1、第三章 钻孔冲洗介质,1、概述 2、钻井液护壁原理 3、钻井液分类 4、钻井液性能 5、钻井液添加剂 6、钻井液的配制 7、典型地层中使用的泥浆,第一节 概述,一、冲洗介质的用途1、携带和悬浮岩粉2、冷却钻头3、润滑钻具4、保护孔壁5、平衡地层压力6、传递动力,携带、悬浮岩粉,控制压力,保护孔壁,冷却钻头,传递功率,第一节 概述,二、冲洗介质的性能要求1、良好的冷却散热能力2、良好的润滑性能3、良好的剪切稀释性能4、良好的护壁和抵御环境影响能力5、性能稳定，不腐蚀钻具，对环境无毒害,第二节 钻井液护壁原理,一、保护孔壁是钻井工程的关键技术之一,1、钻进形成的新孔壁失去原始状态的平衡； 2、钻具
2、在孔内回转和升降会摩擦和碰撞孔壁。,二、不稳定岩层的类别,（一）力学不稳定岩层 受成因或构造运动影响，岩层被钻穿后，破坏了其原有的相对稳定或平衡状态导致孔壁失稳 浅部：风化残积层、冲积层、洪积层、流沙层 深部：硬脆碎岩层、断层破碎带,第二节 钻井液护壁原理,（二）遇水不稳定岩层 岩层钻穿后与钻井液接触，出现分散、溶胀、坍塌、剥落等复杂情况的岩层。 遇水溶解地层：钾盐、石膏、芒硝等 遇水溶胀地层: 粘土、泥岩、软页岩等 遇水松散地层：泥质砂岩、风化大理岩、风化花岗岩等 遇水剥落地层：剥落页岩、片岩、千枚岩等,水的存在是遇水不稳定岩层的主要客观因素。,第二节 钻井液护壁原理,三、钻井液对孔壁失稳的
3、影响,1、钻井液对岩层的水化作用 2、钻井液对岩层的直接冲刷 3、滤液的抑制性,第二节 钻井液护壁原理,四、稳定孔壁的综合措施,1、保持钻孔与地层间的压力平衡 控制好钻井液的比重 控制合理的起下钻速度 坚持提钻灌浆,2、使用防塌钻井液 针对不同地层采用不同的防塌钻井液,第二节 钻井液护壁原理,四、稳定孔壁的综合措施,防塌钻井液的性能要求： “一低、二高、二适当” 低失水、高矿化度、高滤液粘度、适当的密度和粘度 防塌泥浆的几种类型 1、聚合物钻井液： 减少岩屑在泥浆中的积累和分散，提高钻速 2、钾盐泥浆：抑制泥页岩的水化膨胀，稳定孔壁 3、油包水乳化泥浆:热稳定性好，能有效防塌防卡,第三节 钻井
4、液类型,一、冲洗介质的种类1、按分散体系，可分为：纯气体，液/气，气/液，固/液， 液/液；2、按适用条件：(1)松散层泥浆;(2)水敏抑制性泥浆;(3)水溶抑制性泥浆;(4)硬岩钻进泥浆;(5) 抗高温泥浆 3、按基本液体：（1）水基泥浆；（2）油基泥浆4、按粘土在泥浆中的分散程度：（1）细分散淡水泥浆；（2）粗分散抑制性泥浆；（3）不分散低固相泥浆 5、按处理剂成分、关键特性：腐植酸类泥浆、聚合物泥浆、木质素磺酸盐泥浆、抑制性泥浆、充气泡沫泥浆、饱和盐水泥浆、混油润滑泥浆,第三节 钻井液类型,二、常用冲洗介质1、清水：便宜、冲洗效果好、冷却能力强、比重低；易 引起地层不稳、循环停止后无悬浮
5、岩屑能力。用于地层压力不大的稳定和非冲蚀性岩层2、空气：便宜、孔底干净、钻进效率高。用于缺水地区、严重漏失地层和大口径孔的潜孔锤钻进3、泥浆：能加固孔壁、悬浮岩屑、性能可调范围大、有润滑作用；比重和粘度大、钻进效率低、污染环境。用于风化、破碎、松散和遇水失稳岩层。4、乳状液：润滑性能好、降低钻杆振动。主要用于小口径金刚石钻进中。,第三节 钻井液类型,二、常用冲洗介质5、无固相冲洗液：比重低、钻速高、性能可调、护壁。用于裂隙发育、易坍塌和轻微膨胀的地层。6、气液混合液：比重低、粘度大、携带和悬浮岩粉能力好、可护壁堵漏、用水量少。用于严重漏失、干旱和寒冷冰冻地区。7、盐溶液和饱和盐水：冻结温度低。
