钻井液工艺原理第一张概论计划4学时

钻井液工艺学为什么学习钻井液？钻井的目的：1.建立油气资源的输出通道。2.获取地下岩石和油气水的相关信息。钻井必需的流体——钻井液油井的命脉——钻井的血液讲授主要内容：钻井液概论、粘土矿物及胶体化学基础、钻井液性能、钻井液配浆材料与处理剂、不同类型的钻井液体系、钻井液固相控制、对付井下复杂情况的钻井液技术、保护油气层的钻井液技术、钻井液技术发展趋势等

1、定义:钻井液（drillingfluid)：油气钻井过程中以其多种功能满足钻井工作需要的各种循环流体。泥浆(Mud)。第一节钻井液定义及组成2、组成分散介质分散相钻井液处理剂第一章概论泥浆泵地面高压管汇立管水龙头方钻杆钻杆钻铤钻头钻柱与井壁形成的环形空间从井口返出，流经固控设备进行处理，清除钻屑钻井液循环系统：钻井液流经的各种管线和设备循环流程：泥浆罐水龙带第二节钻井液循环及功能一、钻井液循环流程1-Mudtank

泥浆罐2-Shaleshakers

振动筛3-Suctionline(mudpump)入口管线（泥浆泵）4-Mudpump

泥浆泵5-Motororpowersource

电机或电源6-Vibratinghose

振动软管7-Draw-works

绞车8-Standpipe

立管9-Kellyhose

方钻杆软管10-Goose-neck

鹅颈管11-Travelingblock

游动滑车12-Drillline

大绳13-Crownblock

天车14-Derrick

井架15-Monkeyboard

二层台，猴台16-Stand(ofdrillpipe)立柱（钻杆）17-Piperack(floor)管架18-Swivel(OnnewerrigsthismaybereplacedbyaTopDrive)水龙头（新钻机用顶驱代替）19-Kellydrive

方钻杆20-Rotarytable

转盘21-Drillfloor

钻台22-Bellnipple

导向短节（防喷器顶部）23-Blowoutpreventer(BOP)Annular防喷器环空24-Blowoutpreventers(BOPs)Piperam&Blindram防喷器（闸板和全封闭闸板）25-Drillstring

钻柱26-Drillbit

钻头27-Casinghead

套管头28-Flowline

回流管

携带作用：钻井液循环时，通过其本身的循环，将井底被钻头破碎的岩屑携至地面，以保持井眼清洁，使起下钻畅通无阻，并保证钻头在井底始终接触和破碎新地层，不造成重复切削，保持安全快速钻进。1．清洗井底、携带和悬浮岩屑二、钻井液的功能悬浮作用：在接单根、起下钻或因故停止循环时，钻井液又将井内的钻屑悬浮在钻井液中，使钻屑不会很快下沉，防止沉砂卡钻等情况的发生。2．稳定井壁

钻井液压力地层压力钻井液井壁稳定井壁的原理（1）选择合适的钻井液密度：使液柱压力能够平衡地层压力，从而防止井塌等井下复杂情况的发生。（2）钻井液具有良好的滤失造壁性能：在井壁上形成一层薄而韧的泥饼，以稳固已钻开的地层并阻止液相侵入地层，减弱泥页岩水化膨胀和分散的程度。3．冷却和润滑钻头、钻具1、通过钻井液不断地循环作用，将这些热量及时带走。热量来源冷却和润滑机理1、井底温度高2、钻头与井底岩石/钻柱与井壁摩擦而产生热量2、利用钻井液良好的润滑作用，降低摩擦

4．传递水动力（1）直接破碎岩石：钻井液在钻头喷嘴处以极高的流速冲击井底，从而提高了钻井速度和破岩效率。高压喷射钻井正是利用了这一原理，即采用高泵压钻进，使钻井液所形成的高速射流对井底产生强大的冲击力，从而显著地提高钻速。（2）带动井下工具：在使用涡轮或螺杆钻具钻进时，钻井液由钻杆内以较高流速流经涡轮叶片或螺杆转子，使涡轮或螺杆旋转并带动钻头破碎岩石。等5．获取地层信息

通过钻井液携带出的岩屑，可以获取地层许多信息，如油气显示、地层物性

1、钻井液密度（1）定义：单位体积钻井液的质量。g/cm3t/m3

（2）对钻井的影响a影响井下安全（井喷、井漏、井塌和卡钻等）b与油气层损害有关c影响钻井速度一、钻井液密度及其测试和调整第三节钻井液性能及其测试2、钻井液密度的测试

