石油工程-钻井液.doc

第四章 钻 井 液在钻井工程中，人们常常以“泥浆是钻井的血液”来形象地说明钻井液在钻井中的重要地位。钻井液的作用可以概括为：清洗井底，携带岩屑；冷却和润滑钻头及钻柱；平衡地层压力；保护井壁；协助破岩；地质录井；将水力功率传递给钻头；保护油气层等。在钻井实践过程中钻井液技术不断发展，从最初采用清水开始，经历了清水、天然泥浆、细分散泥浆、粗分散泥浆、不分散低固相泥浆、无固相泥浆等几个阶段。在这一过程中，为了解决某些复杂问题，出现了油基泥浆以及空气、泡沫等新型钻井液，远远超出了粘土和水形成的“泥浆”范围，因此人们用“钻井液”来代替“泥浆”这一名称。本章从钻井液的基本组成粘土出发，介绍钻井液的基本性能及调整方法、现场常用钻井液的组成和特点。第一节 粘土基本知识一、几种主要粘土矿物的晶体构造及特点粘土主要是由粘土矿物(含水的铝硅酸盐)组成。粘土矿物的种类很多，不同粘土矿物有不同的晶体构造及特点，但其晶体都是由两种基本构造单位组成的。1粘土晶体构造中的基本单位1)硅氧四面体。每个四面体中都有一个硅原子与四个氧原子以相等的距离相连，硅在四面体的中心，四个氧原子(或氢氧)在四面体的顶点。2)铝氧八面体。铝原子处于八面体的中心，与上面和下面的各三个氧原子或氢氧形成一个正八面体。2高岭石的晶体结构高岭石晶体由一个硅氧四面体片和一个铝氧八面体片组成。四面体片的顶尖都朝着八面体片，二者由共用的氧原子和氢氧原子团联结在一起。由于它是一个硅氧四面体片和一个铝氧八面体片组成，所以称高岭石为1：1型粘土矿物。高岭石单元晶层，一面为OH层，另一面为O层，片与片之间易形成氢键，晶胞之间连结紧密，故高岭石的分散度低。高岭石晶格中几乎没有晶格取代现象，它的电荷是平衡的，因此高岭石电性微弱。这些特点决定了高岭石水化很差。油气层中高岭石颗粒大而附着力弱。常常因运移堵塞孔喉而降低渗透率。 3蒙脱石的晶体结构 蒙脱石是由上下两个硅氧四面体片中间夹一层铝氧八面体片组成，硅氧四面体的尖顶朝向铝氧八面体，铝氧八面体片和上下两层硅氧四面体片通过共用氧原子和氢氧联结形成紧密的晶层，因此称为2：1型。在铝氧八面体中，有部分Al3+被Mg2+或Fe2+取代，四面体中的Si4+也有少量被Al3+取代，这样就使蒙脱石的晶格显负电性，这种现象称为晶格取代现象。蒙脱石晶层上下皆为氧原子层，各晶层间以分子间力联结，联结力弱。蒙脱石是极易水化、分散、膨胀的粘土矿物。这些特点决定了蒙脱石是配浆的好材料，但地层中蒙脱石也会因水化膨胀而造成井塌和油层损害。4伊利石的晶格结构 伊利石的晶体构造和蒙脱石相似，也是2：1型晶体结构，即伊利石也由两层硅氧四面体片夹一层铝氧八面体片组成，但它们之间的区别是：伊利石的硅氧四面体中有较多的Si4+被Al3+取代，晶格出现的负电荷由吸附在伊利石晶层表面氧分子层中的K+所中和。K+的直径为0.266nm，而晶层表面的氧原子六角环空穴直径为0.28nm，因此K+正好嵌入氧原子六角环中。由于嵌入氧层的吸附K+的作用，将伊利石的相邻二晶层拉得很紧，联结力很强，水分不易进入层间，所以它不易膨胀。伊利石由于晶格取代显示的负电性已由K+中和，K+嵌入氧原子六角环中，接近于成为晶格的组成部分，不易解离，所以伊利石电性微弱。5海泡石族海泡石族包括海泡石、凹凸棒石、坡缕缟石(或称山软木)，它是铝和镁的含水硅酸盐，晶体构造为链状、棒状或纤维状。海泡石的晶体结构中有很大的空穴，有极大的内部表面，因此含有较多的吸附水，而且有很高的热稳定性(350以上)和抗盐类污染的能力。它在淡水和饱和盐水中的水化情况几乎一样，因此是配制深井钻井液和盐水钻井液的好材料。6绿泥石绿泥石的结构是由三层型晶层与一层水镁石交替组成的。水镁石层有些Mg2+被Al3+取代，因而带正荷。于是三层型晶层与水镁石层间以静电相吸联结，同时还有氢键存在，因此绿泥石遇水后不发生膨胀。油层中的绿泥石是一种这富含铁粘土矿物，对油气层的最大危害是对酸的敏感性。二、粘土的吸附及水化作用钻井液中粘土颗粒和分散介质的界面上，自动浓集介质中分子或离子的现象称为粘土的吸附。由于粘土颗粒表面通常带有负电荷，因而能吸附水分子和各种水化离子，使粘土著人颗粒表面形成一层具有一定厚度的水化膜，这种现象称为粘土的水化作用。粘土的吸附和水化作用是使钻井液分散体系稳定的重要因素。1粘土的吸附性能 (1)粘土颗粒表面电荷种类及原因电泳现象证明，粘土颗粒在水中通常带负电。粘土的电荷是使粘土具有一系列电化学性质的基本原因，同时对粘土的各种性质都发生影响。粘土的电荷可分为永久电荷、可变负电荷和正电荷三种。1)永久电荷。它是由于粘土在自然界形成时发生晶格取代所产生的。例如，SiO四面体中Si4+被Al3+所代替，或A1O八面体中的Al3+被Fe2+或Mg2+等取代，就产生了过剩的负电荷。这种负电荷的数量取决于晶格取代的多少，而不受pH值的影响，因此称为永久负电荷。2)可变负电荷。在粘土晶体的断键边缘上有很多裸露的A1OH键，其中OH中的H在碱性条件下解离，会使粘土负电荷过剩；另外粘土晶体的边面上吸附了OH-，SiO32-等无机离子或吸附了有机阴离子电解质也使粘土带负电。