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钻井液设计
第8章钻井液设计
本章主要介绍了新疆地区常用的钻井液体系，结合A1-4井及探井资料，设计了A区块井组所使用的钻井液体系、计算了所需钻井液用量，提出了钻井液材料计划等。
钻井液体系设计
钻探的目的是获取油气，保护地层是第一位的任务，因此，搞好钻井液设计，首先必须以地层类型特性为依据，以保护地层为前提，才能达到设计的目的。
新疆地区常用钻井液体系简介：
（1）不分散聚合物钻井液体系：
不分散聚合物钻井液体系指的是具有絮凝及包被作用的有机高分子聚合物机理的水基钻井液。
该体系的特点是：
具有很强的抑制性；具有强的携沙功能；有利于提高钻速；有利于近平衡钻井；可减少对油气层的伤害。
（2）分散性聚合物体系（即聚合物磺化体系）：
聚合物磺化体系是指以磺化机理及少量聚合物作用机理为主配置而成的水基钻井液。
该体系的特点是：
具有良好的高温稳定性，使用于深井及超深井；具有一定的防塌能力；具有良好的保护油层能力；可形成致密的高质量泥饼，护壁能力强。
（3）钾基（抑制性）钻井液体系：
该体系是以聚合物的钾，铵盐及氯化钾为主处理剂配制而成的防塌钻井液。
它主要是用来对付含水敏性粘土矿物的易坍塌地层。
该体系特点：
对水敏性泥岩，页岩具有较好的防塌效果；抑制泥页岩造浆能力较强；对储层中的粘土矿物具有稳定作用；分散型钾基钻井液有较高的固相容限度。
（4）饱和盐水钻井液体系：
该体系是一种体系中所含NaCl达到饱和程度的钻井液，是专门针对钻岩盐层而设计的一种具有较强的抑制能力，抗污染能力及防塌能力的钻井液。
该体系特点：
具有较强的抑制性，由于粘土在其中不宜水化膨胀和分散，故具有较强的控制地层泥页岩造浆的能力；具有较强的抗污染能力，由于它已被NaCl所饱和，故对无机盐的敏感性较低，可以抗较高的盐污染，性能变化小；具有较强的防塌能力，尤其再辅以KCL对含水敏性粘土矿物的页岩具有较强抑制水化剥落作用；可制止盐岩井段溶解成大肚子井眼。
由于钻井液中氯化钠已达饱和，故钻遇盐岩时就会减少溶解，以免形成大井眼；缺点是腐蚀性较强。
（5）正电胶钻井液体系是一种以带正电的混合层状金属氢氧化物晶体胶粒（MMH或MSF）为主处理剂的新型钻井液体该体系的特点：
具有独特的流变性;有利于提高钻井速度；对页岩具有较强的抑制性；具有良好的悬浮稳定性；有较强的抗温能力，可耐温达232度；具有较强的抗电解质污染能力；与阳离子或非离子处理剂具有良好的配伍性。
8.1.1选择钻井液体系的原则
（1）根据不同地层性质选择钻井液体系。
由于各处岩石地层不一样，对钻井液体系的要求也不同。
钻井液体系必须与其适应才能起到保护、润滑等作用。
（2）根据不同钻孔的类型选择钻井液体系：
深孔；定向孔；全部取心钻孔；普查钻孔；生产钻孔（水井、油气井）：
基本了解地层情况，主要要求是保护生产层及提高钻探速度上，一般采用低固相或无固相钻井液，水井钻探时如果地层完整、钻取的水层为裂隙或砾石层，可以使用普通钻井液。
（3）根据不同地层特点选择钻井液体系：
易坍塌地层对钻井液的要求；易卡钻地层对钻井液的要求；易漏失地层对钻井液的要求；盐膏地层对钻井液的要求；矿（油气）层对钻井液的要求；地下水层对钻井液的要求。
8.1.2钻井液体系设计的要求
当确定了钻井液体系后，每口井都必须进行钻井液设计，设计要求如下：
（1）确定循环当量密度值。
所谓循环当量密度值是指钻井液静液柱压力与钻井液循环时由于流阻所增加的对地层压力之和，换算成的钻井液的密度。
一般按照规定的压力附加值确定循环当量密度值。
这个密度值是由原钻井液的密度及钻井液循环时引起的密度之和。
循环当量密度值过大不利于提高钻速，过小易产生井喷、井涌等孔内事故。
