钻井液性能及其测试

1、钻井液性能及其测试,蔡记华,按照API推荐的钻井液性能测试标准，需检测的钻井液常规性能包括：密度、漏斗粘度、塑性粘度、动切力、静切力、API滤失量、HTHP滤失量、pH值、碱度、含砂量、固相含量、膨润土含量和滤液中各种离子的质量浓度等。,一、钻井液密度,1.钻井液密度与安全密度窗口 钻井液的密度是指每单位体积钻井液的质量，常用g/cm3(或kg/m3)表示。在钻井工程上，钻井液密度和泥浆比重(Mud weight)是两个等同的术语。其英制单位通常为lbm/ga1(即磅/加仑，或写做ppg)，1 g/cm3等于8.331bm/ga1。 钻井液密度是确保安全、快速钻井和保护油气层的一个十分重要的参

2、数。通过钻井液密度的变化，可调节钻井液在井筒内的静液柱压力，以平衡地层孔隙压力时亦用于平衡地层构造应力，以避免井塌的发生。,安全密度窗口（P）,井漏,井喷,复杂情况,坍塌,安全密度窗口：安全钻进时的 泥浆密度范围,坍塌压力P塌和泥浆压力P泥,井眼形成后，地应力在井壁上的二次分布所产生的指向井内引起井壁岩石向井内移动的应力，称为井壁（地层）坍塌应力P塌。P塌一旦产生（P塌0），井壁岩石必然逐渐掉（挤）入井中（垮塌）。 钻井过程中P塌可以（也只能）用井内泥浆液柱压力来有效地平衡，P泥P塌时则井壁保持稳定；P泥P塌时，则发生井塌。,泥浆压力P泥和破裂压力P破,除了P塌之外，裸眼井段还有地层流体压力（

3、P地）和地层破裂压力P破（P漏）等两个地层压力。钻进过程中，我们人为施加的是泥浆压力P泥。 当P泥P破（P漏）则发生井漏；P泥P地时，则发生井涌或井喷。,安全密度窗口问题分析,安全密度窗口P=P破P地（P塌）,2.钻井液密度的测量 钻井液密度是用一种专门设计的钻井液比重秤(Mud Balancer）测得的，比重秤的外观如下图所示。测定时，首先在泥浆杯中盛满钻井液，盖上计量盖，然后用棉纱布擦净从计量盖小孔溢出的钻井液。再将比重秤刀口放置在底座的刀垫上，不断移动游码，直至水平泡位居两条线的小央。此时游码左侧的到度即表示所测量钻井液的密度。,用清水校正： 用淡水注满洁净、干燥的样品杯，盖上杯盖并擦干

4、样品杯外部，把密度计的刀口放在刀垫上，将游码左侧边线对准刻度1.00 g/cm3处，观察密度计是否平衡（平衡时水平泡位于中央），如不平衡，在平衡圆柱上加上或取下一些铅粒，使之平衡。,3.钻井液密度的调整,加入重晶石等加重材料是提高钻井液密度最常用的方法。 在加重前，应调整好钻井液的各种性能，特别要严格控制低密度固相的含量。一般情况下，所需钻井液密度越高，则加重前钻井液的固相含量及粘度、切力应控制得越低。 加入可溶性无机盐也是提高密度较常用的方法。如在保护油气层的清洁盐水钻井液中，通过加入NaCl，可将钻井液密度提高至1.20 g/cm3左右。,常用的加重剂 重晶石（BaSO4）(=4.24.6

5、) 石灰石（CaCO3）(=2.72.9) 菱铁矿（Fe CO3） (=3.73.9) 用作钻井液的加重材料 方铅矿（PbS）(=7.57.6) CaCO3可作暂堵剂 钛铁矿（FeTiO3）或TiO2Fe2 O3 (3.0) 铁矿粉（Fe2 O3）(=4.95.3),为实现平衡压力钻井或欠平衡压力钻井，有时需要适当降低钻井液的密度。通常降低密度的方法有以下几种： 最主要的方法是用机械和化学絮凝的方法清除无用固相，降低钻井液的固相含量。 加水稀释。但往往会增加处理剂用量和钻井液费用。 混油。但有时会影响地质录并和测并解释； 钻低压油气层时可选用充气钻井液等。,二、钻井液流变性,钻井液的流变性(R

