《钻井工程理论与技术》配套教学课件

绪论钻井工程钻井工程课程内容钻井的工程地质条件钻进工具井眼轨道设计及轨迹控制钻进参数优选油气井压力控制钻井工程教材、参考书管志川等，钻井工程理论与技术，中国石油大学出版社Bourgoyne等，AppliedDrillingEngineering钻井工程课程要求考勤10%平时作业10%大作业20%期中考试20%期末考试40%1.钻井的概念为了勘探和开发地下石油和天然气而在地表钻凿一个通往地下油气层直径很小的井眼的工作。1.钻井的概念不仅仅是油气通道，更是提高单井产量的关键技术。现代钻井1.钻井的概念钻井分类区域普查井：基准井、剖面井、参数井、构造井探井：预探井、详探井、边探井开发井：生产井（油井、气井）、注入井（注水井、注气井）特殊用途井：检查井、观察井、调整井、救援井等。按钻井目的分类1.钻井的概念钻井分类按几何形状类直井：井口与井底在同一条铅垂线上定向井：沿着预先设计的井眼轨迹钻达目的层，井口与井底不在同一条铅垂线上。水平井：沿着预先设计的井眼轨迹以井斜角>85°的角度进入目的层。1.钻井的概念钻井分类按井深分类浅井H<2500m中深井2500<H<4500深井4500<H<6000超深井H>6000m2.钻井发展简史中国钻井发展史中国钻井史年代划分

古代钻井：公元前~1840年；

近代钻井：1841年~1948年；现代钻井：1949年~2000年；

21世纪钻井：2001年开始。中国钻井史的特点古代钻井：创造了辉煌历史（绳索顿钻）

近代钻井：由领先沦为落后（旋转钻）

现代钻井：奋起直追，逐步缩小差距21世纪钻井：期望第二次走向辉煌2.钻井发展简史顿钻据美国权威资料记载，晚于燊海井10年，在美国卡诺瓦地区的一口创纪录卤井，井深不过只有1700英尺（518.17米），而燊海井井深达到1001.42米，早已遥遥领先，创造了19世纪中叶前世界深井钻井纪录，显示出中国古代井盐钻井技术已发展到成熟阶段，在世界钻井史上堪称里程碑。燊海井

2.钻井发展简史顿钻缺点：顿钻钻速慢，效率低，不能适应井深日益增加和复杂地层的钻探要求，逐渐被旋转钻代替。优点：设备简单，成本低，不污染油层，用于一些浅的低压油气井、漏失井等。

2.钻井发展简史旋转钻井2.钻井发展简史旋转钻井发展历程3.旋转钻井钻机组成1：驱动发动机2：滑轮组3：井架4：水龙头5：方钻杆6：转盘7：钻头8：防喷设备（BOP）9：泥浆池10：振动筛11：泥浆泵12：地面管汇13：传动系统14：立管

4.钻井基本工艺过程建井过程三个阶段钻前准备修公路—>平井场及打基础—>钻井设备搬运及安装

—>井口设备准备钻进钻头破岩钻进—>循环洗井—>起下钻、换钻头固井和完井钻前准备、钻进、固井和完井4.钻井基本工艺过程建井过程三个阶段旋转钻井钻机装备钻井工程提纲1.1

旋转钻井关键参数1.2旋转钻机设备1.3

钻机选择1.4

旋转钻井系统1.5

钻井液体系评价1.6

旋转系统1.7

井控系统1.8

数据获取和监测系统1.9

海上钻井系统钻井的定义油气通道：地面到储层提高采收率的关键钻井方式：顿钻钻井方式：旋转钻井钻井井眼（WELLBORE)的定义一开二开三开环形空间井身结构提纲1.1

旋转钻井关键参数1.2旋转钻机设备1.3钻机选择1.4旋转钻井系统1.5钻井液体系评价1.6旋转系统1.7井控系统1.8数据获取和监测系统1.9海上钻井系统一、

旋转钻井关键参数无论是钻直井还是定向井，合理又经济的钻井参数都是必须的，主要的三个参数为：钻头钻压钻头转速

循环钻井液的水力参数一、

旋转钻井关键参数1）钻压钻压是通过钻柱向钻头提供的沿井眼前进方向的力，钻压大小变化取决于岩石的硬度和钻头的类型

直井中，钻铤等钻具的质量是施加在钻头上的主要力；定向井中，由于井斜的作用，钻铤或加重钻杆等施加在钻头上的力只有一部分被变成钻压施加在钻头上

钻井基本

过程

满眼钻具

组合一、

旋转钻井关键参数2）钻头转速不同于过去的顿钻钻井，旋转钻井是靠转盘或顶驱的旋转带动钻具，把扭矩传递给钻头使钻头旋转、破碎和切削岩石另外一种井下动力钻具钻井，可以在大部分钻具不转动的情况下，通过井下动力驱动钻头旋转（螺杆钻具、涡轮钻具或电动机）一、

旋转钻井关键参数3）钻井液循环在钻井过程中，井下产生大量的岩屑和热量，通过钻井液的循环作用，保持井底清洁，环空畅通无阻，同时冷却润滑钻头和钻杆，保证钻井顺利进行提纲1.1

旋转钻井关键参数1.2

旋转钻机设备1.3钻机选择1.4旋转钻井系统1.5钻井液体系评价1.6旋转系统1.7井控系统1.8数据获取和监测系统1.9海上钻井系统二、旋转钻机设备旋转钻机是为了满足钻井和完井的需要，分为陆地钻机和海上钻机，两者的主要设计特点都为可移动性、灵活性、可钻深能力

现代的陆地钻井设备采用嵌入式结构和滑动式设计，便于钻机设备的运输和搬迁二、旋转钻机设备海上钻井平台的操作空间在海面之上，称为平台，分为移动式、固定式。平台的选择取决于要进行的操作和海水深度自升式钻井平台固定式钻井平台二、旋转钻机设备油田现场井的类型有探井、开发井、注入井、侧钻井加密井

探井——用来发现和评价潜力油藏

开发井——为了在潜力油藏区域内充分开采

侧钻井——为了开采较深产层或从现有直井中开窗侧钻

加密钻井——替代衰竭井，或维持产量稳定

注入井——存储天然气等油气资源；回注不需要的产出水或者通过注水、注蒸汽或天燃气提高采收率二、旋转钻机设备旋转钻机驱动1.内燃机驱动

①内燃机带变速箱驱动

②内燃机带液力变矩器驱动2.电动机驱动

①内燃机→直流发电机→直流电动机驱动(即内→直→直)②内燃机→交流发动机→（整流）→直流电动机驱动（即内→交→直）③工业电网供电→（可控硅整流）→直流电动机驱动（即电网→直）内燃机所在位置提纲1.1

旋转钻井关键参数1.2旋转钻机设备1.3钻机选择1.4旋转钻井系统1.5钻井液体系评价1.6旋转系统1.7井控系统1.8数据获取和监测系统1.9海上钻井系统三、钻机设备选择钻机设备的选择标准与钻井的成本密切相关，必须与所钻井眼的情况想匹配，达到最经济的目的，对钻机的评估包括以下几大系统：

动力系统

提升系统钻井液循环系统井控系统数据的获取和监测系统三、钻机设备选择钻机设备选择的其它标准有：钻机设备的选择是在正式招标之前以及在所有钻井设计完之后进行的，所选设备尽可能符合钻井的实际需要

