钻井液工艺学第一部分 钻井液总论 第二部分 钻井液各论第三部分 钻井液应用 石油系 李水福 2003.6一、钻井液概述 二、钻井液理化基础 三、钻井液流变性能 四、钻井液滤失性能 五、钻井液处理剂 六、钻井液固相控制第一部分 钻井液总论1 1、钻井液、钻井液钻井过程中以其多种功能满足钻井工作需要的各种循环流体总称。钻井液又称钻井泥浆，简称泥浆。2 2、钻井液的循环、钻井液的循环是靠泥浆泵来维持的。高压管方钻杆钻杆钻头水眼高速喷出环形空间泥浆池清洗井底携带岩屑各种固控设备泥浆泵泥浆泵上上 水水 池池携带和悬浮岩屑形成泥饼，降低滤 失，减弱地层水化 。保护油气层控制压力 ，防止井 喷。 平衡地层压力 ，稳定井壁， 防止井塌。高压喷射 ，破岩清 岩。冷却润滑钻头3 3、钻井液的功用、钻井液的功用A 携带和悬浮钻屑 。 B 稳定井壁和平衡地层压力。 C 冷却和润滑钻头 、钻具。 D 传递水动力。一、钻井液概述4 4、钻井液的类型、钻井液的类型分类依据类 型密 度非加重钻井液加重钻井液 粘土水化非抑制性抑制性 固相含量低固相无固相 流体介质水基油基合成基气体液体液体气体气体水基水基 钻井液钻井液油基 钻井液合成基 钻井液泡沫 （气为主）充气钻井液 （液为主）空 气天然 气气-液混合物流体 介质钻 井 液 基 本 类 型水 基 钻 井 液油 基 钻 井 液淡水淡水（NaCl1%、Ca+ 120mg/l）：最初使用。 盐水盐水（NaCl1%）（盐水、饱和盐水、海水）用于海上和岩盐层及泥、页岩易塌地层。 钙处理钙处理（ Ca+120mg/l）：防塌、抗钙、盐侵强 。 低固相低固相（固相7%，不分散的4%）：钻速快。混油混油（乳化）：润滑性、流动性好，失水量少。 油包水乳化油包水乳化（逆乳化）：以柴油为分散介质，水及有机膨润土等为分散相。特点：热稳定性高、防塌好，对油气层损害小。用于超深井的高温井段。 全油基全油基（含水10%）：柴油和沥青等配成。特点：对油层损害小，抗盐侵能力强。缺点：对人体及环境危害大，尤其是海洋。加重剂加重剂钻屑钻屑5 5、钻井液的组成、钻井液的组成各种化学处理剂各种化学处理剂多级分多级分 散体系散体系粘土颗粒多数是悬浮体悬浮体 0.12m少数为 溶胶溶胶 1100nm膨润土膨润土水水( (或盐水或盐水) )溶胶溶胶悬浮体悬浮体水基水基 钻井液钻井液加重剂加重剂石灰石灰油油水滴水滴有机土等有机土等油基油基 钻井液钻井液乳化剂乳化剂润湿剂润湿剂乳状液乳状液 体系体系6 6、钻井液发展阶段、钻井液发展阶段 初步形成时期初步形成时期18881928年，旋转钻井开始，最初用清水钻井。 快速发展时期快速发展时期19281948年，发现带有砂的泥浆比清水的携带能力更好。 于是出现细分散钻井液，并使用简单的处理剂。 高速发展时期高速发展时期19481965年，发现细分散泥浆的不足：抗侵能力差，于是 发展为钙处理、适度絮凝的粗分散钻井液。 科学优化时期科学优化时期1965现在，高压喷射钻井中，要求低固相，于是出现聚合 物不分散低固相钻井液。硅氧四面体晶片（俯视图）硅氧四面体晶片（立体图）单个硅氧四面体OSi1 1、三种主要粘土、三种主要粘土矿物的晶体构造矿物的晶体构造粘土矿物 晶体基本 构造单元硅氧四面体二、钻井液理化基础铝氧八面体晶片（立体图）单个铝氧八面体铝氧八面体晶片（俯视图）AlOH空余 位置铝氧八面体粘土矿物晶体 基本构造单元SiOHAlO构造单元中原子电荷是平衡的。一面为OH层，一 面为O层，晶层与晶层之间容易形成氢键，晶层之间结合紧密，故分散度低，几乎无晶格取代现象， 为非膨胀型粘土矿物，水化性能差，造浆性能不好 。