钻井液基础知识(一)---非开挖钻井液性能介绍

1、钻井液基础知识,钻井液概述,锐林非开挖,钻井液概述,钻井液的概念 钻井液（drilling fluid）是指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的总称。又称钻井泥浆（drilling muds），或简称泥浆（muds）。HDD钻孔泥浆是具有一定粘性的流体，目前多是以水作为基液，以分散性粉末和化学物质作为主剂。,钻井液概述,钻井液的功用 1.悬浮并将孔内钻屑携带至地表； 2.冷却并润滑孔内钻头、钻具； 3.稳定井壁和平衡地层压力； 4.冲洗钻头、扩孔器切削刀； 5.为孔底泥浆马达提供水力动力； 6.高压液流冲击并软化岩土，提高钻进效率。,钻井液的功用,悬浮并将孔内钻屑携带至地表

2、1）钻井液首要和最基本的功用是通过其本身的循环，将 井底被钻头破碎的岩屑携至地面；其静切力可悬浮钻屑； 2）不重复切削，提高钻进效率； 3）孔底清洁干净，提高铺管安全系数； 4）影响钻井液携渣能力： 环空流动速度 ； 钻井液密度； 钻井液粘度。,钻井液的功用,冷却并润滑孔内钻头、钻具 1）钻头、钻柱与地层的摩擦产生热，循环的泥浆使热消散 2）钻井液中存在的膨润土及部分添加剂具有良好的润滑作 用，减小钻头钻具的磨损和拉管摩阻力。,钻井液的功用,稳定井壁和平衡地层压力 1）形成滤饼涂敷孔壁，减小自由水对周围地层的影响； 2）孔内液柱压力部分平衡地层压力； 3）钻井液的抑制性能够稳定敏感性地层。 清

3、洗钻头、扩孔器切削刀 液流对钻头或扩孔刀头进行冲洗，清洁钻具表面积存物 ，提高钻进效率。,钻井液的功用,为孔底泥浆马达提供水力动力 岩石钻进中使用的螺杆马达正是以钻井液为动力、把液体压力能转化为机械能的容积式井下动力钻具；钻井液在此过程提供了源源不断的液压能。 高压液流冲击并软化岩土，提高钻进效率 钻井液在钻头喷嘴处以极高的流速冲击岩层，同时软化岩层，从而提高了钻进速度和破岩效率。,钻井液概述,HDD钻井液的类型,钻井液概述,钻井液的组成 目前的定向穿越工程中，最为常用的钻井液为粘土-水基钻井液，其为多相分散体系，主要构成： 1.水（淡水或盐水） 2.活性固体颗粒（膨润土和泥页岩钻屑） 3.惰

4、性固体颗粒（加重材料和砂岩等钻屑） 4.化学药品（处理剂）,钻井液基础知识,钻井液性能,锐林非开挖,钻井液性能,钻井液性能分类 密度 流动性 滤失性 化学成分 润滑性 其他,钻井液性能,钻井液性能主要测定和计算项目 密度 含砂量 马氏漏斗粘度 PH值 表观粘度 n值（流型指数） 塑性粘度 k值（稠度系数） 动切力（屈服值） 浮筒切力 切力（静切力-初切、终切） 泥浆润滑性 API滤失量 固相含量 HTHP滤失量 岩屑含量,钻井液性能,钻井液密度 指单位体积钻井液的质量，在钻井工程中，钻井液密度和比重是两个等同术语，常用单位g/cm、kg/m，英制单位lb/gal（磅/加仑），1 g/cm=8.

