钻井工程4-钻井液

1、第四章第四章 钻井液简介钻井液简介一一钻井液功用、类型和组成钻井液功用、类型和组成二二钻井液的主要性能钻井液的主要性能三三钻井液应用钻井液应用四四钻井液技术的发展概况钻井液技术的发展概况五五国内外钻井液技术新进展国内外钻井液技术新进展一、 钻井液功用、类型和组成 钻井液（钻井液（Drilling Fluid）钻井过程中钻井过程中以其多种功能满足钻井工作以其多种功能满足钻井工作 需要的各种需要的各种总称总称。 钻井液又称钻井液又称（Drilling Mud），），简称简称（Mud） 。一、 钻井液功用、类型和组成钻井液的循环流程钻井液的循环流程高压立管高压立管方钻杆方钻杆井下钻具井下钻具钻头水眼

2、高速喷出钻头水眼高速喷出环形空间环形空间振动筛振动筛清洗井底携带岩屑清洗井底携带岩屑泥浆罐组泥浆罐组(1#、2#、3#、4#)水龙带水龙带水龙头水龙头1#4#补充处理剂膨润土、水和重晶石废弃物废弃物废弃物振动筛泥浆清洁器水水离心机除砂器溢流除泥器溢流离心机溢流振动筛补充处理剂膨润土、水废弃物废弃物废弃物水人们对钻井工作的要求人们对钻井工作的要求钻井工作对钻井液的要求钻井工作对钻井液的要求 有利于实现安全、优质、快速钻井。有利于实现安全、优质、快速钻井。 有利于取全、取准各项工程上、地质上的资料。有利于取全、取准各项工程上、地质上的资料。 有利于发现、保护油气层。有利于发现、保护油气层。一、 钻

3、井液功用、类型和组成有人比喻：有人比喻：钻井的血液钻井的血液实际情况：实际情况：钻井液钻井液钻井液钻井液停止循环停止循环钻井工作钻井工作必须停止必须停止钻井液钻井液重要性重要性一、 钻井液功用、类型和组成携带和悬浮钻屑携带和悬浮钻屑1、钻井液的功用、钻井液的功用把钻头破碎的把钻头破碎的 岩屑从井底带出井眼，岩屑从井底带出井眼， 保持井眼净化。保持井眼净化。把井眼内钻屑悬浮住，不致很快下沉，以免卡钻。把井眼内钻屑悬浮住，不致很快下沉，以免卡钻。携带和悬浮岩屑携带和悬浮岩屑形成泥饼，降低滤失，形成泥饼，降低滤失，减弱地层水化。减弱地层水化。保护油气层保护油气层控制压力，防止控制压力，防止井喷。井喷

4、。平衡地层压力，稳平衡地层压力，稳定井壁，防止井塌。定井壁，防止井塌。高压喷射，破岩高压喷射，破岩清岩。清岩。冷却润滑钻头冷却润滑钻头一、 钻井液功用、类型和组成1、钻井液的功用、钻井液的功用一、 钻井液功用、类型和组成实现安全、优质、快速钻井的基本条件，实现安全、优质、快速钻井的基本条件，也是钻井液措施的基本立足点。也是钻井液措施的基本立足点。基本立足点基本立足点稳定井壁和平衡地层压力稳定井壁和平衡地层压力不断调节密度不断调节密度防止井塌、井喷、井漏等井下复杂情况发生。防止井塌、井喷、井漏等井下复杂情况发生。井壁稳定井壁稳定井眼规则井眼规则性能良好性能良好的钻井液的钻井液通过滤失作用通过滤失

5、作用在井壁上形成在井壁上形成薄而韧薄而韧的泥饼的泥饼才能稳固已钻开的地层才能稳固已钻开的地层阻止进一步渗滤，减弱阻止进一步渗滤，减弱泥页岩水化膨胀和分散泥页岩水化膨胀和分散一、 钻井液功用、类型和组成冷却和润滑钻头、钻具钻井液钻井液通过循环通过循环吸收吸收钻头破碎岩石产生的热量钻头破碎岩石产生的热量钻具与井壁摩擦产生的热量钻具与井壁摩擦产生的热量带到地面带到地面释放释放冷却钻头钻具冷却钻头钻具延长寿命延长寿命钻头、钻具钻头、钻具在其中旋转在其中旋转存在存在降低摩擦阻力降低摩擦阻力起到润滑作用起到润滑作用1、钻井液的功用、钻井液的功用1、钻井液的功用、钻井液的功用传递水动力传递水动力在钻头水眼处

