第4章钻井液课件

第4章钻井液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本章重点钻井液的定义与功用钻井液的循环流程钻井液类型钻井液---钻井的血液第一节钻井液的定义和功用钻井液（DrillingFluids）是指钻井时用来清洗井底并把岩屑携带到地面，维持钻井操作正常的流体。工程上把清洗井底、运移岩屑出井的过程称为“洗井”，因此，钻井液也称“洗井液”，包括泥浆、清水、空气和天然气等。钻井液的循环流程：泥浆泵－地面高压管汇－立管－水龙带－水龙头－钻柱（方钻杆－钻杆－钻铤）－钻头－环形空间－地面排出管线－固控设备－泥浆池－泥浆泵。固相颗粒悬浮在水或油中所形成的一种分散体系，最常用钻井液循环流程废水池泥浆池岩屑下滑振动筛加重装置泥浆泵地面高压管汇立管水龙带水龙头方钻杆钻杆环空钻铤井眼钻头振动筛、除气器、除砂器、除泥器、离心机泥浆池环形空间泥浆泵高压管汇立管水龙带水龙头钻柱钻头地面排出管线固控设备环形空间的概念

1井眼2钻铤外壁3钻铤内壁4钻井液6钻头5环形空间钻井液的功用

携带和悬浮岩屑稳定井壁，防止井壁坍塌平衡地层压力，阻止地层流体进入井内冷却和润滑钻头﹑钻具传递水功率泥浆录井，获得地层和油气资料

第一节钻井液的定义和功用1.携带和悬浮岩屑携带岩屑钻井液将井底岩屑冲离井底，使其井入环形空间，携带至地面。悬浮岩屑钻井液停止循环（接单根、起下钻）时，钻井液悬浮岩屑，使岩屑不下沉或下沉缓慢，避免发生下钻下不到底或沉砂卡钻等事故。2.稳定井壁，防止井壁坍塌静液柱压力3.平衡地层压力，阻止地层流体进入井内依靠钻井液液柱所产生的静液柱压力，阻止地层中的油、气、水进入井内，防止井涌、井喷事故的发生。泥饼钻井液液柱压力平衡岩石侧压力，保持井壁稳定，防止井壁坍塌；形成泥饼，阻止钻井液渗入井壁内部，防止地层水化膨胀，有助于防止地层坍塌。静液柱压力4.冷却和润滑钻头﹑钻具5.传递水功率将地面水功率传递到钻头，依靠高压水射流的冲蚀作用，辅助钻头破岩。为井下动力钻具（涡轮、螺杆）提供动力。6.泥浆录井，获得地层油气资料通过携带出的岩屑了解地层岩性。通过钻井液中的油花、气泡、性能变化了解地层。钻头与井底岩石、钻柱与井壁之间都会因摩擦而发热。润滑作用，降低摩擦系数。第二节钻井液的组成与分类一、钻井液的组成（1）液相：液相是钻井液的连续相，可以是水或油；（2）活性固相：包括人为加入的商业膨润土（搬土）、地层进入的造浆粘土和有机彭润土（油基钻井液用）。（3）惰性固相：钻屑和加重材料。（4）各种钻井液的添加剂：增粘、稀释、降失水、PH值、防塌等。实质：调节活性固相在钻井液中的分散状态，从而调整钻井液性能。常见的粘土矿物高岭土（Kaolinite）蒙脱石(Montmorillonite)伊利石(illite)二、钻井液的分类

分三类：水基体系；

油基体系；

空气-天然气体系。

用的最多(1)水基钻井液体系：固相颗粒悬浮在水中或盐水中，油可以乳化到水中，此时，水是连续相。膨润土+水+化学处理剂+加重材料＋钻屑淡水、盐水、钙处理钻井液、聚合物钻井液等水基钻井液＋钙盐（石灰、石膏、Cacl2）抑制粘土、页岩的水化分散，控制页岩坍塌和井径扩大

(2)油基钻井液体系：固相颗粒悬浮在油中，水或盐水乳化在油中，即油是连续相。

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，或特殊复杂层段。

(3)空气-天然气体系——欠平衡压力钻井空气或天然气泡沫：由气体（氮气或co2）、液体和表面活性剂配制充气钻井液体系（以液为主，在钻井液中掺入气体）特点：提高钻速，有效保护油气层。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。