钻井承包商的安全记录

钻机移动和安装

钻井承包商的可靠性

合同费用（进尺费、日费、总包制）

所有钻井设备的状况提纲1.1旋转钻井关键参数1.2旋转钻机设备1.3钻机选择1.4旋转钻井系统1.5钻井液体系评价1.6旋转系统1.7井控系统1.8数据获取和监测系统1.9海上钻井系统四、旋转钻井系统提升系统在作业中最基本的功能是提升和承载钻柱与套管，它主要包括绞车、天车、游车、大钩、钻井大绳、吊卡等提升系统提升系统所在位置

滑轮组简图四、旋转钻井系统滑轮和钻井大绳

滑轮和大绳的基本作用是在提升和下入重载荷物体时有一个好的机械效率。

美国石油学会（API）推荐使用“吨公里”的概念来评价大绳的状态；为了使大绳均匀磨损，应该根据钻井条件有规律地更换起始载荷点钻井大绳所在的位置四、旋转钻井系统游车

游车和大钩的载荷能力用“吨”表示，额定值需要合适的安全系数游车所在位置四、旋转钻井系统天车

天车上的载荷远大于大钩载荷，在滑轮组系统中，在不考虑摩擦力的情况下，每根绳上的应力相等。大钩载荷和滑轮组、大钩、其他附属设备的质量平均分配到每根大绳上。另外，锚上的死绳和滚轮上的快绳也有天车拉力作用天车所在位置四、旋转钻井系统钻井液循环系统流体循环系统的作用是允许钻井液从地面流到井底，然后再返回到地面，系统的主要组成包括：

泥浆泵/空气压缩机

高压地面管汇

钻柱

环形空间

泥浆池

泥浆处理设备

循环系统示意图提纲1.1旋转钻井关键参数1.2旋转钻机设备1.3钻机选择1.4旋转钻井系统1.5钻井液体系评价1.6旋转系统1.7井控系统1.8数据获取和监测系统1.9海上钻井系统五、钻井液体系评价1）钻井液体积钻井液罐中钻井液的保持水平与一定深度井眼体积、钻井液混合速度和钻井液处理能力有关在钻井操作中，需要钻井液的地面体积除了填充井眼外，还需额外增加100bbl的体积；钻井液在泵吸入过程中不能产生沉淀钻井液需要在几个连续的钻井液罐里沉淀，所以在每个单独的液罐里有定时喷射移除沉淀物的喷嘴3）固相控制不同地区和泥浆系统需要的固相控制设备差别很大，对于非加重泥浆，通过稀释进行固相控制是很有效的方法。最好的控制钻井液中固体的方法是使用有效的固相清除设备，包括振动筛、水力旋流器和离心机等2）混合系统混合系统通常包括高速离心泵、段塞罐、预混合罐五、钻井液体系评价五、钻井液体系评价固相控制设备所在区域3.1）振动筛振动筛是固控设备的重要组成部分，满眼循环的振动筛目数大于120

目；在多目振动筛中，固相颗粒的分离效果好坏与最下层的筛网有关3.2）旋流除砂器旋流除砂器包括除砂器和除泥器，一般用于处理大流量的钻井液五、钻井液体系评价3.3）离心机离心机一般用于处理小流量钻井液，处理能力为60-80gal/min，某些情况下可以达到150gal/min五、钻井液体系评价离心机一般在其它固相控制设备之后工作，而且不像振动筛、旋流除砂器那样要对整个循环用钻井液进行处理，它可以只处理一部分钻井液，通常为5%-10%4）泥浆泵泥浆泵是钻井液反复循环的动力设备，分为二级泵和三级泵单冲程和双冲程往复运动泵五、钻井液体系评价

泵入钻井液是钻井液循环的主要过程，也可以说是钻井液水力系统的核心二级泵有两个缸，流体在其中是双冲程运动；三级泵有三个缸，流体在其中是单冲程运动5）地面高压管线地面高压管汇包括水龙头、立管、水龙带、方钻杆和压力测量盒。水龙带、立管和水龙头用于钻井和起下钻；压力测量盒可以缓冲泵产生的压力；方钻杆允许钻柱旋转6）钻具组合钻具组合包括方钻杆、钻杆和钻铤，钻杆和钻铤通过钻具接头连接五、钻井液体系评价7）钻头钻头是一种切削工具，大致分为：牙轮钻头、刮刀钻头五、钻井液体系评价牙轮钻头刮刀钻头提纲1.1旋转钻井关键参数1.2旋转钻机设备1.3钻机选择1.4旋转钻井系统1.5钻井液体系评价1.6旋转系统1.7井控系统1.8数据获取和监测系统1.9海上钻井系统六、旋转系统

旋转系统是指所有能够使钻头转动的部件，具体包括钻杆、钻铤、水龙头、转盘、方补心和方钻杆旋转系统简图有些平台也配有顶驱替代传统的转盘，在钻定向井时，会使用井下动力钻具作为旋转动力六、旋转系统旋转系统所在位置区域顶驱

六、旋转系统使用顶驱系统可以使钻井效率高、速度快、成本低、效益好，能最大限度地满足钻井工艺的需要放大后六、旋转系统在起下钻过程中遇阻时还可以实现上提和下放钻具进行扩眼、划眼作业，解除遇阻现象顶驱主要优点：

顶部驱动钻井不需要使用方钻杆与转盘，基本上不接单根，也不需要鼠洞，立根作单根使用，节省很多时间在起下钻任意时刻均可实现立即旋转钻具和循环钻井液，可减少井下事故的发生，安全六、旋转系统顶驱主要缺点：

钻杆的磨损严重

增加维护费

降低井架承载能力平台操作人员经验缺乏顶驱失败换用常规转盘会增加更多的费用提纲1.1旋转钻井关键参数1.2旋转钻机设备1.3钻机选择1.4旋转钻井系统1.5钻井液体系评价1.6旋转系统1.7

井控系统1.8数据获取和监测系统1.9海上钻井系统七、井控系统

井控系统的主要作用是在井涌发生时阻止地层流体进入井眼井控系统所在的位置七、井控系统

井控设备的组成（1）井口防喷器组环形防喷器、闸板防喷器等；（2）控制装置储能器装置遥控装置；（3）节流与压井管汇，高压耐火软管；（4）钻具内防工具，方钻杆球阀，钻杆回压凡尔；（5）加重钻井液装置；（6）起钻灌浆装置（7）钻井液气体分离器（8）监测仪表泥浆罐液面监测仪、硫化氢检测仪等防喷器装置图七、井控系统

闸板防喷器是一套通过液压驱动的井控装备，可以实现对钻具或套管环空进行密封，剪切闸板一般在其它防喷器关井失败的情况下才能使用

钻井四通是用来连接相邻的两个闸板防喷器的贯通装置，在强行起下钻作业中，可以通过节流和压井管线实现钻井液的循环双闸板防喷器钻井四通七、井控系统井控设备应该具有以下功用：

预防井喷。保持井眼内钻井液静液压力始终略大于地层压力，防止井喷条件的形成

发现溢流。对油气井进行监督，及早发现溢流和井喷前兆，尽早采取控制措施

控制井喷。溢流、井涌、井喷发生后，迅速关井，实施压井作业，对油气井重新建立压力控制

处理复杂情况。当油气井压力失控后，进行灭火抢险等处理作业提纲1.1旋转钻井关键参数1.2旋转钻机设备1.3钻机选择1.4旋转钻井系统1.5钻井液体系评价1.6旋转系统1.7井控系统1.8数据获取和监测系统1.9海上钻井系统八、数据获取和监测系统数据获取和监测系统是指用来对整个钻井作业信息进行监测、分析、显示、记录和检索的装置，监测系统是整个钻井过程的心脏八、数据获取和监测系统①

