鉆井工程鉆井液

鉆井工程鉆井液第一節(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(hù)及完井液主要內(nèi)容第2頁,共62頁，2024年2月25日，星期天一、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(jìn)行的流體稱為鉆井液或洗井液。洗井液－鉆井泥漿－鉆井液－氣體鉆井？第一節(jié)鉆井液的定義和功用第3頁,共62頁，2024年2月25日，星期天二、鉆井液的功用（循環(huán)過程見圖）

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.傳遞水功率第一節(jié)鉆井液的定義和功用第4頁,共62頁，2024年2月25日，星期天鉆井液的流動路徑(開始)鉆井液池(泥漿池)

鉆井泵

地面高壓管匯

立管

水龍帶

水龍頭

方鉆桿

鉆桿

鉆鋌

鉆頭

環(huán)空

導(dǎo)管

高架泥漿槽

振動篩除砂器/除泥器

鉆井液池(泥漿池)第5頁,共62頁，2024年2月25日，星期天第6頁,共62頁，2024年2月25日，星期天第7頁,共62頁，2024年2月25日，星期天一、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：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：鉆屑和加重材料。(4)各種鉆井液添加劑:增粘、稀釋、降失水、PH值、防塌等。第二節(jié)鉆井液的組成和分類第8頁,共62頁，2024年2月25日，星期天二、鉆井液的分類

API和IADC分類： (1)不分散體系——

開鉆用鉆井液、天然鉆井液(自然造漿而成)、及輕處理鉆井液;用于淺層鉆進(jìn)(2)分散體系——

水+膨潤土+分散劑（鐵絡(luò)木質(zhì)素黃酸鹽等);用于深井或復(fù)雜井。(3)鈣處理體系——

水基鉆井液+鈣鹽（石灰、石膏、氯化鈣)，特點(diǎn)：抑制粘土、頁巖膨脹。

第二節(jié)鉆井液的組成和分類第9頁,共62頁，2024年2月25日，星期天(4)聚合物體系——水基鉆井液+高聚物(聚丙烯酰胺PAM、PHP)

特點(diǎn)：增粘，降失水，穩(wěn)定性能。(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，減少對產(chǎn)層的傷害。

第二節(jié)鉆井液的組成和分類第10頁,共62頁，2024年2月25日，星期天（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、鉆鹽巖層和泥頁巖層。（7）完井修井液體系——

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。第二節(jié)鉆井液的組成和分類第11頁,共62頁，2024年2月25日，星期天（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，或特別復(fù)雜層段。第二節(jié)鉆井液的組成和分類第12頁,共62頁，2024年2月25日，星期天（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。第二節(jié)鉆井液的組成和分類第13頁,共62頁，2024年2月25日，星期天一、鉆井液的密度

第三節(jié)鉆井液的性能1.對密度的要求調(diào)節(jié)井內(nèi)鉆井液的靜液柱壓力平衡巖石側(cè)向壓力，維持井壁穩(wěn)定，防塌。平衡地層壓力，避免發(fā)生井噴及井涌等事故鉆井液密度不能太高，也不能太低，也合適。第14頁,共62頁，2024年2月25日，星期天第三節(jié)鉆井液的性能2.調(diào)整鉆井液密度的方法提高密度(井噴)加重重晶石：BaSO4，>=4.2石灰石：CaCO3，>=2.7鈦鐵礦粉：TiO2.FeO，4.7降低密度(井漏)降低固相含量加水稀釋混油充氣加絮凝劑第15頁,共62頁，2024年2月25日，星期天

流變性：粘度和切力等隨流速變化的性能。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)：鉆井液在鉆柱和環(huán)空內(nèi)流動時，速度分布不均勻，中心處流速大，向外流速減小。

二、鉆井液的流變性能及調(diào)整

(RheologicalPropertiesofDrillingFluids)第16頁,共62頁，2024年2月25日，星期天

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(yùn)動，發(fā)生內(nèi)摩擦，阻礙液層作相對運(yùn)動。第17頁,共62頁，2024年2月25日，星期天