6、heological ProPerties of Drilling F1uids)是指钻井液流动和变形的特性。 该特性通常是由不同的流变模式及其参数来表征的，最常用的流变模式为宾汉和幂律模式。其中宾汉模式的参数为塑性粘度(Plastic Viscosity)和动切力(Yield Point)；幂律模式的参数为流性指数(FLow Behavior Index)和稠度系数(Consistency Index)。此外，漏斗粘度(FunneL Visosity、表现粘度(Apparent Viscosity)和静切力(Gel Strength)等也是钻井液的重要流变参数 由于钻井液的流变性与携岩、井壁

7、稳定、提高机械钻速和环空水力参数计算等一系列钻井工作密切相关，因此它是钻井液最重要的性能之一。有关内容将在后面的教学工作中重点阐述。,钻井液流变性的测量,马氏漏斗：ZMN型马式漏斗粘度计由锥体马式漏斗、孔径1.6mm的滤网和946ml量杯组成。锥体上口直径152mm，锥体下口直径与导流管直径4.76mm，锥体长度305mm，漏斗总长356mm，筛底以下的漏斗容积1500ml。,苏式漏斗粘度计 该粘度计由漏斗和量筒组成。构造如图3。量筒由隔板分成两部分，大头为500ml，小头为200ml，漏斗下端是直径为5mm，长为100mm的管子。,旋转粘度计 液体放置在两个同心圆筒的环隙空间内，电机经过传动

8、装置带动外筒恒速旋转，借助于被测液体的粘滞性作用于内筒一定的转矩，带动与扭力弹簧相连的内筒一个角度。该转角的大小与液体的粘性成正比，于是液体的粘度测量转换为内筒转角的测量。 6个读值：600,300,200， 100,6,3,常用流变参数计算,关于切力 在600r/min下搅拌60s，静止10s后在3r/min下读取并记录最大读数值 再在600r/min下搅拌60s，静止10min后在3r/min下读取并记录最大读数值。,三、钻井液的滤失造壁性,钻井过程中，当钻头钻过渗透性地层时，由于钻井液的液柱压力一般总是大于地层孔隙压力，在压差作用下，钻井液的液体便会渗入地层，这种特性常称为钻井液的滤失性

9、(Filtration Properties of Drilling F1uids)。在液体发生渗滤的同时，钻井液中的固相颗粒会附着沉积在井壁上形成一层泥饼(Mud cake)。随着泥饼的逐渐加厚以及在压差作用下被压实，会对裸眼井壁有效地起到稳定和保护作用，这就是钻井液的所谓造壁性。由于泥饼的渗透率远远小于地层的渗透宰，因而形成的泥饼还可有效地阻止钻井液中的固相和滤液继续侵入地层。 在钻井液工艺中，通常用一个重要参数滤失量(Water loss 或Filtration Rate)来表征钻井液的渗滤速率。钻井液的滤失性也是钻井液最重要的性能之一，有关内容将在后面的教学工作中详述。,ZNS型泥浆失

10、水量仪 该仪器是将泥浆用惰性气体（二氧化碳、氮气或压缩空气）加压的情况下，测量泥浆的失水量。当泥浆在0.69MPa压力的作用下，30分钟内通过截面为45.60.52过滤面渗透出的水量，以毫升表示。同时，可以测得泥浆失水后泥饼的厚度，以毫米表示。,按逆时针方向缓缓旋转放空阀5手柄，同时观察压力表指示。当压力表稍有下降或听见泥浆杯有进气声响时，即停止旋转放空阀手柄，微调减压阀3手柄，使压力表指示为0.69MPa，泥浆杯内保持0.69MPa的恒定状态，当见到第一滴滤液开始记时。,滤饼质量评价,滤饼质量评价 光滑性：将滤饼放在一平面上，用手指触摸，如果滤饼薄而光滑，并无有砂子的感觉则光滑性好，否则，光

