第三章钻井液性能及其控制

1、第一节第一节 钻井液密度及其调整钻井液密度及其调整 钻井液密度定义钻井液密度定义 钻井液密度测量钻井液密度测量 钻井液的调整钻井液的调整第一节第一节 钻井液密度及其调整钻井液密度及其调整1、定义：单位体积钻井液的质量。g/cm3, kg/m31 g/cm3 = 1000 kg/m3（1）影响井下安全（井喷、井漏、井塌和卡钻等）（2）与油气层损害有关（3）影响到钻井速度g/cm3（1）提高方法：加入高密度材料（2）钻井液加重材料高密度不溶性矿物或矿石粉末高密度的可溶性盐类表表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酸溶性酸溶性重晶石重晶石BaSO44

2、.2-4.6石灰石石灰石CaCO32.7-2.9酸溶酸溶铁矿粉铁矿粉Fe2O34.9-5.3酸溶酸溶钛铁矿粉钛铁矿粉TiO2.Fe2O34.5-5.1酸溶酸溶方铅矿方铅矿PbS7.4-7.7酸溶酸溶水溶性盐水溶性盐饱和盐水密度饱和盐水密度g/cm3KCl 1.16(20) NaCl1.20 (20) CaCl21.40 (60) CaBr21.80 (10) ZnBr22.3 0(40) 表表2 可溶性盐类加重材料可溶性盐类加重材料例例: 设某钻井液加重前密度为1 ，体积为V1，加重后密度为2 ，体积为V2，试求密度为的加重剂用量？) 1 (1122mVV)2(12mVV)3(2112VV)4

3、()(12VVm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V2，计算出应保留的原浆体积V1，然后由（4）计算加重剂用量。例：使用重晶石将例：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1.32g/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，求重晶石的用量解：2112 VV)38.12 .4()32.12 .4(2003255.204m)(12VVm10002 . 4)200255.204(kg178

4、71m31221 VV32.12.438.12.420038 .195m)(12VVm10002 . 4)8 .195200(kg17500降低钻井液固相含量（机械+化学絮凝）加水稀释（增加处理剂用量和钻井液费用）混油（影响地质录井和测井解释）充气（需额外设备）1、粘土在钻井液中的分散程度2、钻井液处理剂使用效果3、钻井液流变性和滤失造壁性4、井眼稳定5、钻具的腐蚀钻井液酸碱性大小与下列问题密切相关：1、PH值表示法值表示法 测量PH值有两种方法，一种是PH试纸，另一种是使用PH计，后者测量精度高。（2）钻井对钻井液）钻井对钻井液PH值要求值要求原因如下：可以使有机处理剂充分发挥其效能对钻具腐

5、蚀性低可抑制钙、镁盐在体系中的溶解 要求： 一般控制在（8-11）范围，即维持在一个较弱的碱性环境。（3）PH值法缺点值法缺点 钻井液维持碱性的无机离子除了OH-外，还可能有HCO3-和CO32-等离子，PH值不能反映钻井液中这些离子的种类和类型。2、碱度表示法、碱度表示法（1）碱度：指用0.02N的标准硫酸中和1ml样品至酸碱指示剂变色时所需要的毫升数。表示样品中和酸的能力。酚酞酚酞碱度碱度：以酚酞为指示剂，滴定样品使其PH值降至8.3所需要的酸量（酚酞变色点为PH=8.3, 颜色由红色变为无色）。甲基橙甲基橙碱度碱度：以甲基橙为指示剂，滴定样品使其PH值降至4.3所需要的酸量（甲基橙变色点

6、为PH=4.3, 颜色黄色变为橙红色). 酚酞碱度：以酚酞为指示剂，用酸滴定样品由红色变为无色，以下反应进行完全，消耗盐酸体积为V1 ： OH-+H+=H2O CO32-+H+=HCO3-甲基橙碱度：甲基橙碱度：在测定完酚酞碱度的样品中加入甲基橙指示剂溶液2-3滴，用酸滴定至水样呈橙红色，记录消耗盐酸的体积为V2 （不包括滴定酚酞碱度消耗的酸量），此时起如下反应：OHCOHHCO22321VVOH23CO和21VV3HCO23CO和21VV23CO0,021VV3HCO0,021VVOH3HCO1、烧碱（NaOH）4、碳酸氢钠（NaHCO3)2、氢氧化钾（KOH）3、纯碱（Na2CO3)233

