油田化学：第2章 钻井液化学

1、1,第一篇 钻井化学,第二章钻 井 液 化 学,2,第一节 钻井液的功能与组成,第二章 钻井液化学,3,第一节 钻井液的功能与组成,一、钻井液的循环,泥浆泵,泥浆罐,地面高压管汇,立管,水龙带,水龙头,方钻杆,钻 杆,钻铤,钻头,钻柱与井壁形成的环形空间,从井口返出，流经固控设备进行处理,4,一、钻井液的循环,第一节 钻井液的功能与组成,5,二、钻井液的功能,第一节 钻井液的功能与组成,2.携带岩屑和密度调整材料,1.冲洗井底,3.冷却与润滑钻头钻具,5.获取地层信息,4.平衡地层压力,6.悬浮岩屑和固体密度调整材料,7.稳定井壁,8.传递功率,6,第一节 钻井液的功能与组成,三、钻井液的组成

2、,7,第二节 钻井液密度及其调整,第二章 钻井液化学,8,第二节 钻井液密度及其调整,一、钻井液密度定义,二、为什么要调整钻井液密度,定义：单位体积钻井液的质量（用表示）,（1）防止喷、塌、漏钻井事故的发生,单位： g/cm3 或 t/m3,（2）钻井液密度与油气层损害有关,（3）钻井液密度影响钻井速度,9,三、怎样调整钻井液密度,第二节 钻井液密度及其调整,1、调整钻井液密度原则 平衡地层压力和地层构造应力,2、调整钻井液密度方法,（1）降低钻井液密度,降低钻井液固相含量,加水稀释,混油,充气,低密度惰性固体,10,（2）提高钻井液密度,方法：加入高密度材料,加重材料,高密度不溶性矿物或矿石

3、粉末,高密度的可溶性盐类,第二节 钻井液密度及其调整,11,表1 高密度不溶性矿物或矿石,第二节 钻井液密度及其调整,12,表2 可溶性盐类加重材料,第二节 钻井液密度及其调整,还有有机盐、有机复合盐,13,可溶性盐类做高密度材料所带来的问题,腐蚀问题,盐结晶问题,加缓释剂,加盐结晶抑制剂,第二节 钻井液密度及其调整,14,第二节 钻井液密度及其调整,15,盐水在高密度时温度降至一定程度析出盐，该温度称析盐温度。,盐水在低密度时温度降至一定程度析出冰，该温度称盐水冰点。,随着盐水密度增加，盐水析盐温度陡然上升。,第二节 钻井液密度及其调整,盐水冰点：,析盐温度：,16,通过离子交换转变为相应的

4、盐，选择性地吸附在刚析出的盐晶表面，使盐晶发生畸变，不利于盐在其表面继续生长变大。,为防止盐从钻井液中析出所加的物质,第二节 钻井液密度及其调整,盐结晶抑制剂：,抑制机理：,17,第二节 钻井液密度及其调整,18,第三节 钻井液酸碱性及其控制,第二章 钻井液化学,19,第三节 钻井液酸碱性及其控制,一、为什么要控制钻井液酸碱性,一般控制在8-11范围，较弱的碱性环境。,原因,粘土具有适当的分散度,可以使有机处理剂充分发挥其效能,对钻具腐蚀性低,可抑制体系中钙、镁盐的溶解,20,pH值对膨润土基浆表观粘度的影响,第三节 钻井液酸碱性及其控制,21,用0.01M的标准硫酸中和1mL样品至指示剂变色

5、时所需标准硫酸的体积（mL）定义为碱度。,意义：通过碱度可以判断钻井液的碱性来源，从而在调整钻井液酸碱性的同时还能针对性的有效清除体系中的有害离子,第三节 钻井液酸碱性及其控制,22,3、碱度分类,甲基橙碱度,钻井液的甲基橙碱度（Mm）,滤液的甲基橙碱度 （Mf）,酚酞碱度,钻井液的酚酞碱度（Pm）,滤液的酚酞碱度（Pf）,按指示剂 不同分,第三节 钻井液酸碱性及其控制,23,OH-+ H+ H2O CO3 2 - + H+ HCO3-,酚酞为指示剂，体系滴定变色时（pH=8.3）发生的化学反应：,甲基橙为指示剂，体系滴定变色时（pH=4.3）除了发生上面的化学反应，还发生如下反应：,HCO3

