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1、钻井液性能及其测试,按照API推荐的钻井液 性能测试标准，需检测的钻井液常规性能包括：密度、漏斗粘度、塑性粘度、动切力、静切力、API滤失量、HTHP滤失量、pH值、碱度、含砂量、固相含量、膨润土含量和滤液中各种离子的质量浓度等。,一、钻井液密度,钻井液密度,钻井液密度（density）是指每单位体积钻井液的质量，常用符号“”表示，单位是：g/cm3（kg/m3）。在钻井工程中，钻井液密度和泥浆比重是两个等同的术语。钻井液密度是确保安全、快速钻井和保护油气层的一个十分重要的参数。,通过钻井液密度的变化，可调节钻井液在井筒内的静液柱压力，以平衡地层孔隙压力。有时亦用于平衡地层构造应力，以避免井塌
2、的发生。如果密度过高，将引起钻井液过度增稠、易漏失、钻速下降、对油气层损害加剧和钻井液成本增加等一系列问题；而密度过低则容易发生井涌甚至井喷，还会造成井塌、井径缩小和携屑能力下降。因此，在一口井的设计中，必须准确、合理地确定不同井段钻井液的密度范围，并在钻进过程中随时进行检测和调整。,钻井液密度是用一种专门设计的钻井液比重秤（Mud Balance）测得的。测定时，首先在泥浆杯中盛满钻井液，盖上计量盖，然后用棉纱擦净从计量盖小孔溢出的钻井液。再将比重秤刀口放置在底座的刀垫上，不断移动游码，直至水平泡位居两条线的中央。此时游码左侧的刻度即表示所测量钻井液的密度。,1、密度与钻井的关系,（1）平衡
3、地层压力和井壁侧压力。 在钻井作业中，钻井液的功能之一是利用钻井液质量产生的液柱压力来平衡地层压力和井壁侧压力，防止井喷、井漏和井壁垮塌；同时防止高压层中的油、气、水进入钻井液中破坏钻井液的性能，引起井下复杂情况。,钻井过程中，钻井液的密度过小，钻井液的液柱压力过小，一方面不足以平衡地层压力，低层中的油、气、水可以进入钻井液，破坏钻井液性能，同时造成钻井液密度下降，引起井喷事故的发生；另一方面液柱压力过小，不足以提供足够的支撑力来平衡井壁侧压力，易使井壁垮塌。密度过大，钻井液的液柱压力过大，当液柱压力大于地层压力，钻井液进入地层中去，对油气层造成破坏；当钻井液的液柱压力大于地层破裂压力时，压漏
4、地层，产生井漏。,（2）钻井液密度与钻速的关系 一般而言：钻井液密度越大，机械钻速越低；钻井液密度越小，机械钻速越高。原因在于：第一，钻井液密度大，钻井液产生的液柱压力达，钻具在井内转动时要克服的摩擦力越大，动力消耗越大，钻头研磨地层的动力下降，机械钻速下降；第二，钻井液的密度大，液柱压力达，对井底产生压持效应，使钻屑不能及时脱离开岩石母体，造成钻头对破碎岩石的重复切削，降低机械钻速；第三，钻井液的密度大，造成井内正压差增大，使井底岩石的可钻强度增加，钻度降低。反之，密度下降，钻速提高。,2、提高钻井液密度方法,（1）加重的条件 钻进高压盐水层或高压油气层之前，要对钻井液进行加重。 （2）加重
5、的方法 a 加入重晶石粉等加重材料；b 加入可溶性无机盐如NaCl、KCl等，可溶性有机盐如甲酸钠、甲酸钾、甲酸铯等；c 钻井液中有气泡室，通过对钻井液进行排气，也可以提高钻井液密度。（除气器、消泡剂） 其中，在钻井液中加入加重剂是最常用的提高密度的方法。,3、降低钻井液密度,（1）降低的条件 钻进低压油气层、实现平衡钻井或欠平衡钻井时，常常碰到要降低钻井液密度的问题，处理井漏时液需要降低密度。 （2）降低密度的方法 a 减少钻井液中固相含量，如用机械和化学除砂的方法，清除钻井液中的 钻屑、砂子等有害固相；b 加入大量清水稀释；加入一定数量的发泡剂，利用气体充入钻井液降低钻井液的密度；c 混油
