第四章 鉆井液

第四章鉆井液第1頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月鉆井液的基本類型：油包水乳化泥漿：以油做分散介質(zhì)，水及有機(jī)搬土或其它親油粉末狀物作分散相，加乳化劑配制。水基泥漿：以水為分散介質(zhì)，基本組分是粘土、水和化學(xué)處理劑淡水泥漿：含鹽量小于<1%，含Ga<120mg/l。鹽水泥漿：含NaCl>1%，主要用在海灣、海上、鹽巖層、頁巖易塌層。鈣處理泥漿：含Ga>120mg/l，防塌性能好，抗鹽侵蝕能力強(qiáng)，穩(wěn)定井壁。低固相泥漿：含粘土量小于7%，部分散低固相4%，鉆速快，流動(dòng)性好?；煊湍酀{：加入原油或柴油，油呈小珠分散；潤滑性好，摩擦小。油基泥漿：特點(diǎn)是：熱穩(wěn)定性高，交好的防塌效果，對(duì)油氣層損害小。用于：超深井的高溫井段，鉆進(jìn)易塌地層和低壓油層。特點(diǎn)：對(duì)油層損害小，抗可溶鹽的侵污能力強(qiáng)。油基泥漿：由柴油和瀝青（或有機(jī)搬土）及有關(guān)處理劑配制。第2頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)粘土基本知識(shí)

第二節(jié)鉆井液性能及調(diào)控

第三節(jié)常用鉆井液簡(jiǎn)介

主要內(nèi)容第3頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)粘土基本知識(shí)粘土是鉆井液的主要成分，水基鉆井液就是粘土分散在水中形成的膠體懸浮體。粘土對(duì)鉆井液的性質(zhì)有很大影響，其類型不同，造漿率差別很大。

一、幾種主要粘土礦物的晶體構(gòu)造及特點(diǎn)

粘土主要是由很細(xì)（2m以下）的粘土礦物組成，許多粘土中含有非晶體質(zhì)的膠體礦物如蛋白石、氫氧化鐵、氫氧化鋁，還含有不定量的石英、長石等粘土礦物。但粘土的主要化學(xué)成分為鋁硅酸鹽。因此雖然粘土礦物的種類很多,不同粘土礦物有不同的晶體構(gòu)造及特點(diǎn)，但其晶體都是由兩種基本構(gòu)造單位組成的。基本構(gòu)造單位：硅氧集團(tuán)和鋁氧集團(tuán)第4頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月1.粘土晶體構(gòu)造中的基本單位

硅氧四面體每個(gè)四面體中都有一個(gè)硅原子與四個(gè)氧原子以相等的距離相連，硅在四面體的中心，四個(gè)氧原子(或氫氧)在四面體的頂點(diǎn)。在大多數(shù)粘土礦物中排列成六角形網(wǎng)絡(luò)。第5頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月鋁氧八面體

鋁原子處于八面體的中心，與上面和下面的各三個(gè)氧原子或氫氧形成一個(gè)正八面體。八面體片狀構(gòu)造中，鋁占2/3位置，空余位置以表示。第6頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月高嶺石晶體由一個(gè)硅氧四面體片和一個(gè)鋁氧八面體片組成。四面體片的頂尖都朝著八面體片，二者由共用的氧原子和氫氧原子團(tuán)聯(lián)結(jié)在一起。由于它是一個(gè)硅氧四面體片和一個(gè)鋁氧八面體片組成，所以稱高嶺石為1∶1型粘土礦物。高嶺石單元晶層，一面為OH層，另一面為O層,片與片之間易形成氫鍵,晶胞之間連結(jié)緊密,故高嶺石的分散度低。高嶺石晶格中幾乎沒有晶格取代現(xiàn)象，它的電荷是平衡的，因此高嶺石電性微弱。這些特點(diǎn)決定了高嶺石水化很差，造漿性能不好，不是配漿的好材料。油氣層中高嶺石顆粒大而附著力弱，常常因運(yùn)移堵塞孔喉而降低滲透率。

2.高嶺石的晶體結(jié)構(gòu)第7頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月

蒙脫石是由上下兩個(gè)硅氧四面體片中間夾一層鋁氧八面體片組成，硅氧四面體的尖頂朝向鋁氧八面體，鋁氧八面體片和上下兩層硅氧四面體片通過共用氧原子和氫氧聯(lián)結(jié)形成緊密的晶層，因此稱為2∶1型。在鋁氧八面體中，有部分Al3+被Mg2+或Fe2+取代，四面體中的Si4+也有少量被Al3+取代，顯負(fù)電性，這種現(xiàn)象稱為晶格取代現(xiàn)象。因此，吸附較多陽離子，有較強(qiáng)的離子交換能力。同時(shí)，蒙脫石晶層上下皆為氧原子層，各晶層間以分子間力聯(lián)結(jié)，聯(lián)結(jié)力弱。蒙脫石是極易水化、分散、膨脹的粘土礦物。這些特點(diǎn)決定了蒙脫石是配漿的好材料，但地層中蒙脫石也會(huì)因水化膨脹而造成井塌和油層損害。

