节水钻探技术.doc

中国地质大学（武汉）2011届本科毕业论文摘 要论文讨论了缺水地区易塌易漏钻探施工的相关技术，其中包括钻井液相关的基础知识、节水钻探技术等相关内容。当今世界，人类对于水资源的需求逐步加大，工业用水与农业用水之间的矛盾逐步呈现，在这种情况下，节约用水就成为我们应尽的义务。能源紧缺现在已经成为一个国家发展的制约因素，所以加大能源的勘探也成为我国当前工作的重点，但是勘探最重要的一部分就是钻探工程，钻探工程是一项耗水工程，同时也是一项污水工程。在钻探施工过程中我们往往会在缺水地区钻遇易塌易漏这类复杂地层，这对于我们钻探施工来讲是一大难题。尤其是我国的矿产资源分布不均匀，很大一部分矿产资源分布在中西部缺水地区，这样导致钻探施工时采用传统钻探技术的话钻探效益很低，钻探成本加大。为了解决在缺水地区易塌易漏地层钻探施工遇到的难题，中国地质大学（武汉）工程学院依托“地质灾害防治节水钻探技术研究”和“新型节水钻探技术的应用示范”项目，经过五年的研究与实现，通过与俄罗斯专家合作，成功地开发了“节水钻探技术”。但是这项技术主要是采用地下水作为钻井液，这对于易漏地层确实能在很大程度上减少漏失量，从而大大节约水资源，但是对于易塌地层，清水的很多性质是不能满足这类地层钻进的，所以本人提出优质钻井液与节水钻探系统相结合来实现缺水地区易塌易漏地层的钻探施工。在这项技术中，本人提出使用井下传感器和地面压力表来实现对地下水位、潜水泵位置的预测。在钻井液基础知识中关于钻井液材料的计算本人专门用vb语言编写了一个计算程序，大大方便了在配置钻井液时的计算。本论文的重点是优质钻井液与节水钻探系统相结合，而非采用传统的节水钻探技术，即采用地下清水作为钻井液使其在孔内进行循环。关键词：缺水地区 易塌易漏地层 优质钻井液 节水钻探技术 传感器abstractpaper discusses this technologies about drilling in the dry areas with easy collapsed and leaked layer ,including the basic knowledge of fluid-related, the drilling technology of saving water and other related content .in the present world, the requirement for water is gradually increase for human, the conflict between industrial water and agricultural water presents gradually. in this case, saving water will become our duty .now the energy shortage has become the restricting factors for the development of a country, so increasing energy exploration has become the focus , but the most important part of exploration is drilling projects ,drilling engineering is a project of wasting water, also it is a sewage project. in drilling process we often drilled this kind of complex layer with easy collapsing and leaking in water-lack area , it is a difficult problem for our drilling with this kind of complex layer, especially in our country it is a cruel reality that we have a unequal distribution of mineral resources. a large part of the mineral resources distribute in the midwest water-lacked area. so it was caused very low efficiency with traditional drilling technology, the drilling cost will increase radically. in order to solve the problems what we encountered in the process of drilling, china university of geosciences (wuhan) engineering institute rely on the prevention of geological disasters water-saving drilling technology research and new-type water-saving drilling technology application demonstration project, after five years of research and implementation, through with russian experts cooperation, successfully developed water-saving drilling technology. however, this technology is mainly to adopt groundwater as drilling fluid, it can really largest reduce loss quantity for easy leaked layer, but for easy collapsed layer, many of the properties of water cant satisfy the need of drilling in this kind of layer. so i put forward that high-quality drilling-fluid combine water-saving drilling system to achieve drill in this kind of complex formation. in this technology, i put forward that use underground sensors and ground pressure gauge to forecast the underground water level and submersible position. about calculation of drilling fluid materials in the basic knowledge in drilling fluid i specifically wrote a calculation program by vb,it is very convenient about the calculation of drilling fluid. this paper is focused on combining the high-quality drilling-fluid and the drilling system of saving water, rather than the traditional water-saving drilling technology, namely using underground water as drilling cycle medium in the hole. keywords: water-lack area easy collapsed and leaked layer high-quality drilling-fluid water-saving drilling technology sensor本科生学位论文原创性声明我以诚信声明:本人呈交的学士学位论文是在马保松老师指导下开展研究工作所取得的研究成果。所引用他人之思路、方法、观点、认识均己在参考文献中明确标注，所引用他人之数据、图件、资料均已征得所有者同意，并且也有明确标注，对论文的完成提供过帮助的有关人员也己在文中说明并致以谢意。学位论文作者（签字）：签字日期: 年 月 日目录第一章概述1第一节 我国西部地区钻探的特点与现状1第二节 节水钻探技术的重要性分析2第三节 问题的提出3第二章 钻井液基础5第一节 钻井液功用、类型及组成5第二节 钻井液国内外的发展现状与展望6第三节 钻井液的性能测试方法及常用测试设备8第五节 钻井液的流变特性及失水造壁性分析13第六节 钻进液成本分析及对钻探效益的影响14第二章国内外几种常用的钻井液体系15第一节 清水钻井液15第二节 化学溶液15第三节 乳状液15第四节 易塌易漏地层几种特殊钻井液体系16第四章针对易塌易漏地层提出的几种特殊钻探技术分析及应用20第一节 泡沫钻探技术20第二节 孔内局部循环节水钻探技术24第五章 钻井液与节水钻探系统结合施工工艺31第六章 总结33致 谢34参考文献35第一章 概述我国人均淡水资源为世界平均水准的1/4，居第88位，是一个淡水资源非常缺乏的国家之一。当今社会，党中央、国务院高度重视水资源的科学开发与利用，以实现水资源的可持续发展。