第2章钻井化学 钻井液化学

1、第二章第二章 钻井化学钻井化学主讲人：张金东主要内容主要内容l1、第一节 钻井液的功能与组成l2、第二节 钻井液的密度及其调整l3、第三节 钻井液酸碱性及其控制l4、第四节 钻井液滤失性及其控制l5、第五节 钻井液流变性及其调整l 第2章 钻井化学l6、第六节 钻井液中的固相及其含量的控制主要内容主要内容l7、第七节 钻井液润滑性及其改善l8、第八节 井壁稳定性及其控制l9、第九节 卡钻与解卡l10、第十节 钻井液的漏失与地层的堵漏l11、第十一节 钻井液体系重点内容重点内容l2、掌握钻井液的密度、调整密度材料l1、掌握钻井液的功能、组成l3、掌握钻井液控制酸碱性的原理l4、掌握钻井液的静滤失

2、方程（达西定律）l5、掌握钻井液的流变性：层流、紊流等l6、掌握钻井液的固相的作用及处理方法l7、掌握钻井液的润滑性能重点内容重点内容l8、掌握井壁稳定性的影响因素l9、掌握卡钻的定义、解卡的定义l10、掌握钻井液漏失的分类、防漏失措施l11、掌握特殊的钻井液种类及应用第一节第一节 钻井液的功能与组成钻井液的功能与组成第二章第二章 钻井液化学钻井液化学钻井液-钻井的“血液”第一节第一节 钻井液的功能与组成钻井液的功能与组成 钻井液（钻井液（Drilling FluidsDrilling Fluids）是指钻井时用来清洗井底并）是指钻井时用来清洗井底并把岩屑携带到地面，维持钻井操作正常的流体把岩

3、屑携带到地面，维持钻井操作正常的流体。 工程上把清洗井底、运移岩屑出井的过程称为工程上把清洗井底、运移岩屑出井的过程称为“洗井洗井”，因此，钻井液也称因此，钻井液也称“洗井液洗井液”，包括泥浆、清水、空气包括泥浆、清水、空气和天然气等。和天然气等。 钻井液的循环流程：泥浆泵地面高压管汇立管水龙钻井液的循环流程：泥浆泵地面高压管汇立管水龙带水龙头钻柱（方钻杆钻杆钻铤）钻头环形带水龙头钻柱（方钻杆钻杆钻铤）钻头环形空间地面排出管线固控设备泥浆池空间地面排出管线固控设备泥浆池 泥浆泵。泥浆泵。钻井液循环流程钻井液循环流程振动筛、除砂器、振动筛、除砂器、除泥器、除气器除泥器、除气器泥浆池泥浆池环形空间

4、环形空间泥浆泵泥浆泵高压管汇高压管汇立管立管水龙带水龙带水龙头水龙头钻柱钻柱钻头钻头地面排出地面排出管线管线固控设备固控设备环形空间的概念 1 井眼井眼2 钻铤外壁钻铤外壁3 钻铤内壁钻铤内壁4 钻井液钻井液6 钻头钻头5 环形空间环形空间永远怀念铁人时代精神！永远怀念铁人时代精神！有条件要上，没有条件创造条件也要上!指油气钻井过程中以其多种功能满足钻井工指油气钻井过程中以其多种功能满足钻井工作作需要的各种循环流体；钻井液（需要的各种循环流体；钻井液（drilling fluid)又称做又称做 泥浆泥浆(Mud)。钻井液的定义钻井液的定义:泥浆泵泥浆泵泥浆罐泥浆罐地面地面高压管汇高压管汇立管立

5、管水龙带水龙带 水龙头水龙头方钻杆方钻杆钻杆钻杆钻铤钻铤钻头钻头钻柱与井壁形成的环形空间钻柱与井壁形成的环形空间从井口返出，从井口返出，流经固控设备进行处理流经固控设备进行处理一、一、钻井液的循环钻井液的循环第一节第一节 钻井液的功能与组成钻井液的功能与组成钻井液循环系统钻井液循环系统一、钻井液的循环一、钻井液的循环第一节第一节 钻井液的功能与组成钻井液的功能与组成二、钻井液的功能二、钻井液的功能第一节第一节 钻井液的功能与组成钻井液的功能与组成 2.2.携带携带岩屑岩屑1.1.冲洗井底冲洗井底3.3.平衡地层压力平衡地层压力 5.5.稳定井壁稳定井壁4.4.冷却与润滑钻头钻具冷却与润滑钻头钻

6、具6.6.悬浮岩屑和固体密度调整材料悬浮岩屑和固体密度调整材料 8.传递功率传递功率7.获取地层信息获取地层信息第一节第一节 钻井液的功能与组成钻井液的功能与组成三、钻井液的组成三、钻井液的组成降滤失剂降滤失剂 增粘剂增粘剂 降粘剂降粘剂 絮凝剂絮凝剂粘土、密度调整材料（悬浮体）粘土、密度调整材料（悬浮体）油或水（乳状液）油或水（乳状液）气体（泡沫）气体（泡沫） 组成组成水、油、气体水、油、气体 分散介质分散介质分散相分散相钻井液处理剂钻井液处理剂油田化学油田化学第二节第二节 钻井液密度及其调整钻井液密度及其调整第二章第二章 钻井液化学钻井液化学第二节第二节 钻井液密度及其调整钻井液密度及其调

7、整一、钻井液密度定义一、钻井液密度定义定义：单位体积钻井液的质量（用定义：单位体积钻井液的质量（用表示表示）单位：单位： g/cm3 或或 t/m3 钻井液的密度是使用泥浆密度计测得的。钻井液的密度是使用泥浆密度计测得的。将搅拌均匀的泥浆注入杯中齐杯口为止，轻轻将将搅拌均匀的泥浆注入杯中齐杯口为止，轻轻将盖旋转盖紧，擦去外溢泥浆，然后将杠杆主刀口盖旋转盖紧，擦去外溢泥浆，然后将杠杆主刀口置于底座的刀垫上，移动游码，使水平泡与中间置于底座的刀垫上，移动游码，使水平泡与中间两根红线相切，游码左侧边线所对刻度，即为该两根红线相切，游码左侧边线所对刻度，即为该泥浆的密度（泥浆的密度（/cm3）. 1-

