钻井液的性能及测量

1011第四章 钻井液的性能及测量钻井液性能是在衡量钻井液质量的指标，只有具备合理性能的钻井液才能满足钻井工程的要求，才能实现安全、快速、优质钻井。依据API推举的钻井液性能测试标准，需检测的钻井液常规性能包括密度、漏斗粘度、塑性粘度、动切力、静切力、API滤失量、HTHP滤失量、pH值、碱度、含砂量、固相含量、膨润土含量和滤液中各种离子的质量浓度等。第一节 钻井液流变参数的测量与计算钻井液的流变参数与钻井工程有着亲热的关系，是钻井液重要性能之一。因此，在钻井过程中必需对其流变性进展测量和调整，以满足钻井的需要。钻井液的流变参数主要包括塑性粘度、漏斗粘度、表观粘度、动切力和静切力、流性指数、稠度系数等。—、旋转粘度计的构造及工作原理图４－１旋转粘度计测量装示意图旋转粘度计是目前现场中广泛使用的测量钻井液流变性的仪器。它由电动机、恒速装置、图４－１旋转粘度计测量装示意图置和变速装置合称旋转局部。在旋转部件上固定一个能旋转的外筒。测量装置由测量弹簧、刻度盘和内筒组成。内筒通过扭簧固定在机体上、扭簧上附有刻度盘，如图41所示。通常将外筒称为转子，内筒称为悬锤。测定时，内筒和外筒同时浸没在钻井液中，它们是同心圆筒，环隙1mm左右。当外筒以某一恒速旋转时，它就带动环隙里的钻井液旋转。由于钻井液的粘滞性，使与扭簧连接在一起的内筒转动一个角度。依据牛顿内摩擦定律，转动角度的大小与钻井液的粘度成正比，于是，钻井液粘度的测量就转变为内筒转角的测量。转角的大小可从刻度盘上直接读出，所以这种粘度计又称为直读式旋转粘度计。转子和悬锤的特定几何构造打算了旋转粘度计转子的剪切速率与其转速之间的关系。依据范氏仪器公司设计的转子、悬锤组合(两者的间隙为117mm)速与剪切速率的关系为：1 r/min＝1.703s-1 〔4－1〕旋转粘度计的刻度盘读数(为圆周上的度数，不考虑单位)与剪切应力(单位为Pa)正比。当设计的扭簧系数为3.87³10

5时，两者之间的关系可表示为：＝0.511 (４-2)旋转粘度计有两速型和多速型两种。两速型旋转粘度计用600rmin和300rmin这两种固定的转速测量钻井液的剪切应力，它们分别相当于1022s-1和511s1的剪切速率(由式计算而得)。但是，仅在以上两个剪切速率下测量剪切应力具有肯定的局限性，由于所测得的参数不能反映钻井液在环形空间剪切速率范围内的流变性能。因此，目前国内外已普遍使用多速型旋转粘度计。六速粘度计是目前最常用的多速型粘度计，该粘度计的六种转速和与之相对应的剪切速率见表4-1转速〔r/min〕剪切速率s-16001022300511200340.7转速〔r/min〕剪切速率s-16001022300511200340.7100170.3610.2235.11为了连续测量各种剪切速率下的剪切应力，NLBaroib公司又研制出从1r/min至600r/min可连续变速的286型粘度计。对于抗高温深井钻井液，常用高温高压流变仪等测定高温高压条件下的流变性能。二、流变参数的测量与计算〕表观粘度的测量与计算依据表观粘度的定义，某一剪切速率下的表现粘度可用下式表示：＝/ ＝(0.511 /1.703N)³(1000)＝(300)/N (4－3)a N N式中Nrmin－表示转速为N时的刻度盘读数；NmPa²s。a利用式(４-3)，可将任意剪切速率(或转子的转速)下测得的刻度盘读数换算成表观粘度，常用的六种转速的换算系数见表４-2表４-2 刻度读数与表观粘度的换算系数转速/r²min160030020010063换算系数0.51.01.53.050.0100.0例如，在300r/min时测得刻度盘读数为36，则该剪切速率下的表观粘度等与36³1.0＝36〔mPa²s〕6r/min时测得刻度盘读数为4.5，则该剪切速率下的表现粘度等于4.5³50.0＝225〔mPa²s〕在评价钻井液的性能时，为了便于比较，假设没有特别注明某一剪切速率，一般是指测600r/min时的表观粘度，即e＝(1/2)600 (4 －4)使用旋转粘度计测定表观粘度和其它流变参数步骤如下：将预先配好的钻井液进展充分搅拌，然后倒入量杯中，使液面与粘度计外筒的刻度线相齐。将粘度计转速设置在600r/min，待刻度盘稳定后读取数据。再将粘度计转速分别设置在3002001006和3rmin，待刻度盘稳定后读取数据。计算各流变参数。必要时，通过将刻度盘读数换算成、将转速换算成，绘制出钻井液的流变曲线。〕塑性流体流变参数的测量与计算由测得的600r/min和300r/min的刻度盘读数，可以利用以下公式求得塑性粘度和动切力：＝p

—300

(4－5)＝0.511(0

—) (4 －6)p式中p

的单位为mPa²s0

的单位为Pa。其推导过程如下：如前所述，塑性粘度是塑性流体流变曲线中直线段的斜率，600r/min和300r/min所对应的剪切应力应当在直线段上。因此＝(p

—

)／(

— )300＝[0.511(

600

)／(1022－511)]³1000＝600

—300依据宾汉模式，0

＝－p

因此0

—600

600＝0.511

—[0.511(

600

—

)／(1022－511)]³1000＝0.511(2

300

)600＝0.511(

—)300 p此外，塑性流体的静切力用以下方法测得：将经充分搅拌的钻井液静置1min(或10s)3rmin的剪切速率下读取刻度盘的最大偏转值；再重搅拌钻井液，静置10min后重复上述步骤并读取最大偏转值。最终进展以下计算；初切(初

