钻井液与完井液钻井液与完井液钻井液与完井液钻井液与完井液Drilling and Completion FluidsDrilling and Completion Fluids王平全王平全王平全王平全 博士博士博士博士CNPCCNPC钻井液重点研究室钻井液重点研究室钻井液重点研究室钻井液重点研究室（西南石油大学）（西南石油大学）（西南石油大学）（西南石油大学）1成成成成 绩绩绩绩 分分分分 布布布布1 1、出勤率（、出勤率（10%10%） （每次出勤听课，无迟到、早退、缺课者：（每次出勤听课，无迟到、早退、缺课者：1010分）分）2 2、作业（作业（20%20%） （每次独立完成作业，并提交作业：（每次独立完成作业，并提交作业：2020分）分）3 3、提问（、提问（10%10%） （回答问题正确率达（回答问题正确率达80%80%以上：以上：1010分）分）4 4、期末考试（、期末考试（60%60%） （期末考试成绩（期末考试成绩100100分：分：6060分）分） 2钻钻 井井 液液 与与 完完 井井 液液 钻井液流变性钻井液流变性 钻井液造壁性钻井液造壁性 钻井液处理剂钻井液处理剂 钻钻 井井 液液 体体 系系1 核心内容核心内容3 第一章第一章 绪绪 论论 本章要求掌握本章要求掌握： 钻井液、完井液功用、类型和组成。钻井液、完井液功用、类型和组成。 钻井液、完井液的性能及其测试。钻井液、完井液的性能及其测试。 钻井液、完井液的发展概况。钻井液、完井液的发展概况。 24第一节第一节 钻井液、完井液的功用、类型、组成钻井液、完井液的功用、类型、组成 钻井液钻井液 凡钻进中一切有助于从井眼产生和清除钻屑凡钻进中一切有助于从井眼产生和清除钻屑 的流体（液、气、液的流体（液、气、液+ +气）。气）。广义完井液广义完井液 一切与产层接触的流体（各种盐水、一切与产层接触的流体（各种盐水、 聚合物溶液、钻井液、泡沫等）。聚合物溶液、钻井液、泡沫等）。狭义完井液狭义完井液 钻开油气层的钻井液。钻开油气层的钻井液。351 1、钻井液的主要作用、钻井液的主要作用（简图简图）携带、悬浮岩屑控制压力形成泥饼破岩、清岩保护油气层传递水功率46具体内容包括：具体内容包括：保持清洁；控制压力；保持清洁；控制压力；冷却润滑；防止垮塌；冷却润滑；防止垮塌；避免损害；取准资料；避免损害；取准资料；传递功率；承受重量。传递功率；承受重量。572 2、钻井液的组成、钻井液的组成 分散相分散相+ +分散介质分散介质+ +化学处理剂化学处理剂 连续相连续相+ +不连续相不连续相 液相液相+ +固相固相+ +化学处理剂化学处理剂 68 组分举例组分举例某种水基钻井液组分为：某种水基钻井液组分为：水水 + + 膨润土膨润土 + + 处理剂处理剂 100ml 5g 1g用组分表示的配方为：用组分表示的配方为：5%5%膨润土浆膨润土浆+1%+1%处理剂处理剂配方表示的特点：配方表示的特点： 用用W/VW/V百分数表示组分。百分数表示组分。 不考虑处理剂的体积。不考虑处理剂的体积。79水基钻井液的典型组成水基钻井液的典型组成810油基钻井液的典型组成油基钻井液的典型组成9113 3、钻井液的类型、钻井液的类型通常根据分散介质分为三大类：通常根据分散介质分为三大类： 水基钻井液（水基钻井液（Water-Base Drilling FluidsWater-Base Drilling Fluids） 油基钻井液（油基钻井液（Oill-Base Drilling FluidsOill-Base Drilling Fluids） 气基钻井液（气基钻井液（Gas-Base Drilling FluidsGas-Base Drilling Fluids）10121113钻井液密度钻井液密度钻井液流变性钻井液流变性钻井液滤失造壁性钻井液滤失造壁性钻井液的钻井液的pH值和碱度值和碱度钻井液的含砂量钻井液的含砂量钻井液的固相含量钻井液的固相含量钻井液膨润土含量钻井液膨润土含量钻井液滤液分析钻井液滤液分析第二节第二节 钻井液的性能及其测试钻井液的性能及其测试1214第三节第三节 钻井液技术的发展钻井液技术的发展 1 1、初步形成时期、初步形成时期 1888-1928 1888-1928年；年； 2 2、快速发展时期、快速发展时期 1928-1948 1928-1948年；年； 3 3、高速发展时期、高速发展时期 1948-1965 1948-1965年；年； 4 4、科学化时期、科学化时期 1965 1965年年- -现在。现在。1315发展发展水基钻井液水基钻井液清水清水 分散钻井液分散钻井液 抑制性钻井液抑制性钻井液 不分散聚不分散聚合物钻井液合物钻井液油基钻井液油基钻井液原油原油 柴油为连续相钻井液柴油为连续相钻井液 油包水乳化钻油包水乳化钻井液井液1416国内钻井液技术发展特点国内钻井液技术发展特点同样经历了这些阶段同样经历了这些阶段, ,但滞后一定时间但滞后一定时间; ;水基体系的研究应用比油基体系多水基体系的研究应用比油基体系多; ;深井水基钻井液、防塌钻井液、聚合物钻井液深井水基钻井液、防塌钻井液、聚合物钻井液理论较成熟；理论较成熟；成功研制了一些钻井液处理剂；成功研制了一些钻井液处理剂；成功应用了一些钻井液体系，如三磺体系，两成功应用了一些钻井液体系，如三磺体系，两性离子聚合物体系、聚磺体系等；性离子聚合物体系、聚磺体系等；研制了大量钻井液性能评价仪器；研制了大量钻井液性能评价仪器；计算机应用相对滞后。计算机应用相对滞后。15171 1、初步发展时期、初步发展时期 自然造浆阶段自然造浆阶段主要解决问题：主要解决问题： 携带钻屑携带钻屑 控制地层压力控制地层压力典型技术：典型技术： 水水+ +钻屑钻屑+ +地面土地面土 使用重晶石、铁矿粉（使用重晶石、铁矿粉（19201920年年) )16182 2、快速发展时期、快速发展时期 细分散泥浆阶段细分散泥浆阶段主要解决问题：主要解决问题： 泥浆性能的稳定泥浆性能的稳定 井壁稳定井壁稳定典型技术：典型技术： 性能测定仪器研制出来性能测定仪器研制出来 使用膨润土、单宁、烧碱、褐煤使用膨润土、单宁、烧碱、褐煤17193 3、高速发展阶段、高速发展阶段 粗分散泥浆阶段粗分散泥浆阶段主要解决问题：主要解决问题： 石膏、盐污染石膏、盐污染 温度影响温度影响典型技术：典型技术： 各种盐水、钙处理泥浆各种盐水、钙处理泥浆 油基泥浆油基泥浆 处理剂品种处理剂品种1616大类大类18204 4、科学发展时期、科学发展时期 聚合物不分散钻井液阶段聚合物不分散钻井液阶段主要解决问题：主要解决问题： 快速钻井快速钻井 保护油气层保护油气层典型技术：典型技术： 不分散低固相钻井液不分散低固相钻井液 气体钻井气体钻井 保护油气层的完井液保护油气层的完井液1921第二章第二章 粘土矿物和粘土胶体化学基础粘土矿物和粘土胶体化学基础本章要求重点掌握内容本章要求重点掌握内容：1 1、几种粘土矿物的晶体构造特点及其水化性质。、几种粘土矿物的晶体构造特点及其水化性质。2 2、扩散双电层理论和电解质对电动电势的影响。、扩散双电层理论和电解质对电动电势的影响。3 3、胶体体系的基本概念。、胶体体系的基本概念。4 4、分散度、比表面的概念。、分散度、比表面的概念。5 5、聚结稳定性和沉降稳定性概念及其影响因素。、聚结稳定性和沉降稳定性概念及其影响因素。 2022几个基本概念几个基本概念1 1、相和相界面、相和相界面相相 物质的物理化学性质都完全相同的均匀部分。物质的物理化学性质都完全相同的均匀部分。 体系中有两个或两个以上的相，称为多相体系。体系中有两个或两个以上的相，称为多相体系。相界面相界面 相与相之间的宏观物理界面。相与相之间的宏观物理界面。 在相互接触的两相中在相互接触的两相中： 若一相为气体，相界面称为表面。若一相为气体，相界面称为表面。 若是液若是液/ /固分界面，称为界面。固分界面，称为界面。21232 2、分散相与分散介质、分散相与分散介质分分 散散 相相 在多相分散体系中，被分散的物在多相分散体系中，被分散的物 质。质。分分 散散 介质介质 分散相所在的连续介质。分散相所在的连续介质。例如例如：钻井液中，粘土颗粒分散在水中。：钻井液中，粘土颗粒分散在水中。 粘土为分散相；粘土为分散相； 水为分散介质。水为分散介质。2224分散度和比表面：分散度和比表面：分散度分散度 分散相的分散程度。分散相的分散程度。比表面比表面 单位体积（重量）物质的总表面积。单位体积（重量）物质的总表面积。比表面比表面 = S/V = S/W = S/V = S/W23253、吸附作用吸附吸附物质在两相界面上自动浓集（界面浓物质在两相界面上自动浓集（界面浓度大于内部浓度）的现象。度大于内部浓度）的现象。吸附质吸附质被吸附的物质被吸附的物质吸附剂吸附剂吸附吸附质的物质吸附吸附质的物质按吸附的作用力性质不同，可将吸附分为：按吸附的作用力性质不同，可将吸附分为：物理吸附物理吸附化学吸附化学吸附2426 第一节第一节 粘土矿物的晶体构造与性质粘土矿物的晶体构造与性质 粘粘 土土：主要由粘土矿物和少量非粘土矿物组成的：主要由粘土矿物和少量非粘土矿物组成的 细粒粘滞土细粒粘滞土状物质。状物质。 特点：粒度特点：粒度 5 蒙脱石蒙脱石 高岭石。高岭石。 永久负电荷主要分布在粘土晶层层面上。永久负电荷主要分布在粘土晶层层面上。36382 2 、可变负电荷、可变负电荷 表面电荷表面电荷来源来源： 晶体端面的晶体端面的Al Al OH OH键键 例如：在碱性条件：例如：在碱性条件： 端面吸附端面吸附OHOH- -、SiOSiO3 3 2-2-等无机阴离子，或有机阴离子等无机阴离子，或有机阴离子聚电解质。聚电解质。Al O-. H+OH-SiO3 2-37393 3、正电荷、正电荷 表面电荷表面电荷来源来源：当：当PH8PH8时时, Al , Al O H O H Al Al+ +OH+OH- -特点特点: : 受环境受环境PHPH值影响值影响 。 正电荷正电荷 300 3000 0C C，释放出结晶水。，释放出结晶水。2 2、吸附水、吸附水（束缚水）（束缚水）定义：由于分之间力和静电引力吸附极性水分子而在粘土表面上形成的定义：由于分之间力和静电引力吸附极性水分子而在粘土表面上形成的一层水化膜。一层水化膜。特点：温度特点：温度1101100 0C C，释放出吸附水。包括：薄膜水、毛细管水、胶体水。，释放出吸附水。包括：薄膜水、毛细管水、胶体水。3 3、自由水、自由水定义：粘土颗粒孔隙或孔道中存在的水。定义：粘土颗粒孔隙或孔道中存在的水。4244二、粘土的水化和水化膨胀二、粘土的水化和水化膨胀1 1、几个名称概念、几个名称概念粘土水化粘土水化 粘土矿物遇水后，在其颗粒表面吸附水分子形成水化膜的过粘土矿物遇水后，在其颗粒表面吸附水分子形成水化膜的过程。程。粘土膨胀粘土膨胀 水分子进入粘土矿物晶层间，其体积由小变大的过程。水分子进入粘土矿物晶层间，其体积由小变大的过程。粘土分散粘土分散 水分子进入粘土矿物晶层间，使粘土由大颗粒变为小颗粒的水分子进入粘土矿物晶层间，使粘土由大颗粒变为小颗粒的过程。过程。粘土收缩粘土收缩 在高温作用下，粘土矿物吸附的水分子逐渐蒸发，其体积由在高温作用下，粘土矿物吸附的水分子逐渐蒸发，其体积由大变小的过程。大变小的过程。43452 2、引起粘土矿物水化的原因、引起粘土矿物水化的原因 靠静电吸附水分子产生水化靠静电吸附水分子产生水化 靠氢键吸附水分子产生水化靠氢键吸附水分子产生水化44463 3、粘土水化的过程、粘土水化的过程两个水化过程：表面水化和渗透水化。两个水化过程：表面水化和渗透水化。 表面水化表面水化定定 义义：粘土矿物晶层表面吸附水分子和补偿阳离子吸：粘土矿物晶层表面吸附水分子和补偿阳离子吸附水附水 分子、增大晶层间距的过程。分子、增大晶层间距的过程。影响因素影响因素：影响表面水化膨胀的三种力：影响表面水化膨胀的三种力： a. a. 晶层间的范德华力；晶层间的范德华力； b. b. 水化能；水化能； c. c. 晶层间的静电引力。晶层间的静电引力。4547表面水化特点：表面水化特点： 主要推动力：表面水化能（水的吸附能）。主要推动力：表面水化能（水的吸附能）。 表面吸附的水分子只有两个水分子厚度，体积膨胀小。表面吸附的水分子只有两个水分子厚度，体积膨胀小。 产生的膨胀压大（产生的膨胀压大（2000 -4000kg/cm2000 -4000kg/cm2 2) )。4648 渗透水化渗透水化 特点特点： 主要推动力：双电层斥力。主要推动力：双电层斥力。 体积膨胀大。体积膨胀大。 膨胀压较小。膨胀压较小。47494、影响粘土水化膨胀的因素、影响粘土水化膨胀的因素(1)因粘土晶体的部位不同，水化膜的厚度因粘土晶体的部位不同，水化膜的厚度 也不相同。也不相同。(2)粘土矿物不同，水化作用的强弱也不同。粘土矿物不同，水化作用的强弱也不同。(3)因粘土吸附的交换性阳离子不同，其水化程因粘土吸附的交换性阳离子不同，其水化程度有很大差别度有很大差别(如钙蒙脱石，钠蒙脱石，见下图如钙蒙脱石，钠蒙脱石，见下图)。485049钠蒙脱土钠蒙脱土钙蒙脱土钙蒙脱土51第四节第四节 粘土粘土 水悬浮体的稳定性水悬浮体的稳定性一、电动现象一、电动现象莱斯实验莱斯实验 实验中观察到两个现象：实验中观察到两个现象： 粘土颗粒通过细砂层向阳极移动，并粘土颗粒通过细砂层向阳极移动，并沉积起来。沉积起来。 水通过粘土团块的毛细管向阴极流动。水通过粘土团块的毛细管向阴极流动。 总结这两种实验现象，得到两个概念：总结这两种实验现象，得到两个概念： 电泳电泳：在电场作用下，分散相微粒在：在电场作用下，分散相微粒在介质中向某一电极移动的现象。介质中向某一电极移动的现象。 电渗电渗：在电场作用下，液体对固定的：在电场作用下，液体对固定的带电荷的固体表面作相对运动的现象带电荷的固体表面作相对运动的现象。 显然，电泳和电渗都是外加直流电场显然，电泳和电渗都是外加直流电场于胶体体系引起的运动现象于胶体体系引起的运动现象。莱斯实验装置莱斯实验装置土粒土粒水水电电泳泳电电渗渗+-5052二、界面双电层二、界面双电层1 1、胶体颗粒扩散双电层、胶体颗粒扩散双电层胶粒周围带有电荷后，会出现如下现象：胶粒周围带有电荷后，会出现如下现象： 反离子扩散分布于胶粒周围，形成扩反离子扩散分布于胶粒周围，形成扩散双电层。