6、用于钻进冻结岩层、各种盐层（光卤石、芒硝）,第四节 钻井液性能,钻井液比重 钻井液的固相含量 钻井液流变性 钻井液滤失造壁性 钻井液的pH值和碱度 钻井液的含砂量 钻井液的润滑性,第四节 钻井液性能,一、比重 1、定义：泥浆重量与同体积水的重量之比。决定于泥浆中固相的含量和固相的比重、可溶性盐的含量。 2、测量方法：比重称或液体比重计 3、对钻井的影响：（1）平衡地层压力（2）钻进速度（3）携屑能力（4）泥浆漏失量,第四节 钻井液性能,二、固相含量： 1、定义：钻井液中全部固体颗粒的体积占钻井液总体积的百分数。 2、测量方法：泥浆固相含量测定仪 3、对钻井的影响：（1）影响钻井液流变性能（2）
7、影响钻进速度（3）护壁效果（3）磨损钻具,第四节 钻井液性能,三、流变特性： 1、定义：钻井液在外力作用下变形和流动的特性，其中流动性是主要方面。通常用流变曲线、塑性粘度、动切力、静切力、表观粘度等参数描述。 2、基本概念： 剪切速率在垂直于流速方向上单位距离流速的增量，s-1 剪切力在液层之间由于流速不同而产生的摩擦力，N 粘度产生单位剪切速率所需要的剪切应力，Pa s 流变模式描述剪切应力和剪切速率关系的数学方程式 流变曲线描述剪切应力和剪切速率关系的曲线,第四节 钻井液性能,静切应力钻井液静止时形成的凝胶强度，其大小是使塑性流体开始流动所需的最小剪切应力 塑性粘度当剪切应力的数值大到一定
8、程度之后，粘度不再随剪切速率增大而变化，此时的粘度称塑性粘度 动切应力钻井液开始作层流流动时,所需要的最小剪切应力，也就是塑性流体粘度稳定段直线延长线与剪切应力轴的交点 牛顿流体在外力作用下，剪切应力与剪切速率成正比的流体 塑性流体在受到外力作用时并不立即流动，而要等到外力增大到某一程度时才开始流动，并类似于牛顿型的流体 假塑性流体流变曲线通过原点并凸向剪切应力轴的流体,第四节 钻井液性能,牛顿流体：清水、低分子化合物溶液 稀溶胶塑性（宾汉）流体： 各种泥浆假塑性（幂律）流体： 低固相泥浆、乳状液,第四节 钻井液性能,3、对钻井的影响：（1）携屑能力（2）钻孔漏失和流动阻力（3）保护井壁（4）
9、影响钻速,第四节 钻井液性能,四、钻井液滤失造壁性 1、概念漏失：钻井液的固相和液相全 部进入地层的现象滤失：钻井液中的自由水在压力差作用下向孔壁岩石的裂隙或孔隙中渗透。用失水量表示滤失性的强弱造壁性：随着钻井液中的自由水进入岩层，钻井液中的固体颗粒附着在孔壁上形成泥皮泥饼：钻井液滤失过程中留在井壁或者滤膜上的物质。,第四节 钻井液性能,2、滤失过程 （1）初失水（瞬时失水）：时间：钻井液接触井底新破碎岩石表面开始到泥皮形成特点：滤失时间短；滤失速率高，伴有少量固相漏失；失水量少；存在于整个钻井过程中,第四节 钻井液性能,（2）动失水：时间：钻井液循环过程中特点：泥饼形成、增厚与冲蚀处于动平衡