3.蒙脫石的晶體結(jié)構(gòu)第8頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月伊利石的晶體構(gòu)造和蒙脫石相似，也是2∶1型晶體結(jié)構(gòu)，即伊利石也由兩層硅氧四面體片夾一層鋁氧八面體片組成。

區(qū)別：伊利石的硅氧四面體中有較多的Si4+被Al3+取代，晶格出現(xiàn)的負(fù)電荷由吸附在伊利石晶層表面氧分子層中的K+所中和。K+的直徑為2.66，而晶層表面的氧原子六角環(huán)空穴直徑為2.80，因此K+正好嵌入氧原子六角環(huán)中。由于嵌入氧層的吸附K+的作用，將伊利石的相鄰二晶層拉得很緊，聯(lián)結(jié)力很強(qiáng)，水分不易進(jìn)入層間，所以它不易膨脹。伊利石由于晶格取代顯示的負(fù)電性已由K+中和，K+嵌入氧原子六角環(huán)中，接近于成為晶格的組成部分，不易解離，因此伊利石電性微弱。

4.伊利石的晶格結(jié)構(gòu)第9頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月5.海泡石族6.綠泥石

海泡石凹凸棒石坡縷縞石是鋁和鎂的含水硅酸鹽

晶體構(gòu)造為鏈狀、棒狀、或纖維狀，晶體結(jié)構(gòu)中有很大的空穴。有極大的內(nèi)表面積，因此，含有較多的吸附水，有很高的熱穩(wěn)定性和坑鹽侵污能力。在淡水和飽和鹽水中的水化情況幾乎一樣。因此是配制深井鉆井液和眼水鉆井液的好材料。由三層型晶層與一層水鎂石交替組成的。水鎂石層有些Mg2+被Al3+取代，因而帶正電。于是三層型晶層與水鎂石層間以靜電相吸聯(lián)結(jié)，同時(shí)還有氫鍵存在，因此遇水不膨脹。對(duì)酸敏感。第10頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月二、粘土的吸附及水化作用

粘土的吸附作用：

鉆井液中粘土顆粒和分散介質(zhì)的界面上，自動(dòng)濃集介質(zhì)中分子或離子的現(xiàn)象稱為粘土的吸附。粘土的水化作用：

由于粘土顆粒表面通常帶有負(fù)電荷，因而能吸附水分子和各種水化離子，使粘土顆粒表面形成一層具有一定厚度的水化膜，這種現(xiàn)象稱為粘土的水化作用。粘土的吸附和水化作用是使鉆井液分散體系穩(wěn)定的重要因素。第11頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月

1)永久電荷。它是由于粘土在自然界形成時(shí)發(fā)生晶格取代所產(chǎn)生的。例如，Si-O四面體中Si4+被Al3+所代替，或Al-O八面體中的Al3+被Fe2+或Mg2+等取代，就產(chǎn)生了過剩的負(fù)電荷。這種負(fù)電荷的數(shù)量取決于晶格取代的多少，而不受pH值的影響，因此稱為永久負(fù)電荷。

2)可變負(fù)電荷。在粘土晶體的斷鍵邊緣上有很多裸露的Al-OH鍵，其中OH中的H在堿性條件下解離，會(huì)使粘土負(fù)電荷過剩；另外粘土晶體的邊面上吸附了OH-、SiO32-等無機(jī)離子或吸附了有機(jī)陰離子聚電解質(zhì)也使粘土帶負(fù)電。由于這種負(fù)電荷的數(shù)量隨介質(zhì)的pH值而改變，故稱為可變負(fù)電荷。

3)正電荷。不少研究者指出，當(dāng)pH值低于9時(shí)，粘土晶體邊面上帶正電荷。多數(shù)人認(rèn)為其原因是由于裸露在邊緣上的Al-O八面體在堿性條件從介質(zhì)中接受質(zhì)子引起的。粘土的負(fù)電荷與正電荷的代數(shù)和即為粘土的凈電荷數(shù)，由于粘土的負(fù)電荷一般都多于正電荷，因此粘土一般都帶負(fù)電荷。

1.粘土的吸附性能（1）粘土顆粒表面電荷種類及原因第12頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月

