钻井液与固控系统(西南石油大学 罗平亚院士)

钻头进尺 (m) 钻头消耗数
250 70
60
200
50 150
40
30
100
20 50
10
3
2 1
0
5
10
15
钻井液固相含量 (%)
1-钻头进尺；2-钻进时间；3-钻头消耗数
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研究发现: ⑴所有固相颗粒都影响机械钻速 而粘土影响最大,以8—10% (质量比)为一转折; ⑵固相含量相同时,小于1微米的 颗粒比大于1微米的颗粒机械 钻速降低12倍
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2.泥饼质量变差、增厚，将导致井下复杂情况。 钻井液的功能之一是在井壁周围形成泥饼。若钻井液中
的岩屑增多将导致泥饼变厚，而这种泥饼质地松软(特别是分 散的岩屑在泥饼中容易形成厚而松的假泥饼):
⑴在厚泥饼使井径变小后，必然增加钻柱运动阻力，摩 擦系数增大，致使钻柱扭矩增大；打定向井、水平井、大位 移井时问题更为突出,甚至钻井无法进行。
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一.钻井液与固相控制 ㈠.钻井液及其功能
满足钻井工程需要，解决钻井中的难题，帮助钻 井新技术实现,在钻井中循环应用的流体。 1.满足钻井工程的基本需要： 建立循环：清洗井底、带出钻屑，悬浮钻屑 对付地层流体（油、气、水） 冷却钻头
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2.防止和解决钻井过程（包括使用泥浆本身）所产生的困难和 复杂问题:井漏、井壁不稳定(缩径、井塌、井壁掉块……)， 伤害油层,压差卡钻;井筒压力控制……。
当钻井液与井壁岩石接触时，在压差作用下钻井液将进入井壁地层， 岩石孔隙、裂缝尺寸大于泥浆中各种粒子，则泥浆进入地层（漏失）； 若岩石孔隙裂缝尺寸小于泥浆中大部分固相粒子，则泥浆向地层发生滤 失。在滤失过程中泥浆固相在地层井壁表面发生过滤，其固相粒子沉积 其上形成滤饼（泥饼），过滤过去的液相称为失水（滤失量）。这个滤 失过程是一客观存在，它对井壁稳定，油层保护、防止压差卡钻……有 直接关系，必须严加控制（低失水，好泥饼），因此就产生了泥浆的 “失水造壁性”这个特殊的重要性能。
⑵起下钻时挂卡情况加剧，特别有假泥饼时情况更坏， 其结果导致动力消耗增大、钻柱寿命缩短、钻具事故增多。
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⑶容易引起压差卡钻。 若在渗透性地层这种泥饼会更厚,一但钻具不居中,则陷入泥饼中,泥
饼越厚陷入面积越大,此时钻柱就会受井内钻井液液柱压力与地层压力之 间的压差作用而被紧紧地压在井壁上,而无法拔出(压差卡钻)。这在深井、 高温、重泥浆情况下至今仍是未很好解决的重大百度文库术难题。打斜井或定 向井时问题更为突出。
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三、固相控制系统 ㈠、 固液分离基本原理
沉降原理 动态过滤原理 旋流分离原理 ㈡、钻井液固相控制方法 稀释法 替换法 自然沉淀法 化学沉淀法 机械清除方法
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㈢钻井液振动筛 为钻井液处理的第一级固控设备，首先将从井底返出钻井液中的较
钻井液与固控系统
1
石油钻井机械与装备为油气钻井工程服务； 钻井工程为油气勘探开发服务； 钻井液技术为钻井工程服务
为满足油气钻井工程技术不断提高的要求, 石油钻井机械 与装备得到不断发展；
石油钻井机械与装备的发展保证和促进了钻井工程技术发 展；
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钻井工程为油气勘探开发服务,对所设计的探井或开发生产井: 打得成(消除、减少井下复杂与事故,保证钻井本身安全及公 共安全，保证把井到到设计井深与层位) 打得快(提高机械钻速；消除、减少井下复杂与事故) 打得好(井身质量好；井眼轨迹合符要求；保护油气层) 打得省(成本合理) 核心：减少井下复杂与事故;提高机械钻速,这是一个系统工 程，而钻井液技术是其关健之一
量由0.3%增加到0.6%，活塞使用寿命即由400小时降到70小 时。
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5.堵塞油(气)层通道 打开油气层时,在压力差作用下，钻井液中小于油(气)层孔隙的固相颗
粒随滤液进入油(气)层，直到被孔径更小的孔隙堵住为止。这样必然使油 (气)层的渗透率下降。当进行采油(气)时，仅借助于原油(气)进入井口的 反向流动力是很难解除这种堵塞状态的，从而造成油(气)层的永久性损害。
重晶石粉(200目) 碳酸钙粉(200目) 铁矿粉(200目)
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㈡、无用(有害)固相 泥浆在使用中必然有大量地层钻屑和井壁坍塌物混入，