10、； 压差大，失水速率大、失水量大；井壁失水；失水速度由大到小逐渐恒定（高渗透率 低渗透率 = C）；存在于整个循环过程中，时间长，累积失水量大。,第四节 钻井液性能,（3）静失水：时间：钻井液循环停止后特点：失水速率小、失水量较小；泥饼厚（无冲蚀作用）；同时向井壁井底失水，以井壁为主； 泥饼在动失水的基础上随时间增长而增厚；失水速度随静止时间的增长而减少；静失水量动失水量。,失水全过程为：初失水 动失水和静失水的反复交替。,第四节 钻井液性能,时间,累计失水量,T o,T 1,T 2,T 3,T 4,T 5,T 6,V 瞬,V 动,V 静,h=0,h,h=c,h,h,h=c,h- 泥皮厚度,第
11、四节 钻井液性能,第四节 钻井液性能,3、失水性对钻井的影响 （一）不利影响 （1）向井壁的失水有害如：泥页岩、黄土、粘土易吸水膨胀，造成井壁坍塌和缩径易损害油气层：阻、堵，降低渗透率，降低井的产量溶解性地层失水越多，井壁溶解程度越高 （2）泥皮厚的不利影响加大对钻具的吸附力，使钻杆回转阻力增加；环空面积减小，循环阻力和压力激动增大；测井数据的准确性降低。,第四节 钻井液性能,3、失水性对钻井的影响 （二）有利影响（1）向井底失水有利降低井底岩石强度，增加可钻性，有利钻速提高。消除压持效应，避免重复切削，有利钻速提高。显然：瞬失失水越大，钻速越高。,第四节 钻井液性能,4、降低泥浆失水的主要途
12、径,减小钻井液和地层孔隙流体之间的压差 增加泥浆中粘土的含量 添加处理剂，提高泥浆滤液粘度 加快复杂地层钻进速度，减少井壁裸露时间 减少钻井液循环对井壁的冲刷,第四节 钻井液性能,五、钻井液的pH值1、pH值：（1）定义：钻井液酸碱性的度量（2）影响：a、决定粘土颗粒的分散程度，影响泥浆性能b、钻具腐蚀c、防氢脆d、抑制钙、镁盐的溶解，促进植物胶溶解,一般情况下，泥浆的PH控制在810之间为宜；使用植物胶类钻井液时PH值可提高到1012；水敏性地层PH值不宜过高；过高和过低的PH值都会影响泥浆的使用质量，对钻井和护壁不利。,第四节 钻井液性能,六、含砂量：1、定义：钻井液中大于74微米（200
13、）的砂粒所占钻井液总体积的百分数。一般要求控制在4以下。2、影响（危害）：（1）使泥浆密度增大，钻速下降；（2）使泥皮松软，导致滤失量增大；（3）使泥皮摩擦系数增大，容易卡钻；（4）增加对钻具的磨损。,第四节 钻井液性能,七、润滑性：包括泥皮的润滑性和钻井液本身的润滑性。影响因素包括：密度、粘度、固相含量、有机添加剂含量、岩石条件、滤失性、润滑剂对钻进的影响：（1）钻具磨损；（2）扭矩传递；（3）起下钻阻力,第五节 钻井液添加剂,加量很少，就能明显改善钻井液性能的外加剂。 一、钻井液添加剂的分类1、按化学组成分：无机添加剂和有机添加剂2、按作用分（16种）：加重剂，碱度和pH值控制剂，降失水剂
14、，增粘剂，稀释和分散剂，除钙剂，杀菌剂，腐蚀抑制剂，消泡剂，起泡剂，乳化剂，絮凝剂，表面活性剂，润滑剂，页岩稳定剂，堵漏材料3、按材料来源分：天然植物，矿物和石化产品，微生物,第五节 钻井液添加剂,二、加重剂 1、对加重剂的要求：（1）密度大；（2）惰性；（3）磨损性小；（4）易粉碎 2、常用加重剂：（1）重晶石粉 （2）石灰石粉（3）铁矿粉（4）钛铁矿粉（5）菱铁矿粉（6）方铅矿粉,第五节 钻井液添加剂,钻井液常用加重剂,第五节 钻井液添加剂,二、加重剂 3、加重剂加量计算,加重前后体积关系：,加重前后质量关系：,加重后体积：,加重剂加量：,（1）,（2）,第五节 钻井液添加剂,三、碱度和p