建设“节水型社会”，节约用水就成为我国工作的重点，工业用水在全国水资源的利用中占有很大的比重，钻探（井）工程就是用水大户之一，钻井过程中，为了冷却钻头、排除岩粉和维护孔壁稳定都需要消耗大量的地表水来配置钻井泥浆，而在干旱缺水地区为一台钻机配备几辆水罐车远距离送水的情况司空见惯，但是钻探（井）工程又是我国勘探地下资源，解决我国资源短缺不可缺少的技术手段之一。因此，在新形势下解决钻探工程缺水问题已经刻不容缓，研究干旱地区节水钻探技术，不仅可以节约大量的地表水资源，在很大程度上缓解我国水资源短缺的现状，同时可以降低钻探成本，是建设“资源节约型”“环境友好型”社会的具体体现，具有重要的经济价值跟广泛的应用前景。 国家实行西部大开发战略后，大规模的基础建设和各种资源的开发利用等工作都进行的如火如荼，钻探工程作为主要的技术支撑发挥了先锋作用，同时西部地区的钻探技术水平得到了长远的发展。但对于西部这样比较缺水的地区而言，采用传统的钻探工艺，施工缺水问题尤为突出，施工现场经常出现等水停工现象，有时候甚至需要从比较远的地方运输大量的水资源，这增加了钻探成本，大大降低了钻探效益，对钻探（井）施工队来讲也造成了损失。 我国西部地区地表多为无水、地下漏水的地区，钻井过程中需要消耗大量的地表水，因此打井就需要从当地的水源地大量抽水，在地层严重漏失的条件下，只能眼睁睁看着宝贵的水资源“一去不复还”，因此，针对西部这种比较特殊的地区钻探，尤其是钻遇煤系地层，往往必须采用比较特殊的钻探技术，如采用优质的钻井泥浆和配置特殊钻井泥浆体系等等技术应运而生，但仅仅采用优质泥浆还是不能从根本上解决我国西部地区缺水问题，因此，节水钻探技术在西部地区钻探中有了用武之地。缺水的类型通常分为资源型缺水、水质型缺水和工程型缺水三种。近年来，为了解决西部地区面临的工程性缺水问题，曾提出采用空气泡沫钻进技术，但该项技术需要配备空压机、泡沫泵、地表采样设备等，一次性资金投入大，与此同时，泡沫钻进中所采用的泡沫发泡剂、稳泡剂会对地下水资源及生态环境产生严重的污染，特别是对于我国长江黄河上游干旱地区的钻探，这讲对我国人民的健康产生极大的威胁，因此泡沫钻探技术并没有在西部地区大面积推广。第一节 我国西部地区钻探的特点与现状1.1.1西部地区钻探特点与现状近年来，随着国家地质大调查战略的实施，地质勘查行业迅速复苏，钻探工作量也与日俱增，尤其是西部大开发必须在干旱缺水地区及交通不便的山区投入大量的钻探工作量，这将对我国的钻探技术产生一定的影响，但同时也能催生出一批钻探新技术。传统的钻探工艺主要依靠地表水资源配置泥浆，随口径不同地表水用量大约为80150l/min，基于西部干旱地区地层易漏的特殊性，大约每小时浪费4.84.9t水。因此在这类干旱易漏地区钻探，往往需要配备专用的送水车，这样才能使钻井工作得以正常地进行，但是如果出现送水车不能及时到达的情况时，往往会造成停工等水，这将大大地降低了钻速，直接影响了钻探效益。例如，宁夏金场二人山矿区严重缺水，为了保证正常钻进，每台钻机配备两台运水车，聘用了4个司机24小时不断为钻机运水，往还90km，日供水量仅仅只够钻机工作6小时，其他时间基本处于停工状态，台月效益仅100m。据了解，在这些地区钻探一个200300m的小口径钻孔，仅运水的费用就高达15万元，致使钻井成本居高不下。黄河水利委员会设计院地质勘探总队在吉县进行黄河坝址勘察钻探时，经多级泵站架设45km的管道从远处运水到钻探现场，当气温下降时，经常出现输水管冻结现象，最终导致钻探现场停工。溶洞与地层比较破碎也是西部地区比较明显的特点，对于这样的地区钻探，往往造成井壁坍塌与钻井液大量漏失，因此，护臂堵漏成了工作中的重点，当然这将消耗大量的资金，同时漏失的钻井液也将对地下水造成严重的污染。另外，有些专用的工程孔和矿层开采孔是不允许进行护臂堵漏的，所以只能顶漏钻进。第二节 节水钻探技术的重要性分析2003年11月9日在中国地质大学（武汉）召开的水资源与城市环境国际学术会议上，专家们针对中国的水资源现状提出了一致的看法：“地下水越抽越深，水资源越来越远，远距离取水的城市越来越多，用水成本越来越高。”由于人口持续增长和经济的高速发展，工农业和人民生活用水持续增加，使目前存在的水资源供求矛盾更趋激化。图1-1 贵州盘县3月15日一名饥渴小孩正在喝水图1-2 贵州大旱我国不仅水资源短缺，而且污染问题越来越突出，全国所有大中城市周边，已经没有可以直接饮用的地表水，在广大农村地区，可以直接饮用的地表水也越来越少。目前，我国农业灌溉区每年缺水300亿m3，城市每年缺水60亿m3，我国600多个城市中有400多个城市缺水，其中严重缺水的地区达到110多个，缺水影响人口达到4000万。专家一致认为，治理我国的水污染问题，1/3考技术，2/3是社会学的问题。按照目前正常需要和不超采地下水，我国缺水总量大约为300400亿m3，从总体上来看，我国因缺水问题造成的经济损失超过洪涝灾害，许多地区由于缺水造成工农业争水、城乡争水、地区之间争水、超采地下水和挤占生态水，并且这些问题日益突出，逐步成为制约我国经济发展的重要因素。钻探工程是一项耗水工程，在进行钻探施工时需要大量的水来悬浮岩屑、冷却钻头、平衡地层压力等等。