地质钻探钻井液设计应考虑的因素与解决策略

1、 中国石油大学（华东）现代远程教育毕业设计（论文）题 目：地质钻探钻井液设计应考虑的因 素与解决策略年级专业层次： 12级中原石油工程(钻井)专升本 学生姓名： 邱明 学 号： 指导教师： 尹邦堂 职 称： 讲师 导师单位： 中国石油大学（华东）石油工程学院 中国石油大学培训学院论文完成时间： 2014 年 5 月 10 日中国石油大学（华东）现代远程教育毕业设计（论文）任务书 发给学员 邱明 1.毕业设计(论文)题目：地质钻探钻井液设计应考虑的因素与解决策略2.学生完成毕业设计(论文)期限： 2014 年 5 月 20 日 3.毕业设计(论文)课题要求：1.通过查找资料，分析资料确定选题范围

2、及论文题目。2.通过指导老师指导，结合调研和资料整理分析、撰写开题报告、外文翻译和文献综述。3.根据开题报告写作思路草拟论文提纲。4.根据论文提纲进一步查找资料，撰写论文初稿。 5.根据论文初稿，收集的资料，修改成稿。 4实验（上机、调研）部分要求内容： 上机完成文献查阅、文档书写等任务。 5文献查阅要求： 检阅有关钻井液体系系统设计的书籍，杂志和油田相关技术资料，检索中文期刊全文数据库主要相关文献数据库，调研论文相关内容。 6发出日期： 2014 年 2 月 4 日 7学员完成日期： 2014 年 5 月 10 日 指导教师签名： 尹邦堂 学 生 签 名： 邱明 注：1、任务书应附于完成的毕

3、业设计（论文）中，并与毕业设计（论文）一并提交答辩委员会；2、除任务书外，学生应从指导教师处领取整个毕业设计（论文）期间的工作进度日程安排表（包括各阶段的工作量及完成日期）；3、 任务书须由指导教师填写。审批意见： 系主任签名： 年 月 日摘要本文就钻井液对于钻井效率的重要影响方面进行了简述，其主要影响为钻井液密度、固相含量、年度、切力、失水量、钻井液体系以及钻井周期。之后基于这些影响进而提出了地质钻探钻井液设计应考虑的诸等因素和环节进行了阐述说明。因为这些因素与环节也是地质钻井勘探钻井液设计所要研究和解决的问题关键所在；其中包含了地层条件、钻井液类型、钻井液材料和处理剂、钻井液性能维护、固相

4、控制等方面；并对各个因素进行了分析、说明。为地质钻探钻井液设计和现场施工提供参考。关键词：钻井液；影响因素；地质钻探目 录第一章 前 言1第二章 钻井液对钻井效率的影响22.1钻井液性能对钻井效率的影响22.1.1钻井液密度22.1.2固相含量32.1.3粘度32.1.4切力32.1.5失水量42.2钻井液体系对钻井效率的影响52.3钻井液对钻井周期的影响6第三章 地质钻探钻井液体系设计因素及其分析73.1深部钻探钻井液设计的难题73.2钻井液设计需要考虑的因素73.2.1地层地质条件73.2.2施工情况及条件83.2.3工程要求93.2.4不同孔段泥浆转换93.2.5循环系统设备状况93.2

5、.6地质及环保等其它要求103.3选择钻井液类型113.3.1清水及自然造浆113.3.2细分散泥浆113.3.3不分散低 固相聚合物钻井液113.3.4粗分散钻井液123.3.5无固相钻井液123.3.6气体钻进(含气循环介质)133.4确定钻井液性能参数133.4.1 合理确定钻井液密度133.4.2.1设计原则143.4.2.2流变模式选择143.4.2.3常用流变性能参数153.4.3滤失量确定153.4.4泥饼质量153.4.5 pH 值153.4.6固相含量153.4.7相对膨胀率(或相对膨胀降低率)163.4.8岩屑回收率163.5优选泥浆材料及泥浆处理剂163.6体系配方试验1

6、73.7估算泥浆材料及泥浆处理剂用量183.7.1泥浆材料清单183.7.2泥浆材料及泥浆处理剂用量估算183.8选择固控设备，制定使用要求183.9 制定泥浆配制方法及泥浆日常维护措施19第四章 结 论204.1 结论204.2 展望20参考文献：21致 谢22第一章 前 言随着石油勘探开发步伐的不断深入，主要油气增长区不断向深部地层扩展，面临的石油地质条件更为复杂，深井、超深井钻井技术作为石油工程必不可少的关键技术。然而，由于井下复杂与事故频繁，建井周期长，工程费用高，从而阻碍了勘探开发的步伐，增加了勘探开发的直接成本。为尽快适应我国深部油气资源勘探开发的迫切需要，节约成本，复杂深井提速的

7、综合配套技术的研发和应用，成为目前深井超深井钻井过程的迫切要求。其中，钻井液技术就是关键配套技术之一，钻井液在提高钻速方面有着独特的地位和作用，钻井液的类型、组成和性能是直接影响钻井速度和成本的重要因素。钻井液由钻井液基础材料及化学处理剂两部分组成。钻井液基础材料是指在配浆中用量较大的基本组分, 如膨润土、水、油和重晶石等 。处理剂是指用于改善和稳定钻井液性能, 或为满足钻井液某些性能要求需要加入的化学添加剂。钻井液设计需要依据地层情况、钻井液类型及材料特性进行选择。国内在钻井液整体水平上与国外的差距仍然很明显,特别是国内外在钻井液技术与管理方面存在的认识上的区别,主要表现在目的、设计理念、处

