钻井液基础知识(1).ppt

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1.210-4、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mPas（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mPa“s（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21达因秒/厘米21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内不断循环条件下，井壁上的滤饼不断形成和不断被破坏达到动态平衡时产生的滤失。在这个过程中钻井液循环时，一方面在井内压差作用下滤饼不断的形成，另一方面形成的滤饼不断地受到流动钻井液的冲刷，当滤饼形成速度和被冲刷速度达到动态平衡时，滤饼就形成，滤饼的厚度达到一定值，而在整个过程中滤失量不断增加。瞬时滤失是指在地层刚被钻开时，滤饼还没有形成条件下，钻井液中的水分和少量钻井液在短时间内渗人到地层中去的现象。,滤失与钻井工作的关系,钻井液相关基础知识,1滤失量过大对钻井的影响钻井液向井壁的滤失量过大，会使水敏性泥页岩地层水化、膨胀、剥落，造成井径扩大或缩小，甚至井壁坍塌、卡钻等；使油层孔隙中粘土颗粒发生膨胀，堵塞油层孔隙，损害油层渗透率，破坏油层；钻井液易脱水变稠，流动性变差，泵压易升高。钻井液向井底的滤失量大，渗人地层中的滤液能削弱地层岩石的强度，增大地层的裂缝，有利于钻头破碎岩石，提高钻井的机械钻速。,滤失与钻井工作的关系,钻井液相关基础知识,2滤饼过厚对钻井的影响滤饼过厚，泥饼的摩阻系数过大，易产生粘附卡钻；易发生泥包钻头，堵死钻头水眼，起IT钻时波动压力过大；易造成起钻遇阻，下钻遇卡，影响打捞工具和电测工具的下人，影响黔捞工作和电测工作正常进行；影响固井质量，甚至对低压油气层的发现也有影响。,钻井液的含砂量,钻井液含砂量是指钻井液中不能通过200目筛子（即边长为74μm）的固体颗粒体积占一钻井液体积的百分数。一般用N表示。,测定含砂量常采用右图所示的含砂量测定器。测量时取50ml泥浆和450ml清水，在测定器内混合、摇匀，然后静止1min。读出砂子在量杯细管内的沉淀的刻度数，再乘以2，即为泥浆含砂量的百分数。,含砂量过大对钻井的危害,钻井液工艺要求钻井液的含砂量越小越好，一般控制在0.5％以下，否则会造成以下危害使钻井液密度升高，造成机械钻速下降；使滤饼的摩擦系数增加，易造成粘附卡钻；使滤饼的渗透性增强，造成滤失量增大，易使井壁垮塌；使滤饼厚且松散，易造成起下钻遇阻遇卡，电测一次成功率降低，固井质量不好等；钻头、钻具及机械设备磨损严重，降低使用寿命，尤其是钻井液泵配件，如阀、缸套、活塞、拉杆等。同时增加了钻井液泵的检修次数，耽误了钻井时间，影响了钻井速度。,钻井液的胶体率,泥浆静止24小时内分离出水的体积百分数，即为泥浆的胶体率。泥浆的胶体率可作为初步评定泥浆质量好坏的简易方法。高质量的泥浆，因粘土颗粒分散和水化好，在静止时不分离出水。而粘土颗粒分散和水化程度不高的劣质泥浆，往往能分离出许多水。胶体率的测定，是在量筒内注入100ml泥浆加盖，静止24h，观察量筒上部澄清液的体积，如澄清液为4ml，则胶体率为96。泥浆胶体率一般不应低于96。,钻井液的润滑性,钻井液的润滑性能通常包括滤饼的润滑性能和钻井液自身的润滑性两个方面。钻井液和滤饼的摩阻系数是评价钻井液的润滑性能的两个主要指标钻井液润滑性对钻井工作影响很大。润滑性能好的钻井液的优点减少钻具的扭矩、磨损和疲劳，延长钻头轴承的寿命；减小钻柱的摩擦阻力，缩短起下钻的时间；能用较小的动力来带动钻具；能防止粘附卡钻和钻头泥包。,改善钻井液润滑性的方法,通过对钻井液润滑性能的评价发现大多数油基钻井液的摩阻系数在0.08一0.09之间，而水基钻井液的摩阻系数在0.20一0.35之间。