第三章 钻井液,第一节 钻井液的定义和功用 第二节 钻井液的组成和分类 第三节 钻井液的性能 第四节 钻井液的固相控制 第五节 井塌及防塌钻井液 第六节 油气层保护及完井液,第一节 钻井液的定义和功用,一、钻井液的定义 钻井时用来清洗井底并把岩屑携带到地面、维持钻井操作正常进行的流 体称为钻井液或洗井液。 二、钻井液的功用 1携岩 2冷却和润滑钻头及钻柱 3造壁，维持井壁稳定 4控制地层压力 5. 悬浮钻屑和加重材料，防止下沉 6. 获得地层和油气资料 7. 传递水功率,一、钻井液的组成 （1）液相：液相是钻井液的连续相，水或油。 （2）活性固相：包括人为加入的商业膨润土（般土）、有机膨润土(油基 钻井液用)和地层进入的造浆粘土。 （3）惰性固相：惰性固相是钻屑和加重材料。 （4）各种钻井液添加剂。 二、钻井液的分类 API和IADC分类： （1）不分散体系膨润土+清水；天然钻井液（自然造浆而成），浅层钻进。 （2）分散体系水+膨润土+分散剂（铁络木质素黄酸盐等），深井或复杂井。 （3）钙处理体系水基钻井液+钙盐（石灰、石膏、氯化钙），抑制粘土膨胀。 （4）聚合物体系水基钻井液+高聚物（聚丙烯酰胺PAM，水解聚丙烯酰胺 PHP等），絮凝劣质土，抑制粘土分散。 （5）低固相体系总固相含量6%10%的水基钻井液。其中，膨润土含量小于 3%，钻屑与膨润土的比值小于21。,第二节 钻井液的组成和分类,（6）饱和盐水体系氯离子含量达189g/L的水基钻井液。 氯离子含量为6189g/L的水基钻井液称为盐水钻井液。 抗盐侵，抑制粘土水化。海上钻井、钻盐岩层和泥页盐层。 （7）修井完井液体系 水+盐+聚合物等；油基钻井液 低密度、无固相、抑制粘土膨胀、低滤失，保护油气层。 （8）油基钻井液体系油包水乳化钻井液：油+水+乳化剂（脂肪酸等） 油基钻井液：柴油+氧化沥青、有机酸、碱 耐高温、保护油气层、防止水敏性地层吸水膨胀。 （9）空气、雾、泡沫和气体体系欠平衡压力钻井。,第二节 钻井液的组成和分类,预备知识粘土的水化作用（水化膨胀） 粘土的分类：高岭土、蒙脱土、伊利土、海泡石 粘土的晶体结构（蒙脱石和伊利石） 由两层硅氧四面体和夹在它们之间的一层 铝氧八面体组成一个晶层，靠化学键联结紧密。 晶层又以一定间距（0.96nm）重叠在一起，构 成晶体，层间以氢键和静电力相连。 粘土的水化膨胀 粘土颗粒表面吸附水分子，在粘土颗粒表面 形成水化膜，使粘土晶格层面间的距离增大， 产生膨胀以至分散作用。 水化作用：蒙脱土伊利土高龄土 表面水化粘土表面带负电荷附钻井液中 的水分子，引起粘土表面水化，使粘土变软 和膨胀。 渗透水化当泥页岩水分中电解质的浓度高于周围钻井液中的电解质浓度时，由于渗透作用，水分子由电解质浓度较低的钻井液中渗入到电解质浓度高的泥页岩内部，造成水化膨胀。,第三节 钻井液的性能,一、钻井液的密度 钻井液的密度指单位体积钻井液的质量。加重剂：碳酸钙、重晶石、钛铁矿粉。 二、钻井液的流变性能 粘度和切力随流速变化的性能。包括静切力、动切力、表观粘度、塑性粘度、流性 指数、稠度系数等参数。 （一）液体的基本流型： 流速梯度（剪切速率）钻井液在钻柱内、环空内和喷嘴内流动时，速度分布 不均匀，中心处流速大，由中心向外流速减小。单位距离内流速的增量称为流速梯度。 剪切应力液流中各层速度不同，层间必有相对运动，发生内摩擦，阻碍液层作 相对运动。单位面积上的内摩擦力称为剪切应力。 根据液体流动时剪应力与流速梯度的关系， 可将液体流动分为四种流型： 牛顿流型： 塑性流型： 假塑性流型和膨胀流型：,第三节 钻井液的性能,（二）塑性流型的流变参数及调整 1. 静切力（静切应力） 使钻井液开始流动所需的最低切应力，它是钻井液静止时单位面积上所形成的连 续空间网架结构强度的量度。