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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、2、钻具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影响,1
3、、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 钻井液类型,一、冲洗介质的种类 1、按
4、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、循环停止后无悬浮岩屑能力。用于地层压力不大
5、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。用于钻进冻结岩
6、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）影响钻进速度 （3）护壁效
7、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程度之后，粘度不再随剪切速率增大而变化
8、，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）影响钻速,第四节 钻井液性能,四、钻井液滤
9、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； 压差大，失水速率大、
10、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,第四节
11、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
12、失水的主要途径,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
13、于74微米（200）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
14、种）： 加重剂，碱度和pH值控制剂，降失水剂，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,