由于这种负电荷的数量随介质的pH值而改变，故称为可变负电荷。 3)正电荷。不少研究者指出，当pH值低于9时，粘土晶体边面上带正电荷。多数人认为其原因是由于裸露在边缘上的AlO八面体在碱性条件下从介质中接受质子引起的。粘土的负电荷与正电荷的代数和即为粘土的净电荷数，由于粘土的负电荷一般都多于正电荷，因此粘土一般都带负电荷。(2)粘土的吸附性能吸附现象在钻井液中是经常发生的，化学处理剂改善钻井液性能，侵入物损坏钻井液的性能都是通过吸附改变粘土表面的性质而起作用的。钻井液中粘土的吸附作用，可分为物理吸附、化学吸附和离子交换吸附三种。1)物理吸附。物理吸附是靠吸附剂和吸附质之间分子间引力产生的，物理吸附是可逆的，吸附速度与脱附速度在一定条件下呈动态平衡。非离子型的有机处理剂，往往是因在粘土表面发生物理吸附而起作用的。2)化学吸附。化学吸附是靠吸附剂与吸附质之间的化学键力而产生的。例如铁铬木质素磺酸盐在粘土晶体的边缘上可以发生螯合吸附。3)离子交换吸附。粘土颗粒因晶格取代等原因，一般是带负电的，为了保持整体的电中性，必然要吸附阳离子。而吸附的阳离子一般来说并不固定，可以与溶液中的阳离子进行交换，这种作用称为离子交换吸附。最常见的交换性阳离子是Na+，Ca2+，Mg2+等。钻井液中粘土吸附的离子与溶液中的离子发生离子交换吸附的现象是经常遇到的，配浆时加纯碱提高粘土的分散度和造浆率，就是利用离子交换吸附的特性。离子交换吸附的特点是：同号离子相互交换；等电量相互交换；离子交换吸附的反应是可逆的，吸附和脱附的速度受离子浓度的影响。离子交换吸附的规律是：浓度相同，价数越高，与粘土表面的吸力越强，交换到粘土表面上的能力越强；价数相同、浓度相近时，离子半径越小，水化半径越大，离子中心离粘土表面越远，吸附能力弱(K+与H+除外)；当浓度很高时，低价离子同样能交换高价离子。常见的阳离子交换能力强弱顺序是：H+Fe3+Al3+Ba2+Ca2+Mg2+NH4+K+Na+Li+上述顺序中，H+交换能力最强，这是因为H+的体积特别小，周围无法排列水分子，离粘土的距离较近。这是在钻井液性能参数中重视pH值的重要原因之一。粘土的阳离子交换容量是指在PH等于7的条件下，粘土所能交换下来的阳离子总量。它包括交换性氢和交换性盐基，其数值均以每100g(即1hg)粘土所交换下来的阳离子的物质的量表示。粘土的阳离子交换容量，直接关系到粘土颗粒带电荷的多少和吸附处理剂的能力。影响粘土阳离子交换容量的因素有粘土矿物的本性、粘土矿物的分散度及溶液的pH值。粘土矿物组成和晶体构造不同，阳离子交换容量有很大差别，引起粘土阳离子交换吸附的电荷中，以晶体取代所占的比例较大，由此可以推断，晶格取代愈多的粘土矿物，其交换容量也愈大。高岭石无晶格取代现象，其阳离子交换容量很低，约为315mmol/hg,蒙脱石有显著的晶格取代现象，而且取代位置常常在A1O八面体中，即在单位晶胞的中央，对所吸附的阳离子静电引力较弱，被吸附的阳离子参加交换反应比较容易，因此其阳离子交换容量较大，约为70130mmol/hg。伊利石也有较多的晶格取代，但其位置多发生在SiO四面体中，电荷接近表面，加上其晶格中的六角环有固定K+的作用，因而阳离子交换比较困难，只有部分K+参与交换，故其阳离子交换容量介于高岭石和蒙脱石之间，约为1040mmol/hg。当粘土矿物组成相同时，其阳离子交换容量随分散度的增加而增大，特别是高岭石粘土矿物，其阳离子交换容量受分散度的影响最大，这是因为高岭石的电荷主要是由于裸露的OH中H+解离产生的，裸露的OH愈多，电性愈大。在粘土矿物和分散度相同的条件下，pH值增高，阳离子交换容量增加，原因是：AlOOH键是两性的，在碱性条件下H+更容易解离，使粘土表面负电荷增加，另外溶液中OH增多，它靠氢键吸附于粘土表面，使粘土表面的负电荷增多，从而增加粘土的阳离子交换容量。 2粘土的水化作用(1)粘土水化膨胀机理粘土水化膨胀机理主要有两方面：1)表面水化。它是由粘土晶体表面上水分子的吸附作用引起的，引起表面水化的作用力是表面水化能，第一层水是水分子与粘土表面的六角形网络的氧形成氢键而保持在平面上。因此，水分子也通过氢键结合为六角环，下一层也以类似情况与第一层以氢键连接，以后的水层照此继续。2)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，进入层间，在双电层斥力作用下层间距增大。渗透膨胀引起的体积增加比晶格膨胀大得多。(2)影响粘土水化膨胀的因素影响粘土水化膨胀的因素有：1)粘土晶体的部位不同，水化膜的厚度不相同。粘土晶体所带的负电荷大部分都集中在层面上，吸附的阳离子多，因此水化膜厚。在粘土晶体的边面上带电荷较少，因此水化膜薄。2)粘土矿物不同，水化作用的强弱不同。蒙脱石的阳离子交换容量高，水化最好，分散度也最高；而高岭石阳离子交换容量低，水化差，分散度也低，颗粒粗；伊利石由于晶层间K+的特殊作用也是非膨胀性矿物。3)粘土吸附的交换性阳离子不同，其水化程度有很大差别。如钙蒙脱石水化后晶层间距最大仅为1.7nm，而钠蒙脱石水化后晶层间距可达1.74.0 nm。