钻井数据曲线图可以清楚的反应钻遇放空时的状况，同时也能够提供有关地层岩性变化的信息②过大的扭矩可能指示钻头轴承的问题或者钻屑沉积过多③

钻井液罐高度的迅速增加说明地层流体流入井眼中，有可能发生井涌钻井问题，像井漏、井涌和卡钻都能够很容易的通过监测设备检测到提纲1.1旋转钻井关键参数1.2旋转钻机设备1.3钻机选择1.4旋转钻井系统1.5钻井液体系评价1.6旋转系统1.7井控系统1.8数据获取和监测系统1.9

海上钻井系统九、海上钻井系统海上钻井需要两个特殊的系统：浮动设备的动力补偿系统和海水隔离系统海水隔离系统1）隔水导管系统及组成九、海上钻井系统

隔水导管是井眼的延伸，它的作用是用来引导和保护钻柱，同时

为钻井液和钻屑返回地面提供通道隔水导管用刚性耐压接箍连接，可以连接压井管线、节流管线和防喷器组管线，可以循环钻井液保持压力平衡导管末端使用球形接头，球形接头设计的旋转角度为

：8o-10o

，而为了使钻柱能够自由通过接头，允许的最大转动角度为：

4o-5o

九、海上钻井系统2）运动平衡系统系泊系统是由绞线、锚、水龙头和浮子组成，是海洋钻井中最古老的一种平衡工具，它的重要性在于保持静态和动态的压井运动平衡系统的作用是减少钻井船和其它浮式钻井装置的漂移，分为系泊系统和动力定位系统2.1）系泊系统九、海上钻井系统2.2）动力定位系统动力定位系统采用推力器来提供抵抗风、浪、流等作用在船上的环境力，从而使船尽可能地保持在海平面上要求的位置上动力定位钻井浮船作业1.旋转钻井关键参数包括哪些？2.旋转钻机设备有哪些系统组成？每个系统的作用是什么？3.画一个简易的旋转钻井钻机示意图。地层压力特性钻井工程地层压力授课内容压力的基本概念孔隙压力坍塌压力破裂压力漏失压力1.压力的概念静液压力上覆岩层压力孔隙压力基岩应力压力异常由液柱自身的重力所引起的压力

ph=0.00981ρH静液压力梯度Gh

Gh＝ph/H＝0.00981ρ

淡水或淡盐水0.00981MPa/m；盐水0.0105MPa/m。静液压力（hydrostaticpressure）ph

—

静液压力,MPaρ—

液体的密度,g/cm3H—

液柱的垂直高度，m1.压力的概念上覆岩层压力（OVEBURDENPRESSURE）1.压力的概念地层某处的上覆岩层压力是该处以上地层岩石基质和岩石孔隙中流体总重力所产生的压力，用p0表示上覆岩层压力梯度超过正常地层静液压力的地层压力(pp>ph)称为异常高压。而低于正常地层静液压力的地层压力(pp<ph)称为异常低压。地层压力（formationpressue）岩石孔隙中的流体所具有的压力，用pp

表示。正常地层压力梯度地层水为淡水，GP=0.00981MPa/m地层水为盐水，GP=0.0105MPa/m异常地层压力地层压力大于或小于正常地层压力1.压力的概念基岩应力是岩石颗粒间相互接触支撑的那一部分上覆岩层压力，亦称有效上覆岩层压力、骨架应力或颗粒间压力，用表示。基岩应力（MATRIXSTRESS）1.压力的概念

(1)不平衡压实作用(2)构造挤压

(3)水热增压(4)生烃作用

(5)蒙脱土脱水作用(6)浓差与逆浓差作用

(7)石膏/硬石膏转化(8)流体密度差异

(9)水势面的不规则性(10)深部气体充填封存箱的分隔和抬升异常高压形成机制1.压力的概念快速沉积是造成不平衡压实的主要原因之一，由于沉积速率过快，造成沉积颗粒排列不规则(没有足够的时间)，排水能力减弱，继续增加的上覆沉积载荷部分由孔隙流体承担，形成异常高压，同时造成地层的欠压实。不平衡压实作用1.压力的概念常见于陆地边缘的三角洲地区，异常高压我国东部地区的某些中新生代地层，泥质沉积物的压实不平衡（欠压实）是下第三系沉积盆地中遇到大多数异常高压的主要原因。致密盖层非渗透致密盖层的快速沉积导致其下地层的欠压实与异常高压，最为典型的例子是“复合盐层”中与岩盐层拌生的软泥岩地层。1.压力的概念基本原理（依据）2.孔隙压力—声波时差法若岩性已知，地层水变化不大，Δtma、Δtf基本不变：Φ:孔隙度

Δt:时差，us/mΔtma:骨架时差，us/mΔtf:孔隙流体时差，us/m。为正比关系。由Willie公式

正常压实地层Δt:h处的时差，us/m.Δt0:地表时差，us/m.c—系数若将上式在半对数坐标(Δt为对数、h为常规坐标),则Δt与h成直线。在非正常压实地层：Δt偏离(大于)正常趋势线，意味着高压地层。

2.孔隙压力—声波时差法图板法：

Eaton法：

正常趋势线

Eaton指数确定仅限于泥岩计算方法存在的问题2.孔隙压力—声波时差法◆正常压实地层：埋深

泥岩压实度

泥岩Φ

钻速。◆异常高压地层：泥岩欠压实泥岩Φ

钻速利用该规律可以监测地层压力：机械钻速法。但是，机械钻速受各种工艺参数的影响，1966年Jorden依据Bingham方钻速方程提出了d指数法。钻速方程为：

R—钻速，m/hrK—可钻性系数

n—转速rpmW—钻压，KND—钻头直径mme—转速指数

d—钻压指数，即d指数。2.孔隙压力—Dc指数法基本原理（依据）设工艺条件（水水力因素、钻头类型）及岩性不变（均为泥页岩），则K为常数，取K=1，又泥页岩较软，n与R为直线关系，即e=1，可得：式中：T：钻时min/m；

n：rpm;W：钻压KN；

D：钻头直径，mm。

d指数法要求保证泥浆密度不变，但在现场难以做到，因进入压力过过渡后泥浆密度升高，钻速（压持效应），

d，怎么办？修正：2.孔隙压力—Dc指数法式中：ρn:正常压力层段地层水密度，g/cm3ρm:实际使用的泥浆密度，g/cm3◆正常压实地层：H

(泥页岩）dc——趋势。◆异常压力地层：H

（泥页岩）dc——偏离趋势。2.孔隙压力—Dc指数法图板法：ρp

=f(dcn-dc)伊顿法（Eaton）:

ρp:压力梯度当量密度

ρ0:上覆压力梯度当量密度

ρn:正常地层压力梯度当量密度

Dcn:深度H的正常趋势率de值

Dc:实际计算的de值

n:Eaton指数。（1）确定dcn——正常趋势（2）由偏离情况计算出地层压力算法2.孔隙压力—Dc指数法◆dc的求法:钻头磨损（牙齿磨损、轴承磨损）、水力因素等影响不易消除；◆正常趋势确定：非直线◆Eaton指数确定◆仅限于泥岩使用存在的问题2.孔隙压力—Dc指数法