第三节钻井液的性能密度、切力、粘度、失水、含砂、PH值等。一、钻井液密度钻井液的密度就是单位体积钻井液的质量。

合适的钻井液密度用于平衡地层压力，防止地层流体侵入井内造成井涌或井喷；同时，钻井液液柱压力平衡岩石侧压力，保持井壁稳定，防止井壁坍塌；钻井液密度过高，容易压漏地层；另外，还影响机械钻速。调整方法：对密度的要求调节井内钻井液的静液柱压力平衡地层压力及地层构造应力避免发生井喷、井塌、井漏等事故提高密度加重重晶石石灰石可溶性无机盐降低密度降低固相含量加水稀释混油充气一、钻井液密度在外力作用下，钻井液流动和变形的特性。流变性参数包括：静切力、动切力、表观粘度、塑性粘度、流性指数、稠度系数等。二、钻井液的流变性钻井液的流变性对钻井的影响：

携带岩屑，保证井底清洁悬浮岩屑和加重材料提高机械钻速(降低循环压耗)

保证井眼规则和井下安全希望钻井液静止时变稠、流动时变稀的特性：剪切稀释特性。二、钻井液的流变性流速梯度（剪切速率）：钻井液在钻柱和环形空间内流动时，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，单位面积上的内摩擦力称为剪切应力。

根据液体流动时剪切应力和流速梯度的关系，将液体流动分为四种流型：牛顿流型(满足牛顿内摩擦定律)：塑性流型：宾汉流体假塑性流型（n<1）:幂律膨胀流型（n>1）:钻井液大多数为塑性流体，某些为假塑性流体。稠度系数k、流性指数nupv为塑性粘度动切力静切力塑性流型的特点:

（1）所加切应力达到某一最低值之后才开始流动，这个最低切应力称为静切应力，又称凝胶强度。它代表了钻井液静止时单位面积上所形成连续空间网架结构的强度。

静切应力越大，悬浮岩屑能力强，但流动阻力大，开泵困难。

（2）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线交于。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。动切力静切力（3）塑性粘度：塑性流体流变曲线段斜率的倒数。粘度太大：降低钻速，易泥包钻头；粘度太小：携岩能力差，井底沉砂多，会导致井下发生复杂情况。动切力静切力三、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后测得3r/min下的表盘读数,该读数乘以0.511即得终切力（Pa）。

2、粘度、动切力、流性指数及粘度系数

用六速旋转粘度计测得600r/min和300r/min表盘读数，可计算下列流变参数：

表观粘度：塑性粘度：

动切力（屈服值）：流性指数：稠度系数：四、钻井液的造壁性能（1）滤失和造壁过程钻井液中的液体在压差作用下向地层中渗透的过程称为钻井液的滤失。在钻井液产生滤失的同时，钻井液中的固相颗粒附着在井壁上形成滤饼（泥饼）。一般，滤饼的渗透率比地层的渗透率小几个数量级，所以形成的滤饼阻止滤液向地层渗透，同时又有保护井壁的作用。滤饼在井壁上的形成过程称为造壁过程。（2）几种不同的滤失情况

瞬时滤失、动滤失、静滤失瞬时滤失在钻头破碎岩石形成新井眼而滤饼尚未形成的一段时间内，钻井液迅速向地层内渗滤，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。四、钻井液的造壁性能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，滤饼的厚度不变，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。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。

四、钻井液的造壁性能静液柱压力泥饼静滤失动滤失钻井液滤失与钻井的关系：

钻井要求钻井液具有低失水量和薄而致密的泥饼，在失水量和泥饼质量这两个因素中，泥饼质量是主要的。失水量高且泥饼厚而松散对钻井不利：损害油气层；井壁垮塌；井径不规则；起下钻遇阻；高渗透性地层形成较厚泥饼，造成压差卡钻等。

应根据地层特点，适当控制滤失量。

由于井内压力与地层压力不一致，造成一部分钻井液滤液侵入地层，驱替一部分地层流体(油、气、地层水)，即侵入；侵入使井壁周围的地层产生的冲洗带、侵入过渡带和原状地层三个区带。泥浆侵入的影响五、钻井液的酸碱度：PH值>7,呈弱碱性由于钻井液中使用的化学处理剂在碱性条件下才能溶解，而酸性环境对钻井设备上的橡胶部件有严重的腐蚀作用，所以，绝大多数钻井液体系的PH值都控制在7以上。六、钻井液的含砂量：指钻井液中最大尺寸