5、345 lb/gal,钻井液密度,密度过大的不利影响 1.降低钻进速度； 2.易压差卡钻； 3.易引起过高的粘度和切力； 4.多消耗材料和动力； 5.泥浆的抗污染能力降低。 密度过小的不利影响 1.易造成井眼不稳定，缩径、塌孔； 2.泥浆携带钻屑的能力下降。,钻井液密度,钻井液密度的测量 钻井液密度秤示意图,钻井液密度,钻井液密度的测量步骤 1.标定 钻井液杯盛满清水 ,盖上盖子,杯内多余的水自孔中溢出,把溢出之水擦净。 秤杆刀口于刀垫上，使游动砝码对准 1.0刻度。 如果水平泡居中，则合乎要求。否则，就要在调节器内加减填料（铅粒），使之居中。 2.测量 将充分搅拌的钻井液盛满钻井液杯 ,盖好

6、盖子,擦净杯外钻井液。 置秤杆刀口于刀垫上，拨动游动砝码，使水平泡居中，砝码左侧边线所对刻度即为所测钻井液的密度，并记录。,钻井液密度,关于密度的几个认识 泥浆的密度直接与固相的数量和重度有关； 密度的重要性在于使井内泥浆液柱具有适当的压力平衡地层压力，有助于稳定井眼； 液柱压力与垂直深度正相关； 淡水的密度是1 g/cm=8.345 lb/gal；加量46%膨润土的泥浆比重在1.031.05左右；造浆率差的膨润土加量2030%以上，此时泥浆比重高达1.15以上； 因钻屑没能完全除去，正常钻进时泥浆密度会不断增大,钻井液密度,影响密度变化的因素 增大密度 添加加重剂、泥浆除气、增加钻速、钻屑累

7、积、降低泵排量以增大钻屑浓度、加入较高密度的泥浆、孔内失水 减小密度 加水、固控设备出去固相、控制钻速、孔内地下水侵入、加入较低密度的泥浆、加强固控设备的清渣能力、降低钻进速度和增大泵排量,钻井液密度,调节密度的计算公式,钻井液性能,钻井液流动性 描述流动性能的术语： 表观粘度AV， mPaS ； 塑性粘度PV， mPaS ； 屈服值（动切力）YP，Pa； 静切力（初切、终切）Gels, 马氏漏斗粘度FV，s/qt； 动/塑比 YP/PV，PaS、mPaS； 流型指数n值； 稠度系数k值；,钻井液流动性,这些性能参数钻井液在循环系统中的预期状态，粘度反映流动阻力的大小，切力反映结构强度的大小，

8、流型系数反映流变状态。 钻井液流动性对钻进作业的影响： 井眼清洁问题、钻屑的悬浮、循环压力损失、抽 汲压力与冲击波动压力、经济性、钻进速度、井眼稳定性、井眼冲蚀问题、泥浆漏失问题。 钻井液的流变性能受制于成分和环境因素。,钻井液流动性,影响钻井液流动性的因素 钻井液的成分 液体部分（电解质种类、浓度；聚合物种类和浓度） 惰性固体颗粒（浓度和细度） 活性固体颗粒（种类、浓度和细度） 环境因素 温度 剪切速率 压力,影响钻井液流动性的因素,液体部分对钻井液流动性的影响 溶解的盐一般增大粘度； 温度增高降低粘度； 剪切速率一般不影响液相粘度； 增大压力不明显影响水的粘度。,影响钻井液流动性的因素,惰

9、性固相对流动性的影响 惰性固相体积百分含量的增加会使粘度按指数律增大； 全部固体颗粒在非常高剪切速率下倾向于表现为惰性固体颗粒的作用； 长度比宽度大得多的固相颗粒（如聚合物、膨润土）会使液流体表现出剪切稀释性能。,影响钻井液流动性的因素,活性固相对流动性的影响 活性固相的交联（聚凝）会引起剪切速率粘度、屈服值和切力的增大； 温度增高会促使交联作用； 木质素磺酸盐阻止交联和降低低剪切速率粘度、屈服值和切力。 温度对流动性的影响 温度增高会增大粘土晶体片的分散； 温度升高有时会增大粘度片的聚凝。,钻井液流动性,钻井液的流变性能 钻井液的流变性是指它的流动和变形特性，通常用钻井液流变曲线、粘度（包括