它反映了钻井液触变性的好坏。 调整方法：无机盐（改变粘土颗粒间静电力）、降粘剂或增粘剂。 2. 动切应力（屈服值） 延长流变曲线直线段与切应力轴相交得，它是一假想值，反映钻井液在层流状态下 粘土颗粒之间及高聚物分子之间的相互作用力（形成空间网状结构之力）的大小。 调整方法同静切力。 3. 塑性粘度 塑性粘度是塑性流体流变曲线直线段斜率的倒数，即： 。 它是钻井液流动时固相颗粒之间、固相颗粒与周围液相间以及液相分子间的内摩擦 作用的总反映。它反映了液体粘滞力的大小。 调整方法：降低固相含量、加稀释剂降粘；加高聚物增粘剂等提粘。 4. 表观粘度（视粘度或有效粘度） 它是在某一流速梯度下剪切应力与相应流速梯度的比值，即： 。,第三节 钻井液的性能,表观粘度等于塑性粘度与由屈服值和流速梯度所决定的那部分粘度（结构 粘度）之和，它反映两者的总的粘滞作用，是“总粘度”的意思。 动塑比 动切力与塑性粘度之比，反映了钻井液结构强度与塑性 粘度的比例关系。它影响钻井液在环空中的流态和剪切稀释特性。动塑比大， 流动过水断面较平缓，剪切稀释能力强，但流动阻力大，要求的泵压高。 理想值： = 0.360.48。 调整方法：采用调整动切力和塑性粘度的方法。 （三）假塑性流型和膨胀流型的流变参数 1. 流性指数n 表示流体在一定流速范围内的非牛顿性程度。 n1，假塑性流体，特点是随剪切速率增加而变稀（剪切稀释特性）； n1，膨胀型流体，特点是随剪切速率增加而变稠。 n值影响钻井液的携岩效果和剪切稀释特性。理想值：n=0.40.7。 2. 稠度系数k 为流体在 1s1流速梯度下的粘度。k值越大，粘度越大。,第三节 钻井液的性能,（三）流变参数的测定 仪器：六速旋转粘度计 1静切力 初切力（10s切力）：将钻井液在600rmin下搅拌10s，静置10s后测得3rmin 下的表盘读数，该读数乘以0511即得初切力(Pa)。 终切力（10min切力）：将钻井液在600rmin下搅拌10s，静置10min后再测得 3rmin下的表盘读数，该读数乘以0511，即得终切力(Pa)。 2. 动切力(屈服值)： 0.511(300一 )(Pa) 3. 粘度、流性指数及粘度系数 表观粘度： 0.5600(mPas) 塑性粘度： 600一300(mPas) 流性指数：n3321g （无因次） 稠度系数： (mPasn),第三节 钻井液的性能,三、钻井液的造壁性能及滤失量 （一）滤失和造壁过程 钻井液中的液体(刚开始也有钻井液)在压差的作用下向地层内渗滤的过程 称为钻井液的滤失。 钻井液中的固相颗粒附着在井壁上形成滤饼的过程称为造壁过程。 （二）几种不同的滤失情况 1. 瞬时滤失 在钻头破碎岩石形成新的井眼而滤饼尚未形成的一段时间内，钻井液迅速向地层 渗滤，此时的滤失称为瞬时滤失。瞬时滤失量有利于提高钻速，但严重损害油气层。 2. 动滤失 在已形成的井眼内，随着钻井液的渗滤，在井壁上形成一层滤饼，并不断增厚、密 实。同时，形成的滤饼又受到钻井液的冲刷和钻柱的碰撞、刮挤而遭到破坏。最终， 滤饼形成速度等于破坏速度而达到平衡，此时滤饼厚度不变，滤失速率也保持不变这 这种钻井液在井内循环流动时的滤失过程称为动滤失。,第三节 钻井液的性能,3静滤失 钻井液在停止循环时的滤失过程称为静滤失。随着滤失过程的进行，滤饼逐渐增 厚，滤失阻力逐渐增大，滤失速率逐渐减小。 影响静滤失量的因素：滤失时间、压差、温度、固相含量及类型、滤饼渗透率。 （三）滤失量的测量和要求 1. 静滤失量（API滤失量） 用API滤失量仪在常温、0.7MPa压差下测量30min所得的滤液体积（mL）。 要求：上部地层和坚固地层，滤失量可放宽； 水敏性易坍塌地层，滤失量要低； 油气层，滤失量不能高于5mL。 2. 