第一章钻井液概论

钻井液工艺学钻井的目的：1、凿开地层，建立地下油气资源的输出通道；2、获取地下岩石和油、气、水等有关信息。钻井必须的流体-----钻井液今天如果没有它们，就不可能钻出深井。现代化的钻井液是油井的命脉----钻井的血液钻井液工艺学钻井液概论黏土矿物和黏土胶体化学基础钻井液的流变性钻井液的滤失和润滑性能钻井液配浆原材料与处理剂水基钻井液钻井液工艺学油基与合成基钻井液气体型钻井流体钻井液固相控制防治井下复杂情况的钻井液技术保护油气层的钻井液技术第一章钻井液概论钻井液的功用、类型和组成钻井液性能及其测试钻井液技术的发展概况第一节钻井液功用、类型和组成1、钻井液定义：指油气钻井过程中以其多种功能满足钻井工作需要的各种循环流体的总称，又称做泥浆。狭义的钻井液：粘土以小颗粒状态分散在水中所形成的溶胶悬浮体。广义的钻井液：凡钻进中一切有助于从井眼中产生和清除钻屑的流体。2、钻井液循环系统：钻井液流经的各种管线和设备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，清除钻屑第一节钻井液功用、类型和组成钻井液循环系统图

携带作用：钻井液循环时，将井底被钻头破碎的岩屑携带到地面，保证钻头在井底始终接触和破碎新地层，不造成重复切削。悬浮作用：在接单根、起下钻或因故停止循环时，钻井液依靠其粘度切力将井内的钻屑悬浮在钻井液中，防止沉砂卡钻等。一、钻井液的功用1．携带和悬浮岩屑2．平衡地层压力和稳定井壁地层压力钻井液压力钻井液井壁一、钻井液的功用（1）选择合适的钻井液密度：使液柱压力能够平衡地层压力，防止井塌。（2）钻井液具有良好的滤失造壁性能：在井壁上形成一层薄而韧的泥饼，以稳固已钻开的地层并阻止液相侵入地层，减弱泥页岩水化膨胀和分散的程度。3．冷却和润滑钻头、钻具热量来源1、通过钻井液不断地循环作用，将这些热量及时带走。1、井底温度高。2、钻头与井底岩石、钻柱与井壁摩擦而产生热量。冷却和润滑机理2、利用钻井液良好的润滑作用，降低摩擦钻井液在钻头喷嘴处以极高的流速冲击井底，对井底岩石产生很大的冲击力，从而起到破岩作用。高压喷射钻井正是利用了这一原理，采用高泵压钻进，使钻井液所形成的高速射流对井底产生强大的冲击力，从而显著地提高了钻速。

4．传递水动力二、钻井液的类型1、钻井液分类（1）按密度分：非加重钻井液和加重钻井液（2）按抑制粘土水化作用的强弱分：非抑制性钻井液、抑制性钻井液（3）按固相含量分：高固相钻井液、低固相钻井液和无固相钻井液（4）按流体介质分水基钻井液、油基钻井液和气体型钻井流体。二、钻井液的类型2、钻井液类型①分散钻井液(DispersedDrillingFluids)②钙处理钻井液（Calcium-treateddrillingfluids)③盐水钻井液（saltwaterdrillingfluid)④饱和盐水钻井液（saturatedsaltwaterdrillingfluids)二、钻井液的类型⑤聚合物钻井液(polymerdrillingfluids)⑥钾基聚合物钻井液（potassium-basedpolymerdrillingfluids)⑦油基钻井液（oil-baseddrillingfluids)⑧合成基钻井液（syntheticdrillingfluids)⑨气体型钻井流体（gas-typeddrillingfluids)⑩保护储层的钻井液（drilling-influids)二、钻井液的类型三、钻井液组成1、水基钻井液（2）膨润土：提粘切、降滤失（3）钻井液处理剂：调整钻井液性能（4）加重材料：提高钻井液密度（1）水（或盐水）2、油基钻井液（1）油：柴油或矿物油（2）水或盐水（3）乳化剂：乳化作用，保证乳状液的稳定（4）润湿剂：使亲水性固相转变为亲油，有利于在油中悬浮（5）亲油胶体：增粘、降滤失（6）石灰和加重材料三、钻井液组成（1）定义：单位体积钻井液的质量。g/cm3t/m3

（2）对钻井的影响a影响井下安全（井喷、井漏、井塌和卡钻等）b与油气层损害有关c影响钻井速度一、钻井液密度第二节钻井液性能及其测试1、钻井液密度的测试

钻井液比重称1-称杆；2-主刀口；3-泥浆杯；4-杯盖；5-校正筒；6-游码；

7-底座；8-主刀垫；9-档壁2、钻井液密度调整（1）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粉末高密度的可溶性盐类表1高密度不溶性矿物或矿石酸溶4.5-5.1TiO2.Fe2O3钛铁矿粉酸溶7.4-7.7PbS方铅矿酸溶4.9-5.3Fe2O3铁矿粉酸溶2.7-2.9CaCO3石灰石4.2-4.6BaSO4重晶石酸溶性密度g/cm3分子式名称1.80(10℃)CaBr22.30(40℃)ZnBr21.40(60℃)CaCl21.20(20℃)NaCl