10、漏斗粘度、表观粘度、塑性粘度）、切力（动切力与静切力）、动塑比等参数来表示。,钻井液流动性,粘切过大的不利影响 流动阻力大，能量消耗高； 钻速慢； 净化不良（除气砂不良）； 易泥包； 压力激动大； 易引起卡、喷、漏、塌等事故。,钻井液流动性,粘切过低的不利影响 洗井不良，井眼净化差，易引起井下事故； 冲刷井壁，加剧井塌。,钻井液流动性,流动性基本认识 洗泥浆在循环系统的不同地点流动状态是不同的： 在钻杆内和钻头水眼处流动很快，是紊流；钻杆与孔壁之间的环形空间流动可能是絮流或层流，多为层流。 流体可分为牛顿流体和非牛顿流体； 牛顿流体（纯水、矿物油）的粘度不受剪切速率的影响 不具有恒定的粘度的流

11、体称为非牛顿流体，几乎所有泥浆都是非牛顿流体； 为确定在不同流动速度下的流动状态，需要研究循环系统的这一地点流动速度下的剪切应力-剪切速率关系。,钻井液流动性,塑性粘度 塑性粘度是反映在高剪切速率下泥浆的粘度； 塑性粘度是由机械摩擦引起的对流动的阻力； 该阻力由以下方式产生： 钻井液内固相之间的运动；固相与液相之间的运动； 液相本身的剪切。 塑性粘度主要取决于固相的浓度、颗粒大小和形状、固相的类型和液相的粘度； 塑性粘度的控制主要用固相清除和冲释，如：加水稀释、除砂器除固相、除泥器除泥、离心机除粘土等； 塑性粘度PV（mPa.s)=600-300。,钻井液流动性,屈服值 反映在低剪切速率下固体

12、颗粒之间的吸引力； 屈服值是钻井液内的电化学力，即吸引力引起的流动阻力，在动态即流动状态下测量； 屈服值取决于：固体颗粒的类型和表面性质；固相的体积浓度与分散情况；固相所在的液相中电解质的类型和它的浓度；污染的程度；温度；反絮凝剂的浓度； 引起屈服值增大：固相体积浓度的增加；固相颗粒密集堆积增大化学力；水化性地层粘土；钻屑粘土活性固相进入体系中；过分使用膨润土；污染物如盐引起絮凝 降低屈服值：加化学反絮凝剂、处理好污染、调整碱度、调整PH值、加水冲释。 屈服值0（Pa)=0.511（2300-600）（宾汉流体）。,钻井液流动性,静切力 静切力表示液体开始流动所需要的剪切应力； 反映静止状态下

13、固体颗粒之间的吸引力； 静切力在静止即非流动状态下测量，分为初切（静止10秒钟）和终切（静止10分钟）； 初切和终切一起反映了胶凝程度在静止状态下变稠趋向，可分为增强型（初切低而终切高，反之为脆性型）； 静切力（胶凝强度）由如下因素而定： 泥浆中的粘土反絮凝剂、固体颗粒数量及类型、污染程度、温度； 初切初=0.511* 3（静置10s或1min）； 终切（ 终）=0.511* 3 （静置10min）（宾汉流体）。,钻井液流动性,静切力类型 增强型（初切低而终切高） 特点：开始循环泥浆时要求增大泵压 原因：反絮凝剂（化学处理剂）不足 活性固相（粘土）浓度太大 脆性型（初切高而终切稍微增高） 特点

14、：较低泵压就能恢复循环泥浆 原因：泥浆受污染 盐水泥浆 非分散性泥浆,钻井液流动性,表观粘度 指在旋转粘度计转速为600RPM时的剪切速率下的粘度： 表观粘度：AV= 600 ； 漏斗粘度也是一种表观粘度；,钻井液流动性,动塑比（YP/PV） 在环形空间，流动剖面平板化的程度（流核直径的大小）与动塑比及上返速度有关；动塑比越大，平板化程度越大；动塑比值过小会导致尖峰型层流； 对于絮凝的泥浆，YP/PV可以最大为3/1；对于反絮凝的（分散的）泥浆，YP/PV最小为0.25/1 减小n值如同提高动塑比，可使环空液流转变为平板层流 一般认为，就有效携带钻屑而言，比较适宜的范围是： 动塑比：0.36-