三、钻井液中粘土表面的双电层粘土颗粒在水中表面带负电荷，通过静电作用可把交换性阳离子(称为反离子)吸引在它的周围。这些反离子一方面受负电荷的吸引靠近粘土表面，另一方面由于反离子的热运动及反离子之间的斥力，会脱离粘土颗粒向溶液中扩散，其结果构成了扩散双电层。粘土颗粒周围的阳离子只有一部分同粘土颗粒一起运动，这部分同粘土吸引得比较牢固的阳离子层，称为吸附层。另一部分阳离子距离粘土颗粒稍远，不随粘土一起运动，这一部分称为扩散层。吸附层和扩散层的交界面称为滑动面。粘土颗粒运动中因丢掉扩散层中的反离子而显示出一定的电势，称为电动电势(电位)，其数值取决于吸附层内反离子总电荷。电解质对电动电势影响较大，溶液中阳离子浓度越高，进入吸附层的阳离子数量多，则使电位降低，当反离子全部进入吸附层时，粘土颗粒呈电中性，这种现象称为电解质压缩双电层。 四、钻井液的稳定性钻井液分散系中，粘土颗粒的分散或聚结，稳定或不稳定，是钻井液体系内部存在的一对主要矛盾。钻井液分散系若能长久保持其分散状态，各微粒处于均匀悬浮状态而不破坏，就称为具有稳定性。稳定性包括两个方面的含意：沉降稳定性和聚结稳定性。1钻井液的沉降稳定性沉降稳定性是指在重力作用下钻井液中的固体颗粒是否容易下沉的性质。若下沉速度很小，则称该体系具有沉降稳定性。钻井液中岩屑的沉降决定于其重力和阻力的关系。当重力占优势时，就表现为颗粒的下沉；当阻力等于重力时，则表现为颗粒的悬浮。由于钻井液中粘土颗粒的大小、形状不同，产生沉降阻力也不同，同时粘土颗粒之间还能形成一定强度的网状结构，因此其沉降稳定性也不一样。影响沉降稳定性的因素主要有：粘土颗粒的大小、颗粒与分散介质的密度差、分散介质的粘度和钻井液中粘土颗粒的多少。颗粒愈大、颗粒愈重、介质粘度越小则沉降稳定性越不好。2钻井液的聚结稳定性聚结稳定性是指钻井液中的固体颗粒是否易于自动降低分散度而粘结变大的性质。钻井液中的粘土颗粒分散度高，比表面大，因而具有较大的表面能。根据表面能自发减少的原理，颗粒会自发地聚结变大，以降低表面能和分散度。颗粒在运动中相互接近或碰撞时，颗粒之间存在排斥力和引力，当引力大于斥力时也会使颗粒聚结变大，相反颗粒趋于稳定。因此，粘土颗粒间的吸引力和静电排斥力是影响聚结稳定性的主要因素。粘土颗粒之间的斥力包括双电层斥力和水化膜的弹性阻力，引力则主要是范德华力。电解质有压缩双电层和降低电位的作用，因而对钻井液聚结稳定性有很大影响。使粘土开始明显聚结所加电解质的最低浓度称为聚结值。高分子化合物对钻井液聚结稳定性也有影响，加入少量的高分子物质，钻井液中粘土颗粒和高分子之间会发生相互作用，它们的绝大部分都会吸附在粘土颗粒的表面上。如果高分子物质较多，微粒会尽可能多地吸附高分子物质在它的表面上，结果每个微粒完全被高分子所包围，再没有剩余的空白表面。这样就失去了再吸附其它微粒上的高分子的可能，使微粒间的桥联作用无法实现，这样钻井液体系的稳定性反而增强了。这种现象称为胶体的保护作用。第二节 钻井液性能及调控按API推荐的试验程序，需检测的钻井液常规性能包括：密度，马氏漏斗粘度、塑性粘度、动切力、静切力、API滤失量、高温高压（HTHP）滤失量、pH值及碱度，含砂量，固相含量，膨润土含量和滤液中各种无机离子浓度等。钻井液的上述性能直接影响钻井的速度和质量。一、钻井液的密度1对密度的要求钻井液密度主要用来调节钻井液的静液柱压力以平衡地层孔隙压力，确保安全钻井。有时也用来平衡地层构造应力，以避免发生井塌。钻井液密度必须满足地质和工程的要求，如果密度过高，会引起钻井液过度增稠、易漏失、钻速下降、损害油气层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，有时还会造成井塌、井径缩小和携屑能力下降等。因此，必须准确、合理地确定不同井段钻井液密度的指标，并在钻进过程中随时进行检测和调整。2调整钻井液密度的方法加入各种加重材料如重晶石、石灰石等是提高钻井液密度最常用的方法。在加重之前，应调整好钻井液的各种性能，特别是要严格控制低密度固相的含量。所需密度值越高，加重前钻井液的固相含量应越低，粘度、切力亦越低。此外，加入可溶性无机盐也是提高密度较常用的方法，如NaCl可将钻井液密度提高到1200kg/m3左右。降低钻井液密度的方法有：用机械和化学絮凝的方法清除固相，降低钻井液的固相含量；加水稀释，但有时会增加处理剂的用量和费用；混油，但会使钻井液成本增加，且影响地质录井；钻低压油层时可选用充气钻井液等。二、钻井液的流变性钻井液流动和变形的特性称为流变性，其中流动性是主要的。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。1)携带岩屑，保证井底和井眼的清洁；2)悬浮岩屑和重晶石；3)合理确定水力参数，减少循环压力损失，充分发挥钻头水功率的作用，提高机械钻速。4)减轻钻井液造成的压力激动和对井壁的冲刷，防止井漏和井塌等事故的发生；5)有效地发挥固控设备的效能；6)防止气侵。因此，钻井液流变性与安全、快速钻井密切相关，对钻井液的流变参数进行有效地控制、优选和调整，已成为当今钻井液工艺技术的重要组成部分。