散双电层。 扩散双电层结构扩散双电层结构 扩散双电层扩散双电层 从固体表面到过剩反离子为零处。从固体表面到过剩反离子为零处。 吸附层吸附层 固体表面紧密吸引着的部分反离子所固体表面紧密吸引着的部分反离子所构成。构成。 扩散层扩散层其余反离子扩散地分布在液相中所构成。其余反离子扩散地分布在液相中所构成。 滑动面滑动面 吸附层与扩散层错开的界面。吸附层与扩散层错开的界面。 胶核：胶核：固体表面固体表面 胶粒：胶粒：胶核胶核+ +吸附层吸附层 扩散双电层结构扩散双电层结构-滑动面滑动面吸附层吸附层扩散层扩散层距离距离粘土粘土5153 离子的分布离子的分布 双电层内既有同号离子，双电层内既有同号离子，又有反离子，其分布如右又有反离子，其分布如右图所示。图所示。 双电层电荷必须平衡。双电层电荷必须平衡。 离子分布离子分布反离子反离子过剩反离子过剩反离子同号离子同号离子0Xnn052542 2、双电层中的电势（位）、双电层中的电势（位） 表面电势表面电势 定义：定义：从固体表面到均匀液相内的电势降。从固体表面到均匀液相内的电势降。特点：特点： 固体表面电势最大。固体表面电势最大。 表面电势随离表面距离的增大而表面电势随离表面距离的增大而大致依指数关系降低。大致依指数关系降低。 电动电势电动电势定义：定义：从滑动面到均匀液相的电势降。从滑动面到均匀液相的电势降。特点：特点： 胶粒带电越多，胶粒带电越多，电位越高。电位越高。 大小取决于吸附层内的静电荷数。大小取决于吸附层内的静电荷数。0x05355 电势方程式电势方程式 赫斯公式赫斯公式( (Helmhohz Smoluchouski) )对于片状离子：对于片状离子： =(4v/DE)3002对对 于于 球球 离离 子：子： =(6v/DE)3002 式中式中： 介质粘度；介质粘度； v v 电泳速度；电泳速度； E E 电位梯度；电位梯度；D D 液体介电常数液体介电常数5456 3 3、电解质对、电解质对电位的影响电位的影响 电解质压缩双电层作用电解质压缩双电层作用 电泳实验表明，任何电解质加入，都要影响电泳速度，从而影响电泳实验表明，任何电解质加入，都要影响电泳速度，从而影响电位值。电位值。1= 2120x电解质压缩恒定表面电势双电层电解质压缩恒定表面电势双电层1Rb Rb+ + K K+ + Na Na+ + Li Li+ +BaBa+ Sr Sr+ Ca Ca+ Mg Mg+6264本次作业本次作业1 1、钻井液的主要功用有哪些、钻井液的主要功用有哪些? ?2 2、粘土矿物的晶格取代指的是什么、粘土矿物的晶格取代指的是什么? ? 其结果如何其结果如何? ?3 3、粘土端面可否带正电、粘土端面可否带正电? ? 为什么为什么? ?4 4、什么叫表面水化和渗透水化、什么叫表面水化和渗透水化? ? 它们的主要驱动力和特点各是什么它们的主要驱动力和特点各是什么? ?5 5、什么是粘土的、什么是粘土的CEC ? CEC ? 测定它们有何意义测定它们有何意义? ?6 6、从硅氧四面体和铝氧八面体出发、从硅氧四面体和铝氧八面体出发, ,简述高岭石、蒙托石、伊利石的晶体结构。简述高岭石、蒙托石、伊利石的晶体结构。6365第三章第三章 钻井液的流变性钻井液的流变性Chapter 3 The Rheology of Drilling Fluids本章要求重点掌握：本章要求重点掌握：1 1、流动原理及其几种流型的概念和数学模型。、流动原理及其几种流型的概念和数学模型。2 2、流变参数的胶体化学性质。、流变参数的胶体化学性质。3 3、流变性测量原理和流变参数直读公式。、流变性测量原理和流变参数直读公式。4 4、钻井液流变性与钻井工程的关系。、钻井液流变性与钻井工程的关系。5 5、钻井液流变性能的调节与维护。、钻井液流变性能的调节与维护。6466第一节第一节 钻井液的流动状态和基本概念钻井液的流动状态和基本概念1 1、流体的流动类型、流体的流动类型 稳稳 定定 流流： 流场中任何点的流动参量不随时间改变，流场中任何点的流动参量不随时间改变，但不同点的流动参量是可以不同的流动。但不同点的流动参量是可以不同的流动。特特 点点： 稳定流动是连续性的。稳定流动是连续性的。 不稳定流不稳定流：流场中任何点的流动参量不但随位置不同：流场中任何点的流动参量不但随位置不同而变，而且随时间不同也在改变的流动。而变，而且随时间不同也在改变的流动。特特 点点：旧的流动条件刚改变到新的流动稳定条件建立之：旧的流动条件刚改变到新的流动稳定条件建立之间的流动。间的流动。 如如：流体刚开始流动时；管道横断面变宽、变窄处。：流体刚开始流动时；管道横断面变宽、变窄处。6567 稳定流动类型的变化稳定流动类型的变化 塞流塞流 Plug Flow 稳定流稳定流 层流层流 Laminar Flow 紊流紊流 Turbulent Flow塞塞 流流层层 流流紊紊 流流稳定流动类型的变化稳定流动类型的变化6668塞流塞流：流体象塞子一样流动，流速为常数。：流体象塞子一样流动，流速为常数。层流层流：流体分层运动。任意流层与相邻流层方向相：流体分层运动。任意流层与相邻流层方向相 同，流速同，流速不同。不同。紊流紊流：流体内形成无数小旋涡。任一定点的流速，其大小、：流体内形成无数小旋涡。任一定点的流速，其大小、方向都在进行着不规则的、连续的变化。方向都在进行着不规则的、连续的变化。67692 2、基本概念、基本概念（预备知识）（预备知识） 剪切速率剪切速率 Shear Rate统一名称统一名称：速梯、剪率、切变率速梯、剪率、切变率。常用符号常用符号：、D、dv/dx、dv/dr定定 义义： = dv/dr = 垂直于流动方向上单位距离内的流速增量。垂直于流动方向上单位距离内的流速增量。意意 义义： dv/dr 增大，液流各层间的速度变化大；反之则小。增大，液流各层间的速度变化大；反之则小。单单 位位： = 速度速度/ /距离距离 = cm/s/cm = 1/s = s-1钻井液循环系统中各部位剪切速率范围为钻井液循环系统中各部位剪切速率范围为: : 沉砂罐处：沉砂罐处：1020s-1 环形空间：环形空间：50250s-1 钻杆内部：钻杆内部：1001000s-1 钻头水眼：钻头水眼：10007000s-16870 剪切应力剪切应力 Shear Stress统一名称统一名称：剪应力、切应力剪应力、切应力。常用符号常用符号：定定 义义： = F/A = 液层单位面积上的剪切力。液层单位面积上的剪切力。意意 义义：越大，液流各层所受的作用力越大；反之，越大，液流各层所受的作用力越大；反之，越小。越小。单单 位位： = F/A = dyn/cm2；Pa。 1Pa = 10dyn/cm26971 流变曲线流变曲线 Consistency CurveConsistency Curve定定 义义：速梯与切应力关系曲线。：速梯与切应力关系曲线。表示方法表示方法：三种表示法。：三种表示法。000 ；Q；V；n ； P；P； 流变曲线表示法流变曲线表示法7072 粘度粘度 Viscosity统一名称统一名称：有效粘度、视粘度有效粘度、视粘度。常用符号常用符号：定定 义义： = / = 单位剪切速率的剪切应力。单位剪切速率的剪切应力。单单 位位： = / = dyn/cm2/s-2 = 泊泊 1泊泊 = 10027173几何意义几何意义A.流变曲线上某点与原点相连直线斜率的倒数流变曲线上某点与原点相连直线斜率的倒数A = 1/tg = A / A 越大，越大，越小越小图中：图中： A B0AB2 10AB 21有效粘度几何意义有效粘度几何意义7274 漏斗粘度漏斗粘度 Funnel ViscosityFunnel Viscosity定定 义义：定体积泄流时间定体积泄流时间。单单 位位：秒；秒；s s。类类 型型： 马氏漏斗粘度马氏漏斗粘度 Marsh Funnel ViscosityMarsh Funnel Viscosity定义定义：1500ml 1500ml 流出流出946ml 946ml 的时间的时间。标准标准：清水测量值：清水测量值： 中国漏斗粘度中国漏斗粘度定义定义：700ml700ml流出流出500ml500ml的时间的时间。标准标准：清水测量值：清水测量值：漏斗粘度计示意图漏斗粘度计示意图7375第二节第二节 基本流型及其分析基本流型及其分析一、流体分类一、流体分类 根据根据“应力应力 应变（流动）（应变（流动）（ -）”关系，将流体分为：关系，将流体分为：7476二、流体分析二、流体分析 对流体研究对象的基本假设对流体研究对象的基本假设： 连续介质连续介质 均质性均质性 不可压缩性不可压缩性 层流层流75771 1、牛顿内摩擦定律与牛顿流体、牛顿内摩擦定律与牛顿流体 牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律=F/A=(dv/dr)=F/A=(dv/dr) 表征流体粘性的比例系数，简称表征流体粘性的比例系数，简称牛顿粘度。牛顿粘度。 F F 内摩擦力。内摩擦力。 牛顿流体牛顿流体 流变性符合牛顿内摩擦定律的流体。流变性符合牛顿内摩擦定律的流体。类型举例类型举例：水、甘油、单相液体等。：水、甘油、单相液体等。流变曲线流变曲线：通过原点的直线。：通过原点的直线。 特点特点： = / =C= / =C（常数）（常数） 液体流动示意图及流变曲线液体流动示意图及流变曲线Frdvdrr0稠液体稠液体稀液体稀液体76782 2、非牛顿流体、非牛顿流体 剪切应力与剪切速率不呈线形关系的流体。剪切应力与剪切速率不呈线形关系的流体。（1 1）流变特性与时间无关的非牛顿流体）流变特性与时间无关的非牛顿流体特点特点： 与与呈单值对应关系。呈单值对应关系。 塑性流体塑性流体 Plastic FluidsPlastic Fluids数学模型数学模型： - - 0 0 = = s s 流变曲线流变曲线：有截距的直线。：有截距的直线。流变参数流变参数： 0 0 动切应力动切应力 Yield StressYield Stress统一名称统一名称：屈服值、屈服点。：屈服值、屈服点。定定 义义：流体开始呈现层流流动时所需要：流体开始呈现层流流动时所需要 的剪切应力。的剪切应力。常用符号常用符号： 0 0；YPYP单单 位位：dyn/cmdyn/cm2 2、PaPa几何意义几何意义：直线截距的切应力值。：直线截距的切应力值。 0s0真实泥浆真实泥浆塑性体塑性体流型图流型图7779s s 塑性粘度塑性粘度 Plastic ViscosityPlastic Viscosity定定 义义：产生单位剪切速率所需要的剪切应力。：产生单位剪切速率所需要的剪切应力。常用符号常用符号： s s、PVPV单单 位位：公制：公制：2 2、泊、厘泊。、泊、厘泊。 国际：、国际：、模式讨论模式讨论 - - 0 0 = = s s 或者或者 = = s s+ + 0 0/ / 优点优点： 0 0， 0 0 能够反映多数钻井液具有内部结构情况。能够反映多数钻井液具有内部结构情况。 ， 能够反映多数钻井液的剪切稀释性。能够反映多数钻井液的剪切稀释性。 ， s s 能够反映出钻井液的极限粘度。能够反映出钻井液的极限粘度。缺点缺点： 低剪切速率下低剪切速率下： 实实 宾宾 表明模型拟合实际曲线有较大偏差表明模型拟合实际曲线有较大偏差. .7880真实泥浆与不同流型的比较真实泥浆与不同流型的比较 r0真实泥浆与不同流型的比较真实泥浆与不同流型的比较7981 假塑性流体假塑性流体 Pseudoplastic FluidsPseudoplastic Fluids流变模式流变模式： = K = Kn n流变曲线流变曲线：过原点凸向切应力轴的曲线。：过原点凸向切应力轴的曲线。（因其延长线与坐标轴交点似乎有一个动切力，故称其名）流变参数流变参数： K K稠度系数稠度系数意义意义：反映流体的粘滞性。：反映流体的粘滞性。K K越大，流体越难流动。越大，流体越难流动。单位单位：n n/cm/cm2 2 n n流型指数流型指数 意义意义：偏离牛顿流体的程度。：偏离牛顿流体的程度。模式讨论模式讨论 = K = Kn n 或者或者 = K = Kn-1n-1 0 0， 0 0 不符合大多数钻井液具有屈服应力的特点。不符合大多数钻井液具有屈服应力的特点。 ， 能够反映钻井液的剪切稀释性。能够反映钻井液的剪切稀释性。， 0 0 无极限粘度，不符合钻井液情况。无极限粘度，不符合钻井液情况。 0r8082 卡森流体卡森流体流变模型流变模型：1/21/2 = = c c1/21/2 + + 1/21/2 1/21/2流变曲线流变曲线： 1/21/2-1/21/2 作图，为一条直线。作图，为一条直线。 - -作图，为直线与曲线之和。作图，为直线与曲线之和。模式讨论模式讨论 1/21/2 = = c c1/21/2 + + 1/21/2 1/21/2 0 0， c c 能够反映多数钻井液具有内能够反映多数钻井液具有内 部结构情况。部结构情况。 ， 能够反映多数钻井液的剪切能够反映多数钻井液的剪切 稀释性。稀释性。， 能够反映出钻井液的极限粘度。能够反映出钻井液的极限粘度。卡森流体流变曲线卡森流体流变曲线c00 1/2 c1/2r1/2r8183三、剪切稀释性三、剪切稀释性 1 1、定义、定义 钻井液的有效粘度随剪切速率增加而降钻井液的有效粘度随剪切速率增加而降低的现象。低的现象。特点特点：剪切速率是变量；粘度是变量。：剪切速率是变量；粘度是变量。表示法表示法：动塑比：动塑比 或或 YP/PV YP/PV意义意义： YP/PV YP/PV越大，钻井液的剪切稀释性越强。越大，钻井液的剪切稀释性越强。82842 2、 流变特性与时间有关的非牛顿流体流变特性与时间有关的非牛顿流体特点特点： =f (=f (，t t ） 触变性流体触变性流体 ThixotropyThixotropy 实验现象：流体摇动并静止后形成凝胶，再次摇动后恢复到原有实验现象：流体摇动并静止后形成凝胶，再次摇动后恢复到原有状态。状态。 