吸附現(xiàn)象在鉆井液中是經(jīng)常發(fā)生的，化學(xué)處理劑改善鉆井液性能，侵入物損壞鉆井液的性能都是通過吸附改變粘土表面的性質(zhì)而起作用的。鉆井液中粘土的吸附作用，可分為物理吸附、化學(xué)吸附和離子交換吸附三種。

1)物理吸附。物理吸附是靠吸附劑和吸附質(zhì)之間分子間引力產(chǎn)生的，物理吸附是可逆的，吸附速度與脫附速度在一定條件下呈動(dòng)態(tài)平衡。非離子型的有機(jī)處理劑，往往是因在粘土表面發(fā)生物理吸附而起作用的。

2)化學(xué)吸附?；瘜W(xué)吸附是靠吸附劑與吸附質(zhì)之間的化學(xué)鍵力而產(chǎn)生的。例如鐵鉻木質(zhì)素磺酸鹽在粘土晶體的邊緣上可以發(fā)生螯合吸附。

3)離子交換吸附。粘土顆粒因晶格取代等原因，一般是帶負(fù)電的，為了保持整體的電中性，必然要吸附陽離子。而吸附的陽離子一般來說并不固定，可以與溶液中的陽離子進(jìn)行交換，這種作用稱為離子交換吸附。最常見的交換性陽離子是Na+、Ca2+、Mg2+等。鉆井液中粘土吸附的離子與溶液中的離子發(fā)生離子交換吸附的現(xiàn)象是經(jīng)常遇到的，配漿時(shí)加純堿提高粘土的分散度和造漿率，就是利用離子交換吸附的特性。

(2)粘土的吸附性能第13頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月同號(hào)離子相互交換；等電量相互交換；離子交換吸附的反應(yīng)是可逆的，吸附和脫附的速度受離子濃度的影響。離子交換吸附的規(guī)律

濃度相同，價(jià)數(shù)越高，與粘土表面的吸力越強(qiáng)，交換到粘土表面上的能力越強(qiáng)；價(jià)數(shù)相同、濃度相近時(shí)，離子半徑越小，水化半徑越大，離子中心離粘土表面越遠(yuǎn)，吸附能力弱(K+與H+除外)；當(dāng)濃度很高時(shí)，低價(jià)離子同樣能交換高價(jià)離子。常見的陽離子交換能力強(qiáng)弱順序是：H+>Fe3+>Al3+>Ba2+>Ca2+>Mg2+>NH4+>K+>Na+>Li+粘土的陽離子交換容量是指在pH等于7的條件下，粘土所能交換下來的陽離子總量。它包括交換性氫和交換性鹽基，其數(shù)值均以每100g粘土所交換下來的陽離子的量表示。粘土的陽離子交換容量，直接關(guān)系到粘土顆粒帶電荷的多少和吸附處理劑的能力。影響粘土陽離子交換容量的因素有粘土礦物的本性、粘土礦物的分散度及溶液的pH值。

離子交換吸附的特點(diǎn)第14頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月

(1)粘土水化膨脹機(jī)理

粘土水化膨脹機(jī)理主要有兩方面：1)表面水化是由粘土晶體表面上水分子的吸附作用引起的，引起表面水化的作用力是表面水化能，第一層水是水分子與粘土表面的六角形網(wǎng)絡(luò)的氧形成H鍵而保持在平面上。因此，水分子也通過氫鍵結(jié)合為六角環(huán)，下一層也以類似情況與第一層以氫鍵連接，以后的水層照此繼續(xù)。2)滲透水化由于晶層之間的陽離子濃度大于溶液內(nèi)部的濃度，水發(fā)生濃差擴(kuò)散，進(jìn)入層間，在雙電層斥力作用下層間距增大。滲透膨脹引起的體積增加比晶格膨脹大得多。2.粘土的水化作用第15頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)影響粘土水化膨脹的因素

影響粘土水化膨脹的因素有：1)粘土晶體的部位不同，水化膜的厚度不相同。粘土晶體所帶的負(fù)電荷大部分都集中層面上，吸附的陽離子多，因此水化膜厚。在粘土晶體的邊面上帶電荷較少，因此水化膜薄。2)粘土礦物不同，水化作用的強(qiáng)弱不同。蒙脫石的陽離子交換容量高，水化最好，分散度也最高；而高嶺石陽離子交換容量低，水化差，分散度也低，顆粒粗；伊利石由于晶層間K+的特殊作用也是非膨脹性礦物。3)粘土吸附的交換性陽離子不同，其水化程度有很大差別。如鈣蒙脫石水化后晶層間距最大僅為1.7nm，而鈉蒙脫石水化后晶層間距可達(dá)1.7～4.0nm。