11、滑性不好。,坚实性：将滤饼放在一容器里，并装入水或柴油，放置24小时，观察其破坏滤饼的程度，如果滤饼经过浸泡而松散或消失，证明坚实性较差，否则，则好。,韧 性：将滤饼放在一立方形物品(桌面)边缘，向下折90，如果滤饼无明显断裂，证明韧性较 好，否则较 差。,松科1井，470m处井口泥浆，pH为6.5，失水量为18ml；加入0.5%KOH后，pH为10.5，失水量为14.4ml。,四、钻井液的pH值和碱度,1.钻井液的pH值 通常用钻井液滤液的pH值表示钻井液的酸碱性。由于酸碱性的强弱直接与钻井液中粘土颗粒的分散程度有关，因此会在很大程度上影响钻井液的粘度、切力和其它性能参数。右图表示经预水化的

12、膨润土基浆(其中膨润土含量为57.1kg/m3)的表现粘度随pH值的变化。由图可知，当pH值大于9时，表现粘度随pH值升高而剧增。其原因是当pH值升高时，会有更多OH-被吸附在粘土晶层的表而，进一步增强表而所带的负电性，从而在剪切作用下使粘土更容易水化分散。,在实际应用中，大多数钻井液的pH值要求控制在811之间，即维持一个较弱的碱性环境。这主要是由于有以下几方面的原因： 可减轻对钻具的腐蚀； 可预防因氢脆而引起的钻具和套管的损坏； 可抑制钻井液中钙、镁盐的溶解； 有相当多的处理剂需要在碱性介质个才能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。,烧碱（即工业用NaOH）是调节钻井液p

13、H值的主要添加剂，有时也使用纯碱和石灰。 在常温下，它们的水溶液具有如下的pH值： 10% NaOH 溶液，pH12.9； 10% Na2CO3 溶液，pH11.1； 饱和Ca(OH)2溶液，pH12.1。 通常使用pH试纸测量钻井液的pH值，如要求的精度较高时，可使用pH计。,2.钻井液的碱度 由于使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，利pH值并不能完全反映钻井液中这些离子的种类和质景浓度。 因此，在实际应用中，除使用pH值外，还常使用碱度（alkalinity）来表示钻井液的酸碱性。 引入碱度参数主要有两点好处： 一是由碱度测定值可以较方便地确定钻井

14、液滤液中OH、HCO3-和CO32-等三种离子的含量；从而可以判断钻井液碱性的来源； 二是可以确定钻井液体系中悬浮石灰的量（即储备碱度）。,碱度是指溶液或悬浮体对酸的中和能力，为了建立统一的标准，API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。酚酞的变色点为pH8.3。在进行滴定的过程中，当pH值降至该值时，酚酞即由红色变为无色。因此，能够使pH值降至8.3所需的酸量被称为酚酞碱度（Phenothalin A1kalinity)，钻井液及其滤液的酚酞碱度分别用符号Pm和Pf表示。甲基橙的变色点为pH4.3。当pH值降至该值时，甲基橙由黄色转变为橙红色。能使pH值降至4.3所需的

15、酸量，则被称做甲基橙碱度（Methyl Orange A1kalinity)。钻井液及其滤液的甲基橙碱度分别用Mm和Mf表示。,校API推荐的试验方法，要求对Pm、Pf和Mf分别进行测定。并规定，以上三种碱度的值，均以滴定1ml样品(钻井液与滤液)所需0.01M H2SO4的毫升数来表示，毫升单位份可省略。 由测出的Pf和Mf可计算出钻井液滤中OH-、HCO3-和CO32-等的浓度。其根据在于，当pH8.3时，以下反应已基本进行完全： OH-H+ H2O CO32-H+HCO3- 而存在于溶液的HCO3-不参加反应，当继续用H2SO4溶液滴定至pH4.3时， HCO3-与H+的反应也已基本上反

