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

一、鉆井液的定義

鉆井時(shí)用來清洗井底并把巖屑攜帶到地面、維持鉆井操作正常進(jìn)行的流體稱為鉆井液或洗井液。 二、鉆井液的功用

1．?dāng)y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(jī)

膨潤土(油基鉆井液用)和地層進(jìn)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:增粘、稀釋、漿失水、PH值、防塌等。第二節(jié)鉆井液的組成和分類二、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(jìn)。

（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、PHP），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。特點(diǎn)：提高鉆速，減少對(duì)產(chǎn)層的傷害。（6）飽和鹽水體系——氯離子含量達(dá)189g/L的水基鉆井液。特點(diǎn)：抗鹽侵，抑制粘土水化。海上鉆井、鉆鹽巖層和泥頁鹽層。（7）修井完井液體系——

水+鹽+聚合物等；油基鉆井液。特點(diǎn)：低密度、無固相、抑制粘土膨脹、低濾失，保護(hù)油氣層。（8）油基鉆井液體系—油包水乳化鉆井液：油+水+乳化劑油基鉆井液：柴油+氧化瀝青、有機(jī)酸、堿特點(diǎn)：耐高溫、保護(hù)油氣層、防止水敏性地層吸水膨脹。

摩阻小，用于大位移水平井，或特出復(fù)雜層段。（9）空氣、霧、泡沫和氣體體系——欠平衡壓力鉆井。特點(diǎn)：提高鉆速，保護(hù)油氣層。適用于低壓油氣層、易漏的裂縫性油氣層、低滲透油氣層等。井壁應(yīng)比較穩(wěn)定的地層。

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(dòng)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）—鉆井液在鉆柱和環(huán)空內(nèi)流動(dòng)時(shí)，速度分布不均勻，中心處流速大，向外流速減小。

單位距離內(nèi)流速的增量稱為流速梯度。

第三節(jié)鉆井液的性能剪切應(yīng)力—液流中各層速度不同，層間必有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，發(fā)生內(nèi)摩擦，阻礙液層作相對(duì)運(yùn)動(dòng)。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(dòng)時(shí)剪應(yīng)力與流速梯度的關(guān)系，將液體流動(dòng)分為四種流型：

牛頓流型：

塑性流型：假塑性流型（n<1)

膨脹流型

(n>1)1．塑性流型的特點(diǎn)

(1)所加切應(yīng)力達(dá)到某一最低τs之后才開始流動(dòng)，這個(gè)最低切應(yīng)力

稱為靜切應(yīng)力。又稱凝膠強(qiáng)度。它代表了鉆井液靜止時(shí)單位面積上所形成的連續(xù)空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。(2)當(dāng)切應(yīng)力繼續(xù)增大，流變曲線出現(xiàn)直線段，延長該直線與切應(yīng)力軸相交于τ0，稱為動(dòng)切應(yīng)力或屈服值。是鉆井液處于層流狀態(tài)時(shí)鉆井液中網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的量度。（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(dòng)所需的最低切應(yīng)力，它是鉆井液靜止時(shí)單位面積上所形成的連續(xù)空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的量度。它反映了鉆井液觸變性的好壞。

調(diào)整方法：無機(jī)鹽（改變粘土顆粒間靜電力）、降粘劑或增粘劑。

2.動(dòng)切應(yīng)力（屈服值）

流變曲線直線段的延長線與切應(yīng)力軸交點(diǎn)的應(yīng)力大小。反映在層流狀態(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

μpv

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(dòng)時(shí)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：

表觀粘度等于塑性粘度與結(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。5、動(dòng)塑比

動(dòng)切力與塑性粘度之比，反映了鉆井液結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與塑性粘度的比例關(guān)系。動(dòng)塑比大，流動(dòng)過水?dāng)嗝孑^平緩，剪切稀釋能力強(qiáng)，但流動(dòng)阻力大，泵壓高。

理想值：

=0.36~0.48。 （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，隨剪切速率增加而變稀（剪切稀釋特性）；

n＞1，膨脹型流體，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。

（三）流變參數(shù)的測定

儀器：六速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)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(dòng)切力(屈服值)：

3.粘度、流性指數(shù)及粘度系數(shù)

表觀粘度：塑性粘度：

流性指數(shù)：稠度系數(shù)：

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(shí)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(shí)間內(nèi)，鉆井液迅速向地層滲濾，此時(shí)的濾失稱為瞬時(shí)濾失。瞬時(shí)濾失量有利于提高鉆速，但嚴(yán)重?fù)p害油氣層。2.動(dòng)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(shí)。同時(shí)，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(dá)到平衡，此時(shí)濾餅厚度不變，濾失速率也保持不變。這種鉆井液在井內(nèi)循環(huán)流動(dòng)時(shí)的濾失過程稱為動(dòng)濾失。3．靜濾失

鉆井液在停止循環(huán)時(shí)的濾失過程稱為靜濾失。隨著濾失過程的進(jìn)行，濾餅逐漸增厚，濾失阻力逐漸增大，濾失速率逐漸減小。影響濾失量的因素：濾失時(shí)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(jiān)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

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(shí)，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。