通俗定义：恒温恒压下，流体搅拌后变稀，静止后变稠的特性。通俗定义：恒温恒压下，流体搅拌后变稀，静止后变稠的特性。 一般定义：一般定义：A. A. 在一定速梯下，剪切应力随作用时间在一定速梯下，剪切应力随作用时间 增加而减小的特性。增加而减小的特性。B. B. 在一定速梯下，剪切应力随静置时间在一定速梯下，剪切应力随静置时间 增加而增大的特性。增加而增大的特性。 胶化定义：等温情况下，流体状态发生胶化定义：等温情况下，流体状态发生 凝胶凝胶溶胶溶胶凝胶可逆转变凝胶可逆转变 的特性。的特性。0t牛顿体震凝体触变体8385 触变性机理触变性机理 流体内部的粘土粒子因其物化原因易形成网架结构。流体内部的粘土粒子因其物化原因易形成网架结构。静止后静止后：粒子为了满足表面静电饱和，在自由能最小部位自行排列而形成凝：粒子为了满足表面静电饱和，在自由能最小部位自行排列而形成凝胶结构。胶结构。搅拌时搅拌时：网架结构逐步被拆散。：网架结构逐步被拆散。 显然，凝胶结构显然，凝胶结构 = f ( = f ( 固含、固相类型、温度、时间、剪切过程、固含、固相类型、温度、时间、剪切过程、处理剂类型）处理剂类型）触变性的两个特点触变性的两个特点：A. A. 形成结构到拆散结构，或反之，在等温情况下是可逆的，可重复的。形成结构到拆散结构，或反之，在等温情况下是可逆的，可重复的。B. B. 借结构的变化与时间紧密相关。借结构的变化与时间紧密相关。静置静置静置静置搅拌搅拌搅拌搅拌8486 触变性的表示和测量触变性的表示和测量表示原理表示原理：用流体恢复内部网架结构所需时间和最终的静切应力大小表示。：用流体恢复内部网架结构所需时间和最终的静切应力大小表示。表示方法表示方法：触变性：触变性 = = 初切力初切力 - - 终切力终切力 或者或者 触变性触变性 = = 初切力初切力/ / 终切力终切力具体表示具体表示： 低密度钻井液低密度钻井液：触变性：触变性 = = 初切力初切力/ /终切力终切力 =1 =1分钟静切力分钟静切力/10/10分钟静切力分钟静切力 即：触变性即：触变性 = = 11/ / 1010 = G = G11/G/G1010高密度钻井液高密度钻井液：触变性：触变性 = 10 = 10秒钟静切力秒钟静切力/10/10分钟静切力分钟静切力=1010/ / 1010= G= G10”10”/G/G1010较快的强凝胶较快的强凝胶较慢的强凝胶较慢的强凝胶较快的弱凝胶较快的弱凝胶较慢的弱凝胶较慢的弱凝胶sstt平坦型凝胶平坦型凝胶递增型凝胶递增型凝胶良好型凝胶良好型凝胶脆弱型凝胶脆弱型凝胶8587第三节第三节 钻井液流变参数的胶体化学性质钻井液流变参数的胶体化学性质学习意义：学习意义： 分散介质间吸引力。分散介质间吸引力。流变性流变性=f(=f(流动阻力）流动阻力） 分散相与介质粘附力。分散相与介质粘附力。 反映钻井液自身结构强弱反映钻井液自身结构强弱 分散相之间吸力、斥力。分散相之间吸力、斥力。 （可通过化学处理改变）（可通过化学处理改变）即：化学处理即：化学处理 改变体系内部结构（胶化性质）改变体系内部结构（胶化性质） 改变流阻改变流阻 改变钻井液流变性改变钻井液流变性因此，通过钻井液流变性变化，可以分析：因此，通过钻井液流变性变化，可以分析： 化学处理剂作用后，钻井液体系中分散相结构的微观变化。化学处理剂作用后，钻井液体系中分散相结构的微观变化。 钻井液体系的稳定性。钻井液体系的稳定性。 寻求符合生产实际所需要的钻井液配方，满足钻井工程的需要。寻求符合生产实际所需要的钻井液配方，满足钻井工程的需要。8688一、钻井液的静切应力和动切应力一、钻井液的静切应力和动切应力1 1、静切力、静切力s s定义：定义： 钻井液静止后形成的凝胶结构强度。钻井液静止后形成的凝胶结构强度。 钻井液从静止到开始塞流流动所需要的最小剪切应力。钻井液从静止到开始塞流流动所需要的最小剪切应力。影响因素：影响因素： 单个链环的强度单个链环的强度 颗粒间引力颗粒间引力 电位、水化膜厚度电位、水化膜厚度h h。 结构链环数目结构链环数目/ /单位体积（结构密度）单位体积（结构密度） 颗粒浓度颗粒浓度c c、分散度。、分散度。调整方法：调整方法： 升升s s 提高提高 c c 、分散度，降低、分散度，降低 、水化膜厚度、水化膜厚度h h。 降降s s 与上相反。与上相反。8789静切力的实际应用静切力的实际应用（1 1）悬浮岩屑和加重材料）悬浮岩屑和加重材料悬浮岩屑（球形）所需静切力为：悬浮岩屑（球形）所需静切力为： s s（g/cmg/cm2 2) = d() = d( 岩岩- - 浆浆）/6/6 s s（dyn/cmdyn/cm2 2) = d() = d( 岩岩- - 浆浆）/6/6经验数据：经验数据：初切力初切力 =2-6 Pa =2-6 Pa时，可达到良好的悬浮能力。时，可达到良好的悬浮能力。终切力终切力 =2 =2初切力，属于良好型触变体。初切力，属于良好型触变体。终切力终切力 =5 =5初切力，属于递增型触变体。此时，会造成泵压过高，易压漏地层。初切力，属于递增型触变体。此时，会造成泵压过高，易压漏地层。（2 2） 影响井内液柱压力激动影响井内液柱压力激动（阅读）（阅读） 静切力示意图静切力示意图G =G =重力重力- -浮力浮力s88902 2、动切应力、动切应力0 0（YPYP）定义定义：钻井液开始作层流流动时，必须要的最小剪切应：钻井液开始作层流流动时，必须要的最小剪切应力。力。实质实质：层流流动时，流体内部结构一部分被拆散，另一：层流流动时，流体内部结构一部分被拆散，另一部分重新恢复。当拆散部分重新恢复。当拆散 与恢复速度相等时，保留与恢复速度相等时，保留的那部分内部结构所产生的剪切阻力。的那部分内部结构所产生的剪切阻力。0 0与与s s的区别的区别： 0 0为层流流动条件下固体颗粒之间吸引力的量度；为层流流动条件下固体颗粒之间吸引力的量度； s s为静止条件下固体颗粒之间吸引力的量度。为静止条件下固体颗粒之间吸引力的量度。8991影响因素影响因素（类似于静切力）（类似于静切力） 单个链环的强度单个链环的强度 颗粒间引力颗粒间引力 电位、水化膜电位、水化膜厚度厚度h h。 结构链环数目结构链环数目/ /单位体积（结构密度）单位体积（结构密度） 颗粒浓度颗粒浓度c c、分散度。分散度。调整方法调整方法： 升升s s 提高提高 c c、分散度，降低、分散度，降低 、水化膜厚度、水化膜厚度h h。 降降s s 与上相反。与上相反。9092二、钻井液的粘度二、钻井液的粘度1 1、表观粘度、表观粘度( (有效粘度、视粘度）有效粘度、视粘度）定义定义： = / = / 意义意义：钻井液作层流流动时，表观粘度等于以下四部分内摩擦力的微观统计钻井液作层流流动时，表观粘度等于以下四部分内摩擦力的微观统计 结果：结果： 固固 - -固颗粒间内摩擦阻力；固颗粒间内摩擦阻力； 固固 - -液相分子间内摩擦阻力；液相分子间内摩擦阻力； 液液 - -液分子间内摩擦阻力；液分子间内摩擦阻力； 固相结构固相结构 - -液相分子间内摩擦阻力。液相分子间内摩擦阻力。几种流体（模式）表示的表观粘度几种流体（模式）表示的表观粘度： 宾宾 汉汉 体体：= s+ 0/ 假塑性体假塑性体：= K()n-1 卡卡 森森 体体：= ( )1/2 +(0/ ）1/21/291932 2、 宾汉体的塑性粘度宾汉体的塑性粘度s s定义定义：层流流动时，流体内部网状结构的破坏与恢复处于动态平衡时，：层流流动时，流体内部网状结构的破坏与恢复处于动态平衡时，以下以下三部分内摩擦力的微观统计结果：三部分内摩擦力的微观统计结果： 固固 - -固颗粒间内摩擦阻力；固颗粒间内摩擦阻力； 固固 - -液相分子间内摩擦阻力；液相分子间内摩擦阻力； 液液 - -液分子间内摩擦阻力；液分子间内摩擦阻力；特点特点： s s不随不随dv/drdv/dr变化而变化。变化而变化。影响因素影响因素： 固相含量：固含固相含量：固含 s s ； 分散度：分散度分散度：分散度 s s ； 液相粘度：液相粘度液相粘度：液相粘度 s s ；调整调整s s 的方法的方法：根据影响因素升、降：根据影响因素升、降s s 。92943 3、假塑性体、假塑性体的的 n n、k k稠度系数稠度系数 k k：k =f (k =f (液相、固相含量及其性质）液相、固相含量及其性质）流性指数流性指数 n n：n= f(n= f(内部结构强弱）内部结构强弱） n n反映了流体的非牛顿强弱，反映了流体的非牛顿强弱，n n越小，流体非牛顿性月强。越小，流体非牛顿性月强。降降k k值方法值方法（与提（与提k k方法相反）：方法相反）： 增加惰性固体含量；增加惰性固体含量； 稀释或者除砂；稀释或者除砂； 加入膨润土。加入膨润土。调整调整 n n值方法值方法：降降 n n 加入活性膨润土、无机盐、高分子聚合物等；加入活性膨润土、无机盐、高分子聚合物等；提提 n n 加入清水、稀释剂等。加入清水、稀释剂等。9395第四节第四节 钻井液流变参数的确定钻井液流变参数的确定一、旋转粘度计原理和基本计算公式一、旋转粘度计原理和基本计算公式1 1、内、外筒式旋转粘度计原理、内、外筒式旋转粘度计原理 内外筒之间充满被测钻井液，当外筒旋内外筒之间充满被测钻井液，当外筒旋转时，通过流体的粘性带动同轴内筒转动，转时，通过流体的粘性带动同轴内筒转动，使扭力弹簧扭转一定角度至平衡为止，由此使扭力弹簧扭转一定角度至平衡为止，由此反应不同流体的剪切应力大小。反应不同流体的剪切应力大小。 因为内、外筒尺寸和外筒转速确定了内因为内、外筒尺寸和外筒转速确定了内筒外舴面的剪切速率，所以，可根据测得的筒外舴面的剪切速率，所以，可根据测得的“-”-”关系计算钻井液的流变参数。关系计算钻井液的流变参数。 旋转粘度计原理图旋转粘度计原理图 R1drR2R1RLh94962 2、旋转粘度计基本计算公式、旋转粘度计基本计算公式 将线速度梯度代入牛顿内摩擦定律，并考虑内筒外表面切应力，将线速度梯度代入牛顿内摩擦定律，并考虑内筒外表面切应力，可推得以下旋转粘度计的基本公式：可推得以下旋转粘度计的基本公式： =M / ( 2R12h ) =2R22 / (R22 - R12) = R22n / 15 (R22 - R12) 式中式中： 外筒旋转角速度；外筒旋转角速度； n n 外筒每分钟转速；外筒每分钟转速； R R1 1 、 R R1 1 内、外筒半径。内、外筒半径。9597二、钻井液流变参数的确定二、钻井液流变参数的确定1 1、仪器参数的确定、仪器参数的确定常用仪器常用仪器：Fan-35SAFan-35SA型旋转粘度计。型旋转粘度计。仪器参数仪器参数： R2 R1 R2/R1 h k cm cm cm 格格 /格格 1.8415 1.7245 1.0678 3.8 300 386 将仪器参数代入将仪器参数代入 =R22n / 15 (R22 - R12) 中，得到：中，得到：=1.703 n利用该式，可以计算出不同转速下的剪切速率。利用该式，可以计算出不同转速下的剪切速率。 r/min 600 300 200 100 6 3 r.s-1 1022 511 340.7 170.3 10.22 5.11 9698又根据测定扭距又根据测定扭距 M = k，得到仪器最大测定扭距：得到仪器最大测定扭距：Mmax = 300 380 = 115800 将其代入将其代入 =M / ( 2R12h )，得：，得：max = 1533 dyn/cm2由此，可得到仪器扭簧系数：由此，可得到仪器扭簧系数：C = / = 1533/300 = 5.11 dyn/cm2/格格综上可见，我们已经得到了如下公式：综上可见，我们已经得到了如下公式： = C =1.703 n 流变参数精确计算公式（根据直线的两点法则推得）流变参数精确计算公式（根据直线的两点法则推得）因此，可以利用这些公式导出钻井液流变参数的直读计算公式。因此，可以利用这些公式导出钻井液流变参数的直读计算公式。97992 2、不同流体的流变参数直读公式、不同流体的流变参数直读公式 牛顿流体牛顿流体 Newtonian Fluids： = 300 = 1/2 600 宾汉塑性流体宾汉塑性流体 Bingham Model s =600- 300 =600/2 0 (300- s) 假塑性体假塑性体 Power Law Model n = 3.322 lg(600 /300)300 /511n n 卡森流体卡森流体 Casson Model 1/2 = 2.42 (6001/2 - 3001/2) (mPa.s)1/2 c1/2 (61001/2 - 6001/2 ) Pa1/298100第五节第五节 钻井液流变性能与钻井工程的关系钻井液流变性能与钻井工程的关系 钻井液流变性能与钻井工程的关系钻井液流变性能与钻井工程的关系 主要体现在下列几个方面主要体现在下列几个方面： 影响钻井速度；影响钻井速度； 影响环空携带岩屑能力；影响环空携带岩屑能力； 影响井壁稳定；影响井壁稳定； 影响岩屑和加重物质的悬浮；影响岩屑和加重物质的悬浮； 影响井内压力激动；影响井内压力激动； 影响钻进泵压和排量；影响钻进泵压和排量； 影响固井质量。影响固井质量。991011 1、影响钻井速度、影响钻井速度 Eckel Eckel指出，在其它因素不变时，钻速与钻头处雷诺数的次方指出，在其它因素不变时，钻速与钻头处雷诺数的次方成正比：成正比：Vm = f(Ne)1/2 设有两种钻井液，钻速的表达式为：设有两种钻井液，钻速的表达式为：Vm2 = Vm1(Ne2/Ne1)1/2 因为其它因素不变时，雷诺数与钻井液粘度成正比：因为其它因素不变时，雷诺数与钻井液粘度成正比：Ne dv / 对于宾汉塑性体：对于宾汉塑性体： Ne dv / s 所以：所以： Vm2 = Vm1( s1 / s2 )1/2 该式说明了钻井液的流变参数对钻速的影响关系。该式说明了钻井液的流变参数对钻速的影响关系。100102举例举例 某钻井液的塑性粘度某钻井液的塑性粘度 s s为，平均钻速为为，平均钻速为6 6米米/ /小时，在不改小时，在不改变其它因素时，降低变其它因素时，降低 s s到，则钻速变化为：到，则钻速变化为：VmVm2 2 = 6(32/8) = 6(32/8)1/21/2 = 12 = 12 米米/ /小时小时 钻速提高钻速提高2 2倍。