7、2CONCONaaOHHCOOHCO3223OHCOHOHHCO3223 钻井液含砂量是指钻井液中不能通过200目筛网，即粒径大于74m的砂粒占钻井液总体积的百分数。钻井液含砂量越小越好，一般要求控制在0.5%以下。（1）使钻井液密度增大，对提高钻速不利 （2）形成的泥饼松软，滤失量大，不利于井壁稳定，影响固井质量； （3）泥饼中粗砂粒含量过高会使泥饼的摩擦系数增大，容易造成压差卡钻； （4）增加对钻头和钻具的磨损，缩短使用寿命。 充分利用震动筛和除砂器等固控设备。1、测量仪器 钻井液含砂量用一种专门设计的含砂量测定仪进行测定。该仪器由一个带刻度的类似于离心试管的玻璃容器和一个带漏斗的筛网筒组

8、成，所用筛网为200目。（1）将一定体积的钻井液注入玻璃容器中，然后注入清水至刻度线。（2）用力振荡后将容器中的流体倒入筛网筒过筛然后将漏斗套在筛网筒上反转，漏斗嘴插入玻璃容器。（3）将不能通过筛网的砂粒用清水冲入玻璃容器中，待砂粒全部沉淀后读出体积刻度，由下式求出钻井液含砂量N：%100钻井液砂粒VVN 膨润土作为钻井液造浆材料，在提粘切、降滤失等方面起着重要作用，但其用量又不易过大，因此，在钻井液中必须保持适宜的膨润土含量。使用亚甲基蓝法测出钻井液的阳离子交换容量(CEC)，然后通过计算确定钻井液中膨润土的含量。（1）用不带针头的注射器量取1mL钻井液，放入适当大小的锥形瓶中，加入10mL

9、水稀释。为消除有机处理剂的干扰，加入15mL3%的H2O2和0.5mL浓度为2.5M的释H2S04，缓缓煮拂10min，然后用水稀释到50mL。(2) 以每次0.5mL亚甲基蓝标准溶液（0.01M）加入到锥形瓶中，然后旋摇30s，在固体悬浮的状态下，用搅拌棒取一滴液体放在滤纸上，观察染色的钻井液固相周围有无兰色环出现，若无兰色环出现，重复以上操作。一旦发现兰色环，摇荡锥形瓶2min，再放1滴在滤纸上，如色圈仍不消失，即达到滴定终点，如图1-5所示。此时，所消耗的亚甲基蓝标准溶液的毫升数即为钻井液的阳离子交换容量(CEC)。亚甲基蓝滴定终点的点滴试验mcCECf)(3.14Lgfc/钻井液中膨润

10、土含量，式中：量钻井液的阳离子交换容mCEC)(钻井液中全部固相体积占钻井液总钻井液中全部固相体积占钻井液总体积的百分数。体积的百分数。 固相含量的高低以及这些固相颗粒的类型、尺寸和性质均对钻井时的井下安全、钻井速度及油气层损害程度等有直接的影响。因此，在钻井过程中必须对其进行有效的控制。有用固相：有用固相：配浆粘土、加重材料。无用固相：无用固相：钻屑。活性固相：活性固相：容易发生水化作用的固相，如膨润土。惰性固相：惰性固相：水化作用弱的固相，如钻屑和重晶石。 在钻井过程中，过高的固相含量往往对井下安全造成很大的危害，其表现主要有以下几个方面：1、使钻井液粘度、切力偏高，流动性和携岩效果变差2