)＝0.511〔1min或10s〕 (４－7)3终切( )＝0.511(10min) ( ４－8)终 3式中， 和 的单位均为Pa。初 终〕假塑性流体流变参数的测量与计算同样地，由测得的600r/min和300r/min的刻度盘读数，可分别两式求得幂律模式的两个流变参数，即流性指数(n)和稠度系数(K)n＝3.3221g(

/

) (４－9)K＝(O.511n为无因次量；K的单位为Pa²sn。以上两式的推导过程如下：将幂律模式等号两边同时取对数，得到lg＝lgK＋nlg

)/511n

(４－10)以lg为纵坐标，以lg为横坐标，得始终线方程，在该直线上任意取两点，解联立方程：lg1＝lgK＋nlg1lg＝lgK＋nlg2 2可得n＝(lg2

—lg1

)／(lg2

—lg1

)＝1g(／2

)／lg(2

／)1式中，2

2

是对应于两种不同转速时的粘度计刻度盘读数和剪切速率。假设将600r/min300r/min的有关数据代入上式，可得：n＝lg(

/

)／lg(1022／511)＝3.322lg(

600

/ )300由幂律公式＝Kn

，假设取N＝300r/min，则

＝1.703³300＝511(s

1)；又由

＝3000.511

假设K的单位取mPa²snK＝/n＝(0.511

300

)／511n例4-1 使用旋转粘度计，测得某种钻井液的粘度、塑性粘度、动切力、流性指数和稠度系数。

＝36，

＝26，试求该钻井液的表观解：将测得的刻度盘读数分别代入有关公式，可求得：e

＝0.5³36＝18(mPa²s)p

＝36－26＝10(mPa²s)＝0.511(0

—)＝0.511³(26－10)＝8.18(Pa)pn＝3.3221g(

/600

)＝3.322lg(36/26)＝0.47K＝(O.511

)/511

n＝(0.511³26)／5110.47＝0.71(Pa²sn)需要指出，以上使用

和300

计算的n、K值，其对应的剪切速率与钻井液在钻杆内的流淌状况大致相当，可称为中等剪切速率条件下的n、K值。然而，人们更关心的是环形空间的n、K值，由于它们直接影响钻井液悬浮和携带钻屑的力量，并且是计算环空压降和判别流型的重要参数。较低剪切速率下的n、K值同样可以依据六速粘度计测得的数据进展计算，第二、三组的钻速分别为200100rmin和6、3rminn＝3.322lg(

／

) (４－11)K＝(0.511

)／170n (４－12)n＝3.3221g(6

／) (４－13)3K＝(0.5ll

)／5.11n (４－14)3例4-2用旋转粘度计测得某钻井液在6003002001006和3rmin的刻度盘读数分别为362822175.5和4.5，试分成三组计算钻井液的流性指数和稠度系数。解；第一组转速为600、300r／min，在例4-1中已求得n1＝0.47，K1＝0.71Pa²sn。其次、三组的钻速分别为200100r/min和6、3rmin，分别代入〔3-18〕～(3-21)可求出对应的n、K值。n2＝3.3221g(200／100)＝3.322³lg(22／17)＝0.37K2＝(0.511100)／170n＝(0.511³17)／170n＝1.30(Pa²sn)n3＝3.3221g(6／3)＝3.322³lg(5.5／4.5)＝0.29K3＝(0.5ll3)／5.11n＝(0.511³4.5)／5.110.29＝1.43(Pa²sn)从以上计算结果可知，随着剪切速率减小，钻井液的n值趋于减小，K值趋于增大。为了更准确地测定钻井液在环空的n、K值，可首先用286型无级变速流变仪，在1～1022s1剪切速率范围内测出10个以上的点，然后果用计算的方法确定环空的n、K值。例如，先取剪切速率为80～120s1两点，或通过计算确定其n、K值。再用下式求出钻井液在环空的剪切速率： ＝[(2n＋1)／3n][12/(D－D)] (４－15)环 2 1式中 －环空的剪切速率，s-1；环cm/sD－钻杆外径，cm2Dcm1假设求出的 正好在所取的80~120s-1环

剪切速率范围内，则说明所确定的n、K值是比较淮确的。假设 未落在此范围内，则另取一段按同样程序试算，直至 落入所取的剪切速率范环 环围时为止。〕卡森流变参数的测量与计算卡森流变参数和 同样使用旋转粘度计测得，测量时的转速一船选用600r/min和100c ∞r/min(分别相当于剪切速率1022s-1和170s1)。经推导，其计算式如下：c

100

)1/2－

1/2] ( ４－16) 1/2＝1.195(∞

600

100

1/2) ( ４－17)式中 c

的单位为Pa∞

的单位为mPa²s。例4-3 密度为1.228g/cm3的分散钻井液，用旋转粘度计测得其

＝76，

＝25.5，试汁算该钻井液的卡森模式参数c

和 。∞解：将条件代入式(3-24)和(3-25)，可分别求得；1/2＝0.493[(6c＝3.24(Pa)c

)1/2－

1/2]＝0.439³[(6³25.5)1/2－761/2]＝1.800(Pa)1/2 1/2＝1.195(∞

1/2)＝1.195(761/2－25.51/2)＝4.383(mPa•s)1/2 ＝19.21mPa²s∞阅历说明，在使用低固相聚合物钻井液时，为了满足快速、安全钻井的要求，将卡森流变参数保持在以下范围内是必要的，并且也是可能的，即c