8、秤杆；秤杆； 2-主刀口；主刀口；3-泥浆杯；泥浆杯；4-杯盖；杯盖；5-校正筒；校正筒；6-游码；游码；7-底座；底座；8-主刀垫；主刀垫；9-挡臂挡臂 第二节第二节 钻井液密度及其调整钻井液密度及其调整第二节第二节 钻井液密度及其调整钻井液密度及其调整二、为什么要调整钻井液密度二、为什么要调整钻井液密度 （1 1）防止喷、塌、漏钻井事故的发生）防止喷、塌、漏钻井事故的发生 （2 2）钻井液密度钻井液密度与油气层损害有关与油气层损害有关 （3 3）钻井液密度钻井液密度影响钻井速度影响钻井速度三、怎样调整钻井液密度三、怎样调整钻井液密度第二节第二节 钻井液密度及其调整钻井液密度及其调整 1 1

9、、调整钻井液密度原则、调整钻井液密度原则 平衡地层压力和地层构造应力平衡地层压力和地层构造应力 2 2、调整钻井液密度方法、调整钻井液密度方法 （1 1）降低钻井液密度）降低钻井液密度 降低钻井液固相含量降低钻井液固相含量 加水稀释（加水稀释（但有时会增加处理剂的用量和费用但有时会增加处理剂的用量和费用 ） 混油混油 （但会使钻井液成本增加，且影响地质录井但会使钻井液成本增加，且影响地质录井 ） 充气充气 （2 2）提高钻井液密度）提高钻井液密度方法：加入高密度材料方法：加入高密度材料加重材料加重材料高高密度不溶性矿物或矿石粉末密度不溶性矿物或矿石粉末高高密度的可溶性盐类密度的可溶性盐类第二节

10、第二节 钻井液密度及其调整钻井液密度及其调整表表1 1 高密度不溶性矿物或矿石高密度不溶性矿物或矿石名称名称分子式分子式密度密度g/cm3酸溶性酸溶性备注备注重晶石重晶石BaSO44.2-4.6应用最广泛应用最广泛石灰石石灰石CaCO32.7-2.9酸溶酸溶需酸化的产层需酸化的产层铁矿粉铁矿粉Fe2O3 FeO4.9-5.3酸溶酸溶需酸化的产层需酸化的产层钛铁矿粉钛铁矿粉TiO2.Fe2O3 FeO4.5-5.1酸溶酸溶需酸化的产层需酸化的产层方铅矿方铅矿PbS7.4-7.7酸溶酸溶成本高成本高第二节第二节 钻井液密度及其调整钻井液密度及其调整水水溶性盐溶性盐饱和盐水密度饱和盐水密度g/cmg

11、/cm3 3KCl1.16(20) 1.16(20) NaCl1.20 (20) 1.20 (20) CaCl21.40 (60) 1.40 (60) CaBr21.80 (10) 1.80 (10) ZnBr22.30(40) 2.30(40) 表表2 2 可溶性盐类加重材料可溶性盐类加重材料第二节第二节 钻井液密度及其调整钻井液密度及其调整可溶性盐类做高密度材料所带来的问题可溶性盐类做高密度材料所带来的问题腐蚀问题腐蚀问题盐结晶问题盐结晶问题加缓蚀剂加缓蚀剂加盐结晶抑制剂加盐结晶抑制剂 第二节第二节 钻井液密度及其调整钻井液密度及其调整第二节第二节 钻井液密度及其调整钻井液密度及其调整盐水

12、在高密度时温度降至一定程度析出盐盐水在高密度时温度降至一定程度析出盐, ,该温度称析盐温度。该温度称析盐温度。盐水在低密度时温度降至一定程度析出冰盐水在低密度时温度降至一定程度析出冰,该温度称盐水冰点。该温度称盐水冰点。 随着盐水密度增加，盐水析盐温度陡然随着盐水密度增加，盐水析盐温度陡然上升。上升。第二节第二节 钻井液密度及其调整钻井液密度及其调整盐水冰点盐水冰点：析盐温度析盐温度：通过离子交换转变为相应的盐通过离子交换转变为相应的盐, ,选择性地吸选择性地吸附在刚析出的盐晶表面附在刚析出的盐晶表面, ,使盐晶发生畸变使盐晶发生畸变, ,不不利于盐在其表面继续生长变大。利于盐在其表面继续生长

13、变大。为防止盐从钻井液中析出所加的物质为防止盐从钻井液中析出所加的物质第二节第二节 钻井液密度及其调整钻井液密度及其调整盐结晶抑制剂：盐结晶抑制剂：抑制机理：抑制机理：第二节第二节 钻井液密度及其调整钻井液密度及其调整 上一内容 下一内容回主目录O返回设某钻井液加重前密度为设某钻井液加重前密度为1 1 ，体积为体积为V V1 1，加重后密加重后密度为度为2 2 ，体积为体积为V V2 2，试求密度为试求密度为的加重剂用量？的加重剂用量？加重前后体积关系式：加重前后体积关系式：VVV12mV 1加重前后质量关系式：加重前后质量关系式：mVV1122（1）（2）加重材料用量计算加重材料用量计算计算

14、计算2112 VV)(12VVm（3）（4）若泥浆罐有限制，加重前需排放掉部分钻井液，若泥浆罐有限制，加重前需排放掉部分钻井液，可根据加重后体积可根据加重后体积V2，计算出应保留的原浆体积计算出应保留的原浆体积V1，然后由（然后由（4）计算加重剂用量。）计算加重剂用量。例：例：使用重晶石将使用重晶石将200m3密度为密度为1.32g/cm3的钻井液加重到密度为的钻井液加重到密度为1.38g/cm3。（1）如最终体积无限制，求重晶石（密度为如最终体积无限制，求重晶石（密度为4.2g/cm3）的用量的用量（2）如果最终体积）如果最终体积200m3，求重晶石的用量求重晶石的用量1. 加重材料计算加重

15、材料计算 使用重晶石将使用重晶石将200m3的密度为的密度为1.32g/cm3的钻井液加重的钻井液加重至至1.38g/cm3,如最终体积无限制如最终体积无限制,试求重晶石用量。试求重晶石用量。解解:加重后钻井液的体积为加重后钻井液的体积为: V2=V1(-1)(-2) =200 (4.2-1.32)(4.2-1.38) =204.255(m3) 所需重晶石的质量为所需重晶石的质量为: m=(V2 - V1) =(204.255-200)4.21000 =17871(kg)1000有时受现场泥浆体积的限制有时受现场泥浆体积的限制,加重前应排出一部分泥浆加重前应排出一部分泥浆,这种这种情况下首先根