如果钻进倍。如果钻进10001000米井段，用的钻井液要用米井段，用的钻井液要用100100小小时，则用的钻井液只需要时，则用的钻井液只需要5050小时，小时，1011032 2、影响环空岩屑携带、影响环空岩屑携带 对岩屑输送比的影响对岩屑输送比的影响 岩屑输送比岩屑输送比： Rt = (V-Vs) / V = 1-Vs / V 井眼净化良好的条件井眼净化良好的条件： Rt 0.5 即：即：V 2Vs 式中式中，Rt 岩屑输送比岩屑输送比； V 钻井液平均上返速度钻井液平均上返速度；V = 12.7Q / ( D22-D12 ) Vs 岩屑颗粒沉降速度；岩屑颗粒沉降速度；VsVs与颗粒雷诺数与颗粒雷诺数ReRe相关。相关。 当当Re 3时，时， Vs = 326800ds2 ( s- f ) / 当当 3 Re 300 时，时， Vs = 2.95 ds ( s- f ) / f 1/2 由此可见，井眼净化与钻井液流变性能中的有效粘度由此可见，井眼净化与钻井液流变性能中的有效粘度 紧密相关。紧密相关。102104 影响层流条件下岩屑携带影响层流条件下岩屑携带 层流携带岩屑的特点：岩屑翻转上升。层流携带岩屑的特点：岩屑翻转上升。 层流携带岩屑缺陷的实质：力矩效应。层流携带岩屑缺陷的实质：力矩效应。 改进方法：将尖峰形改为平板形层流。改进方法：将尖峰形改为平板形层流。 平板形层流携岩原理：平板形层流携岩原理： 流核直径：流核直径：由上式可见，由上式可见， 0 0 / / s s ， d d0 0 钻井液流速钻井液流速剖面变平坦剖面变平坦 翻转力矩效应减小。翻转力矩效应减小。流动状态流动状态F2F1Ld0dD103105钻井液有效地携带岩屑的流变参数取值范围：钻井液有效地携带岩屑的流变参数取值范围：对于宾汉流体对于宾汉流体： 0 / s = 3.6 4.78 dyn/cm2 0 / s = 0.36 0.478 Pa/ 0 =1.5 3 Pa对于假塑性体对于假塑性体： 根据根据600 /300 = 1022 n/511n =2n，得到动塑比与流型指数得到动塑比与流型指数的关系：的关系： 0 / s（ 300 - s ）/ （600 -300 ）=（1-2n-1）/ (2 n-1) 因此，因此， 对于卡森流体对于卡森流体： c =1.0 2.5 Pa 注意：提高注意：提高0 0 / / s s 的关键是降低的关键是降低塑性粘度塑性粘度 s s 。 1041063 3、影响井壁稳定、影响井壁稳定 钻井液流变性对井壁稳定的影响主要是指对井壁的冲蚀作用。钻井液流变性对井壁稳定的影响主要是指对井壁的冲蚀作用。WalkerWalker定义用侵蚀指数定义用侵蚀指数EIEI表示：表示： 层流时层流时： EI = 0+12 sV/ (D2 -D1) +0.5 0 EI = s 0 / s +12 V/ (D2 -D1) +0.5 0 / s EIEI值越大，冲蚀性越强。由上面公式可见钻井液流变参数对其值越大，冲蚀性越强。由上面公式可见钻井液流变参数对其影响关系。影响关系。1051074 4、影响岩屑和加重物质的悬浮、影响岩屑和加重物质的悬浮 在牛顿流体中的颗粒只要其密度大于流体密度，就必然会以一定速度下在牛顿流体中的颗粒只要其密度大于流体密度，就必然会以一定速度下沉。但是，岩屑颗粒在钻井液中的情况却不同。由于静切力和动切力的存在，沉。但是，岩屑颗粒在钻井液中的情况却不同。由于静切力和动切力的存在，即使颗粒密度大于钻井液密度，颗粒也不会发生沉降。只有当颗粒与流体满即使颗粒密度大于钻井液密度，颗粒也不会发生沉降。只有当颗粒与流体满足一定条件时，颗粒才会下沉。因此，颗粒除了自然沉降外，还具有一种切足一定条件时，颗粒才会下沉。因此，颗粒除了自然沉降外，还具有一种切应力悬浮状态。应力悬浮状态。 流体静止状态下的切应力悬浮状态流体静止状态下的切应力悬浮状态 悬浮岩屑（球形）所需静切力为：悬浮岩屑（球形）所需静切力为： s（g/cm2) = d( 岩岩- 浆浆）/6 s（dyn/cm2) = d( 岩岩- ）/6浆浆 由上式可以计算静止状态下，悬浮岩屑颗粒所需要的静切应力。由上式可以计算静止状态下，悬浮岩屑颗粒所需要的静切应力。G =重力重力-浮力浮力s106108 流体运动状态下的动切应力悬浮流体运动状态下的动切应力悬浮 （阅读阅读）岩屑颗粒在钻井液中的沉降速度为：岩屑颗粒在钻井液中的沉降速度为：Vs = d s 0.0702g d s ( s - f ) - 0 若颗粒处于临界状态，有若颗粒处于临界状态，有g d s ( s - f ) - 0 =0即颗粒悬浮的临界条件为：即颗粒悬浮的临界条件为： s / f =14.25 0 / ( g d s f) +1颗粒悬浮的判别准则为：颗粒悬浮的判别准则为： s / f 14.25 0 / ( g d s f) +1 在钻井工程中，尤其是在水平井的施工中，在钻井工程中，尤其是在水平井的施工中，动切应力的悬浮作动切应力的悬浮作用对于避免岩屑沉积是非常有益的用对于避免岩屑沉积是非常有益的。返返 回回107109第四章第四章 钻井液的滤失和润滑性能钻井液的滤失和润滑性能 本章要求：本章要求： 1 1、掌握三个（瞬、静、动）失水概念。、掌握三个（瞬、静、动）失水概念。 2 2、掌握五个公式。、掌握五个公式。 3 3、熟悉七个影响因素。、熟悉七个影响因素。 4 4、钻井液润滑性及其评价。、钻井液润滑性及其评价。108110一、滤失造壁性的基本概念一、滤失造壁性的基本概念1 1、水基钻井液中的水、水基钻井液中的水水基钻井液水基钻井液 = = 固相固相+ +水水+ +处理剂处理剂 钻井液中的水由三部分组成：钻井液中的水由三部分组成： 结晶水结晶水（化学结合水）（化学结合水） 粘土矿物晶体构造的组成部分。粘土矿物晶体构造的组成部分。 吸附水吸附水（束缚水）（束缚水） 由固相颗粒分子间力吸附的水化膜。由固相颗粒分子间力吸附的水化膜。 自由水自由水 钻井液中自由移动的水，分散介质。钻井液中自由移动的水，分散介质。特点：特点：占总水量中的绝大部分。占总水量中的绝大部分。水在泥浆中所呈状态水在泥浆中所呈状态吸附水吸附水结晶水结晶水自由水自由水109111泥浆的主要功能泥浆的主要功能携带、悬浮岩屑携带、悬浮岩屑控制压力控制压力形成泥饼形成泥饼破岩、清岩破岩、清岩保护油气层保护油气层传递水功率传递水功率110112 泥饼形成示意图泥饼形成示意图1111132 2、失水与造壁的概念、失水与造壁的概念 为了防止地层流体进入井内，钻井液液柱的压力必须大于为了防止地层流体进入井内，钻井液液柱的压力必须大于地层流体的压力，于是，钻井液总是趋向于向地层漏失或滤失。地层流体的压力，于是，钻井液总是趋向于向地层漏失或滤失。 漏失漏失 钻井液的固相和液相全部进入地层的现象。钻井液的固相和液相全部进入地层的现象。 滤失滤失 钻井液中只有液相进入地层的现象。钻井液中只有液相进入地层的现象。 失水失水 钻井液中的自由水在压差作用下向井壁岩石的裂钻井液中的自由水在压差作用下向井壁岩石的裂隙或孔隙中渗透。隙或孔隙中渗透。 泥饼泥饼 钻井液滤失过程中留在井壁或者滤膜上的钻井液滤失过程中留在井壁或者滤膜上的 物质。物质。 造壁性造壁性 在滤失过程中，随着钻井液中的自由水进入岩在滤失过程中，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形成泥饼。层，钻井液中的固相颗粒便附着在井壁形成泥饼。1121141131153 3、井下失水过程、井下失水过程时间时间累计失水量累计失水量T oT 1T 2T 3T 4T 5T 6 V 瞬瞬 V 动动 V 静静h=0h h=ch h h=c114116 瞬时失水瞬时失水 Spurt LossSpurt Loss 钻井液尚未完全形成之前很短时间内的失钻井液尚未完全形成之前很短时间内的失水量。水量。特点特点：时间短（时间短（t 2t 2秒秒) )；比例小。；比例小。115117 动失水动失水 Dynamic FiltrationDynamic Filtration 钻井液循环时的失水量。钻井液循环时的失水量。特点特点： 泥饼形成、增厚与冲蚀处于动平衡。泥饼形成、增厚与冲蚀处于动平衡。 （高渗透率（高渗透率 低渗透率低渗透率 = C = C） 失水速率大、失水量大。失水速率大、失水量大。116118 静失水静失水 Static FiltrationStatic Filtration 井下：钻井液停止循环后的失水。井下：钻井液停止循环后的失水。 室内：指定静态条件下，静失水仪器测得的失水。室内：指定静态条件下，静失水仪器测得的失水。特点特点： 失水速率小、失水量较小。失水速率小、失水量较小。 泥饼厚（无冲蚀作用）。泥饼厚（无冲蚀作用）。117119二、失水造壁性与钻井工作的关系二、失水造壁性与钻井工作的关系1 1、失水量过大、失水量过大两个害处两个害处： 导致水敏性泥页岩缩径、垮塌。导致水敏性泥页岩缩径、垮塌。 油气层内粘土水化膨胀使产层渗透率下降，从而损害油油气层内粘土水化膨胀使产层渗透率下降，从而损害油气层。气层。2 2、泥饼过厚、泥饼过厚两个害处两个害处： 井径缩小井径缩小 易引起起下钻遇阻遇卡。易引起起下钻遇阻遇卡。 泥饼粘附卡钻。泥饼粘附卡钻。3 3、现场要求、现场要求泥泥 饼饼 薄、密、韧。薄、密、韧。失水量失水量 适当（并非越小越好）。适当（并非越小越好）。 对于一般地层：对于一般地层：APIAPI失水：失水：10 10 15 ml/ 30 min 15 ml/ 30 min； 对于水敏地层：对于水敏地层：APIAPI失水失水 5 ml/30 min 5 ml/30 min。1181204 4、控制失水量原则、控制失水量原则：五严五宽五严五宽五严五严： 井深、裸眼长、矿化度低、油气层段、易塌层段。井深、裸眼长、矿化度低、油气层段、易塌层段。五宽五宽： 井浅、裸眼短、矿化度高、非油气层、稳定井段。井浅、裸眼短、矿化度高、非油气层、稳定井段。119121三、钻井液的静失水三、钻井液的静失水 Static FiltrationStatic Filtration1 1、静失水方程、静失水方程假设条件假设条件： 泥饼厚度泥饼厚度 h h 井眼直径；井眼直径； 滤失过程为线性关系滤失过程为线性关系 K = C K = C； 滤失为恒温恒压过程。滤失为恒温恒压过程。静失水方程推导静失水方程推导： 利用达西渗滤公式利用达西渗滤公式： (1) (1) 式中式中， v vf f 滤失量，滤失量，cmcm3 3； t t 滤失时间，滤失时间，s s； k k 泥饼渗透率，泥饼渗透率，darcy; P darcy; P 滤失压力滤失压力,kg/cm,kg/cm2 2; ; 滤液粘度，；滤液粘度，； h h 泥饼厚度，泥饼厚度，cmcm； A A 滤失面积，滤失面积，cmcm2 2。120122 如果一定体积的钻井液如果一定体积的钻井液V Vm m全部全部滤失完，则在滤失完，则在V Vm m当中，有当中，有V Vf f的滤液体积从的滤液体积从V Vm m中挤压出去，剩下中挤压出去，剩下V Vc c的泥饼体积挤不出去，于是可以得到：的泥饼体积挤不出去，于是可以得到： V Vm m = V= Vf f + V+ Vc c = Ah + V= Ah + Vf f (2)(2) V Vc c / V/ Vf f = R = = R = 常数常数 (3) (3) 将（将（2 2）、（）、（3 3）式代入达西公式（）式代入达西公式（1 1）中，得到：）中，得到： (4) (4) 对（对（4 4）式两边积分，得：）式两边积分，得： (5) (5)121123 根据假设可知，泥饼中干固体体积等于泥饼体积与泥饼中固相体积分数的乘积。根据假设可知，泥饼中干固体体积等于泥饼体积与泥饼中固相体积分数的乘积。即：即： V Vc c =hAC=hACc c 钻井液中固相体积百分数为：钻井液中固相体积百分数为：V Vc c /V /Vf f= hAC= hACc/c/ (hA+V/ (hA+Vf f) ) 联立解以上两式，得：联立解以上两式，得： (6) (6) 将（将（5 5）式代入达西公式（）式代入达西公式（1 1）中，并积分得：）中，并积分得：(7)(7) 比较（比较（7 7）式与（）式与（5 5）式，可以看到：）式，可以看到：Cc /Cm-1 = Vf /Vc 1221242 2、影响静失水的因素、影响静失水的因素 V Vf f 与与t t的关系的关系 Relationship Between Filtration and TimeRelationship Between Filtration and Time理论关系：理论关系：在直角坐标上任取两点，可以得到：在直角坐标上任取两点，可以得到：V Vf f 与与t t的关系的关系t1/20Vft1 1/2Vf1t2 1/2Vf2该式实际上表明了任意时刻失水量之间的关系。该式实际上表明了任意时刻失水量之间的关系。如果：如果：t t1 1分钟；分钟；t t2 2 =30=30分钟；则：分钟；则： V Vf30 f30 = 2V= 2Vf7.5f7.5123125实际关系实际关系 实验发现，在直角坐标上的直线存在截距实验发现，在直角坐标上的直线存在截距 正截距和负截距。正截距和负截距。原因分析：原因分析： 正截距：泥饼未形成之前钻井液喷失量较大。正截距：泥饼未形成之前钻井液喷失量较大。 负截距：喷失量很小，不足以充满滤纸和仪器排出管。负截距：喷失量很小，不足以充满滤纸和仪器排出管。Larsen Larsen 方程：方程： V Vf f = = V Vspsp + A(ct) + A(ct)1/21/2根据：根据： Vf 30 = 2Vf 7.5得到：得到： V Vf 30f 30 - V - Vsp sp = A(c30)= A(c30)1/21/2 V Vf f - V - Vsp sp = A(c7.5)= A(c7.5)1/21/2联立解之，得到：联立解之，得到： V Vf 30f 30 = 2 V = 2 Vf f- V- Vsp sp V Vf 30f 30 = 2 V = 2 Vf f + V+ Vspsp 式中：式中： V Vf f 考虑了瞬时失水的静失水量；考虑了瞬时失水的静失水量； V Vf f 未考虑瞬时失水的静失水量。