＝0.6～3.0Pa；∞

＝2.0～6.0mPa²s；环

＝20～30mPa²s；Im

＝300～600〕赫谢尔-巴尔克莱流变参数测定通常由旋转粘度计3r/min时测得的刻度盘读数

，可以近似地确定3

值。再加上600r/min和300r/min的读数(

和

)，便可由以下三式分别求得y

、nK：＝0.511y 3

(４－18)n＝3.322lg[(

600

—)／(3

—)] (４－19)3K＝0.511(

－)／511n (４－20)3式中 y的单位为Pa，n无因次量，K的单位为Pa²sn漏斗粘度是指肯定体积的钻井液通过规定尺寸小孔所用的时间，其单位为s。它是用定量钻井液从漏斗中流出的时间来表示钻井液粘度。在钻井过程中，钻井液的漏斗粘度是需要常常测定的重要参数。由于测量方法简洁，使用便利，经济耐用，可直观反映钻井液粘度的大小，因此，至今几乎每个井队仍配备有漏斗粘度计。漏斗粘度使用一种特制的漏斗粘度计测量，常用的漏斗粘度计有范氏漏斗粘度计的马氏漏斗粘度计等。1〕范氏漏斗粘度计范氏漏斗粘度计来由漏斗、筛网、钻井液杯和出口管组成，筛网孔为１６目〔〕，其外观扩规格如图4-2所示。图４－2 漏斗粘度计 测定步骤如下：〔〕检查并校验。测量钻井液前首先应检查漏斗、出口管以及钻井液杯是否完好，出口内有无堵塞。漏斗粘度计的准确度常用纯水进展校正。在常温下，纯水的漏斗粘度为15s±0.2s(２)用钻井液量杯的上端(500ml)与下端(200ml)准确量取700ml钻井液。将左手食指堵住漏斗口，使钻井液通过筛网后流入漏斗中。(３)将钻井液量杯500mL的一端置于漏斗口的下方；在松开左手食指的同时右手按动秒表。留意在钻井液流出过程中，始终使漏斗保持直立。(４)待钻井液量杯500ml的一端流满时，按动秒表记录所需时间。所记录的时间〔s〕即为漏斗粘度。〔〕将仪器清洗干净。管口堵塞时不能用硬物去通，可用嘴吹、水冲或用软木条处理。2〕马氏漏斗粘度计马氏漏斗粘度是指946ml(一夸脱等于946ml)钻井液从漏斗流出时间。马氏漏斗粘度计由有漏斗、12目〔1.6mm〕筛网、946ml标准量筒和2023ml钻井液杯组成。钻井液杯筛网底以下容量为1500ml。其标准度为当向漏斗注入1500ml标准蒸馏水时，流出946ml标准蒸馏水的时间为260.5s，以此作为校验漏斗粘度计的标准。测量步骤：〔1〕检查并校验。〔2〕用手指堵住漏斗下部的流出口，将取的钻井液经筛网注入直立的漏斗中，直到钻井液液面到达筛网底部为止。〔〕移开手指并同时启动秒表，测量钻井液流至量杯中的946ml刻度线所需要的时间。〔4〕测量并记录钻井液温度，以℃表示。〔5〕以秒为单位记录马氏漏斗粘度。需要留意，在钻井液从漏斗口流出的过程中，随着漏斗中液面渐渐降低，流速不断减小，因此不能在某一固定的剪切速率下进展粘度测定。正是由于这一缘由，使漏斗粘度不能像从旋转粘度计测得的数据那样作数学处理，也无法与其它流变参数进展换算。漏斗粘度只能用来判别在钻井作业期间各个阶段粘度变化的趋向，它不能说明钻井液粘度变化的缘由，也不能作为对钻井液进展处理的依据。即使如此，漏斗粘度至今仍旧与其它流变参数结合在一起，共同表征钻井液的流变性。其次节 钻井液的滤失造壁性测量—、滤失性能的评价方法滤失性能包括滤失量和滤饼质量。静滤失量评价，国内外通常承受API滤失量测试装置，包括低温低压和高温高压滤失仪两种；动滤失量目前尚未建立评价标准，所用的仪器有动滤失仪以及各自研制的动滤失装置。二、API气压滤失仪API滤失量测定仪是用于测定钻井液在常温及0.698MPa(７kg/cm2)压力下，30分钟时间内通过直径为75mm的滤失面积的标准滤失量〔HAPI滤失量〕的一种仪器。此仪器装在仪器箱中主要由气源总体部件、安装板、减压阀、压力表、放空阀、钻井液杯和量筒等组成，其构造如图43所示。为了获得可比性结果，有时需要使用直径为90mm的符合标准的滤纸。图4－3 API气压滤失仪构造示意图1－气源总体部件；234－压力表；56－钻井液杯；78API气压失水仪的使用方法〔〕从箱中取出仪器，把气源总成悬挂在仪器箱的箱沿上，然后关闭减压阀和放空阀。〔〕接好气瓶管线，并使其与气源总成连接，顺时针旋转减压阀手柄，使压力表指示的压力低于0.698MPa〔～kg/cm2〕〔〕将钻井液杯口向上放置，用食指堵住钻井液杯上的小气孔，并倒入钻井液，使液面与杯内环形刻度线相平，然后将“O”橡胶垫圈放在钻井液杯内台阶处，铺平滤纸，顺时针方向拧紧底盖卡牢。然后再将钻井液杯倒转，使气孔向上，滤液引流嘴向下，逆时针方向转动钻井液杯90°装入三通接头，并且卡好挂架及量筒。〔〕快速将放空阀退回三圈，微调减压阀手柄，使压力表指示为0.698MPa，并同时按动秒表记录时间。〔〕在测量过程中应将压力保持为0.698MPa。〔〕30min后测试完毕，切断压力源。如用气弹，则可将减压阀关闭，由放气阀将杯14中的压力放掉，再按任意方向转动 圈，取下钻井液杯14〔〕测量高温高压滤失量测定仪结果处理测量30min，量筒中所接收的滤液体积就是所测标准滤失量。有时为了缩短测量时间，一般测量7.5min,其滤失体积乘以２即是所测滤失量，以“Bml滤失量测量完毕后，应留神卸开泥浆杯，倒掉钻井液并取下滤纸，尽可能削减对滤纸的损坏；用缓慢水流冲洗滤纸上的泥饼，然后用钢板尺测量并记录滤失量测量完毕后，应留神卸开钻井液杯，倒掉钻井液并取下滤纸，尽可能削减对滤纸的损坏；用缓慢水流冲洗滤纸上的滤饼，然后测量并记录滤饼厚度。