16、应完全，即: HCO3-+H+CO2+H2O,若测得的结果为从MfPf，表示滤液的碱性完全由OH-所引起；若测得的Pf0，表示碱性完全由HCO3-引起；如果Mf2Pf，则表示滤液中只含有CO32-。 显然，以上情况是比较特殊的。在一般情况下，钻井液滤液中这三种离子的质量浓度可按下表中的有关公式进行计算。但需注意，有时钻井液滤液中存在着某些易与H起反应的其它无机离子(如SiO32-、PO43-等)和有机处理剂，这样会使Mf和Pf的测定结果产生一定误差。,测定碱度的另一目的是根据测得的Mf和Pf ，确定钻井液中悬浮固相的储备碱度(Reserve A1kalinity)。所谓储备碱度，主要是指未溶石

17、灰构成的碱度。当pH值降低时，石灰会不断溶解，这样一方面可为钙处理钻井液不断地提供Ca2+，另一方面有利于使钻井液的pH值保持稳定。钻井液的储备碱度通常用体系中未溶Ca(OH)2的含量表示，其计算式为：,五、钻井液含砂量,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74微米的砂粒占钻井液总体积的百分数。在现场应用中，该数值越小越好，一般要求控制在0.5以下。这是由于含砂量过大会对钻井过程造成以下危害： 使钻井液密度增大，对提高钻速不利； 使形成的泥饼松软，导致滤失量增大，不利于井壁稳定，井影响固井质量； 泥饼中级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； 增加对钻头和钻

18、具的磨损，缩短其使用寿命。 降低钻井液含砂量量有效的方法，是充分利用振动筛、除砂器、除泥器等设备，对钻井液的固相含量进行有效的控制。,含砂量的测量,六、钻井液的固相含量,钻井液固相含量通常用钻井液中全部固相的体积占钻井液总体积的百分数来表示，固相含量的高低以及这些因相颗粒的类型、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。,1钻井液中固相的类型 一般情况下，钻井液中存在着各种不同组分、不同性质和不同颗粒尺寸的固相。根据其性质的不同，可将钻井液中的固相分为两种类型，即活性固相(Active So1ids)和惰性固相(Inert

19、 So1ids)。凡是容易发生水化作用或易与液相中某些组分发生反应的称为活性固相，反之则称为惰性固相。前者主要指膨润土，后者包括石英、长石、重品石以及造浆率极低的粘土等。除重晶石外，其余的惰性固相均被认为是有害固相，是需要尽可能加以清除的物质。,2.钻井液固相含量对与井下安全的关系 使钻井液流变性能不稳定，粘度、切力偏高，流动性和携岩效果变差。 使井壁上形成厚的泥饼，而且质地松散，摩擦系数大，从而导致起下钻遏阻，容易造成粘附卡钻。 泥饼质量不好会使钻井液滤失量增大，常造成井壁泥页岩水化膨胀、井径缩小、井壁剥落或坍塌； 钻井液易发生盐钙侵和粘土侵，抗温性能变差，维护其性能的难度明显增大。,3.钻

20、井液固相含量对钻速的影响 大量钻井实践表明，钻井液中因相含量增加是引起钻速下降的一个重要原因。此外，钻井液对钻速的影响还与固相的类型、固相颗粒尺寸和钻井液类型等因素有关。 根据100口并统计资料做出的钻井进尺、钻头使用数量及钻井天数与钻井液固相含量的关系曲线如下图所示。虽然这些曲线不能用来预计某口井的钻速，但是可以表明固相含量对钻速影响的大概趋势。,关于固相类型对钻速的影响，一般认为重晶石、砂粒等惰性固相对钻速的影响较小，钻屑、低造浆率劣土的影响居中，高造浆率膨润土对钻速的影响最大。,4.钻井液固相含量的测定 蒸馏的方法快速测定钻井液中固相及油水的含量。 测试步骤 在蒸馏器内注入20 m1钻井

21、液，将插有加热棒的套简连接到蒸馏器上。 将蒸馏器的引流管插入冷凝器的孔中，然后将量筒放在引流嘴下方，以接收冷凝成液体的油和水。 接通电源，使蒸馏器开始工作，直至冷凝器引流嘴中不再有液体流出时为止。这段时间一般需20一30 min。 待蒸馏器和加热棒完全冷却后，将其卸开。用铲刀刮去蒸馏器内和加热棒上被烘干的固体。用天平称取固体的质量，并分别读取量简中水、油的体积。,通常用固相所占有的体积分数表示钻井液的固相含量，需要注意的是，对于含盐量1的淡水钻井液，很容易由实验结果求出钻井液中固相的体积分数；但对于含盐量较高的盐水钻并液，被蒸干的盐和固相会共存于蒸馏器中。此时需扣除由于盐析出引起体积增加的部分