8、理剂、实施过程、对泥浆工程师的要求、创新目标、环境保护等方面,这是制约国内钻井液整体水平和技术进步的主要问题。国外一些公司相继研制并推广了聚合醇钻井液、正电胶钻井液、甲酸盐钻井液、稀硅酸盐钻井液和微泡钻井液等具有国际先进水平的水基防塌钻井液新体系,以及环保性能优良的第二代合成基钻井液和逆乳化钻井液新体系。国内在生产中结合实际情况,借鉴国外新技术,逐步形成了两性离子聚合物钻井液、正电胶钻井液、硅酸盐钻井液、甲基葡萄糖苷钻井液、聚合醇钻井液等一系列新技术,并在逐步形成高难度的超高温和超高密度钻井液体系。通过分析得出了一些认识到钻井液技术的发展依赖于新型钻井液处理剂的研制;对钻井液的维护不仅要注重过

9、程控制,还要重视早期维护处理;提高钻井液的抑制性,确保钻井液的清洁有利于保护油气层;要通过预防+巩固的井壁稳定思路,进一步提高井壁稳定效果;钻井液无害化处理要从钻井液处理剂研制、生产以及钻井液设计、维护处理等全过程考虑。第二章 钻井液对钻井效率的影响2.1钻井液性能对钻井效率的影响提高钻井效率关键在于提高钻井速度，缩短钻井周期。钻井液对钻井效率的影响主要在于钻井液性能，性能好坏直接决定了能否提高钻速和纯钻时间，避免井下复杂情况，进而缩短钻井周期。大量的实验研究结果表明，不同程度地影响钻速的钻井液性能是：钻井液密度、固相含量、粘度及失水量等。2.1.1钻井液密度钻井过程中，钻井液密度的作用是通过

10、钻井液柱对井底和井壁产生压力，以平衡地层中油、气压力和岩石侧压力、防止井喷、保护井壁，同时防止高压油气水侵入钻井液，以免破坏钻井液的性能引起井下复杂情况。钻井液密度应满足钻进和起下钻时的要求。实际工作中，应根据具体情况，选择恰当的钻井液密度，钻井液对钻速有很大的影响，密度大液柱压力也大，钻速变慢，过高的不必要的钻井液密度往往造成钻井液液柱压力和地层孔隙压力间的高压差，增加岩石强度，并会压持钻屑，使岩屑的清除受到阻碍，造成重复破碎，降低钻头破碎岩石的效率，使钻速下降。实验结果证明，增加钻井液和地层流体间的压力差可使钻速下降达。原因是压差愈大对井底岩屑的压持作用也愈大，从而使岩屑难于离开井底。除非

11、压差对岩屑的压持作用消失，否则岩屑便不能离开井底岩层表面。快速清除钻头下面的岩屑能使得每个连续不断的牙齿冲击变得更加有效并提高钻速。且高密度条件下深井段循环摩阻大，水功率利用率低，泵压基本上都消耗在循环压耗上，很难达到优化钻头水马力的要求，难以充分发挥喷射钻井的作用。通常在保证井下情况正常的前提下，为了提高钻速，应尽量使用低密度钻井液。2.1.2固相含量钻井液中的固相含量增加是引起钻速下降的一个重要原因。实践证明，采用清水钻进时，钻速是最高的，随着固相颗粒含量增加而钻速降低。实验证明：固相粒度越细，对钻速影响越大，钻速降低得越严重，尺寸小于1的亚微米颗粒对钻速的影响比较大颗粒的影响大10余倍。

12、原因在于小颗粒堵塞了在钻头牙齿冲击时形成的微小裂缝，进而延缓了岩屑厚度范围的压力平衡及岩屑的运移清除。另外，固相含量与钻井液密度和粘度有关，固相含量增加提高了钻井液密度和粘度，压持效应增加，流变性变差，影响钻井液体系的水力作用，降低钻头使用寿命，使钻井液流动阻力增大，泵压升高，不利于喷射钻进，井底清洗效果变差，并使钻井液性能波动处理频繁，耗费大量的钻井液处理剂。小于1的对钻速的影响为大于1的较粗颗粒的13倍。因此、要有效地提高钻进速度，安全钻井，必须严格控制固相含量，使用不分散低固相钻井液。2.1.3粘度钻井液粘度影响其携带岩屑能力，一般来说，钻井液粘度大，携带岩屑能力强，但是钻井过程中，钻井

13、液粘度的高低要根据具体情况适当确定，增加粘度对提高钻速是不利的。粘度对钻速的影响不是直接的。由影响井底清洁，钻屑清除和水力作用，而反过来影响钻速。粘度增大导致钻井液循环系统中压力损耗较高，从而降低了钻头水马力，减弱了井底净化。高粘度钻井液还会提供一种减弱和减小钻头牙齿冲击力，导致钻速变慢的有效的粘性的缓冲垫。钻井液的理想粘度应随剪切速率增加而降低，从提高钻速的角度出发，钻井液粘度要随流速梯度上升而下降，即保持良好的剪切降粘特性。当钻井液从钻头水眼喷出时有较低的粘度，水力能量的转化率越高，利于钻头破碎岩屑，清洗井底，而在环形空间上返时又具有较高粘度，利于携带岩屑，净化井眼。2.1.4切力钻井液切