第16頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月定義：粘土顆粒在水中表面帶負(fù)電荷，通過靜電作用可把交換性陽離子(稱為反離子)吸引在它的周圍。這些反離子一方面受負(fù)電荷的吸引靠近粘土表面，另一方面由于反離子的熱運(yùn)動(dòng)及反離子之間的斥力，會(huì)脫離粘土顆粒向溶液中擴(kuò)散，其結(jié)果構(gòu)成了擴(kuò)散雙電層。粘土顆粒周圍的陽離子只有一部分同粘土顆粒一起運(yùn)動(dòng)，這部分同粘土吸引得比較牢固的陽離子層，稱為吸附層。另一部分陽離子距離粘土顆粒稍遠(yuǎn)，不隨粘土一起運(yùn)動(dòng)，這一部分稱為擴(kuò)散層。吸附層和擴(kuò)散層的交界面稱為滑動(dòng)面。三、鉆井液中粘土表面的雙電層第17頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月粘土顆粒運(yùn)動(dòng)中因丟掉擴(kuò)散層中的反離子而顯示出一定的電勢(shì),稱為電動(dòng)電勢(shì)(ζ電位),其數(shù)值取決于吸附層內(nèi)反離子總電荷。電解質(zhì)對(duì)電動(dòng)電勢(shì)影響較大，溶液中陽離子濃度越高，進(jìn)入吸附層的陽離子數(shù)量多，ζ電位降低，當(dāng)反離子全部進(jìn)入吸附層時(shí)，這種現(xiàn)象稱為電解質(zhì)壓縮雙電層。電解質(zhì)壓縮雙電層作用第18頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月四、鉆井液的穩(wěn)定性鉆井液分散系若能長久保持其分散狀態(tài)，各微粒處于均勻懸浮狀態(tài)而不破壞，就稱為具有穩(wěn)定性。1.鉆井液的沉降穩(wěn)定性定義：

鉆井液的沉降穩(wěn)定性沉降穩(wěn)定性是指在重力作用下鉆井液中的固體顆粒是否容易下沉的性質(zhì)。影響沉降穩(wěn)定性的主要因素：

粘土顆粒的大小、顆粒與分散介質(zhì)的密度差、分散介質(zhì)的粘度和鉆井液中粘土顆粒的多少，顆粒愈大、顆粒愈重、介質(zhì)粘度越小則沉降穩(wěn)定性越不好。沉降穩(wěn)定性穩(wěn)定性聚結(jié)穩(wěn)定性第19頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月2.鉆井液的聚結(jié)穩(wěn)定性定義：聚結(jié)穩(wěn)定性是指鉆井液中的固體顆粒是否易于自動(dòng)降低分散度而粘結(jié)變大的性質(zhì)。產(chǎn)生聚結(jié)的原因：鉆井液中的粘土顆粒分散度高，比表面積大，因而具有較大的表面能。按照能量自發(fā)減少的原理，顆粒會(huì)自發(fā)地聚結(jié)變大，以降低表面能和分散度；顆粒在運(yùn)動(dòng)中相互接近或碰撞時(shí)，顆粒之間存在排斥力和引力，當(dāng)引力大于排斥力時(shí)也會(huì)使顆粒聚結(jié)變大。顆粒間的排斥力顆粒間的引力影響聚結(jié)穩(wěn)定性的主要因素：范德華力雙電層斥力水化膜彈性阻力第20頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月電解質(zhì)對(duì)聚結(jié)穩(wěn)定性的影響：電解質(zhì)有壓縮雙電層和降低ζ電位的作用，當(dāng)電解質(zhì)加量較多時(shí)，雙電層被壓縮，ζ電位降低，減弱了顆粒在接近或碰撞過程中的雙電層斥力，易于使顆粒聚結(jié)。聚結(jié)值的概念：使粘土開始明顯聚結(jié)所加的電解質(zhì)的最低濃度稱為聚結(jié)值。高分子化合物對(duì)聚結(jié)穩(wěn)定性的影響：鉆井液中粘土顆粒能夠和高分子化合物之間發(fā)生相互作用，絕大部分高分子化合物都會(huì)吸附在粘土顆粒的表面上。若高分子物質(zhì)較多，粘土顆粒會(huì)盡可能多地吸附高分子物質(zhì)在它的表面上，當(dāng)顆粒完全被高分子所包圍，沒有剩余的空白表面，就會(huì)失去再吸附其它顆粒上的高分子的可能，使顆粒間的橋聯(lián)作用無法實(shí)現(xiàn)，使鉆井液體系的穩(wěn)定性增強(qiáng)，這種現(xiàn)象稱為膠體的保護(hù)作用。第21頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)鉆井液性能及調(diào)控鉆井液常規(guī)性能密度馬氏漏斗粘度塑性粘度動(dòng)切力靜切力API濾失量高溫高壓(HTHP)濾失量pH值及堿度含砂量固相含量膨潤土含量濾液中各種無機(jī)離子濃度第22頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月2.調(diào)整鉆井液密度的方法一、鉆井液的密度1.對(duì)密度的要求調(diào)節(jié)井內(nèi)鉆井液的靜液柱壓力平衡地層壓力及地層構(gòu)造應(yīng)力避免發(fā)生井噴及井塌等事故提高密度加重重晶石石灰石可溶性無機(jī)鹽降低密度降低固相含量加水稀釋混油充氣第23頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月流變性：

