第一章鉆井液概論

鉆井液工藝學鉆井的目的：1、鑿開地層，建立地下油氣資源的輸出通道；2、獲取地下巖石和油、氣、水等有關信息。鉆井必須的流體-----鉆井液今天如果沒有它們，就不可能鉆出深井?，F(xiàn)代化的鉆井液是油井的命脈----鉆井的血液鉆井液工藝學鉆井液概論黏土礦物和黏土膠體化學基礎鉆井液的流變性鉆井液的濾失和潤滑性能鉆井液配漿原材料與處理劑水基鉆井液鉆井液工藝學油基與合成基鉆井液氣體型鉆井流體鉆井液固相控制防治井下復雜情況的鉆井液技術保護油氣層的鉆井液技術第一章鉆井液概論鉆井液的功用、類型和組成鉆井液性能及其測試鉆井液技術的發(fā)展概況第一節(jié)鉆井液功用、類型和組成1、鉆井液定義：指油氣鉆井過程中以其多種功能滿足鉆井工作需要的各種循環(huán)流體的總稱，又稱做泥漿。狹義的鉆井液：粘土以小顆粒狀態(tài)分散在水中所形成的溶膠懸浮體。廣義的鉆井液：凡鉆進中一切有助于從井眼中產(chǎn)生和清除鉆屑的流體。2、鉆井液循環(huán)系統(tǒng)：鉆井液流經(jīng)的各種管線和設備泥漿泵泥漿罐地面高壓管匯立管水龍帶

水龍頭方鉆桿鉆桿鉆鋌鉆頭鉆柱與井壁形成的環(huán)形空間從井口返出，流經(jīng)固控設備進行處理，清除鉆屑第一節(jié)鉆井液功用、類型和組成鉆井液循環(huán)系統(tǒng)圖

攜帶作用：鉆井液循環(huán)時，將井底被鉆頭破碎的巖屑攜帶到地面，保證鉆頭在井底始終接觸和破碎新地層，不造成重復切削。懸浮作用：在接單根、起下鉆或因故停止循環(huán)時，鉆井液依靠其粘度切力將井內的鉆屑懸浮在鉆井液中，防止沉砂卡鉆等。一、鉆井液的功用1．攜帶和懸浮巖屑2．平衡地層壓力和穩(wěn)定井壁地層壓力鉆井液壓力鉆井液井壁一、鉆井液的功用（1）選擇合適的鉆井液密度：使液柱壓力能夠平衡地層壓力，防止井塌。（2）鉆井液具有良好的濾失造壁性能：在井壁上形成一層薄而韌的泥餅，以穩(wěn)固已鉆開的地層并阻止液相侵入地層，減弱泥頁巖水化膨脹和分散的程度。3．冷卻和潤滑鉆頭、鉆具熱量來源1、通過鉆井液不斷地循環(huán)作用，將這些熱量及時帶走。1、井底溫度高。2、鉆頭與井底巖石、鉆柱與井壁摩擦而產(chǎn)生熱量。冷卻和潤滑機理2、利用鉆井液良好的潤滑作用，降低摩擦鉆井液在鉆頭噴嘴處以極高的流速沖擊井底，對井底巖石產(chǎn)生很大的沖擊力，從而起到破巖作用。高壓噴射鉆井正是利用了這一原理，采用高泵壓鉆進，使鉆井液所形成的高速射流對井底產(chǎn)生強大的沖擊力，從而顯著地提高了鉆速。