15、H值控制剂 1、常用碱度和pH值控制剂（1）氢氧化钠（NaOH）：（2）氢氧化钾（KOH）：（3）碳酸钠（NaCO3）：（4）石灰（CaO,Ca(OH)2）：（5）碳酸氢钠（NaHCO3）：（6）石膏（CaSO4）：,第五节 钻井液添加剂,四、降滤失（失水）剂 1、纤维素类：羧甲基纤维素（低、中、高粘型）、聚阴 离子纤维素、改性纤维素加量：12机理：吸附在粘土颗粒上，增厚水化膜，从而增加聚结稳定性，保持细颗粒粘土的含量，使泥饼致密；提粘 2、腐植酸类：褐煤、腐植酸钠、磺化褐煤，缩合腐植酸加量：0.13.0%机理：吸附在粘土颗粒表面形成水化层，提高聚结稳定性，使粘土颗粒呈多级分散状态，泥皮致密；
16、腐植酸钙胶状沉淀可增韧泥皮,第五节 钻井液添加剂,3、丙烯酸类聚合物：水解聚丙烯腈钠盐、乙烯基单体多元共聚物、钾铵基水解聚丙烯腈加量：0.71.0机理：酰胺基和腈基吸附在粘土颗粒表面，羧钠基使粘土颗粒水化膜增厚。4、树脂类：磺甲基酚醛树脂、磺化酚醛树脂褐煤聚丙烯腈盐类缩合物加量：15机理：酚羟基吸附在粘土颗粒上，磺甲基增厚水化膜护胶,第五节 钻井液添加剂,五、降粘剂 1、降粘机理：通过（静电吸附、配位键吸附）吸附在粘土颗粒端面上，改变端面性质，拆散网架结构，从而降低钻井液结构粘度 2、常用降粘剂：（1）单宁类：单宁酸、单宁酸钾、栲胶、磺化栲胶等，加量：0.51.0%机理：邻酚羟基吸附在粘土颗粒
17、端面Al3+上，拆散端端、端面结合,第五节 钻井液添加剂,五、降粘剂（2）木质素磺酸盐类：木质素磺酸铁铬盐、木质素磺酸 钙、木质素磺酸钛铁盐等加量：0.31.0%机理：a、吸附在粘土颗粒端面，削弱端端、端面连接，拆散空间结构；b、吸附在泥页岩上，抑制其水化分散（3）褐煤类：褐煤、褐煤钠盐、铬褐煤 加量：0.12.0%机理：同单宁类降粘剂,第五节 钻井液添加剂,六、增粘剂：1、粘土粉：膨润土、海泡石、凹凸棒石机理：增加钻井液中粘土颗粒含量2、有机物：（1）天然植物胶：瓜尔豆、田菁胶、蒟蒻（2）纤维素类：高粘CMC、羟乙基纤维素 （3）天然多糖改性衍生物：XC机理：环式链节的水溶性高聚物增加液体和
18、固体颗粒之间及液相分子之间的的内摩擦,第五节 钻井液添加剂,七、抑制防塌剂：1、无机盐类：氯化钾、石灰、氯化钙、石膏、氢氧化钾、碳酸钾、硅酸钾机理：阳离子取代易水化的Na+，抑制泥页岩的水化膨胀，稳定孔壁2、聚合物钾盐：腐植酸钾、聚丙烯酸钾、水解聚丙烯腈钾盐机理：K+的抑制水化作用和聚合物链的包裹作用 3、沥青制品：磺化沥青、褐煤树脂沥青、腐植酸钠与磺化沥青缩合物机理：聚合物链或链束的包裹作用,第六节 钻井液的配制,一、配浆材料1、水：分散介质2、粘土粉：膨润土、海泡石、凹凸棒石等(1)增加粘度和切力，提高井眼净化能力；(2) 形成低渗透率的致密泥饼，降低滤失量；(3)对于胶结不良的地层，可改
19、善井壁的稳定性。3、各种添加剂：调节泥浆性能 二、配浆设备1、机械搅拌：（1）立式搅拌机；（2）卧式搅拌机2、水力搅拌：（1）喷枪；（2）水力搅拌器,第六节 钻井液的配制,第六节 钻井液的配制,三、泥浆基本材料用量计算1、粘土用量（质量）：质量守恒：体积不变：(2)式的V3代入（1）式，得,（1）,（2）,第六节 钻井液的配制,2、配浆水的用量（体积）：3、 降低钻井液密度时水的用量（体积）：,第七节 典型地层中使用的泥浆,一、砂、砾层（松散层）中使用的泥浆,特点：颗粒之间缺乏胶结，井壁易坍塌，成孔难免难度大 解决方法：关键是增加井壁颗粒之间的胶结力，粘度大的泥浆适当渗入井壁地层中，可明显增加