6、- + H+ CO2 + H2O,第三节 钻井液酸碱性及其控制,24,Pf与Mf值与三种离子质量浓度之间的关系,第三节 钻井液酸碱性及其控制,25,钻井液要求 ： Pf =1.3 1.5mL（控制 CO32-和 HCO3-） Mf /Pf 3 （控制 CO32-含量）,钻井液中CO32-和HCO3- 均为有害离子，影响钻井液的流变和降滤失性能，应尽量除去。,第三节 钻井液酸碱性及其控制,26,2、 氢氧化钾（KOH）,1、 烧碱（NaOH）,KOH K+ + OH-,有利于 井壁稳定,第三节 钻井液酸碱性及其控制,NaOH Na+ + OH-,27,1、粘土矿物的性质,课堂回顾：,2、钻井液的

7、功能与组成,（1）组成：分散介质；分散相；处理剂。 （2）功能：冲洗井底；携带岩屑和密度调整材料；冷却与润滑钻头钻具；平衡地层压力；获取地层信息；悬浮岩屑和固体密度调整材料；稳定井壁；传递功率。,（1）带电性：来源，带电量； （2）水化膨胀性：概念，机理（表面、渗透、毛管力）； （3）吸附性：概念，分类（物理、化学、离子交换）； （4）凝聚性：联结方式，电解质侵。,28,3、为什么要调整钻井液密度,课堂回顾：,（1）降低钻井液密度：降低钻井液固相含量，稀释，混油，充气等 （2）提高钻井液密度：高密度不溶性矿物或矿石粉末，高密度的可溶性盐类,（1）防止喷、塌、漏钻井事故的发生； （2）钻井液密度

8、与油气层损害有关； （3）钻井液密度影响钻井速度；,4、怎样调整钻井液密度,29,5、为什么要控制钻井液酸碱性,课堂回顾：,（1）粘土具有适当的分散度； （2）可以使有机处理剂充分发挥其效能； （3）对钻具腐蚀性低； （4）可抑制体系中钙、镁盐的溶解。,6、pH碱度,用0.01M的标准硫酸中和1mL样品至指示剂变色时所需标准硫酸的体积（mL）定义为碱度。,30,3、 纯碱（Na2CO3）,Na2CO3 2 Na+ + CO32-,除钙除镁,第三节 钻井液酸碱性及其控制,CO32- + H2O HCO3- + OH-,Ca 2+ + CO32- Ca CO3 ,HCO3- + H2O H2CO3

9、 + OH-,Mg 2+ + CO32- Mg CO3 ,31,4、 碳酸氢钠（NaHCO3）,控制钙侵,第三节 钻井液酸碱性及其控制,32,第四节 钻井液滤失性及其控制,第二章 钻井液化学,33,第四节 钻井液滤失性及其控制,（1）钻井液滤失性： 在压差作用下，钻井液中的自由液向地层渗透的现象。,一、钻井液滤失性,1、相关概念,（2）钻井液滤失量： 在一定温度、一定压差和一定时间内通过一定过滤面积的滤液体积。,34,第四节 钻井液滤失性及其控制,（3）钻井液造壁性在滤失过程中，随着钻井液中的自由水进入岩层，钻井液中的固相颗粒附着在井壁上形成泥饼的性质。,两者的关系：一般滤失量少，造壁性就好,

10、35,2、钻井液滤失类型,按是否流动,动滤失,静滤失,按测试条件,常规滤失量（VAPI）,高温高压滤失量（VHTHP）,第四节 钻井液滤失性及其控制,36,243、0.69MPa、45.8cm2、30min,1503、3.45MPa、22.9cm2、30min,第四节 钻井液滤失性及其控制,VAPI测试条件：,VHTHP测试条件：,37,3、钻井液滤失方程,第四节 钻井液滤失性及其控制,动滤失方程,静滤失方程,38,滤失量与渗滤时间的平方根成正比,4、滤失量影响因素,第四节 钻井液滤失性及其控制,取决泥饼的可压缩性,钻井液固相含量增大，滤失量降低泥饼的固相 含量降低（水含量高），滤失量降低,（