与此同时，钻探施工过程中如果遇到漏失地层，大量的水会通过裂缝、地下暗河等漏失，这将会导致水资源不能够在钻孔中循环，尤其对于漏失层比较多的钻孔，严重时可能导致水资源一去不复还。在这种情况下，研究节水钻探技术显得尤为重要，这将直接影响钻探效益。第三节 问题的提出随着科学技术的不断发展，钻探技术水平也得到了不断的提高，但在技术逐步提高的同时，我们同时面临着新的问题。在各种地质条件下，经常会遇到诸如砂、砾、卵石、破碎带、裂缝、溶洞等地层，采用专门的护臂堵漏材料来稳定井壁，防止钻井液漏失和地下水的涌入，是在这些地层中钻进必须采取的措施。钻井液是我们钻井工程的血液，在钻探、石油、工程施工等领域中，前人对于钻井液的问题已经做了多方面的研究，并取得了很多值得肯定的成果，针对不同的地层，也推出了各种各样不同的钻井液体系。虽然各种研究成果成出不穷，但是最终能在实际施工现场推广的还是比较少，最重要的原因就是室内试验与现场施工具有一定的差别。与此同时，各个施工单位都要从成本问题进行比较分析，所以很多新的研究成果虽然技术先进、能解决实际问题，但是由于成本过高，所以这些技术不能在现场得到很好的运用。在钻井过程中，我们可能会面临各种各样的复杂地层（如易塌易漏地层），针对这类地层，如果我们不能很好地选择钻井液的话，极易发生孔壁的分散、垮塌、流失、变形、缩径、超径等孔内事故，这将对我们的正常施工产生严重的影响，最终直接影响钻探效益。因此，经过查阅资料、室内试验与现场施工，特针对此类复杂地层提出了几种比较经济合理的配方。我国水资源比较短缺，随着经济的快速发展，工业用水量越来越大，很多地区水资源已经成为制约我国经济发展的瓶颈。对于传统钻探而言，钻探工程其实是一项耗水工程，特别是对于易塌易漏地区，施工过程中水资源往往一去不复还，特别对于中国西部山区，这类问题特别突出，为了解决这类问题，节水钻探技术应运而生。比较常用的节水钻探技术主要是无泵反循环钻进、空气钻探技术和气动冲击回转钻探技术，同时泡沫钻探技术近年来在地质勘探钻进及水文井钻探工作中得到了应用。特别是西部大开发战略实施后，泡沫钻探技术已经成为西部找水工作中不可或缺的重要组成部分。因此本文也讲在第四章对泡沫钻探技术进行探讨。随着国家地质大调查战略的实施，我国西部缺水地区的钻探工作量也在大量增加，对于西部缺水地区钻探，如果不对钻探技术进行改进，仅仅采用传统钻探技术的话，这将极大地制约着国家地质大调查实施的进程。对于当今世界面临的资源紧缺现状，这不符合我国经济建设发展的要求，所以必须对传统钻探技术进行改进，以便于在缺水条件下钻探工作能正常进行。因此，在中国地质调查局科技外事部领导的大力支持下，中国地质大学（武汉）工程学院依托“地质灾害防治节水钻探技术研究”和“新型节水钻探技术的应用示范”项目，经过五年的研究与实现，通过与俄罗斯专家合作，成功地开发了“节水钻探技术”。基于节水钻探技术的重要意义，本文第四章将详细对节水钻探技术进行探讨。在运用节水钻探技术时往往采用地下水进行局部循环，地下水的物理力学性质很难满足护臂堵漏的要求，尤其在钻遇漏失坍塌严重地区时，如煤系地层，很容易造成烧钻事故。针对这类问题，本文在第四章详细介绍了优质钻井液与节水钻探设备相结合的钻探技术，这不仅仅提高了钻进漏失坍塌地层的效益，同时也减少了钻探事故的发生。尤其是在井下安装传感器，这将使得地下钻探不再是“瞎子过河”。第二章 钻井液基础第一节 钻井液功用、类型及组成2.1.1钻井液的功用钻井液（drilling fluids）是指油气、固体矿产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通的总称。钻井液也称为钻井泥浆（drilling muds），或者简称为泥浆（muds）。钻井液工艺技术是油气钻井和固体钻探工程的重要组成部分，随着钻井难度的逐步增加，该项技术在确保钻进安全、优质、快速起着越来越重要的作用，钻井液的基本功用如下：（1）携带和悬浮岩屑（2）稳定井壁和平衡地层压力（3）冷却和润滑钻头、钻具（4）传递水动力但是，钻井实践表明，优质的钻井液仅仅只具有以上功能是远远不够的。为了防止和尽可能减少对油气层的损坏，现代的钻井液技术还要求钻井液必须与所钻遇的地层配伍，满足保护油气层的需要；为了满足地质上的要求，所使用的钻井液必须满足地质测试的要求，不影响对地层的评价；此外，钻井液还应对钻井人员以及环境不发生伤害和污染，对井下工具及地面设备不腐蚀或尽可能减少腐蚀。一般情况下，钻井液的成本仅占钻井成本的7%-10%之间，但是先进的钻井液体系能成倍地节约钻时，大幅度地降低钻井成本，最终带来可观的经济收益。2.1.2钻井液的类型随着钻井液工艺技术水平的不断发展与提高，钻井液的种类越来越多。目前，国内外对钻井液都有不同的分类，其中比较比较简单的分类方法主要有以下几种：按其密度大小可分为非加重钻井液和加重钻井液。