第一章 钻井液概论

石油工程学院12020/1/16钻井液与完井液DrillingandCompletionFluids主讲教师：胡友林长江大学石油工程学院联系方式：18986661318石油工程学院22020/1/16参考资料介绍书名主编出版社出版时间钻井液工艺学鄢捷年石油大学出版社2001年油田化学赵福麟石油大学出版社2000年海洋钻井液与完井液纪春茂石油大学出版社1997年泥浆胶体化学李健鹰石油大学出版社1988年石油工程学院32020/1/16成绩分布：1、平时表现（20%）（课堂考勤，作业完成情况：20分）2、期末考试（80%）（期末考试成绩100分：80分）石油工程学院42020/1/16第一章绪论本章要求掌握：钻井液、完井液功用、类型和组成。钻井液、完井液的性能及其测试。钻井液、完井液的发展概况。石油工程学院52020/1/16第一章钻井液概论第一节钻井液的功用、类型和组成钻井液是指油气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。钻井液又称做钻井泥浆（DrillingMuds)，或简称为泥浆(Muds)。钻井液循环过程见下图：石油工程学院62020/1/16钻井液的循环是通过泥浆泵维持。从泥浆泵排出的低压钻井液经过地面高压管汇、立管、水龙带、水龙头、方钻杆、钻杆、钻铤到钻头，从钻头喷嘴喷出，清洗井底并携带岩屑。然后再沿钻柱与井壁(或套管)形成的环形空间向上流动，在到达地面后经排出管线流入泥浆池，再经各种固控设备进行处理后返回上水池，最后进入泥浆泵循环再用。石油工程学院72020/1/16石油工程学院82020/1/16一钻井液的功用钻井液最基本的功能有：1．携带和悬浮岩屑，冲洗井底携带和悬浮岩屑，冲洗井底是钻井液首要和最基本的功用。携带岩屑：通过钻井液的循环，将井底破碎的岩屑携至地面，保持井眼清洁，并保证钻头在井底始终接触和破碎新地层，不造成重复切削，保持安全快速钻进。石油工程学院92020/1/16悬浮岩屑：在接单根、起下钻或因故停止循环时，钻井液将井内的钻屑悬浮在钻井液中，使钻屑不会很快下沉，防止沉砂卡钻等情况发生。冲洗井底：钻井液在钻头水眼处形成高速液流，将由于钻井液与地层压力差而被压持在井底的岩屑冲起，起到清洗井底作用。石油工程学院102020/1/162．稳定井壁和平衡地层压力井壁稳定、井眼规则是实现安全、优质、快速钻井的基本条件。井壁稳定：性能良好的钻井液应能借助于液相的滤失作用，在井壁上形成一层薄而韧的泥饼，以稳固已钻开的地层并阻止液相侵入地层，减弱泥页岩水化膨胀和分散的程度。平衡地层压力：在钻进过程中需通过不断调节钻井液密度，使液柱压力能够平衡地层压力，防止井塌和井喷等井下复杂情况的发生。石油工程学院112020/1/163．冷却和润滑钻头、钻具冷却作用：在钻进中钻头一直在高温下旋转并破碎岩层，产生很多热量，同时钻具也不断地与井壁摩擦产生热量。通过钻井液不断地循环作用，将这些热量及时吸收，然后带到地面释放到大气中，冷却钻头、钻具，延长使用寿命的作用。润滑作用：钻井液的存在，使钻头和钻具均在液体内旋转，在很大程度上降低了摩擦阻力，起到很好的润滑作用。石油工程学院122020/1/164．传递水动力（传递功率）钻井液在钻头喷嘴处以极高的流速冲击井底，提高钻井速度和破岩效率。高压喷射钻井采用高泵压钻进，使钻井液所形成的高速射流对井底产生强大的冲击力，提高钻速。在使用涡轮钻具钻进时，钻井液由钻杆内以较高流速流经涡轮叶片，使涡轮旋转并带动钻头破碎岩石。石油工程学院132020/1/165．获取井下信息钻井液携带至地面的岩屑，反映钻遇岩层的性质，帮助判断地层层位以及地层物性。更重要的是通过对钻井液的表象观察，可以发现油气显示，帮助分析是否钻遇油气层位。石油工程学院142020/1/166、其他性能要求必须与所钻遇的油气层相配伍，满足保护油气层的要求，尽量不损伤油气层渗透性，并有利于获取良好的岩样、岩芯和电测资料；钻井液具有较好的抗温、抗盐、抗钙镁能力；对钻井人员及环境不发生伤害和污染，对井下工具及地面装备不腐蚀或尽可能减轻腐蚀。