且必然被分散磨细，成为粒径大小不等的微粒，其中石灰 炭、花岗岩等可能达到几百微粒(100-200目);
而泥页岩中粘土混入，混入泥浆的大量粘土，也因 水化作用和泥浆中胶体稳定剂的作用而高度的分散，使体 系成为胶体—半胶体—悬浮体的多级分散体系(达到微米 级)。这种作用叫地层或岩屑造浆，它使泥浆中粘土含量 不断升高，从而泥浆性能及其功能发挥带来十分不利的影 响，成为泥浆技术必须解决的重大问题。
研究表明：有害固相对中低渗率油(气)层的损害尤为明显，小于油(气) 层孔隙的固相颗粒含量越高,分散度越高对油(气)层的损害越大，侵入油 层深度越大，渗透率降低越多,越难恢复，对油(气)层的损害越严重。
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因此: 钻井液固相控制是保证钻井打得成、打得快、打得好、打 得省必须进行的工作,也是钻井新技术发展必要的保证。 钻井液固相控制必须要保护有用固相,而清除有害固相(重 点是粘土),即有“选择性”. 钻井液固相控制既要保证钻井液固相总量控制;又要使固 相粒度和级配控制在合理范围之内。
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㈢、无用(有害)固相对泥浆性能与功能的不利影响 1.增加泥浆粘度
石灰炭、花岗岩等固相的侵入对泥浆粘度增加的增加影响不大; 而泥页岩中混入粘土，因水化作用产生地层或岩屑造浆，它使泥浆 中粘土含量不断升高，可能造成井浆的粘度大幅度上升,甚致丧失流动 性、无法维持正常钻进,引发事故并大大增加泥浆维护成本。这在深井 (>5000M)、高温(≥180℃)、重泥浆(密度≥2.00)的情况下引起的粘度上 升,至今仍是未解决的重大技术难题。固相(粘土)含量越大,其分散度越 高(颗粒越细)对泥浆粘度增加越大。
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6.润滑性： 泥并润滑性、极压润滑性…，深井、高密度泥浆；水平井、
大位移井、分支井必须要的特性 7、其它：
PH、含砂量…… 随钻井技术的发展而不断变化
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㈢.钻井液类型 它分为水基、油基、气基几大类，我国现在以水基钻
井液为主。 水基钻井液:是以粘土为分散相在水中稳定的多级分散体
系。属于胶体,悬浮体混合分散体系（0.05μ—1μ）。 基本组成：水+粘土+各种处理剂+专用材料
油基钻井液：它是以有机土或其它油分散固体为分散相 在油中的稳定的多级分散体系。属于油的胶体—悬浮体混 合分散体系；
基本组成：油（代用品)+有机土（油分散固相）+处理 剂+专用材料（加重……）
气基钻井液：以气体（空气、氮气、天然气）为基础， 雾、（泡沫）
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㈣.水基泥浆发展过程 1.自然泥浆体系 水在钻井中地层自然造浆 2细分散泥浆体系：以分散剂保证配浆般土高度分散来实现泥浆体
100
机械钻速 （m/h）
80
60
40 0
0.02
0.04
0.06
0.08
粘度 (Pa·s)
0.10
0.12
0.14
机械钻速与钻井液粘度的关系
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为提高机械钻速发展了高压喷射钻井: 大机泵(高泵压18MPa—35MPa); 新型钻头; 低固相(≤4%V)不分散(地层粘土不分散)泥浆(严格固控)
4.缩短机械设备及井下钻具的寿命 根据钻井泵易损件的摩擦磨损试验表明，钻井液中的含砂
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1.造浆搬土 目前钻井液必须使用搬土，而且搬土必须高度分散（粒
径＜1-2μm)，成为一种搬土在水中高度分散的多级分散胶 体--悬浮体，此分散体系的稳定性及内部结构状态是体系的 宏观性能的内在依据，必须靠各种化学处理剂（分散度稳 定剂、分散剂、护胶剂）来实现,分散稳定剂的种类及其作 用机理不同，即决定了泥浆不同的类型。 2.泥浆加重材料
这是泥浆工艺技术之一，主要困难是受泥浆 流变性及加重剂密度所限制。
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2.钻井液流变性 为起到携带钻屑，悬浮钻屑，悬浮重晶石，有效传递动压
和水马力，（减少沿程压降）的作用,及减小或消除其副面作 用，钻井液必须要有合符要求的流变性：
⑴适合于泥浆的流变性：常用的（本构方程） 宾汉流型： 幂律流型： 卡森流型： 不同泥浆适用于不同的本构关系，而幂律最常用，宾汉次之。
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4、抑制性 这是关系到井壁稳定，油层损害与保护，泥浆自身
