泥浆技术培训043.docx

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泥浆技术培训043

钻井液技术

泥浆公司

2004年3月

钻井液技术

一、钻井液的组成与分类

1、钻井液的组成

水基钻井液是由膨润土、水（或盐水）、各种处理剂、加重材料以及钻屑所组成的多相分散体系。

其中膨润土和钻屑的平均密度均为2.6g/cm3，通常称它们为低密度固相；而加重材料常被称为高密度固相。

最常用的加重材料为API重晶石，其密度为4.2g/cm3。

由于在水基钻井液中膨润土是最常用的配浆材料，在其中主要起提粘切、降滤失和造壁等作用，因而又将它和重晶石等加重材料称做有用固相，而将钻屑称做无用固相。

在钻井液中，应通过各种固控措施尽量减少钻屑的含量，膨润土的用量也应以够用为度，不宜过大，否则会造成钻井液粘切过高，还会严重影响机械钻速，并对保护油气层产生不利影响。

油基钻井液是以水滴为分散相，油为连续相，并添加适量乳化剂、润湿剂、亲油的固体处理剂（有机土、氧化沥青等）、石灰和加重材料等所形成的乳状液体系。

2、钻井液的类型

随着钻井液工艺技术的不断发展，钻井液的种类越来越多。

目前，国内外对钻井液有各种不同的分类方法。

其中较简单的分类方法有以下几种：

按其密度大小可分为非加重钻井液和加重钻井液。

按与粘土水化作用的强弱可分为非抑制性钻井液和抑制性钻井液。

按其固相含量的不同，将固相含量较低的叫做低固相钻井液，基本不含固相的叫做无固相钻井液。

然而，一般所指的分类方法是按钻井液中流体介质和体系的组成特点来进行分类的。

根据流体介质的不同，总体上分为水基钻井液、油基钻井液和气体型钻井流体等三种类型，近期又出现了一类合成基钻井液。

二、钻井液性能及其与钻井的关系

按照API推荐的钻井液性能测试标准，需检测的钻井液常规性能包括：

密度、漏斗粘度、塑性粘度、动切力、静切力、API滤失量、HTHP滤失量、pH值、碱度、含砂量、固相含量、膨润土含量和滤液中各种离子的质量浓度等。

1、钻井液密度

钻井液的密度是指每单位体积钻井液的质量，常用g/cm3（或kg/m3）表示。

在钻井工程上，钻井液密度和泥浆比重是两个等同的术语。

其英制单位通常为1bm/bb1（即磅／加仑，或写做ppg，）1g/cm3等于8.331bm/bb1。

钻井液密度是确保安全、快速钻井和保护油气层的一个十分重要的参数。

通过钻井液密度的变化，可调节钻井液在井筒内的静液柱压力，以平衡地层孔隙压力。

有时亦用于平衡地层构造应力，以避免井塌的发生。

如果密度过高，将引起钻井液过度增稠、易漏失、钻速下降、对油气层损害加剧和钻井液成本增加等一系列问题；而密度过低则容易发生井涌甚至井喷，还会造成井塌、井径缩小和携屑能力下降。