6、；d 钻进低压油气层时选用气体钻井液。,二、钻井液的流变参数,钻井液的流变性概述 钻井液流变性（Rheological Properties of Drilling Fluids ）是指在外力作用下，钻井液发生流动和变形的特性，其中流动是主要的方面。该特性通常用钻井液的流变曲线和塑性粘度（Plastic Viscosity）、动切力（Yield Point）、静切力（Gel Strength）、表观粘度（Apparent Viscosity）等流变参数来进行描述的。,钻井液流变性是钻井液的一项基本性能， 它在解决下列钻井问题是起着十分重要的作用： （1）携带岩屑，保证井底和井眼的清洁； （2）
7、悬浮岩屑； （3）提高机械钻速； （4）保持井眼的规则和保证井下安全。 钻井液的流变性对钻井工作的影响主要体 现在悬浮岩屑、护壁、减阻、提高钻速和冷却钻 具5个方面。,液体的基本流型通过实验研究，归纳为四种基本流型：牛顿流型、塑性流型、假塑性流型和膨胀流型。一般钻井液属于塑性流型。,流变曲线 牛顿液(Newtonian Fluid) 指数液(Power-law Fluid) 塑性液(Bingham Fluid) 膨胀液(Swell Fluid),钻井液的触变性 搅动后变稀,静置后变稠。 静切力随静置时间延长而增大。 快的强凝胶 慢的强凝胶 快的弱凝胶 慢的弱凝胶,主要流变参数,1漏斗粘度 在钻
8、井过程中，钻井液的漏斗粘度是需要经常测定的重要参数。它的定义是：一定体积的钻井液流经规定尺寸的小孔所需要的时间。单位是S（秒）用T 表示。,漏斗粘度(Funnel Viscosity) 检测仪器：漏斗粘度计 (马氏漏斗)(Marsh funnel) 测定方法 在马氏漏斗内装入1500ml泥浆,记录自然流出1夸脱（946ml）所用的时间(秒),2塑性粘度 塑性粘度。钻井液在层流时，钻井液中固体颗粒之间、固体颗粒和液体分子之间、液体分子之间各种内摩擦力之和称为钻井液的塑性粘度。用PV表示，单位为cP（厘泊）或mPaS（毫帕秒），其中1cP=1mPaS。,3动切力 钻井液的动切应力反映的是钻井液在层
9、流时，粘土颗粒之间及高聚物分子之间相互作用力的大小，即钻井液内部形成的网状结构能力的强弱。用YP或者0表示，单位是Pa（帕）。,4表观粘度 钻井液的表观粘度又称有效粘度或视粘度，是钻井液在某一速度梯度下，剪切应力与速度梯度的比值，用AV表示，单位是mPaS（毫帕秒）。,5剪切稀释性 钻井液的表观粘度随速度梯度的增大而减小，或者随速度梯度的减小而增大的特性称为钻井液的剪切稀释性。如钻井液在钻头水眼处速度梯度为10，000100，000s-1，钻井液变的很稀，有利于提高钻速；在环形空间处，速度梯度为50250 s-1，钻井液又变的比较稠，有利于携带岩屑。,6切力 钻井液的切力是指钻井液的静切力，其
10、胶体化学的实质是胶凝强度，即表示钻井液在静止状态下形成的空间网状结构力的强弱。其物理意义是：当钻井液静止时，破坏钻井液内部单位面积上网状结构所需的剪切力。用表示S，单位是Pa（帕）。通常用初切力和终切力来表示静切力的相对值。 初切力是钻井液在经过充分搅拌后，静止10s测得的静切力值，用10s表示；终切力是钻井液经过充分搅拌后，静止10min测得的静切力的值，用10min表示。,7触变性 钻井液的触变性是指钻井液搅拌后变稀，静止后变稠的性质。一般用钻井液的终切与初切的差值来表示，其差值越大，触变性就越强；差值越小，触变性越弱。,8n值和k值 n值称为钻井液的流性指数，是钻井液结构力和剪切稀释性的
11、一种表示。钻井液的n值一般小于1。n值越小，钻井液的非牛顿性、剪切稀释性和结构力越强；反之，n值越大，钻井液的非牛顿性、剪切稀释性和结构力越弱。流性指数是一个无量纲量，没有单位。降低n值，有利于携带岩屑和清洁井眼。,k值是钻井液的稠度系数，表示钻井液的可泵性或直观流动性，即反映钻井液的稀稠程度。k值越大，钻井液越稠，开泵时泵压越大；k值越小，钻井液越稀，对携带岩屑不利，有利于提高钻速。它的单位是PaSn。,切力(Gel Strength) 有初切和终切之分 检测仪器(旋转粘度计、切力计) (Rheometer、Shearometer) 测定方法,塑性粘度S(PV - Plastic Visco