高高 岭岭 石石7.210-1 n m6 (OH) 4Al 4O2(OH)4Si 6O1 : 11 : 1型型SiOHAlO蒙脱石晶层上下均为氧原子，晶层之间连接力弱，水分子容易进入晶层之间，引起晶格膨胀。所以，它的 水化能力强，阳离子交换容量大（70130 mmol/100g），为膨胀型粘土矿物。蒙蒙 脱脱 石石9.610-1 4010-1 nm4O2(OH) 46(Al，Mg，Fe) 4O2(OH)4(Si或Al) 6O6O 4(Si或Al)n H2On H2O2 : 12 : 1型型伊利石也叫水云母，它比原生云母少钾、多水。晶体结构与蒙脱石相似，也是三层型粘土矿物，区别 在于晶格取代多发生在四面体中，Al3+取代Si4+。所带电荷比蒙脱石高。伊利石不易膨胀。1010-1 nm4O2(OH) 4Al 4O2(OH)3Si1Al 6O6O 3Si1Al伊伊 利利 石石SiOHAlOK2 : 12 : 1型型KK三种粘土矿物晶体构造特点比较SiOHAlOK9.610-1 4010-1 nm1010-1 nm7.210-1 nm高岭石伊利石（白云母）蒙脱石（含水的）n Hn H2 2OOKK2 2、粘土的带电性、粘土的带电性永久负电荷、可变负电荷和正电荷。 永久负电荷永久负电荷主要由粘土矿物的晶格取代产生，三种粘土矿物所带的永久负电荷是：伊利石蒙脱石高岭石； 可变负电荷可变负电荷是粘土晶体端面上与铝连接的OH基中的H在 碱性或中性条件下解离和粘土晶体端面上吸附了OH-、 SiO32-等无机或有机阴离子引起的。三种粘土矿物的可变负电荷占总电荷比例分别为：蒙脱石约95%、伊利石约60%、高岭石约25%； 正电荷正电荷是粘土矿物晶体端面上与铝连接的OH基在酸性 条件下解离出OH-的结果所致。它所占的比例较小，所以粘土一般仍然带负电。AlAlOOH AlH Al+ + OH OH- -HH+ +3 3、粘土阳离子交换容量、粘土阳离子交换容量指在分散介质的pH值为7的条件下，粘土所能交换下来的 阳离子总量，用符号CECCEC表示。影响因素：粘土矿物的本性、 粘土的分散度、分散介质的酸碱度。 m molm mol100g 100g 粘土粘土4 4、粘土水化膨胀作用、粘土水化膨胀作用表面水化表面水化粘土晶体表面吸附水分子和交换性阳离子水 化引起的。渗透水化渗透水化由于晶层之间的阳离子浓度大于溶液内部的 浓度，水发生浓差扩散进入晶层间，增加晶层间距离，形成扩 散双电层。由渗透水化引起的体积增加比晶格本身膨胀要大得多，粘 土水化膨胀主要由此引起。粘粘土土吸附层扩散层阳离子溶剂化水5 5、胶粒双电层结构示意图、胶粒双电层结构示意图胶核胶核反离子 为零处扩散层扩散层吸附层吸附层滑动面0均匀液相均匀液相x 0 0固 体 表 面离固体表面距离0热力学电位电动电位6 6、聚结稳定性理论、聚结稳定性理论，也叫静电稳定理论或 DLVO理论（1）胶体稳定性的概念动力稳定性动力稳定性是指在重力作用下分散相粒子是否下沉的性 质。一般用下沉速度来衡量。用一玻璃容器盛满钻井液，静 止24小时，分别测定上下两部分的密度，其差值越小。聚结稳定性聚结稳定性是指分散相粒子是否容易自动地聚结变大的 性质。不管分散相下沉速度如何，只要不自动聚结变大，该 胶体就是聚结稳定性好。（2） DLVO理论要点胶粒之间存在两种相反作用力：吸力与斥力。胶粒在布朗运动中，如果吸力斥力，粒子碰撞后就聚结；反之，如果吸力斥力，粒子碰撞后又分开，保持分散状态。三、钻井液流变性能 1 1、钻井液流变性概念、钻井液流变性概念指在外力作用下，钻井液发生流动和变形的特性。剪切速率（剪切速率（ ）：垂直于流速方向上单位距离流速的增量。剪切应力（剪切应力（ ）：单位面积上的剪切力。 