按与粘土水花作用的强弱可分为非抑制性钻井液和抑制性钻井液按其固相含量的不同可分为低固相钻井液和无固相钻井液但是，一般所指的分类方法是按照钻井液流体介质和体系组成的特点来进行划分的。根据流型的不同，总体上分为水基钻井液、油基钻井液、气体型钻井流体、合成基钻井液等四种类型。液体气体气-液混合物水基钻井液油基钻井液合成基钻井液泡沫充气钻井液空气天然气图2-1 钻井液的分类由于水基钻井液在实际钻井应用中占据着主导地位，根据体系组成上的不同又可把水基钻井液细分为分散钻井液（dispersed drilling fluids）、钙处理钻井液（calcium-treated drilling fluids）、盐水钻井液（saltwater drilling fluids）、饱和盐水钻井液（saturated saltwater drilling fluids）、聚合物钻井液（polymer drilling fluids）、钾基聚合物钻井液（potassium-based polymer drilling fluids）、油基钻井液（oil-based drilling fluids）、合成基钻井液（synthetic drilling fluids）、气体型钻井流体（gas-typed drilling fluids）、保护储层的钻井液（drilling-in fluids）2.1.3钻井液的组成水基钻井液是由膨润土（bentonite）、水（或盐水）、各种处理剂、加重材料、以及钻屑所组成的多相分散体系。其中膨润土和钻屑的平均密度均在2.6g/cm3，通常称他们为低密度固相；而加重材料称为高密度固相。最常用的加重材料是api重金石，其密度为4.2 g/cm3。由于在水基钻井液中膨润土是最常用的配浆材料，在其中主要起着提粘切、降滤失和造壁等作用，因而又将它与重晶石等加重材料统称为有用固相，而钻屑称为无用固相、钻井过程中，应通过各种措施清除无用固相，膨润土的用量应该以够用为宜，不宜过大，过大会造成粘切过高，严重影响机械钻速，并对油气层产生不利影响。油基钻井液以水为分散相，油为连续相，并添加适量乳化剂、润湿剂、亲油的固相处理剂（有机土、氧化沥青等）、石灰和加重材料等所形成的乳状液体系。第二节 钻井液国内外的发展现状与展望2.2.1钻井液的发展阶段按照一个时间表进行排列，国内外钻井液技术大致经历了一下几个阶段：（1）1914-1916年，清水作为旋转钻井的洗井介质，即开始使用泥浆。（2）20世纪20-60年代，以分散型水基钻井液为主要类型的阶段。在这期间，经历了从细分散到粗分散体系的转变，同时也出现了早期使用的油基泥浆和气体型钻井流体。从60年代开始，石灰钻井液、石膏钻井液和氯化钙钻井液等粗分散水基钻井液体系开始广泛运用。（3）70年代以后，以聚合物不分散钻井液为主要类型的阶段。聚合物钻井液是国外水基钻井液发展最迅速的一类，它的出现标志着钻井液工艺技术水平进入了科学的发展阶段。聚合物钻井液大体分为一下几种类型： 部分水解聚丙烯酰胺体系。 氯化钾聚合物钻井液体系。 羟乙基纤维素体系。 醋酸钾水解聚丙烯酰胺体系。 磷酸钾盐非离子型聚合物体系。 聚丙烯与聚乙二醇共聚物（cop/ppg）。 阳离子聚合物体系。在打井的最初阶段，钻井是用清水作为洗井液的。钻屑里的粘土成分分散在清水中，清水逐渐变成为泥浆，这就是所谓的自然造浆。从20世纪20年代起，随着世界石油工业的迅速发展，钻井的数量、速度、深度均显著增加，这使得对钻井液性能的要求也不断提高。这促使人们设法寻找各种配制钻井液的原材料和处理剂，研究其性能与钻井工作的关系，并逐步研制出各种钻井液测试仪器和设备，是钻井液技术得到了不断的发展。总体来看，水基钻井液经历了从分散钻井液到抑制性钻井液（包括钙处理钻井液和盐水钻井液等），然后到不分散钻井液的发展阶段。分散钻井液主要用于浅井，但是它存在着不能有效抑制地层造浆、抗温和抗污染能力差及不能有效防塌等缺点。此外，这一阶段，油基钻井液体系也得到了进一步的发展，在抗高温深井发面研究出了以resinex为代表的抗高温降滤失剂，使深井钻井液技术取得了很大的进展。90年代以来，随着阳离子聚合物钻井液和正电胶钻井液体系的广泛运用，以及其他各种新型钻井液的出现，钻井液技术进入了一个更高的发展阶段。2.2.2钻井液技术展望随着钻井液技术的发展，国内外钻井技术逐步走向高难度，因此，对钻井液工艺也提出了更高的要求，通过翻阅相关前人的资料与现场的结合，预测在以下几个方面将取得较大的进展：（1）钻井液强化井壁技术。（2）复杂地质条件下深井、超深井、大位移井钻井液技术。（3）新型钻井液体系及处理剂的研制与应用。（4）废弃钻井液处理技术。（5）保护油气层技术。第三节 钻井液的性能测试方法及常用测试设备（一） 钻井液的比重是指钻井液的重量与同体积水的重量之比。测量钻井液比重的仪器目前用得最多的是比重秤，其结构如图2-1所示。测量时，钻井液装满于浆杯中，将杠杆放在支架上。移动游码，使杠杆成水平状态。读出游码左侧的刻度，即为钻井液的比重值。测量前，要用清水对仪器进行校正，如读数不在1.0处，可用增减装在杠杆右端小盒中的重颗粒来调节。