根據(jù)液體流動時剪應(yīng)力與流速梯度的關(guān)系，將液體流動分為四種流型：

1.牛頓流型：2.塑性流型：3.假塑性流型（n<1)4.膨脹流型(n>1)：第18頁,共62頁，2024年2月25日，星期天冪律流體（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19頁,共62頁，2024年2月25日，星期天

1.靜切力（靜切應(yīng)力）

(GelStrength)

所加切應(yīng)力達(dá)到某一最低τs之后才開始流動，這個最低切應(yīng)力稱為靜切應(yīng)力。又稱凝膠強(qiáng)度。

(二)塑性流型的特點(diǎn)

它代表了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(qiáng)度。第20頁,共62頁，2024年2月25日，星期天

塑性流體其流變曲線為不通過原點(diǎn)O的一條直線，它表示這種流體具有一定的顆粒濃度，在靜止?fàn)顟B(tài)下形成顆粒之間的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，加外力進(jìn)行剪切時，要破壞結(jié)構(gòu)后才能開始流動。例如，泥漿中粘土顆粒的形狀很不規(guī)則，表面性質(zhì)也很不均勻，因此顆粒之間容易彼此粘結(jié)，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。倘若顆粒的濃度足夠大，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)能夠在泥漿中布滿整個空間，那么要使這種泥漿發(fā)生流動，就必須在一定程度上破壞這種連續(xù)結(jié)構(gòu)。靜切力產(chǎn)生原因第21頁,共62頁，2024年2月25日，星期天

2.動切應(yīng)力（屈服值）(YieldPoint)

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，稱為動切應(yīng)力或屈服值。

它是鉆井液處于層流狀態(tài)時鉆井液中網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的量度。

τ0

表示此流體運(yùn)動時結(jié)構(gòu)的存在及其數(shù)值的大小。第22頁,共62頁，2024年2月25日，星期天1.靜切力（靜切應(yīng)力）

(GelStrength)

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(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。

（三）塑性流型的流變參數(shù)及調(diào)整ot第23頁,共62頁，2024年2月25日，星期天2.動切應(yīng)力（屈服值）(YieldPoint)

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。第24頁,共62頁，2024年2月25日，星期天3.塑性粘度(PlasticViscosity)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。第25頁,共62頁，2024年2月25日，星期天4.表觀粘度（視粘度或有效粘度）(ApparentViscosity)

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：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。第26頁,共62頁，2024年2月25日，星期天5、動塑比

動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。動塑比大，流動過水?dāng)嗝孑^平緩，剪切稀釋能力強(qiáng)，但流動阻力大，泵壓高。理想值：=0.36～0.48。 第27頁,共62頁，2024年2月25日，星期天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。（三）假塑性流型和膨脹流型的流變參數(shù)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28頁,共62頁，2024年2月25日，星期天（四）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.動切力(屈服值)：

第29頁,共62頁，2024年2月25日，星期天漏斗粘度計(jì)第30頁,共62頁，2024年2月25日，星期天ZNN型旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)動力部分雙速同步電機(jī)、電源變速部分可變六速（轉(zhuǎn)/分）

3

6100200300600

測量部分扭力彈簧、刻度盤與內(nèi)外筒組成測量系統(tǒng)。第31頁,共62頁，2024年2月25日，星期天旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)實(shí)物與局部放大圖第32頁,共62頁，2024年2月25日，星期天

表觀粘度：

塑性粘度：

流性指數(shù)：

稠度系數(shù)：3.粘度、流性指數(shù)及粘度系數(shù)第33頁,共62頁，2024年2月25日，星期天（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。三、鉆井液的造壁性能及濾失量

第34頁,共62頁，2024年2月25日，星期天（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(yán)重?fù)p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(shí)。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(dá)到平衡，此時濾餅厚度不變，濾失速率也保持不變。第35頁,共62頁，2024年2月25日，星期天

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。

影響濾失量的因素：地層、壓差、固相類型和含量、粘度、流態(tài)。

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(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：