16、据加重后可以容纳的体积情况下首先根据加重后可以容纳的体积V2 ，用下式计算应用下式计算应保保留的原浆体积留的原浆体积V1 :V1 =V2(-2)(-1) 然后用下式计算出重晶石用量然后用下式计算出重晶石用量: m=(V2 - V1) 若上题中加重后的泥浆体积为若上题中加重后的泥浆体积为200m3 ,试求重晶石用量？试求重晶石用量？2112VV)(833.195)32. 12 . 4/()38. 12 . 4(20031221mVV(2)如果最终体积如果最终体积200m3，求重晶石的用量，求重晶石的用量)(17501)833.195200(10002 . 4)(12kgVVm油田化学油田化学第三

17、节第三节 钻井液酸碱性及其控制钻井液酸碱性及其控制第二章第二章 钻井液化学钻井液化学pH值对膨润土基浆表观粘度的影响值对膨润土基浆表观粘度的影响第三节第三节 钻井液酸碱性及其控制钻井液酸碱性及其控制 当当pH值大于值大于9时，表观粘度随时，表观粘度随pH值的升高而剧增。值的升高而剧增。其原因是由于当其原因是由于当pH值升高时，会有更多的值升高时，会有更多的OH被吸附被吸附在粘土晶层的表面，进一步增强表面所带的负电性，在粘土晶层的表面，进一步增强表面所带的负电性，从而在剪切作用下使粘土更容易水化分散。从而在剪切作用下使粘土更容易水化分散。 一、为什么要控制钻井液酸碱性一、为什么要控制钻井液酸碱性

18、一般控制在一般控制在8-118-11范围，较弱的碱性环境范围，较弱的碱性环境原因原因粘土具有适当的分散度粘土具有适当的分散度可以使有机处理剂充分发挥其效能可以使有机处理剂充分发挥其效能 如丹宁类、褐煤类和木质素磺酸盐类处理剂等如丹宁类、褐煤类和木质素磺酸盐类处理剂等 对对钻具腐蚀性低钻具腐蚀性低可可抑制体系中钙、镁盐的溶解抑制体系中钙、镁盐的溶解第三节第三节 钻井液酸碱性及其控制钻井液酸碱性及其控制1 1、碱性主要来源、碱性主要来源: : 钻井液中的钻井液中的OHOH- -、COCO3 32-2-、HCOHCO3 3- -2 2、酸碱性表示方法：、酸碱性表示方法： pHpH值（值（ pH 试纸

19、和试纸和pH计）计） 碱度碱度 碱度的定义：碱度的定义： 用用0.01M0.01M的标准硫酸中和的标准硫酸中和1ml1ml样品至指示剂样品至指示剂变色时所需变色时所需标准硫酸标准硫酸的体积的体积(ml)(ml)定义为定义为碱度碱度。第三节第三节 钻井液酸碱性及其控制钻井液酸碱性及其控制 测定碱度可以确定钻井液体系中悬浮石灰测定碱度可以确定钻井液体系中悬浮石灰Ca(OH)2的量（即储备碱度）。的量（即储备碱度）。 碱度的意义：通过碱度可以判断钻井液的碱度的意义：通过碱度可以判断钻井液的碱碱性来源，从而在调整钻井液酸碱性的同时还能针性来源，从而在调整钻井液酸碱性的同时还能针对性对性的有效清除体系中

20、的有害离子。的有效清除体系中的有害离子。第三节第三节 钻井液酸碱性及其控制钻井液酸碱性及其控制 为了建立统一的标准，为了建立统一的标准，API选用酚酞和甲基橙两种选用酚酞和甲基橙两种指示剂来评价钻井液及其滤液碱性的强弱。指示剂来评价钻井液及其滤液碱性的强弱。 酚酞的变色点为酚酞的变色点为pH=8.3。在进行滴定的过程中，。在进行滴定的过程中，当当pH值降至该值时，酚酞即由红色变无色。值降至该值时，酚酞即由红色变无色。 甲基橙的变色点为甲基橙的变色点为 pH=4.3。当。当pH值降至该值时，值降至该值时，甲基橙由黄色转变为橙红色。甲基橙由黄色转变为橙红色。第三节第三节 钻井液酸碱性及其控制钻井液

21、酸碱性及其控制3 3、碱度分类、碱度分类: :甲基橙碱度甲基橙碱度钻井液的甲基橙碱度（钻井液的甲基橙碱度（MmMm) )滤液的甲基橙碱度滤液的甲基橙碱度 ( (M Mf f) )酚酞碱度酚酞碱度钻井液的酚酞碱度钻井液的酚酞碱度( (PmPm) )滤液的酚酞碱度滤液的酚酞碱度( (P Pf f) )按指示剂按指示剂不同分不同分第三节第三节 钻井液酸碱性及其控制钻井液酸碱性及其控制能使能使pH值降至值降至4.3所需的酸量，被称做甲基橙碱度所需的酸量，被称做甲基橙碱度（Methyl Orange Alkalinity）。）。能使能使pH值降至值降至8.3所需的酸量被称做酚酞碱度所需的酸量被称做酚酞碱

22、度（Phenolphthalein Alkalinity.） OH+ H+ H2OCO3 2 + H+ HCO3酚酞为指示剂，体系滴定变色时（酚酞为指示剂，体系滴定变色时（ pH=8.3 pH=8.3 ）以下反应已基本进行完全以下反应已基本进行完全：而存在于溶液中的而存在于溶液中的HCO3-不参加反应。当继续不参加反应。当继续用用H2SO4溶液滴定，以溶液滴定，以甲基橙为指示剂，体系甲基橙为指示剂，体系滴定变色时（滴定变色时（PH=4.3 PH=4.3 ）除了发生上面的化学）除了发生上面的化学反应，还发生如下反应：反应，还发生如下反应：HCO3 + H+ CO2 + H2O第三节第三节 钻井液