钻井液比重称1-称杆；2-主刀口；3-泥浆杯；4-杯盖；5-校正筒；6-游码；

7-底座；8-主刀垫；9-档壁3、钻井液密度调整1、提高钻井液密度（1）方法：加入高密度材料（2）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1高密度不溶性矿物或矿石酸溶4.5-5.1TiO2.Fe2O3钛铁矿粉酸溶7.4-7.7PbS方铅矿酸溶4.9-5.3Fe2O3铁矿粉酸溶2.7-2.9CaCO3石灰石4.2-4.6BaSO4重晶石酸溶性密度g/cm3分子式名称1.80(10℃)

CaBr22.30(40℃)

ZnBr21.40(60℃)

CaCl21.20(20℃)

NaCl1.16(20℃)

KCl饱和盐水密度g/cm3水溶性盐表2可溶性盐类加重材料2、降低钻井液密度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、钻井液酸碱性表示方法（1）pH值表示法钻井液对pH值要求：一般控制在（8-11）范围，即维持在一个较弱的碱性环境。原因：预防因氢脆引起的套管与钻具的腐蚀可以使有机处理剂充分发挥其效能对钻具腐蚀性低可抑制体系中钙、镁盐的溶解二钻井液酸碱性及其测试和调整pH值对膨润土基浆表观粘度的影响分散钻井液pH值大于10石灰钙处理钻井液pH值11~12石膏钙处理钻井液pH值9.5~10.5聚合物钻井液pH值8左右用pH试纸或pH计测量pH值（2）碱度表示法（a）碱度：指溶液或悬浮体系对酸的中和能力。

用0.01mol/L的标准硫酸中和1ml样品至酸碱指示剂变色时所需要的体积（单位：毫升）。用Pm、Pf

、Mm、Mf

表示各种碱度pH值法缺点：pH值不能反映维持钻井液碱性的离子种类和类型。

CO32-HCO3-优点:

较方便地确定钻井液滤液中的OH-

、CO32-

、

HCO3-含量

可以确定钻井液体系中悬浮石灰的量（储备碱度）（b）碱度的测定①酚酞碱度：用0.01mol/L的标准硫酸中和1ml样品至酚酞指示剂变色时所需要的体积（单位：毫升）。以酚酞为指示剂，用硫酸滴定样品由红色变为无色，体系中以下反应进行完全：

OH-+H+=H2OCO32-+H+=HCO3-②甲基橙碱度：用0.01mol/L的标准硫酸中和1ml样品至甲基橙指示剂变色时所需要的体积（单位：毫升）。加入甲基橙指示剂，用硫酸滴定至样呈橙红色，此时体系发生如下反应：OH-+H+=H2OCO32-+H+=HCO3-储备碱度：钻井液中未溶石灰构成的碱度。储备碱度通常用体系中未溶Ca(

OH)2的含量来表示，用测得的Pf、Pm计算。储备碱度（kg/m3）=0.742（Pm

-

fwPf

）fw----钻井液中水的体积分数。钙处理钻井液的储备碱度一般为3~6kg/m3。例：某钻井液固相含量测定实验中测得固含10%，油含5%；又在碱度测定实验中测得钻井液滤液的酚酞碱度为1.1ml、甲基橙碱度为1.3ml，又测得钻井液的酚酞碱度为7.0ml。求此钻井液储备碱度。解：Pm=7.0；fw=1-10%-5%=85%；Pf=1.1

储备碱度=0.742（Pm-fwPf

）

=0.742（7.0-0.85×1.1）

=4.500（kg/m3）钻井液中CO32-和HCO3-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。钻井液滤液的甲基橙碱度（Mf

）/酚酞碱度（Pf）之比表示它们的污染程度。Mf/Pf=3表明CO32-较高，出现CO32-污染；Mf/Pf≥5表明出现严重CO32-污染；一般钻井液、海水钻井液Pf=1.3~1.5ml饱和盐水保持Pf1ml以上深井抗高温严格控制CO32-含量，Mf/Pf＜3要求：2、钻井液酸碱性的调整(2)氢氧化钾（KOH）(1)烧碱（NaOH）(3)纯碱（Na2CO3)NaOH