4．傳遞水動力二、鉆井液的類型1、鉆井液分類（1）按密度分：非加重鉆井液和加重鉆井液（2）按抑制粘土水化作用的強弱分：非抑制性鉆井液、抑制性鉆井液（3）按固相含量分：高固相鉆井液、低固相鉆井液和無固相鉆井液（4）按流體介質分水基鉆井液、油基鉆井液和氣體型鉆井流體。二、鉆井液的類型2、鉆井液類型①分散鉆井液(DispersedDrillingFluids)②鈣處理鉆井液（Calcium-treateddrillingfluids)③鹽水鉆井液（saltwaterdrillingfluid)④飽和鹽水鉆井液（saturatedsaltwaterdrillingfluids)二、鉆井液的類型⑤聚合物鉆井液(polymerdrillingfluids)⑥鉀基聚合物鉆井液（potassium-basedpolymerdrillingfluids)⑦油基鉆井液（oil-baseddrillingfluids)⑧合成基鉆井液（syntheticdrillingfluids)⑨氣體型鉆井流體（gas-typeddrillingfluids)⑩保護儲層的鉆井液（drilling-influids)二、鉆井液的類型三、鉆井液組成1、水基鉆井液（2）膨潤土：提粘切、降濾失（3）鉆井液處理劑：調整鉆井液性能（4）加重材料：提高鉆井液密度（1）水（或鹽水）2、油基鉆井液（1）油：柴油或礦物油（2）水或鹽水（3）乳化劑：乳化作用，保證乳狀液的穩(wěn)定（4）潤濕劑：使親水性固相轉變?yōu)橛H油，有利于在油中懸?。?）親油膠體：增粘、降濾失（6）石灰和加重材料三、鉆井液組成（1）定義：單位體積鉆井液的質量。g/cm3t/m3

（2）對鉆井的影響a影響井下安全（井噴、井漏、井塌和卡鉆等）b與油氣層損害有關c影響鉆井速度一、鉆井液密度第二節(jié)鉆井液性能及其測試1、鉆井液密度的測試

鉆井液比重稱1-稱桿；2-主刀口；3-泥漿杯；4-杯蓋；5-校正筒；6-游碼；

7-底座；8-主刀墊；9-檔壁2、鉆井液密度調整（1）提高鉆井液密度方法：加入高密度材料加重材料高密度不溶性礦物或礦石粉末高密度的可溶性鹽類表1高密度不溶性礦物或礦石酸溶4.5-5.1TiO2.Fe2O3鈦鐵礦粉酸溶7.4-7.7PbS方鉛礦酸溶4.9-5.3Fe2O3鐵礦粉酸溶2.7-2.9CaCO3石灰石4.2-4.6BaSO4重晶石酸溶性密度g/cm3分子式名稱1.80(10℃)CaBr22.30(40℃)ZnBr21.40(60℃)CaCl21.20(20℃)NaCl

1.16(20℃)

KCl飽和鹽水密度g/cm3水溶性鹽表2可溶性鹽類加重材料設某鉆井液加重前密度為ρ1

，體積為V1，加重后密度為ρ2

，體積為V2，試求密度為ρ的加重劑用量？加重前后體積關系式：加重前后質量關系式：加重材料用量計算若泥漿罐有限制，加重前需排放掉部分鉆井液，可根據(jù)加重后體積V2(一般為泥漿池的體積)，計算出應保留的原漿體積V1，然后計算加重劑用量

m或體積V。加重材料用量計算關鍵是先求出應保留的原漿體積V1：

V1=V2(ρB-ρ2)／(ρB-ρ1)再求加重劑用量

m:例：使用重晶石將200m3密度為1.32g/cm3的鉆井液加重到密度為1.38g/cm3。（1）如最終體積無限制，求重晶石（密度為4.2g/cm3）的用量（2）如果最終體積200m3，求重晶石的用量解:(1)(2)設應保留的原漿體積V1V1=V2(ρB-ρ2)／(ρB-ρ1)2、降低鉆井液密度降低鉆井液固相含量（機械+化學絮凝）加水稀釋（增加處理劑用量和鉆井液費用）混油（影響地質錄井和測井解釋）充氣（需額外設備）二、鉆井液流變性鉆井液流變性（RheologicalPropertiesofDrillingFluids）是指在外力作用下，鉆井液發(fā)生流動和變形的特性，其中流動是主要的方面。該特性通常用鉆井液的流變曲線和塑性粘度（PlasticViscosity）、動切力（YieldPoint）、靜切力（GelStrength）、表觀粘度（ApparentViscosity）等流變參數(shù)來進行描述的。三、鉆井液濾失造壁性濾失、造壁性概念:在壓力差作用下，鉆井液中的自由水向井壁孔隙或裂縫滲透，鉆井液中的固相顆粒附著在井壁上形成泥餅的過程。隨著泥餅的不斷加厚以及在壓差作用下被壓實，泥餅對裸眼井壁起到有效穩(wěn)定和保護作用，這是鉆井液的造壁性。四、鉆井液的PH值和堿度1、鉆井液的pH值鉆井液對pH值要求：一般控制在（8-11）范圍，即維持在一個較弱的堿性環(huán)境。原因：粘土具有適當?shù)姆稚⒍龋阌诳刂坪驼{整鉆井液性能可以使有機處理劑充分發(fā)揮其效能對鉆具腐蝕性低可抑制體系中鈣、鎂鹽的溶解pH值對膨潤土基漿表觀粘度的影響分散鉆井液pH值大于10石灰鈣處理鉆井液pH值11~12石膏鈣處理鉆井液pH值9.5~10.5聚合物鉆井液pH值8左右不同類型的鉆井液，所要求的PH值的范圍也有所不同用pH試紙或pH計測量pH值1、鉆井液的pH值2、鉆井液的堿度（a）堿度：指溶液或懸浮體系對酸的中和能力。