14、力大小体现出钻井液悬浮固体颗粒的能力，切力过低不利于岩屑悬浮携带，而切力过高，流动阻力大，循环压耗增加，沉砂困难，影响净化，密度上升快，含砂量增大，滤饼质量差，钻具转动阻力大，动力消耗大，进而间接影响钻速的提高。因此，钻井液应具有适当的切力和良好的触变性。2.1.5失水量钻进过程中，有失水才能形成滤饼，形成的滤饼又能巩固井壁和阻止进一步失水，一般来讲，钻井要求钻井液要低失水量和簿而韧致密的泥饼。钻井液的初失水及其胶体颗粒含量，可影响对岩屑的压持效应。由于钻头对地层作用形成的微裂缝或裂隙在短时间内存在着真空状态，上覆岩层压力和钻井液液柱压力趋于使这些裂缝几乎瞬时愈合。初失水是指在滤饼形成前的瞬时

15、失水。如果钻井液具有高的初失水，滤液会立刻充填这些裂缝，则岩屑周围的压力便会立即平衡，保持裂缝张开，岩石抗压强度降低，利于清除松散的钻屑。即初失水大的低固相钻井液能提高钻速。如果钻井液的胶体颗粒含量较高（通常即初失水很小），便会在钻头牙齿压裂的微裂缝内形成滤饼，从而阻碍岩屑周围的压力平衡。其结果是使岩屑继续留在井底，影响下一次牙齿运动切入岩层。失水并不是越小越好，要求过小的失水量反而使钻井液成本增加，钻速下降，要求泥饼簿，并不一定失水控制得很小。因此，钻井过程中，应根据地层岩石的特点，井深、井身结构、钻井液等类型来确定一个比较现实的失水量，既能保持较高钻速又不引起井眼危险。坚持在井壁允许的情况

16、下，适当放宽失水量的要求，以最大限度地提高钻井速度的原则。如井浅时可放宽，祼眼时间长从严，胶结致密的砂岩、石灰岩和白云岩等地层，失水量不作要求，对易吸水膨胀、垮塌的页岩和易垮塌的其它地层，失水量应严格控制，使用盐水钻井液应放宽，使用淡水钻井液应从严等。由于几乎不可能改变钻井液的一个性能而不影响其他性能，且最好的钻井液应该能在清洗井筒所必须的流量下产生适当的水功率，用以与钻压和转速相配合而清洗钻头，并使作业费用最低，这些变量的组合还应能使井壁稳定，满足地层评价的要求而安全顺利钻达目的层。因此，要结合具体条件，对这些性能进行综合评价分析，从邻近井的资料中分析影响施工效率的各项因素，了解钻遇的复杂情

17、况和处理方法，以取得成功的经验，确定改进钻井液性能的方案，优化钻井液设计，减少井下事故，确保钻井安全，提高机械钻速，进而大幅度提高钻井效率。2.2钻井液体系对钻井效率的影响优化钻井液体系是提高钻井效率最直接的技术手段之一。针对不同区域和不同地层采取不同的钻井液技术是钻井液成败的关键，可有效保障钻井施工的安全、质量和速度。遵循钻井液优选技术准则，即钻井液体系必须适应科学钻井的要求，在适应地层特点要求的前提下，尽量选流变性好，水眼粘度低、失水量小、费用低，确保安全钻井，利于提高钻速。分散性钻井液体系是容许更高的固相含量而设计的，通过化学分散作用把颗粒分散得更细，从而维持一定的粘度，由于固相含量高，

18、高度分散，特别是粒径小于的亚微米颗粒所占的比例相当高，粘土颗粒比表面积很大，易受离子污染，性能变化大等，造成钻速较慢。聚合物钻井液体系是在深入研究钻井液组成与性能对钻速的影响之后发展起来的，是喷射钻井和优化钻井技术的重要组成部份。聚合物钻井液的关键就是利用高分子聚合物对钻屑的抑制作用，尽量减少细颗粒的数量，即保证钻屑不分散实现低固相，再结合特殊的流变特性，实现快速钻进。对于固体含量一定的钻井液，用聚合物处理时，尽管粘度增加，但却能提高钻速。原因在于聚合物能增强膨润土的效果，使颗粒增大。聚合物通常有双重作用，它能使阳离子交换能力弱的页岩相互结合，并有效地中和其电性而呈絮凝状态；对于阳离子交换能力

19、强的膨润土，聚合物不能中和其所有的电荷，仍然保留的一部分负电荷便使粘土颗粒仍处在悬浮状态。聚合物絮凝并覆盖在钻屑表面便于机械法清除，因而钻屑不会积聚。可以使用化学和机械方法减少钻井液中的固相含量，提高钻速。采用化学和机械方法清除钻井液中的有害颗粒，可得到易于用惰性物质加重后便提高钻速的较好钻井液。另外，不分散聚合物钻井液有很高的热稳定性，很好的剪切稀释及初失水性，并可加重到2.0以上。低固相不分散钻井液体系对剪切速率的敏感性比分散性钻井液体系更大，在钻头处能剪切稀释，粘度比分散性钻井液低，可净化井底改善钻头的工作状况，提高钻头水马力，减少钻头泥包和粘度对钻速的影响，且在环空内能形成结构强度以悬