→Na++OH－

KOH

→K++OH－Na2CO3→2Na++CO32－CO32－+H2O

→HCO3－+OH－HCO3－+H2O→H2CO3+OH－Ca2++CO32－→CaCO3↓

NaHCO3→Na++HCO3－

HCO3－+H2O→H2CO3+OH－

Ca2++

OH－+

NaHCO3→CaCO3↓+Na+

+H2O(4)碳酸氢钠（NaHCO3)三、

钻井液滤失造壁性1、滤失、造壁性概念:在压力差作用下，钻井液中的自由水向井壁孔隙或裂缝渗透，钻井液中的固相颗粒附着在井壁上形成泥饼的过程。随着泥饼的不断加厚以及在压差作用下被压实，泥饼对裸眼井壁起到有效稳定和保护作用，这是钻井液的造壁性。与钻井液滤失造壁性有关的钻井问题：1、井壁稳定2、油气层保护3、钻井速度4、井下安全2、滤失类型（3）静滤失：钻井液停止循环时发生的滤失。（1）瞬时滤失：钻井液与新地层接触的瞬间，泥饼尚未形成时的滤失。（2）动滤失：钻井液在循环过程中的滤失。1-压力表；2-通气阀；3-钻井液；4-滤饼；5-滤纸；6-量筒；7-滤液3、滤失量的测试常规滤失量、高温高压（HTHP）滤失量四、钻井液流变性及其测试钻井液流变性（RheologicalPropertiesofDrillingFluids）是指在外力作用下，钻井液发生流动和变形的特性，其中流动是主要的方面。该特性通常用钻井液的流变曲线和塑性粘度（PlasticViscosity）、动切力（YieldPoint）、静切力（GelStrength）、表观粘度（ApparentViscosity）等流变参数来进行描述的。与钻井液流变性有关的钻井问题：（1）携带岩屑，保证井底和井眼的清洁；钻井液的主要功能之一就是清洗井底并将岩屑携带到地面上来。岩屑的清除分两个过程，一是岩屑被冲离井底，二是岩屑从环形间隙被携带到地面。钻井液清洗井眼的能力除取决于循环系统的水力参数外，还取决于钻井液的性能，特别是其中的流变性能。（2）悬浮岩屑与加重材料通常用触变性强弱表示钻井液悬浮岩屑与加重材料的能力。触变性指搅拌后钻井液变稀，静置后又变稠的性质。一般用终切力和初切力之差表示。钻井液应具有良好的触变性。在停止循环时，切力能迅速增大到某个适当数值，既有利于悬浮岩屑与加重材料，又不至于循环时开泵泵压过高。（3）钻井速度（4）井眼规则和井下安全。对于破碎的不稳定井壁，利用较粘稠的泥浆还可以起到较好的粘结护壁作用。紊流液流对井壁有较强的冲蚀作用，容易引起易塌地层垮塌，不利于井壁稳定。其原因是紊流时液流质点的运动方向是紊乱的和无规则的，而且流速高，具有较大的动能。因此，在钻井液循环时，一般应保持在层流状态，尽量避免出现紊流。

(对于非牛顿流体，一般采用综合雷诺数Re来判别流态。当Re>2000时为紊流)泥浆的粘稠性大又有不利的方面：使井底碎岩效率降低，这种影响主要表现在钻头喷嘴处的紊流流动阻力对钻速的影响。钻井液粘度越大，紊流流动阻力越大，从而降低了钻头在井底的碎岩效率。增加泥浆循环的流动阻力；增大对井壁的液压力激动破坏。4种流型，9个流变参数1、牛顿流体（绝对粘度）2、宾汉流体（静切力、动切力、塑性粘度、表观粘度）3、幂律流体（流性指数、稠度指数）4、卡森流体（极限高剪粘度、卡森动切力）无用固相：钻屑2、固相控制方法(1)沉降法(2)稀释法(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1、钻井液固相类型有用固相：配浆粘土、加重材料

五、钻井液固相含量及其测试固控:在保存适量有用固相的前提下,尽可能清除无用固相的工艺。3、固相含量与井下安全的关系（1）使钻井液流变性不稳定（2）泥饼质量差,摩擦系数大容易造成压差卡钻。泥饼质量不好，滤失量大。（3）钻井液性能难以维护

(4)固相含量高，对油气层损害严重4、固相含量对钻速的影响固相含量：钻井液中全部固相的体积占钻井液总体积的百分数固相含量越高，钻速越小。固相类型不同，钻速影响不一样。

1、随着固相含量增大，钻速下降。在固相含量超过10%以后影响较小。

2、惰性固相对钻速影响小，活性固相影响大。

3、小于1微米的亚微米颗粒比大于1微米的颗粒对钻速影响大12倍。fs

、

f0、

fw

钻井液中固相、油和水的体积分数，Cf

校正系数,由P14固相体积校正系数表得。5、固相含量的测定用固相含量测定仪测钻井液中的固相含量。实验程序实验原理实验仪器用蒸馏法测钻井液中的固相、油、水的含量。（1）在蒸馏器内注入20ml钻井液，将插有加热棒的套筒连接到蒸馏器上。（2）将蒸馏器的引流管插入冷凝器的孔中，将量筒放在冷凝器下方，接收冷凝成液体的油和水。（3）接通电源，使蒸馏器工作，直至冷凝器无液体流出。（4）待蒸馏器和加热棒冷却后，用铲刀刮去蒸馏器内和加热棒上被烘干的固体并称质量，读取量筒中油和水的体积。fs=1-fwcf-f0实验数据处理例：密度为1.44g/cm3