未考虑瞬时失水的静失水量。t1/2VfVsPV Vf f 与与t t的关系的关系124126 V Vf f 与与 P P的关系的关系 Relationship Between Pressure and FiltrationRelationship Between Pressure and Filtration Volume Volume理论上理论上： LgV LgVf f = 1/2 LgP +1/2 LgC = 1/2 LgP +1/2 LgC即：即： V Vf f P P1/21/2 条件：条件：k = k = 常数。常数。实际上实际上： V Vf f P Px x 原因：原因：k k 常数。常数。指数指数 x x 的实质的实质： 反映压力对泥饼可压缩性，反映压力对泥饼可压缩性，x x 越小，泥饼可压缩性越好，越小，泥饼可压缩性越好，k k 越小。越小。 x x 是直线斜率，一般小于。是直线斜率，一般小于。 x x 与固相粒子形状和大小有关。与固相粒子形状和大小有关。一般：一般：粘土粘土：页岩：页岩：膨润土：膨润土：x = 0x = 0LgP0LgVV Vf f 与与 P P的关系的关系125127 V Vf f 与与 的关系的关系 Relationship Between Viscosity and Filtrate VolumeRelationship Between Viscosity and Filtrate Volume由静失水方程可知：由静失水方程可知： V Vf f -1/2-1/2 ； 而：而： 1/ 1/ 温度温度T T所以：所以： V Vf f = f (T) = f (T)影响规律影响规律： TT V Vf f 例如：用纯水配制的钻井液，在例如：用纯水配制的钻井液，在20 20 0 0C C与与100 100 0 0C C比较。比较。 T T 粘土聚结和絮凝状态改变粘土聚结和絮凝状态改变 k V k Vf f ； 粘土去水化，吸附水粘土去水化，吸附水 自由水自由水 V Vf f 。T T ，降失水剂要降解，若超过处理剂的抗温能力，失水量急剧，降失水剂要降解，若超过处理剂的抗温能力，失水量急剧 增加。增加。126128 V Vf f 与固相含量及类型的关系与固相含量及类型的关系V Vf f (C (Cc c/C/Cm m -1)-1)1/21/2 显然，若要降低失水量显然，若要降低失水量V Vf f ，可以采取的方法为：，可以采取的方法为： 提高钻井液中的固相含量提高钻井液中的固相含量C Cm m . . 存在问题存在问题：固含增加，将导致钻井液流变性变差，同时，钻进速度降低。：固含增加，将导致钻井液流变性变差，同时，钻进速度降低。 降低泥饼中的固相含量降低泥饼中的固相含量C Cc c 。 优点优点：泥饼中土少水多（束缚水多），水化膜厚，在压力作用下易变形，：泥饼中土少水多（束缚水多），水化膜厚，在压力作用下易变形，可压缩性大。可压缩性大。 结论：结论：宜选用优质土配制钻井液。宜选用优质土配制钻井液。127129 泥饼厚度泥饼厚度h h与与v vf f 的关系的关系 Relatiionship Between Cake Thickness and Filtration影响规律影响规律：a. Vf h 。b. Cc / Cm h ；然而，当钻井液固含然而，当钻井液固含 Cm Cc ，h 。 该项影响规律说明钻井液应该优选优质土。该项影响规律说明钻井液应该优选优质土。C. C. 当固含当固含C Cm m一定时，孔隙度一定时，孔隙度 泥饼疏松泥饼疏松 h h 。实验发现：。实验发现： 固相粒度分布越宽固相粒度分布越宽 h ； 小粒子越多小粒子越多 h 。 128130泥饼薄、密、韧条件：泥饼薄、密、韧条件： C Cc c 低低 （土的膨胀性好）。（土的膨胀性好）。 粒度分布宽。粒度分布宽。 细小粒子多。细小粒子多。129131 V Vf f 与与 k k 的关系的关系 Relationship Between The Permeability of the Filter CakeRelationship Between The Permeability of the Filter Cake( a) K ( a) K 与与 v vf f 的关系式的关系式 由：由： 得到：得到： （1）式中单位式中单位： h cm； Vf cm3 ； ； t s ； P kg/cm2 ； A cm2 ； Vc cm3 ； k darcy (1d =103 md )；130132将上式（将上式（1 1）换为现场通用单位：）换为现场通用单位：代入：代入： k (d ) 103 k( md )； t (s ) 60t (min )。得到：得到： （2）再代入：再代入： h = Vc /A ； （3）最后代入测定静失水的最后代入测定静失水的APIAPI标准条件：标准条件：A = 45 cm2 ；P = 6.8 kg/cm2 ；t = 30 min。由（由（2 2）式得实验室计算渗透率）式得实验室计算渗透率k k 的公式：的公式： k = 1.999 10 -5 Vf Vc （4）由（由（3 3）式得现场计算）式得现场计算 k k 的公式：的公式： k = 9.038 10 -5 Vf h （5）131133( b) K ( b) K 降失水的关键因素降失水的关键因素 粒度和粒度分布对粒度和粒度分布对k k 的影响的影响规律：规律： 细粒子越多，平均粒径越小，细粒子越多，平均粒径越小，k k 越小；越小； 粒度分布越宽，粒度分布越宽，k k 越小。越小。 胶体粒子浓度（含量）对胶体粒子浓度（含量）对k k 的影响的影响规律：规律： k k完全取决于钻井液中胶体粒子（完全取决于钻井液中胶体粒子（ d 10 d 10 -5-5 m m）的比例和含量。的比例和含量。例如例如，某种钻井液中：，某种钻井液中： 如果胶粒浓度高如果胶粒浓度高,k = (0.31-1.5),k = (0.31-1.5) 10 10 -3-3 md md 如果胶粒浓度趋于零如果胶粒浓度趋于零, ,k k （高得不能测定）（高得不能测定）132134五、钻井液失水造壁性的调节与控制五、钻井液失水造壁性的调节与控制调节、控制目标：调节、控制目标：V Vf f 小小 ；h h 薄、密韧。薄、密韧。控制因素：控制因素： k ( k ( 粒子级配、胶粒含量）粒子级配、胶粒含量） P ( P ( 降低钻井液当量循环密度）降低钻井液当量循环密度） ( ( 加入高分子聚合物加入高分子聚合物 ） t ( t ( 缩短浸泡时间缩短浸泡时间 ） 固含固含 ( ( 降低降低C Cm m ) )控制方法：控制方法：（阅读）（阅读）控制指标：控制指标： 油气层：油气层： API 5 ml API 5 ml；HTHP 15 ml.HTHP 15 ml. 易塌层：易塌层： API 5 ml . API 5 ml . 一般地层：一般地层：V VsP sP 放宽，放宽， API 10 ml API 10 ml。133135钻井液的润滑性能钻井液的润滑性能钻井液的润滑性能通常包括泥饼的润滑性能和钻井液的润滑性能通常包括泥饼的润滑性能和钻井液这种流体自身的润滑性两方面。钻井液钻井液这种流体自身的润滑性两方面。钻井液和泥饼的摩阻系数，是评价钻井液润滑性能的和泥饼的摩阻系数，是评价钻井液润滑性能的两个主要技术指标。钻井液的润滑性对钻井工两个主要技术指标。钻井液的润滑性对钻井工作影响很大。作影响很大。钻井液的润滑性能对减少卡钻等井下复杂情况，钻井液的润滑性能对减少卡钻等井下复杂情况，保证安全、快速钻进起着至关重要的作用。保证安全、快速钻进起着至关重要的作用。134136钻井液润滑性的影响因素钻井液润滑性的影响因素钻井作业中摩擦现象的特点钻井作业中摩擦现象的特点(1)边界摩擦边界摩擦(2)干摩擦干摩擦(无润滑摩擦无润滑摩擦)(3)流体摩擦流体摩擦135137钻井液润滑性的主要影响因素钻井液润滑性的主要影响因素(1)粘度、密度和固相的影响粘度、密度和固相的影响(2)滤失性、岩石条件、地下水和滤液滤失性、岩石条件、地下水和滤液PH值值的影响的影响(3)有机高分子处理剂的影响有机高分子处理剂的影响(4)润滑剂润滑剂136138润滑剂的作用机理润滑剂的作用机理1)1)情性固体的润滑机理情性固体的润滑机理 固体润滑剂能够在两接触面之间产生物理分离，其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。多数固体类润滑刑类似于减小摩擦、防止磨损的目的。多数固体类润滑刑类似于细小滚珠可以存在于钻柱与井壁之间，将滑动摩擦转细小滚珠可以存在于钻柱与井壁之间，将滑动摩擦转化为滚动摩擦，从而可大幅度降低扭矩和阻力。固体润化为滚动摩擦，从而可大幅度降低扭矩和阻力。固体润滑剂在减少带有加硬层工具接头的磨损方面尤其有效滑剂在减少带有加硬层工具接头的磨损方面尤其有效还特别有利于下尾管、下套管和旋转套管。固体类润滑还特别有利于下尾管、下套管和旋转套管。固体类润滑剂的热稳定性、化学稳定性和防腐蚀能力等良好，适于剂的热稳定性、化学稳定性和防腐蚀能力等良好，适于在高温、但转速较低的条件下使用，缺点是冷却钻具的在高温、但转速较低的条件下使用，缺点是冷却钻具的性能较差，不适合在高转速条件下使用。性能较差，不适合在高转速条件下使用。1371392)2)沥青类处理剂的润滑机理沥青类处理剂的润滑机理 沥青类处理剂主要用于改善泥饼质量和提沥青类处理剂主要用于改善泥饼质量和提高其润滑性。沥青类物质亲水性弱，亲油性强，高其润滑性。沥青类物质亲水性弱，亲油性强，可有效地涂敷在井壁上、在井壁上形成一层油可有效地涂敷在井壁上、在井壁上形成一层油膜。这样，即可减轻钻具对井壁的摩擦，又可膜。这样，即可减轻钻具对井壁的摩擦，又可减轻钻具对井壁的冲力作用。由于沥青类处理减轻钻具对井壁的冲力作用。由于沥青类处理剂的作用，井壁岩石由亲水转变为憎水，所以，剂的作用，井壁岩石由亲水转变为憎水，所以，可阻止滤液向地层渗透。可阻止滤液向地层渗透。1381403)3)液体润滑剂的润滑机理液体润滑剂的润滑机理 矿物油、植物油、表面活性剂竿主要是通过在金矿物油、植物油、表面活性剂竿主要是通过在金属、岩石和粘土表面形成吸附膜，使钻柱与井壁岩石属、岩石和粘土表面形成吸附膜，使钻柱与井壁岩石接触接触( (或水膜接触或水膜接触) )产生的固固摩擦，改变为活性剂非产生的固固摩擦，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再吸附一的非极性端还可再吸附一 层油膜。从而使回转钻柱与岩石之间的摩阻力大层油膜。从而使回转钻柱与岩石之间的摩阻力大大降低，减少钻具和其它金属部件的磨损，降低钻具大降低，减少钻具和其它金属部件的磨损，降低钻具回转阻力，其原理如下图所示。回转阻力，其原理如下图所示。 极压极压(EP)(EP)润滑剂在高温高压条件下，润滑剂在高温高压条件下，J J可在金属表可在金属表面形成一层坚固的化学膜，以降低金属接触界面的摩面形成一层坚固的化学膜，以降低金属接触界面的摩阻，从而起到润滑作用。故极压阻，从而起到润滑作用。故极压(EP)(EP)润滑刑更适应于润滑刑更适应于水平井中高侧压力情况下，钻柱对井壁降摩阻的需要。水平井中高侧压力情况下，钻柱对井壁降摩阻的需要。139141140142本本 章章 作作 业业1 1、问答题、问答题 P225(89) P225(89)、(90).(90).2 2、计算题、计算题 P226(103) P226(103)、(106)(106)、(107)(107)。3 3、选做题、选做题 P227(108) P227(108)、(110)(110)。返返 回回141143第五章第五章 钻井液原材料和处理剂钻井液原材料和处理剂本章要求掌握主要内容：本章要求掌握主要内容： 1 1、配浆土。、配浆土。 2 2、无机处理剂。、无机处理剂。 3 3、有机处理剂。、有机处理剂。 4 4、处理剂作用原理和选择方法。、处理剂作用原理和选择方法。142144第一节第一节 钻井液配浆原材料钻井液配浆原材料1 1、粘土类、粘土类膨润土膨润土膨润土在淡水钻井液中具有以下作用：膨润土在淡水钻井液中具有以下作用：(1)(1)增加粘度和切力，提高井眼净化增加粘度和切力，提高井眼净化能力能力(2)(2)形成低渗透率的致密泥饼，降低滤失量；形成低渗透率的致密泥饼，降低滤失量；(3)(3)对于胶结不良的地对于胶结不良的地层，可改善井眼的稳定性；层，可改善井眼的稳定性；(4)(4)防止井漏。防止井漏。有机土有机土有机土是由膨润土经季铵盐类阳离子表面活性剂处理而制成的亲油膨润土有机土是由膨润土经季铵盐类阳离子表面活性剂处理而制成的亲油膨润土 海泡石、凹凸棒石、坡缕缟石海泡石、凹凸棒石、坡缕缟石1431452 2、加重材料、加重材料 用于提高钻井液密度的物质材料。用于提高钻井液密度的物质材料。要求：要求：密度大、耐磨损、不增粘、可酸溶。密度大、耐磨损、不增粘、可酸溶。(1)重晶石粉(2)石灰石粉(3)铁矿粉和钛铁矿粉(4)方铅矿粉3 3、配浆水和油、配浆水和油144146常常 见见 固固 体体 加加 重重 材材 料料 的的 物物 化化 性性 质质材料名称材料名称 化学成分化学成分 密度密度g/cmg/cm3 3 硬度硬度 酸溶性酸溶性 重晶石重晶石 BaSO4 4.0 4.5 2.5 3.5 难溶难溶 赤铁矿赤铁矿 Fe2O3 4.9 5.3 5.5 6.5 溶溶 方铅矿方铅矿 PbS 7.4 7.7 2.5 2.7 溶溶 菱铁矿菱铁矿 FeCO3 3.7 3.9 3.5 4.0 溶溶 钛铁矿钛铁矿 FeTIO3 4.6 5.0 5.0 6.0 溶溶 石灰石石灰石 CaCO3 2.6 2.8 3 溶溶 磁铁矿磁铁矿 Fe3O4 5.0 5.2 5.5 6.5 溶溶返返 回回145147一、常用的无机处理剂一、常用的无机处理剂1. 