钻井液性能概述课件

钻井液性能概述钻井液性能概述

目录密度和压力平衡流变性能滤失和润滑性能化学分析油基钻井液性能目录密度和压力平衡密度和压力平衡密度和压力平衡钻井液密度MW（MudWeight)或SG(specificgravity）通过泥浆液柱对井壁和井底产生压力，以平衡地层的油气水压力及岩石的侧压力，防止井喷、地层流体侵入及保护井壁。另外泥浆密度对岩屑产生浮力，增大泥浆密度可以提高泥浆携带岩屑的能力。密度秤的正常误差为0.01g/cm3当量循环密度和环空密度当量循环密度：考虑了由于泥浆流动而增加的附加压耗环空密度：在当量循环密度基础上考虑了由于井筒内岩屑产生的附加压耗密度和压力平衡钻井液密度MW（MudWeight)或SG(specif钻井液密度的作用平衡地层压力，防止井喷、井漏和钻井液受地层流体的污染；平衡地层压力，保持井壁稳定，防止井塌；实现近平衡钻井技术，减少压持效应，提高机械钻速；合理选择打开油气层的钻井液密度，减少钻井液对产层的伤害。密度和压力平衡钻井液密度的作用密度和压力平衡密度对钻速的影响泥浆密度越高，产生的液柱压力越大，井底压差越大，机械钻速减小。密度和压力平衡密度对钻速的影响密度和压力平衡钻井液密度的控制密度过高：增大正向压差，对储层污染加重；液柱压力增大，增大井底岩石可钻强度并引起井底岩石的重复切削密度过低：井壁不稳定，油气层压力无法控制确定泥浆密度的原则根据地质资料确定，在正常情况下尽可能使用低密度钻开油气层尽可能近平衡钻进，既要保护油气层又要防喷，做到“压而不死，活而不喷”；近平衡钻进要在起钻时考虑可能存在的“抽吸作用”，增加附加密度钻穿高压盐水层时为了防止盐水的污染，应提高密度采取“坚决压死”的措施对易缩径和易剥落掉块的地层，应适当提高泥浆的密度密度和压力平衡钻井液密度的控制密度和压力平衡测量仪器加压比重计普通比重计测量仪器加压比重计普通比重计钻井液密度升高可能因素加入加重材料；钻屑累积；快速钻进而泵排量跟不上会使井内钻井液密度升高；增大钻井液屈服值会使当量循环密度升高；增大泵排量或泵压会使当量循环密度升高；加入较多电解质（盐类）；油基钻井液加入较高密度的盐水；加入较高密度的新浆钻井液密度升高可能因素加入加重材料；钻井液密度下降可能因素加入比钻井液密度低的清水；井下油气侵；加油；加入较低密度的新浆或胶液；加强固相清除；用离心机清除（或回收）高密度固相；降低钻井液屈服值或减少泵排量及泵压能使井下当量循环密度下降；充气配制成充气钻井液或使用泡沫钻井液；钻进速度较低情况下提高泵排量有可能使井内钻井液密度降低。钻井液密度下降可能因素加入比钻井液密度低的清水；相关概念静液压力静液压力是由液柱重量引起的压力。它的大小和液体密度及垂直高度有关，而和液柱的横向尺寸及形状无关。通常把单位高度(或深度)增加的压力值称为压力梯度，静液压力梯度受液体密度的影响和含盐浓度、气体的浓度以及温度梯度的影响。上覆岩层压力某处地层上覆岩层压力是指覆盖在该地层以上的地层基质(岩石)和孔隙中流体(油气水)的总重量造成的压力。岩石密度与孔隙度的大小和埋藏的深度有关相关概念静液压力上覆岩层压力地层压力地层压力是指作用在岩石孔隙内流体(油气水)上的压力，也叫地层孔隙压力。正常地层压力等于从地表到地下该地层处的静液压力。其值大小与沉积环境有关。地层破裂压力在井中一定深度处的地层，其承受压力的能力是有限的，当压力达到某一值时会使地层破裂，这个压力称为地层的破裂压力pf。地层破裂压力的大小取决于许多因素，如上覆岩层压力、地层压力、岩性、地层年代、埋藏深度以及该处岩石的应力状态。安全密度窗口介于地层破裂压力和地层压力之间的钻井液密度范围地层压力地层破裂压力安全密度窗口流变性能流变性能钻井液的流变性钻井液流变性(rheologicalpropertiesofDF)在外力作用下，钻井液流动和变形的特性。如钻井液的塑性粘度、动切力、表观粘度、有效粘度、静切力和触变性等性能都属流变性参数。泥浆的流变性对钻井的影响携带岩屑，保证井底清洁。悬浮岩屑与重晶石影响机械钻速影响井眼规则和井下安全。钻井液的流变性钻井液流变性(rheologicalprop钻井液的流变性剪切应力与剪切速率剪切速率(shearrate)：在垂直于流动方向上单位距离内流速的增量(dv/dx)。剪切应力(shearstress)：液体流动过程中，单位面积上抵抗流动的内摩擦力。钻井液的流变性剪切应力与剪切速率钻井液的流变性流体的基本流型牛顿流体：剪切应力与剪切速率成正比。塑性流体：宾汉流体，适合于水基钻井液体系假塑性流体：幂律流体，适合于高分子聚合物体系膨胀流体钻井液的流变性流体的基本流型牛顿流体（NewtonianFluid）：剪切应力dyn/cm2dv/dx:剪切速率:s-1:粘度（Poise、泊)剪切速率Dv/dx切应力：1dyn/cm2=1x10-5N/10-4m2=0.1Pa1poise=1dynes.s/cm2=0.1Pa.s1cp=0.01p=0.001Pa.s=1mPa.s牛顿流体（NewtonianFluid）：剪切应力dyn宾汉塑性流型BinghamPlasticModel模型：