23、酸碱性及其控制钻井液酸碱性及其控制 上一内容 下一内容回主目录O返回ffMP23CO0fP3HCOffMP2/1OH碱性来源判断碱性来源判断第三节第三节 钻井液酸碱性及其控制钻井液酸碱性及其控制钻井液要求钻井液要求 ： Pf =1.3 1.5ml（控制（控制 CO32-和和 HCO3-） M Mf f / /P Pf f 3 3 （控制（控制 CO32-含量）含量）钻井液中钻井液中CO32-和和HCO3- 均为有害离子，影响钻均为有害离子，影响钻井液的流变和降滤失性能，应尽量除去。井液的流变和降滤失性能，应尽量除去。第三节第三节 钻井液酸碱性及其控制钻井液酸碱性及其控制2、 氢氧化钾（氢氧化钾

24、（KOH）1、 烧碱（烧碱（NaOH）KOH K+ + OH有利于有利于井壁稳定井壁稳定第三节第三节 钻井液酸碱性及其控制钻井液酸碱性及其控制NaOH Na+ + OH 3、 纯碱（纯碱（Na2CO3)Na2CO3 2 Na+ + CO32除钙除镁除钙除镁第三节第三节 钻井液酸碱性及其控制钻井液酸碱性及其控制CO32 + H2O HCO3 + OH Ca 2+ + CO32 Ca CO3 HCO3 + H2O H2CO3 + OH NaHCO3 Na+ + HCO3 HCO3 + H2O H2CO3 + OH Ca 2+ + OH + NaHCO3 Ca CO3 + Na+ + H2O 4、

25、碳酸氢钠（碳酸氢钠（NaHCO3)控制钙侵控制钙侵第三节第三节 钻井液酸碱性及其控制钻井液酸碱性及其控制油田化学油田化学第四节第四节 钻井液滤失性及其控制钻井液滤失性及其控制第二章第二章 钻井液化学钻井液化学第四节第四节 钻井液滤失性及其控制钻井液滤失性及其控制（1）钻井液滤失性）钻井液滤失性： 在压差作用下在压差作用下, ,钻井液钻井液中的自由液向地层渗透的现象。中的自由液向地层渗透的现象。一、钻井液滤失性一、钻井液滤失性1 1、相关概、相关概念念（2）钻井液）钻井液滤失量：滤失量： 在一定温度、一定压差在一定温度、一定压差和一定时间内通过一定过滤面积的滤液体积。和一定时间内通过一定过滤面积

26、的滤液体积。 第四节第四节 钻井液滤失性及其控制钻井液滤失性及其控制（3 3）钻井液造壁性）钻井液造壁性 在滤失过程中，随着在滤失过程中，随着钻井液中的自由水进入岩层，钻井液中的固钻井液中的自由水进入岩层，钻井液中的固相颗粒附着在井壁上形成泥饼的性质。相颗粒附着在井壁上形成泥饼的性质。 两者的关系：一般的滤失量少造壁性就好两者的关系：一般的滤失量少造壁性就好2 2、钻井液滤失类型、钻井液滤失类型按是否流动按是否流动动滤失动滤失静滤失静滤失按测试条件按测试条件常规滤失量（常规滤失量（VAPI）高温高压滤失量高温高压滤失量(VHTHP)第四节第四节 钻井液滤失性及其控制钻井液滤失性及其控制钻井液在

27、循环过程中的滤失。钻井液在循环过程中的滤失。钻井液停止循环时发生的滤失。钻井液停止循环时发生的滤失。3、钻井液静、钻井液静滤失方程滤失方程tCCpKAVsmcsf12静静滤失方程：滤失方程：第四节第四节 钻井液滤失性及其控制钻井液滤失性及其控制式中：式中： A-渗滤面积渗滤面积K-泥饼渗透率泥饼渗透率P-渗滤压差渗滤压差Csc-泥饼中固相体积分数泥饼中固相体积分数Csm-钻井液中固相体积分数钻井液中固相体积分数 t-渗滤时间渗滤时间-滤液粘度滤液粘度hptKAVf动动滤失方程滤失方程h滤饼厚度滤饼厚度滤失量与渗滤时间的平方根成正比滤失量与渗滤时间的平方根成正比4 4、滤失量影响因素、滤失量影响

28、因素第四节第四节 钻井液滤失性及其控制钻井液滤失性及其控制（1） 渗滤时间渗滤时间 ttCVf5.7305.73025.730VVVVtCCpKAVsmcsf12 （2 2）压差）压差p p 取决钻井液的性质、泥饼的可压缩性取决钻井液的性质、泥饼的可压缩性PCVftCCpKAVsmcsf12（3）固相含量）固相含量 钻井液固相含量钻井液固相含量C Csmsm越高，泥饼的固相含量越高，泥饼的固相含量C Cscsc越越小，小，滤失量滤失量越小越小。1smscfCCCV钻井液固相含量高，钻速低。因此，只能降低泥饼的固钻井液固相含量高，钻速低。因此，只能降低泥饼的固相含量。优质粘土配浆相含量。优质粘土

29、配浆固相固相颗粒细，水化膜厚颗粒细，水化膜厚Csc小小tCCpKAVsmcsf12滤失量与渗透率的平方根成正比滤失量与渗透率的平方根成正比第四节第四节 钻井液滤失性及其控制钻井液滤失性及其控制（5 5）滤液粘度）滤液粘度（4 4）泥饼渗透率）泥饼渗透率 K K 滤失量与滤液粘度的平方根成反比滤失量与滤液粘度的平方根成反比KCVf1CVftCCpKAVsmcsf12（6 6）温度）温度 温度升高，滤液粘度下降，滤失量增大温度升高，滤液粘度下降，滤失量增大（7 7）渗滤面积）渗滤面积 A ACAVftCCpKAVsmcsf125 5、静滤失量测量、静滤失量测量 24 243 3、0.69MPa0.