（二） 钻井液的含沙量指钻井液中砂粒占的重量或体积百分数。含砂量的测定，采用筛析原理，如图2-2所示。过滤筒中装有200目的小筛网,筛余量即是大于74m的砂粒。玻璃量筒是用来计量钻井液体积及含砂量体积的。测定时,将定量钻井液(50ml)装入量杯中,用清水稀释后,再转移到过滤筒筛网上,继续用水冲洗,筛余的砂砾再转移入干净的量杯中,量出其体积,再换算出百分含量。图2-2泥浆比重秤1-杯盖；2-浆杯；3-水平泡；4-主刃口；5-主刀垫；6-支架；7-游码；8-杠杆；9-金属颗粒 图2-3 含砂量测定仪1- 过滤筒；2-漏斗；3-玻璃量杯 （三） 钻井液的固相含量通常用钻井液中全部固相的体积占钻井液总体积的百分数表示。固相含量的测定主要使用固相含量测定仪，可用蒸馏的方法快速测定钻井液中固相及油、水的含量。程序如下：（1）在蒸馏器内注入20ml钻井液，将插有加热棒的套筒连接到蒸馏器上。（2）将蒸馏器的引流管插入冷凝器的孔中，然后将量筒放在引流器嘴下方，以接收冷凝成液体的油和水。（3）接通电源，使蒸馏器开始工作，直到冷凝器引流嘴中不再有液体流出时为止。这段时间一般需要2030min。（4）待蒸馏器和加热棒完全冷却后，将其卸开。用铲刀刮去蒸馏器中和加热棒上被烘干的固体。用天平称取固体的质量，并分别读取量筒中的水、油的体积。对于含盐量较高的淡水钻井液，被蒸干的盐和固相会共存在蒸馏器中，此时需要扣除由于盐析出引起体积增加的部分，在这种情况下，钻井液固相含量的计算式如下： (2-1)式中：、和分别表示钻井液中固相、水和油的体积分数；考虑盐析出而引入的体积校正系数，显然它总是大于1的无因此常数。不同盐度下值可查表。图2-4 钻井液固相含量测定仪1-蒸馏器；2-加热棒；3-电线接头；4-冷凝器；5-量筒。（四） 钻井液流变性测量方法和仪器。（1）钻井液流变性（rheological properties of drilling fluids）是指在外力作用下，钻井液发生流动和变形的特性。 漏斗粘度计如图2-5所示，以一定体积的浆液通过漏斗流出的时间来衡量粘性，粘度单位为秒（s）。该法简便易行，但其粘度单位是相对比较单位（如我国普遍采用清水粘度为15s的漏斗）。常用于施工现场。 旋转粘度计如图2-6所示，当外筒旋转时，粘性流体将力矩传递给同轴内筒，并由扭力弹簧予以平衡，通过内筒偏转的角度来反映流体的粘性。现常采用的六速旋转粘度计，通过在6个不同转速下读出的偏转角度，经一系列公式计算，可以得到所测泥浆的牛顿粘度动切力s塑性粘度p稠度系数k流型指数n卡森动切力c卡森高剪粘度表观粘度a和凝胶强度等流变性指标。常用于实验室研究。 图2-5 漏斗粘度计 图2-6 旋转粘度计（2）钻井液失水量的测量采用气压式失水仪（图2-7）。测试条件：压差7.1105pa，过滤断面45.3cm2，温度2025。测量时连续测两个点（例如7.5min，30min），然后按vf=k*t1/2计算，衡量钻井液的失水特性。图2-7 气压式静失水仪1-量杯；2-放水阀；3-过滤板；4-泥浆杯；5-放空阀旋扭；6-放空阀；7-压力表；8-减压阀；9-co2气瓶；10-气源（3）钻井液的抑制性评价常用简单的浸泡试验法。将被测试的岩土样品粉末在立方体（例如50mm50mm50mm）或圆柱体（例如50mm50mm）模具中压制成试验样块，再将样块放入清水或其他试验液体中浸泡，观察样块状况随时间的变化情况，如膨胀、开裂、崩塌、分散等。（4）钻井液的胶体率测量是将100ml泥浆倒入有刻度的量筒中，静置24h，观察析出水分的情况。如上部析水5ml，则表明泥浆胶体率为95%。钻井液稳定性与胶体率在本质上相似，它是以静置24h后泥浆上下两层的比重差来衡量的。（五） 钻井液的ph值，表示钻井液的酸碱度。现场通常采用ph试纸进行测量。第四节 钻井液的设计、计算与配置2.4.1钻井液的设计方法较全面的钻井液设计的基本流程是：设计钻井液的重度、流变性、降失水性等主要技术指标确定钻井液的胶体率、允许含砂量、固相含量、ph值、润滑性、渗透率、泥皮质量等重要参数选择钻井液基本材料和处理剂进行钻井液处理剂配方设计钻井液材料用量计算确定钻井液的制备方法拟订钻井液管理措施。1、考虑悬排钻碴、护壁堵漏的要求确定钻井液的流变性。流变性的指标主要是粘度和切力。和的调整范围很宽，一般的范围在10cp100cp ，的范围在0 20pa，应视不同成孔情况具体确定。另外，在一些情况下，还要考虑钻进液的剪切稀释作用和触变性。2、钻井液的其他设计指标的参考范围为：失水量应不大于1ml/30min，胶体率要求不高，ph值视不同情况在611之间调整，润滑系数应控制在0.020.50。 2.4.2钻井液材料用量的计算（1）粉剂用量计算（以粘土粉为例）配制1m3体积的钻井液所需粘土重量q按下式计算： (2-2) 式中：粘土比重；成孔液比重；水的比重。（2）配浆用水量计算配制1m3体积的钻井液所需水量为： (2-3) 式中：粘土比重；q粘土重量。