=0+s

0

：动切力（屈服值）Yieldpoint(YP)Pa

s：塑性粘度(PV)

Plasticviscosity(cp)

：剪切速率(s-1)剪切速率=Dv/dx切应力：0s宾汉塑性流型BinghamPlasticModel剪切参数计算（范氏旋转粘度计）＝1.703

(s-1)=0.511

(Pa)塑=PV=600-300(cp)0=0.511(300-s)(Pa)cp宾汉流体参数计算（范氏旋转粘度计）cp宾汉流体幂律流型(PowerlawModel)基本方程：=knk：稠度系数n：流性指数流动特性分析施加极小的切应力就发生流动，没有静切应力，而且粘度随切应力的增加而降低。幂律流型(PowerlawModel)基本方程：=k幂律流型(PowerlawModel)幂律流型(PowerlawModel)粘度(viscosity)定义：钻井液流动时，固体颗粒之间、固体颗粒与液体之间、以及液体分子之间的内摩擦的总反映。影响泥浆粘度的基本因素粘土含量（含量大，粘度大）土粒的分散度（增加塑性粘度）土粒的聚结稳定状况或絮凝强度（结构粘度）高分子处理剂的性质、分子量和浓度钻井液的流变性－常用流变参数粘度(viscosity)钻井液的流变性－常用流变参数漏斗粘度定义：用漏斗粘度计测得的一定体积流体(700ml)流出500ml所经历的时间。单位为秒。漏斗粘度与泥浆的塑性粘度、屈服值、以及仪器的尺寸和形状有关。钻井液的流变性－常用流变参数现用马氏漏斗:1500ml流出946ml漏斗粘度钻井液的流变性－常用流变参数现用马氏漏斗:1500m结构粘度定义：分散相颗粒之间的相互作用或空间网架结构给流动增加的摩擦力，与泥浆的屈服值（0）紧密相关。钻井液的流变性－常用流变参数结构粘度钻井液的流变性－常用流变参数剪切稀释性定义：表观粘度随剪切速率增大而降低的现象对于宾汉流体，塑越低，0越高，即0／塑比值越大，剪切稀释能力越高。在实际钻井井眼的各个部位处（如钻杆内、钻头水眼处、环空等），其剪切速率各不相同，导致各处的有效粘度各不相同。0/塑比值大者，剪切稀释能力强，有利于高压喷射钻井；同时在低剪切速率下会显著增稠，有利于带砂。钻井液的流变性－常用流变参数剪切稀释性钻井液的流变性－常用流变参数静切力、动切力钻井液的切力是指静切力，其胶体化学的实质是凝胶强度，凝胶强度取决于单位体积中结构链环的数目和单个链环的强度。钻井液的动切力：反映层流流动时，粘土颗粒之间及高聚物分子之间的相互作用力（形成空间网架结构的能力）。触变性(thixotropy)定义:搅拌后泥浆变稀（切力降低），静置后泥浆变稠（切力升高）的特性。表示方法：触变性的表示：10秒钟切力（初切）、10分终切力（终切）钻井工艺要求钻井液具有良好的触变性，在泥浆停止循环时，切力能较快地增大到某个适当的数值，即有利于钻屑的悬浮，又不致于静置后开泵泵压过高。