（2）以循环当量密度值为准确定最佳固相含量及流变性能。
钻井液的密度主要是由所含固相造成的。
一般以密度为依据选择在不同密度下的最佳固相含量及流变性能的范围。
（3）根据规定的内容进行分层设计。
各个钻孔的钻井液一定要按照实际情况进行设计。
新孔开钻前根据地质资料，如地层空隙压力、破裂压力、井温及复杂孔段的地质情况等资料，根据钻探工程提出的要求，作好钻井液的设计。
其主要内容有：
分段钻井液类型和性能范围；复杂地层及矿心地层处理措施；维护处理要点；钻井液材料计划；钻井液和材料储备。
（4）钻井液密度设计以地质提供的地层压力为依据，主要目的是平衡地层或裂隙的压力，按照规定的密度附加值进行设计，基本实现压力平衡或欠平衡钻进。
（5）严格执行钻井液设计方案，没有特殊情况不得随意更改钻井液体系。
1.3A井钻井液体系设计
参考部分新疆地区钻井液体系选择，针对A区块地层易漏情况，选择钾基钻井液体系。
钻井液性能参数设计
钻井液性能参数设计，主要是根据相应井段的地层岩性、地层温度、孔深、
井身结构、地层压力、钻井参数、故障提示、相邻井的情况等数据，以及确定的钻井液类型，确定相应的钻井液性能参数。
8.2.1钻井液性能参数简述
钻井液各种性能参数设计简述如下：
（1）钻井液密度ρ的设计。
钻井液密度是确保安全、快速钻井和保护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，以避免孔壁坍塌的发生。
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，在钻井工程设计中，必须准确、合理确定不同井段钻井液密度范围，并随时检测和调整。
（2）流变性能的设计。
钻井液流变性是钻井液的一项基本性能，它在解决
下列钻井问题时起着十分重要的作用：
携带岩屑，保证井底和井眼的清洁；悬浮岩屑与重晶石；提高机械钻速；保持井眼规则和保证井下安全。
此外，钻井液的某些流变参数还直接用于钻井环空水力学的有关计算。
因此，对钻井液流变性的深入研究，以及对每口油气井钻井液流变参数的优化设计和有效调控是钻井液工艺技术的一个重要方面。
钻井液特性通常是用钻井液的流变曲线和塑性粘度、动切力、静切力、表观粘度等流变参数来进行描述的。
（3）钻井液的滤失量。
根据地层岩性、井深、复杂情况以及钻井液的类型确定滤失量。
（4）PH值。
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。
PH值主要由钻井液的类型决定，合适的PH值能有效地发挥各种处理剂的作用。
（5）粘度。
根据地层特性、钻井液的类型、钻井液密度以及经验确定。
（6）切力。
钻井工艺要求钻井液应具有良好的触变性，在停止循环时，切
力能迅速地增大到某个适当的数值，既有利于钻屑的悬浮，又不至于恢复循环时开泵泵压过高。
钻井液的触变性与其所形成结构的强弱和方式有关。
如果膨润土含量过高，往往会导致最终的凝胶强度过高，并且这种结构的强度受粘土颗粒的电位和吸附水化膜厚度的影响较大。
（7）稠度系数。
根据地层特性、井温、地层压力、钻井液密度、钻井液质量等，由专家经验确定。
2.2A井钻井液性能参数设计分析
由岩心五敏实验分析，可知目的P1层呈极强盐敏，强水敏，弱酸敏，弱碱敏，存在速敏，但其临界流速和速敏损害值不确定；目的层P2层呈强盐敏，中等偏强水敏，弱酸敏，弱碱敏，无速敏。
地层的地温梯度为-0.0397℃m，压力梯度为100m，为正常的温压系统。
由此可知本井钻井液以稳定井壁和最大限度的减少对储集层的损害，快速钻进、保护油层为主。