1.16(20℃)

KCl饱和盐水密度g/cm3水溶性盐表2可溶性盐类加重材料设某钻井液加重前密度为ρ1

，体积为V1，加重后密度为ρ2

，体积为V2，试求密度为ρ的加重剂用量？加重前后体积关系式：加重前后质量关系式：加重材料用量计算若泥浆罐有限制，加重前需排放掉部分钻井液，可根据加重后体积V2(一般为泥浆池的体积)，计算出应保留的原浆体积V1，然后计算加重剂用量

m或体积V。加重材料用量计算关键是先求出应保留的原浆体积V1：

V1=V2(ρB-ρ2)／(ρB-ρ1)再求加重剂用量

m:例：使用重晶石将200m3密度为1.32g/cm3的钻井液加重到密度为1.38g/cm3。（1）如最终体积无限制，求重晶石（密度为4.2g/cm3）的用量（2）如果最终体积200m3，求重晶石的用量解:(1)(2)设应保留的原浆体积V1V1=V2(ρB-ρ2)／(ρB-ρ1)2、降低钻井液密度降低钻井液固相含量（机械+化学絮凝）加水稀释（增加处理剂用量和钻井液费用）混油（影响地质录井和测井解释）充气（需额外设备）二、钻井液流变性钻井液流变性（RheologicalPropertiesofDrillingFluids）是指在外力作用下，钻井液发生流动和变形的特性，其中流动是主要的方面。该特性通常用钻井液的流变曲线和塑性粘度（PlasticViscosity）、动切力（YieldPoint）、静切力（GelStrength）、表观粘度（ApparentViscosity）等流变参数来进行描述的。三、钻井液滤失造壁性滤失、造壁性概念:在压力差作用下，钻井液中的自由水向井壁孔隙或裂缝渗透，钻井液中的固相颗粒附着在井壁上形成泥饼的过程。随着泥饼的不断加厚以及在压差作用下被压实，泥饼对裸眼井壁起到有效稳定和保护作用，这是钻井液的造壁性。四、钻井液的PH值和碱度1、钻井液的pH值钻井液对pH值要求：一般控制在（8-11）范围，即维持在一个较弱的碱性环境。原因：粘土具有适当的分散度，便于控制和调整钻井液性能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pH值对膨润土基浆表观粘度的影响分散钻井液pH值大于10石灰钙处理钻井液pH值11~12石膏钙处理钻井液pH值9.5~10.5聚合物钻井液pH值8左右不同类型的钻井液，所要求的PH值的范围也有所不同用pH试纸或pH计测量pH值1、钻井液的pH值2、钻井液的碱度（a）碱度：指溶液或悬浮体系对酸的中和能力。

用0.02mol/L的标准硫酸中和1ml样品至酸碱指示剂变色时所需要的体积（单位：毫升）。优点:

较方便地确定钻井液滤液中的OH-

、CO32-

、HCO3-含量

可以确定钻井液体系中悬浮石灰的量（储备碱度）（b）碱度的测定①酚酞碱度：用0.02mol/L的标准硫酸中和1ml样品至酚酞指示剂变色时所需要的体积（单位：毫升）。用Pm、Pf

、表示各种碱度。以酚酞为指示剂，用硫酸滴定样品由红色变为无色，体系中以下反应进行完全：

OH-+H+=H2OCO32-+H+=HCO3-②甲基橙碱度：用0.01mol/L的标准硫酸中和1ml样品至甲基橙指示剂变色时所需要的体积（单位：毫升）。用Mm、Mf

表示各种碱度OH-+H+=H2OCO32-+H+=HCO3-加入甲基橙指示剂，用硫酸滴定至样呈橙红色，此时体系发生如下反应：（b）碱度的测定Pf与Mf值与三种离子质量浓度之间的关系条件

[OH-]/mg·l-1[CO32-]/mg·l-1[HCO3-]/mg·l-1Pf=0001220Mf2Pf＜

Mf01220Pf1220（Mf-2Pf

）2Pf＝

Mf0

1220Pf02Pf＞

Mf340（2Pf-Mf

）1220（Mf-Pf

）0Pf=

Mf340

Mf00储备碱度：钻井液中未溶石灰构成的碱度。储备碱度通常用体系中未溶Ca(OH)2的含量来表示，用测得的Pf、Pm计算。储备碱度（kg/m3）=0.742（Pm