20、浮带出岩屑的钻井液体系。液基钻井液体系易对井底岩石产生压持效应影响，机械钻速受到严重的制约，采用液基欠平衡钻井技术，可避免压持效应对钻速的不利影响，也能提高钻井速度。气体钻井时，井底一个面为自由面，井底地层就变得非常易于破碎。实践证明，气体介质钻井可使钻速平均提高倍以上，钻头寿命延长倍，且能够避免漏失及其引起的喷、卡等复杂情况，从而大大提高钻井速度。在地层条件适合的情况下，采用介于气基与液基钻井之间的泡沫钻井、雾化钻井、充气液钻井等，实施欠平衡钻井，较常规过平衡方式下的液基钻井方式速度都有提高。新近，研制应用了一种提速剂来提高钻速，其主要通过快速吸附作用和润湿反转原理，以增强钻井液的防粘附聚结

21、能力、钻井液滤液渗透能力、润滑能力以及降低钻井液体系亚微米颗粒含量来提高钻速。2.3钻井液对钻井周期的影响钻井液的另一项重要作用是在提高钻速的同时，保证安全顺利地钻达目的层，并尽可能地缩短钻井周期。钻井液性能若不能适应钻遇地层要求，常常会导致井下复杂问题的出现，如井壁坍塌和膨胀、卡钻、井漏、井涌等，井眼质量不好。如果不能有效地防止或正确处理这些问题对钻井成败以及快速而最经济的成井具有决定性的影响。井下复杂情况的产生及不能有效及时地解决，会影响钻井、测井等作业的进行，降低时间有效利用率，进而增加钻井周期，降低钻井效率，甚至导致整井报废。第三章 地质钻探钻井液体系设计因素及其分析3.1深部钻探钻井

22、液设计的难题钻井液设计对于复杂地质条件的深孔钻探尤为重要。与一般钻孔相比，复杂地质条件深孔钻井液受剑的约束条件更多，解决问题的难度更大。归纳起来主要有以下几个方面：(1)深部地层地质条件清，缺少经验可以参考；(2)受成本和钻孔结构限制，在同一裸眼孔段，钻井液可能同时担负起防涌 、防漏 、防塌的任务，要确定合理的钻井液密度十分困难；(3)钻井液流变性 、造性 、抑制性 、封堵性 、润滑性等综合性能的协调统一，是一般钻井液至今未解决好的技术难题，对于复杂地质条件下的深孔，这问题将更加突出、严峻；(4 )深孔起下钻作业时问长，各种与钻井液有关的孔内事故更容易诱发和恶化，对钻井液性能有更高的要求。因此

23、，深孔施之前，进行周密的钻井液设计，对可能遇到的问题有充分的准备，对于保证施 的顺利进行，提高钻进效率，降低钻探成本具有重要的意义。3.2钻井液设计需要考虑的因素3.2.1地层地质条件需要了解的地质条件包括：地质年代、地层应力情况、岩石岩性及胶结程度、地层完整程度、孔隙度及温度梯度、地层深度等。地层特性是选择钻井液类型、确定泥浆性能参数的重要依据 。(1)压力地层:地层压力大，会出现缩径、坍塌，需采用加承泥浆；地层孔隙压力小，易造成漏失，采用充气泥浆、泡沫泥浆或混油泥浆有利于防止漏失 。(2)以蒙脱 石含量较高的强水敏性地层，易产生膨胀缩径、分散造浆。要求泥浆具有较低滤失量和良好的抑制性能，需

24、采用抑制性较强的泥浆，如优质聚合物泥浆、钾基泥浆等。(3）软页岩、有裂隙的硬页岩，由于孔壁表面剥落、崩解易产生扩径、掉快及孔壁坍塌。要求泥浆滤失罱低，且具有较好地封堵功能；掉块较严重时，应适当提高泥浆密度。(4)盐膏地层：如盐岩、钾盐、光卤石、芒硝、天然碱、石膏等，钻孔超径 ，易产生泥浆污染，扩径及孔壁坍塌等。要求泥浆具有抗电解质污染性能及抑制地层巾盐、膏溶解的性能。依据岩层厚度、组分等，可选用抗污染泥浆、盐水泥浆及复合盐水泥浆。(5)高渗透性地层：如砂岩地层 ，易形成较厚泥饼，容易造成钻 。要求泥浆具有较低滤失量、较低固相含鼍 ，良好的润滑性能，并配备一定数量的解卡剂。(6)地层完整程度：完