11、1） 渗滤时间 t,（2）压差p,（3）固相含量,39,滤失量与渗透率的平方根成正比,第四节 钻井液滤失性及其控制,（5）滤液粘度,温度升高，滤液粘度下降，滤失量增大,（4）泥饼渗透率 K,滤失量与滤液粘度的平方根成反比,（6）温度,40,第四节 钻井液滤失性及其控制,二、钻井液滤失性控制,1、控制滤失性意义,滤失量过大易造成很大危害 （1）井壁不稳定（水敏性泥页岩跨塌、缩径）,（3）泥饼过厚（如起钻具时提力增加、遇卡、泥包钻头、泥饼卡钻等）,（2）损害油气层,41,2、钻井液降滤失剂分类,能降低钻井液滤失量的化学剂,天然改性（改性褐煤、改性淀粉、改性纤维素、改性树脂） 人工合成（烯类单体聚合

12、物）,第四节 钻井液滤失性及其控制,降滤失剂分类：,降滤失剂：,42,（1）改性褐煤,腐殖酸分子结构,第四节 钻井液滤失性及其控制,43,第四节 钻井液滤失性及其控制,44,第四节 钻井液滤失性及其控制,45,（2）改性淀粉,第四节 钻井液滤失性及其控制,46,（3）改性纤维素,第四节 钻井液滤失性及其控制,47,（4）改性树脂,第四节 钻井液滤失性及其控制,48,第四节 钻井液滤失性及其控制,49,（5）烯类单体聚合物,第四节 钻井液滤失性及其控制,50,常见降滤失剂性能比较：,改性褐煤类：K-Hm、Na-Hm,热稳定性好，耐温180 耐盐耐钙镁性差,改性淀粉类：Na-CMS、HES,抗盐抗

13、钙能力强 热稳定性差、易发酵,第四节 钻井液滤失性及其控制,51,纤维素类： Na-CMC、HEC,抗盐抗钙能力强 热稳定性差,树脂类： SMP-、SMP-,热稳定性好、耐180-200高温 抗盐性强 起泡,第四节 钻井液滤失性及其控制,52,烯类单体聚合物：Na-HPAN、NH4-HPAN,热稳定性好、耐160 抗盐能力强 加量小,第四节 钻井液滤失性及其控制,53,吸附机理,3、降滤失剂作用机理,捕集机理,增粘机理,物理堵塞机理,第四节 钻井液滤失性及其控制,54,（2）增粘机理,增加钻井液滤液粘度。,（1）吸附机理,通过氢键吸附到粘土上，增大粘土的负电性和水化膜厚度，提高粘土颗粒间斥力，

14、使钻井液保持一定数量的细颗粒，形成致密泥饼。,第四节 钻井液滤失性及其控制,55,（3）捕集机理,（4）堵塞机理,高分子无规线团通过架桥而滞留在孔隙中的现象。无规线团直径dc=1/3-1）孔隙直径dp。,Dc dp ，无规线团封堵泥饼孔隙入口。,第四节 钻井液滤失性及其控制,56,第五节 钻井液流变性及其调整,第二章 钻井液化学,57,第五节 钻井液流变性及其调整,是指在外力作用，物质发生流动和变形的特性。,（1）携带岩屑，井底和井眼的清洁,流变性：,与钻井液流变性有关的钻井问题：,（2）悬浮岩屑与加重材料,（3）钻井速度,（4）井眼规则和井下安全,58,一、基本概念,1、剪切速率 ：指垂直于

15、流速方向上单位距离上的流速变化。,=dv/dx s-1,第五节 钻井液流变性及其调整,59,在钻井过程中，钻井液在各个部位的剪切速率不同：,沉砂池处：10 20 s-1 ； 环形空间：50250 s-1； 钻杆内：1001000 s-1 ； 钻头喷嘴处：10000 100000 s-1,第五节 钻井液流变性及其调整,60,2、剪切应力：流体单位面积上的内摩擦力。, = F/A Pa,式中：F 流体的内摩擦力 N A 相邻流动层接触面积 m2,3、触变性：,钻井液搅拌变稀，静止变稠的性质。,钻井液表观粘度随剪切速率增大而降低的特性。,4、剪切稀释性:,第五节 钻井液流变性及其调整,61,5、流变

16、曲线： 描述与关系的曲线。,6、流变模式： 描述与关系的数学关系式。,第五节 钻井液流变性及其调整,7、流态 钻井液的流态有塞流、层流、紊流。,62,1、宾汉模式, = 0 + p,0 ：动切力或屈服值，Pa p ：塑性粘度， PaS,第五节 钻井液流变性及其调整,二、钻井液的流变模式,63, = 0 + p,第五节 钻井液流变性及其调整,0-1：静止阶段； 1-2：塞流阶段； 2-3：塞流-层流过渡阶段； 3-4：层流阶段； 4-5：紊流阶段。,64,（1）塑性粘度p,反映流体在层流下达到动平衡时，固相颗粒之间、固相颗粒与液相之间以及液相内部内摩擦力的大小。,第五节 钻井液流变性及其调整,物