用0.02mol/L的標準硫酸中和1ml樣品至酸堿指示劑變色時所需要的體積（單位：毫升）。優(yōu)點:

較方便地確定鉆井液濾液中的OH-

、CO32-

、HCO3-含量

可以確定鉆井液體系中懸浮石灰的量（儲備堿度）（b）堿度的測定①酚酞堿度：用0.02mol/L的標準硫酸中和1ml樣品至酚酞指示劑變色時所需要的體積（單位：毫升）。用Pm、Pf

、表示各種堿度。以酚酞為指示劑，用硫酸滴定樣品由紅色變?yōu)闊o色，體系中以下反應進行完全：

OH-+H+=H2OCO32-+H+=HCO3-②甲基橙堿度：用0.01mol/L的標準硫酸中和1ml樣品至甲基橙指示劑變色時所需要的體積（單位：毫升）。用Mm、Mf

表示各種堿度OH-+H+=H2OCO32-+H+=HCO3-加入甲基橙指示劑，用硫酸滴定至樣呈橙紅色，此時體系發(fā)生如下反應：（b）堿度的測定Pf與Mf值與三種離子質量濃度之間的關系條件

[OH-]/mg·l-1[CO32-]/mg·l-1[HCO3-]/mg·l-1Pf=0001220Mf2Pf＜

Mf01220Pf1220（Mf-2Pf

）2Pf＝

Mf0

1220Pf02Pf＞

Mf340（2Pf-Mf

）1220（Mf-Pf

）0Pf=

Mf340

Mf00儲備堿度：鉆井液中未溶石灰構成的堿度。儲備堿度通常用體系中未溶Ca(OH)2的含量來表示，用測得的Pf、Pm計算。儲備堿度（kg/m3）=0.742（Pm

-

fwPf

）fw----鉆井液中水的體積分數(shù)。鈣處理鉆井液的儲備堿度一般為3~6kg/m3。（b）堿度的測定某鉆井液固相含量測定實驗中測得固含10%，油含5%；又在堿度測定實驗中測得鉆井液濾液的酚酞堿度為1.1ml、甲基橙堿度為1.3ml，用蒸餾水稀釋，使懸浮的石灰全部溶解，又測得鉆井液的酚酞堿度為7.0ml。求此鉆井液儲備堿度。例題解：Pm=7.0；fw=1-10%-5%=85%；Pf=1.1

儲備堿度=0.742（Pm-fwPf

）

=0.742（7.0-0.85×1.1）

=4.500（kg/m3）例題鉆井液中CO32-和HCO3-均為有害離子，影響鉆井液的流變和降濾失性能，應盡量除去。

鉆井液濾液的甲基橙堿度（Mf

）/酚酞堿度（Pf）之比表示它們的污染程度。Mf/Pf=3表明CO32-較高，出現(xiàn)CO32-污染；Mf/Pf≥5表明出現(xiàn)嚴重CO32-污染；一般鉆井液、海水鉆井液Pf=1.3~1.5ml飽和鹽水保持Pf

在1ml以上深井抗高溫嚴格控制CO32-含量，Mf/Pf＜3要求：四、鉆井液的PH值和堿度五、鉆井液含砂量鉆井液含砂量是指鉆井液中不能通過200目篩網(wǎng)的砂粒占鉆井液同體積的百分數(shù)。N=砂粒體積/鉆井液體積無用固相：鉆屑2、固相控制方法(1)沉降法(2)稀釋法(3)機械設備法：振動篩、除砂器、除泥器、離心機(4)化學法：使用絮凝劑1、鉆井液固相類型有用固相：配漿粘土、加重材料

