 3r／ min 下的表盘读数，该读数乘以 0 ． 511 即得 初切力(Pa)。 终切测定：将钻井 液在 600r ／ min 下搅拌 10s ，静置 10min后再测得3r／min下的表盘读数，该读数乘以0．511， 即得终切力(Pa)。
4．利用机械设备清ຫໍສະໝຸດ Baidu固相
固相分离的设备有振动筛（清除0.5mm以上）、旋流分离 器和离心机（清除2～5μ m以上的粗颗粒）三大类。根据清除固
相颗粒尺寸不同，旋流分离器又分为除砂器（一般在74μ m以上，
也可以分离少部分40～74μ m的固相颗粒）、除泥器（ 10～ 74μ m的固相颗粒）和超级旋流分离器（ 5～l0μ m的固相颗粒） 三种。
2．有机聚合物絮凝剂的作用机理
絮凝作用分三个步骤： (1)吸附：通过分子链上的吸附基团(如羟基-OH、酰胺基CONH2)与粘土表面的氧原子或氢氧原子之间形成氢键而发生吸 附，同时通过分子链上的离子化基团 (如羧钠基-COONa)还可以 与粘土颗粒断键边缘产生静电吸附。
(2)架桥：由于絮凝剂的分子链较长，分子链上有多个吸 附基团，所以一条长链上可以同时吸附多个粘土颗粒，这一 作用过程就是长链分子在粘土颗粒间的架桥作用。 (3)形成团块，在重力作用下下沉：当架桥作用完成后， 聚合物分子链本身及其链段发生旋转和运动 ( 称之痉挛 ) ，将 小的粘土颗粒聚集到一块，形成絮凝固块，在重力作用下絮 凝团块下沉，从钻井液中除去，全絮凝作用机理见图3-5。
性液体、假塑性液体和膨胀型液体三种类型。
(一)塑性流型
1．塑性流型的特点 (1)所加切应力达到某一最低值之后
才开始流动，这个最低切应力称为静切应
力。 又称凝胶强度。 (2)当切应力继续增大，流变曲线出
现直 线段，称为动切应力或屈服值。
图3-1 四种基本流型
2．塑性流型的流变方程
引入屈服值后，塑性流体的流变曲线可用下列方程描述：