钻井液基础知识

钻井液基础知识什么是钻井液？其有什么作用？钻井液主要分类及其适用范围钻井液相关基础知识钻井液主要性能及其测定钻井液使用及其调整维护要点与钻井液有关的基础理论知识无机化学有机化学高分子化学胶体化学流体力学矿物学什么是钻井液？钻进过程中，用液体或气体的连续循环把孔内的岩屑冲洗或吹洗出来，称为钻孔冲洗。冲洗用的介质，不论是液体还是气体习惯上都被叫做冲洗液或钻井液(drillingfluid)。由于早期的冲洗液多为粘土与水的混合物，所以冲洗液也被笼统地称做泥浆(mud)，泥浆这个术语一直沿用，现在还有不少人把冲洗液统称为泥浆。钻井液相关基础知识钻井液的作用悬浮和携带岩屑及加重剂；平衡地层压力和井壁侧压力，稳定井壁，防止井喷、井漏和井塌等事故的发生；传递水功率，帮助和破碎岩石；冷却和润滑钻头及钻具；为井下钻具提供动力；部分地支承钻柱和套管的重量；从钻井液中获得所钻地层的地质资料。钻井液相关基础知识冷却、排粉、润滑、支撑自左至右：清水，普通预水化泥浆，1＃体系钻井液没有泥浆的保护，钻井井壁会遇水膨胀、缩径，甚至流散、垮孔。泥浆基本性状造浆率稳定性流变性润滑性抑制性配伍性性价比泥浆基本性能参数粘度比重失水量pH值胶体率含砂量固含量常规泥浆测试仪器一览马式漏斗粘度计ZNN六速旋转粘度计比重秤胶体率测试含砂量测定仪泥浆润滑性测试仪高速搅拌机精密电动搅拌机及水浴装置高温高压失水仪高温高压动态失水仪钻井液主要分类根据钻井液连续相的相态而划分：有以水为连续相的水基钻井液（泡沫除外）、以油为连续相的油基钻井液和以气体为基本介质（气体可为连续相或分散相）的三大类流体。钻井液相关基础知识钻井液主要分类液态－清水、低固相－无固相、水基－油基、细分散－粗分散－不分散、淡水－盐水等；气态－空气、天然气；气液混合态－充气泥浆、泡沫泥浆等。钻井液相关基础知识细分散泥浆钻井液相关基础知识细分散泥浆一般指的是含盐量小于1%、含钙量小于1.2×10-4、不含抑制性高聚物的分散型泥浆。其组分除黏土、碳酸钠和水外，往往还加稀释剂和降失水剂，以满足降粘和降失水的需要。常用的添加剂有铁络盐（主要起稀释作用，为了降失水，常加入Na-CMC），以及木质素磺酸盐（一般与煤碱剂配合使用）等。粗分散泥浆钻井液相关基础知识粗分散泥浆是在分散的粘土悬浮液中加人有机聚结剂，使泥浆中高度分散的粘土颗粒适当聚结变粗，同时加人有机保护胶处理剂，从而形成适度聚结的粗分散体系。目前使用的粗分散泥浆有钙处理泥浆、盐水泥浆和钾基泥浆。钙处理泥浆是在粘土悬浮液中加人钙盐无机聚结剂（石灰、石膏、氯化钙）以抑制粘土的分散。钾离子泥浆是利用钾离子的弱水化作用来抑制粘土的水化性能。钾离子半径为2.66Ao，刚好与粘土六方晶格的尺寸相符，且钾离子水化弱，易嵌入粘土的六方晶格而使粘土不易水化膨胀和分散，从而使含粘土质地层的孔壁保持稳定。为保持和发挥钾离子的抑制作用，最好用全钾基泥浆，如分散粘土用K2CO3，调节PH值用KOH，抑制作用靠KCI（或KOH)。同时KCI最好保持不低于5％的水平。分散泥浆的特点钻井液相关基础知识分散钻井液是用淡水、膨润土和各种分散剂配制而成的钻井液。由于它的配制方法简单且成本较低，所以是常用的一种钻井液。其主要特点在于：可以容纳较多的固相，适于配制高密度钻井液；容易在井壁上形成较致密的滤饼，因此其滤失量一般较低；某些分散钻井液，如三磺钻井液的抗高温能力较强，可以用于钻深井和超深井；钻井液的分散性强，因此其抑制性和抗污染能力差；钻井液的固相含量高，对提高钻速和保护油气层不利。不分散泥浆钻井液相关基础知识不分散低固相聚合物泥浆是指在高聚物的作用下，粘土颗粒聚成较大的颗粒，且泥浆中的固相含量（包括膨润土和岩屑）按体积计不大于4％。这种泥浆是以聚丙烯酞胺（(PAM）絮凝剂为主要处理剂的不分散低固相聚合物泥浆，其主要组成包括：预水化膨润土、PAM、降失水剂、润滑剂和水。乳状液泥浆钻井液相关基础知识乳状液是液体（油和水）分散在另一种液体（水和油）中形成稳定的分散体系。