石油工程学院152020/1/16钻井液的主要作用携带、悬浮岩屑控制压力形成泥饼破岩、清岩保护油气层传递水功率石油工程学院162020/1/16二钻井液的类型随着钻井液工艺技术的不断发展，钻井液的种类越来越多。目前，国内外对钻井液有各种不同的分类方法。密度大小：非加重钻井液和加重钻井液。粘土水化作用：非抑制性钻井液和抑制性钻井液。固相含量：低固相钻井液与无固相钻井液。石油工程学院172020/1/16一般分类方法是按钻井液中流体介质和体系的组成特点来进行分类的。根据流体介质水基钻井液油基钻井液气体型钻井液合成基钻井液石油工程学院182020/1/16石油工程学院192020/1/161.分散钻井液（DispersedDrillingFluids)：分散钻井液是指用淡水、膨润土和各种对粘土与钻屑起分散作用的处理剂(简称为分散剂)配制而成的水基钻井液。可容纳较多的固相，较适于配制高密度钻井液。形成较致密的泥饼，滤失量较低某些分散钻井液，如三磺钻井液体系具有较强的抗温能力，用于在深井和超深井中使用。抑制性和抗污染能力较差，体系中固相含量高，对提高钻速和保护油气层均不利。下面是在参考国外钻井液分类标准的基础上，在国内得到认可的各种钻井液类型：优点缺点石油工程学院202020/1/162．钙处理钻井液(Calcium—treatedDrillingFluids)组成特点：体系中含有一定浓度的Ca2+和分散剂。Ca2+通过与钠膨润土发生离子交换，钠膨润土转变为钙膨润土，减弱水化程度。分散剂主要是防止Ca2+引起体系中的粘土颗粒絮凝过度并保持在适度絮凝状态，保证钻井液具有良好的稳定性能。钙处理钻井液抗盐、钙污染的能力较强；对所钻地层中的粘土有抑制其水化分散的作用，在一定程度上控制页岩坍塌和井径扩大，减轻对油气层的损害。石油工程学院212020/1/16盐水钻井液是用盐水(或海水)配制而成的。在含盐量从1％(Cl-质量浓度为6000mg／L直至饱和(Cl-质量浓度为189000mg／L)之前的整个范围内都属于盐水钻井液。盐水钻井液是一类对粘土水化有较强抑制作用的钻井液。3．盐水钻井液(SaltwaterDrillingFluids)石油工程学院222020/1/16钻井液中Nacl含量达到饱和时的盐水钻井液体系。可以用饱和盐水配成，亦可先配成钻井液再加盐至饱和。饱和盐水钻井液主要用于钻其它水基钻井液难以对付的大段岩盐层和复杂的盐膏层，也可作为完井液和修井液使用。4．饱和盐水钻井液(SaturatedSaltwaterDrillingFluids)石油工程学院232020/1/16聚合物钻井液是以某些具有絮凝和包被作用的高分子聚合物作为主处理剂的水基钻井液。聚合物使钻井液中各种固相颗粒可保持在较粗的粒度范围内。钻出的岩屑及时受到包被保护而不易分散成微细颗粒。5．聚合物钻井液(PolymerDrilligFluids)主要优点表现在：(1)钻井液密度和固相含量低，提高钻速，油气层损害程度小。(2)剪切稀释性强。环空流体的粘度、切力较高，携带岩屑能力强；钻头喷嘴处流动阻力较小，有利于提高钻速。(3)聚合物处理剂具有较强的包被和抑制分散的作用，有利于保持井壁稳定。石油工程学院242020/1/16聚合物钻井液一般使用长链、高分子量化学剂能够有效地增加粘度，降低失水和稳定性能。各种类型的聚合物可以减少为维持粘度所需的膨润土用量。使用生物聚合物和交联聚合物在低浓度时具有较好的剪切稀释效果。石油工程学院252020/1/16钾基聚合物钻井液是一类以各种聚合物的钾(或铵、钙)盐和KCl为主处理剂的防塌钻井液。在各种常见无机盐中，以KCl抑制粘土水化分散的效果最好；聚合物处理剂的存在使钾基聚合物钻井液具有聚合物钻井液的各种优良特性。在钻遇泥页岩地层时，使用钾基聚合物钻井液防塌效果好。6．