而钻水平井时，钻井液的摩阻系数应尽可能保持在0.08一0.10之间才能很好地满足钻井工作的要求。改善钻井液润滑性的方法合理使用润滑剂；改善滤饼质量。,钻井液的PH值,钻井液的PH值即钻井液的酸碱度，表示钻井液的酸碱性强弱程度。它等于钻井液中氢离子浓度的负对数。常用字母“PH”表示，又称为PH值。当PH值＝7时，钻井液呈中性；当7PH值＜14时，钻井液呈碱性，且PH值越大，钻井液的碱性越强；当0PH值＜7时，钻井液呈酸性，PH值越小，钻井液的酸性越强。,PH值与钻井的关系,PH值对钻井液中膨润土的影响钻井液中的膨润土颗粒在碱性介质中，OH一根离子以氢键形式吸附在颗粒表面，使颗粒表面负电荷增多，水化膜增厚，水化分散能力增强，钻井液较稳定。钻井液PH值偏低时，钻井液中H十浓度偏大，钻井液中膨润土颗粒表面进行阳离子交换而转变为氢土，使颗粒的水化性和分散性变差（因为H‘的水化很弱），破坏了钻井液的稳定性，钻井液的失水增大，切力升高。若钻井液的PH值过高，会使膨润土颗粒的水化分散性过强，造成钻井液粘度过大，井壁不稳等后果。,PH值与钻井的关系,PH值对处理剂的影响许多有机处理剂必须在碱性条件下才能使用。如丹宁、拷胶、CMC等，必须在碱溶液中转化成钠盐才能发挥作用。若钻井液中PH值较低时，处理剂的溶解度大大下降，不能很好地吸附在膨润土颗粒表面，使处理剂的效能降低。另外钻井液的PH值较低时，有机处理剂容易在井下发酵变质，也降低其效能。,,PH值对钻井工艺的影响,若钻井液的PH值过高，粘土的水化分散性增强，使井径易变小，造成缩径，对巩固井壁，防止缩径和井壁坍塌不利。同时若PH值过高，钻井液的碱性过大，钻井液的腐蚀性强，增大了工作的危险程度。PH值低于7，钻井液不稳定，而且对钻具和机械设备也有较强的腐蚀性。因此，钻井液的PH值一般保持在8以上。经验表明各种类型的钻井液都有它们自己适宜的PH值范围。如不分散低固相钻井液的PH值为8一9，弱酸性钻井液和饱和盐水钻井液的PH值为6一8等。PH值控制在合适的范围内，钻井液的粘度、切力较低，滤失量较小，性能比较稳定。另外PH值是确定处理剂碱比的依据。,PH值的调整方法,提高钻井液PH值的方法钻井生产中通常用烧碱来提高钻井液的PH值，有时也用纯碱、石灰。但现场上一般不单独加人烧碱，而是加人高碱比的处理剂，如高碱比的拷胶或丹宁溶液，一方面提高了钻井液的PH值，另一方面降低了钻井液的粘度和切力。对于钾基钻井液则用氢氧化钾来提高H值。降低PH值的方法现场上降低钻井液PH值时一般不采用加无机酸。因为一般情况下钻井液的PH值都要求在碱性范围。若钻井液的PH值偏高，确需降低PH值时，一般加入适量的弱酸性处理剂即可。,贝克休斯推出环保钻井液,钻井液相关基础知识,美国贝克休斯公司所属的英特克（ＩＮＴＥＱ）钻井液公司新近推出一种称之为ＰＥＲＦＯＲＭＡＸ的高性能水基钻井液。根据这种钻井液的设计，它既能提供乳基钻井液的各种优良性能，又不会牺牲其环保特性。使用这种钻井液进行钻井的优点包括，改善页岩抑制（减小孔压传递）、提高岩屑整体性、提高机械钻速，以及减小扭矩和阻力。自面世以来，这种ＰＥＲＦＯＲＭＡＸ钻井液已被广泛应用于各种钻井实践中，包括陆上钻井、大陆架钻井以及海上深水钻井等。从这些钻井应用的效果来看，无论是ＰＤＣ钻头还是牙轮钻头，平均机械钻速都达到了27.4m／hr；实现了较低的稀释率和较高的固相清除率；其摩擦系数与乳基钻井液相同；最大程度地减少了钻头泥包和固结现象；与乳基钻井液相比，可大幅节省完井清井期间的钻机时间。这种新型钻井液还曾与旋转定向钻井系统一同使用，使作业商得以在环境敏感地区以高机械钻速和大倾角钻抵目标井段。,泥浆实验课主要内容,了解泥浆基本配备方法；认识泥浆性能仪（漏斗粘度计、旋转粘度计、失水量仪、含砂量仪、胶体率仪、固相含量仪、比重计、酸碱度）；配备基浆；学会使用主要仪器，获得测试指标。,