钻井液的流变性－常用流变参数静切力、动切力钻井液的流变性－常用流变参数对钻井液流变性的一般要求对于非加重钻井液塑性粘度（PV):5-12mPa.s动切力（YP):1.4-14.4PaYP/PV=0.48Pa/mPa.s流型指数：0.4-0.7卡森动切力c:0.6-3Pa极限高剪粘度：:2-6mPa.s对钻井液流变性的一般要求对于非加重钻井液流变参数的调整降低PV：通过合理使用固控设备、加水稀释或化学絮凝等方法，尽量减小固相含量。提高PV：加入低造浆率的粘土、混入原油；增加聚合物的浓度使钻井液的滤液粘度提高。降低YP：加入适合于本体系的降粘剂，以拆散钻井液中已形成的网架结构。如果是因为Ca2+、Mg2+的絮凝作用，可使其沉淀减弱因钙镁离子形成的结构。钻井液的流变性流变参数的调整钻井液的流变性流变参数的调整提高YP：可加入预水化膨润土或增大聚合物的加量，对于钙处理或其它盐水钻井液，可适当增加Ca2+、Na+浓度。降低n值：增加钻井液中高分子量聚合物和无机盐的含量，以及将预水化膨润土加入盐水钻井液体系，均可使n值降低。降低或提高K值：与调整PV、YP基本相同。钻井液的流变性流变参数的调整钻井液的流变性钻井液流变性与钻井的关系影响钻井速度影响环空携岩能力影响井壁稳定影响岩屑与加重物的悬浮影响井内压力激动影响钻井泵压和排量影响固井质量钻井液流变性与钻井的关系影响钻井速度钻井液流变性与钻井的关系影响钻井速度通过水力参数影响钻井速度粘度影响水功率的传递粘度影响ECD(EquivalentCirculatingDensity)的大小，产生压持效应，降低钻速。剪切稀释特性影响水功率的传递钻井液流变性与钻井的关系影响钻井速度钻井液的流变性与井眼净化的关系钻屑在井筒内的运移过程层流：尖峰型层流的缺点紊流：有利于携岩紊流缺点排量大、泵压高表观粘度低，岩屑下沉速度较大井壁冲刷，不利于井壁稳定钻柱旋转钻井液流变性与钻井的关系钻井液的流变性与井眼净化的关系钻井液流变性与钻井的关系钻井液流变性与钻井的关系层流携岩钻井液流变性与钻井的关系层流携岩钻井液的流变性与井眼净化的关系平板层流的特点降低的沿程水力损失，有利于喷射钻井避免了紊流冲刷井壁解决了使用低粘度泥浆有效携岩问题。一般要求塑性流体幂律流体n=0.4-0.7钻井液流变性与钻井的关系钻井液的流变性与井眼净化的关系钻井液流变性与钻井的关系钻井液的流变性与井眼净化的关系实现平板型层流的方法加适量的电解质，提高0加入大分子量的聚合物，提高0、塑强化泥浆固相控制措施，以降低塑钻井液流变性与钻井的关系钻井液的流变性与井眼净化的关系钻井液流变性与钻井的关系钻井液的流变性与井壁稳定的关系力学因素引起的井壁不稳定井壁岩石三个主应力的可能排布