17、理意义,65,影响因素,A、固相含量多固相颗粒数目多塑性粘度p大,B、固相分散度大 固相表面积大 塑性粘度p 大,C、液相粘度大内摩擦力大 塑性粘度p 大,第五节 钻井液流变性及其调整,66,调整, p ,加预水化粘土,加增粘剂,增粘机理,极性基团水化，降低自由水,与粘土形成网架结构,在粘土表面吸附，增加粘土体积分数,第五节 钻井液流变性及其调整,67, p,加水稀释,第五节 钻井液流变性及其调整,使用固控设备,使用化学絮凝剂,68,（2）动切力0,物理意义：钻井液在层流状态下达到动平衡时形成网架结构的强弱。,影响因素,A、固相含量大结构数目多 动切力0大,B、固相分散度大 固相颗粒数量多 动

18、切力0大,C、加入降粘剂动切力0 降低,第五节 钻井液流变性及其调整,69,0 ,0 ,第五节 钻井液流变性及其调整,调整,加预水化粘土,加高分子聚合物,加适量的电解质,加降粘剂,加水稀释,消除引起0升高的电解质,70,1、钻井液滤失相关概念,课堂回顾：,2、钻井液滤失方程及滤失量影响因素,（1）钻井液滤失性： 在压差作用下，钻井液中的自由液向地层渗透的现象。 （3）钻井液造壁性：在滤失过程中，随着钻井液中的自由水进入岩层，钻井液中的固相颗粒附着在井壁上形成泥饼的性质。,静滤失方程,动滤失方程,71,3、控制滤失性意义,课堂回顾：,（1）天然改性（改性褐煤、改性淀粉、改性纤维素、改性树脂） （

19、2）人工合成（烯类单体聚合物,（1）井壁不稳定（水敏性泥页岩跨塌、缩径） （2）损害油气层 （3）泥饼过厚（如起钻时提力增加、遇卡、泥包钻头、泥饼卡钻等）,4、钻井液降滤失剂种类,72,5、降滤失剂作用机理,课堂回顾：,（1）吸附机理； （2）增粘机理 ； （3）捕集机理 ； （4）物理堵塞机理。,6、与钻井液流变性有关的钻井问题：,（1）携带岩屑，井底和井眼的清洁； （2）悬浮岩屑与加重材料； （3）钻井速度； （4）井眼规则和井下安全。,73,7、钻井液流变性相关概念,课堂回顾：,（1）剪切速率； （2）剪切应力； （3）触变性：钻井液搅拌变稀，静止变稠的性质； （4）剪切稀释性：钻井液表

20、观粘度随剪切速率增大而降低的特性。,8、宾汉模式, = 0 + p 塑性粘度p：反映流体在层流下达到动平衡时，固相颗粒之间、固相颗粒与液相之间以及液相内部内摩擦力的大小 ； 动切力0：钻井液在层流状态下达到动平衡时形成网架结构的强弱。,74,= Kn （0 n 1） K 稠度系数，PaSn n 流性指数,第五节 钻井液流变性及其调整,2、幂律模式,75,1/2 =C 1/2+1/21/2 C 卡森动切力 卡森的极限粘度,第五节 钻井液流变性及其调整,3、卡森模式,76,物理意义：反映钻井液网架结构的强弱,物理意义：反映钻井液内摩擦力的强弱,第五节 钻井液流变性及其调整,（1）卡森屈服值c,（2

21、）极限高剪切粘度,影响因素与调整：同0,影响因素与调整：同p,77,宾汉模式的局限性： 适合在中剪切速率范围描述钻井液的流变性。,第五节 钻井液流变性及其调整,幂律模式的局限性： 适合在低、中剪切速率描述钻井液的流变性。,78,卡森模式的优点： 在低剪切区和中剪切区有较好的精确度，还可以利用低、中剪切区的测定结果预测高剪切速率下的流变特性。,第五节 钻井液流变性及其调整,79,1、为什么要调整钻井液的流变性,（1）粘度和切力过大，影响钻井速度、泥包钻头、岩屑在地面不易除去、钻井液脱气困难等。,（主要指调整钻井液的粘度和切力）,第五节 钻井液流变性及其调整,（2）粘度和切力过小，影响钻井液携屑和

