第三章 鉆井液

第三章鉆井液

第一節(jié)鉆井液的定義和功用

第二節(jié)鉆井液的組成和分類

第三節(jié)鉆井液的性能

第四節(jié)鉆井液的固相控制

第五節(jié)井塌及防塌鉆井液

第六節(jié)油氣層保護及完井液

第一節(jié)鉆井液的定義和功用

一、鉆井液的定義

鉆井時用來清洗井底并把巖屑攜帶到地面、維持鉆井操作正常進行的流體稱為鉆井液或洗井液。 二、鉆井液的功用 1．攜巖 2．冷卻和潤滑鉆頭及鉆柱 3．造壁，維持井壁穩(wěn)定 4．控制地層壓力 5.懸浮鉆屑和加重材料，防止下沉 6.獲得地層和油氣資料 7.傳遞水功率

一、鉆井液的組成

（1）液相：液相是鉆井液的連續(xù)相，水或油。

（2）活性固相：包括人為加入的商業(yè)膨潤土（般土）、有機膨潤土(油基 鉆井液用)和地層進入的造漿粘土。

（3）惰性固相：惰性固相是鉆屑和加重材料。

（4）各種鉆井液添加劑。 二、鉆井液的分類

API和IADC分類：

（1）不分散體系——膨潤土+清水；天然鉆井液（自然造漿而成），淺層鉆進。 （2）分散體系——水+膨潤土+分散劑（鐵絡(luò)木質(zhì)素黃酸鹽等），深井或復(fù)雜井。（3）鈣處理體系——水基鉆井液+鈣鹽（石灰、石膏、氯化鈣），抑制粘土膨脹。

（4）聚合物體系——水基鉆井液+高聚物（聚丙烯酰胺PAM，水解聚丙烯酰胺PHP等），絮凝劣質(zhì)土，抑制粘土分散。（5）低固相體系——總固相含量6%~10%的水基鉆井液。其中，膨潤土含量小于3%，鉆屑與膨潤土的比值小于2∶1。第二節(jié)鉆井液的組成和分類（6）飽和鹽水體系——氯離子含量達189g/L的水基鉆井液。氯離子含量為6~189g/L的水基鉆井液稱為鹽水鉆井液。抗鹽侵，抑制粘土水化。海上鉆井、鉆鹽巖層和泥頁（7）修井完井液體系——

水+鹽+聚合物等；油基鉆井液低密度、無固相、抑制粘土膨脹、低濾失，保護油氣層。（8）油基鉆井液體系——油包水乳化鉆井液：油+水+乳化劑（脂肪酸等）油基鉆井液：柴油+氧化瀝青、有機酸、堿耐高溫、保護油氣層、防止水敏性地層吸水膨脹。（9）空氣、霧、泡沫和氣體體系——欠平衡壓力鉆井。

第二節(jié)鉆井液的組成和分類預(yù)備知識——粘土的水化作用（水化膨脹）粘土的分類：高嶺土、蒙脫土、伊利土、海泡石粘土的晶體結(jié)構(gòu)（蒙脫石和伊利石）

由兩層硅氧四面體和夾在它們之間的一層鋁氧八面體組成一個晶層，靠化學鍵聯(lián)結(jié)緊密。晶層又以一定間距（0.96nm）重疊在一起，構(gòu)成晶體，層間以氫鍵和靜電力相連。粘土的水化膨脹

粘土顆粒表面吸附水分子，在粘土顆粒表面形成水化膜，使粘土晶格層面間的距離增大，產(chǎn)生膨脹以至分散作用。 水化作用：蒙脫土＞伊利土＞高齡土表面水化——粘土表面帶負電荷附鉆井液中 的水分子，引起粘土表面水化，使粘土變軟和膨脹。滲透水化——當泥頁巖水分中電解質(zhì)的濃度高于周圍鉆井液中的電解質(zhì)濃度時，由于滲透作用，水分子由電解質(zhì)濃度較低的鉆井液中滲入到電解質(zhì)濃度高的泥頁巖內(nèi)部，造成水化膨脹。第三節(jié)鉆井液的性能 一、鉆井液的密度

