第四章++钻孔冲洗介质

第三章钻孔冲洗介质1、概述2、钻井液分类3、钻井液性能4、钻井液添加剂5、钻井液的配制工程钻探与取样技术第一节概述一、冲洗介质的用途1、携带和悬浮岩粉2、冷却钻头3、润滑钻具4、保护孔壁5、平衡地层压力6、传递动力携带、悬浮岩粉控制压力保护孔壁冷却钻头保护油气层传递功率工程钻探与取样技术第一节概述二、冲洗介质的性能要求1、良好的冷却散热能力2、良好的润滑性能3、良好的剪切稀释性能4、良好的护壁和抵御环境影响能力5、性能稳定，不腐蚀钻具，对环境无毒害工程钻探与取样技术第二节钻井液类型一、冲洗介质的种类1、按分散体系，可分为：纯气体，液/气，气/液，固/液，液/液；2、按适用条件：(1)松散层泥浆;(2)水敏抑制性泥浆;(3)水溶抑制性泥浆;(4)硬岩钻进泥浆;(5)抗高温泥浆3、按基本液体：（1）水基泥浆；（2）油基泥浆4、按粘土在泥浆中的分散程度：（1）细分散淡水泥浆；（2）粗分散抑制性泥浆；（3）不分散低固相泥浆5、按处理剂成分、关键特性：腐植酸类泥浆、聚合物泥浆、木质素磺酸盐泥浆、抑制性泥浆、充气泡沫泥浆、饱和盐水泥浆、混油润滑泥浆工程钻探与取样技术第二节钻井液类型二、常用冲洗介质1、清水：便宜、冲洗效果好、冷却能力强、比重低；易引起地层不稳、循环停止后无悬浮岩屑能力。用于地层压力不大的稳定和非冲蚀性岩层2、空气：便宜、孔底干净、钻进效率高。用于缺水地区、严重漏失地层和大口径孔的潜孔锤钻进3、泥浆：能加固孔壁、悬浮岩屑、性能可调范围大、有润滑作用；比重和粘度大、钻进效率低、污染环境。用于风化、破碎、松散和遇水失稳岩层。4、乳状液：润滑性能好、降低钻杆振动。主要用于小口径金刚石钻进中。工程钻探与取样技术第二节钻井液类型二、常用冲洗介质5、无固相冲洗液：比重低、钻速高、性能可调、护壁。用于裂隙发育、易坍塌和轻微膨胀的地层。6、气液混合液：比重低、粘度大、携带和悬浮岩粉能力好、可护壁堵漏、用水量少。用于严重漏失、干旱和寒冷冰冻地区。7、盐溶液和饱和盐水：冻结温度低。用于钻进冻结岩层、各种盐层（光卤石、芒硝）工程钻探与取样技术第三节钻井液性能钻井液比重钻井液的固相含量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钻井液的润滑性工程钻探与取样技术第三节钻井液性能一、比重1、定义：泥浆重量与同体积水的重量之比。决定于泥浆中固相的含量和固相的比重、可溶性盐的含量。2、测量方法：比重称或液体比重计3、对钻井的影响：（1）平衡地层压力（2）钻进速度（3）携屑能力（4）泥浆漏失量：过高则漏失加大工程钻探与取样技术第三节钻井液性能二、固相含量：1、定义：钻井液中全部固体颗粒的体积占钻井液总体积的百分数。2、测量方法：泥浆固相含量测定仪（蒸馏法）3、对钻井的影响：（1）影响钻井液流变性能:粘度、切力偏高，流动性变差（2）影响钻进速度：钻速下降。颗粒越细，影响越大（3）护壁效果：泥皮松散、摩擦系数大，粘附卡钻（3）磨损钻具：加剧钻具磨损工程钻探与取样技术第三节钻井液性能三、流变特性：1、定义：钻井液在外力作用下变形和流动的特性，其中流动性是主要方面。通常用流变曲线、塑性粘度、动切力、静切力、表观粘度等参数描述。2、基本概念：剪切速率——在垂直于流速方向上单位距离流速的增量，s-1剪切力——在液层之间由于流速不同而产生的摩擦力，N粘度——产生单位剪切速率所需要的剪切应力，Pa●s流变模式——描述剪切应力和剪切速率关系的数学方程式流变曲线——描述剪切应力和剪切速率关系的曲线工程钻探与取样技术第三节钻井液性能静切应力——钻井液静止时形成的凝胶强度，其大小是使塑性流体开始流动所需的最小剪切应力塑性粘度——当剪切应力的数值大到一定程度之后，粘度不再随剪切速率增大而变化，此时的粘度称塑性粘度动切应力——钻井液开始作层流流动时,所需要的最小剪切