22、井壁稳定等。,三、钻井液流变性调整,80,2、调整钻井液粘度和切力的方法,根据测量实验结果判断粘度和切力偏高还是偏低。,偏高 减少体系的固相含量、加降粘剂,偏低 增加体系的固相含量、加增粘剂,流变性调整剂：调整钻井液粘度和切力的化学物质。,第五节 钻井液流变性及其调整,81,3、降粘剂,钻井液增稠的主要原因：,（1）钻井液体系的无用固相,（2）粘土粒子联结形成空间网架结构及高分子与粘土颗粒间形成网状结构使大量自由水束缚不能自由移动。,第五节 钻井液流变性及其调整,82,第五节 钻井液流变性及其调整,粘土粒子联结形成空间网架结构,83,第五节 钻井液流变性及其调整,粘土粒子联结形成空间网架结构被

23、拆开,84,（1）改性单宁,第五节 钻井液流变性及其调整,或,单宁酸钠、栲胶碱液、磺甲基单宁.,85,第五节 钻井液流变性及其调整,86,（2）改性木质素磺酸盐,第五节 钻井液流变性及其调整,87,（1）泡沫问题,第五节 钻井液流变性及其调整,（2）环境问题 铁、锆、钛木质素磺酸盐,铁铬木质素磺酸盐使用问题：,研制替代产品,88,通过结构中的羟基与粘土表面的羟基形成氢键吸附在粘土颗粒表面，水化基团在水中电离，形成扩散双电层，提高了粘土颗粒表面负电和水化层厚度，拆散粘土颗粒连接所产生的结构，降低了钻井液的粘度和切力。,第五节 钻井液流变性及其调整,上述两种降粘剂作用机理:,89,（3） 烯类单体

24、低聚物（分子量2000-6000）,第五节 钻井液流变性及其调整,90,聚合物类降粘剂作用机理:,第五节 钻井液流变性及其调整,在聚合物钻井液中，低聚物通过竞争吸附使吸附在粘土颗粒表面的聚合物解吸下来。,通过氢键或阳离子链节吸附在粘土颗粒表面,水化基团通过增加粘土颗粒表面负电和水化层厚度,拆散粘土颗粒连接所产生的结构。,91,4、增粘剂,正点,（1）纤维素,第五节 钻井液流变性及其调整,92,（2）正电胶,第五节 钻井液流变性及其调整,混合金属盐溶液逐步用沉淀剂将金属离子沉淀出来所配得的增粘剂。,93,（3）黄胞胶,第五节 钻井液流变性及其调整,抗盐、抗钙，具有增加低剪切速率粘度作用。,94,

25、分子链中极性基团水化和分子链之间的互相纠缠，对钻井液的水起稠化作用。,增粘作用机理：,通过吸附，增加粘土颗粒体积，提高流动阻力。,通过桥接，在粘土颗粒间形成结构，产生结构粘度。,第五节 钻井液流变性及其调整,95,第六节 钻井液中的固相及其含量的控制,第二章 钻井液化学,96,第六节 钻井液中的固相及其含量的控制,一、钻井液固相类型及对钻井的影响,有用固相：配浆粘土、加重材料,无用固相：钻屑,胶体离子（颗粒直径2m） 泥（2-74m） 砂（74m）,1、钻井液固相类型,还可按照来源、密度、表面化学活性分类。,97,（2）固相含量高，形成的滤饼厚，容易引起卡钻,第六节 钻井液中的固相及其含量的控

26、制,2、钻井液中的固相对钻井的影响,（1）固相含量升高，钻速降低,（3）固相含量高，对油气层损害严重,98,第六节 钻井液中的固相及其含量的控制,二、固相控制方法,1、沉降法,2、稀释法,3、机械设备法（振动筛、除砂器、除泥器等）,4、化学法（使用絮凝剂）,固控：在保存适量有用固相的前提下，尽可能清除无用固相的工艺。,99,第六节 钻井液中的固相及其含量的控制,三、絮凝剂,1、定义：通过桥连吸附将一些细颗粒聚结在一起的化学物质。,100,2、类型,第六节 钻井液中的固相及其含量的控制,全絮凝剂：即絮凝有用固相又絮凝无用固相,选择性絮凝剂：只絮凝无用固相,101,25,第六节 钻井液中的固相及其

