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钻井液工艺原理

《钻井液工艺原理》综合复习资料

一、概念题

1、粘土晶格取代

2、钻井液碱度

3、压差卡钻

4、聚结稳定性

5、井喷

6、粘土水化作用

7、井漏

8、滤失

9、剪切速率

10、钻井液剪切稀释特性

11、流变模式

12、动力稳定性

13、钻井液滤失造壁性

二、填空题

1、钻井液的主要功能有（　　）、（　　）、（　　）、（　　）等。

2、一般来说，钻井液处于（　　）状态时，对携岩效果较好；动塑比τ0/ηp越（　　）或流性指数n越（　　），越有利于提高携岩效率。

3、粘土矿物基本构造单元有（　　）和（　　）。

4、井壁不稳定的三种基本类型是指（　　）、（　　）、（　　）。

5、在钻井液中，改性褐煤用做（　　）剂，磺化沥青用做（　　）剂。

6、油气层敏感性评价包括（　　）、（　　）、（　　）、（　　）和（　　）等。

7、一般来说，要求钻井液滤失量要（　　）、泥饼要（　　）。

8、现场钻井液常用四级固相控制设备指（　　）、（　　）、（　　）、（　　）。

9、影响钻井液滤失量的主要因素有（　　）、（　　）、（　　）、（　　）。

10、按API标准钻井液常规性能测试包括（　　）、（　　）、（　　）、（　　）、（　　）、（　　）。

11、聚合物钻井液主要类型有（　　）、（　　）、（　　）。

12、钻井液常用流变模式有（　　）、（　　）。

13、常见粘土矿物有（　　）、（　　）、（　　）等。

14、钻井过程可能遇到的复杂情况有（　　）、（　　）、（　　）等。

15、钻井液的基本组成（　　）、（　　）、（　　）。

16、钻井液的流变参数包括（　　）、（　　）、（　　）、（　　）和（　　）等。

17、在钻井液中，钠羧甲基纤维素用做（　　）剂，铁铬盐（FCLS）用做（　　）剂，氢氧化钠用作（　　）剂。

18、现场常用钻井液降滤失剂按原料来源分类有（　　）、（　　）、（　　）、（　　）。

三、简答题

1、简述伊利石和蒙脱石的晶体构造、带电性及水化特性。

2、发生井喷的原因有哪些？

应该怎样预防？

3、分析钻井液遇盐侵后粘度和滤失量如何变化及其原因。

4、简述钻井液降粘剂的作用机理。

5、常见卡钻类型有哪些，并简述其发生机理。

6、简述油基钻井液相对于水基钻井液的优缺点。

7、钻井液固相对钻井速度的影响规律并举例说明絮凝剂絮凝机理。

8、为什么钻井作业要求钻井液具有良好的剪切稀释性？

9、简述低固相聚合物钻井液能显着提高钻速的原因。

10、简述钻井液常用润滑剂的类型与作用机理

11、简述钻井液滤失量的影响因素及其调整。

12、井壁不稳定的原因有哪些？

应该怎样预防？

13、简述K+、聚合物和聚合醇类处理剂稳定泥页岩的作用机理。

14、简述钻井液塑性粘度的影响因素及其调整。

15、发生井漏的原因有哪些？

应该怎样预防？

16、举例说明降粘剂的作用机理

17、简述粘土颗粒带电的原因。

四、计算题

1、使用范氏六速粘度计，测得某钻井液600rpm和300rpm时的读数分别为：

Ф600=29，Ф300=19，且已知该钻井液为宾汉流体。

⑴计算该钻井液的流变参数及表观粘度；

⑵计算流速梯度为3000S-1时钻井液的表观粘度。

2、用重晶石（ρB=4.2g/cm3）把400m3钻井液由密度ρ1=1.20g/cm3加重到ρ2=1.60g/cm3，并且每100kg重晶石需同时加入9L水以防止钻井液过度增稠，试求：