1钻井液流变模式及流变参数流体的流变性可用流变曲线表示出来。钻井液一般为非牛顿液体。人们提出了许多方程来描述非牛顿液体的流变曲线，这些方程称为流变模式。描述钻井液流变性的模式主要有下述几种。(1)宾汉模式宾汉(Bingham)模式常被用来描述塑性流体的流变性，其形式为 （4-1）式中 切应力，Pa； 动切力(又叫屈服值)，Pa； 塑性粘度，； 剪切速率，s-1。钻井液为层流流动时，塑性粘度不随流速梯度而改变，只与钻井液本身性质有关，而动切力能反映钻井液流动时的内部结构状态。因此，塑性粘度和动切力是钻井液的两个重要流变参数，可用它来分析计算钻井液流动的压力损失、钻井液的剪切稀释作用和携屑能力等。(2)幂律模式幂律模式常用来描述假塑性流体的流变性，其形式为 （4-2）式中 K稠度系数， 流性指数。在幂律模式中，是反映钻井液非牛顿性质强弱的参数，介于01之间，值越小，钻井液非牛顿性质越强。稠度系数则与粘度有关，K值越大粘度越高。对K的控制相当于对塑性粘度的控制。和K也是钻井液的重要流变参数。在较高剪切速率条件下，幂函数和宾汉公式一样，也能代表钻井液实际流动的特性。而在较低剪切速率条件下(如大口径钻进中，环状空间上返速度不大)，幂函数方程比宾汉公式更接近于钻井液流动的特征。控制K，值对提高钻井液携带岩屑的能力、降低循环时的压力损失、降低钻头处的钻井液粘度、防止压力激动等均有重要的意义。(3)静切应力静切应力是指使静止的塑性流体开始运动时的最低切应力，现场简称切力，常用表示。(4)触变性钻井液在静置时常形成连续网状结构，静止时间越长，结构形成更完善，表现为钻井液变稠；搅拌时，网状结构受到破坏，表现为钻井液变稀，这种现象称为钻井液的触变性。破坏单位面积上网状结构所需的力即为静切应力。显然静止时间越长，静切应力越大。人们规定静置l min(API标准是10s)后测定的静切力为初切力，静止10min后测定的静切力为终切力，并用二者的差值来表示钻井液触变性的强弱。(5)表观粘度表观粘度是指某一剪切速率下剪切应力与剪切速率的比值。在不同的剪切速率下，表观粘度有不同的数值。表观粘度随剪切速率增大而降低，这种现象称为剪切稀释。为了可供对比，现规定一律用1022 s-1下测得的数值作为钻井液的表观粘度。现场常用漏斗粘度作为一定条件下钻井液的表观粘度的量度。2对钻井液流变性的一般要求及调整方法钻井液良好的流变性能是通过对流变参数的控制和调整来实现的。在一定条件下，各流变参数的数值必须维持在某一适宜范围，否则就会引起一些不良的后果。一般来讲，当钻井液粘度、切力过高时，不仅流动阻力增加，使钻速受到影响，而且还容易出现泥包钻头、压力激动大以及固控设备难以充分发挥其效能等问题。但粘度、切力过低，又容易因井眼净化不良和对井壁的冲刷加剧而导致卡钻、井塌等复杂情况的发生。对于非加重钻井液，的适宜范围为512，一般应保持在1.414.4Pa范围内。切力是使钻井液开始流动所需的最低切应力，其值过高时会造成开泵困难，甚至憋漏地层，其值过低又直接影响钻井液的悬浮能力。为了能够有效地携带岩屑，要求钻井液具有较高的动塑比（）。根据现场经验和平板型层流流核直径的有关计算，一般将保持在048Pa/左右是适宜的。在使用幂律模式时，值保持在0.40.7之间。K值尚未明确其适宜范围，但原则上应在保证有效携岩的前提下，尽量维持较低的K值，以提高钻速和降低开泵时所需的压力。调整宾汉和幂律模式流变参数的方法如下所述：1)降低。通过合理使用固控投备、加水稀释或化学絮凝等方法，尽量减少固相含量。2)提高。加入低造浆率粘土、重晶石以及混入原油均可提高。另外，增加聚合物浓度使钻井液的滤液粘度提高，也可起到提高的作用。3)降低。最有效的方法是加入适合于本体系的降粘剂(或称稀释剂)，以拆散钻井液中已形成的网架结构。如果是因Ca2+，Mg2+等污染引起的升高，则可用沉淀方法除去这些离子。此外，适当加水或稀浆稀释也可起到降低的作用。 4)提高。可加入预水化膨润土或增大聚合物的加量。对于钙处理或盐水钻井液，还可通过适当增加Ca2+，Na+浓度来达到提高的目的。5)降低值。增加钻井液中高相对分子质量聚合物和无机盐的含量，以及将预水化膨润土加入盐水钻井液体系等，均可使值降低。但是，通过增加膨润土含量和矿化度来降值，一般来讲不是好的方法，而应优先考虑选用适合于本体系的聚合物来降低值，改进流型。试验表明，XC生物聚合物和聚丙烯酸钙等都是非常有效的流型改进剂。6)降低或提高K值，与降低或提高，值的方法基本相同。三、钻井液的滤失量1钻井过程中钻井液的滤失和造壁作用地层被钻穿后，在钻井液液柱压力和地层压力之间的压差作用下，钻井液中的水分渗入到渗透性地层的孔隙和裂缝中去，同时钻井液中的固体颗粒被阻挡沉积在井壁上，形成一层泥饼，这种作用称为钻井液的失水和造壁作用。钻井液静止情况下的滤失作用称为静失水，循环时的滤失作用称为动失水。钻井液循环时，一方面存在着滤失和造壁作用，同时形成的泥饼又受到钻井液的冲蚀。当形成的速度与被冲刷的速度达到动态平衡时，失水速度保持不变。而在静失水情况下，泥饼厚度不断增加，失水速度不断降低。