3 钻井液性能及其测试

钻井液性能及其测试蔡记华钻井液常规性能包括：密度、流变性（漏斗粘度、表观粘度、塑性粘度、动切力、静切力等）、滤失造壁性（滤失量、滤饼厚度、滤饼性能等）、pH值、含砂量、固相含量等。一、钻井液密度1.钻井液密度与安全密度窗口钻井液的密度是指每单位体积钻井液的质量，常用g/cm3(或kg/m3)表示。在钻井工程上，钻井液密度和泥浆比重(Mudweight)是两个等同的术语。其英制单位通常为lbm/ga1(即磅/加仑，或写做ppg)，1g/cm3等于8.331bm/ga1。钻井液密度是确保安全、快速钻井和保护油气层的一个十分重要的参数。通过钻井液密度的变化，可调节钻井液在井筒内的静液柱压力，以平衡地层孔隙压力时亦用于平衡地层构造应力，以避免井塌的发生。安全密度窗口（△P）井漏井喷复杂情况坍塌钻具厚泥饼卡钻安全密度窗口：安全钻进时的泥浆密度范围坍塌压力P塌和泥浆压力P泥井眼形成后，地应力在井壁上的二次分布所产生的指向井内引起井壁岩石向井内移动的应力，称为井壁（地层）坍塌应力P塌。P塌一旦产生（P塌≥0），井壁岩石必然逐渐掉（挤）入井中（垮塌）。钻井过程中P塌可以（也只能）用井内泥浆液柱压力来有效地平衡，P泥≥P塌时则井壁保持稳定；P泥＜P塌时，则发生井塌。泥浆压力P泥和破裂压力P破除了P塌之外，裸眼井段还有地层流体压力（P地）和地层破裂压力P破（P漏）等两个地层压力。钻进过程中，我们人为施加的是泥浆压力P泥。当P泥＞P破（P漏）则发生井漏；P泥＜P地时，则发生井涌或井喷。安全密度窗口问题分析常规地层井口易漏，低P破P泥P泥低压地层高压地层易喷地层，高P地常规地层P塌、P地P泥P破(P漏)安全密度窗口△P=P破－P地（P塌）2.钻井液密度的测量钻井液密度是用一种专门设计的钻井液比重秤(MudBalancer）测得的，比重秤的外观如下图所示。测定时，首先在泥浆杯中盛满钻井液，盖上计量盖，然后用棉纱布擦净从计量盖小孔溢出的钻井液。再将比重秤刀口放置在底座的刀垫上，不断移动游码，直至水平泡位居两条线的小央。此时游码左侧的到度即表示所测量钻井液的密度。用清水校正用淡水注满洁净、干燥的样品杯，盖上杯盖并擦干样品杯外部，把密度计的刀口放在刀垫上，将游码左侧边线对准刻度1.00g/cm3处，观察密度计是否平衡（平衡时水平泡位于中央），如不平衡，在平衡圆柱上加上或取下一些铅粒，使之平衡。3.钻井液密度的调整加入重晶石等加重材料是提高钻井液密度最常用的方法。在加重前，应调整好钻井液的各种性能，特别要严格控制低密度固相的含量。一般情况下，所需钻井液密度越高，则加重前钻井液的固相含量及粘度、切力应控制得越低。加入可溶性无机盐也是提高密度较常用的方法。如在保护油气层的清洁盐水钻井液中，通过加入NaCl，可将钻井液密度提高至1.20g/cm3左右。常用的加重剂重晶石（BaSO4）(ρ=4.2～4.6)石灰石（CaCO3）(ρ=2.7～2.9)菱铁矿（FeCO3）(ρ=3.7～3.9)用作钻井液的加重材料方铅矿（PbS）(ρ=7.5～7.6)CaCO3可作暂堵剂钛铁矿（FeTiO3）或[TiO2·Fe2O3](ρ3.0)铁矿粉（Fe2O3）(ρ=4.9～5.3)为实现平衡压力钻井或欠平衡压力钻井，有时需要适当降低钻井液的密度。通常降低密度的方法有以下几种：最主要的方法是用机械和化学絮凝的方法清除无用固相，降低钻井液的固相含量。加水稀释。但往往会增加处理剂用量和钻井液费用。混油。但有时会影响地质录井和测井解释；钻低压油气层时可选用充气钻井液等。二、钻井液流变性钻井液的流变性(RheologicalProPertiesofDrillingF1uids)是指钻井液流动和变形的特性。该特性通常是由不同的流变模式及其参数来表征的，最常用的流变模式为宾汉和幂律模式。