性能及其稳定的重要性质； 抑制性是指泥浆本身对粘土水化、膨胀、分散作用
的抑制性。 如何尽可能提高抑制性一直是泥浆技术的重点和难
点，至今并未完全达到所希望的水平。 使用油基泥浆的初衷也是基于这一考虑。
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5.封堵性(封堵能力): 这是关系到井壁稳定，油层损害与保护，提高地层承压能力 的重要性质； 封堵性能是指泥浆(通过其某些组分)借助物理、化学…等作 用对井壁地层的微裂缝,孔隙喉道进行填充、封堵的能力。 如何尽可能提高泥浆封堵能力目前是泥浆技术发展的重点和 难点，至今并未完全达到所希望的水平。
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二、泥浆中固相对泥浆性能与功能的影响 (为什么要固控,以水基泥浆为例)
㈠.钻井液中必须含有的固相 (必须保留在泥浆中有用固相) 钻井液中固相以颗粒存在,颗粒的大小不等，大小固相颗
粒的含量也不等。固相颗粒的大小称为粒度(即粗细程度)。 各种大小固相颗粒占固相总量的百分数比称为级配(级数分 配)。
薄泥饼
井壁 泥饼
厚泥饼
钻具
泥饼厚度对钻柱粘附面积的影响
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3.降低机械钻速，如图所示: 固相含量每降低l%，每只钻
头的进尺数即可提高7～10%； 固相含量在10%范围内时，
钻头的消耗数几乎随固相含量的 增加呈线性增加;表明钻头消耗量 随钻井液固相含增加而剧增，即 钻头寿命缩短。
钻一口井所需时间(即钻进 时间)也随固相含量的增加而增加。
钻井过程中不可避免产生的井下复杂情况，在本质上与它紧密相关， 它与井下漏、喷、塌、卡直接相关，与钻速密切相关，与泥浆流变性、 造壁性、抑制性……等主要性能密切相关。因此合理的泥浆密度是现代 钻井技术的首要问题，也是至今国内外都没有完全解决，又急待解决的 重大技术难题。
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钻井液密度：一般1.00—2.50（已过关） 低压欠平衡钻井：0—1.00（基本过关） 超高压（国内）钻井：2.50—3.00（难点）
系的建立和功能的实现 3.粗分散泥浆体系：以分散剂+无机聚凝剂，以保证般土的适度分
散（按要求），来实现泥浆体系的建立和功能的实现 4.聚合物不分散泥浆体系：以有机高分子处理剂为主，控制造浆般
土的分散度，利用聚合物的聚凝,包被作用，抑制地层粘土造浆， 以保持低固相来建立的泥浆体系 5.无粘土相泥浆体系：利用特种聚合物代替般土来建立泥浆体系和 实现功能（还未实现）
3.保证钻井技术的进步和促进钻井技术的发展 传递动力、能量，参与破岩：高压喷散钻井水力破岩，
井下动力钻具;信号传输（MWD,LWD），解决大位井、分支井、 特殊井的摩阻问题
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㈡.钻井液(泥浆)性能 1.钻井液密度
所钻井眼内压力控制：即泥浆柱压力P泥（由泥浆静密度+循环当量密 度决定）、地层流体压力P地，井壁地层坍塌压力P塌，地层破裂压力P破 （有时表现为为承压能力或漏失压力），之间保持一个合理的关系，是 保证优质、快速、安全（减少井下复杂与事故）钻井的基础和关键。
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⑵泥浆必须的流变性及表征参数
表观粘度：漏斗粘度： 流变参数：塑性粘度、动切应力、流型指数、稠度系数、极限粘度… 静切应力：（悬浮能力） 触变性 剪切稀释性：
……
⑶它必然是非牛顿流体和结构性流体
流变性与温度，压力和泥浆矿化度（含盐）有密切关系，必须专题研究。
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3.钻井液的造壁性 ⑴失水造壁性的概念(失水、泥饼)
机械钻速 （m/h）
4.9
3.7
2
1
2.5
1.3 3
0
4
8
12
16
20
钻井液固相含量 (%)
1-岩屑；2-粘土颗粒；3-重晶石
机械钻速与钻井液固相含量的关系
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钻井液粘度对机械钻速有重要的影响，当钻井液的粘度增大至超过 O.04ps时，对机械钻速的影响不明显，但此时机械钻速很低；当粘度小 于0.022ps时影响最大，使机械钻速变化很大。而粘度又是固相含量及分 散度的函数。
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㈤.固相控制技术 钻井的理论和实践表明，必须把在钻井过程中(必然)混入泥浆的各
类地层固相(包括地层钻屑、井壁坍塌物…) 及时、有效的从泥浆中清除 出去，才能维护泥浆性能和保证钻井工程安全、顺利、快速的进行,保证 钻井目标的实现。
固相控制(简称为固控，现场上也习惯称其为泥浆净化)。 固相控制装置 固相控制(装置)系统 固相控制技术技术