-

fwPf

）fw----钻井液中水的体积分数。钙处理钻井液的储备碱度一般为3~6kg/m3。（b）碱度的测定某钻井液固相含量测定实验中测得固含10%，油含5%；又在碱度测定实验中测得钻井液滤液的酚酞碱度为1.1ml、甲基橙碱度为1.3ml，用蒸馏水稀释，使悬浮的石灰全部溶解，又测得钻井液的酚酞碱度为7.0ml。求此钻井液储备碱度。例题解：Pm=7.0；fw=1-10%-5%=85%；Pf=1.1

储备碱度=0.742（Pm-fwPf

）

=0.742（7.0-0.85×1.1）

=4.500（kg/m3）例题钻井液中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。

钻井液滤液的甲基橙碱度（Mf

）/酚酞碱度（Pf）之比表示它们的污染程度。Mf/Pf=3表明CO32-较高，出现CO32-污染；Mf/Pf≥5表明出现严重CO32-污染；一般钻井液、海水钻井液Pf=1.3~1.5ml饱和盐水保持Pf

在1ml以上深井抗高温严格控制CO32-含量，Mf/Pf＜3要求：四、钻井液的PH值和碱度五、钻井液含砂量钻井液含砂量是指钻井液中不能通过200目筛网的砂粒占钻井液同体积的百分数。N=砂粒体积/钻井液体积无用固相：钻屑2、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、离心机(4)化学法：使用絮凝剂1、钻井液固相类型有用固相：配浆粘土、加重材料

六、钻井液固相含量固控: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。3、固相含量与井下安全的关系（1）使钻井液流变性不稳定（2）泥饼质量差（3）钻井液性能难以维护

(4)固相含量高，对油气层损害严重4、固相含量对钻速的影响固相含量越高，钻速越小。固相类型不同，钻速影响不一样。六、钻井液固相含量钻井液中固相含量，体积%钻井液中固相含量，体积%钻井液固相含量极其类型对钻速的影响固相含量与钻井液密度相关，在满足密度要求的情况下，固相含量应尽可能低。六、钻井液膨润土含量及其测试为什么测钻井液膨润土含量？正面作用：提粘切降滤失负面作用：影响钻速2、膨润土含量的测定—亚甲基蓝法

原理：亚甲基蓝是一种阳离子染料，易与钻井液中的膨润土发生离子交换。发生交换的阳离子数目可通过消耗的亚甲基蓝确定。100ml钻井液所能吸附的亚甲基蓝的量。步骤：先用亚甲基蓝法测出钻井液中阳离子交换容量(CEC)m，再通过计算确定膨润土的含量。钻井液中的膨润土含量

fc=

14.3(CEC)m50ml钻井液处理后用0.01mol/l的亚甲基蓝进行滴定，达终点时用去2.4ml标准亚甲基蓝。求钻井液中膨润土含量。解：膨润土含量

fc=14.3(CEC)m=14.3×2.4×2=68.64（g/l）例题：第三节钻井液技术的发展概况•

钻井液技术的发展•

钻井液技术发展趋势钻井的发展：人工掘井、顿钻钻井、旋转钻井、连续管钻井1、1914-1916年清水作为旋转钻井的洗井介质，即开始使用泥浆。2、20世纪20-60年代以分散型水基钻井液为主要类型的阶段：细分散体系和粗分散体系。同时也出现了早期使用的油基泥浆和气体型钻井流体。在这一阶段中，有代表性的技术措施包括以下几种：一、钻井液技术发展①1921-1922年，开始使用重晶石和氧化铁做加重材料。②1926年，开始使用膨润土作为悬浮剂。③1930年，研制出最早的钻井液处理剂---单宁酸钠。④1931-1937年，研制出各种钻井液测量仪器。⑤1944-1945年，Na-CMC作为降滤失剂使用。⑥1965年，FCLS作为降粘剂使用⑦从60年代开始，粗分散钻井液开始广泛使用。一、钻井液技术发展3、70年代以后，以聚合物钻井液为主要类型的阶段。聚合物钻井液可分为以下几种类型：①部分水解聚丙烯酰胺体系②氯化钾聚合物钻井液体系③羟乙基纤维素体系

聚合物对提高钻井速度、维持井壁稳定等方面起着非常重要的作用。聚合物钻井液的出现标志着钻井液工艺技术进入了科学的发展阶段，一、钻井液技术发展⑥聚丙烯与聚乙二醇共聚物体系⑦阳离子聚合物体系此外，在这一阶段，油基钻井液体系也有了进一步发展，深井钻井液技术取得了很大进展。⑤磷酸钾盐水解聚丙烯酰胺体系④磷酸钾盐非离子型聚合物体系一、钻井液技术发展二、钻井液技术的发展预测

随着钻探范围的不断扩大和钻井技术的不断发展，对钻井液技术提出了更高的要求。预计钻井液技术在以下几个方面取得较大进展。

这是国内外广泛关注的一个重要课题，主要攻关目标将集中在化学固