Pp：计算的地层压力，MPa，

Vmax：φ为0时的岩石速度，m/s，

Vmin：φ为50%时的岩石速度，m/s,Vint：层速度，m/s，

P0：上覆岩层压力。2.孔隙压力预测—地震层速度法基本原理孔隙度=f（地层压力）低速意味着高压算法（1）等同于声波时差法（2）直接计算方法3.破裂压力（FRACTUREPRESSURE）地层破裂压力在井下一定深度出露的地层，承受流体压力的能力达到一定数值时会使地层破裂，这个液体压力称为地层破裂压力。破裂压力的预测方法休伯特和威利斯(Hubbert&Willis)法马修斯和凯利（Mathews&Kelly）法伊顿（Eaton）法新模式与前述三个模式相比有两个显著特点：地应力一般是不均匀的，模式中包括了三个主应力的影响。垂直应力可以认为是由上覆岩层重力引起的。地层的破裂是由井壁上的应力状态决定的。深部地层的水压致裂是由于井壁上的有效切向应力达到或超过了岩石的抗拉强度。K—

构造应力系数，无因次；St—

岩石的抗拉强度，兆帕。新模式PRro地破试验曲线地破试验定义目的工程实施方法数据的利用地层破裂－井漏最小水平主地应力若井内泥浆密度较小，不能对井壁提供足够的支撑，将使井壁岩石所受的应力超过其本身的强度产生剪切破坏而造成井壁坍塌。泥浆密度低损坏区坍塌最大水平主地应力ar=3a=1r4.坍塌压力（Breakoutpressure）维持井壁不坍塌或不缩径的最小井内钻井液柱压力

最大水平主地应力最小水平主地应力泥浆密度高泥浆密度过大：地层剪切破坏产生大量径向微裂缝形成剪切破碎带（造成泥浆的大量侵入使井壁失稳）剪切破碎带，使得泥浆更易渗入井壁ra=3r=1a4.坍塌压力（Breakoutpressure）pBDpCLpLOTpressuretimepwLOTexamplesXLOT“knee”stoppumpingpLOTactualclosurepressure5.漏失压力作业名词解释：上覆岩层压力、地层孔隙压力、地层破裂压力、基岩应力简述在正常压实的地层中岩石的密度、强度、孔隙度、声波时差和DC指数随井深变化的规律解释地层破裂压力的概念，怎样根据液压实验曲线确定地层破裂压力？上覆岩层压力25MPa,地层孔隙压力10MPa,计算基岩应力。井深1000m,地层压力梯度当量密度1.25g/cm3,计算地层压力。根据伊顿（Eaton）法，井深1000m,上覆岩层压力25MPa,地层孔隙压力10MPa,地层岩石泊松比0.25,计算地层破裂压力梯度当量密度。根据地层破裂压力的新方法，井深1000m,上覆岩层压力25MPa,地层孔隙压力10MPa,地层岩石泊松比0.25,构造应力系数为0.3,抗拉强度为2MPa,计算地层破裂压力梯度当量密度。某井钻至2500m，钻进时所用的钻头直径为215mm，钻压160kN，钻速110r/min，机械钻速7.3m/h，钻井液密度1.28g/cm3,正常条件下钻井液密度为1.07g/cm3,求dc指数。作业简述地层沉积欠压实产生异常高压的机理简述在正常压实的地层中岩石的密度、强度、孔隙度、声波时差和DC指数随井深变化的规律解释地层破裂压力的概念，怎样根据液压实验曲线确定地层破裂压力？4.预习“井身结构设计”岩石的工程力学性质钻井工程

地应力

岩石的变形

岩石的强度

岩石的抗钻特性目录

地应力

岩石的变形

岩石的强度

岩石的抗钻特性目录地应力内力应力当物体受到外力作用时，在它的内部同时产生了一个与此外力相对抗以保持平衡的力，这就是内力单位面积上的内力称为应力地壳不同部位出现受力不均衡，分别受到挤压、拉伸、旋钮等力的作用，促使地壳中的岩层发生变形，与此同时，岩层也产生一种反抗变形的力，这种内部产生的并作用在地壳单位面积上的力，称为地应力地应力概念一、地应力地应力确定方法地应力测量主要有四种方法：

资料分析方法，资料分析可以定性地给出大范围的应力场分布与特点，但很难进行精细的应力场研究

有孔应力测量，这种方法可以给出比较精确的应力测量结果，精确描述应力场的特点，但是深部应力测量代价昂贵

岩心分析方法，该方法是有孔应力测量方法的派生方法，但是可以在室内测定，有广泛的应用，给岩心定向是这种方法的技术关键

地应力原点测量，在油田深部地层地应力测量方面，这种方法在国内外几乎还是一个空白，其安全、可靠性及技术方面都存在一定的困难一、地应力地应力确定方法水力压裂法测地应力水力压裂法是根据井眼的受力状态及其破裂机理来推算地应力的地层破裂实验曲线一、地应力地应力确定方法

另外地应力分量、上覆地层压力可以由密度测井数据求得，这样，地层某深处的三个主地应力即可以完全确定通过破裂压力试验测得地层的破裂压力pf

、瞬时停泵压力ps

和裂缝重张压力pr

，结合地层孔隙压力的测定，即可以确定出地层某深处的最大、最小水平主地应力：一、地应力地应力确定方法井壁崩落法确定地应力的方向无限大地层平面内井眼周围的应力分布为：由于井壁崩落椭圆因崩落的长轴方向总是与最小水平主地应力方向一致，即与最大水平地应力方向垂直，因此可借用井壁崩落椭圆来确定地应力的方向在地应力的作用下，井壁附近岩石发生变形，并在井壁附近引起应力集中，当作用在B、D两点的应力差(σr-σθ)达到或超过该处岩石的剪切强度时，就发生井壁崩落现象，形成井壁崩落椭圆，其长轴方向与最小水平主地应力方向一致一、地应力地应力确定方法井壁崩落椭圆的识别标志

井壁崩落椭圆具有明显的长轴方位，在地层倾角测井记录上，一条井径曲线比较平直或等于钻头直径，而另一条井径曲线则比钻头直径大得多，而非应力孔眼井径曲线上表现为钻头孔截面没有明显的长轴方向一、地应力地应力确定方法岩石声发射凯塞尔（Kaiser）效应测地应力

Kaiser效应当岩石再次加载到先前经受过的应力水平后，其声发射活动将突然增加，这种岩石的声发射活动能够“记忆”岩石所受过的最大应力的效应被称为凯塞尔效应声发射凯塞尔效应测定地应力是利用了岩石具有记忆的特性，测量岩样曾经承受过的最大压应力

凯塞尔（Kaiser）效应测地应力一、地应力地应力确定方法

岩样加工:

地应力求解方程：取芯一、地应力地应力确定方法围压下声发射法测地应力流程图单轴下声发射法测地应力流程图一、地应力地应力确定方法复合地应力测量方法该方法是将声波各向异性和声发射Kaisir效应地应力测量相结合的新方法当岩芯被钻取发生应力卸载时，沿原最大水平主应力方向上卸载程度最大，有最小声波速度，沿原最小水平主应力方向有最大声波速度，沿事先利用波速各向异性方法测出的水平地应力最大、最小相对位置，进行声发射Kaiser实验，可以测出地应力大小式中：σKH,σKh