当1和3（最大和最小主应力）的差值大于岩石的强度时，便发生剪切破坏化学因素引起的井壁不稳定防止页岩的水化膨胀钻井液的流变性及流态与井壁稳定相关钻井液流变性与钻井的关系钻井液的流变性与井壁稳定的关系钻井液流变性与钻井的关系钻井液流变性与钻井的关系影响岩屑和加重材料的悬浮流体静止状态下的静切力悬浮悬浮球形岩屑或加重材料所需要的静切力为：ρs——岩石密度,g/cm3;ρm——钻井液密度,g/cm3;ds——球形岩屑颗粒直径，mm如果岩屑颗粒不呈球形，可根据体积相等的关系计算岩屑的当量直径予以修正：V——岩屑体积,cm3.钻井液流变性与钻井的关系影响岩屑和加重材料的悬浮钻井液的流变性与井内压力激动的关系起下钻和钻井过程中，由于钻柱的上下移动、泥浆泵的开动等原因，使井内液柱压力产生变化的现象。影响激动压力的因素：钻柱运动速度钻头及钻柱的泥包程度环形空间的间隙、井深泥浆性能（粘度、切力）钻井液流变性与钻井的关系钻井液的流变性与井内压力激动的关系钻井液流变性与钻井的关系滤失和润滑性能滤失和润滑性能钻井液的滤失和造壁性滤失量(失水filtrationloss)定义：泥浆中的自由水在压差的作用下向具有孔隙的地层渗滤的现象。类型：瞬时失水(spurt)、动失水(dynamicloss)、静失水(staticloss)。泥饼定义：泥浆中水分进入地层，粘土颗粒附着在井壁上，形成泥饼。钻井液的滤失和造壁性滤失量(失水filtrationlos钻井液的滤失和造壁性钻井液的滤失和造壁性钻井液的滤失和造壁性钻井液的滤失和造壁性API滤失量(失水)在常温环境中,压力在100±5psi(690±35kPa)的状态下,30分钟测得的滤液体积钻井液滤失量的参数HTHP滤失量(失水)模拟实际温度,顶部压力为600psi(4140kPa)，回压为100psi时，30分钟测得的滤液体积的2倍。API滤失量(失水)钻井液滤失量的参数HTHP滤失量(失水)泥饼质量的控制：泥浆中固相的种类与分布及粘土的水化分散程度决定了泥饼的质量，优质土及泥饼改善材料(PF-TEX,PF-GRA)的加入均能较好的改善泥饼的质量泥饼质量的评价：外观：薄、韧性强性能评价：采用测量渗透失水的办法，即使用该泥饼用清水做API失水量或HTHP失水量，来判断泥饼的封堵能力,任何情况下我们都是希望获得质量更好的泥饼的钻井液的泥饼质量泥饼质量的控制：钻井液的泥饼质量失水量过高的危害：地层被长时间浸泡后造成井眼缩径及泥、页岩的剥落、坍塌水分渗入生产层，使油层粘土膨胀，油气层渗透率降低，生产能力下降泥饼质量不好的危害：泥饼厚而松散，摩擦系数高，使钻具与井壁接触面积增大，泥饼粘附卡钻风险大易泥包钻头或堵死钻头水眼起钻时上提力增加妨碍套管下入，影响固井水泥浆与井壁间的胶结电测易遇阻遇卡，影响井壁取样钻井液滤失量的危害失水量过高的危害：钻井液滤失量的危害钻井液的失水过程钻井液内的水=化学结合水+吸附水+自由水瞬时失水：新井形成瞬间，泥浆水便向地层渗透，未形成泥饼动失水：在泥浆循环的情况下，泥饼建立、增厚、直至平衡而失水速度也由开始较大逐渐减少至恒定。静失水：停止循环时，不存在泥浆液流对泥饼的冲刷力，随着失水的进行，泥饼逐渐加厚，失水也逐渐减少。静失水的失水量比动失水小。失水与地层的孔隙度、渗透率、温度、压力有关。钻井液的失水过程失水的影响因素静失水量与时间的关系静失水与时间的关系