鉆井液流動(dòng)和變形的特性稱為流變性，其中流動(dòng)性是主要的。流變性的作用：1)攜帶巖屑，保證井底和井眼的清潔；2)懸浮巖屑和重晶石；3)合理確定水力參數(shù)，減少循環(huán)壓力損失，充分發(fā)揮鉆頭水馬力的作用，提高機(jī)械鉆速；4)減輕鉆井液造成的壓力激動(dòng)和對(duì)井壁的沖刷，防止井漏和井塌等事故的發(fā)生；5)有效地發(fā)揮固控設(shè)備的效能；6)防止氣侵。

二、鉆井液的流變性第24頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月1.鉆井液流變模式及流變參數(shù)冪律流體（假塑性型）賓漢流體卡森流體赫切爾—巴爾克萊流體牛頓流體冪律流體（膨脹型）切應(yīng)力流速梯度

s

0第25頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月流變學(xué)模式及流變參數(shù)牛頓流體賓漢流體卡森流體赫切爾—巴爾克萊流體冪律流體第26頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月靜切應(yīng)力

g

靜切應(yīng)力是指使靜止的塑性流體開始運(yùn)動(dòng)時(shí)的最低切應(yīng)力，現(xiàn)場(chǎng)簡(jiǎn)稱切力，常用

g表示。觸變性破壞單位面積上網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)所需的力即為靜切應(yīng)力。規(guī)定靜置1min后測(cè)定的靜切力為初切力，靜止10min后測(cè)定的靜切力為終切力，并用二者的差值來表示鉆井液觸變性的強(qiáng)弱。表現(xiàn)粘度表現(xiàn)粘度是指某一剪切速率下剪切應(yīng)力與剪切速率的比值。

第27頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月2.調(diào)整鉆井液流變性的一般要求及方法

對(duì)于非加重鉆井液：pv的適宜范圍為5～12mPa.s；

d一般應(yīng)保持在1.4～14.4Pa范圍內(nèi)。切力

g是使鉆井液開始流動(dòng)所需的最低切應(yīng)力，其值過高時(shí)會(huì)造成開泵困難，甚至憋漏地層；其值過低又直接影響鉆井液的懸浮能力。為了能夠有效地?cái)y帶巖屑，要求鉆井液具有較高的動(dòng)塑比(

d

/

pv)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)和平板型層流流核直徑的有關(guān)計(jì)算，一般將

d

/

pv保持在0.48Pa/mPa.s左右是適宜的。在使用冪律模式時(shí)，n值保持在0.4～0.7之間。K值尚未明確其適宜范圍，但原則上應(yīng)在保證有效攜巖的前提下，盡量維持較低的K值，以提高鉆速和降低開泵時(shí)所需的壓力。第28頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月調(diào)整賓漢和冪律模式流變參數(shù)的方法1)降低

pv

。通過合理使用固控投備、加水稀釋或化學(xué)絮凝等方法，盡量減少固相含量。2)提高

pv

。加入低造漿率粘土、重晶石以及混入原油均可提高霵V。另外增加聚合物濃度使鉆井液的濾液粘度提高，也可起到提高霵V的作用3)降低

d。最有效的方法是加入適合于本體系的降粘劑(或稱稀釋劑)，以拆散鉆井液中已形成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。4)提高

d?？杉尤腩A(yù)水化膨潤土或增大聚合物的加量。5)降低n值。增加鉆井液中高分子量聚合物和無機(jī)鹽的含量，以及將預(yù)水化膨潤土加入鹽水鉆井液體系等，均可使n值降低。但是，通過增加膨潤土含量和礦化度來降n值，一般來講不是好的方法，而應(yīng)優(yōu)先考慮選用適合于本體系的聚合物來降低n值，改進(jìn)流型。試驗(yàn)表明，XC生物聚合物和聚丙烯酸鈣等都是非常有效的流型改進(jìn)劑。6)降低或提高K值。與降低或提高

pv

，

d值的方法基本相同。

第29頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月三、鉆井液的濾失量

1.鉆井過程中鉆井液的濾失和造壁作用靜液柱壓力泥餅靜失水動(dòng)失水第30頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月2.鉆井液濾失與鉆井的關(guān)系3.鉆井液濾失性的調(diào)整方法