15、0.48（Pa/mPa.s) 或 n值 ：0.4-0.7 。,钻井液流动性,平板型层流的优点 可选用环空返速较低的泥浆（如：低固相泥浆保持在0.5-0.6m/s）有效地携带岩屑，泵压可较低又能降低压力损失，使水利功率得到充分利用； 解决了低粘度泥浆的有效携带岩屑的问题，只要保证动塑比比较高，再加上有一定环空返速，就能有效携带岩屑，保持孔内清洁； 避免紊流对井壁的冲刷，有利于保持井壁稳定。,钻井液流动性,使动塑比达到要求范围的措施 选用XC生物聚合物、HEC、PHP、FA367等高分子聚合物处理剂并保持足够浓度； 使用固控设备出去无用固相，降低固体颗粒浓度； 在保证泥浆性能稳定的情况下，适当加入

16、石灰、石膏、氯化钙或食盐等电解质，以增强固体颗粒形成网架结构的能力； 如果环空液流处于紊流状态，则应先考虑降低环空返速或同时提高粘度、切力，使泥浆转变为层流状态，然后再控制动塑比以达到平板型层流。,钻井液流动性,流变性能分析测定 1-总开关; 10-挡位牌; 2-托盘; 11-变速箱; 3-开关; 12-传动杆; 4-指示灯; 13-电机; 5-外筒; 14-保险丝; 6-外筒刻线; 15-电源插座 7-刻度指示; 8-弹簧罩; 9-变速杆; 六速旋转粘度计,钻井液流动性,流变性能分析测定 1-总开关; 10-挡位牌; 2-托盘; 11-变速箱; 3-开关; 12-传动杆; 4-指示灯; 13

17、-电机; 5-外筒; 14-保险丝; 6-外筒刻线; 15-电源插座 7-刻度指示; 8-弹簧罩; 9-变速杆; 六速旋转粘度计,钻井液流动性,旋转粘度器测量步骤 接通电源以 300 r/min和600 r/min试运转,外筒不得有偏摆,掌握好六个挡的操作方法。 检查指针是否正对刻度盘 0位,如果不对,则须调0位。 将刚搅拌过的钻井液（约 350ml）倒入样品杯，立即置于托盘上，上升托盘使液面至外筒刻度线处，固定好托盘，注意样品杯底与外筒底之间的距离不应小于1.3cm。 从高速到低速进行测量，待刻度盘平稳后，记下各转速下的刻度盘读数。 静切力测量 先将流体用 600 r/min搅拌1分钟，然后

18、静止1分钟，用3r/min测量，读得的刻度盘最大值乘以0.511,即为初切力1 。 再将流体用 600 r/min下搅拌1min,静止10min，用上述方法测量和计算，即得终切力10。,钻井液流动性,旋转粘度器测量数据处理,钻井液流动性,漏斗粘度 马氏漏斗粘度是测定从马氏漏斗下端出口流出1夸脱 （946ml）所需要的秒数（有时也测定流出1000ml泥浆所需要的秒数，必须注明）； 漏斗粘度计只用于检测泥浆粘度变化的趋势是否在预定设计范围的一种简便仪器；直观反映泥浆可泵送的情况 漏斗粘度无法与其他流变参数进行换算；不能用于确定粘度变化的原因，也不能作为泥浆处理的依据； 泥浆在测定时间内的流出速度是

19、变化的，先快后慢； 漏斗粘度受温度、密度、固体大可乐没有筛除、泥浆含有气泡和测定时间长短的影响； 一般泥浆马氏漏斗粘度30-45s,加重泥浆45-60s，高黏土含量的稠泥浆达75-120s。,钻井液流动性,漏斗粘度测量,标准杯,秒表,马氏漏斗,泥浆杯,钻井液流动性,漏斗粘度测量步骤 一手持漏斗 ,并用手指堵住管口,将充分搅拌的钻井液过筛网注入漏斗1500毫升。 将量杯一端朝上，置于漏斗管口下，另一手持秒表，准备测量。 放开堵住管口的手指，同时开动秒表，记下流满1夸脱 （946毫升）量杯时所有的时间，即为钻井液的马氏漏斗粘度。,钻井液流动性,流动性不良的原因与处理 过高粘度、屈服值和切力的一般原