20、砂、砾之间的胶结力，从而增强井壁稳定性。增加泥浆中的粘土含量、加入增粘剂。,配方举例： 木质素磺酸盐泥浆(1m3) 粘土80200kg，水900940L，亚硫酸纸浆废液3040kg，煤碱剂1020kg,NaOH510kg,消泡剂510kg 比重1.061.2，漏斗粘度1840s，失水量510ml/30min,二、土层、泥页岩（水敏地层）中使用的泥浆1、钻井水敏性地层的主要困难：（1）孔内掉块；（2）起下钻遇卡；（3）孔内岩粉多2、解决办法：（1）降失水（2）用无机盐改性井壁粘土（3）使用油基泥浆（4）机械封堵3、泥浆配方举例(1m3)：粘土50100kg,KCl3050kg，聚合物510kg，
21、缩合亚硫酸酒精废液3050kg，KOH510kg,消泡剂23kg，水920940L密度1.082.0，漏斗粘度2540s，失水量48ml/30min,第七节 典型地层中使用的泥浆,三、溶蚀性地层中使用的泥浆1、特点地层遇水溶解，井壁溶蚀，导致超径，垮塌2、解决办法：（1）降失水（2）在泥浆在加入与地层被溶解物相同的物质，使其溶解度趋于饱和 ，例如钻进盐岩地层时，使用盐水泥浆配制盐水泥浆的两种方案：一、先淡水制备分散泥浆，再加入盐转化成盐水泥浆；二、直接用咸水或海水配制泥浆 3、泥浆配方举例(1m3)：甲基纤维素25kg，乳化剂4.5kg，十二烷基磺酸钠4.5kg ，皂脚10kg ，洗衣粉2.5
22、kg ，NaCl 325kg ，柴油53kg ，废机油5kg比重1.21，漏斗粘度34s，失水量4.4ml，PH值8,第七节 典型地层中使用的泥浆,三、溶蚀性地层中使用的泥浆淡水泥浆加入NaCl后性能的变化,第七节 典型地层中使用的泥浆,由图上泥浆性能变化可以看出： 配制NaCl含量为1%3%的盐水泥浆，泥浆处理应着重于降低粘度和切力；配制NaCl含量大于3%的盐水泥浆，泥浆处理主要应降失水。,四、硬岩钻进中用泥浆1、特点 消耗大、进尺慢、钻头磨损厉害、容易烧钻 孔深、循环阻力大 井壁相对稳定 钻屑颗粒小，悬排钻屑容易2、泥浆设计重点： 增强泥浆的润滑性和冷却性 减少泥浆的流动阻力 减少固相含
23、量以提高钻速3、典型泥浆：聚丙烯酰胺（PAM）不分散低固相泥浆 主要成分：预水化膨润土， PAM，降失水剂，润滑剂和水,第七节 典型地层中使用的泥浆,五、耐高温泥浆1、特点 粘土的分散度增大并失去活性 处理剂断链、降解、吸附能力减弱，失去作用 泥浆性能变差，整个泥浆体系遭到破坏2、泥浆设计重点： 选用耐高温造浆粘土 采用抗温抗盐能力强的有机处理剂 减少粘土的加入量，同时加入结构增粘剂,第七节 典型地层中使用的泥浆,五、耐高温泥浆3. 处理剂的抗温能力,第七节 典型地层中使用的泥浆,五、耐高温泥浆4. 美国和日本地热井中使用的高温泥浆及性能,第七节 典型地层中使用的泥浆,六、高压地层泥浆1、特点地层压力很大，需明显增加泥浆比重，仅靠增加泥浆中的粘土含量不能解决问题2、泥浆设计重点：添加加重剂增加泥浆比重重晶石石灰石粉磁铁矿粉赤铁矿粉方铅矿粉,第七节 典型地层中使用的泥浆,七、低压漏失层、低压油气层泥浆1、特点地层压力低2、泥浆设计：采用低比重的充气泥浆3、低比重充气泥浆的优点平衡压力的同时，由于比重低有利于提高机械钻速粘度和切力高，携带岩屑能力强，孔内干净，事故少。,第七节 典型地层中使用的泥浆,