为最大、最小水平地应力方向上的Kaisir点应力；pp孔隙压力；α

为有效应力系数理论依据计算公式一、地应力地应力确定方法地破试验与差应变结合确定地应力的方法地破试验套管鞋附近进行地层破裂试验，可得岩石产生拉伸破坏时地层破裂压力式中：为最大地应力，为最小地应力，为地层孔隙压力，σH

、σh

、pp、α为有效应力系数，st为抗拉强度(可通过巴西实验测试)，pf为地层破裂压力。差应变试验确定主应力比值若确定了野外状态的应变值，此时的三向主应力之比为式中，εH为水平最大地应力方向应变量，εh为水平最小地应力方向应变量，εv为竖向地应力方向应变量，

μ

为泊松比一、地应力地应力确定方法差应变分析试验试样差应变分析试验装置示意图地应力的确定方法：一、地应力地应力确定方法地破试验与多极子测井相结合的方法偶极子理论，即偶极子声波测井获得的岩石声波各向异性，根据井壁围岩应力集中对弯曲波的影响可反算地应力的相对大小，并确定地应力的方向式中：V12和V13分别为快横波、慢横波速度；p0为地层体积密度，

c66为剪切模量，

c456为地层的三阶非线性弹性参数。这3个参数取静水压力下的地层为参考状态，可根据密度测井、全波声波测井确定该理论方法主要由两部分组成：受地应力作用地层的声场是两个变形的叠加，一个是地应力引起的静变形，另一个是声波的扰动引起的非常小的形变；计算公式一、地应力分层地应力解释方法由于地层间或层内的不同岩性岩石的物理特性、力学特性和地层孔隙压力异常等方面的差别造成了层间或层内地应力分布的非均匀性分层地应力的预测模式单轴应变模式六五模式七五模式经验公式分层地应力解释方法一、地应力动态地应力理论在注水和生产过程中，地层中的流体流动同时压力发生变化，会使得地层变形，主要体现在水平两个主应力的变化上需要分别建立渗流场和应力场的方程，在进行渗流场的计算时，认为位移是已知的，而在计算应力场的过程中，认为压力是已知的，这样通过两场的迭代来达到耦合的目的动态地应力理论地层的地应力发生变化后，会改变地层渗流参数，如渗透率、孔隙度、压缩系数等，进而进一步影响流体的流动规律。因此，这两个过程是同时发生的，必须同时考虑注水和生产过程实际上是一个地层变形和流体流动的耦合问题一、地应力地应力岩石的变形

岩石的强度

岩石的抗钻特性目录二、岩石的变形岩石的力学性质主要通过室内岩石试验进行研究，根据岩石的应力－应变－时间关系，可将其力学属性划分为弹性、塑性和粘性材料的应力－应变－时间关系岩石的变形是指在一定的应力范围内，物体受外力作用产生变形，而去除外力（卸荷）后能够立即恢复其原有的形状和尺寸大小的性质，其产生的变形称为弹性变形是指物体受力后，在应力超过屈服应力时仍能继续变形而不即行断裂，撤去外力（卸荷）后，变形又不能完全恢复的性质。不能恢复的那部分变形称为塑性变形，或称永久变形、残余变形是指物体受力后变形不能在瞬时完成，且应变速率随应力的大小而改变的性质，称为粘性，应变速率随应力变化的变形称为流动变形弹性塑性粘性峰值前的变形机理岩石由于成分、结构不同，其变形机理比较复杂，但大致可归纳为三种类型：以裂纹行为为主导的变形以弹性变形为主的变形以塑性变形为主的变形应力-应变曲线上变形阶段的划分及特征应力值应力-应变曲线二、岩石的变形以裂纹行为为主导的变形一些中-粗粒结构的岩石，如花岗岩，大理岩、砂岩等，常具有许多晶间或晶内裂纹,这类岩石轴向的应力-应变曲线属S型在单向受压条件下，岩石变形直至破坏经历了：裂纹闭合、线性变形、裂纹稳定扩展的非线性变形、裂纹加速扩展至岩石破裂四个阶段:S型应力-应变曲线应力-应变曲线岩石变形四个阶段二、岩石的变形o−a段——裂纹压密段：这一阶段是由于极扁的张开裂纹在压应力作用下闭合而引起a−b段——岩石线性变形阶段：岩石应力－应变曲线呈直线，但压力卸去后，岩石变形并不能完全恢复b−c段——裂纹稳定扩展的非线性变形阶段：岩石中的裂纹在应力作用下开始扩展，岩石中发生新的裂纹c−d段——裂纹加速扩展直至岩石破裂：随着裂纹的进一步扩展，裂纹在试件某些部位密集、搭接、相连，形成某些宏观裂缝应力-应变曲线二、岩石的变形其轴向应力-应变曲线呈直线型

,一些结构致密、岩性硬的岩石，如石英、玄武岩、硅质灰岩等的变形，多属这种类型（1）轴向应力-应变曲线不具压密段，曲线斜率一般较陡（2）应力-应变直线段卸载时，变形可完全恢复，变形主要为弹性变形应力-应变曲线以弹性变形为主的变形曲线特点直线型应力-应变曲线二、岩石的变形其轴向的应力-应变曲线呈下凹型,岩盐、饱水的半坚硬泥岩，在加荷速率较低时变形呈这种类型变形没有明显的阶段，而是随着压应力的增大而不断增长，卸载后大部分变形不能恢复以塑性变形为主的变形曲线特点下凹型应力-应变曲线应力-应变曲线二、岩石的变形图中的d−e曲线段，反映了岩石出现宏观破裂之后，随变形发展直至完全破坏的过程应力-应变曲线峰值后变形阶段岩石峰值后的变形曲线，实质上是岩石破坏过程曲线在应力达峰值时，岩石只出现宏观破裂，但并未完全失去承载力，即未完全破坏二、岩石的变形在长时间应力作用下，岩石变形不断增长的现象叫做岩石的蠕变岩石蠕变的微观机理目前用于解释岩石微观蠕变机制的理论主要有化学键理论、破裂理论、摩擦理论和晶体缺陷理论，其中广泛应用且较为人们所接受的有破裂理论和晶体缺陷理论岩石蠕变岩石的蠕变晶体缺陷理论主要考虑影响晶体蠕变的两种过程，其一是位错蠕变；其二是扩散蠕变二、岩石的变形蠕变过程的四个阶段：瞬时变形：即常应力刚刚作用于岩石试件上就出现的弹性应变εe

；初始蠕变或阻尼蠕变，也称第一蠕变阶段：对应着区域Ⅰ，在达到t1之前的时间里，岩石的应变尽管不断增加，但应变增长的速度却在不断地减小稳态蠕变或等速蠕变，也称第二蠕变阶段：对应着区域Ⅱ，如果加载时间足够长，t＞t1，这时岩石中的应变以稳定速度增长，应变和时间的关系在图上表示为一条直线段加速蠕变（第三蠕变阶段）：对应着区域Ⅲ，如果外加应力足够高，则当加载时间t超过某一特征值t2以后，岩石的蠕变应变会加速，直至岩石破裂，这种越来越快的蠕变叫做第三期蠕变岩石蠕变二、岩石的变形蠕变曲线地应力