27、含量的控制,选择性絮凝作用,全絮凝作用,102,膨润土 （负电）,钻屑 （不带电或少量负电）,吸附,吸附,吸附,不吸附,PAM,HPAM,第六节 钻井液中的固相及其含量的控制,3、絮凝机理：,103,1、流变模式,课堂回顾：,2、为什么要调整钻井液的流变性及其方法,（1）宾汉模式： = 0 + p （2）幂律模式： = Kn （0 n 1） （3） 卡森模式：1/2 =C 1/2+1/21/2,（1）粘度和切力过大，影响钻井速度、泥包钻头、岩屑在地面不易除去、钻井液脱气困难等。（减少体系的固相含量、加降粘剂） （2）粘度和切力过小，影响钻井液携屑和井壁稳定等。（增加体系的固相含量、加增粘剂）,

28、104,3、降粘剂及其作用机理,课堂回顾：,（1）改性单宁、铁铬木质素磺酸盐：通过结构中的羟基与粘土表面的羟基形成氢键吸附在粘土颗粒表面，水化基团在水中电离，形成扩散双电层，提高了粘土颗粒表面负电和水化层厚度，拆散粘土颗粒连接所产生的结构，降低了钻井液的粘度和切力。 （2）烯类单体低聚物：通过氢键或阳离子链节吸附在粘土颗粒表面,水化基团通过增加粘土颗粒表面负电和水化层厚度,拆散粘土颗粒连接所产生的结构；在聚合物钻井液中，低聚物通过竞争吸附使吸附在粘土颗粒表面的聚合物解吸下来。,105,课堂回顾：,（1）类型：纤维素、正电胶、黄胞胶 （2）作用机理： 分子链中极性基团水化和分子链之间的互相纠缠，

29、对钻井液的水起稠化作用。 通过吸附，增加粘土颗粒体积，提高流动阻力。 通过桥接，在粘土颗粒间形成结构，产生结构粘度。,4、增粘剂及其作用机理,106,5、钻井液固相类型及对钻井的影响,课堂回顾：,（1）类型（分类） （2）钻井液中的固相对钻井的影响： 固相含量升高，钻速降低 固相含量高，形成的滤饼厚，容易引起卡钻 固相含量高，对油气层损害严重,6、固相控制方法：,（1）沉降法； （2）稀释法； （3）机械设备法（振动筛、除砂器、除泥器等）； （4）化学法（使用絮凝剂）。,107,7、絮凝剂：通过桥连吸附将一些细颗粒聚结在一起的化学物质,课堂回顾：,（1）全絮凝剂：即絮凝有用固相又絮凝无用固相

30、（一般为非离子型）； （2）选择性絮凝剂：只絮凝无用固相。,108,絮凝过程：吸附架桥蜷曲絮凝成团,第六节 钻井液中的固相及其含量的控制,CPAM含有阳离子链节和非离子链节，比PAM、HPAM具有更好的絮凝作用。,109,第六节 钻井液中的固相及其含量的控制,4、影性絮凝作用的主要因素,（1）相对分子质量：,（3）浓度 ： 饱和吸附量的一半,（4）pH： HPAM作为絮凝剂的pH为7-8,（2）水解度：,分子量3106,= 30%,110,第七节 钻井液润滑性及其改善,第二章 钻井液化学,111,第七节 钻井液润滑性及其改善,钻井液润滑性：钻井液能使钻柱与井壁之间 的干摩擦变成湿摩擦，从而使摩

31、擦产生的阻力减小，钻井液的这种性能称钻井液润滑性。,一、钻井液润滑性,摩阻系数：一定条件下，相对运动物体所产生的摩擦力与垂直摩擦面作用力的比值。,1、概念,112,摩擦系数空气为0.5，清水为0.35，柴油为0.07。,水基钻井液摩阻系数在0.200.35之间。,油基钻井液的摩阻系数在0.080.09之间。,水平井要求钻井液的摩阻系数在0.080.10范围。,第七节 钻井液润滑性及其改善,113,减少钻柱的摩擦阻力，缩短起下钻时间,能用较小的动力来转动钻具,能防粘卡，防止钻头泥包,第七节 钻井液润滑性及其改善,2、为什么钻井液要具有良好的润滑性,润滑性是钻水平井、大位移井、超深井等复杂井的关键

