第6章钻井液

第六章钻井液

第一节钻井液的功用和组成(钻井的血液)

一、钻井液的种类和发展

种类：清水、自然造浆、泥浆（细分散、粗分散、不分散、油基、水基）、乳化钻井液、泡沫钻井液、气体钻井液。

1、旋转钻井初期用清水钻进，遇井下粘土层自然造浆，这一时期称为自然造浆阶段。(1901～1920年）

2、在清水中加入粘土和分散剂，使粘土充分分散以提高其稳定性，这一时期称为细分散阶段。（1921～1942年）

3、为提高泥浆的抗钙污染能力，加入一些抗钙处理剂（无机絮凝剂，如石灰、石膏、氯化钙等）使粘土处于适当絮凝状态（初分散），这一时期称为初分散阶段。（1942～1965年）

4、为提高钻速和适应喷射钻井的需要，在泥浆中加入有机絮凝剂，使粘土不分散，这一时期称为不分散阶段。

★5、八十年代开始重视和研究钻井液对储层的损害问题，因而进入了钻井液的保护储层阶段。

二、钻井液的基本功用

1、清洁井底

2、携带和悬浮清除钻屑

环空返速（0.6～1 m/s）＞钻屑沉降速度→钻屑上行

迟到时间（深井0.5～1h）：钻屑自井底升到井口所需时间

3、保护井壁（泥饼）

4、冷却、润滑钻头和钻柱

5、控制与平衡地层压力（密度）

★6、提供地层有关资料和信息（泥浆录井提供油、气、水和地层压力资料）。

在钻井作业过程中，钻井液直接与地层接触，并且不断地从地下循环到地面上来，因而地层的情况总会或多或少地在钻井液中被反映出来。因而我们可以通过钻井液间接和直接的来了解地层的情况。这就是钻井液的录井功能。

比如，正在钻进地层的钻屑是通过钻井液的循环而被带到地面，因而我们便可以从这些钻屑来了解地层的岩性特征和划分地层层位。

钻遇水层时，地层水的侵入会使钻井液的密度降低、粘度降低、含盐量和氯根含量发生变化。

钻遇气层时，钻井液的密度下降、粘度上升、并且可以闻到浓烈的天然气味和见到很多气泡。

钻遇油层时，钻井液的密度、粘度等也会发生变化，钻井液中也会见到原油。气相色谱测井就是在钻井过程中连续测量泥浆中各种烃类含量的变化从而发现油气层。

6、传递水功率（井下动力钻进）

7、直接或辅助破岩（喷射钻井）

★8、保护储层（最新发展）。

三、泥浆的组成

1、组成：

水基泥浆━━水、粘土、各种添加剂（活性固相，惰性固相）

油基泥浆━━油、粘土、各种添加剂。

2、粘土结构

粘土矿物的两种基本构造单元

硅氧四面体：一个硅原子与四个氧原子（或氢氧）以等距相连，硅在四

面体中心，氧在四面体顶点。（片状结构）

铝氧八面体：两层紧密堆叠的氧和氢氧组成，铝（或镁）原子居

于正八面体中心。

氧

粘土矿物：

蒙脱石（搬土）、伊利石、高岭石、海泡石 3、粘土水化

粘土在水中吸附一层水形成水化膜，水化膜的厚度取决于粘土片上结合的阳离子种类和数量。---→分散作用

粘土颗粒（片体）的双电层

负电荷来源：晶格取代，四面Al +3→Si +4，八面Mg +2→Al +3 裸露的OH 层的电离 吸附阴离子 4、粘土颗粒间的连接方式

片状粘土颗粒平面上带负电荷，边缘表面带正电，边面上晶格破裂有一断键→面－－面连接，边－－边连接，边－－面连接 （1）分散作用：片间分离

（2）聚结作用：面－－面相连，石膏层Ca ++→聚结

（3）絮凝作用：边－－边、边－－面连接→空间网架颗粒间斥力↓，水化膜厚度↓→絮凝↑

（4）解絮凝作用：化学剂→水化膜厚度↑→絮凝↓ 5、粘土造浆率

一吨粘土配成视粘度为15 mPa.s 的钻井液的量。

第二节 泥浆性能

钻井液的性能是由多项指标来反映的，常用的评价指标有：密度、粘度、切力、失水量、泥饼、pH 值、含盐量、氯根含量、固相含量等，通过这些性能指标我们可以知道钻井液是否满足其基本功能的各项要求。

图 搬土结构及水化

一、密度

定义：单位体积钻井液的重量，用ρ表示，单位是“g/cm3”。

作用：平衡地层压力、防止井喷、稳定井壁

密度↑↑→钻速↓──→控制好钻井液密度

→井漏，要求近平衡钻井。

确定：根据地层压力、地层破裂压力、地应力来确定钻井液的密度，既要考虑井眼的稳定和清洁，又要考虑提高钻速。

钻井液密度的公式：

ρ＝Ｐ／9.81Ｈ＋β

式中：

ρ－钻井液密度，克／厘米3;

Ｐ－地层压力，千帕；

Ｈ－井深，米；

β－附加安全值（取0.1～0.2），克／厘米3。

调整：可通过调节其固相含量或加入加重剂（如重晶石、钛铁矿ρ＝4.5）的办法加以控制。当地层流体（如地层水、原油、天然气）侵入后则会降低钻井液的密度。

测量：密度秤

二、粘度

粘度：流体流动时，液体中固体颗粒之间以及分子间摩擦力的综合反映。

粘度用η表示，单位是mPaS（厘泊）。

粘度↑→悬浮岩屑，携带岩屑，防止井漏；

→流动阻力↑，功率损耗↑，钻速↓，固控效率↓；

剪切应力：抵抗流体流动的力，τ；

剪切速率：垂直于流动方向单位长度流速变化量；

流动特征（流变曲线）：剪切速率与剪切应力关系（曲线）；

有效粘度（表观粘度，视粘度）：某一剪切速率下剪切应力与该剪切速率之比。

剪切稀释性：

牛顿流体：符合牛顿内摩擦定律的流体。

τ＝η

塑

（ｄｕ／ｄｘ）非牛顿流体：不符合牛顿内摩擦定律的流体。流变模式：

(1) 宾汉模式

τ＝τ

0＋η

塑

（ｄｕ／ｄｘ）

τ

：屈服值，动切力；

因素：固相颗粒的表面性质、带电状况，液相中离子的类型和浓度。

η

塑

：塑性粘度；

因素：固相颗粒的浓度与分散程度

(2) 幂律模式（指数模型）

τ＝Ｋ（ｄｕ／ｄｘ）ｎ

适用于低剪切速率（＜511 S-1区）

Ｋ：稠度系数→流体的可泵性

ｎ：流性指数→非牛顿特性的程度

(3) 赫—巴模式

τ＝τ

＋Ｋ（ｄｕ／ｄｘ）ｎ

粘度测量：

(1) 漏斗粘度

(2) 旋转粘度计3,6,100,200,300,600 r/min

三、触变性和切力

由于大多数钻井液是粘土和水配制的胶体－悬浮体，因而它有形成结构的能力。

触变性：在流动时钻井液的结构被破坏，而在静止时又恢复其结构。

钻井液视粘度随剪切速率的增加而减小。

切力：反映钻井液触变性的指标，流体静止一段时间后，由于粘土颗粒相互吸引而形成的胶体强度。