测量30min，所得滤饼厚度即是钻井液滤饼厚度；假设测7.5min,则所得滤饼乘以２即是所测钻井液滤饼厚度。同时对滤饼的外观进展描述，如硬、软、韧、致密等。三、高温高压滤失量测定仪对于深井钻井液,必需测量高温高压条件下的滤失量〔HTHP滤失量〕。测量钻井液高温高压滤失量常用高温高压滤失量测定仪。API给出了测量高温高压条件下API滤失量的标准，测量仪器为高温高压滤失仪，测量压差为3.5MPa，测量时间为30min，由于渗滤面积只有低温低压滤失仪的一半，因此，依据API标准，应将30min的滤失量乘以2才是HTHP滤失量，其单位为ml。当温度低于204℃时，使用一种特制的滤纸，当温度高于204用一种金属过滤介质或相当的穿孔过滤介质盘。目前国内常用青岛生产的GGSGGS42-2型高温高压滤失仪。例4-4 使用高温高压滤失仪测得1.0min的滤失量6.5ml，7.5min的滤失量为14.2ml。试确定这种钻井液在高温高压条件下的瞬时滤失量和HTHP滤失量?解：使用该仪器时的瞬时滤失量可由两点式直线方程求得，即V＝6.5－(14.2－6.5)/(7.50.5－1.00.5)10.5＝2.07(m1)sp由于V不行无视，30min的滤失量可以由下式求得：spV＝2(V－V)＋V30 7.5 sp sp＝2(14.2－2.07)＋2.07＝26.33(m1)考虑面积因素之后，可以确定在高温高压条件下测得该钻井液的瞬时滤失量为4.14m1，HTHP滤失量为52.66m1。四、动滤失量测定仪目前使用较多的动态滤失仪有170-50型动态滤失仪和范-90动态滤失装置。前者是利用转动的叶片来使钻井液流淌，渗滤介质为滤片。后者则使用泵使钻井液循环流淌，过滤介质为陶瓷滤芯，可用于测量模拟钻井条件下，当滤饼被冲蚀速度与沉积速度相等时的动态滤失量。国内研制了不同型号的动滤失量测定仪，全部动滤失装置同时都具有模拟高温高压的功能。第三节 钻井液的pH值和碱度—、钻井液的pH钻井液的pH值表示钻井液的酸碱性。通常用pH试纸测量，要求的精度较高时，可使用pH计测量。pH值对钻井液性能的影响由于酸碱性的强弱直接与钻井液中粘土颗粒的分散程度有关，因此pH值在很大程度上会影响钻井液的粘度、切力和其他性能参数。图4-4表示经预水化的膨润土基浆(其中膨润土含量为57.1kg/m3)的表现粘度随pH值的变化。444pH值对膨润土表观粘度的影响由图可知，当pH值大于9时，表现粘度随pH值上升而剧增。缘由是当pH值上升时，会有更多OH被吸附在粘土晶层的外表，进一步增加外表所带的负电性，从而在剪切作用下使粘土更简洁水化分散。在实际应用中，大多数钻井液的pH值要求掌握在8～11之间，即维持一个较弱的碱性环境。这主要是由于有以下几方面的缘由：①可减轻对钻具的腐蚀，②可预防因氢脆而引起的钻具和套管的损坏，③可抑制钻井液中钙、镁离子的溶解；④有相当多的处理剂需在碱性介质中才能充分发挥其效能．如单宁类、褐煤类和木质素磺酸盐类处理剂等。对不同类型的钻井液，所要求的pH范围也有所不同。一般要求分散钻井液的pH值在10以上，含有石灰的钙处理钻井液的pH值多掌握在11～12，含石膏的钙处理钻井液的pH值多掌握在9.5～10.5，而在很多状况下，聚合物钻井液的pH值只要求掌握在7.5～8.5pH值的调整提高pH值的方法是参加烧碱〔NaOH〕、纯碱〔NaCO〕、熟石灰〔Ca(OH)〕2 3 2物质。常温下，10%NaOH水溶液，pH＝12.910%NaCO水溶液，pH＝11.1Ca(OH)2 3 2水溶液,pH＝12.1；假设是石膏侵、盐水侵造成的pH值降低，可参加高碱比的煤碱液、单宁碱液等进展处理，其优点是既能提高pH值，又能降低粘切和滤失量，使钻井液性能变好。降低pH值，现场中一般不加无机酸，而是加弱酸性的单宁粉或栲胶粉。二、钻井液的碱度由于使钻井液维持碱性的无机离子除OH外，还可能有HCO3,CO32等离子,而pH值并不能完全反映钻井液中这些离子的种类和质量浓度。因此在实际应用中，除使用pH值外，还常使用碱度来表示钻井液的酸碱性。引入碱度参数主要有两点好处：一是由碱度测定值可以较便利地测定钻井液滤液中OH、HCO3和CO32等三种离子的含量，从而可以推断钻井液碱性的来源。二是可以确定钻井液体系中悬浮石灰的量〔即储藏碱度。API测定标准碱度是指溶液或悬浮体对酸的中和力量，为了建立统一的标准，API选用酚酞和甲基橙两种指示剂来评价钻井液及其滤液碱性的强弱。酚酞的变色点为pH＝8.3。在进展滴定的过pH值降至该值时，酚酞即由红色变为无色。因此，能够使pH值降至8.3所需的酸量被称作酚酞碱度。钻井液及其滤液的酚酞碱度分别用符号P和P表示。甲基橙的变色点为m fpH＝4.3pH值降至该值时，甲基橙由黄色变为橙红色。能使pH值降至4.3所需的酸量，则被称作甲基橙碱度。钻井液及其滤液的甲基橙碱度分别用符号M和M表示。m f按API推举的试验方法，要求对P、P和M分别进展测定。并规定以上三种碱度的值，m f f均以滴定1ml样品〔钻井液或滤液〕所需的0.02N〔0.01M〕HSO的毫升数来表示，毫升单位2 4通常可以省略。由测出的P和M可计算出钻井液滤液中OH、HCOCO2的浓度。其依据在于，当pHf f 3 3＝8.3时，以下反响已根本进展完全：OH-+H+＝HO2CO2-+H+＝HCO-3 3而存在于溶液巾的HCO-3