22、，才能确定钻井液中的实际固相含量。 fs=1-fwCf-fo fs、fw、fo分别为钻井液中固相、水和油的体积分数；Cf考虑盐析出面引入的体积校正系数，显然它总是大于l的无因次常数。,七、钻井液中膨润土的含量（坂土含量，坂含）,膨润土作为钻井液配浆材料，在提粘切、降滤失等方面起着重要作用，但其用量又不宜过大。因此，在钻井液中必须保持适宜的膨润土含量。其测定方法是，首先使用亚甲基蓝(Methylene cBlue)法测出钻井液的阳离子交换容量(Cation Exchange Capacity)，再通过计算确定钻井液中膨润土的含量。 亚甲基蓝是一种常见染料，在水溶液中电离出有机阳离子和氯离子其中的

23、有机阳离子很容易与膨润土发生离于交换，其分子式是：C16H18N3SCl3H2O。,测试步骤 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10m1水稀释。为消除某些有机处理剂的干扰，加入15ml 3% H2O2和0.5m1浓度约为2.5mol/l的稀H2SO4，缓缓煮沸l0 min，然后用水稀释至50m1。 用质量浓度为3.74g/l(相当于0.01M)的亚甲基蓝标准溶液进行滴定。每滴入0.5m1亚甲基蓝溶液后旋摇30s，然后用搅棒转移一而液体放在普通滤纸上，观察在染色的钻井液固相斑点周围是否出现绿蓝包围。若无此种色围。继续滴入0.5ml亚甲基蓝溶液，并重复上面的操作。一旦

24、发现绿蓝包围时，摇荡锥形瓶2min，再放1摘在滤纸上，如色圈仍不消失，表明已达滴定终点。此时，所耗亚甲基蓝溶液的毫升数即为钻井液的阳离子交换容量，记作(CEC)m。,MBT14.3(CEC)m 单位：g/l。,八、钻井液滤液分析,1氯离子质量浓度的滴定 在钻遇岩盐层或盐水层过程中，NaCl等无机盐进入钻井液后会在不同程度上对钻井被造成污染，破坏其性能。因此，需要用硝酸银滴定法对钻井液滤液中的Cl-质量浓度进行检测。 测试原理：钻井液中的Cl-与Ag+发生反应生成AgCl白色沉淀，即： Ag+Cl-=AgCl,所使用的指示剂为K2CrO4水溶液。由于AgCl的溶度积常数远远小于Ag2CrO4，只

25、有等到上面的反应进行完全后，稍过量的Ag+才会与指示剂中的CrO42-发生如下反应生成橘红色的Ag2CrO4沉淀。 2Ag+CrO42-=Ag2CrO4 用移液管移取20ml试液A于锥形瓶中，加入蒸馏水10ml和酚酞指示液(5g/l)1滴，加入铬酸钾溶液(50g/l)10滴(约0.5ml)，用0.1mol/l 硝酸银标准溶液滴定至刚刚有砖红色沉淀出现为终点，记录消耗硝酸银标准溶液的体积。 式中：P(Cl-)滤液中氯离子的含量，mg/l； C硝酸银标准溶液的浓度，mol/l； V消耗硝酸银标准溶液的体积，ml； V0所取试液A的体积，ml； 7.090105系数，见(见系数推导 公式)。,测试 步骤,2.钙、镁离子含量的测定 Ca2+和Mg2+均为二价阳离子。与一价的Na+相比，在相同浓度广浓度下对钻井液的稳定性和性能会造成更打大的影响。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、这两种离子进入钻井液主要主要有以下途径： 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+、Mg2+的总质量浓度为水的硬度。如果用海水配浆。就无机阳离子而言，配浆水中除含相当多的Na+外，还含有定浓度的(Ca2+