所以在相同时间内，静失水比动失水形成的泥饼厚，而动失水的速度和滤失水分的数量要比静失水多，因此，要想控制渗入地层的水的数量，必须重视动失水，而要想控制泥饼厚度，却必须注意静失水。在地层刚刚钻开，泥饼尚未形成以前，钻井液中大量水分在短时间内迅速渗入地层，这种滤失作用称为瞬时失水。瞬时失水高有利于提高机械钻速。2钻井液滤失与钻井的关系一般来讲，钻井要求钻井液具有低失水量和薄而致密的泥饼。在失水量和泥饼质量这两个因素中，泥饼质量是主要的。失水量高且泥饼厚而松散对钻井是很不利的，表现在：损害油气层，降低产量；井壁垮塌，井径不规则，起下钻遇阻；在高渗透性地层形成较厚泥饼，造成压差卡钻；因滤液侵入半径过大，致使测井解释不准。但是，在实际钻井作业过程中，钻井液的滤失量也并非越小越好。在一般地层，如果对控制滤失量要求过高，不仅会造成处理剂的大量消耗，也不利于提高钻速。因此应根据地层特点，适当地控制滤失量。3钻井液滤失性的调整方法钻井液的滤失量主要受压差、时间、温度、泥饼渗透性等因素的影响。从钻井液性能方面考虑，为了有效地控制滤失量，可采取下述措施：1)使用膨润土。膨润土颗粒细、呈片状、水化膜厚，故能形成致密的泥饼，而且可以在固相较少的情况下满足对钻井液滤失性质和流变性质的要求。使用得法，膨润土是可以在大多数情况下把钻井液的失水量控制到钻井和完井工艺所要求数值的。膨润土是配浆材料，同时也是失水量和建立良好造壁性的基本处理剂。2)加入适量纯碱、烧碱或有机分散剂(如煤碱液等)，提高粘土颗粒的电位、水化程度和分散度。3)加入适当聚合物以保护粘土颗粒，阻止它们聚结，从而有利于提高分散度。同时，聚合物沉积在泥饼上也起堵孔作用，使失水量降低。4)加入一些极细的胶体粒子(如腐植酸钙胶状沉淀)堵塞泥饼孔隙，以使泥饼的渗透性减小、抗剪切能力提高。四、含砂量钻井液含砂量是指钻井液中不能通过200目筛子(即直径大于74m)的砂子所占钻井液体积的百分数。钻井液中砂子的来源，一方面是造浆用粘土中带来的，另一方面是钻屑混入钻井液中的。钻井液含砂量高将使钻井液密度升高，降低钻速；使泥饼含砂量高，泥饼渗透性高造成失水量增加；使泥饼摩擦系数大，造成卡钻；使钻头钻具和设备磨损严重。因此，钻井工程要求钻井液的含砂量小于0.5%。第三章 常用钻井液简介一、钻井液体系的选择 钻井液设计是钻井工程设计的重要组成部分，也是钻井液现场施工的依据。钻井中出现的各种复杂情况都可能直接或间接与所用的钻井液有关，因此设计合理的钻井液体系是成功地进行钻井和降低钻井费用的关键。1选择钻井液体系的基本准则迄今为止，还不存在一种任何情况下均适用的钻井液。因此必须根据井的类别和地层等情况，在综合考虑各方面的因素之后，对一口井所使用的钻井液体系分段进行合理地选择。在选择体系应用于现场之前，应首先进行大量的室内试验，以充分验证其适用性和可行性，同时也应借鉴邻井经验。主要应考虑的各种因素有：井下安全；是否钻遇岩盐、石膏层；井下温度和压力；环境保护；井漏；泥页岩层稳定性；井眼轨迹；压差卡钻；储集层损害；测井要求；钻井液成本。2根据油气井的类型选择体系(1)区域探井和预探井钻区域探井和预探井的主要目的是及时发现油气层位。由于井下地质情况尚不完全清楚，必须选用不影响地质录井并有利于发现产层的钻井液体系，即要求钻井液的荧光度和密度要低，因此对这类井的钻井液一律不得混入原油和柴油。为维护这类井钻井液的低密度和低固相，应尽量使用不分散聚合物钻井液。(2)生产井生产井是用来开发油田的，以获取高产、稳产为目的。它是在已经掌握井下地质情况，并有其它参照井钻穿整个地层的成功经验的情况下进行施工的，因此对这类井钻井液的要求，主要是保护好油气层和提高钻速。固相含量及固相颗粒的分散程度是影响钻速的重要因素，因此，对于生产井，在上部地层多采用不分散聚合物钻井液，钻至油层时再换用相适应的完井液以保护产层。(3)调整井调整井的主要特点是地层压力高，其原因多是因油层长期注水导致地层的复杂性而造成的。因此，该类井的钻井液密度常需高达2000kg/m3以上，最高可达2700 kg/m3。这样高的密度给钻井液的配制和维护带来较大的困难，为了提高固相容量限，一般多选用分散钻井液体系，必要时亦可选择油基钻井液。(4)超深井超深井的特点主要是高温和高压。因此，对其钻井液的基本要求是：热稳定性好，即经高温作用一定时间之后，性能不发生明显变化；高温对性能的影响较轻，即高温下的性能与常温性能的差别不宜过大；高压差下泥饼的可压缩性好等。为适应以上需要，必须使用抗温能力强的处理剂和钻井液体系。除选用油基钻井液最为理想外，目前国内对付超深井最有效的水基钻井液是分散型的三磺钻井液体系。近年来又进一步发展成聚磺钻井液体系，该类钻井液兼有聚合物钻井液和三磺钻井液的一般优点，用于该类井中既可显著提高钻井速度和井壁稳定性，又能有效地减少卡钻事故的发生。(5)定向井和水平并定向井和水平井的主要特点是井眼倾斜，甚至与地面平行。在钻进过程中钻具与井壁的接触面积大、摩阻高，极易发生卡钻。与直井相比，不平衡水平应力和井壁围岩应力对井壁的稳定性更加不利，并且由于井斜段岩屑床的形成，该类井的携屑问题比较难以解决。针对这些情况，必须采取比直井要求更高的防塌、防卡和携屑等技术措施。