不参与反响，当连续用HSO溶液滴定至pH＝4.3HCO与H+的2 4 3反响也已经根本进展完全。即HCO

-+H+ CO+HO3 2 2假设测得的结果为M＝P，表示滤液的碱性完全由OH所引起；假设测得的P＝0,表示碱性完f f f全由HCO引起；如M＝2P，则表示滤液中只含有CO2。明显，以上状况是比较特别的。在3 f f 2—般状况下，钻井液滤液中这三种离子的质量浓度可按表4-3中的有关公式进展计算。但需留意，有时钻井液滤液中存在着某些易与H起反响的其他无机离子(如SiO2、PO3等)和有3 4机处理剂，这样会使M和P的测定结果产生肯定误差。f fP＝0P＝0f001220Mf2P<Mf01220P1220(Mff—2P)f f2P＝Mf01220P0ff2P>Mf340(2Pf—M)f f1220(M—P)f f0P＝Mf340M00ff

-、CO2-、HCO-质量浓度估量值3 3条件[HO-]/mg²l-1[CO2-]/mg²l-1[HCO-]/mg²l-133测定碱度的另一目的是依据测得的P和P值确定钻井液中悬浮固相的储藏碱度。所谓储f m备碱度，主要是指未溶石灰构成的碱度。当pH值降低时，石灰会不断溶解，这样一方面可为钙处理钻井液不断地供给Ca2，另一方面有利于使钻井酸的pH值保持稳定。钻井液的储藏碱度通常用体系中未溶Ca(OH)的含量表示，其计算式为2储藏碱度(kg/m式中 f－钻井液中水的体积分数。ww

