钻井与完井工程教材第三章钻井液

第三章钻井液一口油气井钻井成功在很大程度上取决于钻井液的性质和性能。

钻井液始终是为钻井工程服务的，它的发展与钻井工程的发展紧密相关。

由于初期的钻井液是由最简单的泥土和水组成，“泥浆”就成为钻井液沿用至今的代名词。

实际上，这种称呼既不正确更不准确。

钻井液的定义是指具有各种各样功能以满足钻井工程需要的循环流体。

第一节钻井液的功能、组成和类型一、钻井液的功能油气钻井的基本功能是打开找油、找气和采油、采气的通道，是实现油气勘探开发的重要工程手段。

为油气钻井、完井服务是钻井液的目的，钻井、完井的需要是钻井液发展的动力。

因此，钻井液的功能就体现在油气井钻井、完井的两个方面，即在整个钻进过程中，要保持安全优质快速低成本钻井；在进入油气层时，要具有保护储层的作用。

所以，钻井液的功用也就是钻井、完井对钻井液的基本要求。

在钻井方面，钻井液的主要功能有①清洗井底，携带岩屑。

②冷却、润滑钻头和钻柱。

③形成泥饼，保护井壁。

④控制和平衡地层压力。

⑤悬浮岩屑和加重材料。

⑥提供所钻地层的地质资料。

⑦传递水功率。

⑧防止钻具腐蚀。

在保护油气储集层方面，钻井液（此时称完井液）的主要功用是保护油气层的渗透性，尽量降低对原始油气层物化性质的损害。

主要表现在以下两方面：①控制固相粒子含量及级配，防止固相粒子对油气层的损害。

②保持液相与地层的相容性。

二、钻井液的组成和类型钻井液属于复杂的多相多级胶体-悬浮体分散体系。

它既可以是固体分散在液体中，或者是液体分散在另一种液体中，也可以是气体分散在液体中，或者是液体分散在气体中所形成的分散体系。

钻井液的基本成分由分散相+分散介质+化学处理剂组成。

各相具体成分可以是：处理剂（各种维护分散体系稳定和调整分散体系性能的化学添加剂）。

在以水为连续相的水基钻井液中，通常用重量体积百分含量表示钻井液配方中各组分，不考虑处理剂本身的体积。

例如，某种水基钻井液组分为：1000ml水+ 50g膨润土+ 20g 处理剂。

用组分表示的钻井液配方为：5%膨润土浆+2%处理剂。

随着钻井工艺技术的不断发展，钻井液的种类越来越多。

目前，国内外对钻井液已有各种不同的分类方法，其中较简明的分类方法有以下几种：按照密度大小可将钻井液分为高密度钻井液和低密度钻井液，高低密度的界限一般为1.35g/cm3。

按照与粘土水化作用强弱程度可将钻井液分为抑制性钻井液和非抑制性钻井液；按照连续相性质可将钻井液分为水基钻井液、油基钻井液和气基钻井液。

根据美国石油学会(API)和国际钻井承包商协会(IADC)认可的钻井流体共有九个类别：①不分散钻井液；②分散钻井液；③钙处理钻井液；④聚合物钻井液；⑤低固相钻井液；⑥盐水钻井液；⑦油基钻井液；⑧合成基钻井液；⑨空气、雾、泡沫和充气钻井流体（俗称低压钻井液）。

1.不分散钻井液（Non-dispersed Drilling Fluids）该类型钻井液特指未经处理的天然泥浆或者仅仅轻度处理的泥浆，用在浅井或者上部井段钻进。

一般不添加处理剂或者用极少量处理剂处理。

需要说明的是，此处的“不分散”是指不作任何处理（或少量处理）的意思，与我国定义钻井液中加入有机高分子絮凝剂和包被剂以增强钻井液抑制性的不分散含义不同。

2.分散钻井液（Dispersed Drilling Fluids）该类钻井液是指以水、膨润土和各类分散剂（如木质素磺酸盐、褐煤或单宁）配制而成的水基钻井液。

通常用在需要高密度的中深井、深井或对井壁泥饼质量要求严格的地区钻井。

3.钙处理钻井液（Calcium treated Drilling Fluids）滤液中钙离子含量大于120mg/l的钻井液，其特点是抑制粘土水化和抗可溶盐侵污能力强。