岩石的变形岩石的强度

岩石的抗钻特性目录岩石强度概念岩石在一定条件下受外力的作用而达到破坏时的应力，称为岩石在这种条件下的强度，岩石的强度是岩石的机械性质，是岩石在一定条件下抵抗外力破坏的能力简单应力条件下岩石的强度指岩石在单一的外载作用下的强度，包括单轴抗压强度、单轴抗拉强度、抗剪强度及抗弯强度简单应力条件下岩石的强度三、岩石的强度三、岩石的强度单轴压缩试验可以测定如下常规岩石参数：（1）岩石的单轴抗压强度即岩石试件在单轴压力下达到破坏的极限强度，数值上等于破坏时的最大轴向应力，通常用

σc

表示其中，P为破坏时所加的荷载，称为破坏荷载；A为原始横断面积(2)泊松比υ

即岩石在单向受压条件下径向应变εr（即横向应变）与轴向应变

εz

（即纵向应变）之比，亦即横向伸长与纵向缩短的比率：单轴压缩试验（3）弹性模量其中，E是应力-应变曲线的斜率，即单轴应力时，应力相对应变的变化率。Δσz

、Δεz

分别是轴向应力、应变的增量当轴向的应力-应变关系不成直线时，岩石的变形特征可以用以下几种模量说明①初始模量，是应力-应变曲线在原点切线的斜率，即：②切线模量，是对应于曲线上某一点M的切线的斜率，即：③割线模量，是曲线上某一点M与坐标原点连线的斜率，即：单轴压缩试验三、岩石的强度岩石的弹性模量和泊松比单轴压缩试验三、岩石的强度

三轴岩石应力试验是在复杂应力状态下定量测试岩石机械性质的可靠方法常规三轴抗压试验装置示意图三轴压缩试验复杂应力条件下岩石的强度三、岩石的强度岩石在复杂应力条件下，其破坏机制有以下三种，即：破坏机制（1）剪切破坏剪切破坏是压应力下的典型破坏，它的特征是沿破裂面的剪切位移破坏机制图（a）表示在无围压受压下观测到的不规则的纵向裂缝，目前对其解释并不十分清楚；图（b）为加中等数量的围压后产生的与σ1方向倾斜小于45°角的单一破裂面；图（c）为继续增大围压，材料成为完全延性的，则出现剪切破裂的网格，并伴有个别晶体的塑性变形岩石破坏形式三、岩石的强度拉伸破坏典型的出现于单轴拉伸中，它的特征是明显的分离，而在表面间没有错动巴西试验装置简图破裂简图破坏机制（2）拉伸破坏三、岩石的强度能够在一定的应力水平下发生随时间的连续不断的变形，称为塑性流动，它是塑性破坏变形的重要特点，可在某些软弱夹层或节理裂隙中经常被观察到，也可在多晶岩石中见到由线性荷载产生的拉伸破坏平板在线性荷载之间受压，则在荷载之间出现一个拉伸破裂，当检查破裂面时，它们中的一部分有剪切破裂的状态，而其它一些部分显然是拉伸破裂破坏机制（3）塑性流动三、岩石的强度岩石破坏形式可分为脆性破坏和塑性破坏两种岩石的脆性破坏，即微破裂的发生和发展过程；塑性破坏,即岩石中的结晶颗粒内部晶格间或颗粒之间的滑移破坏，这种破坏主要是在剪应力作用下产生的，其变形的重要特点是塑性流动页岩脆性破坏形式泥岩塑性破坏形式破坏机制三、岩石的强度破坏准则试件中任何一点的应力状态可以用三个主应力的大小表示。在某种σ1,σ2和σ3的组合情况下材料发生破坏，把这些引起破坏的点表示在应力空间形成破坏面，下述的关系式即称为破坏准则基于对岩石破坏机制的认识不同，提出了各种不同的破坏准则。目前，岩石力学中应用较广的有：Mohr-Coulomb准则、Drucker-Prager准则、Griffith准则、Griffith准则的Murrel推广、断裂准则等破坏准则不同的破坏准则三、岩石的强度

Mohr

函数当试件的某一平面由于剪应力过大而发生剪切破坏时，Mohr假定这种破坏可以用如下的函数关系表示：（其中，σ和τ

是平面的法应力和剪应力）在σ−τ平面内，方程表述为一条曲线（如上图所示），该曲线将应力状态的安全区和破坏区分隔开来，即当代表材料内部任意点应力状态的（σ，τ）位于曲线之下时，破坏不发生；反之，则发生Mohr-Coulomb准则三、岩石的强度该准则认为岩石破坏时剪切面上的剪应力τ

必须克服岩石的固有剪切强度C

（亦称为内聚力或粘聚力）加上作用于剪切面上的摩擦力μσ

，即假定f为线性函数：Mohr-Coulomb准则Mohr-Coulomb（莫尔－库仑）准则三、岩石的强度岩石破裂面公式推导

在最大主应力两边与它倾斜相等的角(π/4-φ/2）地方存在共轭方向，故有两个可能的共轭破裂面，它们通过中间主应力的方向，且与最大主应力方向成上述夹角。Mohr-Coulomb准则（β是由破裂准则求出的，给出了破裂面的方向）共轭破裂面三、岩石的强度Mohr-Coulomb

准则优缺点优点Mohr-Coulomb准则比较全面的反映了岩石的强度特性，它既适用于塑性岩石也适用于脆性岩石的剪切破坏Mohr-Coulomb准则忽略了中间主应力σ2的影响，该准则只适用于剪切破坏，但实际试验中很少发现有剪切破裂等现象Mohr-Coulomb准则不适用于高围压的情况，只适用于较低围压的情况；同时也不适用于膨胀或蠕变破坏Mohr-Coulomb准则Mohr-Coulomb

准则反映了岩石抗拉强度远远小于抗压强度这一特性，并能解释岩石在三向等拉时会破坏，而在三向等压时不会破坏的特点缺点三、岩石的强度Drucker-Prager准则最简单情况下的vonMises表达式Drucker-Prager准则在岩石力学中的应用较广，特别是在弹塑性有限元计算中应用广泛不仅考虑了中间主应力

σ2的作用，而且考虑了平均应力（σ1+σ2+σ3）/3的影响Drucker-Prager准则优点表达式三、岩石的强度Griffith准则对于二维情形中的主应力

σ

1

、σ3

，如果满足下式则发生破坏修正的Griffith理论其中，σ0为使椭圆孔闭合所需的平均压力，μ为裂隙面的摩擦系数Griffith准则可以推算出单轴抗压与单轴抗拉强度之间的关系Griffith准则表达式三、岩石的强度Griffith准则的

Murrel推广

Griffith

准则优点Griffith准则是建立在微观理论基础上的，它可以推断出抗压强度与抗拉强度之间的合理关系Griffith准则的Murrel推广，即二维理论到三维的逻辑推广，它是一个旋转抛物面：且该抛物面以棱锥为界：三维Griffith准则给出：Griffith准则的Murrel推广三、岩石的强度地应力

岩石的变形

岩石的强度岩石的抗钻特性目录四、岩石的抗钻特性研究岩石的研磨性对于正确地设计和选择使用钻头，延长钻头寿命，提高钻头进尺，提高钻井速度有重要的意义岩石磨损与之相接触的物体的能力，即岩石磨损钻头切削刃材料的能力称为岩石的研磨性岩石的研磨性岩石研磨性磨损后的牙轮钻头磨损后的牙轮钻头即岩石抵抗破碎的能力，是岩石破碎难易程度的具体表现。岩石可钻性是岩石在钻进过程中显示出的综合性指标，它取决于岩石自身的物理力学性质以及破碎岩石的工艺技术措施。物理力学性质主要包括岩石的硬度、弹性、脆性、颗粒度及颗粒的连接性质工艺技术措施主要包括破岩工具的结构特点、工具对岩石的作用方式、载荷或力的性质、破岩能量的大小、孔底岩屑的排除情况等岩石可钻性岩石可钻性四、岩石的抗钻特性