3)＝0.742(P－fP) (4-21)m w f例4-5 对某种钙处理钻井液的碱度测定结果为：用0.02N(0.01M)H SO，滴定1.0ml钻2 4井液滤液，需1.0m1HSO到达酚酞终点，1.1m1HSO到达甲基橙终点。再取钻井液样品，用2 4 2 4蒸馏水稀释至50m1，使悬浮的石灰全部溶解。然后用0.02N(0.01M)HSO进展滴定，到达2 4酚酞终点所消耗的HSO为7.0ml。钻井液的总固相含量为100，试计算2 4钻井液中悬浮Ca(OH)的量。2解：悬浮Ca(OH)的量即钻井液的储藏碱度。依据碱度测定结果可知，P＝1.0M＝1.12 f fP＝7.0f＝10.10＝0.90。由式(11)可求得：m w悬浮Ca(OH)的量＝0.742[7.0(0.90)³(1.0)]＝4.526(kg/m3)2依据现场阅历，钙处理钻井液中悬浮石灰的量一般保持在3～6kg/m3范围内较为适宜，可见该钻井液中所保持的量符合要求。由于该例中测得的P和M值格外接近，说明滤液中f fHCO-和CO2-几乎不存在．滤液的碱性主要是由于OH-的存在而引起的。3 3２．与钻井液应用的关系在钻井液中HCO-和CO2-均为有害离子，它们会破坏钻井液的流变性和降滤失性能，因此3 3应尽量子以去除。用M和P的比值可相对表示它们的污染程度。当M/P＝3时，说明CO2-f f f f 3浓度较高，即已消灭CO2污染；如果M/P5，则为严峻的CO2污染。根据其污染程度，可3 f f 3实行相应的处理措施。pH值与这两种离子的关系是：当pH11.3时，HCO几乎不存在；当3pH8.3时，则只存在HCO。因此，在pH＝8.3～11.3时，这两种离子可以共存。3在实际应用中，也可用碱度代替pH值，表示钻井液的酸碱性。具体要求是：①一般钻井液的P最好保持在1.3～1.5m1；②饱和盐水钻井液的P保持在1m1以上即可，而海水钻井f f液的P应掌握在1.3～1.5m1；深井抗高温钻井液应严格掌握CO2的含量，一般应将M/P的f 3 f f值掌握在3以内。第四节 钻井液密度和含砂量—、钻井液密度钻井液的密度是指单位体积钻井液的质量ρg/cm3kg/m3。钻井液密度是确保安全、快速钻井和保护油气层的一个格外重要的参数。通过钻井液密度的变化，可调整钻井液在井筒内的静液柱压力，以平衡地层孔隙压力。有时亦用于平衡地层构造应力，以避开井塌的发生。假设密度过高，将引起钻井液过度增稠、易漏失、钻速下降、对油气层损害加剧和钻井液本钱增加等一系列问题；而密度过低则简洁发生井涌甚至井喷，还会造成井塌、井径缩小和携屑力量下降。因此，在一口井的钻井工程设计中，必需准确、合理地确定不同井段钻井液的密度范围，并在钻进过程中随时进展测量和调整。１．钻井液密度测量钻井液密度是用一种特地设计的钻井液密度计测得的，如图45所示。钻井液密度计由秤杆、主刀口中、钻井液杯、杯盖、游码、校正筒、水平泡和带有主刀垫的支架组成。钻井ml。钻井液密度计的测量范围为０.９５～g/cm。秤杆上的刻g/cm，秤杆上带有水平泡，测量时用来调整水平。图4－5 钻井液密度计12－主刀口；3－钻井液杯；4－杯盖；5－校正筒；6789〕密度计的使用方法〔〕放好密度的支架，使之尽可能保持平衡。〔〕将待测钻井液注满清洁的钻井液杯。〔〕盖好钻井液杯盖，并缓慢拧动压紧，使多余的钻井液从杯盖的小孔中渐渐流出。〔〕用大拇指压住杯盖孔，清洗杯盖及秤杆上的钻井液并用棉纱擦净。〔〕将密度计的主刀口置于主刀垫上，移动游码，使秤杆呈水平状态〔即水平泡在两线中心〕〔〕读数并记录。在游码的左边边缘读出所示刻度，就是待测钻井液的密度。〔〕清洗干净。〕密度计的校正测定前要先用清水标定。其方法是：在钻井液杯中注满清水〔理论上是４℃时的纯水，一般可用２０℃以下的清洁淡水〕，盖上盖擦干，置于刀架上。当游码内侧对准密度１.００g/cm3的刻度线时，秤杆呈水平状态，说明密度计是准确的，否则旋开校正筒上盖，增减其中铅粒，直至水平泡处于两线中心，称出淡水密度为１.00g/cm3时为止。〕使用留意事项〔〕保持密度计清洁干净，以保证测量结果的准确性。〔〕要常常用规定的清水进展校正。〔〕使用后，密度计的刀口不能放在支架上，要保护好刀口中，不得使其腐蚀磨损，以免影响测量数据的准确性。〔〕留意保护好水平泡，不能碰撞，以免损坏。２．钻井液密度调整〔〕参加重晶石等加重材料是提高钻井液密度最常用的方法。在加重前，应调整好钻井液的各种性能，特别要严格掌握低密度固相的含量。一般状况下，所需钻井液密度越高，则加重前钻井液的固相含量及粘度、切力应掌握得越低。参加可溶性无机盐也是提高密度较常用的方法。如在保护油气层的清洁盐水钻井液中，通过参加NaCl，可将钻井液密度提高至1.20g/cm3左右。〔〕为实现平衡压力钻井或欠平衡压力钻井，有时需要适当降低钻井液的密度。通常降低密度的方法有以下几种：①最主要的方法是用机械和化学絮凝的方法去除无用固相，降低钻井液的固相含量。②加水稀释。但往往会增加处理剂用量和钻井液费用。③混油。但有时会影响地质录井和测井解释。④钻低压油气层时可选用充气钻井液等。二、钻井液含砂量钻井液含砂量是指钻井液中不能通过200目〔cm2〕筛网，即粒径大于74μm的砂粒占钻井液总体积的百分数，用“N”表示。在现场应用中，该数值越小越好，一般要求掌握在0.5１．含砂量过大对钻井过程的危害①使钻井液密度增大，对提高钻速不利。②使形成的泥饼松软，导致滤失量增大，不利于井壁稳定，井影响固井质量。③泥饼中粗砂粒含量过高会使泥饼的摩擦系数增大，简洁造成压差卡钻。④增加对钻头和钻具的磨损，缩短其使用寿命。钻井液含砂量通常是用一种特地设计的含砂量测定仪进展测量的。该仪器由一个带刻度的刻度瓶和一个带漏斗的筛网筒组成，所用筛网为200目。其构造如图４－6所示。测量方法：