根据提供钙离子的无机盐类型又分为石灰钻井液、石膏钻井液和氯化钙钻井液。

4.聚合物钻井液（Polymer Drilling Fluids）主要靠天然改性的或者人工合成的线性长链高分子聚合物调整钻井液的流变性、滤失性等工艺性能，由于长链高分子聚合物对钻屑有包被作用，因而对钻屑有比较强的稳定作用。

该类型钻井液可用于浅井、深井，是目前国内外使用最普遍的钻井液类型。

5.低固相钻井液（Low Solids Drilling Fluids）这种钻井液的核心是控制固相的总量和固相类型，以利于提高钻井速度。

其标准为：总固相体积百分含量在6~10%；粘土含量小于等于3%；钻屑与膨润土之比小于2。

6.盐水钻井液（Saltwater Drilling Fluids）主要指无机盐酸盐钻井液。

盐水钻井液的含盐量可由10000ppm到饱和含量。

盐的含量可来自配浆水、地面加盐或井下钻遇的岩盐层。

根据特定要求可采取各种不同的盐类（氯化钠、氯化钙、氯化镁、氯化钾等）。

7.油基钻井液（Oil Based Fluids）油基钻井液包括两种类型：纯油基钻井液和油包水乳化钻井液（又称逆乳化钻井液）。

纯油基钻井液仅由柴油（原油或白油）加上沥青或有机膨润土及有关化学处理剂组成，配方里面本身不含水，少量的水来自所钻进的地层。

通过酸、碱皂和柴油浓度的调节来维持粘度和凝胶性能。

主要用于油气层保护、井壁稳定和抗可溶盐侵污。

油包水乳化钻井液以柴油或原油作连续相，以氯化钙盐水或其它亲油粉末状物质作非连续相（乳化相），加入乳化剂等处理剂配制而成。

主要特点是：热稳定性高，有较好的防塌效果，对油气层损害小，常用于超深井的高温井段、钻进易塌地层和低压油气层。

8.合成基钻井液（Synthetic Drilling Fluids）合成基钻井液具有油基钻井液的性能却不对环境造成损害，该钻井液的主要类型为酯、醚、聚α－烯烃和异构化α－烯烃钻井液。

近年来已经发展了两代：第一代合成基钻井液，基液有酯类、醚类、聚α－烯烃(PAO)、醛酸醇等；第二代合成基钻井液的连续相是线性烷基苯、线性α－烯烃(LAO)、内稀烃(IO)、线型石蜡(LP)。

第一代合成基液比第二代润滑性能好、毒性低。

但第二代合成基液来源较广，生物降解(无论在有氧或厌氧条件下)速度快，粘度低，可配制低油水比(60/40~65/35)的钻井液(而第一代合成基液仅能配较高油水比(75/25~70/30)的钻井液)；因而第二代合成基钻井液成本低、对环境造成的影响小、钻井效率高。

9.空气、雾、泡沫和充气体系（Air、Mist、Foam and Aerated System）这四种钻井流体是服务于低压钻井技术的特殊流体。

空气是指经脱水后的干空气钻井流体，这种干空气以能够清除环空钻屑的速度注入井筒，保证钻进的正常进行，其它气体如氮气、柴油机废气等也具备这种作用；雾化钻井流体则是将起泡剂注入含水的空气流中混合形成；泡沫流体由表面活性剂和少量的粘土及部分聚合物与水组成，由于泡沫的循环粘度很高，其携带岩屑的能力很强。

充气流体依靠向钻井液中注入空气（降低流体静水压力）来实现消除井眼内钻屑的目的，与泡沫流体相比，充气流体的气液比相对较小。

第二节粘土胶体化学基础大多数钻井液是粘土-水的胶体悬浮体系，因而胶体悬浮体系的性能直接影响到钻井液的工艺性能，进而影响到钻井工程的安全。

学习钻井液中常用的粘土矿物和粘土胶体化学的基础知识，对于今后理解和掌握钻井液体系的稳定性原理、化学处理剂的作用原理和钻井液工艺性能的维护控制原理具有重要意义。

一、粘土胶体化学的几个基本概念相和相界面、分散相和分散介质、分散度和比表面积是粘土胶体化学中经常用到的几个基本概念，在学习本节之前，需要首先明确其概念并加以掌握。