鉆井要求鉆井液具有低失水量和薄而致密的泥餅，在失水和泥餅質(zhì)量這兩個(gè)因素中，泥餅質(zhì)量是主要的。失水量高且泥餅厚而松散對(duì)鉆井是不利的：損害油氣層；井壁垮塌；井徑不規(guī)則；起下鉆遇阻；高滲透性地層形成較厚泥餅，造成壓差卡鉆等。應(yīng)根據(jù)地層特點(diǎn)，適當(dāng)控制濾失量。1）用澎潤土。2)加入適量純堿、燒堿或有機(jī)分散劑(如煤堿液等)，提高粘土顆粒的ζ電位。3)加入適當(dāng)聚合物以保護(hù)粘土顆粒，阻止它們聚結(jié)，從而有利于提高分散度。4)加入一些極細(xì)的膠體粒子

四、含砂量含砂量越小越好第31頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月

必須根據(jù)井的類別和地層等情況，在綜合考慮各方面的因素之后，對(duì)一口井所使用的鉆井液體系分段進(jìn)行合理的選擇。主要應(yīng)考慮的各種因素有：井下安全；是否鉆遇巖鹽、石膏層；井下溫度和壓力；環(huán)境保護(hù)；井漏；泥頁巖層穩(wěn)定性；井眼軌跡；壓差卡鉆；儲(chǔ)層損害；測(cè)井要求；鉆井液成本。第三節(jié)常用鉆井液簡(jiǎn)介一、鉆井液體系的選擇1.選擇鉆井液體系的基本準(zhǔn)則2.根據(jù)油氣井的類型選擇體系區(qū)域探井和預(yù)測(cè)井

選用不影響地質(zhì)錄井并有利于發(fā)現(xiàn)產(chǎn)層的鉆井液體系。即要求鉆井液的熒光度和密度要低，該類鉆井液不能混油。盡量使用不分散聚合物鉆井液，維護(hù)低密度和低固相。第32頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月2.根據(jù)油氣井的類型選擇體系生產(chǎn)井

對(duì)鉆井液的主要要求是保護(hù)好油氣層和提高鉆速。一般在上部多采用不分散聚合物鉆井液，鉆至油層時(shí)再換用適應(yīng)的完井液以保護(hù)油氣層。調(diào)整井

調(diào)整井特點(diǎn)是地層壓力高，該類井的鉆井液密度常常高達(dá)2.0以上，有時(shí)最高可達(dá)2.7。這樣高的密度給鉆井液的配制和維護(hù)帶來了較大的困難，為了提高固相容量限，一般多選用分散鉆井液體系，必要時(shí)也可選用油基鉆井液。超深井要求：鉆井液熱穩(wěn)定性好；高溫對(duì)性能影響小；高壓差下泥餅的可壓縮性好等。必須選用抗溫能力強(qiáng)的處理劑和鉆井液體系。除選用油基鉆井液最為理想外，目前國內(nèi)對(duì)付超深井最有效的水基鉆井液是分散型的三磺鉆井液體系。今年來有進(jìn)一步發(fā)展成聚磺鉆井液體系。定向井和水平井鉆柱摩阻高、易卡鉆、井壁不穩(wěn)定傾向比直井高。必須采取比直井要求更高的防塌、防卡和攜屑等技術(shù)措施。陽離子聚合物鉆井液和鉀石灰反絮凝鉆井液等。

第33頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月3.根據(jù)地層特點(diǎn)選擇體系(1)鹽膏層