微钻头在岩样上钻孔，通过实钻钻时(即钻速)确定岩样可钻性。在岩样上钻三个孔，孔深2.4mm，取三个孔钻进时间的平均值为岩样的钻时（td），对td

取以2为底的对数值作为该岩样的可钻性级值Kd,我国将地层可钻性按Kd的整数值分为10级级别ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦⅧⅨⅩtd/秒＜44~＜88~＜1616~＜3232~＜6464~＜128128~＜256256~＜512512~＜1024≥1024

Kd

＜22~＜33~＜44~＜55~＜66~＜77~＜88~＜99~＜10≥10分类极软软中软中中硬硬极硬岩石可钻性岩石可钻性级值Kd四、岩石的抗钻特性

谢谢！钻井液2011年9月16日钻井工程第一节钻井液的定义和功用第二节钻井液的组成和分类第三节钻井液的性能第四节钻井液的固相控制第五节井塌及防塌钻井液第六节油气层保护及完井液主要内容一、钻井液的定义

钻井时用来清洗井底并把岩屑携带到地面、维持钻井操作正常进行的流体称为钻井液或洗井液。洗井液－钻井泥浆－钻井液－气体钻井？第一节钻井液的定义和功用二、钻井液的功用（循环过程见图）

1．携岩

2．冷却和润滑钻头及钻柱

3．造壁，维持井壁稳定

4．控制地层压力

5.悬浮钻屑和加重材料，防止下沉

6.获得地层和油气资料

7.传递水功率第一节钻井液的定义和功用钻井液的流动路径(开始)钻井液池(泥浆池)钻井泵地面高压管汇立管水龙带水龙头方钻杆钻杆钻铤钻头环空导管高架泥浆槽振动筛除砂器/除泥器钻井液池(泥浆池)一、钻井液的组成

(1)液相：液相是钻井液的连续相，水或油。(2)活性固相：人为加入的商业膨润土（般土）、有机膨润土(油基钻井液用)和地层进入的造浆粘土。(3)惰性固相：钻屑和加重材料。(4)各种钻井液添加剂:增粘、稀释、降失水、PH值、防塌等。第二节钻井液的组成和分类二、钻井液的分类

API和IADC分类： (1)不分散体系——

开钻用钻井液、天然钻井液(自然造浆而成)、及轻处理钻井液;用于浅层钻进(2)分散体系——

水+膨润土+分散剂（铁络木质素黄酸盐等);用于深井或复杂井。(3)钙处理体系——

水基钻井液+钙盐（石灰、石膏、氯化钙)，特点：抑制粘土、页岩膨胀。

第二节钻井液的组成和分类(4)聚合物体系——水基钻井液+高聚物(聚丙烯酰胺PAM、PHP)

特点：增粘，降失水，稳定性能。(5)低固相体系——总固相含量6%～10%的水基钻井液。其中，膨润土含量小于3%，钻屑与膨润土的比值小于2∶1。特点：提高钻速，减少对产层的伤害。

第二节钻井液的组成和分类（6）饱和盐水体系——氯离子含量达189g/L的水基钻井液。特点：抗盐侵，抑制粘土水化。海上钻井、钻盐岩层和泥页岩层。（7）完井修井液体系——

水+盐+聚合物等；油基钻井液。特点：低密度、无固相、抑制粘土膨胀、低滤失，保护油气层。第二节钻井液的组成和分类（8）油基钻井液体系——油包水乳化钻井液：油+水+乳化剂油基

钻井液：柴油+氧化沥青、有机酸、碱。

特点：耐高温、保护油气层、防止水敏性地层吸水膨胀。摩阻小，用于大位移水平井，或特别复杂层段。第二节钻井液的组成和分类（9）空气、雾、泡沫和气体体系——欠平衡压力钻井。

特点：提高钻速，保护油气层。适用于低压油气层、易漏的裂缝性油气层、低渗透油气层等。井壁应比较稳定的地层。第二节钻井液的组成和分类一、钻井液的密度

第三节钻井液的性能1.对密度的要求调节井内钻井液的静液柱压力平衡岩石侧向压力，维持井壁稳定，防塌。平衡地层压力，避免发生井喷及井涌等事故钻井液密度不能太高，也不能太低，也合适。第三节钻井液的性能2.调整钻井液密度的方法提高密度(井喷)加重重晶石：BaSO4，>=4.2石灰石：CaCO3，>=2.7钛铁矿粉：TiO2.FeO，4.7降低密度(井漏)降低固相含量加水稀释混油充气加絮凝剂二、钻井液的流变性能及调整

(RHEOLOGICALPROPERTIESOFDRILLINGFLUIDS)

流变性：粘度和切力等随流速变化的性能。包括静切力、动切力、表观粘度、塑性粘度、流性指数、稠度系数等参数。

(一)液体的基本流型

流速梯度(剪切速率)：钻井液在钻柱和环空内流动时，速度分布不均匀，中心处流速大，向外流速减小。

单位距离内流速的增量称为流速梯度。

剪切应力：液流中各层速度不同，层间必有相对运动，发生内摩擦，阻碍液层作相对运动。

根据液体流动时剪应力与流速梯度的关系，将液体流动分为四种流型：

1.牛顿流型：2.塑性流型：3.假塑性流型（n<1)4.膨胀流型(n>1)：幂律流体（假塑性型）宾汉流体卡森流体赫切尔—巴尔克莱流体牛顿流体幂律流体（膨胀型）切应力流速梯度s0

1.静切力（静切应力）

(GelStrength)

所加切应力达到某一最低τs之后才开始流动，这个最低切应力称为静切应力。又称凝胶强度。

(二)塑性流型的特点

它代表了钻井液静止时单位面积上所形成的连续空间网架结构强度。

塑性流体其流变曲线为不通过原点O的一条直线，它表示这种流体具有一定的颗粒浓度，在静止状态下形成颗粒之间的内部结构，加外力进行剪切时，要破坏结构后才能开始流动。例如，泥浆中粘土颗粒的形状很不规则，表面性质也很不均匀，因此颗粒之间容易彼此粘结，形成网状结构。倘若颗粒的浓度足够大，网状结构能够在泥浆中布满整个空间，那么要使这种泥浆发生流动，就必须在一定程度上破坏这种连续结构。静切力产生原因

2.动切应力（屈服值）(YieldPoint)

当切应力继续增大，流变曲线出现直线段，延长该直线与切应力轴相交于τ0，称为动切应力或屈服值。

它是钻井液处于层流状态时钻井液中网状结构强度的量度。

τ0

表示此流体运动时结构的存在及其数值的大小。1.静切力（静切应力）

(GelStrength)

使钻井液开始流动所需的最低切应力，它是钻井液静止时单位面积上所形成的连续空间网架结构强度的量度。它反映了钻井液触变性的好坏。

调整方法：无机盐（改变粘土颗粒间静电力）、降粘剂或增粘剂。

（三）塑性流型的流变参数及调整ot2.动切应力（屈服值）(YieldPoint)