纯碱纯碱2. 烧碱烧碱3. 石灰石灰4. 石膏石膏5. 氯化钙氯化钙6. 氯化钠氯化钠7. 氯化钾氯化钾8. 硅酸钠硅酸钠9. 重铬酸钠和重铬酸钾重铬酸钠和重铬酸钾10. 酸式焦磷酸钠和六偏磷酸钠酸式焦磷酸钠和六偏磷酸钠11. 混和金属层状氢氧化物混和金属层状氢氧化物第二节第二节 无机处理剂无机处理剂146148二、无机处理剂的作用机理 1 1、离子交换吸附、离子交换吸附 主要是粘土颗粒表面的主要是粘土颗粒表面的NaNa与与CaCa之间的交之间的交换。换。 2 2、调控钻井液中的、调控钻井液中的PHPH值值 3 3、沉淀作用、沉淀作用 4 4、络合作用、络合作用 5 5、与有机处理盐生成可溶性盐、与有机处理盐生成可溶性盐 6 6、抑制溶解的作用、抑制溶解的作用147149 按照处理剂的功能分类：按照处理剂的功能分类： 稀释剂稀释剂 增粘剂增粘剂 降失水剂降失水剂 絮凝剂絮凝剂 加重剂加重剂 PHPH值调节剂值调节剂 堵漏剂堵漏剂 乳化剂乳化剂 消泡剂消泡剂 润滑剂润滑剂 缓蚀剂缓蚀剂 防塌剂防塌剂 148 有机处理剂有机处理剂150处理剂的作用原理处理剂的作用原理一、稀释剂（又称解絮凝剂）一、稀释剂（又称解絮凝剂）1 1、钻井液稠化原因、钻井液稠化原因 由于粘土颗粒表面与端面性质不同：由于粘土颗粒表面与端面性质不同： 带电情况不同带电情况不同 表面带负电，端面带正电。表面带负电，端面带正电。 水化程度不同水化程度不同 表面水化膜厚，端面水化膜薄。表面水化膜厚，端面水化膜薄。Al +Si +149151钻井液稠化原因：钻井液稠化原因： 当钻井液中固相含量高和外界污染改变粘土表面性质时，极易当钻井液中固相含量高和外界污染改变粘土表面性质时，极易形成：边形成：边 边、边边、边 面联结的空间网架结构，面联结的空间网架结构， 从而造成：从而造成： 钻井液结构粘度增加；钻井液结构粘度增加； 网状结构包裹大量自由水，流动阻力增加。网状结构包裹大量自由水，流动阻力增加。1501522 2、稀释剂稀释机理、稀释剂稀释机理 稀释剂分子通过（静电吸附、配位键吸附）吸附在粘土颗粒端面上，改稀释剂分子通过（静电吸附、配位键吸附）吸附在粘土颗粒端面上，改变端面性质，拆散网架结构，从而降低钻井液结构粘度。变端面性质，拆散网架结构，从而降低钻井液结构粘度。具体方法为：具体方法为： 使端面反号使端面反号 由带正电性端面转变为负电性端面。即：由带正电性端面转变为负电性端面。即： 正负相吸正负相吸 负负相斥负负相斥+- - - - - - -151153 增强端面水化膜厚度增强端面水化膜厚度 吸附基吸附在粘土颗粒端面上，水化基给端面带来丰厚的水化层，削弱边吸附基吸附在粘土颗粒端面上，水化基给端面带来丰厚的水化层，削弱边 - -边、边、边边 - -面连接，拆散了网架结构，同时放出自由水，使粘度降低。面连接，拆散了网架结构，同时放出自由水，使粘度降低。152154稀释剂作用特点稀释剂作用特点 作用于端面，拆散网状结构。作用于端面，拆散网状结构。 用量少、效果显著（因为端面少）。用量少、效果显著（因为端面少）。 降失水与稀释作用有时相一致，有时不同。降失水与稀释作用有时相一致，有时不同。 主要降低主要降低 0 0、 s s、 ，不降，不降 s s。1531553 3、常见稀释剂、常见稀释剂 单宁酸钠（单宁酸钠（NaTNaT） 磺甲基单宁（磺甲基单宁（SMPSMP） 铁铬木质素磺酸盐铁铬木质素磺酸盐 (FCLS) (FCLS) 两性离子聚合物稀释剂（两性离子聚合物稀释剂（XY -27XY -27） 154156铁铬木质素磺酸盐铁铬木质素磺酸盐 (FCLS) (FCLS)的使用的使用 通常配制成碱液使用。通常配制成碱液使用。 FCLSFCLS碱液的配制碱液的配制FCLS : NaOH = 3 FCLS : NaOH = 3 5 :15 :1（FCLS + NaOHFCLS + NaOH）/ /（FCLS + NaOHFCLS + NaOH）混合碱液）混合碱液 = 1/5 = 1/5或或1/101/10 155157 例题例题 40ml FCLS 40ml FCLS碱液（碱液（3 3：1 1，1/51/5）中，含固体）中，含固体FCLSFCLS多少克多少克？NaOHNaOH多少克？多少克？解：解：FCLS+NaOHFCLS+NaOH总重为：总重为：1/5 1/5 40 = 8 (g) 40 = 8 (g) FCLS FCLS重量为：重量为： 2/(1+2) 2/(1+2) 8 = 5.3 (g) 8 = 5.3 (g) NaOH NaOH重量为：重量为：8 - 5.3 = 2.7 (g)8 - 5.3 = 2.7 (g)答：含答：含FCLSFCLS重量为重量为 5.3 g 5.3 g，NaOHNaOH重量为重量为 2.7 g 2.7 g。1561584 4、稀释剂选择方法、稀释剂选择方法仪仪 器器: : 漏斗粘度计、旋转粘度计。漏斗粘度计、旋转粘度计。评价指标：评价指标： s s 、 0 0 、 漏漏 、 方方 法：法：钻井液钻井液 + + 稀释剂（稀释剂（% %） 测定性能测定性能评价指标：评价指标： s 、 0 漏漏 、 （下降）（下降）157159二、降失水剂二、降失水剂分析：分析：降失水降失水 关键是提高泥饼质量（降低关键是提高泥饼质量（降低K K） 固相粒度小固相粒度小 V Vf f胶体粒子浓度充足胶体粒子浓度充足 保持体系聚结稳定性保持体系聚结稳定性（护胶）（护胶） 有一定量的桥塞粒子有一定量的桥塞粒子158160泥饼形成过程泥饼形成过程 钻井液流动钻井液流动 桥塞粒子桥塞粒子 在孔喉架桥的粒子在孔喉架桥的粒子 填充粒子填充粒子 在桥塞粒子间隙填充的粒子在桥塞粒子间隙填充的粒子159161降失水剂作用机理：降失水剂作用机理：1 1、水化膜护胶、水化膜护胶 降失水剂在粘土粒子表面形成吸附溶剂化层，保持体系聚结稳降失水剂在粘土粒子表面形成吸附溶剂化层，保持体系聚结稳定性的作用。定性的作用。机理：机理：水化膜水化膜碰撞阻力碰撞阻力胶粒稳定胶粒稳定 Vf 特点：特点： 分子量较低、水溶性好。分子量较低、水溶性好。 用量较大（表面）。用量较大（表面）。1601622 2、静电稳定、静电稳定 降失水剂吸附在粘土表面上，增加表面电荷以降低颗粒之间吸降失水剂吸附在粘土表面上，增加表面电荷以降低颗粒之间吸引力的作用。引力的作用。 特点特点：负电荷负电荷 胶粒稳定。胶粒稳定。1611633 3、高分子保护、高分子保护敏化作用敏化作用 高分子保护高分子保护1 1 高分子保护高分子保护2 2 大分子浓度低时，大分子浓度低时， 吸附粒子的高分子吸附粒子的高分子 许多高分子多点吸附许多高分子多点吸附 不足以形成混合网不足以形成混合网 之间形成网架结构之间形成网架结构 在胶粒表面，形成一在胶粒表面，形成一 架结构，颗粒失去架结构，颗粒失去 粒子被隔离开不易粒子被隔离开不易 个包蔽层，阻止胶粒个包蔽层，阻止胶粒 重力稳定性。重力稳定性。 聚结，保证体系中聚结，保证体系中 聚结。聚结。 胶粒含量。胶粒含量。1621644 4、几种常见的降失水剂、几种常见的降失水剂 钠羧甲基纤维素（钠羧甲基纤维素（Na - CMCNa - CMC） 煤碱剂（煤碱剂（NaCNaC） 磺甲基褐煤磺甲基褐煤 磺甲基酚醛树脂（磺甲基酚醛树脂（SMPSMP） 磺化木质素磺甲基酚醛树脂缩合物（磺化木质素磺甲基酚醛树脂缩合物（SLSPSLSP）163165煤碱剂（煤碱剂（NaCNaC）的使用的使用 通常配制成碱液使用。通常配制成碱液使用。 主要成分：腐植酸钠主要成分：腐植酸钠 （利用（利用NaOHNaOH提取出来）。提取出来）。 NaCNaC碱液的配制碱液的配制褐煤：烧碱：煤碱液（水）褐煤：烧碱：煤碱液（水） = 10 = 10 15 15 ：2 2 ：50 50 100 100164166例题：例题： 欲配制欲配制1515：1 1：100100的煤碱液的煤碱液2 2米米3 3，问需要褐煤和烧碱各多少吨？，问需要褐煤和烧碱各多少吨？解：解： 褐煤：烧碱：煤碱液（体积）褐煤：烧碱：煤碱液（体积）=15=15：1 1：100100 褐煤量褐煤量 = 2 = 2 15/100 = 0.3 (t) 15/100 = 0.3 (t) 烧碱量烧碱量 = 2 = 2 1/100 =0.02 1/100 =0.02 （t t）答：需要答：需要褐煤褐煤 0.3 t 0.3 t，烧碱，烧碱t t。1651675 5、降失水剂选择方法、降失水剂选择方法仪仪 器器: : API API静失水仪、静失水仪、HTHPHTHP静失水仪。静失水仪。评价性能：评价性能：静失水量、泥饼厚度。静失水量、泥饼厚度。方方 法：法：钻井液钻井液 + + 降失水剂（降失水剂（% %） 测定性能测定性能评价标准：评价标准： API API静失水静失水 5ml/30min 5ml/30min； h 0.5mm. h 0.5mm. HTHP HTHP静失水静失水 15ml/30min 15ml/30min；h 5mm.h d d2 2 d d3 3 1 1 2 2 3 3分散分散 絮凝絮凝 聚结聚结 (E-F) (E-E) (E-F) (E-E) 低固相：低固相： 1 1 2 2 3 3 高固相：高固相： 1 1 2 2 3 3 = max= max 194196钙污染处理钙污染处理处理原则：处理原则：除钙、护胶、拆结构。除钙、护胶、拆结构。 除钙：除钙：加纯碱。加纯碱。COCO3 3-+Ca+Ca+ CaCO CaCO3 3 护胶：护胶：加降失水剂（加降失水剂（NaCNaC、CMCCMC） 拆结构：拆结构：加入稀释剂（加入稀释剂（NaTNaT、FCLSFCLS）195197 水泥侵的处理水泥侵的处理特点：特点：PH PH 处理：处理： 加低碱比的护胶混合液加低碱比的护胶混合液NaC : NaOH : NaT : NaNaC : NaOH : NaT : Na2 2COCO3 3 : H: H2 2O O5 : 1-2 : 1 : 2 : 505 : 1-2 : 1 : 2 : 50 清水钻水泥塞，钻完放掉。清水钻水泥塞，钻完放掉。196198 石膏侵的处理石膏侵的处理特点：特点：PH PH 因为：因为：SOSO4 4- - 处理：处理： 对于薄层石膏层对于薄层石膏层纯碱纯碱 + + 烧碱烧碱（除钙）（除钙） （提（提PHPH） 对于大段石膏层对于大段石膏层使用高碱比的混合液使用高碱比的混合液 预处理预处理预先配成钙处理钻井液，抑制石膏溶解。预先配成钙处理钻井液，抑制石膏溶解。197199 盐污染及其处理盐污染及其处理污染曲线污染曲线 VfNaCL （g/100ml）失水失水低固相低固相高固相高固相1198200污染规律污染规律 NaCL PH NaCL Vf 、 C（常数常数）1%为分界线为分界线 1%前前，Vf增加小增加小， 1%后后，Vf ， C（低固相）（低固相）199201盐侵污处理盐侵污处理原则：原则：抗盐、护胶、拆结构、换土。抗盐、护胶、拆结构、换土。 抗盐、护胶：抗盐、护胶：加入抗盐能力强的有机护胶剂。加入抗盐能力强的有机护胶剂。 如：如：CMCCMC 拆拆 结结 构：构：加入抗盐稀释剂。如：加入抗盐稀释剂。如：FCLSFCLS 换换 土：土：换抗盐土。换抗盐土。 如：海泡石、凹凸棒石。如：海泡石、凹凸棒石。200202（二）钻井液性能调节（二）钻井液性能调节 提、降密度提、降密度 提、降粘度提、降粘度 提、降切力提、降切力 降低失水降低失水 改善泥饼质量改善泥饼质量 提、降提、降PHPH值值2012031 1、定体积低密度钻井液加重时所需加重材料、定体积低密度钻井液加重时所需加重材料 W W加重剂加重剂 = W= W重泥浆重泥浆 - W - W轻泥浆轻泥浆 V V重泥浆重泥浆 = V = V轻泥浆轻泥浆 + V + V加重剂加重剂 ( W( W加重剂加重剂 / / 加重剂加重剂）由上式得：由上式得： 式中，式中， 加重剂加重剂 加重材料密度；加重材料密度； 重泥浆重泥浆 加重后钻井液密度；加重后钻井液密度； 轻泥浆轻泥浆 加重前钻井液密度；加重前钻井液密度； V V轻泥浆轻泥浆 加重前钻井液体积。加重前钻井液体积。202204 例题例题 某井打开油层前共有钻井液某井打开油层前共有钻井液450450米米3 3，其密度为，其密度为3 3, ,现根现根据地层压力须加重到据地层压力须加重到3 3，问需用重晶石（密度，问需用重晶石（密度g/cmg/cm3 3 ）多）多少吨？少吨？解：解：答：需用重晶石吨。答：需用重晶石吨。2032052 2、配制定体积高密度钻井液所需加重材料、配制定体积高密度钻井液所需加重材料式中，式中，V V重泥浆重泥浆 欲配高密度钻井液体积。欲配高密度钻井液体积。204206例题例题 有密度为有密度为1.20 g/cm1.20 g/cm3 3的钻井液，欲配成密度为的钻井液，欲配成密度为1.60 1.60 g/cmg/cm3 3的钻井液的钻井液150150米米3 3，需用重晶石（密度，需用重晶石（密度3 3）多少吨？）多少吨？解：解：答：需用重晶石吨。答：需用重晶石吨。2052073 3、降低钻井液密度所需的加水量、降低钻井液密度所需的加水量计算公式：计算公式：式中，式中，V V水水 所需加水量；所需加水量； V V重泥浆重泥浆 原重泥浆体积；原重泥浆体积； 重泥浆重泥浆 原重泥浆密度；原重泥浆密度； 稀释浆稀释浆 稀释后泥浆密度稀释后泥浆密度. .206208例题例题 有有300300米米3 3密度为密度为1.35 g/cm1.35 g/cm3 3的钻井液，欲加清水降低密度到的钻井液，欲加清水降低密度到3 3，需加清水多少米需加清水多少米3 3 ？解：解：答：需加清水答：需加清水400400米米3 3。207209水基分散型钻井液的优缺点水基分散型钻井液的优缺点本质：本质：尽量提高粘土粒子的分散度来保持钻井液性能的稳定。尽量提高粘土粒子的分散度来保持钻井液性能的稳定。方法：方法： 分散介质分散介质 淡水淡水 （PH 10PH 10） 处理剂处理剂 分散剂分散剂 （稀释、护胶剂）（稀释、护胶剂）优点：优点： 泥饼质量好泥饼质量好 薄、密、韧。