鉆遇很薄的鹽膏層：選用抗鹽、抗鈣的添加劑及時(shí)進(jìn)行維護(hù)；另一種辦法是在進(jìn)入鹽膏層前將鉆井液轉(zhuǎn)化為鹽水體系。對(duì)于厚的復(fù)雜鹽膏層：一項(xiàng)較有效的措施是選用油基鉆井液；另一措施是選用飽和鹽水鉆井液。(2)易塌地層1)對(duì)于強(qiáng)分散高滲透性的砂泥巖地層，應(yīng)采用強(qiáng)包被的聚合物鉆井液；2)對(duì)于硬脆性頁巖及微裂縫發(fā)育的易塌層，應(yīng)選用瀝青類處理劑以封堵層理和裂隙，并起降低高溫高壓(HTHP)濾失量和泥餅滲透性的作用；3)對(duì)于存在混層粘土礦物的易塌層，必須選擇抑制性強(qiáng)的鉆井液，如鉀基(或鉀胺基)聚合物鉆井液、鉀石灰鉆井液和陽離子聚合物鉆井液等，并最好加入封堵劑；4)對(duì)于用水基鉆井液難以對(duì)付的易坍塌層，可使用平衡活度的油基鉆井液；5)井塌常發(fā)生在有異常壓力存在或構(gòu)造應(yīng)力發(fā)育的地帶，因此應(yīng)根據(jù)裸眼井段最高的地層壓力系數(shù)確定鉆井液密度，防止負(fù)壓鉆井。

第34頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月(3)易漏失地層(4)易卡鉆地層壓差卡鉆多發(fā)生在易形成較厚泥餅的高滲透性地層，如粗砂巖地層等。這類地層一般對(duì)鉆井液有下述要求：1)減小壓差是防卡的有效措施，因此要求鉆井液要有合理的密度；2)固相含量應(yīng)盡可能低，特別是無用低密度固相的體積分?jǐn)?shù)不得超過0.06；3)應(yīng)根據(jù)鉆井液類型的不同，選擇有效的潤滑劑，對(duì)探井、資料井，應(yīng)選擇對(duì)地質(zhì)錄井資料沒有影響的無熒光潤滑劑；4)應(yīng)儲(chǔ)備足夠的解卡劑，一旦發(fā)生卡鉆，可及時(shí)浸泡解卡。

4.根據(jù)儲(chǔ)層性質(zhì)選擇體系

第35頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月二、鈣處理鉆井液

鈣處理鉆井液是一類以鈣離子提供抑制性化學(xué)環(huán)境的鉆井液。常用的鈣有三種：石灰、石膏和氯化鈣，相應(yīng)稱為石灰鉆井液、石膏鉆井液和氯化鈣鉆井液。1.原理加入鉆井液中的Ca2＋交換粘土表面的Na＋，將鈉土轉(zhuǎn)變?yōu)殁}土，鈣土水化能力弱，分散度低，使粘土顆粒形成一定的絮凝狀態(tài)。鈉土轉(zhuǎn)化為鈣土的程度取決于吸附Ca2＋的數(shù)量、粘土的陽離子交換容量及濾液中的Ca2＋的濃度。另一方面，Ca2＋本身是一種無機(jī)絮凝劑，會(huì)壓縮雙電層，使粘土顆粒水化膜減薄，ζ電位降低，從而引起粘土面-面連接和邊-面連接，使粘土分散度下降。鉆井液中加入Ca2＋的同時(shí)，加入鐵鉻木質(zhì)素磺酸鹽等分散劑，這類分散劑吸附在土粒上會(huì)使土粒的水化膜增厚，ζ電位上升，阻止分散度下降。于是調(diào)節(jié)Ca2＋和分散劑的加量，就可將土粒的分散度控制在適度絮凝的粗分散狀態(tài)。第36頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月2.石灰鉆井液(1)主要處理劑丹寧、石灰、燒堿，有時(shí)也加入褐煤堿液控制濾失量。(2)維護(hù)3.石膏鉆井液(1)與石灰鉆井液的區(qū)別1)石膏的溶解度比石灰大得多，因此石膏鉆井液比石灰鉆井液含Ca2+量高而堿度低，因而可以增加其對(duì)粘土的抑制效果；2)當(dāng)鉆遇大段石膏時(shí)，適合使用這種鉆井液。因?yàn)樗梢韵拗剖鄬拥娜芙猓?)只要固相含量控制在所要求的范圍內(nèi)，它比石灰鉆井液的抗鹽能力強(qiáng)；4)因?yàn)槠鋲A度低，這種鉆井液對(duì)高溫固化的敏感性比其它鈣處理鉆井液低。（2）鉆井液類型石膏鉆井液的主要類型有：1)混合劑－石膏鉆井液：混合劑由褐煤、燒堿、丹寧、純堿及水組成，比例為5∶4∶1∶5∶25。2)FCLS－石膏鉆井液：鉆井液用鐵鉻木質(zhì)素磺酸鹽作為稀釋劑，鈉羧甲基纖維素作為降失水劑。4.褐煤－CaCl2鉆井液(1)原理(2)維護(hù)第37頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月三、含鹽鉆井液1.定義和分類