流变曲线直线段的延长线与切应力轴交点的应力大小。反映在层流状态下粘土颗粒之间及高聚物分子之间的相互作用力（形成空间网状结构之力）的大小。

调整方法：同静切力。3.塑性粘度(PlasticViscosity)μpv

塑性粘度是塑性流体流变曲线直线段斜率的倒数，即：它是钻井液流动时固相颗粒之间、固相颗粒与周围液相间以及液相分子间的内摩擦作用的总反映。它反映了液体粘滞力的大小。

调整方法：降低固相含量、加稀释剂降粘；加高聚物增粘剂等提粘。4.表观粘度（视粘度或有效粘度）(ApparentViscosity)

它是在某一流速梯度下剪切应力与相应流速梯度的比值，即：

表观粘度：塑性粘度与结构粘度之和，它反映两者的总的粘滞作用，是“总粘度”的意思。5、动塑比

动切力与塑性粘度之比，反映了钻井液结构强度与塑性粘度的比例关系。动塑比大，流动过水断面较平缓，剪切稀释能力强，但流动阻力大，泵压高。理想值：=0.36～0.48。 1.流性指数n

表示流体在一定流速范围内的非牛顿性程度。

n＜1，假塑性流体，随剪切速率增加而变稀(剪切稀释特性)；

n＞1，膨胀型流体，随剪切速率增加而变稠。

n值影响钻井液的携岩效果和剪切稀释特性。理想值：n=0.4～0.7。（三）假塑性流型和膨胀流型的流变参数2.稠度系数k

为流体在1s－1流速梯度下的粘度。k值越大，粘度越大。（四）流变参数的测定

仪器：六速旋转粘度计

1．静切力

初切力（10s切力）：将钻井液在600r／min下搅拌10s，静置10s后测得3r／min下的表盘读数，该读数乘以0．511即得初切力(Pa)。终切力（10min切力）：将钻井液在600r／min下搅拌10s，静置10min后再测得3r／min下的表盘读数，该读数乘以0．511，即得终切力(Pa)。2.动切力(屈服值)：

漏斗粘度计ZNN型旋转粘度计动力部分双速同步电机、电源变速部分可变六速（转/分）

3

6100200300600

测量部分扭力弹簧、刻度盘与内外筒组成测量系统。旋转粘度计实物与局部放大图

表观粘度：

塑性粘度：

流性指数：

稠度系数：3.粘度、流性指数及粘度系数（一）滤失和造壁过程

钻井液中的液体(刚开始也有钻井液)在压差的作用下向地层内渗滤的过程称为钻井液的滤失。 钻井液中的固相颗粒附着在井壁上形成滤饼的过程称为造壁过程。三、钻井液的造壁性能及滤失量

（二）几种不同的滤失情况

1.瞬时滤失

在钻头破碎岩石形成新的井眼而滤饼尚未形成的一段时间内，钻井液迅速向地层渗滤，此时的滤失称为瞬时滤失。瞬时滤失量有利于提高钻速，但严重损害油气层。2.动滤失

在已形成的井眼内，随着钻井液的渗滤，在井壁上形成一层滤饼，并不断增厚、密实。同时，形成的滤饼又受到钻井液的冲刷和钻柱的碰撞、刮挤而遭到破坏。最终，滤饼形成速度等于破坏速度而达到平衡，此时滤饼厚度不变，滤失速率也保持不变。

这种钻井液在井内循环流动时的滤失过程称为动滤失。

影响滤失量的因素：地层、压差、固相类型和含量、粘度、流态。

3．静滤失

钻井液在停止循环时的滤失过程称为静滤失。随着滤失过程的进行，滤饼逐渐增厚，滤失阻力逐渐增大，滤失速率逐渐减小。

影响滤失量的因素：

滤失时间、压差、温度、固相含量及类型、滤饼渗透率。 静液柱压力泥饼静失水动失水1.静滤失量（API滤失量）用API滤失量仪在常温、0.7MPa压差下测量30min所得的滤液体积(mL)。要求：上部地层和坚固地层，滤失量可放宽；水敏性易坍塌地层，滤失量要低；油气层，滤失量不能高于5mL。（三）滤失量的测量和要求（三）滤失量的测量和要求2.高温高压滤失量

在150℃温度、3.5MPa压差下测量30min所得的滤失量乘以2，即得高温高压滤失量。 在钻油气层时，高温高压滤失量不大于15mL。

控制滤失量的最好方法——用降滤失剂降低滤饼的渗透性。常用降滤失剂：

Na-CMC（羧甲基纤维素钠盐）

SMP（磺化酚醛树脂）

NH4（Na、Ca）HPAN（水解聚丙烯睛胺、钠、钙盐）降滤失剂作用机理：1．护胶作用

一方面能吸附在粘土颗粒表面形成吸附层，以阻止粘土颗粒絮凝变粗；

（四）滤失量的控制

另一方面能把在钻井液循环搅拌作用下所拆散的细颗粒吸附在分子链上，不再粘结成大颗粒，而形成薄而韧的泥饼，称之为降滤失剂的护胶作用。2．增加钻井液中粘土颗粒的水化膜厚度，降低滤失量降滤失剂吸附于钻井液中的粘土颗粒上，使粘土颗粒周围的水化膜增厚，形成的滤饼在压差作用下容易变形，滤饼的渗透率降低。3．提高滤液粘度，降低滤失量滤失量与滤液粘度的二分之一次方成正比。4．降滤失剂分子本身的堵孔作用

第四节钻井液的固相控制一、固相对钻井的影响

1.固相含量升高，钻速降低；

2.固相含量高，形成的滤饼厚，容易引起压差卡钻。

3.固相含量高，对油气层损害严重。

1．大池子沉淀 2．清水稀释

3．替换部分钻井液 4．利用机械设备清除固相 振动筛：清除0.5mm以上固相颗粒。 旋流分离器：除砂器>74μm、除泥器

10

～74μm；超级分离器：

5

~

10μm;

离心机：清除2～5μm以上的颗粒和回收重晶石。二、固相控制方法

功用：清除更细小的颗粒

类型：全絮凝剂—聚丙烯酰胺（PAM）

选择性絮凝剂—只絮凝钻屑和劣质土， 不絮凝膨润土。如水解聚丙烯酰胺（PHP）。

作用机理：吸附→架桥→形成团块。

加量：固相饱和吸附量的二分之一。5.聚合物絮凝剂

一、井塌的原因

（1）地质因素

异常高压的释放，钻遇破碎带、断层、微裂缝发育地层、煤层、高构造应力地层、膏盐层等。（2）工程因素 大排量钻井液冲刷井壁，起下钻引起的压力激，钻井液液柱压力低于井壁坍塌压力，钻井液侵泡时间长等。第五节井塌及防塌措施（3）泥页岩的水化膨胀

泥页岩中的粘土矿物容易吸水膨胀和分散，造成井壁岩石强度降低，引起井壁不稳定。井壁不稳定主要是泥页岩的水化问题。

1．钻井液中加入K+、NH+4等无机阳离子（1）K+的固定作用

K+进入晶层之间并嵌入到相邻两层硅氧四面体氧原子组成的六角环中，把带负电荷的粘土晶片紧紧联结在一起，阻止水化膨胀。二、防塌措施

K+离子的未水化直径（0.266nm）比Na+离子未水化直径（0.19nm）大，而K+离子水化半径比Na+离子