6、在钻头水眼处钻井液高速喷出对井底产生强大的冲击力提高钻速使用涡轮使用涡轮钻具时钻具时利用钻井液流动带动涡轮旋转带动钻头破碎岩石优质钻井液还应考虑：油层保护，环境污染，劳动保护，腐蚀性等方面问题。优质钻井液还应考虑：油层保护，环境污染，劳动保护，腐蚀性等方面问题。一、 钻井液功用、类型和组成2、钻井液的类型、钻井液的类型分类依据类 型密 度非加重钻井液加重钻井液粘土水化非抑制性抑制性固相含量低固相无固相流体介质水基油基合成基气体油基油基钻井液钻井液合成基合成基钻井液钻井液泡沫泡沫（气为主）（气为主）充气钻井液充气钻井液（液为主）（液为主）空空气气天然天然气气气气-液混合物液混合物流体流体介质介质

7、一、 钻井液功用、类型和组成钻钻井井液液基基本本类类型型水水基基钻钻井井液液油油基基钻钻井井液液淡水（淡水（NaCl1%、Ca2+ 120mg/l）：最初使用。）：最初使用。盐水（盐水（NaCl1%）（盐水、饱和盐水、海水）（盐水、饱和盐水、海水） 用于海上和岩盐层及泥、页岩易塌地层。用于海上和岩盐层及泥、页岩易塌地层。钙处理（钙处理（ Ca2+120mg/l）：防塌、抗钙、盐侵强。）：防塌、抗钙、盐侵强。低固相（固相低固相（固相7%，不分散的，不分散的4%）：钻速快。）：钻速快。混油（乳化）：润滑性、流动性好，失水量少。混油（乳化）：润滑性、流动性好，失水量少。油包水乳化（逆乳化）：以柴油为

8、分散介质，油包水乳化（逆乳化）：以柴油为分散介质， 水及有机膨润土等为分散相。水及有机膨润土等为分散相。 特点：热稳定性高、防塌好，对油气层损特点：热稳定性高、防塌好，对油气层损 害小。用于超深井的高温井段。害小。用于超深井的高温井段。全油基（含水全油基（含水10%）：柴油和沥青等配成。）：柴油和沥青等配成。 特点：对油层损害小，抗盐侵能力强。特点：对油层损害小，抗盐侵能力强。 缺点：对人体及环境危害大，尤其是海洋。缺点：对人体及环境危害大，尤其是海洋。三、钻井液的组成三、钻井液的组成粘土颗粒粘土颗粒多数是多数是 0.12m少数为少数为 1100nm在我国应用得比较少。在我国应用得比较少。在我

9、国应用得比较少。在我国应用得比较少。在我国应用得比较少。在我国应用得比较少。胶粒胶粒 2m泥泥 274m砂砂 74m一、 钻井液功用、类型和组成0.8 水相水相（包括可溶盐）（包括可溶盐）体积分数体积分数0.06 混入的混入的柴油等（润滑）柴油等（润滑）0.03 低密度活低密度活性固相（控粘）性固相（控粘）0.05 低密度惰低密度惰性固相（钻屑）性固相（钻屑）0.06 加重剂加重剂（调节密度）（调节密度）0.54 柴油柴油(分散介质分散介质)体积分数体积分数0.04 CaCl2或或NaCl0.30 水（分散相）水（分散相）0.03 低密度固相低密度固相（粘土、钻屑等）（粘土、钻屑等）0.09

10、高密度固相高密度固相（调节密度）（调节密度）水基钻井液典型组成水基钻井液典型组成（1.32 g/cm3）油基钻井液典型组成油基钻井液典型组成（1.32 g/cm3） 按照按照（America Petroleum Instistite）推荐的）推荐的钻井液性能测试标准，需要检测的钻井液常规性能有：钻井液性能测试标准，需要检测的钻井液常规性能有：二二 、钻井液的主要性能、钻井液的主要性能1、井塌及钻井液防塌技术、井塌及钻井液防塌技术指钻井或完井过程中的井壁坍塌、缩经、地层压裂三种基本类型。取井壁岩样做、。地质方面原因（页岩孔隙压力、异常构造应力和地层倾斜等）；物理化学方面原因（水化膨胀压改变了井周