30、69MPa、45.8cm45.8cm2 2、30min 30min （实测（实测7.5min) 150 1503 3、3.45MPa3.45MPa、 45.8cm2 （22.9cm22.9cm2 2）、30min30min第四节第四节 钻井液滤失性及其控制钻井液滤失性及其控制V VAPIAPI测试条件：测试条件：V VHTHPHTHP测试条件：测试条件：第四节第四节 钻井液滤失性及其控制钻井液滤失性及其控制二、钻井液滤失性控制二、钻井液滤失性控制1 1、控制滤失性意义、控制滤失性意义 滤失量过大易造成很大危害滤失量过大易造成很大危害 （1 1）井壁不稳定（水敏性泥页岩跨塌、缩径）井壁不稳定（水

31、敏性泥页岩跨塌、缩径） （3 3）泥饼过厚（如起钻具时提力增加、遇）泥饼过厚（如起钻具时提力增加、遇卡、泥包钻头、泥饼卡钻等）卡、泥包钻头、泥饼卡钻等） （2 2）损害油气层）损害油气层2 2、钻井液降滤失剂分类、钻井液降滤失剂分类能降低钻井液滤失量的化学剂能降低钻井液滤失量的化学剂 天然改性（改性褐煤、改性淀粉、改性纤维素）天然改性（改性褐煤、改性淀粉、改性纤维素）人工合成（改性树脂、人工合成（改性树脂、烯类单体聚合物烯类单体聚合物）第四节第四节 钻井液滤失性及其控制钻井液滤失性及其控制降滤失剂分类降滤失剂分类：降滤失剂：降滤失剂：（1 1）改性褐煤（又称改性腐殖酸）改性褐煤（又称改性腐殖酸

32、）腐殖酸分子结构腐殖酸分子结构第四节第四节 钻井液滤失性及其控制钻井液滤失性及其控制褐煤是一种未成熟的煤，燃烧值比较低褐煤是一种未成熟的煤，燃烧值比较低，有效成分是有效成分是腐殖酸，好的褐煤腐殖酸含量可达腐殖酸，好的褐煤腐殖酸含量可达7080。由于分子量较大，一般难溶于水。由于分子量较大，一般难溶于水。H第四节第四节 钻井液滤失性及其控制钻井液滤失性及其控制第四节第四节 钻井液滤失性及其控制钻井液滤失性及其控制 淀粉从谷物或玉米中分离出来，它在淀粉从谷物或玉米中分离出来，它在50以下不以下不溶于水，温度超过溶于水，温度超过55以上开始溶胀，直至形成半透以上开始溶胀，直至形成半透明明凝胶或胶体溶

33、液。凝胶或胶体溶液。 淀粉在淡水、海水和饱和盐水钻井液中均可使用。淀粉在淡水、海水和饱和盐水钻井液中均可使用。淀粉的淀粉的一方面是它吸收水分，减少了钻井一方面是它吸收水分，减少了钻井液中的自由水；另一方面是形成的囊状物可进入泥饼液中的自由水；另一方面是形成的囊状物可进入泥饼的细缝中，从而堵塞水的通路，进一步降低了泥饼的的细缝中，从而堵塞水的通路，进一步降低了泥饼的渗透性。渗透性。（2 2）改性淀粉）改性淀粉第四节第四节 钻井液滤失性及其控制钻井液滤失性及其控制加碱能使淀粉迅速而有效地溶胀。加碱能使淀粉迅速而有效地溶胀。(3) 改性纤维素改性纤维素第四节第四节 钻井液滤失性及其控制钻井液滤失性及

34、其控制 纤维素是一种天然高分子，不溶于水，以纤维素纤维素是一种天然高分子，不溶于水，以纤维素为原料可以制得一系列为原料可以制得一系列钻井液降滤失剂，其中使用最钻井液降滤失剂，其中使用最多的是钠羧甲基纤维素（简称多的是钠羧甲基纤维素（简称CMC）和羟乙基纤维素）和羟乙基纤维素（简称（简称HEC）。）。(4) 改性树脂改性树脂第四节第四节 钻井液滤失性及其控制钻井液滤失性及其控制以酚醛树脂为主体，经磺化或引入其它官能团而制得。以酚醛树脂为主体，经磺化或引入其它官能团而制得。 第四节第四节 钻井液滤失性及其控制钻井液滤失性及其控制（5 5）烯类单体聚合物）烯类单体聚合物 第四节第四节 钻井液滤失性及

35、其控制钻井液滤失性及其控制制备这类聚合物的主要原料有丙烯腈、制备这类聚合物的主要原料有丙烯腈、丙烯酰胺、丙烯酰胺、丙烯酸和丙烯磺酸等。丙烯酸和丙烯磺酸等。常见降滤失剂性能比较：常见降滤失剂性能比较：改性褐煤类：改性褐煤类：K-Hm、Na-Hm热稳定性好，耐温热稳定性好，耐温180 180 耐盐耐钙镁性差耐盐耐钙镁性差改性淀粉类：改性淀粉类：Na-CMS、HES抗盐抗钙能力强抗盐抗钙能力强热稳定性差、易发酵热稳定性差、易发酵第四节第四节 钻井液滤失性及其控制钻井液滤失性及其控制纤维素类：纤维素类： NaCMCNaCMC、HECHEC抗盐抗钙能力强抗盐抗钙能力强热稳定性差热稳定性差树脂类：树脂类：

36、 SMP-SMP-、SMP-SMP-热稳定性好、耐热稳定性好、耐180-200180-200高温高温抗盐性强抗盐性强起泡起泡第四节第四节 钻井液滤失性及其控制钻井液滤失性及其控制烯类单体聚合物：烯类单体聚合物：Na-HPANNa-HPAN、NHNH4 4-HPAN-HPAN热稳定性好、耐热稳定性好、耐160160抗盐能力强抗盐能力强加量小加量小第四节第四节 钻井液滤失性及其控制钻井液滤失性及其控制（2 2）增粘机理）增粘机理增加钻井液滤液粘度增加钻井液滤液粘度（1 1）吸附机理吸附机理 通过氢键吸附到粘土上，增大粘土的通过氢键吸附到粘土上，增大粘土的负电性和水化膜厚度，提高粘土颗粒间斥负电性和

37、水化膜厚度，提高粘土颗粒间斥力，使钻井液保持一定数量的细颗粒，形力，使钻井液保持一定数量的细颗粒，形成致密泥饼成致密泥饼. .第四节第四节 钻井液滤失性及其控制钻井液滤失性及其控制2 2、降滤失剂作用机理、降滤失剂作用机理ptCCKAVmcf12（3 3）捕集机理）捕集机理（4 4）堵塞机理）堵塞机理 高分子无规线团通过架桥而滞留在高分子无规线团通过架桥而滞留在孔隙中的现象。无规线团直径孔隙中的现象。无规线团直径d dc d dc c= =（1/3-11/3-1）孔隙直径孔隙直径d dp pd dc c d dp p , ,无规线团封堵泥饼孔隙入口无规线团封堵泥饼孔隙入口第四节第四节 钻井液滤