32、技术,114,（1）固相的影响,固相含量增高，钻井液润滑性变差,（2）有机高分子处理剂的影响,改善泥饼质量,在井壁上形成吸附膜,降低摩擦阻力,（3）润滑剂,第七节 钻井液润滑性及其改善,3、钻井液润滑性影响因素,115,1、液体类润滑剂,类型：矿物油、植物油和表面活性剂等。,第七节 钻井液润滑性及其改善,二、钻井液润滑性改善,合理使用润滑剂可以降低摩阻系数改善润滑性。,116,第七节 钻井液润滑性及其改善,117,第七节 钻井液润滑性及其改善,118,作用机理：通过在金属、岩石和粘土表面形成吸附膜，减少钻具对井壁和套管的摩擦。,第七节 钻井液润滑性及其改善,119,2、固体类润滑剂,作用机理：

33、多数固体润滑剂类似细小滚珠，将滑动摩擦转化为滚动摩擦，因而可大幅度降低扭矩和阻力。,类型：塑料小球、石墨、玻璃微珠等,第七节 钻井液润滑性及其改善,120,第八节 井壁稳定性及其控制,第二章 钻井液化学,121,第八节 井壁稳定性及其控制,1、井壁稳定性,定义：井壁保持原始状态的能力,井壁不稳定现象：,井塌：井壁岩石剥落掉块，井径扩大。,缩井：高压层或易水化膨胀地层，井径缩小。,122,2、井壁稳定性影响因素,（1）地质因素：地层本身原因引起,高压地层压力释放、松散地层的坍塌、高压盐岩层的塑性变形、断层破碎带，等等。,第八节 井壁稳定性及其控制,123,（2）钻井工程因素,钻井液对井壁的冲刷作

34、用,井内激动压力过大,钻具对井壁的碰撞,井内液柱压力大幅度降低,第八节 井壁稳定性及其控制,124,（3）物理化学因素,非膨胀性粘土：,膨胀性粘土：,剥落、坍塌,泥页岩地层与钻井液接触后导致的不稳定原因。,水化膨胀、缩径,第八节 井壁稳定性及其控制,125,3、物理化学因素引起：加入页岩抑制剂，又称防塌剂能抑制泥页岩膨胀和分散的化学剂。,1、地质因素引起：适当提高钻井液密度。,2、钻井工程因素引起：改进钻井工艺。,二、井壁不稳定性应付对策,第八节 井壁稳定性及其控制,126,1、盐： KCl、 NaCl,作用机理,压缩粘土扩散双电层，降低其负电性,K+、NH4+镶嵌作用,三、防塌剂及其防塌机理

35、,第八节 井壁稳定性及其控制,127,2、阳离子表面活性剂,第八节 井壁稳定性及其控制,（1）中和粘土的负电荷,（2）改变粘土表面润湿性，由亲水变为亲油,作用机理：,128,3、阳离子聚合物,第八节 井壁稳定性及其控制,（1）中和粘土的负电荷,（2）通过吸附桥连在井壁上形成一层保护膜,作用机理：,129,4、非离子型聚合物,第八节 井壁稳定性及其控制,130,（2）竞争吸附作用。多元醇在粘土上的吸附能力大于水与粘土的吸附作用，多元醇可优先吸附到粘土矿物表面，阻止水分子进入，同时也可把吸附在粘土上的水分子挤走。,（1）浊点效应。当低于一定温度时是水溶性的，但高于此温度时从水中析出形成乳状液。,第

36、八节 井壁稳定性及其控制,作用机理：,131,（1）类型：氧化沥青、改性沥青粉、 磺化沥青（水溶）、乳化沥青,（2）机理：封堵微裂缝，涂敷在井壁上形成疏水油膜，减少水进入泥页岩地层。,第八节 井壁稳定性及其控制,5、沥青类,132,第九节 卡钻与解卡,第二章 钻井液化学,133,第九节 卡钻与解卡,一、卡钻,钻具被卡住而不能正常运转的现象,压差卡钻、沉砂卡钻、井塌卡钻、砂桥卡钻等。,二、压差卡钻（泥饼粘附卡钻）,在钻井液压力与地层孔隙压力之差的作用下，静止钻具紧压在井壁泥饼上而导致的卡钻。,1、定义,134,第九节 卡钻与解卡,2、压差卡钻原因,静止钻具与泥饼接触后其摩擦力大于钻机的最大提升力