凡含鹽超過1.0104mg/L(氯離子含量6000mg/L)的鉆井液統(tǒng)稱為含鹽鉆井液。它包括三種類型：1)鹽水鉆井液。其含鹽量自1％開始直到飽和以前都屬于此類。2)海水鉆井液。它是一種由海水配成的含鹽鉆井液，不僅含有約3104mg/L的鹽(NaCl)，且含有一定量的Ca2＋及Mg2＋。3)飽和鹽水鉆井液。其含鹽量已達(dá)飽和，即濃度為3.15105mg/L左右(視溫度而變化)。2.NaCl對(duì)鉆井液性能的影響

氯化鈉對(duì)水化膨潤土鉆井液的影響規(guī)律是：隨著氯化鈉的增加，粘度開始急劇上升，而后下降，最后粘土加到不同濃度的鹽水溶液中配成鉆井液時(shí)，又有所增加；濾失量則是連續(xù)增加。若把干粘土加到不同濃度的鹽水溶液中配成鉆井液時(shí)，粘度即隨含鹽量的增加開始持續(xù)下降，而后基本上保持不變；濾失量則大幅度地持續(xù)上升，這是由于膨潤土在鹽水中不水化分散而造成的。由此可以說明含鹽鉆井液能有效地抑制泥頁巖的水化分散作用，具有良好的防塌效果，是抑制性較強(qiáng)的一種鉆井液。第38頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月除此之外，NaCl在鉆井液中還會(huì)引起下述的變化：1)降低鉆井液的pH值。當(dāng)鈉鹽增多時(shí)，粘土顆粒上的H＋被Na＋置換下來，引起鉆井液pH值的降低。2)降低化學(xué)處理劑的溶解度和效能。3)引起鉆具等設(shè)備的腐蝕。4)引起鉆井液產(chǎn)生泡沫。3.處理劑的選擇(1)護(hù)膠劑的選擇(2)配漿土選擇4.優(yōu)點(diǎn)1)抗鹽抗鈣能力強(qiáng)，適用于鉆含鹽地層和深井；2)可有效地抑制泥頁巖水化，防止井塌；3)有效地抑制地層造漿，鉆井液性能穩(wěn)定，流動(dòng)性好；4)對(duì)油層損害小。第39頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月四、鉀基鉆井液鉀基鉆井液是以各種鉀鹽為主處理劑的水基鉆井液。國內(nèi)外實(shí)踐表明鉀基鉆井液可使井壁穩(wěn)定、井下安全，具有明顯的防塌效果。1.鉀基鉆井液類型與成分

(1)KCl－聚合物鉆井液(2)KCl分散型鉆井液(3)KOH－褐煤鉆井液(4)KOH－木質(zhì)磺酸鹽鉆井液(5)鉀石灰鉆井液第40頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月2.防塌機(jī)理

(1)K＋的作用在易水化膨脹的蒙脫石粘土礦物中，每一個(gè)晶胞都是由兩個(gè)硅氧四面體片夾一個(gè)鋁氧八面體片組成。裸露在晶胞表面的是硅氧四面體的六角環(huán)形氧原子層，其內(nèi)切圓直徑為0.28nm，K＋的直徑是0.266nm，而且K＋比其它可交換性陽離子有更強(qiáng)的吸附能力，所以，K＋極易把粘土表面的其它陽離子置換出來而吸附在粘土表面。1)K＋吸附能力強(qiáng)，但水化差，吸附在粘土表面后，嵌入粘土晶格，因而它比其它陽離子更靠近粘土負(fù)電荷中心，降低了粘土的負(fù)電位，而鉀離子本身又是水化很差的離子，于是降低了粘土的水化能力；2)K＋嵌入粘土晶格，增強(qiáng)了晶層間的連接力，使粘土不易膨脹分解；3)K＋嵌入粘土晶格，使粘土層面形成封閉結(jié)構(gòu)，防止粘土表面水化。(2)聚合物的作用鉀鹽鉆井液中的聚合物是絮凝劑而不是分散劑，聚合物吸附在粘土表面，包住粘土顆粒，從而起到封閉隔水作用，抑制粘土的水化。鉀褐煤還可提供K＋，使泥餅致密堅(jiān)韌，降低鉆井液濾失量，從而起到保護(hù)泥頁巖，防止井塌的作用。鉀石灰鉆井液主要用來對(duì)付非高度膨脹性頁巖，其原理是：對(duì)于非膨脹性頁巖，其水化程度較低的粘土片間距為1.5nm，比水化了的Ca2＋小而比K＋大得多，因此Ca2＋不能進(jìn)入土片之間，它優(yōu)先吸附在粘土顆粒表面上，占去交換位置，減少K＋的消耗，使K＋能更多地進(jìn)入粘土晶格內(nèi)，而起到更好的防塌作