钾基聚合物钻井液(Potassium—basedPoIymerDrillingFluids)石油工程学院262020/1/16以油(柴油或矿物油)为连续相的钻井液称做油基钻井液。油基钻井液主要特点是抗高温，抑制性强，抗盐、钙污染能力高，润滑性好，对油气层的损害小。使用油基钻井液已成为钻探井、超深井、大位移井、水平井和各种复杂地层的重要手段之一。但另一方面，配制成本较高，使用时会对环境造成一定污染，油基钻井液应用受到一定的限制。7．油基钻井液(0il—basedDrillingFluids)石油工程学院272020/1/16油基体系常用于高温井、深井及易出现卡钻和井眼稳定性差的井。包括两种类型：a反相乳化钻井液是属油包水流体，以水分散相，油连续相。改变高分子量皂类和水的用量控制流变性和电稳定性；b油浆或油相钻井液常由氧化沥青、有机酸、碱、各种药剂和柴油混合而成。调节酸、碱皂和柴油浓度维护粘度及胶凝性能。石油工程学院282020/1/16合成基钻井液是以合成的有机化合物作为连续相，盐水作为分散相，并含有乳化剂、降滤失剂、流型改进剂的一类新型钻井液。使用无毒并且能够生物降解的非水溶性有机物取代油基钻井液中的柴油，合成基钻井液保持油基钻井液的各种优良特性，同时具有良好的环境友好性，尤其适用海上钻井。8．合成基钻井液(SyntheticDrillingFluids)石油工程学院292020/1/16气体型钻井液主要适用于钻低压油气层、易漏失地层以及某些稠油油层。密度低，钻速快，可有效保护油气层，并能有效防止井漏等复杂情况的发生。通常将气体型钻井液井流体分为以下4种类型：1)空气或天然气钻井钻井液体2)雾状钻井液(3)泡沫钻井液(4)充气钻井液9．气体型钻井液(Gas—typedDrillgFluids)石油工程学院302020/1/1610．保护油气层钻井液(DrillinginFluids)指的是在储层中钻进时使用的一类钻井液。当一口井钻达目的层时，设计的钻井液不仅能满足钻井工程和地质要求，还应满足保护油气层需要。石油工程学院312020/1/16三、钻井液的组成水基钻井液：膨润土、水(或盐水)、各种处理剂、加重材料以及钻屑组成的多相分散体系。膨润土：提粘切、降滤失和造壁。膨润土的用量以够用为度，不宜过大，否则钻井液粘切过高，影响机械钻速,不利保护油气层。石油工程学院322020/1/16水(或盐水)：作为流体介质，起分散携带钻井液处理剂以及岩屑作用。各种处理剂：调节钻井液性能，如滤失性、流变性、造壁性等。加重材料：调节钻井液密度，平衡地层压力。岩屑：无用固相，应尽量清除。石油工程学院332020/1/16油基钻井液：油（矿物油、柴油等）、水、乳化剂、润湿剂、亲油的固体处理剂(有机土、氧化沥青等)、加重材料等所形成的乳状液体系。矿物油、柴油、水：作为流体介质，起分散携带钻井液处理剂以及岩屑作用。石油工程学院342020/1/16表面活性剂：使钻井液流体介质形成稳定的乳状液体系。亲油的固体处理剂：提高钻井液流变性能。加重材料：增加钻井液密度，平衡地层压力。石油工程学院352020/1/16组分举例某种水基钻井液组分为：水+膨润土+处理剂100ml5g1g用组分表示的配方为：5%膨润土浆+1%处理剂配方表示的特点：用W/V百分数表示组分不考虑处理剂的体积。5石油工程学院362020/1/16第二节钻井液性能及测试按照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：钻井液密度钻井液流变性钻井液滤失造壁性钻井液的pH值和碱度钻井液的含砂量钻井液的固相含量钻井液膨润土含量钻井液滤液分析石油工程学院372020/1/16一、钻井液密度合理的钻井液密度是确保安全、快速钻井和保护油气层的十分重要参数。调节钻井液密度作用：调节钻井液静液柱压力，以平衡地层孔隙压力。不合适的钻井液密度带来的危害：密度过高，引起钻井液过度增稠、易漏失、钻速下降、加剧油气层损害和增加成本等问题；密度过低，可发生井涌甚至井喷，或造