因此，在一口井的钻井工程设计中，必须准确、合理地确定不同井段钻井液的密度范围，并在钻进过程中随时进行检测和调整。

加入重晶石等加重材料是提高钻井液密度最常用的方法。

在加重前，应调整好钻井液的各种性能，特别要严格控制低密度固相的含量。

一般情况下，所需钻井液密度越高，则加重前钻井液的固相含量及粘度、切力应控制得越低。

加入可溶性无机盐也是提高密度较常用的方法。

如在保护油气层的清洁盐水钻井液中，通过加入NaC1，可将钻井液密度提高至1.20g/cm3左右。

为实现平衡压力钻井或欠平衡压力钻井，有时需要适当降低钻井液的密度。

通常降低密度的方法有以下几种：

（1）最主要的方法是用机械和化学絮凝的方法清除无用固相，降低钻井液的固相含量。

（2）加水稀释。

但往往会增加处理剂用量和钻井液费用。

（3）混油。

但有时会影响地质录井和测井解释。

（4）钻低压油气层时可选用充气钻井液等。

2、钻井液的流变性

钻井液的流变性是指钻井液流动和变形的特性。

该特性通常是由不同的流变模式及其参数来表征的，最常用的流变模式为宾汉和幂律模式。

其中宾汉模式的参数为塑性粘度和动切力；幂律模式的参数为流性指数和稠度系数。

此外，漏斗粘度、表观粘度和静切力等也是钻井液的重要流变参数。

由于钻井液的流变性与携岩、井壁稳定、提高机械钻速和环空水力参数计算等一系列钻井工作密切相关，因此它是钻井液最重要的性能之一。

（1）、与井眼净化的关系

钻井液清洗井的能力取决于循环系统的水力参数和钻井液的性能，特别是其中的流变参数。

在直井环形空间里，钻井液携带固相颗粒向上运动的速度取决于流体的上返速度与颗粒本身滑落速度之差。

岩屑的滑落速度与粘度成反比，粘度越大，滑落速度越小，所以，岩屑的携带，不仅取决于上返速度，而且取决于钻井液的粘度。

为了研究岩屑在井筒中上升的过程，不少研究人员用透明玻璃筒进行过模拟实验观察。

实验结果表明，钻井液处于不同的流态时，岩屑上升的机理是不同的。

层流时，钻井液流速是一抛物线，中心线处流速最大，两侧流速逐渐降低，而靠近井壁和钻杆壁处的速度为零。

这样，岩屑在上升过程中的受力是不均匀的。

中心处流速高、作用力大，靠近两侧流速低，作用力小，致使有一个力矩作用在岩屑上，使岩屑翻转侧立，向环空两侧运移。

这时，有的岩屑贴在井壁上，形成很厚的“假泥饼”，有的向下滑移。

由于两侧液面的阻力，岩屑下降到一定距离后又会进入液流速度高的中心部位而向上运移。

这样周而复始，岩屑经过曲折的路径而带出井口。

实验表明，钻柱转动对层流携带岩屑是有利的，因为钻柱转动改变了液流的速度分布状况，使靠近钻柱表面的液流速度加大，岩屑以螺旋形上升。

岩屑的翻转现象只出现在靠近井壁周围。

在紊流时，岩屑不存在翻转和滑落现象，几乎全部能携带到地面上来，环形空间里的岩屑比较少。

紊流携带受到各种条件的限制，同时也存在许多缺点，不是随便可以采用的。

室内实验和现场实践证明，用平板型层流来代替尖峰型层流即可达到这样的目的：

消除岩屑在尖峰型层流中的翻转现象，又可以避免紊流时造成的压力损失大和冲刷井壁的缺点。

根据计算和实验得知，在一定尺寸的环型空间里，流动剖面平板化的程度，与动塑比值及上返速度有关。

其中，动塑比值的影响最大，而与动切力及塑性粘度单个性能数值的大小关系不大，动塑比值越大，平板化程度越高，一般来说，动塑比值在0.4—0.5时为最好。

为了保证钻井液在环型空间里的流速剖面呈平板层流，一般都必须设法降低塑性粘度而提高动切力，具体做法如下：

a、适当加入电解质如石灰、石膏、氯化钙和食盐等，在目前最常用和最可行的是加入正电胶，增强钻井液内固相颗粒形成结构的能力。

凡是能使空间网架结构形成并加强的物质都能使动切力提高。

b、加入分子量较大或某些长纤维物质，如聚合物、海泡石等，其中生物聚合物是最有效的处理剂。

c、充分利用固控设备，除去固相颗粒中密度较大、粒径较大的部分，保留密度小、尺寸小的优质土胶体颗粒，以便达到降低塑性粘度，不改变或很少降低动切力而提高动塑比值的目的。

（2）、与井壁稳定的关系

紊流对井壁有冲蚀作用，而层流没有这种不良作用。

这是由于紊流时液流质点的运动方向是紊乱的、无规则的，而且紊流时的流速高，有较大的动能，因此，紊流对井壁有较大的冲蚀作用，容易引起地层坍塌；而层流时液流质点的运动方向都是向上的，一般平行于井壁，速度较低，动能较小，所以在钻井液循环时，一般都是保留在层流状态，而尽量避免出现紊流。

通过计算临界速度，可以判断环空钻井液流态。

临界速度在很大程度上受塑性粘度和动切力的影响，尤其是塑性粘度的影响，因此可以通过调整钻井液的塑性粘度和动切力来改变临界速度。

（3）、与钻屑和加重剂悬浮的关系

当接单根或设备出现故障时，钻井液必须停止循环。

此时我们希望钻井液中的岩屑和加重剂能够稳定地悬浮在钻井液里或以很慢的速度下沉，不致出现沉砂卡钻。

这就需要钻井液迅速形成空间网架结构，提高其静切力，将岩屑和加重剂悬浮起来，而开泵时，泵压又不能上升太高，以防憋漏地层。

提供悬浮能力的是钻井液的静切力和触变性。

（4）、与井内液柱压力激动的关系

由于钻柱的上下运动、钻井液泵的开动等原因，使的井内液柱压力突然变化的现象，称为压力激动。

由于压力激动破坏了井内液柱压力与地层压力之间的平衡，容易引起井漏、井喷或井塌。

压力激动的因素是多方面的。

除了起下钻速度、钻头与钻柱的泥包程度、环形空间的空隙、井深以外，还与钻井液的粘度、切力有密切关系。

同样条件下，钻井液粘度、切力越大，压力激动越大。

（5）、与钻速的关系

钻井液的流变性对钻速的影响，主要表现为粘度对钻速的影响。

一方面，由于钻头水眼处钻井液流速高，粘度小、对井底的冲击力强，使钻头冲击和切削岩石的阻力减小，有利于提高钻速；另一方面，低粘度的钻井液犹如楔子，很容易进入钻头冲击井底岩石而产生的裂缝，有利于钻头对井底岩石的破碎作用。

