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＝τ0＋η塑（ｄｕ／ｄｘ）
：屈服值，动切力；
τ
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。

：塑性粘度；
η
塑
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＝τ0＋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。

把钻井液搅拌后分别静置1分钟和10分钟后所测的切力分别称为初切力θ1和终切力θ10（克／厘米2）。

由θ1和θ10便可以判断钻井液形成结构的速度和强度。

钻井液触变性的意义在于满足钻进和不钻进时的不同需要。

钻进时，为了获得高的钻速要求钻井液流动性好、没有结构。

而在没有钻进时（起下钻、检修设备、停工……），则需要钻井液形成一定的结构以悬浮钻屑和加重剂。

搬土钻井液触变性的四种典型情况：
（1）较快的强凝胶 （2）较慢的强凝胶 （3）较快的弱凝胶 （4）较慢的弱凝胶
四、失水量与泥饼
地层象一个大的过滤器，当钻井液液柱压力高于地层压力时，钻井液
中的自由水就会渗入地层→失水、动失水、静失水，而被滤除的固相颗粒则在井壁形成一层泥饼。

因素：粘土分散↓、压差↑、浸泡时间↑、温度↑、地层渗透率↑→失水量↑
失水量↑→地层内粘土膨胀，水锁→地层损害； →电测解释↓，井壁稳定性↓； →泥饼疏松→固井质量↓； →缩径→卡钻。

泥饼的形成将有助于保护井壁和阻止滤液进一步渗入地层。

要求：优质钻井液应当具有低的失水量和薄而韧的泥饼。

测量：泥浆失水仪。

API （American Petroleum Institute ）标准：
100 psi (0.69 MPa)压力，面积为45cm 2的滤纸在30•分钟时间里所滤
时间：分
力
切1
2
3
4
20
406080
100
25
5075m g /c m 2
出的滤液量（单位：毫升），被滤除留在滤纸上的固相颗粒则形成了泥饼，泥饼厚度用毫米表示。

高温高压失水：模拟井下条件的失水，
500 psi (3.45 MPa)，300°F(149℃)。

动失水＞静失水
五、pH值
由于钻井液中一般都要加入烧碱NaOH、纯碱Na
2CO
3
或其它碱性材料来维
持钻井性能的稳定，所以钻井液多为弱碱性。

六、含砂量
定义：钻井液中不能通过200号筛（或直径大于0.074•毫米）的砂子占钻井液总体积的百分数。

含砂量↑→钻具和泵零件磨损↑、泥饼质量↓、摩擦系数大↑、比重↑、卡钻可能性↑。

要求：钻井液的含砂量小于1％。

钻井液中固相的清除可用机械清除法（振动筛、沉砂池、除砂器、除泥器），也可用化学清除法（各种化学絮凝剂）。

第三节性能控制（主要为自学）
性能控制原理：清除钻屑和劣质粘土，控制粘土的分散与聚集，搬土含量2～7％。

常用处理剂类型有：
1、控制pH（NaOH、Na
2CO
3
）
2、除钙剂
3、降失水
4、絮凝剂
5、页岩稳定剂（钙、钾、有机物）
6、稀释剂
7、增粘剂（高分子）
8、加重剂（石灰石CaCO
32.7、重晶石BaSO
4
4.2～4.6、菱铁矿FeCO
3
3.8、
方铅矿PbS 6.8～6.9）
9、堵漏剂（粗纤维、高分子聚合物）
10、润滑剂
11、其它（防腐、杀菌、起泡、消泡、乳化、活性剂）
一、粘度与失水量的控制
1、采用优质粘土，使粘土含量为最低；
2、塑性粘度大时，清除多余的固相颗粒或加水稀释；
3、塑性粘度小、且失水量大，增加搬土；
4、屈服值变大、失水量增大，加处理剂（木质素磺酸盐、高分子聚合物）改善粘土颗粒分散程度并保持分散状态。

二、抑制性泥浆
1、钙处理钻井液
钻井液中加入石灰或石膏以增大Ca++离子的浓度。

2、高矿化度钻井液（NaCL含量＞10％）
三、固相控制
筛除、沉淀、化学絮凝、稀释
目：筛网每英寸长度上的孔眼数，常用10～14目筛网，可筛除1.1 mm 的颗粒。

第四章作业：
1、钻井液的作用是什么？
2、钻井液的主要性能有哪些？
3、一口井钻进至3200米时，地层压力为50MPa，•问安全钻进所需的钻
井液密度应该是多大？。