1.相和相界面相是指物质的物理化学性质都完全相同的均匀部分。

体系中若有两个或两个以上的相，称为多相体系。

如纯水是单相体系，含有粘土的钻井液体系是多相体系。

相界面则是相与相之间的宏观物理界面。

通常，在相互接触的两相中，若某一相为气体，则相界面称为表面。

若是液相与固相的分界面，称为界面。

2.分散相与分散介质分散相是指在多相分散体系中被分散的物质。

分散介质则是分散相所在的连续介质。

例如，在水基钻井液中，粘土颗粒分散在水中，粘土为分散相，水为分散介质。

3.分散度和比表面积分散度是指分散相的分散程度。

分散相的分散程度越高，分散度越大，分散相就分散得越细小。

用数学式可将分散度表示为：L 11==颗粒平均直径分散度 （3-1）比表面积是单位体积（V ）或单位重量（W ）物质的总表面积。

用数学式表示为：W SV S==比表面积 （3-2）（3-2）式表明，比表面积越大，物质分散得越小，分散度就越高，两者有相互对应的关系。

二、主要粘土矿物的晶体构造和特点粘土是岩石学上的一种称谓，是岩石经过长期地质作用后的产物，主要由粘土矿物和少量非粘土矿物组成的细粒粘滞土状物质。

粘土颗粒的粒度通常小于2～5微米，主要矿物成分由粘土矿物、非粘土矿物和胶体矿物组成。

粘土矿物是含水的层状及层—链状构造铝硅酸盐的总称。

其特点是具有相对固定的化学组成和确定的内部结构—内部格子构造。

1.粘土矿物的两种基本构造单元（1）硅氧四面体与硅氧四面体片硅氧四面体由一个硅离子和四个等距的氧离子配位组成的正四面体。

硅离子在四面体的中心，氧离子在四面体的顶点。

硅离子与各氧离子之间的距离相等，如图3-1所示。

在图中，四面体底面三个氧离子组成基底氧，四面体顶点一个氧离子为顶端氧。

氧离子之间距离2.61×10-1nm 。

硅离子与氧离子距离o Si 图3-1 硅氧四面体如有你有帮助，请购买下载，谢谢！为1.61×10-1nm。

单个四面体与若干个相邻四面体通过底氧相连，构成平面连续的四面体晶格。

见图3-2。

四面体片的分子式为【Si4O10】4-.。

由图3-2可见，四面体片所有基底氧排列在同一个平面上，所有顶端氧在另一个平面上，平面投影形成正六角形的三层空心六角环网格。

由于四面体片含有负电荷，所以，在实际矿物结构中，四面体片在粘土中不能独立存在，仅能以与阳离子和附加氧离子结合的形式存在。

（2）铝氧八面体与铝氧八面体片铝氧（有时为铝-氢氧）八面体的六个顶点为氧离子或者氢氧离子团，铝、铁或镁离子处于正八面体中心，六个氧离子或氢氧离子处于八面体顶点，如图3-3所示。

八面体中心位置通常由体积较大的阳离子Al3+、Mg2+、Fe2+和Fe3+配位，而不适应象Ca2+、Na+或K+等体积更大的阳离子配位。

在图中，八面体氧离子之间距离为2.60埃，氢氧离子之间距离为2.94×10-1nm。

铝氧（氢氧）八面体片是由单个八面体与相邻的八面体通过共用晶棱连接起来，顶端和底端氧离子则构成两个平行的平面（每个八面体同相邻的六个其它八面体通过共用氧（氢氧）连接，如图3-4所示。

如果每三个八面体中心只有二个中心被Al3+、Fe3+等三价离子占据，留下1/3空位，这种晶片特称为二八面体晶片，又叫铝氧片。