标准的API失水是在压力为6.8大气压（100psi）压差作用下，在面积为45cm2，30分钟时间收集的滤液量。V30’=2V7.5’。失水的影响因素静失水量与时间的关系静失水与时间的关系失水的影响因素静失水量与压差的关系

压差越大，失水越大。失水的影响因素静失水量与压差的关系压差越大，失失水的影响因素静失水量与滤液粘度的关系

温度升高，钻井液滤液粘度降低，静失水量增加。失水的影响因素静失水量与滤液粘度的关系温度升高，钻井液滤液失水的影响因素静失水量与固相含量和滤液的关系要降低失水，提高钻井中的固相含量。（不可取）；降低泥饼中的固相含量，选用优质粘土配钻井液。失水的影响因素静失水量与固相含量和滤液的关系要降低失水，提高失水的影响因素静失水与泥饼厚度的关系静失水量越大，泥饼越厚，泥饼中的固相体积含量Cc与钻井液中固相体积含量Cm的比值越大，泥饼厚度反而降低，当钻井液中的固相含量增大到接近于泥饼中的固相含量时，泥饼厚度将大幅度增加，故应该选择优质粘度作为配浆的材料。失水的影响因素静失水与泥饼厚度的关系静失水量越大，泥饼越厚，失水的影响因素静失水与泥饼渗透率的关系泥饼渗透率是降低失水的关键因素。影响泥饼渗透率的主要因素有钻井液中固相粒子的粒度和粒度级配以及粒子的浓度。钻井液中细粒子越多，平均粒径越小，泥饼渗透率越低；固相颗粒分布越宽，泥饼渗透率越小；泥饼中的渗透率还取决于钻井液中胶体粒子（d<10-5μm）的比例和含量。失水的影响因素静失水与泥饼渗透率的关系泥饼渗透率是降低失水的泥浆失水过大会引起：水敏性泥岩、页岩的垮塌、缩径损害油气层泥饼厚会引起：引起上提力增加，甚至发生泥饼卡钻。易引起钻头泥包，使起下钻压力激动增大。妨碍套管下入，固井时不利于水泥与井壁的胶结对失水和泥饼的要求失水：在成本可行的条件下，尽量降低失水并控制自由水的性质。泥饼：薄、致密、韧性好。失水与造壁性与钻井的关系泥浆失水过大会引起：失水与造壁性与钻井的关系失水和造壁性的调节

控制泥浆的失水和造壁性，关键要控制泥饼的渗透性，而泥饼的渗透性决定于构成泥饼的粘土及其它颗粒的尺寸、形状与水化程度。具体措施使用膨润土，以便形成致密泥饼加入适量纯碱、烧碱或有机分散剂，提高粘土颗粒的分散度。加入CMC或其它聚合物，以保护粘土颗粒，CMC起堵孔作用。加入极细的胶体粒子。失水和造壁性的调节控制泥浆的失水和造壁性，关键要控制泥泥浆的失水量不是越小越好石灰岩、白云岩、胶结致密的砂岩受失水量的影响很小优快钻井决定了上部地层的失水量不做严格控制，从而解放钻速储层段必须控制较小的失水量对易吸水膨胀和易坍塌的地层，失水量应严格控制井浅时可放宽，井深时应从严裸眼时间短可放宽，裸眼时间长应从严钻井液滤失量的控制原则泥浆的失水量不是越小越好钻井液滤失量的控制原则摩擦系数:

平行于接触面的摩擦力于垂直于接触面的作用力之比.摩擦系数:泥浆含砂量：泥浆中不能通过200目筛（0.074毫米）的砂子体积占泥浆体积的百分数含砂量和钻井间的关系：通常应控制泥浆含砂量在0.5%以下，否则有以下危害