11、的应力分布、降低了岩石强度、削弱了颗粒间连接，造成剥落掉块。）；钻井工艺方面的原因（钻井液液流过大，对井壁冲刷；激动压力和抽吸压力过大，造成井壁岩石受力不平衡；由井漏、井喷导致；起下钻时钻头碰撞井壁）。三、钻井液应用三、钻井液应用三、钻井液应用三、钻井液应用调节钻井液密度，控制地层压力，使达到近平衡钻井；封堵地层微裂缝，形成优质泥饼，稳固井壁；抑制地层水化膨胀。 低失水高矿化度水基钻井液、钾基钻井液、钾石灰钻井液、有机硅钻井液、硅酸盐钻井液、饱和盐水钻井液、正电胶钻井液、两性离子聚合物钻井液、阳离子聚合物钻井液、聚合醇钻井液、甲酸盐钻井液、聚磺钻井液、甲基葡萄糖苷钻井液、多元醇树脂钻井液。 三

12、、钻井液应用三、钻井液应用2、井漏及钻井液防漏堵漏技术、井漏及钻井液防漏堵漏技术各种井下作业（钻井、固井、修井）时，各种工作液（泥浆、水泥浆、完井液及其它流体等）在压差作用下，漏进地层的现象。 它与滤失有本质区别，它是液相连同固相整体漏入地层。损失钻井时间，延长钻井周期；损失大量钻井液原材料；产层漏失会严重损害产层；诱发其它井下复杂情况；干扰钻井液性能的正常维护、处理存在正压差；存在漏失通道及较大的足够容纳液体的空间；通道开口的尺寸大于工作液中固相的粒径。三、钻井液应用三、钻井液应用自然漏失通道、人为漏失通道（新压裂的，原有重新开启的）。 渗透性漏失（0.54方/小时） 裂缝性漏失（几几百方/

13、小时） 溶洞漏失（有进无出）。设计合理的井身结构、降低井筒内钻井液的动压力、加强监测量。调整钻井液性能与钻井措施、静止堵漏、桥接材料堵漏法、高滤失浆液堵漏法、暂堵法、无机胶凝物质堵漏法、复合堵漏法、强行钻进下套管封隔漏层法。三、钻井液应用三、钻井液应用3、井喷的预防及钻井液处理技术、井喷的预防及钻井液处理技术指地层流体失去控制，喷到地面，或窜到其它地层的现象。它是钻井工程较为常见的恶性事故。轻者使油气层受到破坏，影响钻井工期；重者使油气井报废，延误油气勘探开发工作。井内液柱压力 地层压力。钻进过程中井喷发生的原因、起钻过程中井喷发生的原因、下钻过程中井喷发生的原因、下钻后循环过程中井喷发生原因

14、。选用合理的钻井液密度；在钻进油、气、水层前，先调整好钻井液性能；及时排除气侵气体；随时注意观察钻井液的体积，储备一定数量的加重钻井液。三、钻井液应用三、钻井液应用4、卡钻的预防及钻井液解卡技术、卡钻的预防及钻井液解卡技术 常见的卡钻事故：常见的卡钻事故： 沉砂卡钻、井塌卡钻、缩径卡钻、泥饼粘附沉砂卡钻、井塌卡钻、缩径卡钻、泥饼粘附卡卡 钻、键槽卡钻。钻、键槽卡钻。沉砂卡钻井塌卡钻缩径卡钻压差卡钻键槽卡钻卡卡钻钻示示意意图图三、钻井液应用三、钻井液应用A管子转动，钻铤只吃入 泥饼一段距离。B管子静止，钻铤在压差 下吃入泥饼。C偏斜严重的井眼，钻铤 静止时，钻铤与泥饼之 间的压力从0变化到p。压

15、差卡钻机理示意图防止压差卡钻的措施 A. 在确保不发生井喷的前提下，尽可能降低钻井液密度。 B. 改善井身质量。 C. 采用优质钻井液，在钻井液加入少量的油或润滑剂，使用好 的固控设备。 D. 对于大位移或水平井，选择合适的钻井液流变参数，防止岩 屑床形成或尽量减少其厚度。解除压差卡钻的方法 A.用油或解卡液浸泡 B.用稀盐酸浸泡 C.降低钻井液密度以减少压差三、钻井液应用三、钻井液应用四、四、钻井液技术的发展概况1、发展阶段、发展阶段 初步形成时期：初步形成时期：18881928年，旋转钻井开始，最初用年，旋转钻井开始，最初用清水钻井清水钻井。 快速发展时期：快速发展时期：19281948年