同时，考虑到探井中严重的漏失情况，由此可选用钾钙基聚合物钻井液，通过K+和Ca2+的晶格固定和离子交换作用来抑制泥页岩吸水水化膨胀，以高分子量阳离子聚合物作为包被絮凝剂,以小分子量有机阳离子化合物作为泥页岩抑制剂,二者的相互结合,使得钻井液具有较强的抑制性、较好的稳定井壁能力，并配合阳离子乳化沥青和磺化类处理剂的应用，有效地解决了抑制防塌问题，稳定井壁。
而造斜段、稳斜段可适当调节钻井液的配方来提高钻井液的稳定性，严格控制钻井液滤失量≤5ml。
分井段钻井液配方
查阅文献，选择钻井液配方如表8-1。
表8-1A1-4井分井段钻井液配方
一开井段
（0-309.4m）
普通膨润土钻井液
配方：
基浆+8%膨润土+2%NaOH+5%Na2CO3
二开井段
（-1365m）
钾钙基聚合物钻井液
直井段：
配方：
基浆+5%膨润土+%KOH+2%SMP+%KCl+%CaO+%K-PAM+1%YTH-2+1%HYB-1+2%GXL-1+%XC+%YGC。
斜井段：
配方：
原钻井液+1~2%润滑剂
三开井段
（1365-1556.1m）
钾钙基聚合物钻井液
配方：
基浆+5%膨润土+%KOH+2%SMP+%KCl+%CaO+%K-PAM+1%YTH-2+1%HYB-1+2%GXL-1+%XC+%YGC+1~2%润滑剂。
分段钻井液性能、流变参数
查阅文献，钻井液流变性能如表8-2所示。
表8-2分段钻井液性能及流变参数
井段（m）
性能及参数
一开
二开
三开
0～
～1365
钻井液性能
密度ρ（g/cm3）
<
~
～
漏斗粘度FV（s）
40～70
50~65
45～60
失水FL（ml）
10～12
≤5
≤5
高温高压失水（ml）
≤15
≤12
塑性粘度PV
45~35
35~32
动切力YP（Pa）
8~12
12~17
初切终切Q1/Q10（Pa/Pa）
1～2/2～4
2～4/3～5
固含（%）
3～5
5～7
MBT（g/L）
45～55
55～60
粘滞系数Kf
<
<
备注：
（1）表中漏斗粘度FV（s）为马氏漏斗粘度测定值。
钻井液维护与处理
采用罐循环，三级净化系统。
8.5.1一开井段（0～309.4m）
Ⅰ钻井液基本配方：
基浆+8%膨润土+2%NaOH+5%Na2CO3
Ⅱ维护与处理：
该井段钻遇地层为棕黄色、灰黄色砂质泥岩、泥岩，中软地层，可钻性好。
采用高粘度、高切力和膨润土含量高的的钻井液，有效地解决了砾石层垮塌及携带岩屑的问题，起到防漏、堵漏作用。
开钻前按配方配制新浆150m3，新浆要充分预水化，性能调整到设计要求方可开钻。
在钻进过程中，视地层造浆情况适当补充稀浓度溶液处理，保持钻井液较高的粘度（40～60s）。
一开完钻后大排量冲孔，保持井底干净，确保表套顺利下入。
8.5.2二开直井段（～550m）
Ⅰ钻井液基本配方：
基浆+5%膨润土+%KOH+2%SMP+%KCl+%CaO+%K-PAM+1%YTH-2+1%HYB-1+2%GXL-1+%XC+%YGC+1~2%润滑剂。
Ⅱ维护与处理
二开选用钾钙基聚合物钻井液，二开前，将沉砂罐清理干净，并对一开钻井液进行二开前的预处理；全部采用罐式循环，严禁采用清水钻进，防止清水长期浸泡地层引起井壁垮塌、埋钻等恶性事故的发生。
同时，下钻至表套管内转化钻井液为钾钙基钻井液体系，将循环池中和井内钻井液经清水稀释膨润土含至40~45g/L，一次性按室内试验确定配方加入足量聚合物、聚磺处理剂，循环均匀后，充分对钻井液进行护胶后，依次加入%KCl、%CaO转化为钾钙基钻井液。
8.5.3二开斜井段（～550m）
配方：
原钻井液+1~2%润滑剂
本井从550m开始定向造斜，定向造斜前在钻井液中加入润滑剂，减少摩阻和扭矩。
控制粘滞系数在设计范围。
调整好流变参数，保持动塑比在～之间，提高钻井液的携带能力，使用好固控设备，保证井眼清洁。
由探井数据可知，二开钻进过程中要重点防漏。