薄、密、韧。 固相容量限高固相容量限高 最适合配制高密度钻井液。最适合配制高密度钻井液。 抗温能力强抗温能力强 可抗温可抗温 200 200 0 0C C208210缺点：缺点： 固相含量高固相含量高 高高 分散性强、抑制性差，不适应强造浆地层钻进。分散性强、抑制性差，不适应强造浆地层钻进。 油气层保护能力差，钻达油气层必须加以改造。油气层保护能力差，钻达油气层必须加以改造。 对可溶性盐类敏感。对可溶性盐类敏感。209211第二节第二节 水基抑制性钻井液水基抑制性钻井液本节主要掌握：本节主要掌握： 1. 1. 抑制性钻井液的基本特点抑制性钻井液的基本特点 2. 2. 石灰钻井液性能指标及维护原理石灰钻井液性能指标及维护原理 3. 3. 盐水钻井液性能指标及维护原理（盐水钻井液性能指标及维护原理（自学自学）210212抑制性钻井液抑制性钻井液 组成：组成： 水水 + + 粘土粘土 + + 无机盐无机盐 + +处理剂处理剂 水水 + + 粘土粘土 + + 聚合物聚合物 实质（特点）：实质（特点）：利用粘土粒子的适度分散，保持钻井液性利用粘土粒子的适度分散，保持钻井液性能稳定。能稳定。 核心：核心：保持固相具有适当的分散度。保持固相具有适当的分散度。 方法：方法：利用无机盐压缩双电层作用使粘土粒子絮凝，再利利用无机盐压缩双电层作用使粘土粒子絮凝，再利用稀释剂的解絮凝作用去抵消一部分絮凝，直到用稀释剂的解絮凝作用去抵消一部分絮凝，直到分散度合适分散度合适 性能符合要求。性能符合要求。211213抑制性钻井液定义抑制性钻井液定义 能抑制钻屑造浆（能提供抑制性化学环境）能抑制钻屑造浆（能提供抑制性化学环境） 的钻的钻井液。井液。 方法：方法：采用无机盐和聚合物。采用无机盐和聚合物。 实质：实质：土粒由高度分散土粒由高度分散 适度絮凝适度絮凝 。 类型：类型：钙处理钻井液钙处理钻井液 盐水钻井液盐水钻井液 甲酸盐钻井液甲酸盐钻井液 钾石灰钻井液钾石灰钻井液 硅酸盐钻井液硅酸盐钻井液 聚合物钻井液聚合物钻井液 等等212214（一）钙处理钻井液（一）钙处理钻井液 石灰钻井液石灰钻井液 钙处理钻井液钙处理钻井液 石膏钻井液石膏钻井液 氯化钙钻井液氯化钙钻井液 2132151 1、石灰钻井液、石灰钻井液 基本配方基本配方膨润土浆膨润土浆 + + 护胶剂护胶剂 + + 石灰石灰 （CaOCaO） 石灰的作用石灰的作用 提供提供CaCa+; ; Ca Ca+使粘土絮凝。使粘土絮凝。214216实验曲线实验曲线Ca+ (PPm)0 ()120200普通泥浆普通泥浆干膨润土干膨润土215217从曲线得到规律从曲线得到规律CaCa+ = 120 - 200 ppm = 120 - 200 ppm 最好。最好。此时，粘度合适，钻屑对粘度影响最小。此时，粘度合适，钻屑对粘度影响最小。216218 滤液含钙量的保证滤液含钙量的保证 滤液碱度滤液碱度 P Pf f意义：意义：滤液中滤液中OHOH- - 浓度的量度。浓度的量度。作用：作用：控制石灰溶解度：控制石灰溶解度： P Pf fCaCa+ 一般：一般： P Pf f = 1 - 10 ml = 1 - 10 ml方法：方法：用用NaOHNaOH控制。控制。217219 泥浆碱度泥浆碱度 P Pm m意义：意义：钻井液中溶解和未溶解的氢氧化物多少的量度。钻井液中溶解和未溶解的氢氧化物多少的量度。规律：规律：Ca(OH)Ca(OH)2 2 P Pm m 一般：一般： P Pm m = 10 -25 ml = 10 -25 ml方法：方法：用用Ca(OH)Ca(OH)2 2 控制。控制。218220 游离石灰含量（剩余石灰含量）游离石灰含量（剩余石灰含量）意义：反映钻井液中未溶解（过剩）石灰量。意义：反映钻井液中未溶解（过剩）石灰量。 滤液滤液 Ca Ca+ 意义：意义：已经溶解了的已经溶解了的CaCa+含量。含量。一般：一般：120 -200 ppm120 -200 ppm219221石灰泥浆最大的问题石灰泥浆最大的问题高温固化：高温固化：石灰石灰 + + 粘土粘土 + NaOH + NaOH 水化硅酸钙水化硅酸钙2202222 2、石膏钻井液、石膏钻井液 基本配方基本配方 膨润土浆膨润土浆 + + 混合剂（褐煤、烧碱、单宁、纯碱）或混合剂（褐煤、烧碱、单宁、纯碱）或FCLS + FCLS + 石膏石膏 （CaSOCaSO4 4） 石膏的作用石膏的作用 同离子效应；同离子效应； 提供提供CaCa+; ; CaCa+使粘土絮凝；使粘土絮凝； 维持较低的维持较低的PHPH值。值。2212233 3、氯化钙钻井液、氯化钙钻井液基本配方基本配方膨润土浆膨润土浆 + + 褐煤褐煤 + + 氯化钙氯化钙 （CaClCaCl2 2） 氯化钙的作用氯化钙的作用 提供提供CaCa+: Ca: Ca+ +2Hm +2Hm- -Ca(Hm)Ca(Hm)2 2降失水降失水 储备储备CaCa+，使，使CaCa+ =200ppm =200ppm 保证抑制性和流变性稳定。保证抑制性和流变性稳定。222224第三节第三节 水基聚合物钻井液水基聚合物钻井液本节主要掌握：本节主要掌握： 1 1、聚合物钻井液的基本特点、聚合物钻井液的基本特点 2 2、不分散低固相聚合物钻井液、不分散低固相聚合物钻井液 3 3、不分散聚合物加重钻井液、不分散聚合物加重钻井液223225（一）（一）聚合物钻井液的基本特点聚合物钻井液的基本特点无用固相少，密度低，压差小；无用固相少，密度低，压差小；钻屑较粗，固相体积含量较小；钻屑较粗，固相体积含量较小；膨润土固相含量低，亚微米颗粒少；膨润土固相含量低，亚微米颗粒少；剪切稀释性好，水眼粘度低；剪切稀释性好，水眼粘度低；携砂能力强；携砂能力强；抑制、包被能力强；抑制、包被能力强；对油气层损害较小；对油气层损害较小；抗温能力较强。抗温能力较强。224226（二）不分散低固相聚合物钻井液（二）不分散低固相聚合物钻井液1 1、 要求要求 不分散低固相聚合物钻井液的要求：不分散、低固相。不分散低固相聚合物钻井液的要求：不分散、低固相。不分散：固相粒子粒度不变，不再分散，新钻屑也不分散。不分散：固相粒子粒度不变，不再分散，新钻屑也不分散。低固相：低密度固相特别是活性固相含量较低。低固相：低密度固相特别是活性固相含量较低。不分散目的：尽量减少亚微米颗粒（不分散目的：尽量减少亚微米颗粒（1 1微米）含量，保证钻井液良好性能，减少亚微米）含量，保证钻井液良好性能，减少亚微米颗粒对钻速的影响。微米颗粒对钻速的影响。低固相目的：包被钻屑，阻止分散，降低低密度固相含量。低固相目的：包被钻屑，阻止分散，降低低密度固相含量。结论：结论：“不分散不分散”是手段，是手段，“低固相低固相”是目的是目的。2 2、分类分类 清水或盐水、油水乳状液、低固相聚合物钻井液等三大类。清水或盐水、油水乳状液、低固相聚合物钻井液等三大类。2252273 3、性能指标、性能指标1 1）固相含量（不含加重剂）固相含量（不含加重剂）5%5%（W/VW/V）2 2）岩屑）岩屑/ /膨润土（膨润土（D/BD/B） 2 2：1 13 3）动塑比（）动塑比（YP/PVYP/PV）4 4）动切力（）动切力（YPYP）5 5）滤失控制视情况具体分析：地层稳定，放宽；坍塌地层，从严；油层，）滤失控制视情况具体分析：地层稳定，放宽；坍塌地层，从严；油层，尽量低。尽量低。6 6）优良流变参数：）优良流变参数：=3-6mPa.s,Im=300-600,c。其中其中：1/2=1.195(6001/2-1001/2) (mPa.s)1/2 c1/2=0.4755(6100)1/2-6001/2 (Pa)1/2 Im=1+(c/)1001/22 4 4、常用处理剂、常用处理剂 聚丙烯酰胺及其衍生物包括聚丙烯酰胺及其衍生物包括80A80A系列、系列、SKSK系列、系列、PACPAC系列等，系列等，VAMAVAMA、XCXC、FAFA367367、XYXY2727等。等。2262285 5、 低固相聚合物钻井液低固相聚合物钻井液1 1）性能指标）性能指标 FV=30-40s, PV=4-7mPa.s, YP=4Pa, GFV=30-40s, PV=4-7mPa.s, YP=4Pa, G1010 /G/G1010 =1-=1-2/1-3Pa, API2/1-3Pa, APIB B3 3。2 2）维护）维护维护切记：维护切记：“不分散不分散”是手段，保证是手段，保证“低固相低固相”才是目的。才是目的。227229（三）不分散聚合物加重钻井液（三）不分散聚合物加重钻井液1 1、 高分子聚合物的作用高分子聚合物的作用 絮凝和包被钻屑、增效膨润土、包被重晶石，减少粒子间的摩擦。絮凝和包被钻屑、增效膨润土、包被重晶石，减少粒子间的摩擦。2 2、配制、配制 在原不分散低固相聚合物钻井液基础上加重而得（井浆转化）。在原不分散低固相聚合物钻井液基础上加重而得（井浆转化）。3 3、性能指标、性能指标（根据密度决定根据密度决定） YP=3-6Pa, G YP=3-6Pa, G1010 /G/G1010 =1-2/2.5-5Pa, API=1-2/2.5-5Pa, APIB B3 3。2282304 4、维护原则、维护原则视情况加水视情况加水（稀释）（稀释）依据钻速快慢，添加选择性絮凝剂依据钻速快慢，添加选择性絮凝剂固控设备跟上固控设备跟上维持劣膨比维持劣膨比33：1 1229231第四节第四节 油基钻井液体系油基钻井液体系本节主要掌握：本节主要掌握： 1. 1. 油基钻井液的基本特点油基钻井液的基本特点 2. 2. 油包水乳化钻井液的组成和性能调节油包水乳化钻井液的组成和性能调节 3. 3.平衡活度油包水乳化钻井液平衡活度油包水乳化钻井液230232一、油基钻井液概念及相关知识一、油基钻井液概念及相关知识1 1、概念、概念 以油作为连续相（分散介质）的洗井液，称为油基钻井液。以油作为连续相（分散介质）的洗井液，称为油基钻井液。2 2、分类、分类 主要分为油基和油包水乳化钻井液两大类。一般，油基钻井液中含水主要分为油基和油包水乳化钻井液两大类。一般，油基钻井液中含水量小于量小于10%10%，油包水乳化钻井液中含水量大于，油包水乳化钻井液中含水量大于10%10%。3 3、基本组成、基本组成 柴油或原油（分散介质）柴油或原油（分散介质）+ +氧化沥青。氧化沥青。4 4、苯胺点概念、苯胺点概念 等体积的油和苯胺相互溶解时的最低温度。苯胺点越高，表明油中烷等体积的油和苯胺相互溶解时的最低温度。苯胺点越高，表明油中烷烃含量越高，芳烃含量越低。烃含量越高，芳烃含量越低。231233二、油包水乳化钻井液（二、油包水乳化钻井液（W/OW/O）1 1、配制原理、配制原理 水和固体稳定地分散于油中。水和固体稳定地分散于油中。2 2、乳化剂、乳化剂 主乳化剂主乳化剂+ +辅乳化剂。辅乳化剂。 主乳化剂：主乳化剂：决定乳状液类型和建立牢固的乳化膜的骨架基础。决定乳状液类型和建立牢固的乳化膜的骨架基础。主乳化剂是油溶的。主乳化剂是油溶的。 辅乳化剂：辅乳化剂：配合主乳化剂形成混合乳化剂，提高界面膜强度配合主乳化剂形成混合乳化剂，提高界面膜强度和紧密程度。和紧密程度。辅乳化剂一般是水溶的。辅乳化剂一般是水溶的。 3 3、乳化剂作用机理、乳化剂作用机理 在油在油/ /水界面形成具有一定强度的吸附膜；降低界面张水界面形成具有一定强度的吸附膜；降低界面张力；增加外相粘度。力；增加外相粘度。2322344 4、基本组成、基本组成 基油基油+ +水相水相+ +乳化剂乳化剂+ +润湿剂润湿剂+ +有机土（氧化沥青）有机土（氧化沥青）+ +石灰石灰+ +加重材料。加重材料。1 1）基油）基油 一般是柴油、低毒矿物油，为连续相。一般是柴油、低毒矿物油，为连续相。2 2）水相）水相 一般是淡水、盐水、海水，通常是含一定量的一般是淡水、盐水、海水，通常是含一定量的CaClCaCl2 2或或NaClNaCl盐水，为盐水，为分散相。分散相。3 3）乳化剂）乳化剂 主乳化剂主乳化剂+ +辅乳化剂。辅乳化剂。4 4）润湿剂）润湿剂 一般是使亲水性固体表面变成亲油性的表面活性剂。一般是使亲水性固体表面变成亲油性的表面活性剂。5 5）有机土（氧化沥青）有机土（氧化沥青） 有机土有机土是由亲水膨润土与季胺类阳离子表面活性剂相互作用后制成是由亲水膨润土与季胺类阳离子表面活性剂相互作用后制成的亲油土。的亲油土。 有机土、氧化沥青都用作提高粘度、降失水、促进乳化。有机土、氧化沥青都用作提高粘度、降失水、促进乳化。2332356 6）石灰）石灰 CaOCaO（1 1）维持，防止钻具腐蚀；）维持，防止钻具腐蚀；（2 2）提供）提供CaCa2+2+，形成二元金属皂，改善乳化剂效能；，形成二元金属皂，改善乳化剂效能；（3 3）有效阻止）有效阻止COCO2 2和和H H2 2S S等酸性气体对钻井液的污染。等酸性气体对钻井液的污染。7 7）加重材料）加重材料 一般是碳酸钙（重钙）和重晶石，用于加重。一般是碳酸钙（重钙）和重晶石，用于加重。5 5、HLBHLB值值（Hydrophilic Liponhilic BalanceHydrophilic Liponhilic Balance） 亲水亲油平衡值。亲水亲油平衡值。6 6、影响油包水乳化钻井液性能的因素、影响油包水乳化钻井液性能的因素1 1）水油比）水油比2 2）乳化剂的品种和剂量）乳化剂的品种和剂量 性性 能能 提粘提粘增加水量或有机土、氧化沥青增加水量或有机土、氧化沥青3 3）有机土加量）有机土加量 降粘降粘增加油量、加入石油磺酸盐增加油量、加入石油磺酸盐4 4）润湿反转剂的品种和数量）润湿反转剂的品种和数量 降滤失量降滤失量使用有机土、氧化沥青使用有机土、氧化沥青5 5）PHPH 调调 节节 提比重提比重加亲油加重剂加亲油加重剂6 6）温度、压力）温度、压力7 7）氧化沥青的使用）氧化沥青的使用7 7、破乳电压、破乳电压 破乳时的电压称为破乳电压。破乳时的电压称为破乳电压。W/OW/O破乳电压较高，在破乳电压较高，在400V400V以上，最高达以上，最高达1300V1300V。