常用的是水包油型乳状液，它有较好的润滑性能，不仅能有效地提高钻头和钻具的寿命，而且能明显地降低钻进所需的功率消耗，还可以起到降低或消除钻杆柱的振动，从而提高钻具的钻速，使小口径金刚石钻进的钻进速度和钻进深度大幅度的提高。近年来，随着小口径金刚石钻进的发展，水包油乳状液已成为固体矿床钻探中主要的钻孔冲洗液之一。钻探时可购买已配制好的乳化油，现场使用时加水稀释成乳化液（乳化油的含量一般为0.3％一0.5％）。无固相冲洗液钻井液相关基础知识这是仅含有无机盐和有机高分子（聚合物）的溶液。它与泥浆相比，因不含固相（配制的原液），故其相对密度低，因而可获得较高的钻进效率。与清水相比，它有较好的携带和悬浮岩屑的能力。它可在孔壁上形成薄膜而对孔壁起保护作用，有较好的润滑和减阻作用。无固相冲洗液可用于裂隙地层。在小口径金刚石钻进中，特别适用于绳索取心钻进，它可防止钻杆内壁结泥皮和降低压力损失。在石油钻井中钻进生产层时，可减轻对油层的损害。钻井液的主要性能参数密度drillingfluiddensity与固相含量solidcontent；流变性能（漏斗粘度funnelviscosity、塑性粘度plasticviscosity、表观粘度apparentviscosity、动切力yieldpoint、静切力等gelstrength）；滤失性能（失水量与滤饼filtercake厚度）；filtrationqualities含砂量sandcontent；润滑性drillingfluidlubricity；胶体率和pH值等。钻井液相关基础知识泥浆密度与固相含量泥浆的相对密度是泥浆的质量与同体积水质量之比。泥浆的相对密度取决于泥浆中的固相含量和固相的相对密度，也与泥浆中可溶性盐的含量有关。泥浆中的固相含量是指泥浆中固体颗粒占的重量或体积百分数。泥浆中的固相包括有用固相（如粘土、重晶石等）和无用固相（如岩屑等）。钻井液相关基础知识泥浆密度与钻井的关系平衡地层压力和井壁侧压力钻井过程中，钻井液的密度过小，钻井液的液柱压力过小，一方面不足以平衡地层压力，地层中的油、气、水可进入钻井液中，破坏钻井液性能，同时造成钻井液密度下降，引起井喷事故的发生；另一方面液柱压力过小，不足以提供足够的支撑力来平衡井壁侧压力，易使井壁垮塌。密度过大，钻井液的液柱压力过大，当液柱压力大于地层压力，钻井液进入地层中去，对油气层造成破坏；当钻井液的液柱压力大于地层的破裂压力时，压漏地层，产生井漏。钻井液相关基础知识泥浆密度与钻井的关系钻井液密度与钻速的关系一般而言，钻井液密度越大，机械钻速越低；钻井液密度越小，机械钻速越高。原因在于：第一，钻井液密度大，钻井液产生的液柱压力大，钻具在井内转动时要克服的摩擦力越大，动力消耗越大，钻头研磨地层的动力下降，机械钻速下降；第二，钻井液的密度大，液柱压力大，对井底产生压持效应，使钻屑不能及时脱离开岩石母体，造成钻头对破碎岩石的重复切削，降低机械钻速；第三，钻井液的密度大，造成井内正压差增大，使井底岩石的可钻强度增加，钻速降低。反之，密度下降，钻速提高。钻井液相关基础知识调整泥浆密度的方法加人重晶石粉等加重材料；加人可溶性无机盐如NaCI，KCI等；钻井液中有气泡时，通过对钻井液进行除气，也可以提高钻井液密度；其中，在钻井液中加人加重剂是最常用的提高密度的方法。钻井液相关基础知识调整泥浆密度的方法减少钻井液中的固相含量；加入大量清水稀释；加入一定数量的发泡剂，利用气体充入钻井液中降低钻井液的密度；混油；钻低压油气层时选用气体钻井液。这几种降低钻井液密度的方法中以第一种方法最常用。钻井液相关基础知识泥浆的流变性能所谓流变性，就是钻井液的流动变形特性。常用的流变参数包括：泥浆粘度：漏斗粘度、塑性粘度、表观粘度；泥浆切力：动切力、静切力；剪切稀释性、触变性、n值和K值。钻井液相关基础知识泥浆的粘度粘度是泥浆流动难易程度的指标。它反映泥浆流动时，其内部摩擦阻力的大小。