应力，也就是塑性流体粘度稳定段直线延长线与剪切应力轴的交点牛顿流体——在外力作用下，剪切应力与剪切速率成正比的流体塑性流体——在受到外力作用时并不立即流动，而要等到外力增大到某一程度时才开始流动，并类似于牛顿型的流体假塑性流体——流变曲线通过原点并凸向剪切应力轴的流体工程钻探与取样技术第三节钻井液性能牛顿流体：塑性流体：假塑性流体：dvdx0pdvdx()ndvKdxγττsτd牛顿流体假塑性流体塑性流体γ宾汉幂律实际泥浆带τd假塑工程钻探与取样技术第三节钻井液性能3、对钻井的影响：（1）携屑能力：提高动塑比有利（2）悬浮岩屑和加重材料：静切力（3）保护井壁：避免紊流对孔壁的冲刷，对稳定孔壁有利（4）影响钻速：粘度高，钻速下降4.测量：（1）漏斗粘度计（2）旋转粘度计工程钻探与取样技术第三节钻井液性能用手握住漏斗呈直立位置，食指堵住导流管出口。取被测泥浆试样，经滤网注于漏斗锥体内直到泥浆的水平面至达筛网底面止（此刻刚好是1500ml）。放开食指，同时启动秒表记时，直到观察标准946ml量杯刻线时止，记录流出泥浆的秒数，以秒数记录漏斗粘度结果。马氏漏斗粘度计工程钻探与取样技术第三节钻井液性能六速旋转粘度计工作原理：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。转速可调：3、6、100、200、300、600rpm工程钻探与取样技术第三节钻井液性能四、钻井液滤失造壁性1、概念漏失：钻井液的固相和液相全部进入地层的现象滤失：钻井液中的自由水在压力差作用下向孔壁岩石的裂隙或孔隙中渗透。用失水量表示滤失性的强弱造壁性：随着钻井液中的自由水进入岩层，钻井液中的固体颗粒附着在孔壁上形成泥皮泥饼：钻井液滤失过程中留在井壁或者滤膜上的物质。泥皮工程钻探与取样技术第三节钻井液性能2、滤失过程（1）瞬时滤失：时间：钻井液接触井底新破碎岩石表面开始到泥皮形成特点：滤失时间短；滤失速率高，伴有少量固相漏失；失水量少；存在于整个钻井过程中工程钻探与取样技术第三节钻井液性能（2）动滤失：时间：钻井液循环过程中特点：泥饼形成、增厚与冲蚀处于动平衡；压差大，失水速率大、失水量大；向井壁失水；失水速度由大到小逐渐恒定（高渗透率低渗透率=C）；存在于整个循环过程中，时间长，累积失水量大。工程钻探与取样技术第三节钻井液性能（3）静滤失：时间：钻井液循环停止后特点：失水速率小、失水量较小；泥饼厚（无冲蚀作用）；同时向井壁井底失水，以井壁为主；泥饼在动失水的基础上随时间增长而增厚；失水速度随静止时间的增长而减少；静失水量动失水量。工程钻探与取样技术第三节钻井液性能时间累计失水量ToT1T2T3T4T5T6V瞬V动V静h=0hh=chhh=c工程钻探与取样技术第三节钻井液性能3、滤失性对钻井的影响（1）向井壁的失水有害①易造成井塌和缩径②易损害油气层：阻、堵、水锁、沉淀（2）向井底的失水有利①降低井底岩石强度，增加可钻性，有利钻速提高。②消除压持效应，避免重复切削，有利钻速提高。（3）现场要求3.现场要求泥饼——薄、密、韧。失水量——适当（并非越小越好）。一般地层：API失水1015ml/30min；水敏地层：API失水5ml/30min。工程钻探与取样技术第三节钻井液性能4、失水量测量将泥浆用惰性气体（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。泥浆失水量仪工程钻探与取样技术第三节钻井液性能五、钻井液的pH值和碱度1、pH值：（1）定义：钻井液酸碱性的度量（2）影响：a、决定粘土颗粒的分散程度，影响泥浆性能b、钻具腐蚀c、防氢脆d、抑制钙、镁盐的溶解2、碱度（1）定义：钻井液对酸的中和能力（2）作用：确定CO32-，HCO3-和悬浮石灰的量工程钻探与取样技术第三节钻井液性能六、含砂量：1、定义：钻井液中大于74微米（200＃）的砂粒所占钻井液总体积的百分数。