六、鉆井液固相含量固控:在保存適量有用固相的前提下,盡可能清除無用固相的工藝。3、固相含量與井下安全的關系（1）使鉆井液流變性不穩(wěn)定（2）泥餅質量差（3）鉆井液性能難以維護

(4)固相含量高，對油氣層損害嚴重4、固相含量對鉆速的影響固相含量越高，鉆速越小。固相類型不同，鉆速影響不一樣。六、鉆井液固相含量鉆井液中固相含量，體積%鉆井液中固相含量，體積%鉆井液固相含量極其類型對鉆速的影響固相含量與鉆井液密度相關，在滿足密度要求的情況下，固相含量應盡可能低。六、鉆井液膨潤土含量及其測試為什么測鉆井液膨潤土含量？正面作用：提粘切降濾失負面作用：影響鉆速2、膨潤土含量的測定—亞甲基藍法

原理：亞甲基藍是一種陽離子染料，易與鉆井液中的膨潤土發(fā)生離子交換。發(fā)生交換的陽離子數(shù)目可通過消耗的亞甲基藍確定。100ml鉆井液所能吸附的亞甲基藍的量。步驟：先用亞甲基藍法測出鉆井液中陽離子交換容量(CEC)m，再通過計算確定膨潤土的含量。鉆井液中的膨潤土含量

fc=

14.3(CEC)m50ml鉆井液處理后用0.01mol/l的亞甲基藍進行滴定，達終點時用去2.4ml標準亞甲基藍。求鉆井液中膨潤土含量。解：膨潤土含量

fc=14.3(CEC)m=14.3×2.4×2=68.64（g/l）例題：第三節(jié)鉆井液技術的發(fā)展概況?

鉆井液技術的發(fā)展?

鉆井液技術發(fā)展趨勢鉆井的發(fā)展：人工掘井、頓鉆鉆井、旋轉鉆井、連續(xù)管鉆井1、1914-1916年清水作為旋轉鉆井的洗井介質，即開始使用泥漿。2、20世紀20-60年代以分散型水基鉆井液為主要類型的階段：細分散體系和粗分散體系。同時也出現(xiàn)了早期使用的油基泥漿和氣體型鉆井流體。在這一階段中，有代表性的技術措施包括以下幾種：一、鉆井液技術發(fā)展①1921-1922年，開始使用重晶石和氧化鐵做加重材料。②1926年，開始使用膨潤土作為懸浮劑。③1930年，研制出最早的鉆井液處理劑---單寧酸鈉。④1931-1937年，研制出各種鉆井液測量儀器。⑤1944-1945年，Na-CMC作為降濾失劑使用。⑥1965年，F(xiàn)CLS作為降粘劑使用⑦從60年代開始，粗分散鉆井液開始廣泛使用。一、鉆井液技術發(fā)展3、70年代以后，以聚合物鉆井液為主要類型的階段。聚合物鉆井液可分為以下幾種類型：①部分水解聚丙烯酰胺體系②氯化鉀聚合物鉆井液體系③羥乙基纖維素體系

聚合物對提高鉆井速度、維持井壁穩(wěn)定等方面起著非常重要的作用。聚合物鉆井液的出現(xiàn)標志著鉆井液工藝技術進入了科學的發(fā)展階段，一、鉆井液技術發(fā)展⑥聚丙烯與聚乙二醇共聚物體系⑦陽離子聚合物體系此外，在這一階段，油基鉆井液體系也有了進一步發(fā)展，深井鉆井液技術取得了很大進展。⑤磷酸鉀鹽水解聚丙烯酰胺體系④磷酸鉀鹽非離子型聚合物體系一、鉆井液技術發(fā)展二、鉆井液技術的發(fā)展預測

隨著鉆探范圍的不斷擴大和鉆井技術的不斷發(fā)展，對鉆井液技術提出了更高的要求。預計鉆井液技術在以下幾個方面取得較大進展。

這是國內外廣泛關注的一個重要課題，主要攻關目標將集中在化學固