（3）钻井液处理剂的用量计算总的来看，处理剂在钻井液中的加量较少，按体积含量计一般只占钻井液总体积的0.1%1.0%。具体数值由达到设计粘度、失水量等指标的配方决定。值得注意的是要澄清处理剂的加量单位，粉剂一般是以单位体积钻井液中加入的重量来计，而液剂则是以单位体积成孔液中加入的体积量来计。在一些特殊情况下，还有以单位粘土粉重量中加入多少处理剂来计算。图2-8 钻井液材料用量计算程序2.4.3钻井液的配制施工现场制备钻井液的设备主要为水力搅拌机（如图2-8）。首先将粘土粉加入漏斗中，再利用水泵排出管的液流与粘土粉在混合器中混合，然后混合液在混合器中沿螺旋线上升至容器上部，最后输出钻井液。反复循环几次后，便可配得所需性能的成孔液。图2-9 泥浆水力搅拌器第五节 钻井液的流变特性及失水造壁性分析2.5.1钻井液的流变特性根据构成钻井液的材料及含量不同，钻井液的流变关系大体上分为以下四种理论流型：（1）牛顿流型：粘土含量较少的细分散钻井液接近牛顿流型，其剪切应力主要由相互联接力的粘土微粒及水分子之间的摩擦力组成。（2）宾汉流型：未加稀释剂和高聚物加量很少的情况下粘土颗粒之间存在结合力，具有一定程度的网状结构。（3）幂律流型：钻井液中含有线性高聚物或者是类油微粒的可变性物质含量较高，并且钻井液结构力很低。（4）卡森流体：既存在粘土颗粒的空间网架结构，又有线性高聚物或者类似得物质，也就是说既存在结构力，又有剪切稀释作用。2.5.2钻井液的失水造壁性在井中液体压力差的影响下，泥浆中的自由水在通过井壁孔隙或者是裂缝向地层中渗透，这种情况称为泥浆的失水，但是在失水的同时，泥浆中的固相颗粒附着在井壁上形成泥皮（泥饼），这就是所谓的造壁。图2-10 泥浆失水造壁性示意图图2-11 井壁失水速率变化规律第六节 钻进液成本分析及对钻探效益的影响2.6.1影响钻探成本的因素分析至今，被公认为影响钻探施工生产效益和生产成本的固有因素有钻孔偏斜、钻探深度、岩石硬度。但是，除此之外，还有一些因素制约着钻探工程效益的提高，如项目年度工作量安排的多少、地层岩石的破碎程度、项目工作区的地形地貌、施工队伍的装备水平、钻井液的配方选择等因素。本文仅从钻井液成本方面对钻探效益进行探讨。2.6.2钻井液成本对钻探效益的影响在钻探施工中，钻井液被人们称为钻探工程的“血液”，由此可知钻井液对于钻探工程的重要性。钻井液的配方主要是膨润土、水、处理剂、加重材料等，在钻探工作中，如果运用得当，施工成本中用于购买钻井液材料的成本仅占钻探成本的很小一部分，如果运用不当，不仅仅会增加钻井液的材料费，有时候会造成孔内复杂事故的发生，这在很大程度上会增加钻探施工的时间，最终导致钻探成本的提高。因此，在钻井液的选择与配置过程中，应从各方面综合考虑，从已选钻井液配方中选出最优方案，满足钻探工作的需要，坚持“实用”、“合理”的原则，尽可能花最低的成本、以最高的效益完成钻探施工。第二章 国内外几种常用的钻井液体系第一节 清水钻井液清水是钻井液体系中最古老的形式，但是对于现在的钻探工程，清水也常采用清水钻井，这主要是因为采用清水比配置其他钻井液更为方便、快捷、成本低，同时清水的来源比较广泛、直接。从材料的性能上来看，清水主要的有点就是粘度比较小（仅为1mpa.s），流动性能好，因此冲洗井底岩屑和冷却钻头的能力强。但是在大多数情况下，清水更多地是作为一种液相来配置满足各种需求的钻井液体系。当然，配置各种钻井液时，对清水的各种性能也会有一定的要求，其中清水主要性能指标是水的总矿化度和水的硬度。（1）水的总矿化度：指水中离子、分子、和各种化合物的总含量。（2）水的硬度：指水中钙、镁盐的含量。钻探配配制钻井液大部分都是就地取水，一般情况下为地表水，有时候也用井水、泉水等，这类水基本上都是软水。如果是遇到矿化度高的咸水，一般都需要对水进行软化处理，一般加纯碱（碳酸钠）来使水软化。第二节 化学溶液化学溶液钻井液是无粘土钻井液的主题类型，主要是由无机盐和不同种类的高聚物组合而成，种类较多。化学溶液具有一定的流变性与降滤失特性，通过不同的配方，能满足各种钻进过程中遇到的困难。按国内外钻井生产过程中使用的钻井液，化学溶液大致分为如下几种类型：（1）合成高聚物溶液hpam，hpan,pav等（2）纤维素溶液cmc,hec等（3）野生植物胶溶液蒟蒻，田菁等（4）生物聚合物溶液xc等（5）无机盐胶液硅酸钠胶液（6）表面活性剂溶液润滑冲洗液第三节 乳状液乳状液是一种或者是多种液体以液珠的形式分散在另一种和它不相溶的液体中所形成的分散体系。以液珠形式存在的那一相称为内相（分散相或者不连续相），另一相称为外相（分散介质或连续相）。以水为外相，油为内相的乳状液称为水包油型乳状液，用“o/w”表示。以油为外相，水为内相的乳状液称为油包水型乳状液，用“w/o”表示。为了使乳状液中的成分能够稳定存在，往往需要加入起乳化作用的物质，这类物质称为乳化剂，乳化剂分为水包油型乳化剂和油包水型乳化剂两种。乳状液的破乳就是液滴相互合并成大液珠最终聚沉内外两相完全分离。