近年来，我国钻定向井的数量大幅度增长，已研究成功多种适合各油田地质特点和不同井斜的防塌钻井液，如阳离子聚合物钻井液和钾石灰反絮凝钻井液等，较好地解决了因井斜而加剧的井塌问题。3根据地层特点选择体系(1)盐膏层如钻遇很薄的盐膏层或盐膏夹层，常常因可溶性盐的侵入而引起钻井液性能发生不符合施工要求的变化。有两种处理方法：一种是选用抗盐、抗钙的添加剂及时进行维护处理，使钻井液维持设计所要求的各项性能；另一种办法是在进入盐膏层前将钻井液转化为盐水体系。如果属厚的复杂盐膏层，此时极易发生缩径、卡、塌等一些严重问题。为了避免这些问题的发生，一项较有效的措施是选用油基钻井液；另一措施是选用饱和盐水钻井液，比如用加有磺化沥青、磺化酚醛树脂和聚合物的饱和盐水钻井液钻进大段盐膏层和层理裂隙发育的含石膏泥页岩地层时，可较好地解决因盐溶或泥页岩夹层水化膨胀而引起的井塌和卡钻。(2)易塌地层易坍塌页岩地层的井壁稳定问题是至今尚未完全解决的一大技术难题。由于页岩类型和引起坍塌的原因差别较大，不能设想用某一种钻井液体系就能解决所有井塌问题，况且很多情况下主要是由于地层原始应力等力学因素引起井壁失稳，因此仅依靠钻井液的抑制性来解决井壁稳定问题的想法也是不现实的。解决该问题的正确途径是，首先从分析不稳定地层矿物组分与结构特征入手，找出井壁失稳的原因；然后通过认真分析各种钻井液体系及其处理剂与稳定井壁的关系，确定防塌的对策和具体措施。近年来我国在防塌钻井液的研究方面取得了较大进展，不断加深了对井壁失稳机理的认识，初步解决了不稳定页岩层的钻井问题。对如何根据地层特点确定钻井液方案有如下认识： 1)对于强分散高渗透性的砂泥岩地层，应采用强包被的聚合物钻井液。2)对于硬脆性页岩及微裂缝发育的易塌层，应选用沥青类处理剂以封堵层理和裂隙，并起降低高温高压(HTHP)滤失量和泥饼渗透性的作用。3)对于存在混层粘土矿物的易塌层，必须选择抑制性强的钻井液，如钾基(或钾胺基)聚合物钻井液、钾石灰钻井液和阳离子聚合物钻井液等，并最好加入封堵剂。4)对于用水基钻井液难以对付的易坍塌层，可使用平衡活度的油基钻井液。5)井塌常发生在有异常压力存在或构造应力发育的地带，因此应根据裸眼井段最高的地层压力系数确定钻井液密度，防止负压钻井。(3)易漏失地层对于容易发生钻井液漏失的地层，应采取以防漏为主的措施。比如，当钻遇低压裂缝性易漏地层时，应根据地层压力系数的不同，分别选用密度小于1000 kg/m3的泡沫钻井流体、充气钻井液和水包油乳化钻井液，以及密度小于1100 kg/m3的水基钻井液，以避免因钻井液密度过大而引起漏失。如果预先知道在某一层位会发生较严重漏失，则应尽可能使用组成简单、成本低的钻井液，待钻穿漏失层后再及时采取堵漏措施。 (4)易卡钻地层压差卡钻多发生在易形成较厚泥饼的高渗透性地层，这类地层一般对钻井液有下述要求：1)减小压差是防卡的有效措施，因此要求钻井液要有合理的密度；2)固相含量应尽可能低，特别是无用低密度固相的体积分数不得超过0.06；3)应根据钻井液类型的不同，选择有效的润滑剂，对探井应选择对地质录井资料没有影响的无荧光润滑剂；4)应储备足够的解卡剂，一旦发生卡钻，可及时浸泡解卡。4根据储集层性质选择体系资料井，由于各种储集层的性质相差很大，损害机理也各不相同，因此打开油气层的钻井完井液的设计工作，必须按照目前已经建立的评价储集层损害的一套试验方法去进行，然后在此基础上优选出最有利于保护储集层的体系和配方。二、钙处理钻井液钙处理钻井液是一类以钙离子提供抑制性化学环境的钻井液。常用的钙有三种：石灰、石膏和氯化钙，相应称为石灰钻井液、石膏钻井液和氯化钙钻井液。近年来为了克服石灰钻井液的弱点，采用石灰和KOH联合处理，形成了钾石灰钻井液(放在钾基钻井液里介绍)。1原理加入钻井液中的Ca2+交换粘土表面的Na+，将钠土转变为钙土，钙土水化能力弱，分散度低，使粘土颗粒形成一定的絮凝状态。钠土转化为钙土的程度取决于吸附Ca2+的数量、粘土的阳离子交换容量及滤液中的Ca2+的浓度。另一方面，Ca2+本身是一种无机絮凝剂，会压缩双电层，使粘土颗粒水化膜减薄，电位下降，从而引起粘土面面连接和边面连接，使粘土分散度下降。钻井液中加入Ca2+的同时，加入铁铬木质素磺酸盐等分散剂，这类分散剂吸附在土粒上会使土粒的水化膜增厚，电位上升，阻止分散度下降。于是调节Ca2+和分散剂的加量，就可将土粒的分散度控制在适度絮凝的粗分散状态。 2石灰钻井液(1)主要处理剂主要处理剂包括丹宁、石灰、烧碱，有时也加入褐煤碱液以控制滤失量。此外，还经常使用铁铬木质素磺酸盐作为降粘剂，钠羧甲基纤维素、聚丙烯腈及淀粉作为降滤失剂。国内外将石灰钻井液按石灰含量高低分成高石灰、中石灰和低石灰钻井液。(2)维护影响石灰钻井液性能的关键因素是Ca2+浓度，可以计算出不同pH值的饱和石灰溶液中，游离的Ca2+浓度。 调节滤液pH值可以大幅度改变滤液中Ca2+的浓度，从而对钻井液性能产生显著的影响。实践中一般是加入NaOH来调节pH值。在饱和石灰水溶液中加入5706g/L就可以使钙含量由800 mg/L降到70mg/L。因此pH值是该类钻井液的关键指标之一。 在维护上必须掌握好几个关键指标。