37、。,粘附卡钻断面位置,135,实例： 某井在1000米深处卡钻，钻杆尺寸为114mm,围包角90，泥饼粘附长度15m，钻井液比重1.20，地层孔隙水的压力100atm，泥饼磨擦系数0.25，解卡所需力为67吨。,第九节 卡钻与解卡,136,三、解卡,1、使用解卡剂浸泡,降低摩擦系数,2、降低钻井液密度,降低压差,第九节 卡钻与解卡,解卡剂,137,第十节 钻井液中的漏失与地层的堵漏,第二章 钻井液化学,138,1、为什么钻井液要具有良好的润滑性,课堂回顾：,2、钻井液润滑性改善,（1）减少钻柱的摩擦阻力，缩短起下钻时间 （2）能用较小的动力来转动钻具 （3）能防粘卡，防止钻头泥包 （4）润滑性

38、是钻水平井、大位移井、超深井等复杂井的关键技术,（1）液体类润滑剂（矿物油、植物油和表面活性剂）：通过在金属、岩石和粘土表面形成吸附膜，减少钻具对井壁和套管的摩擦。 （2）固体类润滑剂（增加体系的固相含量、加增粘剂）：多数固体润滑剂类似细小滚珠，将滑动摩擦转化为滚动摩擦。,139,3、井壁不稳定现象,课堂回顾：,（1）井塌：井壁岩石剥落掉块，井径扩大。 （2）缩井：高压层或易水化膨胀地层，井径缩小。,（1）地质因素：地层本身原因引起 （2）钻井工程因素： （3）物理化学因素：,4、井壁稳定性影响因素,140,课堂回顾：,（1）1、盐： KCl、 NaCl （压缩粘土扩散双电层，镶嵌作用） （2

39、）阳离子表面活性剂（中和粘土的负电荷，改变润湿性） （3）阳离子聚合物（中和粘土的负电荷，形成保护膜） （4）非离子型聚合物（浊点效应，竞争吸附作用） （5）沥青类（封堵微裂缝，涂敷在井壁上形成疏水油膜，减少水进入泥页岩地层）,5、防塌剂及其防塌机理,141,6、压差卡钻（泥饼粘附卡钻）,课堂回顾：,（1）概念：在钻井液压力与地层孔隙压力之差的作用下，静止钻具紧压在井壁泥饼上而导致的卡钻。 （2）原因：静止钻具与泥饼接触后其摩擦力大于钻机的最大提升力。 （3）解卡：使用解卡剂浸泡（液体润滑剂、稠化沥青、表面活性剂）；降低钻井液密度降低压差,142,一、漏失定义及类型,1、定义：钻井过程中，钻井

40、液大量流入地层的现象。,2、类型：,渗透性漏失：砂岩或砾岩地层，漏失速率0.5-10m3.h-1，钻井液液面缓慢下降,第十节 钻井液中的漏失与地层的堵漏,（a）渗透性漏失,143,裂缝性漏失：裂缝性灰岩和砂岩地层，漏失速率10-100m3.h-1，钻井液液面迅速下降。,溶洞性漏失：溶洞性灰岩地层，漏失速率100m3.h-1，钻井液只进不出。,第十节 钻井液中的漏失与地层的堵漏,（c）溶洞性漏失,（b）裂缝性漏失,144,1、堵漏：对漏失地层的封堵,2、堵漏材料：封堵漏失地层采用的材料,（1）渗透性地层堵漏, 硅酸凝胶,铬冻胶,HPAM+重铬酸钾+亚硫酸钠,铬冻胶,二、堵漏与堵漏材料,第十节 钻

41、井液中的漏失与地层的堵漏,145,酚醛树脂,苯酚+甲醛,不溶于水的酚醛树脂,（2）裂缝性或溶洞性地层堵漏,纤维性材料,植物纤维：短棉绒,矿物纤维：石棉纤维, 颗粒性材料,植物性颗粒：核桃壳、花生壳等,矿物性颗粒：粘土、石灰岩等,第十节 钻井液中的漏失与地层的堵漏,146,第十一节 钻 井 液 体 系,第二章 钻井液化学,147,第十一节 钻井液体系,水基钻井液体系,油基钻井液体系,气体钻井液体系,钻井液体系,148,第十一节 钻井液体系,一、水基钻井液,水基钻井液,非抑制性钻井液,抑制性钻井液,O/W 钻井液,泡沫钻井液,钙处理钻井液,钾盐钻井液,盐水钻井液,聚合物钻井液,正电胶钻井液,149,1、非抑制性钻井液,（1）定义：由淡水、粘土和各种对粘土起分散作用的处理剂配制而成的的水基钻井液。,（2）特点,配制简便，成本低,滤失造壁性能好,可配制高密度