25、整地层，重点考虑泥浆的流变性能(能够保证岩屑的携带，又有利于地表岩屑沉降)及润滑性能。松散、破碎地层，不能在此类地层中采用负压钻进，钻井液应具有适当的密度，保证对孔壁具有足够的支撑力；钻井液的粘度、切力不能太低，返速不能太高，以免形成紊流冲刷孔壁；钻井液的胶凝强度不能太大，以免起下钻及开泵时压力波动太大抽垮或压垮地层。(7)孔隙、裂隙发育地层：孔隙或裂隙大小，是确定堵漏方法及施工工艺的重要依据。(8)地层温度梯度。高温地层，要求泥浆具有良好的抗温性能；冻土层或寒冷地区，要求泥浆在低保温措施。(9)地质年代、地层埋藏深度。如泥页岩地层，年代古老，埋藏较深可能已失去水敏特性；石膏地层，200 m

26、以浅的石膏含结晶水的几率很高，200 m以深的石膏多不含结晶水。3.2.2施工情况及条件设备情况、井身结构、钻进方法 (取心或全面、普通钻进或绳索取心钻进等)，是泥浆流变性能参数设计的重要依据。(1)孔径大小。孔径越大，泥浆的流动速度越慢，对泥浆的粘度、动塑比、切力的要求相对较高。(2 )孔深：随着深度的增加，泥浆的减摩降阻作用越发重要 。(3 )全面钻进，岩屑量大，要考虑泥浆的携岩能力。(4 )绳索取心钻进对泥浆要求更高，较低的粘度、切力有助于防止绳钻钻杆内壁结垢、环空压力过大等问题1。3.2.3工程要求钻探工程对钻井液的性能要求体现在2个方面：一是确保安全钻进，钻井液的性能应满足孔内复杂情

27、况的要求；二是提高机械钻速。提高机械钻速要求钻井液具有较低的固相含量、良好的流变性能、较强的清孔和携岩能力和良好的润滑性能。3.2.4不同孔段泥浆转换泥浆转换为水泥浆又称为固化钻井泥浆技术，是一种在环空内可转变成可固结材料的钻井泥浆进行钻井和固井的方法。对于孔段泥浆的转换，既要满足施工要求，达到预期的的施工效果与目的 ，又要避免泥浆浪费，造成施工资源与资金严重超出预算投入。3.2.5循环系统设备状况长期以来，国内外相关研究机构和生产单位投入了大量的人力物力，开展钻井液循环系统的研究，已经研制出相对完善的钻井液地面固控系统，能实现五级钻井液净化，五级净化若全部实施，净化效果完全达到目前国内外钻井

28、作业对钻井液质量的要求2,3。通过多年的研究，目前的钻井液地面循环系统相对复杂，操作难度打，且不少设备寿命过短，故障多，现场往往仅使用部分设备，导致达不到固控要求；而钻井液井下循环系统通常是钻井液井口通过钻杆、钻头，再通过钻杆与井眼环空返回到井口，这种简单的钻井液井下循环系统较严重地影响机械钻速4。 通过对现用钻井液循环系统存在问题的分析，提出了钻井液地面循环系统和钻井液井下循环系统流程改进方案，包括改进活研制除砂器、钻井泵、水封式旋流分离装置和新型井下固相分离器等。可以预期，在现有成果的基础上，通过油田及固控设备产生企业的共同努力，钻井液循环系统将得到大大的简化，其固控处理效果和设备寿命将显

29、著提高，从而较大幅度地提高机械钻速和降低成本。也可以使钻井液的使用效率得到最大话，降低钻井液的使用成本。3.2.6地质及环保等其它要求根据复杂地层的成因类型、性质和状态，机器在钻进过程中可能出现的复杂情况，复杂地层可做如表1所示的分类5,6。表1复杂地层综合分类表 地层分类成因类型典型地层复杂情况各种盐类地层水溶性地层岩盐、钾盐、光卤石、芒硝、天然碱、石膏钻孔超径、泥浆污染、孔壁掉块、坍塌各种粘土、泥岩、页岩水敏性地层（溶胀分散地层、水化剥落地层）松散粘土层、各种泥岩、软页岩、有裂隙的硬页岩粘土胶结及水溶矿物胶结的地层膨胀缩径、泥浆增稠、钻头泥包、孔壁表面剥落、崩解垮塌、超径流砂、沙砾松、散破

30、碎地层松散的孔隙性地层、风化裂隙发育地层、未胶结的构造破碎带流砂层、砂砾石层、基岩风化层、断层破碎带漏水、涌水、涌砂、孔壁垮塌、钻孔超径裂隙地层构造裂隙地层、成岩裂隙地层节理、断层发育的地层漏水、涌水、掉块、坍塌岩溶地层溶隙地层溶隙、溶洞发育的地层（石膏、石灰岩、白云岩、大理岩）漏水、涌水、坍塌高压油、气、水地层封闭的储油、气、水的孔隙型地层、裂隙及溶隙地层储油、气、水的背斜构造；逆掩断层的封闭构造井喷及其带来的一切不良后果高温地层岩浆活动带或与放射性矿床有关的地层地热井、超深井所遇到的地层泥浆处理剂失效、地层不稳定、H2S造成危害依据不同的地质地层条件而进行相对应得钻井液液类型调配与选择。3