20、因： 固相被污染物絮凝/反絮凝剂加量不足/高固相堆积/惰性固相在被研磨到极细颗粒时也会明显增大粘度； 过高粘度、屈服值和切力的一般处理方法： 加水/加反絮凝剂/转化为易于对付污染的泥浆体系/强化固控设备的使用效果； 过低粘度、屈服值和切力的一般原因； 加入太多稀释水/地层水大量浸入/膨润土用量不足/聚合物剂量不够； 过低粘度、屈服值和切力的一般处理方法： 增加膨润土或高粘度聚合物用量/减少离心机处理时间/加入少量絮凝剂/增大泥浆密度以阻止地下水浸入/降低稀释水用量。,钻井液流动性,流动性的要求 表明钻井液在钻井中清洗井眼、携带钻屑能力及流动阻力的大小，直接关系钻井的快慢和安全； 尽可能用较低的

21、粘切（不同密度有不同的最佳范围）； 低固相泥浆的动塑比一般应为0.48（Pa/mPa.s)； N值一般保持0.5-0.7 。,第一PPT模板网：,钻井液的滤失性能,钻井液滤失性能,钻井液滤失和造壁性的概念 失水：在压力差作用下，钻井液中的自由水向孔壁岩石的裂隙或空隙中渗透的现象； 造壁：失水的同时，泥浆中的固相颗粒附着在井壁上形成泥皮（泥饼）的现象； 滤失：钻井液中只有液相进入地层的现象。,钻井液滤失性,钻井液滤失全过程 钻井液的滤失全过程分三个阶段： 瞬时滤失：滤饼尚未完全形成之前很短时间（小于2s）内的失水，滤失速率最大，比例小； 动滤失：钻井液循环时的失水；该过程泥饼形成、增厚与冲蚀处动

22、平衡；失水速率和失水量都较大； 静滤失：钻井液停止循环后的失水；泥饼厚，失水速率小、失水量较小。,钻井液滤失性,影响静滤失的因素,钻井液滤失性,影响动滤失的因素 影响静失水的因素同样影响动失水； 环空返速： 紊流：返速高，冲蚀大，动失水大； 层流：返速低，冲蚀小，动失水小； 平板型层流：返速低，冲蚀小，动失水小。 泥饼强度：强度高，不易冲蚀，动失水小。,钻井液滤失性,对滤失性的基本认识 控制滤失性是非常重要的，关系到： 地层损害/渗透率损害/厚的孔壁泥饼/孔壁保护； 滤失速度取决于： 组成泥饼的无知类型和数量/压力/有机处理剂的浓度/固相颗粒絮凝的程度/地层的渗透性/温度/水相的组成； 滤饼是

23、在泥浆通过渗透性介质时固相被阻而形成的类似固体的物质；,钻井液滤失性,高滤失量的主要原因： 污染物进入泥浆体系影响固相絮凝； 用水或盐水过分冲释； 离心机除去胶体固相过多； 泥浆中固相颗粒大小分布不好； 缺少控制滤失的处理剂，如聚合物滤失剂； 泥浆没有得到反絮凝处理。,钻井液滤失性,失水造壁性与钻井工作的关系 导致水敏性泥页岩缩径、塌孔； 泥饼粘附卡钻； 泥饼要求：薄、密、韧； 失水量要求：适当（并非越小越好）。 对于一般地层，API失水：10-15ml/30min; 对于水敏性地层，API失水5ml/30min。,钻井液滤失性,滤失性作用的要点 主要目的：形成低渗透率的泥饼； 实现目标：薄泥

24、饼，低滤失； 减少增大渗透率的固相如钻屑、絮凝固体颗粒； 添加能减小渗透率的固体颗粒： 膨润土、 淀粉和CMC、 淀粉与聚阴离子纤维素。,第一PPT模板网：,钻井液其他性能,钻井液其他性能,PH值 PH值是泥浆酸碱度的量度，是泥浆中氢离子浓度的负对数 PH值的范围是0-14，中性=7，酸性7，碱性7； 粘土颗粒带负电，它必须在碱性条件下才能维持稳定，多数有机处理剂必须在一定的PH值下才能发挥好的效用； 不同配方的泥浆具有自身的PH值，一般应控制在8-11之间 提高PH值，可以加入NaOH、Na2CO3或Ca（OH）2等；降低pH值，可加入稀释的HCl或酸式盐,钻井液其他性能,PH值的测定 泥浆