高温高压滤失量 用高温高压滤失量仪模拟地层温度及压力条件测得的钻井液滤失量。 在150温度、3.5MPa压差下测量30min所得的滤失量乘以2即得高温高压滤失量。 在钻油气层时，高温高压滤失量不大于15mL。 （四）滤失量的控制 控制滤失量的最好方法用降滤失剂降低滤饼的渗透性。,第三节 钻井液的性能,常用降滤失剂：Na-CMC（羧甲基纤维素钠盐） SMP（磺化酚醛树脂） NH4（Na、C a）HPAN（水解聚丙烯睛胺、钠、钙盐） 降滤失剂作用机理： 1护胶作用 一方面能吸附在粘土颗粒表面形成吸附层，以阻止粘土颗粒絮凝变粗； 另一方面能把在钻井液循环搅拌作用下所拆散的细颗粒吸附在分子链上，不 再粘结成大颗粒，而形成薄而韧的泥饼，称之为降滤失剂的护胶作用。 2增加钻井液中粘土颗粒的水化膜厚度，降低滤失量 降滤失剂吸附于钻井液中的粘土颗粒上，使粘土颗粒周围的水化膜增厚， 形成的滤饼在压差作用下容易变形，滤饼的渗透率降低。 3提高滤液粘度，降低滤失量（滤失量与滤液粘度的二分之一次方成正比。） 4降滤失剂分子本身的堵孔作用,一、钻井液中的固相对钻井的影响 1固相含量升高，钻速降低；用不分散钻井液体系的钻速大于分散钻井液 体系的钻速。 2固相含量高，形成的滤饼厚，容易引起压差卡钻。 3. 固相含量高，对油气层损害严重。,第四节 钻井液的固相控制,二、固相控制方法 1大池子沉淀 2清水稀释 3替换部分钻井液 4利用机械设备清除固相 振动筛：清除0.5mm以上固相颗粒。 旋流分离器：除砂器（ 74m以上颗粒）、除泥器（1074 m颗粒）、超级分离 器（510 m） 离心机：清除25m以上的颗粒和回收重晶石。 5. 聚合物絮凝剂 功用：清除更细小的颗粒 类型： （1）全絮凝剂聚丙烯酰胺（PAM） （2）选择性絮凝剂只絮凝钻屑和劣质土， 不絮凝膨润土，如水解 聚丙烯酰胺（PHP）。 作用机理：吸附架桥形成团块。 加量：固相饱和吸附量的二分之一。,第四节 钻井液的固相控制,一、井塌及防塌钻井液 （一）井塌的原因 （1）地质因素 异常高压的释放，钻遇破碎带、断层、微裂缝发育地层、煤层、高构造 应力地层、膏盐层等。 （2）工程因素 大排量钻井液冲刷井壁，起下钻引起的压力激，钻井液液柱压力低于井壁 坍塌压力，钻井液侵泡时间长等。 （3）泥页岩的水化膨胀 泥页岩中的粘土矿物容易吸水膨胀和分散，造成井壁岩石强度降低，引起井壁不稳 定。井壁不稳定主要是泥页岩的水化问题。,第五节 钻井液防塌和保护油气层技术,（二）防塌钻井液技术 1钻井液中加入K+、NH+4等无机阳离子 （1） K+的固定作用 K+进入晶层之间并嵌入到相邻两层硅氧四面体氧原子组成的六角环中， 把带负电荷的粘土晶片紧紧联结在一起，阻止水化膨胀。 （2） K+的水化较弱，抑制粘土水化膨胀。 K+离子的未水化直径（0.266nm）比Na+离子未水化直径（0.19nm）大，而K+离子 水化半径比Na+离子水化半径小，因而K+离子水化能(322 Jmol)比Na+离子的水化能 (406 Jmol)低，水化膜薄。当它进入粘土的层间，既减少粘土的水化，又增加粘土层 间的吸引力。,第五节 钻井液防塌和保护油气层技术,（3）使粘土颗粒的扩散双电层变薄，利于有机处理剂分子在粘土上的吸附。 粘土颗粒的双电层在粘土（蒙脱石） 晶格里，四面体层中的部分Si+4被Al+3取代，八面 体中的Al+3被Mg+2取代，使粘土表面带负电，吸 附阳离子（Na+、Ca+2等）。当粘土放在水中时， 因水为极性分子，粘土表面吸附的阳离子有向水 中解离、扩散的趋势，而带负电的粘土表面又对 阳离子以静电吸引，最终达到某种平衡。粘土表 面紧密地连结着一部分水分子和阳离子，构成吸 附层，其余的阳离子带着它们的溶剂化水扩散地 分布在水中形成扩散层。 电位从吸附层界面到均匀液