31、.3选择钻井液类型不同地层、不同施工条件，对钻井液要求不同，综合各种因素，必须选择适合要求的钻井液体系类型，进行相对的施工处理。3.3.1清水及自然造浆采用清水作冲洗液，用于完整、稳定、无水敏性地层钻进。钻进第三、第四系以粘土为主的地层时，破碎后的岩屑与清水冲洗液混合并分散成浆液称自然造浆。特点是成本低，钻进速度快。3.3.2细分散泥浆钙土粉加纯碱在现场用淡水配浆钠化，或采用钠膨润土配浆，再加入各种分散剂配成的水基钻井液体系。该体系要求造浆粘土高度分散，使体系成为胶体状态，并保持其稳定性。典型的分散性泥浆，如三磺泥浆、CMC泥浆等。 体系特点：岩屑携带能力强；泥饼致密、坚韧，护壁性能好；不利于

32、钻速提高，不利于岩屑清除。配浆要求：膨润土含量515；使用分散剂；体系pH值10。应用范围：用于钻进一般的复杂地层，如新生代的第三、第四系松散地层、卵砾石地层；地层水矿化度较低地层；不适用于造浆地层。3.3.3不分散低 固相聚合物钻井液以具有选择性絮凝和包被作用的高分子聚合物(如部分水解聚丙烯酰胺PHP)等为主要处理剂，保留泥浆巾优质造浆粘土，只絮凝劣质粘土和钻屑，使钻屑和劣质土不分散，以便地表清除，保持钻井液的低固相和优良的剪切稀释性能。不分散低 固相钻井液的性能指标有：固相含量在4(体积百分比)以下；钻井液密度 1.08 gcm3；固相中钻屑：膨 润土量 2：1；泥浆动切力(Pa)与塑性粘

33、度 (mPas)之比小于0.5ks-1；保持较低的pH值(一般为89)。低固相聚合物钻井液已开发的体系有：阴离子聚合物、阳离子聚合物和两性离子聚合物泥浆。阴离子体系使用较多，如 PHP HPAN 双聚泥浆、聚磺泥浆等。不分散低固相聚合物钻井液在提高机械钻速、稳定井壁、携带岩屑等方面明显好于上述其它类型的钻井液。适用范围：适用于水敏性地层。3.3.4粗分散钻井液泥浆中加入钙、钠、钾等无机盐类絮凝剂 ，使泥浆中分散的颗粒变粗，同时加入有机处理剂护胶和包被钻屑，形成适度絮凝的粗分散钻井液。粗分散钻井液主要是利用其矿化度高和过量的Ca2+、Na+、K+等离子，一是有效地抑制泥页岩水化膨胀与分散，防止缩

34、径和坍塌；二是利用钻井液中含有的过量离子抑制地层中含有相同离子物质的溶解。根据地层复杂程度，可以选用多种钻井液体系，用于大段泥页岩层、厚岩盐层、石膏层及其它可溶性盐类地层钻进。例如：(1)钾石灰钻井液体系，处理剂有氢氧化钾、石灰、聚合物和沥青类等材料。(2)石膏钻井液体系，处理剂有石膏、磺化褐煤、磺化酚醛树脂、磺化烤胶和铁铬盐等。(3)KCL钻井液体系，处理剂有氯化钾、降粘剂、降失水剂和沥青防塌剂。(4)正电胶钻井液体系，处理剂有混合金属层状氢氧化物(正电胶)、降失水剂和降粘剂等。(5)盐水钻井液体系，处理剂有NaCl、抗盐降粘剂、降失水剂和抑制剂等。(6)饱和盐水钻井液体系，处理剂基本与盐水

35、钻井液体系相同。(7)海水钻井液体系，主要是在海洋和近海钻井时采用海水配浆 。3.3.5无固相钻井液或称无粘土钻井液，是指在清水中不加粘土仅加处理剂并具有一定性能的钻井液。主要分5类 ：(1)合成高聚物溶液，如聚丙烯酰胺或水解聚丙烯酰胺溶液，还可加入H PAN等。该体系具有良好的剪切稀释性，絮凝效果好，有利于岩屑沉降。(2)天然植物胶溶液，如魔芋、田菁胶等天然聚合物，能增粘、提切，携岩效果好，对孔壁冲刷小，适用于相对松散地层，属环保型冲洗液。(3)生物聚合物(XC)溶液，具有极好的流变特性，抗盐可达饱和 。(4)水玻璃一PHP溶液，水玻璃即硅酸钠，有强抑制性，粘度随其模数和浓度而升高，常用模数

36、为2.6 2.8 ，浓度 有 35、40、45、56 。Be，加量56；PHP加量0.02 0.04。适用于胶结型较差地层。(5 )润滑冲洗液。在清水或泥浆中加入表面活性剂或润滑剂，降低表面张力，并在孔壁与钻具之问形成一层油膜，降低其摩擦阻力，实现快速钻进。适用于岩石比较坚硬的稳定地层。3.3.6气体钻进(含气循环介质)(1)循环泡沫或弹性泡沫钻井液：主要成分包括膨润土、稳泡剂、发泡剂、降失水剂等，用于地层孔隙压力较低地层，可防止钻井液漏失。(2)充气泥浆：为了降低钻井液密度，将气体(一般为空气)均匀的分散在钻井液中便形成充气泥浆。混入的气体越多，钻井液密度越低 。3.4确定钻井液性能参数钻井