钻进过程中要平稳操作，注意观察泥浆罐的液面，一旦发生大的漏失，可配高粘度钻井液并加入隋性堵漏材料堵漏（如锯沫、荞麦皮、粉碎的黄豆或海带等）或复合堵漏剂。
另由探井资料可知，J2x-J1b为事故多发地层（多为漏失），需要时刻注意泥浆罐液面，以便出现事故及时应对。
8.5.4三开井段（1350-1529m）
Ⅰ.钻井液的配制
与二开配置钻井液相同。
配方：
基浆+5%膨润土+%KOH+2%SMP+%KCl+%CaO+%K-PAM+1%YTH-2+1%HYB-1+2%GXL-1+%XC+%YGC+1~2%润滑剂。
Ⅱ.钻井液维护处理措施
（1）正常钻进时，以K-PAM提供抑制包被性。
用SMP、YTH-2、HYB-1来控制钻井液的低API和HTHP滤失；
（2）用XC提高钻井液的悬浮携带能力，清洁井底。
用YGC来增强井壁的稳定性，防止井壁垮塌；
（3）加强固控设备的使用，保持钻井液的低固相、低含砂,控制劣质固相积累。
（4）钻进过程中，要注意观察井口返浆情况，振动筛上的岩屑返出、岩屑形状的变化，严格控制钻井液性能达到设计要求，提高钻井液的抑制防塌、悬浮、携带岩屑能力，确保正常钻进。
（5）钻进中要保持各种处理剂的有效含量，并定期补充，使钻井液性能符合设计要求，既有利于携岩、也要保持井壁稳定。
（6）钻进期间，以补充胶液为主，尽量把所有药品都配制成胶液，然后均匀加入钻井液，保持钻井液性能的稳定，并防止未溶好的钻井液处理剂堵塞仪器和筛网，影响仪器工作和振动筛跑浆。
（7）加强固控设备的使用，钻井过程中不间断使用三级固控设备，使用150目以上的振动筛，同时勤捞砂、清沉砂罐，及时清除钻井液中的有害固相，降低钻井液的密度。
（8）钻进过程中根据振动筛上的返砂情况，及时发现地层岩性变化，及早发现煤层和泥岩，调整钻井液性能，保证井壁的稳定性和井下安全。
（9）进入目的层，钻进过程中，严格控制钻井液的PH值在8～9范围内。
钻井液用料
按井筒容积的二倍预算各种材料的用量，但最少应按100m3钻井液配备材料，其中井筒容积计算公式为：
式中，
，井筒容积，m3；
，上开次套管下入深度，m；
，上开次套管内径，m；
，钻头钻达深度，m；
，钻头尺寸，m。
（1）一开钻井液用量见表8-3：
表8-3一开钻井液用量计算结果
井段（m）
井眼容积（m3）
井眼尺寸（mm）
地面循环量（m3）
130
地层
N层
损耗量（m3）
200
钻井液体系
预水化膨润土浆
钻井液总量（m3）
380
难度提示
砂泥岩防卡，防塌
（2）二开钻井液用量见表8-4：
表8-4二开钻井液用量计算结果
井段（m）
井眼容积（m3）
井眼尺寸（mm）
地面循环量（m3）
130
地层
E~T1j层
损耗量（m3）
200
钻井液体系
钾钙基聚合物钻井液
钻井液总量（m3）
440
难度提示
防漏，防卡
（3）三开钻井液用量见表8-5：
表8-5三开钻井液用量计算结果
井段（m）
井眼容积（m3）
井眼尺寸（mm）
地面循环量（m3）
130
地层
T1j~P3wt1层
损耗量（m3）
200
钻井液体系
钾钙基聚合物钻井液
钻井液总量（m3）
391
难度提示
产层，防卡，防喷
钻井液设备要求
良好的固控设备和高的运转率是保证钻井液质量的前提，固控设备的使用应达到表8-6的要求。
表8-6固控设备要求
井段
（m）
固相指标
振动筛
除砂器、除泥器
密度
（g/cm3）
含砂量
（%）
固含
（%）
目数
运转率
（%）
处理量
（m3/h）
运转率
（%）
稳斜段
～
≤
≤
150
100
≥200
100
必须按科学打井要求配备固控设备，强化固控管理，使用振动筛、除砂器、除泥器三级固控除砂，以使钻井液含砂量、固相含量控制在合理范围内，为快速钻进创造良好条件。
配备2台高频振动筛，筛布目数150目以上。