（1）若最终体积无限制，需加入重晶石多少吨？

（2）若最终体积为400m3，需加入重晶石多少吨，放掉钻井液多少方？

五、论述题

你认为理想的钻井液应具有哪些功能或特点，并试述钻井液的发展趋势。

参考答案

一、概念题

1、粘土矿物晶体片中硅氧四面体和（或）铝氧八面体片中的硅原子和（或）铝原子被同号低价离子所取代，而晶体结构保持不变的现象。

2、滴定1mL样品（钻井液滤液）所需0.01mol/L（标准）H2SO4（硫酸）的毫升数。

3、又称为泥饼粘附卡钻，是指钻具在钻井液与地层压力差的作用下，被挤入泥饼而不能活动的现象。

4、分散相粒子（粘土颗粒）是否自动聚结变大的性质（现象）。

5、地层流体失去控制，喷出井口或进入其他地层的现象。

6、粘土颗粒（晶体片）由于表面水化力、渗透水化力和毛细管作用（各种原因）吸水膨胀（体积变大）的现象。

7、在钻井、固井、测试等各种井下作业中，各种工作液（包括钻井液、水泥浆、完井液及其它流体等）在压差作用下漏入地层的现象。

8、在压差作用下钻井液向地层中渗透的现象。

9、垂直于流速方向上单位距离流速的增量。

10、钻井液静止变稠、流动变稀，且随剪切速率增大粘度变小的特性。

11、描述钻井液（流体）剪切应力与剪切速率之间关系的数学表达式，称为钻井液（流体）的流变方程，即流变模式。

12、在重力作用下分散相粒子（粘土颗粒）是否容易下沉的性质。

13、在滤失过程中，随着钻井液中的自由水进入岩层，钻井液中的固相颗粒便附着在井壁上形成泥饼，就是钻井液的滤失造壁性。

二、填空题

1、携带和悬浮岩屑、传递水动力、平衡地层压力、稳定井壁、保护油气层、冷却和润滑钻头钻具。

（写出其中4种即可）

2、平板型层流，大，小

3、硅氧四面体和铝氧八面体

4、井壁坍塌、缩径、地层压裂

5、降滤失剂，页岩抑制剂

6、速敏、盐敏、酸敏、碱敏、水敏

7、小，薄

8、振动筛、旋流器（除砂器、除泥器）、钻井液清洁器、离心机（写出其中4种即可）

9、（滤失）时间、压差、滤液的粘度和温度、固相含量、泥饼的压实性和渗透性（写出其中4种即可）

10、密度、粘度（表观粘度、塑性粘度）、切力（动切力、静切力）、pH值、滤失量（API滤失量、高温高压滤失量）、含砂量（固相含量）、膨润土含量、滤液中各种离子含量（写出其中6种即可）

11、阴离子型、阳离子型、两性离子型

12、宾汉模式（塑性流体）、幂律模式（假塑性流体）

13、伊利石、重晶石、蒙脱石

14、井漏、井喷和卡钻

15、连续相、分散相、处理剂

16、塑性粘度、动切力、静切力、流性指数和稠度系数、漏斗粘度、表观粘度等。

（写出其中5种即可）

17、降滤失剂、降粘剂、pH值调节剂

18、纤维素类、腐殖酸类、丙烯酸类聚合物、树脂类、淀粉类。

（写出其中4种即可）

三、简答题

1、答：

①伊利石和蒙脱石的晶体构造均为2:

1型。

②晶格取代位置不同，伊利石主要发生在硅氧四面体上，且结合的补偿阳离子为K+，具有晶格固定作用，带电性强；蒙脱石晶格取代主要发生在铝氧八面体上，可结合各种补偿阳离子，带电性较强。