37、液能否有效发挥效能与钻井液的性能参数有密切关系，参数设计不合理，会引起复杂的孔内事故。因此必须对钻井液性能进行严格的设计。3.4.1 合理确定钻井液密度合理确定钻井液密度，是实现压力平衡钻进的关键。确定钻井液密度应考虑的因素很多，如地层压力、地层破裂压力、波动压力等。通常以最小孔底压力等于地层压力的原则确定钻井液密度。钻井液密度计算公式1：m= p+Sx+Sw式中：m -钻井液密度；p-地层当量密度；Sw-抽吸压力当量密度；Sx-安全附加值(国内外油钻井中，一般取Sx=0.05 0.06 g/cm3)。地层压力信息不清的情况下，可依据邻孔情况或经验来确定 。3.4.2钻井液流变性能设计73.4

38、.2.1设计原则(1)保证携岩能力和井眼净化。(2)环空流态接近稳定状态，防止冲刷孔壁。(3)尽可能降低粘度，有利于碎岩、清除岩屑，提高机械钻速；也有利于降低环空压力、防止钻杆内壁结垢 。(4)具有低摩阻，即塑性粘度较低。3.4.2.2流变模式选择常用流变模式：宾汉模式、卡森模式、幂律模式。地质岩心钻探钻井液工艺计算中常用的是卡森模式8(图1)。图1 卡森1/2-1/2流变曲线 卡森本构方程表达式为：1/2=c1/2+c1/21/2 卡森粘度(c)是胶体体系内摩擦性质的量度。它受围相种类、含量，比表面和形状以及液相粘度的影响。固相含量越高，颗粒分散的越细，颗粒的亲水活性越大，液相粘度越高，c也

39、随之增大。此外，高温可使c降低。在固相分散不良的体系中，加入分散剂，可使c升高，在分散良好的体系中，加入电解质可以降低c。卡森屈服值 (c)是体系内部动结构强度 。因此，凡能影响体系的电化学性质的物质(如分散剂、电解质、絮凝剂、固相含量和分散度等)和外界条件(如温度)都可以影响c值。根据c和c可以了解应该加入哪一种处理剂。例如，c过高，应加入水或加强除砂；c过高，应加入分散剂。这对指导现场泥浆维护很有用处。3.4.2.3常用流变性能参数表观粘度、动切力、静切力、漏斗粘度等，流变参数大小与泥浆密度、钻进方法、地层岩性等有密切的关系。3.4.3滤失量确定依地层特点而定。水敏性地层、渗透性强的地层，

40、应严格控制泥浆的滤失量。3.4.4泥饼质量依地层情况而定。松散地层、渗透性较强的地层，易形成较厚泥皮，易憋泵、环卒压力大，造成粘附卡钻、孔壁坍塌等事故，应严格控制泥饼质量。3.4.5 pH 值一般pH值为812，取决于钻井液的类型。3.4.6固相含量主要包括膨润土含量、加重材料及岩屑。配浆时加入的膨润土含量一般不超过5；岩屑含量大小用岩屑与膨润土含量的比值衡量，一般认为该比值 2 比较合理，大于3发出警告，大于5应排弃重新配制。3.4.7相对膨胀率(或相对膨胀降低率)相对膨胀率(或相对膨胀降低率)是钻井液抑制性的重要指标。3.4.8岩屑回收率岩屑回收率是评价钻井液抑制岩屑分散性能的重要指标。3

41、.5优选泥浆材料及泥浆处理剂钻井液由钻井液基础材料及化学处理剂2部分组成。钻井液基础材料是指在配浆中用量较大的基本组分，如膨润土、水、油和重晶石等。处理剂是指用于改善和稳定钻井液性能，或为满足钻井液某些性能要求需要加入的化学添加剂。钻片液设计需要依据地层情况、钻井液类型及材料特性进行选择。(1)膨润土，主要有钠膨润土、钙膨润土、低粘增效粉等。低粘增效粉 (LBM 一1)，是一种集造浆土与泥浆处理削性能于一体的多功能“方便面”式产品，在复杂地层中的护壁效果十分显著。特别适用于金刚石绳索取心钻探，可有效防止绳索取心钻杆内壁结垢问题9,10。(2)无机处理剂。氢氧化钙、石膏、氯化钙-无机絮凝剂及页岩

42、抑制剂；氯化钠-无机絮凝剂及页岩抑制剂，主要用于配制盐水钻井液；氢氧化钾、氯化钾-页岩抑制剂，用于配制钾基钻井液，一般氯化钾加量4； 硅酸钠-页岩抑制剂，用于配制硅酸盐泥浆，一般加量 3 5。(3)降滤失剂。主要产品有，腐植酸钠、磺化褐煤(磺甲基化褐煤)、钠羧甲基纤维素(Na CMC) 、水解聚丙烯睛钠盐、羧甲基淀粉及共聚物、磺甲基酚醛树脂、磺化褐煤树脂(SPNH)等。(4)降粘剂。降粘剂又称为解絮凝剂和稀释削。根据其作用机理的不同，可分为分散型稀释剂和聚合物型稀释剂。主要产品有：宁酸钠、磺 甲基单宁(SMT)、磺甲摹栲胶(SMK )、铁铬木素磺酸盐(铁铬盐FCLS)、聚合物稀释剂、腐植酸等。