破乳的主要原因主要是岩屑对乳化剂的吸附作用和地下水中的高价阳离子与乳化剂作用生成不溶于水的盐。目前防止水包油乳状液破乳的主要措施有水质软化和采用复合型乳化剂。第四节 易塌易漏地层几种特殊钻井液体系3.4.1坍塌漏失的主要原因（1）坍塌力学角度分析一方面，造成井眼失稳的原因是钻井形成井眼后，打破了原有的地下力学系统平衡，造成井壁周围岩石的应力集中。当井筒内有效液柱压力小于井壁应力时，对于脆性岩层而言将会出现坍塌，塑性岩层会出现缩径；当井筒有效应力过高，又将压裂地层出现漏失现象，导致井下复杂和事故的发生。另一方面，由于钻井液的进入，将导致岩石力学性能发生改变，改变井壁岩石的力学性能状态致使井眼系统的不稳定。（2）漏涌影响因素分析井眼中的液体向地层中漏失或地层中向井眼涌水，从根本上分析主要是由于压力不平衡的表现。当井中的流体压力大于地层空隙中流体的压力时，则可能发生漏失，当井中的流体压力小于地层空隙中流体的压力时，则可能发生涌水。与此同时，地层的空隙性和流体的粘性对渗透的程度也起着重要的作用。压力粘度和压力平衡可以人为地进行控制，但是地层的空隙性则是客观的存在。一旦漏失发生，不仅仅延误钻井时间，损失钻井液，损害油气层，干扰地质录井工作，而且还会引起井塌、卡钻、井喷等一系列复杂情况和事故，甚至导致井眼报废，造成重大的经济损失，因此，钻井过程中应尽量避免井漏的发生。（3）遇水不稳定性分析在复杂的地层中，遇水不稳定性主要分为水溶性地层和水敏性地层两种类型。粘土层、泥岩、页岩这些水敏性地层的要害主要是在于这类地层含有大量的易水化分散的粘土。在对粘土矿物的分析比较中可知，蒙脱石即膨润土的水化分散比其他粘土矿物要高的多，因此水敏性地层问题的本质就是膨润土的水化分散问题。膨润土含量越高，地层的水敏性问题就越突出，这与造浆粘土中膨润土含量越高分散造浆能力越强的原理是一样的，仅仅是在希望的结果上恰恰相反而已。3.4.2煤系地层的失稳机理煤系地层垮塌机理与泥页岩垮塌机理存在很大的差异性，主要是由于煤岩沉积环境等的原因导致其抗拉强度很低、弹性模量很小、裂缝发育、脆性大等。煤岩一般微含或少含黏土矿物，水化敏感性差，水化能力低，主要是在地层应力或其它外力的作用下失去稳定性，从而发生垮塌。（1）煤系地层垮塌的特征非均质性和各向异性是煤系地层的主要构造特征，存在垂直割理，在各种自然力的作用下比较容易造成开裂，特别对于机械力的作用，于此同时由于上覆压力与下支撑力的双重影响，煤系地层处于一种近似平稳的状态。此时，如果有外力的作用，尤其是外来流体的侵入，煤系地层微裂缝中微含的泥页岩或未完全化成煤的成分就会吸水产生水化膨胀，或由于孔隙毛管压力的作用以及胶结物的溶解等，地层压力的原始平衡遭受了破坏，从而使煤系地层失去原有的稳定性。（2）煤系地层的力学稳定性煤岩具有较低的弹性模量，较小的抗压和抗拉强度，脆性大，同时胶结性差。在具有一定斜度的井中，由于煤系地层丧失了下倾支撑力的作用，因此仅受上覆压力与重力的作用，煤岩完全丧失了力学稳定性，变得十分脆弱，此时对煤岩只要施加一定的作用力就会发生垮塌。同时由于煤岩的上部或下部往往存在着劣质煤屑，这些劣质煤屑中炭质泥岩或泥质含量都是很高的，这些成分对水的敏感性强，吸水性强，存在水化分散、微膨胀或溶胀现象，从而改变原有的应力平衡系统，因此使煤岩失去原有的稳定性。（3）煤系地层防塌的主要技术措施 降低转速，控制起下钻速度，减少旋转钻具与起下钻压力激动对煤层得影响。 控制钻井液排量和流变性，减少对井壁的冲刷作用。 严格控制钻井液密度。 防止煤层段泥页岩的坍塌，减少泥页岩垮塌造成煤层失稳的影响。 加适当的堵漏剂，减少钻井液通过裂缝进入煤层。 加入适量的活性剂，降低毛细管作用对煤层强度的影响。3.4.3易塌易漏地层对钻井液的性能要求对于坍塌与漏失应坚持预防为主的原则，尽可能避免因人为失误而引起的坍塌漏失。钻井所遇到的地层的孔隙压力、漏失压力、破裂压力会有很大的区别。如果同一段地层存在多套压力层系，并且一组地层的孔隙压力高于另一组的漏失压力或破裂压力，这时为了平衡高压层得孔隙压力，必须使用高密度钻井液，但是在这种情况下会在低漏失压力或低破裂压力地层处发生井漏，这种情况下往往需要设计合理的井身结构。过高的钻井液动压力是造成井漏的主要原因之一，因此，在钻井与完井过程中往往采用降低钻井液的动压力，即：选用合理的钻井液密度与类型，实现近平衡钻进；降低钻井液的环空压耗；降低开泵、下钻和下套管过程中的激动压力等。地层的漏失压力主要取决于地层的特性，因此可以通过采用人工方法来封堵近井筒的漏失通道，已达到增大钻井液进入漏失层得阻力的目的，通常采用的方法有：（1）调整钻井液性能钻进孔隙渗透性漏失层时，进入漏失层前，可通过适当增加钻井液中的膨润土含量或加入增粘剂等措施来提高钻井液的动切力、静切力，以达到提高地层承压力的目的。（2）钻井液中加入堵漏材料随钻堵漏对于孔隙裂缝型漏失层，在进入该层段之前，可在钻井液循环过程中加入堵漏材料，在压差作用下，堵漏材料进入漏失通道，最终起到封堵漏失通道的目的，提高地层的承压能力，起到防漏