若钻井液粘度升高，则钻速降低。

因为粘度大，流动阻力大。

消耗功率大；另外，粘度太大，在井底易形成粘性垫子，降低和减缓了钻头对井底的冲击和切削作用，使钻速降低。

3．钻井液的滤失造壁性

在钻井过程中，当钻头钻过渗透性地层时，由于钻井液的液柱压力一般总是大于地层孔隙压力，在压差作用下，钻井液的液体便会渗人地层，这种特性常称为钻井液的滤失性。

在液体发生渗滤的同时，钻井液中的固相颗粒会附着并沉积在井壁上形成一层泥饼。

随着泥饼的逐渐加厚以及在压差作用下被压实，会对裸眼井壁有效地起到稳定和保护作用，这就是钻井液的所谓造壁性。

由于泥饼的渗透率远远小于地层的渗透率，因而形成的泥饼还可有效地阻止钻井液中的固相和滤液继续侵入地层。

在钻井液工艺中，通常用一个重要参数——滤失量来表征钻井液的渗滤速率。

钻井液的滤失量高有利于提高机械钻速，但是在容易坍塌地层会造成井壁失稳，引起井塌等复杂情况，高滤失量还会造成油气层的污染，所以在上部快速钻进地层（明化镇、馆陶组）保持钻井液的高滤失量，下部易塌层（东营组、沙河街、中生界）和油气层要控制低的滤失量。

4．钻井液的pH值和碱度

（1）、钻井液的PH值

通常用钻井液滤液的PH值表示钻井液的酸碱性。

由于酸碱性的强弱直接与钻井液中粘土颗粒的分散程度有关，因此会在很大程度上影响钻井液的粘度、切力和其它性能参数。

在实际应用中。

大多数钻井液的PH值要求控制在8～11之间，即维持一个较弱的碱性环境。

这主要是由于有以下几方面的原因：

（1）可减轻对钻具的腐蚀；

（2）可预防因氢脆而引起的钻具和套管的损坏；（3）可抑制钻井液中钙、镁盐的溶解；（4）有相当多的处理剂需在碱性介质中才能充分发挥其效能，如丹宁类、褐煤类和木质素磺酸盐类处理剂等。

对不同类型的钻井液，所要求的PH值范围也有所不同。

例如，一般要求分散钻井液的PH值在10以上，含石灰的钙处理钻井液的PH值多控制在11～12，含石膏的钙处理钻井液的PH值多控制在9.5～10.5，而在许多情况下聚合物钻井液的PH值只要求控制在7.5～8.5。

通常使用PH试纸测量钻井液的PH值。

如要求的精度较高时，可使用PH计。

（2）钻井液的碱度

由于使钻井液维持碱性的无机离子除了OH一外，还可能有HCO3-和CO32-等离子，而PH值并不能完全反映钻井液中这些离子的种类和质量浓度。

因此在实际应用中，除使用PH值外，还常使用碱度（Alkalinity）来表示钻井液的酸碱性。

引人碱度参数主要有两点好处：

一是由碱度测定值可以较方便地确定钻井液滤液中OH一、HCO3一和CO32-等三种离子的含量，从而可判断钻井液碱性的来源；二是可以确定钻井液体系中悬浮石灰的量（即储备碱度）。

5、钻井液含砂量

钻井液含砂量是指钻井液中不能通过200目筛网，即粒径大于74μm的砂粒占钻井液总体积的百分数。

在现场应用中，该数值越小越好，一般要求控制在0.5％以下。

这是由于含砂量过大会对钻井过程造成以下危害：

（1）使钻井液密度增大，对提高钻速不利。

（2）使形成的泥饼松软，导致滤失量增大，不利于井壁稳定，并影响固井质量。

（3）泥饼中粗砂粒含量过高会使泥饼的摩擦系数增大，容易造成压差卡钻。

（4）增加对钻头和钻具的磨损，缩短其使用寿命。

降低钻井液含砂量最有效的方法，是充分利用振动筛、除砂器、除泥器等设备，对钻井液的固相