12、sity) 动切应力O(屈服值)(YP - Yield Point) 检测仪器:旋转粘度计(Rheometer) 测定方法 参数计算,稠度系数(K值) (Consistency index) 流性指数(n值) (Flow behavior index) 检测仪器 测定方法 参数计算,常用英制单位换算 泊（P）= 100 厘泊（CP） 1 厘泊（CP）= 1 毫帕秒（mPaS) 10 达因/厘米2 (Dyne/cm2) = 1 帕(Pa),钻井液流变模式,钻井液流变性与钻井的关系,1、流变性与悬浮携带岩屑和净化井眼的关系。钻井液粘度的作用是将井底的钻屑有效地携带到地面，这是关系到能否安全快速钻井
13、的问题。实践表明：钻井液粘度、切力越大，钻井液悬浮和携带岩屑的能力越强，井眼的净化效果越好。反之钻井液粘度、切力降低，钻井液悬浮和携带岩屑的能力变差，井眼的净化效果差。,2、钻井液流变性与机械钻速的关系。实践表明：在钻井过程中，钻井液粘度、切力升高，钻速下降。原因是：一钻井液粘度、切力大，流动阻力大，消耗的功率也大，在泵功率一定的情况下，钻井液泵的排量相应降低，降低了钻井速度。二是钻井液粘度大，钻头在破碎岩石时，高粘度钻井液在井底形成一个粘性垫层，粘性垫层缓和了钻头牙齿对井底岩石的冲击切削作用，使机械钻速降低。,可见，钻井液粘度、切力低，机械钻速高，但钻井液的悬浮、携带岩屑的能力下降，井内沉砂
14、快，同时钻井液对井壁的冲刷严重，易造成井壁剥落坍塌、井漏等严重后果。钻井液的粘度、切力大，有利于悬浮、携带岩屑，但粘度、切力过大，给钻井工作带来下列后果：,（1）钻井液流动阻力大，开泵困难，泵压易升高，发生蹩泵甚至蹩漏地层，严重影响钻井速度。 （2）钻头易泥包，起下钻易产生抽吸作用或压力激动以至于引起井漏、井喷、井塌等复杂情况。 （3）岩屑、砂子沉降困难，净化不良，井底洗井效果差，同时密度上升很快，钻速下降，并摩损钻具设备和钻井液泵配件。 （4）除气困难，气侵严重时，钻井液密度下降，易引起井下复杂情况。 （5）岩屑易在井壁形成假泥饼，引起井下遇阻遇卡。 （6）固井时水泥易窜槽，影响固井质量。,
15、确定钻井液粘度的原则是：一是在保证有效悬浮和携带岩屑的情况下，粘度、切力应尽可能的低；二是井深时，由于泵压高，排量受限制，为了有效地悬浮和携带岩屑，粘度、切力应大些；三是当井眼出现垮塌、沉砂较多或出现井漏时，为消除井下复杂情况，钻井液粘度应适当增大；四是要求钻井液从钻头水眼处喷出时粘度要低，钻井液在环形空间时粘度要高，即钻井液要具有良好的剪切稀释性。,流变参数的调整,1、调整粘度的方法 （1）条件。当井壁出现垮塌或沉砂过多，造成起钻遇卡、下钻不到底，井下有较多的堆积物时，要考虑适当地提高粘度；堵漏有时也要提高粘度。 钻进泥页岩层；配加重钻井液；钻井液受可溶性盐类的侵污会使钻井液粘度、切力上升，
16、导致钻井液流动性变差，洗井效果差，钻头易泥包，影响钻速，需要降粘度。,（2）调整塑性粘度的方法。A.降低塑性粘度的方法是通过合理使用固相控制设备、加水稀释或化学絮凝的方法，降低固相含量，达到降低塑性粘度的目的。B.提高塑性粘度的方法是增加钻井液中高分子聚合物的用量，混入原油、加入低造浆率的膨润土、重晶石粉或适当提高pH值。,（3）调整表观粘度的方法。A 降低表观粘度的方法是在钻井液中加入清水、混入稀钻井液和用稀钻井液来降低粘度。B 提高表观粘度的方法是在钻井液中加入膨润土（或预水化膨润土浆）、纯碱、烧碱等。,2、调整动切力（结构粘度）的方法 （1）提高动切力的方法：A 加入预水化膨润土浆；B 增大高分子聚合物的加量；C 对于盐水钻井液和钙处理钻井液，可以通过适当增加Ca2+、和Na+的浓度来达到提高切力的目的。 （2）降低动切力的方法：A 加入稀释剂，拆散钻井液中已经形成的网状结构；B 加清水或稀钻井液稀释；C 若因污染引起的切力过高，可用沉淀法除去Ca2+Mg2+，拆散网状结构。,3、调整n值和k值的方法 （