图4－6 筛洗法含砂仪〔〕将肯定体积〔mlml〕的钻井液注入刻度瓶中，然后注入清水至刻度线。〔〕用手堵住瓶口并用力振荡，然后将容器中的流体倒入筛网筒过筛。〔〕筛完后把漏斗套在筛网筒上反转，漏斗嘴插入玻璃容器，将不能通过筛网的砂粒用清水冲入玻璃容器中。〔〕待砂粒全部沉淀后读出体积刻度。锥体中下部的刻度线为含砂量体积百分数的分ml钻井液，读数乘以2就是所测钻井液的含砂量。也可用下式求出钻井液含砂量N。N＝(V ／V )³100％ (4-22)砂粒 钻井液降低钻井液含砂量的方法：〔〕机械除砂。充分利用振动筛、除砂器、除泥器等设备，对钻井液的固相含量进展有效的掌握。〔〕化学除砂。通过参加化学絮凝剂，将细小砂粒变大，再协作机械设备除之。常用的絮凝剂有聚丙烯酰胺或局部水解聚丙烯酰胺等。第五节 钻井液固相含量测量、钻井液固相含量钻井液固相含量通常用钻井液中全部固相的体积占钻井液总体积的百分数来表示。固相含量的凹凸以及固相颗粒的类型、尺寸和性质均对钻井时的井下安全、钻井速度及油气层损害程度等有直接的影响。因此，在钻井过程中必需对其进展有效的掌握。１．钻井液中固相的类型般状况下，钻井液中存在着各种不同组分、不同性质和不同颗粒尺寸的固相。依据其性质的不同，可将钻井液中的固相分为两种类型，即活性固相和惰性固相。但凡简洁发生水化作用或易与液相中某些组分发生反响的称为活性固相，主要是指膨润土。但凡不简洁发生水化作用或不易与液相中某些组分发生反响的称为惰性固相，主要包括石英、长石、重晶石以及造浆率极低的粘土等。除重晶石外，其余的惰性固相均被认为是有害固相，是需要尽可能加以去除的物质。２．钻井液固相含量与井下安全的关系在钻井过程中，由于被裂开岩屑的不断积存，特别是其中的泥页岩等易水化分散岩屑的大量存在，在固控条件不具备的状况下，钻井液的固相含量会越来越高。过高的固相含量往往对井下安全造成很大的危害。使钻井液流变性能不稳定，粘度、切力偏高，流淌性和携岩效果变差。使井壁上形成厚的泥饼，而且质地疏松，摩擦系数大，从而导致起下钻遇阻，简洁造成粘附卡钻。滤饼质量不好会使钻井液滤失量增大，常造成井壁泥页岩水化膨胀、井径缩小、井壁剥落或坍塌。钻井液易发生盐钙侵和粘土侵，抗温性能变差，维护其性能的难度明显增大。此外，在钻遇油气层时，由于钻井液固相含量高、滤失量大，还将导致钻井液浸入油气层的深度增加，降低近井壁地带油气层的渗透率，使油气层损害程度增大，产能下降。３．钻井液固相含量对钻速的影响大量钻井实践说明，钻井液中固相含量增加是引起钻速下降的一个重要缘由。此外，钻井液对钻速的影响还与固相的类型、固相颗粒尺寸和钻井液类型等因素有关。依据100口井统计资料做出的钻井进尺、钻头使用数量及钻井天数与钻井液固相含量的关系曲线如图47所示。虽然这些曲线不能用来估量某口井的钻速，但是可以说明固相含量对钻速影响的或许趋势。从图47可见，当固相含量为零(即清水钻进)时钻速最高；随着固相含量增大钻速显著下降，特别是在较低固相含量范围内钻速下降更快。在固相含量超过l0%(体积分数)之后，对钻速的影响就相对较小了。关于固相类型对钻速的影响，一般认为重晶石、砂粒等惰性固相对钻速的影响较小，钻屑、低造浆率劣土的影响居中，高造浆率膨润土对钻速的影响最大。室内模拟试验的结果说明，钻井液中小于1m的亚微米颗粒要比大于1m的颗粒对钻速的影响大12倍。因此，假设钻井液中小于1m的亚微米颗粒越多，所造成钻速下降的幅度越大。从图48可见，

图4－7 固相含量对钻速、钻头用量、钻机工作日的影响在一样固相含量条件下，使用不分散聚合物钻井液时的机械钻速比分散钻井液要大得多。图4-8固相分散性对钻速的影响1－聚合物不分散体系；2〔膨润土与低造浆粘土之比均为1:1〕—般来讲，在钻井过程中，钻井液固相含量的波动是由于钻井液中岩屑含量的变化及其分散程度造成的。明显，固相含量与钻井液密度亲热相关。在满足密度要求的状况下，固相含量尽可小一些。４．钻井液固相含量的测量用钻井液固相含量测定仪，可以测量钻井液中固相及油、水的含量，并通过计算可间接推算出钻井液中固相的平均密度等。〕钻井液固相含量测定仪的构造组成钻井液固相含量测定仪是由加热棒、蒸馏器、冷凝器、，量筒等局部组成，其构造如图４9所示。加热棒有两只，一只是用２２０V沟通电，另一只是用１２V直流电，功率都是１W。蒸馏器由蒸馏器本体和带有蒸馏器引流导管的套筒组成，二者用丝扣连接起来，将蒸馏器的引流管插入冷凝器的孔中，使蒸馏器和冷凝器连接起来，冷凝器为一长方形的铝锭，有一斜孔穿过冷却器，下端为一弯曲的引流嘴。图4-9 钻井液固相含量测定仪1－电线接头；2345678910〕钻井液固相含量测定仪的工作原理工作时，由蒸馏器将钻井液中的液体〔包括油和水〕蒸发成气体，经引流管进入冷凝器，冷凝器把气态的油和水冷却成液体，经引流管进入量筒。量筒为百分刻度，可直按读出接收的油和水的百分数。〕测量方法：〔〕在蒸馏器内注入20ml钻井液，将插有加热棒的套筒连接到蒸馏器上。〔〕将蒸馏器的引流管插入冷凝器的孔中，然后将量筒放在引流嘴下方，以接收冷凝成液体的油和水。〔〕接通电源，使蒸馏器开头工作，直至冷凝器引流嘴中不再有液体流出时为止。这段时间一般需20～30min〔〕待蒸馏器和加热棒完全冷却后，将其卸开。用铲刀刮去蒸馏器内和加热棒上被烘干的固体。用天平称取固体的质量，并分别读取量筒中水、油的体积。〕测量结果的处理通常用固相所占有的体积分数表示钻井液的固相含量，需要留意的是，对于含盐量＜1％的淡水钻井液，很简洁由试验结果求出钻井液中固相的体积分数；但对于含盐量较高的盐水钻井液，被蒸干的盐和固相见共存于蒸馏器中。此时需扣除由于盐析出引起体积增加的局部，才能确定钻井液中的实际固相含量。在这种状况下，钻井液固相含量的计算式如下fs＝1－fwCf－fo (4-23)式中fs、fw、fo－分别为钻井液中固相、水和油的体积分数；C－考虑盐析出而引入的体积校正系数，明显它总是大于l的无因次常数。在不同盐f度下的C值可使用表4-4查得。f4-420℃时不同质量浓度NaCl水溶液的密度和C值密度/g密度/g•cm-3质量浓度/mg•l-1质量分数/%Cf密度 质量浓度/g•cm-3 /mg•l-1质量分数/%Cf0.99820011.1009154100141.0541.00531005011.0031.1162178600161.0651.01252025021.0061.1319203700181.0751.02684110041.0131.1478229600201.0871.04136250061.0201.1640256100221.1001.05598450081.0281.1804279500241.1131.0707107100101.0361.1972311300261.1271.0857130300121.045例4-6 某种密度为1.44g/cm3的盐水钻井液被蒸干后得到6％的油和74％的蒸馏水。钻井液中Cl含量为7900mg/l，试确定该钻井液的固相含量。解：首先求出钻井液中NaCl的质量浓度:[NaCl]＝[(23.0＋35.5)/35.5][Cl＝130350(mg/l)