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(jī)理：

1．護(hù)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(xì)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(hù)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、固相對(duì)鉆井的影響

1．固相含量升高，鉆速降低；

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(duì)油氣層損害嚴(yán)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(jī)械設(shè)備清除固相 振動(dòng)篩：清除0.5mm以上固相顆粒。 旋流分離器：除砂器>74μm、除泥器

10

~

74μm；超級(jí)分離器：

5

~

10μm;

離心機(jī)：清除2～5μm以上的顆粒和回收重晶石。

5.聚合物絮凝劑

功用：清除更細(xì)小的顆粒

類型:全絮凝劑—聚丙烯酰胺（PAM）

選擇性絮凝劑—只絮凝鉆屑和劣質(zhì)土，不絮凝膨潤土。

如水解聚丙烯酰胺（PHP）。作用機(jī)理：吸附→架橋→形成團(tuán)塊。加量：固相飽和吸附量的二分之一。一、井塌的原因（1）地質(zhì)因素 異常高壓的釋放，鉆遇破碎帶、斷層、微裂縫發(fā)育地層、煤層、高構(gòu)造應(yīng)力地層、膏鹽層等。（2）工程因素 大排量鉆井液沖刷井壁，起下鉆引起的壓力激，鉆井液液柱壓力低于井壁坍塌壓力，鉆井液侵泡時(shí)間長等。（3）泥頁巖的水化膨脹 泥頁巖中的粘土礦物容易吸水膨脹和分散，造成井壁巖石強(qiáng)度降低，引起井壁不穩(wěn)定。井壁不穩(wěn)定主要是泥頁巖的水化問題。第五節(jié)井塌及防塌措施

二、防塌措施

1．鉆井液中加入K+、NH+4等無機(jī)陽離子

（1）K+的固定作用

K+進(jìn)入晶層之間并嵌入到相鄰兩層硅氧四面體氧原子組成的六角環(huán)中，把帶負(fù)電荷的粘土晶片緊緊聯(lián)結(jié)在一起，阻止水化膨脹。

（2）K+的水化較弱，抑制粘土水化膨脹。

K+離子的未水化直徑（0.266nm）比Na+離子未水化直徑（0.19nm）大，而K+離子水化半徑比Na+離子水化半徑小，因而K+離子水化能(322J／mol)比Na+離子的水化能(406J／mol)低，水化膜薄。當(dāng)它進(jìn)入粘土的層間，既減少粘土的水化，又增加粘土層間的吸引力。

（3）使粘土顆粒的擴(kuò)散雙電層變薄，

利于有機(jī)處理劑分子

在粘土上的吸附。

K+等電解質(zhì)的加入，使粘土顆粒的ξ電位降低，擴(kuò)散雙電層變薄，有利于各種有機(jī)

處理劑分子的吸附（非極性容易吸附非極性），提高處理劑的使用效果。

2．加入高聚物

（1）高聚物在井壁上形成多點(diǎn)吸附，鞏固井壁高聚物三種吸附方式：單點(diǎn)吸附、環(huán)—軌—尾吸附、多點(diǎn)吸附;

常用的高聚物：

聚丙烯酰胺(PAM)、部分水解聚丙烯酰胺(PHP)、陽離子聚丙烯酰胺、各種陽離子聚合物、兩性離子聚合物FA367等。

（2）高聚物分子的護(hù)膠和堵孔作用

3．利用瀝青類物質(zhì)在井壁上起封堵作用

瀝青類物質(zhì)親水性弱，親油性強(qiáng)，可有效地涂敷在井壁上上形成一層油膜。

（1）減輕鉆具與井壁的摩擦和鉆具對(duì)井壁的沖擊；

（2）防止濾液向地層滲透。

常用的封堵類防塌劑：

磺化瀝青、氧化瀝青、植物渣油、磺化妥爾油瀝青。

第六節(jié)油氣層保護(hù)及完井液一、儲(chǔ)層損害的主要原因及防止措施

1．外來流體中的固體顆粒對(duì)儲(chǔ)層的損害 在壓差的作用下，外來流體中粒徑極小的固體顆粒(粘土、巖屑、加重材料等)在濾餅形成前會(huì)侵入儲(chǔ)層，造成儲(chǔ)層油氣流通道堵塞，儲(chǔ)層滲透性降低。

防止措施：

（1）實(shí)施屏蔽暫堵技術(shù) 選擇與儲(chǔ)層孔喉直徑相匹配的架橋粒子（如酸溶性超細(xì)碳酸鈣、油溶樹脂等，直徑為儲(chǔ)層平均孔徑的1/2～2/3，加入量一般大于3％。），再配用充填粒子（如磺化瀝青、氧化瀝青、石蠟、樹脂等）封堵孔喉。 （2）使用無固相清潔鹽水做完井液2．儲(chǔ)層內(nèi)部微粒運(yùn)移造成的損害

流體在油氣層孔隙通道流動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)地層中的微粒移動(dòng)，大于孔喉直徑的微粒便被捕集而沉積下來，對(duì)孔喉造成堵塞，也可能幾個(gè)微粒同時(shí)聚集在孔喉處形