16、，发现带有砂的泥浆比清水的携带能力年，发现带有砂的泥浆比清水的携带能力更好。于是出现更好。于是出现细分散钻井液细分散钻井液，并使用简单的处理剂。，并使用简单的处理剂。 高速发展时期：高速发展时期：1948 1965 年，发现细分散泥浆的不足：抗侵能力年，发现细分散泥浆的不足：抗侵能力差，于是发展为差，于是发展为钙处理、适度絮凝钙处理、适度絮凝的粗分散钻井液。的粗分散钻井液。 科学优化时期：科学优化时期：1965 现在，高压喷射钻井中，要求低固相，于是出现在，高压喷射钻井中，要求低固相，于是出现现聚合物不分散低固相钻井液聚合物不分散低固相钻井液。 上个世纪上个世纪80年代末年代末90年代初年代初

17、至今，先后出现：正电胶、硅酸盐、甲至今，先后出现：正电胶、硅酸盐、甲酸盐、多元醇、酸盐、多元醇、 生物降解型等钻井液体系，生物降解型等钻井液体系， 并得到广泛应用。但都没有形并得到广泛应用。但都没有形成主流，不能完全取代聚合物钻井液体系。成主流，不能完全取代聚合物钻井液体系。 与此同时，上个世纪与此同时，上个世纪40年开始使用的油基钻井液也在不断发展，从开年开始使用的油基钻井液也在不断发展，从开始用原油发展为柴油，始用原油发展为柴油， 到矿物油；到矿物油； 从全油基发展为油包水乳化钻井液；从从全油基发展为油包水乳化钻井液；从有毒污染的油基发展为低毒无毒的油基钻井液。有毒污染的油基发展为低毒无毒

18、的油基钻井液。 2、我国钻井液技术发展特点、我国钻井液技术发展特点（1）发展阶段相似，但时间稍有滞后。）发展阶段相似，但时间稍有滞后。（2）水基钻井液应用得较多，油基钻井液使用得少。）水基钻井液应用得较多，油基钻井液使用得少。（3）深井水基钻井液、防塌型聚合物钻井液的理论研究比较）深井水基钻井液、防塌型聚合物钻井液的理论研究比较 成熟。成熟。（4）成功应用一些处理剂，如）成功应用一些处理剂，如FA367、XY27、SMP等。等。（5）成功应用一些钻井液体系，如三磺钻井液体系、两性聚）成功应用一些钻井液体系，如三磺钻井液体系、两性聚合物钻井液体系、聚磺钻井液体系等。合物钻井液体系、聚磺钻井液体系

19、等。（6）研制了大量钻井液性能测试评价仪器。）研制了大量钻井液性能测试评价仪器。（7）计算机应用相对落后。）计算机应用相对落后。四、四、钻井液技术的发展概况（1）钻井液强化井壁技术。）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）复杂地质条件下深井、超深井、大位移井钻井液技术。技术。（3）新型钻井液体系及其处理剂的研制与应用。）新型钻井液体系及其处理剂的研制与应用。（4）废弃钻井液处理技术。）废弃钻井液处理技术。（5）保护油气层技术。）保护油气层技术。3、对钻井液新技术发展的预测、对钻井液新技术发展的预测四、四、钻井液技术的发展概况4、当前钻井液研究的关键内容、当前钻井

20、液研究的关键内容（1）深井高温、高密度钻井液。）深井高温、高密度钻井液。（2）井壁失稳机理与防塌钻井液。）井壁失稳机理与防塌钻井液。（3）新型处理剂系列和新型钻井液系列的发展。）新型处理剂系列和新型钻井液系列的发展。（4）大位移井、水平井和小眼井等特殊工艺井的钻井液技术。）大位移井、水平井和小眼井等特殊工艺井的钻井液技术。（5）欠平衡钻井液技术。）欠平衡钻井液技术。（6）保护储层的钻井液、完井液。）保护储层的钻井液、完井液。（7）钻井液润滑性及防卡、解卡技术。）钻井液润滑性及防卡、解卡技术。（8）钻井液防漏、堵漏技术。）钻井液防漏、堵漏技术。（9）钻井液流变性及其与携岩的关系。）钻井液流变性及其与携岩的关系。（10）钻井液固控技术。）钻井液固控技术。（11）废弃钻井液处理技术和环保型钻井液体系研究及其应用。）废弃钻井液处理技术和环保型钻井液体系研究及其应用。（12）计算机和信息技术在钻井液中的应用。）计算机和信息