一般要求控制在4％以下。2、影响（危害）：（1）使泥浆密度增大，钻速下降；（2）使泥皮松软，导致滤失量增大；（3）使泥皮摩擦系数增大，容易卡钻；（4）增加对钻具的磨损。工程钻探与取样技术第三节钻井液性能七、润滑性：包括泥皮的润滑性和钻井液本身的润滑性。钻井液和泥饼的摩阻系数，是评价钻井液润滑性能的两个主要技术指标。钻井液的润滑性能对减少卡钻等井下复杂情况，保证安全、快速钻进起着至关重要的作用。表征量：①钻井液的润滑系数：越小越好。——钻井液作用下金属间的摩擦系数。②泥饼摩擦系数Kf越小越好。——指泥饼与光滑金属面间的摩擦系数。③极压膜强度：越高越好。——指吸附于钻具表面的润滑膜的极限强度。工程钻探与取样技术第三节钻井液性能影响因素包括：密度、粘度、固相含量、有机添加剂含量、岩石条件、滤失性、润滑剂对钻进的影响：（1）钻具磨损；（2）扭矩传递；（3）起下钻阻力钻井液的润滑性在大斜度井、水平井、开窗侧钻、丛式井钻井中尤为重要。工程钻探与取样技术第四节钻井液添加剂一、钻井液添加剂的分类1、按化学组成分：无机添加剂和有机添加剂2、按作用分（16种）：加重剂，碱度和pH值控制剂，降失水剂，增粘剂，稀释和分散剂，除钙剂，杀菌剂，腐蚀抑制剂，消泡剂，起泡剂，乳化剂，絮凝剂，表面活性剂，润滑剂，页岩稳定剂，堵漏材料3、按材料来源分：天然植物，矿物和石化产品，微生物工程钻探与取样技术第四节钻井液添加剂二、加重剂1、对加重剂的要求：（1）密度大；（2）惰性；（3）磨损性小；（4）易粉碎2、常用加重剂：（1）重晶石粉（2）石灰石粉（3）铁矿粉（4）钛铁矿粉（5）菱铁矿粉（6）方铅矿粉工程钻探与取样技术第四节钻井液添加剂加重剂主要成分密度硬度泥浆密度重晶石BaSO44.0~4.52.5~3.52.3石灰石粉CaCO32.6~2.83.01.68铁矿粉Fe2O34.9~5.35.5~6.52.5钛铁矿粉FeTiO34.6~5.05.0~6.01.95菱铁矿粉FeCO33.7~3.93.5~4.02.1方铅矿粉PbS7.4~7.72.5~2.73.0钻井液常用加重剂工程钻探与取样技术第四节钻井液添加剂二、加重剂3、加重剂加量计算211aaamVVVV加重前后体积关系：加重前后质量关系：2211aVVm1212aaVV21()aamVV加重后体积：加重剂加量：（1）（2）工程钻探与取样技术第四节钻井液添加剂三、碱度和pH值控制剂1、常用碱度和pH值控制剂（1）氢氧化钠（NaOH）：（2）氢氧化钾（KOH）：（3）碳酸钠（NaCO3）：（4）石灰（CaO,Ca(OH)2）：（5）碳酸氢钠（NaHCO3）：（6）石膏（CaSO4）：工程钻探与取样技术第四节钻井液添加剂四、降失水剂1、纤维素类：羧甲基纤维素（低、中、高粘）、聚阴离子纤维素、改性纤维素加量：1～2％机理：吸附在粘土颗粒上，增厚水化膜，从而增加聚结稳定性，保持细颗粒粘土的含量，使泥饼致密；提粘2、腐植酸类：褐煤、腐植酸钠、磺化褐煤，缩合腐植酸加量：0.1~3.0%机理：吸附在粘土颗粒表面形成水化层，提高聚结稳定性，使粘土颗粒呈多级分散状态，泥皮致密；腐植酸钙胶状沉淀可增韧泥皮工程钻探与取样技术第四节钻井液添加剂3、丙烯酸类聚合物：水解聚丙烯腈钠盐、乙烯基单体多元共聚物、钾铵基水解聚丙烯腈加量：0.7～1.0％机理：酰胺基和腈基吸附在粘土颗粒表面，羧钠基使粘土颗粒水化膜增厚。4、树脂类：磺甲基酚醛树脂、磺化酚醛树脂－褐煤－聚丙烯腈盐类缩合物加量：1～5％机理：酚羟基吸附在粘土颗粒上，磺甲基增厚水化膜护胶工程钻探与取样技术第四节钻井液添加剂五、降粘剂1、降粘机理：通过（静电吸附、配位键吸附）吸附在粘土颗粒端面上，改变端面性质，拆散网架结构，从而降低钻井液结构粘度2、常用降粘剂：（1）单宁类：单宁酸、单宁酸钾、栲胶、磺化栲胶等