鉆井液的密度指單位體積鉆井液的質(zhì)量。加重劑：碳酸鈣、重晶石、鈦鐵礦粉。二、鉆井液的流變性能

粘度和切力隨流速變化的性能。包括靜切力、動切力、表觀粘度、塑性粘度、流性指數(shù)、稠度系數(shù)等參數(shù)。

（一）液體的基本流型：

流速梯度（剪切速率）—鉆井液在鉆柱內(nèi)、環(huán)空內(nèi)和噴嘴內(nèi)流動時，速度分布不均勻，中心處流速大，由中心向外流速減小。單位距離內(nèi)流速的增量稱為流速梯度。

剪切應(yīng)力—液流中各層速度不同，層間必有相對運動，發(fā)生內(nèi)摩擦，阻礙液層作相對運動。單位面積上的內(nèi)摩擦力稱為剪切應(yīng)力。

根據(jù)液體流動時剪應(yīng)力與流速梯度的關(guān)系，可將液體流動分為四種流型： 牛頓流型： 塑性流型： 假塑性流型和膨脹流型：第三節(jié)鉆井液的性能牛頓方程賓漢方程冪率方程

（二）塑性流型的流變參數(shù)及調(diào)整

1.靜切力（靜切應(yīng)力）

使鉆井液開始流動所需的最低切應(yīng)力，它是鉆井液靜止時單位面積上所形成的連續(xù)空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)強度的量度。它反映了鉆井液觸變性的好壞。

調(diào)整方法：無機鹽（改變粘土顆粒間靜電力）、降粘劑或增粘劑。

2.動切應(yīng)力（屈服值）

延長流變曲線直線段與切應(yīng)力軸相交得，它是一假想值，反映鉆井液在層流狀態(tài)下粘土顆粒之間及高聚物分子之間的相互作用力（形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)之力）的大小。 調(diào)整方法同靜切力。

3.塑性粘度

塑性粘度是塑性流體流變曲線直線段斜率的倒數(shù)，即：。 它是鉆井液流動時固相顆粒之間、固相顆粒與周圍液相間以及液相分子間的內(nèi)摩擦作用的總反映。它反映了液體粘滯力的大小。

調(diào)整方法：降低固相含量、加稀釋劑降粘；加高聚物增粘劑等提粘。

4.表觀粘度（視粘度或有效粘度）

它是在某一流速梯度下剪切應(yīng)力與相應(yīng)流速梯度的比值，即：。第三節(jié)鉆井液的性能表觀粘度等于塑性粘度與由屈服值和流速梯度所決定的那部分粘度（結(jié)構(gòu)粘度）之和，它反映兩者的總的粘滯作用，是“總粘度”的意思。

動塑比

——動切力與塑性粘度之比，反映了鉆井液結(jié)構(gòu)強度與塑性粘度的比例關(guān)系。它影響鉆井液在環(huán)空中的流態(tài)和剪切稀釋特性。動塑比大，流動過水斷面較平緩，剪切稀釋能力強，但流動阻力大，要求的泵壓高。理想值：=0.36~0.48。 調(diào)整方法：采用調(diào)整動切力和塑性粘度的方法。

（三）假塑性流型和膨脹流型的流變參數(shù)

1.流性指數(shù)n 表示流體在一定流速范圍內(nèi)的非牛頓性程度。 n＜1，假塑性流體，特點是隨剪切速率增加而變?。羟邢♂屘匦裕?； n＞1，膨脹型流體，特點是隨剪切速率增加而變稠。 n值影響鉆井液的攜巖效果和剪切稀釋特性。理想值：n=0.4~0.7。 2.稠度系數(shù)k 為流體在1s－1流速梯度下的粘度。k值越大，粘度越大。第三節(jié)鉆井液的性能

（三）流變參數(shù)的測定

儀器：六速旋轉(zhuǎn)粘度計 1．靜切力

初切力（10s切力）：將鉆井液在600r／min下攪拌10s，靜置10s后測得3r／min下的表盤讀數(shù)，該讀數(shù)乘以0．511即得初切力(Pa)。

終切力（10min切力）：將鉆井液在600r／min下攪拌10s，靜置10min后再測得3r／min下的表盤讀數(shù)，該讀數(shù)乘以0．511，即得終切力(Pa)。

2.動切力(屈服值)：

＝0.511(φ300一)(Pa) 3.粘度、流性指數(shù)及粘度系數(shù) 表觀粘度：＝0.5φ600(mPa·s)塑性粘度：＝

φ600一φ300(mPa·s)

