钻井液性能评价测试及设计

第1页共48页钻井液性能评价测试及设计指导书郑秀华主编中国地质大学（北京）2005年03月编制第2页共48页前言《钻井液性能评价测试及设计指导书》主要是为勘查技术与工程专业和相关专业四年制本科生编写的实践用教材，配合《PrinciplesofDrillingFluids》教材，为《钻井液工艺原理》课程提供实验和钻井液设计指导。本教材也可作为相关的现场技术人员，尤其是岩心钻探技术人员、管理人员的参考书。目前，大学本科教学正在向素质教育转变，本教材理论联系实际，有助于学生掌握知识和应用知识。本教材有四部分组成：第一部分介绍钻井液基本性能及其测试方法，第二部分钻井液用膨润土性能评价，第三部分钻井液碱处理及钙、盐污染及处理，第四部分钻井液添加剂及钻井液体系评价。本教材从钻井液基本性能出发，针对岩心钻探向深部发展，钻遇地层更加复杂，对钻井液性能要求更高等问题，结合近年来的钻井液研究成果，借鉴油气开发的一些先进钻井液技术，进行岩心钻探技术钻井液设计，为学生提供实践经验，同时为岩心钻探提供一些成功的钻井液技术。钻井液基本性能包括：钻井液密度、钻井液流变性能、钻井液失水造壁性、钻井液固相含量、钻井液含砂量、钻井液的润滑性。膨润土性能评价包括：钻井液中膨润土含量、泥浆用膨润土品质评价。钻井液处理包括：泥浆碱处理，钙、盐侵污染和处理钻井液添加剂及钻井液体系评价包括:水解聚丙烯酰胺的性能应用、钻井液的抑制性评价以及各种添加剂在相应体系中作用原理的分析与评价。本教材第一部分由郑秀华与杨浩编写，第二部分由郑秀华与李国民编写。全书由郑秀华负责统稿。在编写过程中，得到刘选朋、陈立敏、詹美萍、张天笑、刘翠娜等研究生的大力支持和帮助，在此向他们及其他未提及的研究生们表示衷心的感谢。限于编者的水平，书中错误和不妥之处在所难免，敬请读者批评指正。第3页共48页目录前言.............................................................................................................................2第一部分钻井液基本性能及其测试方法.........................................................................41钻井液基本性能及其测试.....................................................................................52钻井液的润滑性.................................................................................................10第二部分钻井液用膨润土性能评价..............................................................................131钻井液中膨润土含量..........................................................................................142泥浆用膨润土品质评价......................................................................................16第三部分钻井液碱处理及钙、盐污染及处理.................................................................201泥浆的碱处理....................................................................................................212泥浆的钙污染和处理..........................................................................................233泥浆的盐侵和处理.............................................................................................25第四部分钻井液用添加剂及水基钻井液体系评价.........................................................271水解聚丙烯酰胺的性能应用...............................................................................282钻井液抑制性及抑制剂评价实验........................................................................313细分散淡水泥浆体系..........................................................................................344不分散低固相淡水泥浆......................................................................................365无固相聚合物泥浆.............................................................................................386硅酸盐钻井液....................