的盐水钻井液蒸干后，得到6%的油和74%的水。钻井液中CL-1含量为79000mg/l，求钻井液固相含量。解：钻井液中NaCL质量浓度为[NaCL]=[（23.0+35.5）/35.5]/[CL-1]

=1.65×79000=130350（mg/l）查盐水钻井液固相体积校正系数表得校正系数cf为1.045钻井液固相含量fs=1-fwcf-f0=1-0.74*1.045-0.06=0.167×六、钻井液膨润土含量及其测试为什么测钻井液膨润土含量？正面作用：提粘切降滤失负面作用：影响钻速(1)膨润土含量(fc

)

:单位体积钻井液中膨润土的含量。g/L(2)晶格取代：在晶体结构中,某些原子被化合价不同的其它原子取代而晶体骨架保持不变的现象。(3)粘土矿物的阳离子交换容量(CEC)：指1kg粘土矿物在pH为7的条件下被交换下的阳离子总量(用一价阳离子的量表示)。(4)钻井液的阳离子交换容量(CEC)m：指100ml钻井液所能吸附亚甲基蓝的mmol数。又称钻井液的亚甲基蓝容量。

1、重要概念2、膨润土含量的测定—亚甲基蓝法

原理：亚甲基蓝是一种阳离子染料，易与钻井液中的膨润土发生离子交换。发生交换的阳离子数目可通过消耗的亚甲基蓝确定。步骤：先用亚甲基蓝法测出钻井液中阳离子交换容量(CEC)m，再通过计算确定膨润土的含量。（膨润土阳离子交换容量一般700mmol·kg-1，1mmol可交换阳离子对应约1.43g膨润土进行交换）钻井液中的膨润土含量

fc

=

14.3(CEC)mfc：钻井液中的膨润土含量g/l例题：50ml钻井液处理后用0.01M的亚甲基蓝进行滴定，达终点时用去2.4ml标准亚甲基蓝。求钻井液中膨润土含量。解：膨润土含量

fc

=14.3(CEC)m=14.3×2.4×2=68.64（g/l）七、钻井液滤液分析1、[CL-]的测定——硝酸银滴定法指示剂为铬酸钾形成橘红色铬酸银沉淀[CL-]=1000Vtf[NaCL]=1650Vtf[AgNO3]=0.0282MVtf

----滴定1ml钻井液滤液所耗AgNO3标准溶液的体积,ml单位:mg/l为什么测钻井液滤液中的[CL-]、[Ca2+]、[Mg2+]？2、[Ca2+]、[Mg2+]的测定——EDTA滴定法指示剂为铬黑钻井液滤液硬度Hf

=1.361fw

Vtf

单位:

kg/m3Vtf

--滴定1ml钻井液滤液所耗0.01MEDTA标准溶液的体积,ml

fw

----钻井液中水的体积分数钻井液硬度：Hf

=1.361Vtm

单位:

kg/m3Vtm----滴定1ml钻井液所耗0.01MEDTA标准溶液的体积,ml钻井液储备硬度(钻井液中悬浮的CaSO4的量)：

Hr=1.361(Vtm-

fwVtf

)

单位:

kg/m3第四节钻井液技术发展概况

天然钻井液细分散钻井液粗分散钻井液聚合物钻井液

水基钻井液非抑制钻井液钙处理钻井液钾盐钻井液抑制性钻井液盐水钻井液聚合物钻井液正电胶钻井液

油基钻井液纯油相

W/O

气体钻井液第五节钻井液体系（1）定义：由淡水、粘土和各种对粘土起分散作用的处理剂配制而成的的水基钻井液（2）特点配制简便，成本低滤失造壁性能好可配制高密度钻井液抗温能力强优点1、非抑制性钻井液一、水基钻井液抗污染能力差，性能不稳定抑制性差，不利于井壁稳定亚微米颗粒（直径小于1μm）多，钻速慢不能有效地保护油气层缺点（3）适用地层适合一般地层打深井和高温井.（１）抑制性钻井液定义（粗分散钻井液）：以页岩抑制剂为主要处理剂的水基钻井液。（２）组成:水、膨润土、页岩抑制剂为主要处理剂。页岩抑制剂可使粘土保持较粗状态。

特点：克服了细分散钻井液亚微米粘土含量高、耐盐能力差的缺点。2、抑制性钻井液：（３）分类：钙处理钻井液（石灰、石膏、氯化钙）盐水钻井液（氯化钠）钾盐钻井液（氯化钾）硅酸盐钻井液聚合物钻井液正电胶钻井液①钙处理钻井液

具有抗钙侵、稳定页岩和控制钻井液粘土分散特点。适于钻石膏层②盐水钻井液具有耐盐、耐钙、镁离子、抑制页岩、滤液对油层损害小等特点。适用海上、近海滩、缺乏淡水的地区钻井，饱和盐水钻井