234236三、三、平衡活度油包水乳化钻井液平衡活度油包水乳化钻井液 在在W/OW/O乳化钻井液基础上，应用了平衡活度概念。乳化钻井液基础上，应用了平衡活度概念。1 1、活度、活度 用一个称为逸度（用一个称为逸度（fugacityfugacity）的函数代替压力，并将盐）的函数代替压力，并将盐溶液和纯水的逸度比溶液和纯水的逸度比f fw w/ /f fw w0 0定义为水的活度定义为水的活度a aw w。2 2、平衡活度、平衡活度 通过适当增加水相中无机盐（通过适当增加水相中无机盐（CaClCaCl2 2、NaClNaCl）的浓度使）的浓度使钻井液和地层中水的活度保持相等，从而达到制止油浆中的钻井液和地层中水的活度保持相等，从而达到制止油浆中的水向地层运移的目的。水向地层运移的目的。 CaClCaCl2 2溶液：溶液： a aw w=1-5.89210=1-5.89210-11-11c c NaCl NaCl 溶液：溶液： a aw w=1-3.0010=1-3.0010-8-8c c C C为溶液的重量百万分之一浓度（为溶液的重量百万分之一浓度（ppmppm）。）。235237第五节第五节 气态钻井液体系气态钻井液体系气态钻井液体系主要有：气态钻井液体系主要有：1 1、空气、氮气钻井液体系、空气、氮气钻井液体系2 2、（微）泡沫钻井液体系、（微）泡沫钻井液体系3 3、雾化钻井液体系、雾化钻井液体系 主要用于密度小于主要用于密度小于1g/cm1g/cm3 3的低密度钻井液体系中。的低密度钻井液体系中。 由于尽量减少自由水量或无自由水，因此，对井壁稳定极为有利。由于尽量减少自由水量或无自由水，因此，对井壁稳定极为有利。236238第七章第七章 复杂情况下的钻井液体系复杂情况下的钻井液体系复杂情况下的钻井液体系使用：复杂情况下的钻井液体系使用：井漏（防漏堵漏钻井液）井漏（防漏堵漏钻井液）井喷（防喷钻井液）井喷（防喷钻井液）井塌（防塌钻井液）井塌（防塌钻井液）卡钻（防卡解卡钻井液）卡钻（防卡解卡钻井液）237239第一节第一节 井漏（防漏堵漏钻井液）井漏（防漏堵漏钻井液）一、井漏一、井漏 钻井液在井里向地层漏失的现象。钻井液在井里向地层漏失的现象。二、井漏的原因与分类二、井漏的原因与分类 渗透性漏失、裂缝性漏失、溶洞性漏失。渗透性漏失、裂缝性漏失、溶洞性漏失。三、井漏的预防三、井漏的预防 1 1）低比重、低粘度、低切力钻井液：低比重、低粘度、低切力钻井液：2 2）减小压力激动，避免裂缝漏失；减小压力激动，避免裂缝漏失；3 3）保持较小的钻井液上返速度；保持较小的钻井液上返速度；4 4）预防地表疏松地层漏失；预防地表疏松地层漏失；5 5）制定合理井深结构。制定合理井深结构。238240复杂情况处理（井漏）复杂情况处理（井漏）239241240242四、堵漏方法四、堵漏方法起钻静止起钻静止降密度、提高粘度，小排量循环降密度、提高粘度，小排量循环投泥球挤堵缝隙投泥球挤堵缝隙钻井液中加桥塞剂钻井液中加桥塞剂加高聚物絮凝剂、交联物加高聚物絮凝剂、交联物（智能凝胶物（智能凝胶物ZND）堵漏堵漏用水泥或其他胶凝物质堵漏用水泥或其他胶凝物质堵漏五、漏失层位确定五、漏失层位确定测井温法测井温法放射性测井法放射性测井法叶轮旋转器测定法叶轮旋转器测定法241243平衡法注水泥堵漏示意图平衡法注水泥堵漏示意图242244循环加压挤水泥堵漏示意图循环加压挤水泥堵漏示意图243245第二节第二节 井喷（防喷钻井液）井喷（防喷钻井液）一、井喷一、井喷 井内液柱压力小于地层压力时钻井液冲出井口的现象。井内液柱压力小于地层压力时钻井液冲出井口的现象。二、井喷的过程二、井喷的过程1 1、钻井过程中的井喷、钻井过程中的井喷 钻井液受气侵，液柱压力逐渐减小以至小于油、气层压力所致。钻井液受气侵，液柱压力逐渐减小以至小于油、气层压力所致。2 2、起钻过程中的井喷、起钻过程中的井喷 起钻时无循环压力，起钻时无循环压力，“抽吸作用抽吸作用”，未及时向井内灌钻井液所致。，未及时向井内灌钻井液所致。3 3、下钻过程中的井喷、下钻过程中的井喷 下入钻具引起过大压力激动造成井漏使井内液面下降所致。下入钻具引起过大压力激动造成井漏使井内液面下降所致。244246复杂情况处理复杂情况处理井喷油气上窜引起井喷示意图油气上窜引起井喷示意图2452474 4、下钻后循环过程中的井喷、下钻后循环过程中的井喷 起钻时，起钻时，“抽吸作用抽吸作用”使地层油、气进入钻井液和井筒内；下钻至油、气使地层油、气进入钻井液和井筒内；下钻至油、气层顶部循环钻井液，此时钻井液中的气体膨胀，当其压力大于它上面的液柱压力层顶部循环钻井液，此时钻井液中的气体膨胀，当其压力大于它上面的液柱压力时，钻井液被顶溢出。随后，井内剩下的钻井液若液柱压力小于油、气层压力，时，钻井液被顶溢出。随后，井内剩下的钻井液若液柱压力小于油、气层压力，油、气大量侵入以至井喷。油、气大量侵入以至井喷。油气上窜速度油气上窜速度U U窜窜：当井内钻井液静止后，油、气层中的气体在井内上窜的速度。计当井内钻井液静止后，油、气层中的气体在井内上窜的速度。计算法：算法： U U窜窜= =（H H油油-60QT-60QT见见/V) / T/V) / T静静式中，式中， U U窜窜油、气上窜速度，米油、气上窜速度，米/ /时；时； Q Q钻井液排量，升钻井液排量，升/ /秒；秒； T T见见自开泵循环至见油、气显示的时间，分；自开泵循环至见油、气显示的时间，分； H H油油油、气层深度，米；油、气层深度，米； T T静静静止时间，小时；静止时间，小时； V V环形空间每米溶积，升环形空间每米溶积，升/ /米。米。三、钻开高压油、气层的钻井液工艺三、钻开高压油、气层的钻井液工艺1 1、原则、原则 压而不死，活而不喷。压而不死，活而不喷。2 2、压井用钻井液、压井用钻井液 正确确定钻井液密度、控制适当回压。压井时要用加重钻井液正确确定钻井液密度、控制适当回压。压井时要用加重钻井液。246248压井时钻井液密度压井时钻井液密度加重加重计算：计算： 加重加重= =原原+10(+10(P P立立+ +P P安全安全) / ) / H H 式中，式中， 加重加重压井时钻井液密度，压井时钻井液密度，g/cmg/cm3 3； 原原原浆密度，原浆密度， g/cm g/cm3 3； P P立立立管压力，立管压力，atmatm； P P安全安全附加安全压力，附加安全压力，atmatm或或kg/cmkg/cm2 2； H H 井深，井深，m m。247249第三节第三节 井塌（防塌钻井液）井塌（防塌钻井液）一、井塌的现象与危害（一、井塌的现象与危害（P157P157）1 1、井塌的现象、井塌的现象2 2、井塌的危害、井塌的危害二、井塌的原因和类型二、井塌的原因和类型1 1、地质原因、地质原因页岩孔隙压力异常页岩孔隙压力异常页岩里面的砂岩透镜体孔隙压力异常页岩里面的砂岩透镜体孔隙压力异常受构造应力的页岩造成井壁不稳定受构造应力的页岩造成井壁不稳定2482502 2、物理化学原因、物理化学原因泥页岩水化效应泥页岩水化效应 泥浆滤液进入地层，泥页岩中的粘土矿物吸水后发生不均衡的水化泥浆滤液进入地层，泥页岩中的粘土矿物吸水后发生不均衡的水化膨胀，产生水化膨胀压，井壁岩石受力不平衡而井塌。膨胀，产生水化膨胀压，井壁岩石受力不平衡而井塌。 粘土水化膨胀压力粘土水化膨胀压力= =表面水化压力表面水化压力+ +渗透水化压力。渗透水化压力。P P表面水化表面水化表面水化表面水化=P=P=P=P覆盖覆盖覆盖覆盖-P-P-P-P孔隙孔隙孔隙孔隙 式中，为岩石柱压力，一般岩石平均比重取，为地层孔隙里流体压力，式中，为岩石柱压力，一般岩石平均比重取，为地层孔隙里流体压力，式中，为岩石柱压力，一般岩石平均比重取，为地层孔隙里流体压力，式中，为岩石柱压力，一般岩石平均比重取，为地层孔隙里流体压力，正常情况下为该地层延伸到地面的淡水或盐水柱压力。正常情况下为该地层延伸到地面的淡水或盐水柱压力。正常情况下为该地层延伸到地面的淡水或盐水柱压力。正常情况下为该地层延伸到地面的淡水或盐水柱压力。3 3 3 3、防塌泥浆、防塌泥浆、防塌泥浆、防塌泥浆1 1）防塌条件）防塌条件静液柱压力静液柱压力泥页岩的孔隙压力泥页岩的孔隙压力尽量减少泥浆滤液进入井壁岩层或使井壁两边的水无运移。尽量减少泥浆滤液进入井壁岩层或使井壁两边的水无运移。2 2）防塌泥浆）防塌泥浆249251低失水高矿化度的水基钻井液低失水高矿化度的水基钻井液 低失水、高矿化度、高滤液粘度、适当密度、适当泥浆低失水、高矿化度、高滤液粘度、适当密度、适当泥浆粘度：粘度：一低、二高、二适当。一低、二高、二适当。油包水乳化泥浆油包水乳化泥浆强抑制性的水基泥浆强抑制性的水基泥浆 钾基泥浆、有机盐泥浆、甲酸钾泥浆、硅酸钾泥浆、盐钾基泥浆、有机盐泥浆、甲酸钾泥浆、硅酸钾泥浆、盐水泥浆（饱和、欠饱和盐水泥奖）等。水泥浆（饱和、欠饱和盐水泥奖）等。聚合物泥浆聚合物泥浆聚合醇泥浆聚合醇泥浆泡沫泥浆（微泡沫泥浆）泡沫泥浆（微泡沫泥浆）气体泥浆气体泥浆仿油基泥浆仿油基泥浆250252第四节第四节 卡钻（防卡解卡钻井液）卡钻（防卡解卡钻井液）一、卡钻的类型及其与泥浆性能的关系一、卡钻的类型及其与泥浆性能的关系1 1、卡钻类型、卡钻类型 泥饼卡钻、沉砂卡钻、砂桥卡钻、井塌卡钻、泥包卡钻、缩径泥饼卡钻、沉砂卡钻、砂桥卡钻、井塌卡钻、泥包卡钻、缩径卡钻、键槽卡钻、压差卡钻等。卡钻、键槽卡钻、压差卡钻等。2 2、卡钻与泥浆性能的关系（见表、卡钻与泥浆性能的关系（见表10-910-9）二、预防及解除泥饼卡钻的泥浆工艺二、预防及解除泥饼卡钻的泥浆工艺 F=RL(P F=RL(P液柱液柱-P-P地层地层)= RL(H-P)= RL(H-P地层地层)，公斤，公斤 251253式中，式中， F F解卡所需力，公斤；解卡所需力，公斤； R R卡钻部位的钻杆或钻铤的半径，厘米；卡钻部位的钻杆或钻铤的半径，厘米； L L粘附长度，厘米；粘附长度，厘米； 泥饼粘附钻杆或钻铤的包角，弧度；泥饼粘附钻杆或钻铤的包角，弧度； 泥浆密度，克泥浆密度，克/ /立方厘米；立方厘米； H H卡钻部位的井深，米；卡钻部位的井深，米； P P地层地层卡钻部位的地层压力，大气压；卡钻部位的地层压力，大气压； 泥饼摩擦系数，无因次。泥饼摩擦系数，无因次。252254第八章第八章 保护储层的钻井液完井液技术保护储层的钻井液完井液技术 253储层损害储层损害：在钻井、完井井下作业及油气田开采全过程：在钻井、完井井下作业及油气田开采全过程中，造成储层渗透率下降的现象。中，造成储层渗透率下降的现象。储层保护技术储层保护技术：认识和诊断储层损害原因及损害过程的：认识和诊断储层损害原因及损害过程的各种手段，防止和解除储层损害的各种技术措施。各种手段，防止和解除储层损害的各种技术措施。储层保护的储层保护的核心核心是有针对性地控制各种外因，使储层的是有针对性地控制各种外因，使储层的内因不发生改变或改变小，从而达到保护储层的目的。内因不发生改变或改变小，从而达到保护储层的目的。 255储层损害原因储层损害原因：凡是受外界条件影响而导致储层渗透性降低的储层内在因凡是受外界条件影响而导致储层渗透性降低的储层内在因素，均属储层潜在损害因素（内因）。它包括储层孔隙结素，均属储层潜在损害因素（内因）。它包括储层孔隙结构、敏感性矿物、岩石表面性质和地层流体性质等。构、敏感性矿物、岩石表面性质和地层流体性质等。在施工作业时，任何能够引起储层微观结构或流体原始状在施工作业时，任何能够引起储层微观结构或流体原始状态发生改变，并使油气井产能降低的外部作业条件，均为态发生改变，并使油气井产能降低的外部作业条件，均为储层损害的外因。它包括入井流体性质、压差、温度和作储层损害的外因。它包括入井流体性质、压差、温度和作业时间等可控因素。业时间等可控因素。254256井底取出岩心井底取出岩心井底取出岩心井底取出岩心薄片薄片薄片薄片分析分析分析分析扫描扫描扫描扫描电镜电镜电镜电镜分析分析分析分析油气层室内评价实验油气层室内评价实验油气层室内评价实验油气层室内评价实验岩样钻取岩样钻取X-X-射线射线射线射线衍衍衍衍 射射射射分分分分 析析析析255257储层损害的室内评价储层损害的室内评价- -绪论绪论储层岩心分析储层岩心分析岩样的准备和选取岩样的准备和选取储层敏感性评价储层敏感性评价工作液对储层的损害评价工作液对储层的损害评价速速敏敏评价评价水水敏敏评价评价盐盐敏敏评价评价碱碱敏敏评价评价酸酸敏敏评价评价评价各类工作液对评价各类工作液对储层的损害程度储层的损害程度优化设计储层保护的技术方案和作业措施优化设计储层保护的技术方案和作业措施256258第九章第九章 钻井液固相控制钻井液固相控制 257储层损害储层损害：在钻井、完井井下作业及油气田开采全过程：在钻井、完井井下作业及油气田开采全过程中，造成储层渗透率下降的现象。中，造成储层渗透率下降的现象。储层保护技术储层保护技术：认识和诊断储层损害原因及损害过程的：认识和诊断储层损害原因及损害过程的各种手段，防止和解除储层损害的各种技术措施。各种手段，防止和解除储层损害的各种技术措施。储层保护的储层保护的核心核心是有针对性地控制各种外因，使储层的是有针对性地控制各种外因，使储层的内因不发生改变或改变小，从而达到保护储层的目的。内因不发生改变或改变小，从而达到保护储层的目的。 259固相的分类固相的分类按作用分：按作用分：有用固相有用固相粘土粘土重晶石重晶石无用固相无用固相钻屑钻屑按性质分：按性质分：活性固相活性固相惰性固相惰性固相按粒度分：按粒度分：粘土：粘土：d2d2 m m泥：泥： 2 2 mm d74 d74 d74 m m258260有害固相对钻井所带来的不利影响有害固相对钻井所带来的不利影响使钻速降低，钻头进尺减小使钻速降低，钻头进尺减小钻井设备磨损加剧钻井设备磨损加剧泥饼加厚泥饼加厚伤害油气层伤害油气层259261清除泥浆固相的方法清除泥浆固相的方法加水稀释加水稀释化学方法化学方法: :使用絮凝剂使钻屑呈团簇絮凝状，加使用絮凝剂使钻屑呈团簇絮凝状，加快固体下沉速度。快固体下沉速度。机械方法机械方法振动筛振动筛旋流除砂器旋流除砂器旋流除泥器旋流除泥器离心机离心机260262261263262264