38、失性及其控制钻井液滤失性及其控制油田化学油田化学第五节第五节 钻井液流变性及其调整钻井液流变性及其调整第二章第二章 钻井液化学钻井液化学第五节第五节 钻井液流变性及其调整钻井液流变性及其调整是指在外力作用，物质发生流动和变形的特性是指在外力作用，物质发生流动和变形的特性. . 流变性：流变性： 与钻井液流变性有关的钻井问题：与钻井液流变性有关的钻井问题：（3 3）对功率的传递能力即钻井速度）对功率的传递能力即钻井速度（4 4）井壁稳定性、井眼规则和井下安全）井壁稳定性、井眼规则和井下安全（1 1）携带岩屑，井底的冲洗能力和井眼的清洁）携带岩屑，井底的冲洗能力和井眼的清洁（2 2）悬浮岩屑能力与

39、加重材料）悬浮岩屑能力与加重材料钻井液的流态钻井液的流态（各流态之间的过渡流）（各流态之间的过渡流）塞流：塞流：流体象塞状物一样整体移动，各质点流速相等。流体象塞状物一样整体移动，各质点流速相等。即流速为常数。即流速为常数。层流：层流：流体质点呈层状流动，流动的每一层的流速不等，流体质点呈层状流动，流动的每一层的流速不等，都与流动方向平行。都与流动方向平行。流体分层运动，任意流层与流体分层运动，任意流层与相邻流层方向相同，流速不同。相邻流层方向相同，流速不同。紊流：紊流：流体质点呈完全不规则流动。流体质点呈完全不规则流动。流体内形成无数小流体内形成无数小漩涡。任一定点的流速，其大小、方向都在进

40、行漩涡。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。着不规则的、连续的变化。一、基本概念一、基本概念1 1、剪切速率、剪切速率 ：指垂直于流速方向上单位距离上指垂直于流速方向上单位距离上 的流速变化。的流速变化。 =dv/dx s-1第五节第五节 钻井液流变性及其调整钻井液流变性及其调整 在钻井过程中，钻井液在各个部位的剪切速率不同在钻井过程中，钻井液在各个部位的剪切速率不同：沉砂池处：沉砂池处：10 10 20 20 s s-1-1 ；环形空间：环形空间：5050250 250 s s-1-1；钻杆内：钻杆内： 1001001000 1000 s s-1-1 ；钻头喷嘴处：钻

41、头喷嘴处：10000 10000 100000 100000 s s-1-1第五节第五节 钻井液流变性及其调整钻井液流变性及其调整2 2、剪切应力、剪切应力：流体单位面积上的内摩擦力。流体单位面积上的内摩擦力。 = F/A Pa 式中：式中：F 流体的内摩擦力流体的内摩擦力 N A 相邻流动层接触面积相邻流动层接触面积 m2 3、触变性：、触变性： 钻井液搅拌变稀，静止变稠的性质。钻井液搅拌变稀，静止变稠的性质。钻井液表观粘度随剪切速率增大钻井液表观粘度随剪切速率增大而降低的特性而降低的特性 4 4、剪切稀释性、剪切稀释性: :第五节第五节 钻井液流变性及其调整钻井液流变性及其调整3、触变性、

42、触变性l一些非牛顿流体在机械作用下变稀（或变稠），在机械作用消除后则变稠（或变稀）的性质称为触变性。l钻井液具有触变性。是用旋转粘度计测定的。测定时，先将钻井液放在旋转粘度计中在600rmin-1（相当于剪切速率1022s-1）下搅拌10s，然后分别测定钻井液静置10s和10min时在3rmin-1 （相当于剪切速率5.11s-1）下的剪切应力。这两个剪切应力之差可用于表征钻井液的触变性。5、牛顿粘度和表观粘度、牛顿粘度和表观粘度牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律 ：剪切应力（单位面积的摩擦力）与速度梯度剪切应力（单位面积的摩擦力）与速度梯度成正比，成正比，其比例系数为其比例系数为。 牛顿粘度牛顿粘

43、度：/AF符合牛顿内摩擦定律的流体叫牛顿流体符合牛顿内摩擦定律的流体叫牛顿流体。水、酒精水、酒精等大多数纯液体、轻质油、低分子化合物溶液以及等大多数纯液体、轻质油、低分子化合物溶液以及低速流动的气体等均为牛顿流体。低速流动的气体等均为牛顿流体。不符合牛顿内摩擦定律的流体叫非牛顿流体。不符合牛顿内摩擦定律的流体叫非牛顿流体。 高分高分子聚合物的浓溶液和悬浮液一般为非牛顿流体。大子聚合物的浓溶液和悬浮液一般为非牛顿流体。大多数钻井液为非牛顿流体。多数钻井液为非牛顿流体。对于非牛顿流体：对于非牛顿流体：/AV表观粘度表观粘度 AV ：剪切应力剪切应力与对应剪切速率与对应剪切速率的比值。的比值。 （1

44、）牛顿流体）牛顿流体 7、流变模式：、流变模式：描述描述与与关系的数学关系式关系的数学关系式6 6、流变曲线：、流变曲线：描述描述与与关系的曲线关系的曲线 1 1、宾汉模式、宾汉模式 = d + pv d ：动切力或屈服值，动切力或屈服值，Pa pv ：塑性粘度，塑性粘度， Pa.s 第五节第五节 钻井液流变性及其调整钻井液流变性及其调整二、流变模式二、流变模式d 宾汉（宾汉（BinghamBingham）流体流变曲线）流体流变曲线 = d + pv 第五节第五节 钻井液流变性及其调整钻井液流变性及其调整静切力静切力动切力动切力 静止静止 塞流塞流 塞流塞流-层流层流 层流层流 紊流紊流（1