其一是滤液含钙量，应控制在75200mg/L范围内。其二是含碱量及游离石灰含量，此指标是保证滤液含钙量的关键因素。游离石灰含量为68g/L，若钻井液滤液的酸酞碱度低而游离石灰含量高，则钻井液粘切大、滤失量高；反之则出现钻井液不稳定现象。一般都把石灰钻井液滤液的酚酞碱度控制在112ml之间，以5ml为最佳。三是要特别注意高温固化问题，当井底温度超过135时，就不能再使用此种钻井液，若继续使用必须降低石灰和烧碱含量。 3石膏钻井液 (1)与石灰钻井液的区别石膏钻井液与石灰钻井液的区别主要有：1)石膏的溶解度比石灰大得多，因此石膏钻井液比石灰钻井液含Ca2+量高而碱度低，因而可以增加其对粘土的抑制效果；2)当钻遇大段石膏层时，适合使用这种钻井液，因为它可以限制石膏层的溶解；3)只要固相含量控制在所要求的范围内，它比石灰钻井液的抗盐能力强；4)因为其碱度低，这种钻井液对高温固化的敏感性比其它钙处理钻井液低。(2)钻井液类型石膏钻井液的主要类型有：1)混合剂石膏钻井液：混合剂由褐煤、烧碱、丹宁、纯碱及水组成，比例为5：4：1：5：25。2)FCLS石膏钻井液：钻井液用铁铬木质素磺酸盐作为稀释剂，钠酸甲基纤维素作为降失水剂。4褐煤CaCl2钻井液(1)原理这种钻井液在组成上有一个突出特点，就是褐煤加得多，约占整个钻井液体积的50以上，大量的腐植酸与溶液中的Ca2+发生不溶性腐植酸钙沉淀。这种沉淀物一方面使泥饼变得薄而致密、改善泥饼、降低失水，其作用与膨润土相似；另一方面，起Ca2+储备库的作用，使滤液中的Ca2+浓度一直维持在200 mg/L的水平。当滤液中Ca2+消耗后，腐植酸钙分解释放出Ca2+，随时补充Ca2+，从而保证钻井液的抑制能力和流变性能保持稳定。 (2)维护由CaCl2的溶解度很大，此类钻井液中的Ca2+浓度高达30004000mg/L，称为“高钙钻井液”，这是与前面两种钙处理钻井液的不同之处。因此，它具有更强的稳定井壁及抑制泥页岩坍塌及造浆的能力，但性能控制的难度较大，可采用钠羧甲基纤维素控制滤失量，以铁铬木质素磺酸盐或褐煤降低粘切，以石灰调节钻井液pH值。维护好此种钻井液的关键在CaCl2与煤碱剂的比值，一般维持在(11.1)：100为最佳。三、含盐钻井液1定义和分类凡含盐超过10104 mg/L (氯离子含量6000 mg/L)的钻井液统称为含盐钻井液。它包括三种类型：1)盐水钻井液。其含盐量自1%开始直到饱和以前都属于此类。2）海水钻井液。它是一种由海水酿成的含盐钻井液，不仅含有约3104 mg/L的盐（NaCl），且含有天下一定量的Ca2+及Mg2+。3) 饱和盐水钻井液。其含量已达饱和，即浓度为3.15105mg/L左右（视温度而变化）。2NaCl对钻井液性能的影响氯化钠对水化膨润土钻井液的影响规律是：随着氯化钠的增加，粘度开始急剧上升，而后下降，最后粘土加到不同浓度的盐水溶液中配成钻井液时，又有所增加；滤失量则是连续增加。若把干粘土加到不同浓度的盐水溶液中配成钻井液时，粘度即随含盐量的增加开始持续下降，而后基本上保持不变；滤失量则大幅度地持续上升，这是由于膨润土在盐水中不水化分散而造成的。由此可以说明含盐钻井液能有效地抑制泥页岩的水化分散作用，具有良好的防塌效果，是抑制性较强的一种钻井液。除此之外，NaCl在钻井液中还会引起下述变化：1)降低钻井液的pH值。当钠盐增多时，粘土颗粒上的H+被Na+置换下来，引起钻井液pH值的降低。2)降低化学处理剂的溶解度和效能。3)引起钻具等设备的腐蚀。4)引起钻井液产生泡沫。3处理剂的选择(1)护胶剂的选择试验表明，除了煤碱剂外，只要选用合适的碱比及足够的加量，采用钠羧甲基纤维素、聚丙烯腈、羟乙基皂角胶及铁铬盐，都可以成功配制滤失量符合实际使用要求的各种不同盐度、甚至饱和的盐水钻井液。(2)配浆土选择配浆土最好选用抗盐粘土(如海泡石、凹凸棒土)，这类土在盐水中可以很好地分散而获得较高的粘度和切力。若采用膨润土就必须先在淡水中预水化，加入所需的处理剂后再加盐，用抗盐粘土配制盐水钻井液则比较简单。4优点1)抗盐抗钙能力强，适用于钻含盐地层和深井；2)可有效地抑制泥页岩水化，防止井塌；3)有效地抑制地层造浆，钻井液性能稳定，流动性好；4）对油层损害小。四、钾基钻井液钾基钻井液是以各种钾盐为主处理剂的水基钻井液。国内外实践表明，钾基钻井液可使井壁稳定、井下安全，具有明显的防塌效果。1钾基钻井液类型与成分(1)KCl聚合物钻井液这是最早使用的一类钾基钻井液。用KCl提供K+以抑制泥页岩水化，用聚合物和预水化膨润土作增粘剂，以使钻井液具有一定的粘度和切力。许多高分子聚合物都可以与KCl配制钾基钻井液。常用的聚合物有XC多糖聚合物和聚丙烯酰胺及其衍生物，二者可分别使用，也可复配使用。在这类钻井液中，应加入一定数量的预水化膨润土，用淀粉或钠羧甲基纤维素控制失水量，控制pH值不使用NaOH，而使用KOH。此类钻井液虽然具有较强的页岩保护作用，但也有一定的缺点，它的抗温能力仅150(KCl生物聚合物钻井液抗温不超过120)，抗粘土侵的能力较差，钻井液的流变性能和滤失量不好控制，因此，不适于高密度和超深井时使用。