................................................................................407无渗透抑制性泥浆.............................................................................................428阳离子聚合物钻井液..........................................................................................459可循环微泡沫钻井液..........................................................................................47第4页共48页第一部分钻井液基本性能及其测试方法钻井液（DrillingFluids）又称为钻井泥浆(Drillingmud)或泥浆（mud），在钻进过程中起着举足轻重的作用。钻井液的循环是通过泥浆泵来维持的。从泥浆泵排出的高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，以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人泥浆池，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。钻井液流经的各种管件、设备构成了一整套钻井液循环系统。钻井泥浆在钻进过程中主要起到的作用有：1.携带悬浮岩屑；2.稳定井壁平衡地层压力；3.冷却和润滑钻头钻具；4.传递水动力。泥浆是钻井工程的血液，泥浆性能的好坏直接影响到钻井的质量。因此了解泥浆状况，及时进行处理，有利于实现安全优质的钻井。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、泥浆的润滑性等。下面将逐一介绍泥浆各种性能测试方法及原理。通过测试泥浆的性能指标，进一步掌握泥浆这些基本性能在钻进中所起的作用以及影响。做到依据现场情况合理的调配泥浆性能，从而达到安全快速钻进的目标。第5页共48页中国地质大学（北京）本科生实验报告学号：姓名：课程：钻井液工艺原理课程号：0201171成绩：1钻井液基本性能及其测试一、实验目的通过实验：1）掌握钻井液基本性能指标及其测定方法；2）掌握常规钻井液性能测定仪器使用方法；理解钻井液性能对钻井作业的影响。二、实验内容1、比重、流变参数（漏斗粘度、表观粘度、塑性粘度、动切力、静切力、流行指数和稠度系数）、失水造壁（失水量、泥饼）、固相含量、含砂量、pH值等主要性能的测定仪器结构原理及操作方法。2、比重、粘度、切力、失水量、固相含量、含砂量、pH值等性能测定。三、实验仪器、设备及药品（一）仪器、设备天平、D90-1型电动搅拌机、GJ-1型高速搅拌机、量具、不锈钢尺、秒表、1002泥浆比重秤、1006型泥浆粘度计（漏斗粘度计）、ZNN-D6型电动六速旋转粘度计、SD型多联中压滤失仪、钻井液固相含量测定仪ZNG-A、钻井液含沙量测定仪ZNH-1、广泛pH试纸、定性滤纸等。（二）药品膨润土粉、碳酸钠（Na2CO3）、钠羧甲基纤维素（CMC）四、实验方法及步骤（一）泥浆比重的测定1、仪器：1002型泥浆比重秤2、测定步骤a)校正比重秤：先在泥浆杯中装满清水，盖好杯盖，将盖上及周围溢出的清水擦干后，再将比重秤横梁置于支架上，移动游码至比重为1.00的刻度处。如水平泡位于中间，则仪器是准确的；否则应调整调重管内的重物，使水平泡处于正中位置。b)泥浆比重的测定：将校准好的比重秤擦干，把待测泥浆注入泥浆杯中，加盖并将溢出的泥浆擦干，然后将其置于支架上。移动游码，使水平泡处于中间位置，此时读出横梁上的刻度值（精确到0.01）便是所测泥浆的比重。c)测定结果后，将泥浆杯中的泥浆倒出，洗净，擦干放置，不应把横梁长期置于支架上。（二）泥浆粘度、切力的测定1、漏斗粘度的测定（1）仪器：马氏漏斗（2）测定步骤a)将漏斗垂直，用手握紧漏斗，并用手指堵住漏斗下部的流出口，将新取的钻井液样品经筛网注入干净并直立的漏斗中，直到钻井液样品液面达到筛网底部为止。b)移开手指并同时启动秒表，测量钻井液流至量杯中的946毫升（一夸脱）刻度线所需要的时间。c)以秒为单位记录马氏漏斗粘度。第6页共48页（3）仪器校正由于漏斗粘度是泥浆相对水的粘度，在使用前应对粘度进行校正。校正的方法是用漏斗粘度计测量清水的粘度。清水标准的漏斗粘度为26s。误差在±1秒内，泥浆的实际粘度应根据下列公式校正：秒清水实测粘度泥浆实测粘度泥浆实际粘度26如果误差超过±1秒，该漏斗粘度计应停止使用。2、旋转粘度计测泥浆流变性能（1）仪器：ZNN—D6六速旋转粘度计（2）工作原理电机经传动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矩，带动与扭力弹簧相连的内筒旋转一个角度。该转角的大小与液体的粘性成正比。于是，液体粘度的测量转换为内筒转角的测量。（3）测定步骤a)将刚搅拌好的泥浆倒入样品杯刻度线处（350毫升）立即放置在托盘上，上升托盘使液面至外筒刻度线外，拧紧手轮，固定托盘。b)迅速从高速到低速进行测量，待刻度盘读数稳定后分别记录600、300、200、100、6、3的读数。c)上述测定完成后，用600转/分的转速将杯中泥浆搅拌10秒，静置10秒后，开始用3转/分测量，读出刻度盘的最大值31。重新搅拌后，静置10分钟，同样以3转/分测量，小心的读出刻度盘的最大值32。d)计算流变参数：视粘度：（厘泊cP）塑性粘度:（厘泊cP）动切力:（Pa）流性指数:n=3.322600300lg稠度系数：nK511511.0300（Pa.sn）静切力（初切）：初=0.511