③伊利石中的K+离子具有晶格固定作用，因此层间结合紧密，不易水化膨胀；而蒙脱石层间主要为分子间力，较弱，易水化膨胀。

2、答：

①地层压力高于钻井液液柱压力；井漏造成钻井液液面下降，液柱压力低于地层压力；起下钻抽吸压力太大，钻井液有效压力低于地层压力。

②发现油气侵及时加重，提高钻井液密度；防止严重的井漏发生；防止起下太快，及时灌入泥浆，防止拔活塞。

3、答：

钻井液遇盐侵后粘度和滤失量均上升。

钻井液中Na+浓度不断增大，必然会增加粘土颗粒扩散双电层中阳离子的数目，从而压缩双电层，使扩散层厚度减小，颗粒表面的ξ电位下降。

在这种情况下，粘土颗粒间的静电斥力减小，水化膜变薄，颗粒的分散度降低，颗粒之间端-面和端-端连接的趋势增强。

由于絮凝结构的产生，导致钻井液的粘度和滤失量均逐渐上升。

4、答：

①通过增加粘土颗粒电动电位（ζ电位）和水化膜厚度，增加颗粒间斥力，分散钻井液（非抑制性钻井液）中拆散粘土颗粒间网架结构；

②聚合物钻井液中竞争参与粘土-聚合物吸附点，拆散粘土-聚合物网架结构。

5、答：

①常见卡钻类型主要有压差卡钻、沉砂卡钻、井塌（砂桥、掉块）卡钻、缩径卡钻、泥包钻头卡钻、键槽卡钻等。

（列举其中3~4种即可）

②简单叙述相应卡钻类型发生原因即可。

压差卡钻是钻具在井中静止时，在钻井液与地层孔隙压力之间的压差作用下，紧压在井壁泥饼上而导致的卡钻。

沉砂卡钻是由于钻井液悬浮性能不好，或处理钻井液过程中由于粘度和切力下降幅度过大，导致钻井液中所悬浮的钻屑和重晶石沉淀，埋在井底一段井眼而造成的卡钻。

6、答：

优点：

与水基钻井液比较，油基钻井液具有能抗高温、抗盐钙侵、有利于井壁稳定性、润滑性好和对油气层损害程度较小等多种优点。

缺点：

油基钻井液的配制成本比水基钻井液高得多，使用时往往会对井场周围附近的生态环境造成严重影响，而且与使用水基钻井液相比机械钻速一般比较低。

7、答：

要点：

①随钻井液固相含量增加，钻井速度下降。

特别是≤1um的亚微米颗粒增加，钻井速度明显下降。

②絮凝机理:

a.无机絮凝剂：

通过离子交换压缩双电层。

b.有机絮凝剂：

又可分为非选择性絮凝剂和选择性絮凝剂，机理：

吸附-桥联、蜷曲、聚结等使钻屑、粘土颗粒聚结下沉，除去固相。

8、答：

①钻井作业要求钻井液具有良好的剪切稀释性是因为钻井液高速流动变稀可以大大减小在钻具内和钻头水眼处高速流动时的能量损失，提高水力破岩效率，清洗井底；

②在环空内低速流动时粘度变大有利于钻井液携带岩屑，防止钻屑下沉发生井下复杂事故。

9、答：

低固相聚合物钻井液固相含量低，①亚微米粒子比例小，②剪切稀释性好，③卡森极限粘度低，④悬浮携带钻屑能力强，⑤洗井效果好，这些优良性能都有利于提高钻速。

10、答：

钻井液常用润滑剂包括惰性固体润滑剂和液体类润滑剂。

固体润滑剂能够在两接触面之间产生物理分离，其作用是在摩擦表面上形成一种隔离润滑薄膜，从而达到减小摩擦、防止磨损的目的。

矿物油、植物油、表面活性剂等液体润滑剂主要是通过在金属、岩石和粘土薄膜形成吸附膜，使钻柱与井壁岩石接触（或水膜接触）产生的固-固摩擦，改变为活性剂非极性端之间或油膜之间的摩擦，或者通过表面活性剂的非极性端还可以再吸附一层油膜。

