钻井液基础知识(一)-非开挖钻井液性能介绍.

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（drillingfluid）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（drillingmuds），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钻井液的类型类型名称材料组成品种特点及适应性清水清水单一流动性好，取用便利，低粘，护孔、悬碴效果差泥浆粘土、水、处理剂多粘性和比重等可宽调、尤适于许多松散和水敏地层化合物溶液化合物、水多粘性可宽调，流动性较好，选配方可适于广泛地层乳状液水、油、乳化剂较少润滑性强，流动性好，护孔、悬碴效果较差泡沫浆液空气、发泡液较多低密度，防漏失，护孔、悬碴较好，制用较复杂盐水浆液盐、基浆少专用于高含盐量地层抑制孔壁分散钻井液概述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/cm³、kg/m³，英制单位lb/gal（磅/加仑），1g/cm³=8.345lb/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1g/cm³=8.345lb/gal；加量4～6%膨润土的泥浆比重在1.03～1.05左右；造浆率差的膨润土加量20～30%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，mPa·S；塑性粘度PV，mPa·S；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，Pa·S、mPa·S；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，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)=φ600-φ300。钻井液流动性屈服值反映在低剪切速率下固体颗粒之间的吸引力；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τ0（Pa)=0.511（2φ300-φ600）（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τ初=0.511*φ3（静置10s或1min）；终切（τ终）=0.511*φ3（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：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=φ600；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：0.36-0.48（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-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⒈接通电源以300r/min和600r/min试运转,外筒不得有偏摆,掌握好六个挡的操作方法。⒉检查指针是否正对刻度盘0位,如果不对,则须调0位。⒊将刚搅拌过的钻井液（约350ml）倒