摩擦阻力包括液体之间、粘土颗粒之间以及粘土颗粒与液体之间的磨擦阻力，并且也有泥浆结构的影响。一般静切力大的泥浆，其粘度也高。在正常钻进时，如泥浆的粘度过大，会造成泵压过高、净化岩粉困难、泥包钻头、影响钻速和起下钻抽吸作用大等问题。钻井液相关基础知识泥浆的粘度钻井液的漏斗粘度：一定体积的钻井液流经规定尺寸的小孔所需要的时间。用T表示，单位为s。钻井液的塑性粘度：钻井液在层流时，钻井液中固体颗粒之间、固体颗粒和液体分子之间、液体分子之间的各种内摩擦力之和称为钻井液的塑性粘度。用PV表示，单位为cP（厘泊）或mPa•s（毫帕•秒），其中1ep＝1mPa‘s。钻井液的表观粘度：又称有效粘度或视粘度，是钻井液在某一速度梯度下，剪切应力与速度梯度的比值，用AV表示，单位是mPas（毫帕•秒）。钻井液相关基础知识马式漏斗粘度计ZNN六速旋转粘度计泥浆的切力钻井液的静切力：其胶体化学的实质是胶凝强度，即表示钻井液在静止状态下形成的空间网状结构力的强弱。其物理意义是：当钻井液静止时，破坏钻井液内部单位面积上网状结构所需的剪切力。用TS表示，单位是Pa（帕）。通常用初切力和终切力来表示静切力的相对值。初切力是钻井液在经过充分搅拌后，静止10s测得的静切力值，用T10s表示；终切力是钻井液经过充分搅拌后，静止1min测得的静切力的值，用T1min表示。钻井液的动切力：其反映的是钻井液在层流时，粘土颗粒之间及高聚物分子之间相互作用力的大小，即钻井液内部形成的网状结构能力的强弱。用YP表示，单位是Pa（帕）。钻井液相关基础知识剪切稀释性、触变性、n值和K值钻井液的触变性是指钻井液搅拌后变稀，静止后变稠的性质。一般用钻井液的终切与初切的差值来表示，其差值越大，触变性越强；差值越小，触变性越弱。n值和K值n值称为钻井液的流性指数，是钻井液结构力和剪切稀释性的一种表示。钻井液的n值一般小于ton值越小，钻井液的非牛顿性、剪切稀释性和结构力越强；反之，n值越大，钻井液的非牛顿性、剪切稀释性和结构力越弱。流性指数是一个无量纲量，没有单位。降低n值，有利于携带岩屑和清洁井眼。钻井液相关基础知识剪切稀释性、触变性、n值和K值K值是钻井液的稠度系数，表示钻井液的可泵性或直观流动性，即反映钻井液的稀稠程度。K值越大，钻井液越稠，开泵时泵压越大；K值越小，钻井液越稀，对携带岩屑不利，但有利于提高钻井速度。它的单位是Pa“snoK值也可以被认为是有效粘度，当n二1时，两者完全一致；当n＞1时，二者的单位不同，有效粘度的单位是达因•秒／厘米2(1达因•秒/厘米2=1泊），而K值的单位是达因•秒n/厘米，。钻井液相关基础知识钻井液流变性与钻井的关系(1)流变性与悬浮携带岩屑和净化井眼的关系：钻井液粘度的作用是将井底的钻屑有效的携带到地面，这是关系到能否安全快速钻井的问题。实践表明：钻井液粘度、切力越大，钻井液悬浮和携带岩屑的能力越强，井眼的净化效果越好。反之钻井液粘度、切力降低，钻井液悬浮和携带岩屑的能力变差，井眼的净化效果差。钻井液相关基础知识钻井液流变性与钻井的关系(2）钻井液流变性与机械钻速的关系：实践表明：在钻井过程中，钻井液粘度、切力升高，钻速下降。原因有二：其一钻井液粘度、切力大，流动阻力大，消耗的功率也大，在泵功率一定的情况下，钻井液泵的排量相应降低，降低钻井速度。其二，钻井液粘度大，钻头在破碎岩石时，高粘度钻井液在井底形成一个粘性垫层，粘性垫层缓和了钻头牙齿对井底岩石的冲击切削作用，使机械钻速降低。钻井液相关基础知识钻井液的滤失性能钻井液相关基础知识滤失：在井内钻井液液柱压力与地层压力之差作用下，钻井液中的部分水分渗透到地层孔隙和裂缝中去的现象叫钻井液的滤失或失水，滤失的多少叫钻井液的滤失量或失水量。根据滤失形成的过程，将滤失分为动滤失、静滤失和瞬时滤失。静滤失是钻井液在井内静止条件下形成的滤失，在这个过程中钻井液滤失速率不断减小，直至最小，最终滤失量不再增加，滤饼则不断增厚。钻井液的滤失性能钻井液相关基础知识动滤失是指钻井液在井