-]＝1.65³79000由表4-4查得，NaCl的质量分数(即盐度)为12％，该盐水钻井液的固相体积校正系数为1.045。因此f＝1－fC－f＝1－0.71³1.015－0.06＝0.167s w f o５．钻井液固相掌握的方法钻井液中的固相含量越低越好，要通过固相掌握不断地去除钻屑等有害固相，使膨润土和重晶石的等有用固相的含量维持在适当范围，一般固相含量应掌握在５％左右。实现提高钻速、保证安全的要求。固相掌握有以下几种方法：〔〕清水稀释法。向钻井液中参加大量清水，可降低钻井液的固相含量，但该方法要增加钻井液的容器或放掉局部井液，不仅增大本钱，并且易使钻井液性能变坏。〔〕替换局部钻井液法。用清水或低固相钻井液替换肯定体积高固相含量的钻井液，可削减清水和处理剂的用量，但仍有铺张。〔〕化学絮凝法。在钻井液中参加高分子絮凝剂，使钻屑等无用固相在钻井液中不水化分散，而且絮凝成较大颗粒而沉淀。〔〕机械设备去除法。主要设备有振动筛、除砂器、除泥器、离心分别机等。二、钻井液中膨润土的含量测定前面已提到，膨润土作为钻井液配浆材料，在提粘切、降滤失等方面起着重要作用，但其用量又不宜过大。因此，在钻井液中必需保持适宜的膨润土含量。其测定方法是：首先使用亚甲基蓝法测出钻井液的阳离子交换容量，再通过计算确定钻井液中膨润土的含量。亚甲基蓝是一种常见染料，在水溶液中电离出有机阳离子和氯离子。其中的有机阳离子很简洁与膨润土发生离子交换。其分子式为CHNSCl²3HO1618 3 2试验和计算步骤如下：用不带针头的注射器量取1m1钻井液，放入适当大小的锥形瓶中，参加10m1水稀释。为消退某些有机处理剂的干扰，参加15ml3%HO和0.5m1浓度约为5N(10M)HSO，2 2 2 4缓缓煮沸l0min，然后用水稀释至50m1用质量浓度为3.74g/l(相当于0.02M)的亚甲基蓝标准溶液进展滴定0.5m1亚甲基蓝溶液后旋摇30s，然后用搅棒转移一滴液体放在一般滤纸上，观看在染色的钻井液固相斑点四周是否消灭绿—蓝色圈。假设无此种色圈。连续滴入0.5ml亚甲基蓝溶液，并重复上面的操作。一旦觉察绿—蓝色圈时，摇荡锥形瓶2min，再放l滴在滤纸上，如色圈仍不消逝，说明已达滴定终点。此时，所消耗亚甲基蓝溶液的毫升数即为钻井液的阳离子交换容量，记作(CEC)。m按下式计算钻井液中的膨润土含量：f＝14.3(CEC)c m式中 f—表示钻井液中的膨润土含量,g/l。c

〔4－24〕钻井液的阳离子交换容量通常又称作亚甲基蓝容量，其含义是：每100ml钻井液所能吸附亚甲基蓝的毫摩尔数。由于1ml标准溶液中含有0.01mmol亚甲基蓝，因此试验中所消耗标准溶液的毫升数在数值上恰好等于钻井液的亚甲基蓝容量。为便于计算，一般状况下假定膨润土的阳离子交换容量等于70mmo1/(100g)，于是便得出上面的膨润土含量汁算式。国外常用英制单位1bm/bbl(即磅/桶)表示钻井液中的膨润土含量。由于11bm/bbl＝1.853g/l，此时其计算式应改为：f＝5.0(CEC)c m例4-7将lml钻井液用蒸馏水稀释至50m1后，用0.01M亚甲基蓝标准溶液进展滴定。到达滴定终点时该溶液的用量为4.8ml，试求钻井液中的膨润土含量。解：因标准溶液用量在数值上等于钻井液的亚甲基蓝容量，故(CEC)＝4.8mmol(100g)。m由式(4-24)得：f＝14.3(CEC)＝14.3³4.8＝68.64(g/l)c m第五节 钻井液润滑性能评价方法钻井液和滤饼的摩阻系数，是常用的两个评价钻井液润滑性能的技术指标。由于摩阻的大小不仅与钻井液的润滑性能有关，而且还与钻具和地层接触面的粗糙程度、接触面的塑性变样子况、钻柱侧向力的大小和分布状况、钻拄的尺寸和旋转速度等因素有关。因此，要全面、客观地评价和测定钻井过程中钻井液和滤饼摩阻系数是很困难的。目前