流性指數(shù)：n＝3．321g（無因次）稠度系數(shù)：(mPa·sn)第三節(jié)鉆井液的性能

三、鉆井液的造壁性能及濾失量

（一）濾失和造壁過程

鉆井液中的液體(剛開始也有鉆井液)在壓差的作用下向地層內(nèi)滲濾的過程稱為鉆井液的濾失。

鉆井液中的固相顆粒附著在井壁上形成濾餅的過程稱為造壁過程。 （二）幾種不同的濾失情況

1.瞬時濾失

在鉆頭破碎巖石形成新的井眼而濾餅尚未形成的一段時間內(nèi)，鉆井液迅速向地層滲濾，此時的濾失稱為瞬時濾失。瞬時濾失量有利于提高鉆速，但嚴重損害油氣層。

2.動濾失

在已形成的井眼內(nèi)，隨著鉆井液的滲濾，在井壁上形成一層濾餅，并不斷增厚、密實。同時，形成的濾餅又受到鉆井液的沖刷和鉆柱的碰撞、刮擠而遭到破壞。最終，濾餅形成速度等于破壞速度而達到平衡，此時濾餅厚度不變，濾失速率也保持不變這這種鉆井液在井內(nèi)循環(huán)流動時的濾失過程稱為動濾失。 第三節(jié)鉆井液的性能

3．靜濾失

鉆井液在停止循環(huán)時的濾失過程稱為靜濾失。隨著濾失過程的進行，濾餅逐漸增厚，濾失阻力逐漸增大，濾失速率逐漸減小。

影響靜濾失量的因素：濾失時間、壓差、溫度、固相含量及類型、濾餅滲透率。

（三）濾失量的測量和要求

1.靜濾失量（API濾失量） 用API濾失量儀在常溫、0.7MPa壓差下測量30min所得的濾液體積（mL）。 要求：上部地層和堅固地層，濾失量可放寬；水敏性易坍塌地層，濾失量要低；油氣層，濾失量不能高于5mL。

2.高溫高壓濾失量 用高溫高壓濾失量儀模擬地層溫度及壓力條件測得的鉆井液濾失量。 在150℃溫度、3.5MPa壓差下測量30min所得的濾失量乘以2即得高溫高壓濾失量。 在鉆油氣層時，高溫高壓濾失量不大于15mL。

（四）濾失量的控制 控制濾失量的最好方法——用降濾失劑降低濾餅的滲透性。第三節(jié)鉆井液的性能

常用降濾失劑：Na-CMC（羧甲基纖維素鈉鹽）SMP（磺化酚醛樹脂） NH4（Na、Ca）HPAN（水解聚丙烯睛胺、鈉、鈣鹽）降濾失劑作用機理： 1．護膠作用 一方面能吸附在粘土顆粒表面形成吸附層，以阻止粘土顆粒絮凝變粗；另一方面能把在鉆井液循環(huán)攪拌作用下所拆散的細顆粒吸附在分子鏈上，不再粘結(jié)成大顆粒，而形成薄而韌的泥餅，稱之為降濾失劑的護膠作用。2．增加鉆井液中粘土顆粒的水化膜厚度，降低濾失量 降濾失劑吸附于鉆井液中的粘土顆粒上，使粘土顆粒周圍的水化膜增厚，形成的濾餅在壓差作用下容易變形，濾餅的滲透率降低。3．提高濾液粘度，降低濾失量（濾失量與濾液粘度的二分之一次方成正比。）4．降濾失劑分子本身的堵孔作用 一、鉆井液中的固相對鉆井的影響

1．固相含量升高，鉆速降低；用不分散鉆井液體系的鉆速大于分散鉆井液體系的鉆速。 2．固相含量高，形成的濾餅厚，容易引起壓差卡鉆。 3.固相含量高，對油氣層損害嚴重。第四節(jié)鉆井液的固相控制

二、固相控制方法 1．大池子沉淀 2．清水稀釋 3．替換部分鉆井液 4．利用機械設(shè)備清除固相

振動篩：清除0.5mm以上固相顆粒。 旋流分離器：除砂器（74μm以上顆粒）、除泥器（10~74μm顆粒）、超級分離器（5~10μm）