其中宾汉模式的参数为塑性粘度(PlasticViscosity)和动切力(YieldPoint)；幂律模式的参数为流性指数(FLowBehaviorIndex)和稠度系数(ConsistencyIndex)。此外，漏斗粘度(FunnelViscosity、表观粘度(ApparentViscosity)和静切力(GelStrength)等也是钻井液的重要流变参数由于钻井液的流变性与携岩、井壁稳定、提高机械钻速和环空水力参数计算等一系列钻井工作密切相关，因此它是钻井液最重要的性能之一。有关内容将在后面的教学工作中重点阐述。钻井液流变性的测量马氏漏斗ZMN型马式漏斗粘度计由锥体马式漏斗、孔径1.6mm的滤网和946ml量杯组成。锥体上口直径152mm，锥体下口直径与导流管直径4.76mm，锥体长度305mm，漏斗总长356mm，筛底以下的漏斗容积1500ml。苏式漏斗粘度计该粘度计由漏斗和量筒组成。构造如图3。量筒由隔板分成两部分，大头为500ml，小头为200ml，漏斗下端是直径为5mm，长为100mm的管子。旋转粘度计液体放置在两个同心圆筒的环隙空间内，电机经过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转矩，带动与扭力弹簧相连的内筒一个角度。该转角的大小与液体的粘性成正比，于是液体的粘度测量转换为内筒转角的测量。6个读值：φ600,φ300,φ200，φ100,φ6,φ3常用流变参数计算关于切力在600r/min下搅拌10s，静止10s后在3r/min下读取并记录最大读数值再在600r/min下搅拌10s，静止10min后在3r/min下读取并记录最大读数值。三、钻井液的滤失造壁性钻井过程中，当钻头钻过渗透性地层时，由于钻井液的液柱压力一般总是大于地层孔隙压力，在压差作用下，钻井液的液体便会渗入地层，这种特性常称为钻井液的滤失性(FiltrationPropertiesofDrillingF1uids)。在液体发生渗滤的同时，钻井液中的固相颗粒会附着沉积在井壁上形成一层泥饼(Mudcake)。随着泥饼的逐渐加厚以及在压差作用下被压实，会对裸眼井壁有效地起到稳定和保护作用，这就是钻井液的所谓造壁性。由于泥饼的渗透率远远小于地层的渗透宰，因而形成的泥饼还可有效地阻止钻井液中的固相和滤液继续侵入地层。在钻井液工艺中，通常用一个重要参数——滤失量(Waterloss或FiltrationRate)来表征钻井液的渗滤速率。钻井液的滤失性也是钻井液最重要的性能之一，有关内容将在后面的教学工作中详述。ZNS型泥浆失水量仪该仪器是将泥浆用惰性气体（二氧化碳、氮气或压缩空气）加压的情况下，测量泥浆的失水量。当泥浆在0.69MPa压力的作用下，30分钟内通过截面为45.6±0.5㎝2过滤面渗透出的水量，以毫升表示。同时，可以测得泥浆失水后泥饼的厚度，以毫米表示.按逆时针方向缓缓旋转放空阀5手柄，同时观察压力表指示。当压力表稍有下降或听见泥浆杯有进气声响时，即停止旋转放空阀手柄，微调减压阀3手柄，使压力表指示为0.69MPa，泥浆杯内保持0.69MPa的恒定状态，当见到第一滴滤液开始记时。滤饼质量评价滤饼质量评价光滑性：将滤饼放在一平面上，用手指触摸，如果滤饼薄而光滑，并无有砂子的感觉则光滑性好，否则，光滑性不好。坚实性：将滤饼放在一容器里，并装入水或柴油，放置24小时，观察其破坏滤饼的程度，如果滤饼经过浸泡而松散或消失，证明坚实性较差，否则，则好。韧性：将滤饼放在一立方形物品(桌面)边缘，向下折90°，如果滤饼无明显断裂，证明韧性较好，否则较差。四、钻井液的pH值和碱度1.钻井液的pH值通常用钻井液滤液的pH值表示钻井液的酸碱性。由于酸碱性的强弱直接与钻井液中粘土颗粒的分散程度有关，因此会在很大程度上影响钻井液的粘度、切力和其它性能参数。右图表示经预水化的膨润土基浆(其中膨润土含量为57.1kg/m3)的表现粘度随pH值的变化。由图可知，当pH值大于9时，表现粘度随pH值升高而剧增。