25、pH值的简单测量，是用pH试纸；较精密的测量可用pH电位计（酸度计）； 一般是对泥浆滤液进行测量，有时也可直接对泥浆进行测量； PH试纸应防护因天气变化影响试纸质量和测定结果。 可以引起PH值改变的因素 加入水或地下水浸入稀释； 钻遇酸碱性地层或加入酸碱性试剂调节； 钻遇酸性气体。,钻井液其他性能,含砂量 概念：大于0.074mm的颗粒在泥浆中所占的体积百分数； 含砂量大的不利影响 引起钻井液密度增大； 磨蚀循环系统中的金属和橡胶部件； 影响滤饼质量：高渗透性和厚度大，不结实； 影响滤失量特别是HTHP滤失量增大。,钻井液其他性能,含砂量的测定 图.含砂量测定仪 1-过滤筒; 2-漏斗; 3-

26、玻璃量筒,钻井液其他性能,含砂量的测定 先在玻璃量筒中装入定量钻井液（20-40mm），再加一定比例的水，用手指盖住筒口，将钻井液和水摇匀，慢慢倒在过滤筒内，边倒钻井液边用水冲洗，为加快过滤速度，可摇晃过滤筒，直至钻井液冲洗干净，网上仅存砂子为止。套上漏斗倒置过滤筒，把漏斗口插入玻璃量筒口内，用水将筛网上附着的砂子全部冲到量筒里，等砂子沉到底部细管后，读出含砂量的容积，计算其占钻井液体积的百分比。,钻井液其他性能,含砂量的控制 改变振动筛的筛网细度； 加强除砂器的使用效果； 降低沉砂池泥浆粘度； 降低钻进速度； 含砂量正常保持在0.5%以下； 检测振动筛处和上水池的泥浆含砂量以比较除砂效率。,

27、钻井液其他性能,固相含量 概念：指泥浆中固体颗粒占的重量或体积百分数。 固相颗粒尺寸概念 小于40m（1m=0.001mm）的颗粒，肉眼看不见； 胶体颗粒 小于2m； 超小颗粒 2-44m； 细颗粒 44-74m； 中等偏细颗粒 74-250m； 中等偏粗颗粒 250-2000m 颗粒尺寸小于1m时对粘度有严重影响。,钻井液其他性能,钻屑固相增加的不利影响 增加泥浆维护费； 增加维持良好流动性能的难度； 增加压差卡管的可能； 降低钻进速度； 降低钻头寿命和增大泥浆泵的磨损速度； 增大循环压力损失； 降低泥浆的润滑性，增大阻力和拉力； 增大滤失量，增加井下抽汲的趋势。,固相含量,固相含量的测定

28、固相含量测定仪 1-电源接头; 2-加热棒插头; 3-套筒; 4-加热棒; 5-钻井液; 6-引流管; 7-冷凝器; 8-量筒,固相含量,固相含量的测量步骤 拆开蒸馏器 ,放平钻井液杯,将搅拌好的钻井液倒入杯中倒至差点将满。 轻轻地将钻井液杯盖放置杯口，让多余的钻井液从螺孔溢出，将溢出的钻井液揩净，此时杯内的钻井液为 20ml。 轻轻地抬起杯盖，滑动盖子，将粘附在盖底面上的钻井液刮回到钻井液杯中。 向钻井液杯中加入 35滴抗泡沫剂，以防止蒸馏过程中钻井液溢出，然后拧上套筒。 将加热棒旋紧在套筒上部（注意竖直，勿使钻井液从引流管处溢出）。,固相含量,固相含量的测量步骤 将加热棒插头插入电源接头（注意蒸馏器必须竖直）。 在仪器箱后，将蒸馏器引流管插入冷凝器侧端孔内，且紧抵导流管，放置稳定，将一清洗干净的量筒夹在冷凝器导流管口处收集