11、、使井壁上形成厚的泥饼，摩擦系敷大，容易造成起下钻遇阻和粘附卡钻3、泥饼质量不好会使钻井液滤失量增大，造成井径缩小，井壁剥落或坍塌4、对油气层损害加大，油井产能下降5 5、固相含量越大，钻速越低A、当固相含量为零(即清水钻进)时钻速为最高。B、随着固相含量增大钻速显著下降，特用是在较低固相含量范围内钻速下降更快，在固相含量超过10%(体积分数)之后，对钻速的影响就相对较小了。室内模拟实验结果还表明，钻井中小于1m的亚微米颗粒要比大于1 m的颗粒对钻速的影响大12倍。因此，如果钻井液中小于1 m的亚微米颗粒越多，所造成钻速下降的幅度就越大。钻井液固相含量测定仪采用蒸馏的方法使钻井液固液分离，液相

12、体积可由带刻度的接收器直接读出，固相体积为钻井液体积和液相体积的差值。1、沉降法：在钻井液粘切较高时，效率低。2、稀释法：在降低固相含量的同时也降低了其它 有用成分的含量。3、机械设备法：振动筛、除砂器、除泥器、离心机。4、化学法：使用絮凝剂（把小颗粒絮凝成大颗粒， 以便被固控设备清除。钻井液滤液分析就是测定钻井液滤液中各种离子的含量。 在钻遇岩盐层或盐水层过程中，NaCl等无机盐进入到钻井液后会在不同程度上对钻井液造成污染，破坏其性能。因此，需要对钻井液滤液中的Cl-离子浓度进行检测。 以K2CrO4为指示剂，用硝酸银滴定法对钻井液滤液进行滴定，钻井液中的Cl-和硝酸银溶液Ag+发生反应生成

13、AgCl沉淀，即：由于AgCl的溶度积常数远远小于Ag2CrO4，只有等到上面的反应进行完全后，少过量的Ag+才会和指示剂中的CrO42-发生如下反应生成橘红色橘红色的Ag2CrO4沉淀。滴定过程中溶液颜色由黄色变为橘红色，就是滴定终点。试验中用硝酸银浓度一般为0.0282M，若钻井液滤液中的Cl-离子浓度用mg/L表示，可用下式计算其大小：VVcCl3AgNO1000LmgCc/lCl含量，滤液中式中：L3AgNOmV的体积，滴定中消耗硝酸银溶液LmV滤液体积，如果Cl-完全是由NaCl电离产生的，则滤液中的NaCl含量可由下式计算：ClNaCl65.1ccLmgNaClcNaCl/含量，滤

14、液中的式中：LmgCc/lCl含量，滤液中Ca2+和Mg2+均为二价阳离子，与一价的Na+相比，在相同浓度下它们对钻井液的稳定性和性能会造成更大的影响。除钙处理钻井液外，它们在其它类型钻井液中都是应尽可能清除的污染物。 (1)某些地区的配浆水中含有较高浓度的Ca2+和Mg2+ ，通常称这样的水为硬水，并称Ca2+和Mg2+的总质量浓度为水的硬度。 (2)在钻遇石膏或盐膏地层时，随着膏盐的溶解， Ca2+也不可避免地会进入钻井液中。 (3)在钻水泥塞过程中，来自水泥中的钙会对钻井液造成一定的污染。 钻井液中Ca2+和Mg2+的含量通常采用EDTA（己二胺四乙酸的二钠盐）滴定法进行测定。EDTA是用于络合滴定的一种常用试剂其测量厚理：EDTA遇到Ca2+和Mg2+后，立即生成EDTA螯合物由于其螯环结构十分稳定，因此相当于从溶液中清除了这两种离子。EDTA与Ca2+的反应可用下式表示： 在滴定中，EDTA标准溶掖的浓度为0.02N，所使用指示剂为一种常见染料铬黑T。在溶液中有Ca2+和Mg2+两种离子共存的情况下，EDTA先与Ca2+生成螯合物。待Ca 2 +反应完全后，才与Mg2+生成螯合物，一直到溶液中的Mg2+耗尽时，溶液颜色将由酒红色变为蓝色，表示巳达到反应终点。根据滴定中消耗的E