濾失時間、壓差、溫度、固相含量及類型、濾餅滲透率。 第36頁,共62頁，2024年2月25日，星期天靜液柱壓力泥餅靜失水動失水第37頁,共62頁，2024年2月25日，星期天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。（三）濾失量的測量和要求第38頁,共62頁，2024年2月25日，星期天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，高溫高壓濾失量不大于15mL。

控制濾失量的最好方法——用降濾失劑降低濾餅的滲透性。（三）濾失量的測量和要求第39頁,共62頁，2024年2月25日，星期天常用降濾失劑：

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；

（四）濾失量的控制第40頁,共62頁，2024年2月25日，星期天

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

第41頁,共62頁，2024年2月25日，星期天第四節(jié)鉆井液的固相控制一、固相對鉆井的影響

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，對油氣層損害嚴(yán)重。第42頁,共62頁，2024年2月25日，星期天

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；超級分離器：

5

~

10μm;

離心機(jī)：清除2～5μm以上的顆粒和回收重晶石。二、固相控制方法第43頁,共62頁，2024年2月25日，星期天

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。5.聚合物絮凝劑

第44頁,共62頁，2024年2月25日，星期天一、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，鉆井液侵泡時間長等。第五節(jié)井塌及防塌措施第45頁,共62頁，2024年2月25日，星期天（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46頁,共62頁，2024年2月25日，星期天

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。二、防塌措施

第47頁,共62頁，2024年2月25日，星期天

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。（2）K+的水化較弱，抑制粘土水化膨脹。第48頁,共62頁，2024年2月25日，星期天（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。第49頁,共62頁，2024年2月25日，星期天

（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2．加入高聚物第50頁,共62頁，2024年2月25日，星期天

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。3．利用瀝青類物質(zhì)在井壁上起封堵作用第51頁,共62頁，2024年2月25日，星期天一、儲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儲層的損害

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)在濾餅形成前會侵入儲層，造成儲層油氣流通道堵塞，儲層滲透性降低。

第六節(jié)油氣層保護(hù)及完井液第52頁,共62頁，2024年2月25日，星期天

防止措施：

（1）實(shí)施屏蔽暫堵技術(shù) 選擇與儲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第53頁,共62頁，2024年2月25日，星期天

流體在油氣層孔隙通道流動時，帶動地層中的微粒移動，大于孔喉直徑的微粒便被捕集而沉積下來，對孔喉造成堵塞，也可能幾個微粒同時聚集在孔喉處形成橋堵。防止微粒運(yùn)移的方法：（1）控制流體在地層內(nèi)流速低于臨界流速；（2）加入粘土微粒防運(yùn)移劑，陽離子型聚合物和非離子型聚合物，通過靜電引力或者化學(xué)鍵合力，將微粒橋接到地層表面，增強(qiáng)對粘土微粒的束縛力。2．儲層內(nèi)部微粒運(yùn)移造成的損害第54頁,共62頁，2024年2月25日，星期天

預(yù)防措施:（1）減少入井流體的濾夫量，提高濾液的礦化度（提高濾液的抑制性）（2）粘土防膨劑，防膨機(jī)理分為三大類：減小粘土表面負(fù)電性：鹽（KCl、NH4Cl）、陽離子聚合物、陽離子型表面活性劑；

3．儲層內(nèi)粘土水化膨脹引起孔喉堵塞

第55頁,共62頁，2024年2月25日，星期天

使粘土表面羥基化：變粘土表面為親油性和增強(qiáng)晶層間聯(lián)結(jié)。羥基氯代硅烷等。轉(zhuǎn)變粘土礦物類型：如硅酸鉀、氫氧化鉀等可將蒙脫石轉(zhuǎn)化為非膨脹型鉀硅鋁酸鹽。第56頁,共62頁，2024年2月25日，星期天

流體的不配伍是指不同流體相遇后會產(chǎn)生沉淀物，這些沉淀物會堵塞儲層孔隙喉道，造成儲層損害。（1）入井流體彼此不配伍，如鉆井液與水泥漿常不配伍，生成鈣鹽沉淀；（2）入井流體與地層水不配伍，如Ca2+與CO32－相遇，生成白色碳酸鈣沉淀；（3）入井流體造成儲層原油乳化，生成油包水乳狀