其原因是当pH值升高时，会有更多OH-被吸附在粘土晶层的表而，进一步增强表面所带的负电性，从而在剪切作用下使粘土更容易水化分散。松科1井，470m处井口泥浆，pH为6.5，失水量为18ml；加入0.5%KOH后，pH为10.5，失水量为14.4ml。在实际应用中，大多数钻井液的pH值要求控制在8～11之间，即维持一个较弱的碱性环境。这主要是由于有以下几方面的原因：可减轻对钻具的腐蚀；可预防因氢脆而引起的钻具和套管的损坏；可抑制钻井液中钙、镁盐的溶解；有相当多的处理剂需要在碱性介质个才能充分发挥其效能．如丹宁类、褐煤类和木质素磺酸盐类处理剂。烧碱（即工业用NaOH）是调节钻井液pH值的主要添加剂，有时也使用纯碱和石灰。在常温下，它们的水溶液具有如下的pH值：10%NaOH溶液，pH＝12.9；10%Na2CO3溶液，pH＝11.1；饱和Ca(OH)2溶液，pH＝12.1。通常使用pH试纸测量钻井液的pH值，如要求的精度较高时，可使用pH计。五、钻井液含砂量钻井液含砂量是指钻井液中不能通过200目筛网，即粒径大于74微米的砂粒占钻井液总体积的百分数。在现场应用中，该数值越小越好，一般要求控制在0.5％以下。这是由于含砂量过大会对钻井过程造成以下危害：使钻井液密度增大，对提高钻速不利；使形成的泥饼松软，导致滤失量增大，不利于井壁稳定，并影响固井质量；泥饼中级砂粒含量过高会使泥饼的摩擦系数增大，容易造成压差卡钻；增加对钻头和钻具的磨损，缩短其使用寿命。降低钻井液含砂量量有效的方法，是充分利用振动筛、除砂器、除泥器等设备，对钻井液的固相含量进行有效的控制。含砂量的测量六、钻井液的固相含量钻井液固相含量通常用钻井液中全部固相的体积占钻井液总体积的百分数来表示，固相含量的高低以及这些因相颗粒的类型、尺寸和性质均对钻井时的井下安全、钻井速度及油气层损害程度等有直接的影响。因此，在钻井过程中必须对其进行有效的控制。1．钻井液中固相的类型一般情况下，钻井液中存在着各种不同组分、不同性质和不同颗粒尺寸的固相。根据其性质的不同，可将钻井液中的固相分为两种类型，即活性固相(ActiveSo1ids)和惰性固相(InertSo1ids)。凡是容易发生水化作用或易与液相中某些组分发生反应的称为活性固相，反之则称为惰性固相。前者主要指膨润土，后者包括石英、长石、重品石以及造浆率极低的粘土等。除重晶石外，其余的惰性固相均被认为是有害固相，是需要尽可能加以清除的物质。08030515:352.钻井液固相含量对与井下安全的关系使钻井液流变性能不稳定，粘度、切力偏高，流动性和携岩效果变差。使井壁上形成厚的泥饼，而且质地松散，摩擦系数大，从而导致起下钻遏阻，容易造成粘附卡钻。泥饼质量不好会使钻井液滤失量增大，常造成井壁泥页岩水化膨胀、井径缩小、井壁剥落或坍塌；钻井液易发生盐钙侵和粘土侵，抗温性能变差，维护其性能的难度明显增大。3.钻井液固相含量对钻速的影响大量钻井实践表明，钻井液中因相含量增加是引起钻速下降的一个重要原因。此外，钻井液对钻速的影响还与固相的类型、固相颗粒尺寸和钻井液类型等因素有关。根据100口井统计资料做出的钻井进尺、钻头使用数量及钻井天数与钻井液固相含量的关系曲线如下图所示。虽然这些曲线不能用来预计某口井的钻速，但是可以表明固相含量对钻速影响的大概趋势。关于固相类型对钻速的影响，一般认为．重晶石、砂粒等惰性固相对钻速的影响较小，钻屑、低造浆率劣土的影响居中，高造浆率膨润土对钻速的影响最大。4.钻井液固相含量的测定蒸馏的方法快速测定钻井液中固相及油水的含量。测试步骤在蒸馏器内注入20m1钻井液，将插有加热棒的套简连接到蒸馏器上。将蒸馏器的引流管插入冷凝器的孔中，然后将量筒放在引流嘴下方，以接收冷凝成液体的油和水接通电源，使蒸馏器开始工作，直至冷凝器引流嘴中不再有液体流出时为止。这段时间一般需20一30min。待蒸馏器和加热棒完全冷却后，将其卸开。用铲刀刮去蒸馏器内和加热棒上被烘干的固