(2)KCl分散型钻井液这是一种具有中等PH值的钻井液，与前类相似，只是多使用了降粘剂以提高容量限，既可加重到更高的密度，而又具有良好流变性能。一般使用木质素磺酸盐作为降粘剂以改善高固相含量下的流变特性及泥饼质量。这类钻井液由于增加了分散型降粘剂，降低了对页岩的包被作用及抑制水化的效能，故其防塌效果不如前者。另一个特点是可抗更高的温度及容许更高的Ca2+，Mg2+含量，更适合于钻含钙盐地层，如无水石膏及高浓度的盐水层等。(3)KOH褐煤钻井液此种钻井液的特点是通过使用KOH，不但可提供K+及调节pH值，而且使褐煤中不溶于水的腐植酸形成钾盐，便于溶解而起到应有的作用。其次，它的抗温能力更强，这是由于使用了耐温的腐植酸盐。它亦属于分散型钻井液，可容纳更高的固相含量，可达到更高的钻井液密度，且具有较好的流变特性。若需提高携带岩屑能力，可以使用聚合物以提高动切力和粘度以及更好地控制滤失量。由于KOH用量受钻井液pH值限制，只要C1-含量不超过要求，也可使用少量KCl以补充K+的不足。(4)KOH木质磺酸盐钻井液这是一种以KOH为K+来源的防塌钻井液，它是由木质素磺酸盐抑制钻井液发展而成的。由于引入了K+，其抑制能力很强。其特点是抗盐能力更强。若需要较低的滤失量或更好的携带岩屑能力，也可加入降滤失剂及流型调整剂。用好该体系的关键是在体系内保持足够量的K+，并保证在钻井过程中K+及时与页岩作用。(5)钾石灰钻井液钾石灰钻井液是在石灰钻井液基础上发展起来的一种更有效的防塌钻井液。由于石灰钻井液存在着许多缺点，如高温固化、pH值过高以及过多的Na+含量，特别使用了强降粘剂，对防塌十分不利。因此，国外通过研究与实践而形成了这种新的石灰防塌钻井液体系，其全名为钾改性淀粉处理的石灰钻井液(KIM)。这种钻井液的关键在于： 1)用石灰改性淀粉取代铁铬木质素磺酸盐，其功能有：对石灰钻井液具有降粘作用；与木质素磺酸盐相比，不易使粘土分散；增加来自石灰的钙溶解度；吸附在页岩上增加井眼稳定性，并可减少岩屑的分散；克服石灰钻井液的高温固化问题。2)用KOH取代NaOH，其优点在于：提高K+的含量，有利于防塌；可进一步降低钻井液中的Na+含量，消除其不利影响；褐煤也可起到类似聚合物促进页岩稳定的作用。3)保留Ca2+有利于防塌。2防塌机理(1) K+的作用 在易水化膨胀的蒙脱石粘土矿物中，每一个晶胞都是由两个硅氧四面体片夹一个铝氧八面体片组成。裸露在晶胞表面的是硅氧四面体的六角环形氧原子层，其内切圆直径为0.28nnl，K+的直径是0.266nm，而且K+比其它可交换性阳离子有更强的吸附能力，所以，K+极易把粘土表面的其它阳离子置换出来而吸附在粘土表面。 1) K+吸附能力强，但水化差，吸附在粘土表面后，嵌入粘土晶格，因而它比其它阳离子更靠近粘土负电荷中心，降低了粘土的负电位，而钾离子本身又是水化很差的离子，于是降低了粘土的水化能力； 2) K+嵌入粘土晶格，增强了晶层间的连接力，使粘土不易膨胀分解；3) K+嵌入粘土晶格，使粘土层面形成封闭结构，防止粘土表面水化。(2)聚合物的作用钾盐钻井液中的聚合物是絮凝剂而不是分散剂，聚合物吸附在粘土表面，包住粘土颗粒，从而起到封闭隔水作用，抑制粘土的水化。钾褐煤还可提供K+，使泥饼致密坚韧，降低钻井液滤失量，从而起到保护泥页岩，防止井塌的作用。 钾石灰钻井液主要用来对付非高度膨胀性页岩，其原理是：对于非膨胀性页岩，其水化程度较低的粘土片间距为1.5nm，比水化了的Ca2+小而比K+大得多，因此Ca2+不能进入土片之间，它优先吸附在粘土颗粒表面上，占去交换位置，减少K+的消耗，使K+能更多地进入粘土晶格内，而起到更好的防塌作用；其次Ca2+可与页岩中的二氧化硅和铝反应而形成不能膨胀的钙铝硅酸盐。五、聚合物钻井液聚合物钻井液是20世纪60年代以后发展起来的钻井液体系。广义上讲，凡是使用线型水溶性聚合物作处理剂的钻井液体系都可称为聚合物钻井液。按照聚合物品种可分为单一丙烯酰胺类聚合物钻井液、多种大金属盐复配聚合物钻井液、阳离子聚合物钻井液和两性复合离子聚合物钻井液。1不分散低固相聚合物钻井液不分散低固相钻井液包括两个基本要求，即“不分散”和“低固相”。“不分散”是指钻井液中包含的各种固相粒子的粒度分布，一直保持在所需的范围内，不再进一步分散；钻井液对新钻出的岩屑也应起抑制其分散的作用。“低固相”则意味着钻井液固相含量低，特别是活性固相的含量较低。“不分散”的目的是要尽量减少小于1m颗粒的含量，以便保持优良的钻井液性能，减少细小颗粒对钻速的不良影响。 “低固相”则要求“包被”所有的钻屑，阻止其分散变细，以便在地面清除，不致于因钻屑混入引起钻井液中低密度固相含量增加，使钻速降低。“不分散”是手段，“低固相”才是目的。(1)性能指标不分散低固相钻井液的性能要达到一定的标准才能达到钻速快和井眼净化等目的。1)固相含量(主要指低密度固体膨润土和钻屑，不包括重晶石)一般不超过5%(体积比)。这是不分散低固相的核心目标，是提高钻速的关键，因此，必须尽力做到。2)岩屑与膨润土含量之比(以亚甲蓝法测定数值为准)不超过2：1。实践证明，虽然钻井液中的固相是越少越好，但是完全不要膨润土，