vdv vdxxdvdr沉砂池约1020s-1环形空间50250s-1钻杆内1001000s-1钻头水眼处100010000s-12 2、四种流体基本流型的曲线图、四种流体基本流型的曲线图牛顿流型、塑性流型、假塑性流型、膨胀流型。牛顿流型、塑性流型、假塑性流型、膨胀流型。牛顿流体的流牛顿流体的流变性最简单，变性最简单，膨胀性流体比膨胀性流体比较少见。大多较少见。大多数钻井液为数钻井液为塑塑性流体和假塑性流体和假塑性流体性流体。剪切速率剪切应力四种基本流型的曲线牛顿流体牛顿流体塑性流体塑性流体假塑性流体假塑性流体膨胀流体膨胀流体0sF=SF=S=F/S=F/S=3 3、钻井液的三种模式、钻井液的三种模式宾汉模式宾汉模式（0p）指数模式指数模式（Kn）卡森模式卡森模式（1/2c1/21/21/2）剪切速率与剪切应力之间的关系，用数学关系式表示的 叫流变方程流变方程或流变模式流变模式，用图线表示的叫流变曲线流变曲线。4 4、塑性流体和假塑性流体的流变参数塑性流体和假塑性流体的流变参数塑性粘度（p或PV）动切应力或动切力或屈服值（0或YP）流性指数（n）稠度系数（K）5 5、其它流变参数、其它流变参数静切应力或切力或凝胶强度（s）、漏斗 粘度（FV）、表观粘度或有效粘度（a）。剪切稀释性剪切稀释性：塑性流体和假塑性流体的表观粘度随着剪切速率 的增加而降低的特性（a），在钻井液工艺中常用动切力与塑性粘度的比值（简称动塑比）表示剪切稀释性的强弱，一 般为0.360.48Pa/mPa.s。钻井液触变性钻井液触变性：指钻井液在搅拌后变稀，静止后变稠的性质。 一般用终切与初切之差表示钻井液触变性的强弱。初切力钻井液经充分搅拌后，静止1min或10s测得的静切力（简称初切初切）；终切力钻井液经充分搅拌后，静止10min测得的静切力（简称终切终切）。6 6、钻井液流变性与钻井的关系、钻井液流变性与钻井的关系（1）与井眼净化的关系（钻井液主要功用之一）清洗能力除了决定于循环系统的水力参数外，还与钻井液的性能有关。特别是钻井液的流变性。岩屑清除 两个过程一是岩屑被冲离井底，与钻头造形有关，属工程问题。二是岩屑从环形空间被携带至地面，主要是钻井液作用。两种流型携屑特点 （最好的携屑流型为塞流）A.A.层流携带岩屑：层流携带岩屑：层流的截面为一抛物线，中心处流速大，边 缘处流速小，使岩屑产生翻转和滑落现象。B.B.紊流携带岩屑：紊流携带岩屑：钻井液作紊流流动时，岩屑没有转动和滑落 现象。但要求上返的速度大，泵的排量大，而且紊流时的高流 速对井壁冲蚀严重层流的截面为一抛物线，中心处流速大，边缘处流速小。片状的岩屑受力不均一，使岩屑产生翻转和滑落现象，不利于携带。钻柱转动时对携 带有利。0 12.5 25.0 37.5 50.00.50.40.30.20.10钻杆管壁井壁F2F4F1F3流上升速度（m/s）井眼半径（mm）dd0Dl井眼环空平板型层流一般要求动塑比（ 0 0/p p）在 0.360.48 Pa/mPas之间。要达到这个动塑比，一般采取以下措施：A.选用XC生物型聚合物，增大体系结构强度，即0 升高，0/p增大。B.有效地进行固控，降低固相含量，达到降低 p ，提高0/pC.在保持钻井液性能稳定下，加入石灰、石膏、氯化钙、氯化钠等电解质，以增强粘土网架结构，0增大，0/p提高。2 4 6 8 1000.20.40.60.81.01.22/1环形空间（cm）液体流速（m/s）1/21/160/p=0钻杆壁井壁平板型层流的实现（2）与井壁稳定关系紊流对井壁冲蚀强，所以应尽量使返速保持层流，避免出现紊流。 非牛顿流体用综合雷诺数判断：Re2000为紊流。Re=2000时，推导出： 临界返速 Vc 100p 10 100p2