45、1）塑性粘度塑性粘度pvpv 反映流体在层流下达到动平衡时，反映流体在层流下达到动平衡时，固相颗粒之间、固相颗粒与液相之间以固相颗粒之间、固相颗粒与液相之间以及液相内部内摩擦力的大小。及液相内部内摩擦力的大小。第五节第五节 钻井液流变性及其调整钻井液流变性及其调整 物理意义物理意义 影响因素影响因素A、固相含量多固相含量多固相颗粒数目多固相颗粒数目多塑性粘度塑性粘度pv大大B、固相分散度大固相分散度大 固相表面积大固相表面积大 塑性粘度塑性粘度pv 大大C C、液相粘度大、液相粘度大内摩擦力大内摩擦力大 塑性粘度塑性粘度pvpv 大大第五节第五节 钻井液流变性及其调整钻井液流变性及其调整调整调

46、整 增加增加 pv 加预水化粘土加预水化粘土 加增粘剂加增粘剂增粘机理增粘机理极性基团水化，降低自由水极性基团水化，降低自由水与与粘土形成网架结构粘土形成网架结构在在粘土表面吸附，增加粘土体积分数粘土表面吸附，增加粘土体积分数(提高其流动阻力）提高其流动阻力）第五节第五节 钻井液流变性及其调整钻井液流变性及其调整降低降低 pv加水稀释加水稀释第五节第五节 钻井液流变性及其调整钻井液流变性及其调整使用固控设备使用固控设备使用化学絮凝剂使用化学絮凝剂（2 2）动切力）动切力d d物理意义：钻井液在层流状态下达到动平衡物理意义：钻井液在层流状态下达到动平衡时形成网架结构的强弱。时形成网架结构的强弱。

47、 影响因素影响因素 A A、固相含量大固相含量大结构数目多结构数目多 动切力动切力d d大大B B、固相分散度大固相分散度大 固相颗粒数量多固相颗粒数量多 动切力动切力d d大大 C C、加入降粘剂加入降粘剂动切力动切力d d 降低降低 第五节第五节 钻井液流变性及其调整钻井液流变性及其调整增加增加d d 降低降低d第五节第五节 钻井液流变性及其调整钻井液流变性及其调整 调整调整 加预水化粘土加预水化粘土加高分子聚合物加高分子聚合物加适量的电解质（加适量的电解质（压缩双电层压缩双电层 网架结构）网架结构） 加降粘剂加降粘剂加水稀释加水稀释消除引起消除引起d d升高的电解质升高的电解质 = Kn

48、 （0 n 1） K 稠度系数，稠度系数，PaSn n 流性指数流性指数第五节第五节 钻井液流变性及其调整钻井液流变性及其调整 2 2、幂律模式、幂律模式 0 幂律流体（幂律流体（n n1 1）的流变曲线）的流变曲线（1 1）流性指数流性指数n n 物理意义：一、反映流体的结构强度，结构越强，物理意义：一、反映流体的结构强度，结构越强，n n越小。越小。二、反映二、反映钻井液偏离牛顿流体的程度钻井液偏离牛顿流体的程度， n n越小越小,越偏离牛顿越偏离牛顿流体。流体。（2 2）稠度系数稠度系数K K 物理意义：反映钻井液物理意义：反映钻井液内部内摩擦力的大小。内部内摩擦力的大小。= Kn1/2

49、 =C 1/2+ 1/21/2C 卡森动切力卡森动切力 卡森的极限粘度卡森的极限粘度第五节第五节 钻井液流变性及其调整钻井液流变性及其调整3 3、卡森模式、卡森模式1/21/20卡森（卡森（KassonKasson）流体的流变曲线）流体的流变曲线 物理意义：反映钻井液网架结构的强弱物理意义：反映钻井液网架结构的强弱 物理意义：反映钻井液内摩擦力的强弱物理意义：反映钻井液内摩擦力的强弱第五节第五节 钻井液流变性及其调整钻井液流变性及其调整(1)卡森屈服值卡森屈服值c(2)极限剪切粘度极限剪切粘度影响因素与调整：同影响因素与调整：同0 影响因素与调整：同影响因素与调整：同p1/2 =C 1/2+

50、1/21/2宾汉模式的局限性：宾汉模式的局限性： 适合在中剪切速率适合在中剪切速率 范围描述钻井液的流变性范围描述钻井液的流变性第五节第五节 钻井液流变性及其调整钻井液流变性及其调整幂律模式的局限性：幂律模式的局限性： 适合在低、中剪切速率描述钻井液的流变性适合在低、中剪切速率描述钻井液的流变性卡森模式卡森模式的优点的优点： 在低剪切区和中剪切区有较好的精确度，在低剪切区和中剪切区有较好的精确度，还可以利用低、中剪切区的测定结果预测还可以利用低、中剪切区的测定结果预测高剪切速率下的流变特性高剪切速率下的流变特性第五节第五节 钻井液流变性及其调整钻井液流变性及其调整根据流变曲线将流体划分为四种流

51、型：根据流变曲线将流体划分为四种流型：（1）牛顿流体）牛顿流体 （2）假塑性流体）假塑性流体 n1 nKpvdnK 1、漏斗粘度计、漏斗粘度计 漏斗容积：750ml三、流变参数测量三、流变参数测量原理：测定一定钻井液（原理：测定一定钻井液（ 500ml ）从漏斗下端流出所从漏斗下端流出所需的时间。需的时间。2、范氏六速粘度计、范氏六速粘度计 测量原理测量原理: (1) 剪切速率剪切速率与转子转速与转子转速n成正比：成正比： = 1.703n s-1 n 600 300 200 100 6 3 1022 511 340.7 170.3 10.22 5.11 (2) 剪切应力与粘度计读数剪切应力与

52、粘度计读数成正比：成正比： = 0.511 Pa3 3、流变参数计算、流变参数计算（1）宾汉模式宾汉模式300600300600pv5111022)(511. 0300600330060010)(Pa.s300600mPa.spvd塑性粘度塑性粘度pv = 0.511 Papvd600600pv102210)(511.03300600600)2(511. 0600300)(511.0300pvPa)(511.0)(10221600Pas动切力动切力pvdAV表观粘度表观粘度 AV ：无特殊说明，无特殊说明， AV是指是指=1022 s-1时的时的 AV（n=600）smPasPa.21.102

53、11022511. 010226003600600600（2）幂律模式1212lglglglgn300600lg322.3nnnnK511511. 0300300300nKKlglglgnK nK100200lg322.3nnnnK170511. 010010010036lg322.3nnnnK11. 5511. 0333（3）卡森模式）卡森模式2100600)(428. 12600100)6(2432. 0c 用范氏粘度计测得某钻井液在用范氏粘度计测得某钻井液在600、300、200、100、6、3六种转速下的刻度盘度数分别六种转速下的刻度盘度数分别为为38、28、22、17、5.5、4.5