储层钻进固相含量应控制在设计范围内，含砂量小于%。
储层保护措施
钻井过程中不间断使用三级固控设备，尽可能降低钻井液密度来降低井底压力，尽量减少钻井液滤液侵入地层的深度。
使用好固控设备及时清除钻进中混入钻井液中的固相，消除固相对储层喉道的堵塞。
钻井液中加入抑制剂，钻井液具有较强的抑制性，抑制气层中粘土的膨胀，可减少水敏损害。
水平段钻进期间，减小固相颗粒及滤液在储层侵入深度，达到保护油层的目的。
环保要求
（1）钻井生产施工中，应严防钻井液及污水外溢，如果发生钻井液罐刺漏或污水外溢现象，应及时清理。
（2）钻井液药品按标准化管理规定妥善存放，如在装卸中发生失散现象应及时清理；钻井液药品的废包装应加以回收，不得随意乱放。
（3）配制钻井液应优先选择低毒或无毒化学剂，严禁使用国际上已禁止使用的毒性化学剂和有毒化学剂。
（4）所有钻井液化学剂和材料，应有专人严格管理，防止破损和流失；有毒化学剂必须有明显标志，并建立收、发登记制度。
固相控制措施
（1）提高携岩能力，避免形成岩屑床。
（2）降低钻井液摩阻系数，减少摩阻和扭矩。
（3）降低失水，稳定井壁。
（4）保持适当钻井液液柱压力，维护井眼稳定。
钻井队必须按设备配套标准配齐各类固控设备（除砂器、除泥器、除气器和振动筛）。
并于开钻前安装好固控设备，确保固控设备性能良好，并有专人负责使用和保养。
振动筛安装双层网，选择合适的筛网，使钻井液覆盖筛网面积的75%左右。
保证振动筛使用率100%。
每口井开钻前，除砂、除泥器必须进行试运转，试压要求达到～。
旋流器的正常工作状态是底流伞状喷出，底流密度1.5g/cm3以上，当底流成串状排出时，应调大底流口。
正常钻进中，除砂器的开动率不能低于90%，除泥器的开动率不能低于80%。
除气器保持完好运转状态。
定期清理泥浆罐，一般要求在每次固井前清理。
认真做好废泥浆、废水和钻屑的处理排放工作，废水尽量回收利用。
在生活用水层位钻井时，泥浆不得使用有毒处理剂。
防漏堵漏预案
Ⅰ.防漏
（1）尽可能使用较低的钻井液密度
钻井液密度是决定漏失压差的主导因素，钻井液密度越高，发生井漏的可能性或井漏的严重度将越大，因此，满足井壁稳定和平衡地层流体的前提下，尽可能使用较低的钻井液密度，有利于防止井漏的发生。
井漏发生后，根据井下实际情况，适当降低钻井液密度是处理井漏的有效手段之一。
（2）控制合适的钻井液粘度和切力
适当提高钻井液粘切，尤其是提高钻井液的静切力，有利于防止或消除井漏。
Ⅱ.堵漏方案
推荐堵漏的桥堵配方（高密度），不同漏速情况下推荐的桥堵配方：
（1）桥堵材料加入顺序：
蛭石→果壳（粗、中、细）→复合堵漏剂→锯末→棉子壳。
（2）锯末加入前必须充分润湿。
（3）每个配方中以
（1）号配方为优先。
（4）目的层可加少量酸溶性材料。
钻井液材料计划
钻井液材料见表8-7.
表8-7钻井液材料计划
材料名称或代号
预计用量（吨）
膨润土
25
Na2CO3
NaOH
3
KOH
KCL
5
CaO
K-PAM
YTH-2
10
HYB-1
10
GXL-1
20
低粘CMC
7
高粘CMC
YGC
15
XC
润滑剂
3
重晶石
15
DL-3堵漏剂
2
备注：
钻井液材料可根据现场实际情况调整；堵漏材料工区备用。
钻井队钻井液测试仪器配套要求
现场应配备以下表为基础的测试设备，以利于及时检测钻井液性能和现场进行维护处理试验。
测试仪器送井前必须进行标定，所使用仪器要经常校准，以保证所测数据的准确性。
表8-8钻井液测试仪器配套表
名称
数量
名称
数量
钻井液密度计
2
含砂量测定仪
1
马氏漏斗粘度计
2
秒表
2
六速旋转粘度计
2
电动搅拌机
1
API中压失水仪
1
1000ml浆杯
5
固相含量测定仪
1
定时钟
1
PH试纸
2
极压润滑仪
1
升级会员 