43、(5)增粘剂。主要产品有：生物聚合物、高粘羧甲基纤维素(HVCMC)、聚合物类增粘剂(80A51)。(6)抑制剂(义称防塌剂)。主要产品有：磺化沥青、改性沥青、腐植酸钾 、聚丙烯酸钾、水解聚丙烯腈钾盐(KHPAN)等。(7)絮凝剂。水解聚丙烯酰胺作选择性絮凝剂，分子量300600万，水解度30左右。高分子量聚丙烯酰胺(分子量大于1000万)的特点是：絮凝、增粘效果更明显，用量小。可采用高分子量的聚丙烯酰胺配制无固相钻井液。非水解聚丙烯酰胺(水解度小于5)为全絮凝剂。(8)润滑剂。主要产品有：癸植酸钠(一种表面活性剂)、皂化油、改性沥青、极压润滑剂等。典型产品：无荧光润滑剂(GLUB)，能牢固地

44、吸附在金属和粘土表面，形成致密的油膜，使钻具与岩石之间的摩擦阻力大大降低。在淡水泥浆、海水泥浆及饱和盐水泥浆巾均具有良好的润滑效果。(9 )堵漏剂。惰性堵漏材料。颗粒状材料：核桃壳、珍珠岩、石灰石、沥青等，起“架桥”作用，又称“架桥剂”；纤维状材料：如锯末、纸纤维、花生壳、棉籽壳等，起悬浮拉筋作用，又称“悬浮拉筋剂”；片状材料：如云母、稻壳等，起填塞作用，又称“填塞剂 ”。堵漏过程中，将上述 3 类材料以合理的比例和级配复合使用，才能收到理想的效果。复合堵漏剂常用产品有：复合堵漏剂CBM、暂堵915、暂堵917等。随钻堵漏剂 。随钻堵漏剂又称单向压力封闭剂、屏蔽剂。州于封堵砂岩、砾石层、破碎煤

45、层、石灰岩等类地层的孔喉和微裂缝。高失水堵 漏剂。主要由架桥材料、软质纤维及助滤剂等复合而成。(10)泡沫剂与消泡剂。常用泡沫剂：十二烷基苯磺酸钠 、DF一1型泡沫剂发泡能力强；消泡剂：典型产品有DF一4。(11)植物胶。常用产品：瓜尔胶、菁胶、魔芋胶及其改性产品等。3.6体系配方试验针对不同孔段的泥浆类型及性能参数要求，采用对比实验、正交试验等方法，并进行成本核算，选出性能符合设计要求、成本经济的泥浆配方。3.7估算泥浆材料及泥浆处理剂用量3.7.1泥浆材料清单(1)体系配方中所涉及的材料；(2)考虑特殊情况处理需要配备的其它材料，如水泥、堵漏材料、防腐剂等 。3.7.2泥浆材料及泥浆处理剂

46、用量估算(1)依据地层特性、孔径大小、孔深及以往施工经验，估算钻井液日消耗量；(2)预估施工工期；(3)如有漏失地适当考虑漏失量。3.8选择固控设备，制定使用要求常用的固相控制方法包括机械清除、化学絮凝和沉淀除砂。机械清除有振动筛、旋流除砂(泥)器和离心机。根据地质钻探的特点，现场主要使用的固控设备离心除泥器与旋转除泥器，可根据钻探现场情况，分别使用或组合使用(参见图2)。离心机主要清除钻井液中大小为 5 40的固相颗粒。旋流器体内径越小，能分离出的固相颗粒越细。可根据需要选配。 图2 固相尺寸与机械分离设备的使用范围3.9 制定泥浆配制方法及泥浆日常维护措施根据已有配浆设备情况、泥浆处理剂特

47、性，考虑泥浆配制方法及维护措施 ，并提出建议或要求 。 （1）确定现场测试仪器配套及检测要求。施工现场应配备必要的钻井液性能测试仪器，一般常用的有：泥浆密度计、漏斗粘度计、API失水仪、六速旋转粘度计及含砂量测定仪等。 （2）制定钻井液地面管理要求。 （3）制定钻井液资料录取要求。第4章 结 论4.1 结论通过本片论文的理论叙述和一些参考资料与数据，可以总结出以下结论：（1）合理正确认识钻井液是提高钻速方面有着独特的重要地位和作用，钻井液的类型和其不同的性能是直接影响钻井速度和成本的重要因素，认识掌握这些因素可以有效的提高钻井效率，尤其是深井、超深井钻井过程中，合理设计钻井液体系，调控好各项性

48、能，并做好现场维护是提高钻速、安全钻井、降低综合成本的关键。（2）研究深层钻探钻井液体系设计的难题，设计人员应从不同的地层，不同的施工环境以及不同的孔段泥浆转换等考虑因素出发，选择对应的钻井液类型，依据设计原理计算出正确的钻井液性能参数，确定钻井液体系设计方向，针对不通段孔的泥浆采用对比实验的方法，选出性能符合设计要求，经济成本最低的钻井液配方。选择固控设备，制定使用要求。制定泥浆配制方法及泥浆日常维护措施。其根本目前的就是要做到所设计的钻井液应该是经济、合理、适用的。4.2 展望中国是个石油生产与消耗的大国，我国石油钻井各个相关单位与企业应该积极研究地质勘探钻井技术特点和钻空冲洗与护壁堵漏技术，借鉴国内外石油钻井液设计系