54、，试求：，试求：（1）钻井液的表观粘度、塑性粘度、动切力。）钻井液的表观粘度、塑性粘度、动切力。（2）三组转速下的流性指数和稠度系数。）三组转速下的流性指数和稠度系数。（3）剪切速率为）剪切速率为650s-1时时,钻井液的表观粘度、钻井液的表观粘度、塑性粘度、动切力。塑性粘度、动切力。1 1、为什么要调整钻井液的流变性、为什么要调整钻井液的流变性（1 1）粘度和切力过大，粘度和切力过大，影响钻井速度、泥影响钻井速度、泥包钻头、岩屑在地面不易除去、钻井液脱气包钻头、岩屑在地面不易除去、钻井液脱气困难等困难等（主要指调整钻井液的粘度和切力）（主要指调整钻井液的粘度和切力）第五节第五节 钻井液流变性

55、及其调整钻井液流变性及其调整（2）粘度和切力过小，影响钻井液携屑和）粘度和切力过小，影响钻井液携屑和井壁稳定等井壁稳定等2 2、调整钻井液粘度和切力的方法、调整钻井液粘度和切力的方法根据测量实验结果判断粘度和切力偏高还是偏低根据测量实验结果判断粘度和切力偏高还是偏低偏高偏高 减少体系的固相含量、加降粘剂减少体系的固相含量、加降粘剂偏低偏低 增加体系的固相含量、加增粘剂增加体系的固相含量、加增粘剂流变性调整剂：调整钻井液粘度和切力的化学物质流变性调整剂：调整钻井液粘度和切力的化学物质第五节第五节 钻井液流变性及其调整钻井液流变性及其调整3 3、降粘剂、降粘剂 钻井液增稠的主要原因钻井液增稠的主要

56、原因（1）钻井液体系的无用固相）钻井液体系的无用固相（2）粘土粒子联结形成空间网架结构及）粘土粒子联结形成空间网架结构及高分子高分子与粘土颗粒间形成网状结构与粘土颗粒间形成网状结构使大量自由水束缚使大量自由水束缚不能自由移动不能自由移动第五节第五节 钻井液流变性及其调整钻井液流变性及其调整第五节第五节 钻井液流变性及其调整钻井液流变性及其调整粘土粒子联结形成空间网架结构粘土粒子联结形成空间网架结构第五节第五节 钻井液流变性及其调整钻井液流变性及其调整粘土粒子联结形成空间网架结构被拆开粘土粒子联结形成空间网架结构被拆开（1）改性单宁）改性单宁第五节第五节 钻井液流变性及其调整钻井液流变性及其调整

57、第五节第五节 钻井液流变性及其调整钻井液流变性及其调整（2）改性木质素磺酸盐）改性木质素磺酸盐第五节第五节 钻井液流变性及其调整钻井液流变性及其调整铁铬木质素磺酸盐铁铬木质素磺酸盐(FCLS)（1 1）泡沫问题）泡沫问题第五节第五节 钻井液流变性及其调整钻井液流变性及其调整（2）环境问题（铬）环境问题（铬） 铁、锆、钛木质素磺酸盐铁、锆、钛木质素磺酸盐铁铬木质素磺酸盐使用问题：铁铬木质素磺酸盐使用问题：研制替代产品研制替代产品 通过结构中的羟基与粘土表面的羟基形成氢通过结构中的羟基与粘土表面的羟基形成氢键吸附在粘土颗粒表面键吸附在粘土颗粒表面,水化基团在水中电离水化基团在水中电离,形形成扩散双

58、电层成扩散双电层,提高了粘土颗粒表面负电和水化提高了粘土颗粒表面负电和水化层厚度层厚度,拆散粘土颗粒连接所产生的结构拆散粘土颗粒连接所产生的结构,降低了降低了钻井液的粘度和切力。钻井液的粘度和切力。第五节第五节 钻井液流变性及其调整钻井液流变性及其调整上述两种降粘剂作用机理上述两种降粘剂作用机理:(3) (3) 烯类单体低聚物（分子量烯类单体低聚物（分子量2000-60002000-6000）第五节第五节 钻井液流变性及其调整钻井液流变性及其调整聚合物类降粘剂作用机理聚合物类降粘剂作用机理: :第五节第五节 钻井液流变性及其调整钻井液流变性及其调整 在聚合物钻井液中在聚合物钻井液中, ,低聚物

59、通过竞争吸附使吸低聚物通过竞争吸附使吸附在粘土颗粒表面的聚合物解吸下来，破坏聚合附在粘土颗粒表面的聚合物解吸下来，破坏聚合物和粘土颗粒形成的结构物和粘土颗粒形成的结构 通过氢键或阳离子链节吸附在粘土颗粒表面通过氢键或阳离子链节吸附在粘土颗粒表面, ,水化基团通过增加粘土颗粒表面负电和水化层厚水化基团通过增加粘土颗粒表面负电和水化层厚度度, ,拆散粘土颗粒连接所产生的结构拆散粘土颗粒连接所产生的结构4 4、增粘剂、增粘剂（1 1）纤维素）纤维素第五节第五节 钻井液流变性及其调整钻井液流变性及其调整(2)(2)正电胶正电胶第五节第五节 钻井液流变性及其调整钻井液流变性及其调整 混合金属盐溶液逐步用

60、沉淀剂将金属混合金属盐溶液逐步用沉淀剂将金属离子沉淀出来所配得的增粘剂。离子沉淀出来所配得的增粘剂。 第五节第五节 钻井液流变性及其调整钻井液流变性及其调整 分子链中极性基团水化和分子链之间的分子链中极性基团水化和分子链之间的互相纠缠，对钻井液的水起稠化作用互相纠缠，对钻井液的水起稠化作用 增粘作用机理增粘作用机理: : 通过吸附，增加粘土颗粒体积，提高流动通过吸附，增加粘土颗粒体积，提高流动阻力阻力 通过桥接，在粘土颗粒间形成结构，产通过桥接，在粘土颗粒间形成结构，产生结构粘度生结构粘度第五节第五节 钻井液流变性及其调整钻井液流变性及其调整油田化学油田化学第六节第六节 钻井液中的固相及其含量