从而使钻柱与岩石之间的摩阻力大大降低。

11、答：

①影响因素

（滤失）时间、压差、滤液的粘度和温度、固相含量、泥饼的压实性和渗透性。

钻井液静滤失方程：

②调整：

滤失量太大时加入降滤失剂或高聚物提高滤液粘度、护胶。

12、答：

井壁不稳定的原因包括力学因素、物理化学因素和工程技术措施等三个方面。

稳定井壁的技术措施包括：

①选用合理的钻井液密度，保持井壁力学稳定。

②优选防塌钻井液类型与配方，采用物理化学方法阻止或抑制地层的水化作用。

13、答：

K+的水化能低，并且具有晶格固定作用，因此能有效抑制粘土水化。

聚合物通过氢键或静电引力吸附在粘土颗粒上，通过桥接作用阻止页岩分散。

聚合醇类处理剂通过浊点效应和吸附阻止页岩水化膨胀分散。

14、答：

①影响因素

a.钻井液塑性粘度是指钻井液内部由于机械内摩擦引起的那部分粘度，它的主要影响因素有钻井液总固相含量、固相分散度、有机增粘剂以及温度等。

b.影响规律为：

固相含量增加，钻井液塑性粘度升高；固相分散度越大，塑性粘度越大；有机增粘剂含量越高，钻井液粘度也越大；温度升高，粘度下降。

②调整：

塑性粘度太高：

塑性粘度太低：

增加膨润土含量，增加高聚物含量。

15、答：

发生井漏的原因：

地层存在较大的孔隙或裂缝，形成了钻井液向地层漏失的通道；钻井液压力太高，大于地层的破裂压力，造成地层产生裂缝。

预防：

及时发现漏失地层，进行堵漏；钻井液密度低于地层破裂压力，防止压裂地层。

16、答：

①降滤失机理：

a.增粘；b.吸附；c.捕集。

②一般钻井液降滤失剂都含有吸附基团和水化基团，吸附于粘土表面具有护胶作用，还可参与形成泥饼，降低钻井液滤失量。

③降滤失剂举例：

纤维素类、腐植酸类、丙烯酸类聚合物、树脂类、淀粉类（写出其中一种即可，）

17、答：

永久负电荷是由于粘土在自然界形成时发生晶格取代作用所产生的。

产生可变负电荷的原因：

在粘土晶体端面上有与铝连接的OH基中的H在碱性或中性条件下解离；粘土晶体的端面上吸附了OH-、SiO32-等无机阴离子或吸附了有机阴离子聚电解质等。

正电荷的产生是由于裸露在边缘上的铝氧八面体在酸性条件下从介质中解离出OH-。

四、计算题

1、解：

（1）

答：

该钻井液的表观粘度为14.5

，塑性粘度为10

，动切力为4.5

。

（2）

答：

该钻井液在流速梯度为3000S-1时的表观粘度为11.5

。

2、解：

（1）设需要加入重晶石m公斤，则

解此式可得：

答：

最终体积无限制，需加入重晶石283.2吨。

（2）设需要先放掉钻井液y方，加入重晶石x公斤，则

求解此式可得：

答：

最终体积为400m3，需加入重晶石229.8吨，放掉钻井液75.4方。

五、论述题

答：

1、理想钻井液应具备的基本功能：

（1）良好的流变性（或剪切稀释特性），便于水力破岩、清洗井底、携带岩屑；

（2）较强的抑制性（或防止井壁坍塌的能力），抑制地层水化，防止井壁坍塌掉块；

（3）具有较好的保护油气层的特性，对油气储层不会造成太大损害，降低产能；

（4）环境可接受性（环保型），对周围环境和人类不会造成太大的伤害；

（5）其它，如良好的润滑性、合理的密度、尽可能低的滤失量等。

2、钻井液的发展趋势：

（1）环保型钻井液；

（2）保护油气层钻井液；

（3）强抑制性（防塌型）钻井液；

（4）特殊流变性钻井液；

（5）抗高温钻井液；

（6）复杂（苛刻）条件下钻井液体系等。