基础知识--04钻井液性能

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1、钻井液基本性能,2009年10月8日,渤海钻探泥浆技术服务公司,钻井液性能的概念、基本要求及性能调节,-钻井液密度,1、概念 钻井液的密度是指单位体积的钻井液质量。密度一般用符号“”表示，常用单位是g/cm3。 钻井液质量（ m）/钻井液体积（v）,钻井液性能的概念、基本要求及性能调节,2、钻井对钻井液密度的基本要求 钻井液密度对钻井的影响：一是平衡地层压力。二是对钻速的影响。钻井液密度大，产生的液柱压力就大，钻具在井中转动的摩擦阻力就大，从而增加了动力消耗，加重了钻头研磨新地层的负担，致使钻速降低。密度过大易压漏地层，破坏油层渗透率，或把油、气层压死，增加了发现油气藏的困难。 综上所述，钻井

2、对钻井液密度的基本要求是“压而不死，活而不喷”。即密度大，但不能把油层压死；密度小，但不能发生井喷。,-钻井液密度,钻井液性能的概念、基本要求及性能调节,3、钻井液密度的调整 （1）提高钻井液密度的方法 一般可在钻井液中加入惰性的、密度大的固体粉末，如重晶石粉、石灰石粉、蚌壳粉等。还可加入可溶性盐类，如NaCl、CaCl2等。使用最普遍的是加重晶石粉。,-钻井液密度,钻井液性能的概念、基本要求及性能调节,3、钻井液密度的调整 （2）降低钻井液密度的方法 1）机械除砂，即用振动筛、除砂器、除泥器清除钻井液中的钻屑、砂粒等有害固相，减少钻井液固相含量，从而降低密度。 2）加入清水稀释。 3）加入一

3、定数量的发泡剂。 4）使用化学絮凝剂，使部分固体颗粒聚结沉淀而降低密度。 此外，加新浆、油类物质等。,-钻井液密度,钻井液性能的概念、基本要求及性能调节,-流变参数,钻井液的流变参数主要有：漏斗粘度、表观粘度、塑性粘度、动切力、静切力、流性指数、稠度系数、剪切稀释性、动塑比和触变性等。,钻井液性能的概念、基本要求及性能调节,1、漏斗粘度 概念：用一定体积的钻井液流经规定尺寸（12目即0.68mm孔径筛）的小孔所需的时间来表示，故也叫漏斗粘度。用大写字母“FV”表示，单位“s”。 使用漏斗粘度计测量的粘度就是漏斗粘度，它是钻井液直观流动性的表现，既受钻井液内摩擦力的影响，又受钻井液结构力的影响。

4、用漏斗粘度计测量钻井液流动时间越长，表观粘度越大，钻井液流动性越不好。因此，漏斗粘度只具有相对意义，不能表示钻井液内部结构的变化。,-流变参数,钻井液性能的概念、基本要求及性能调节,漏斗粘度计,-流变参数,钻井液性能的概念、基本要求及性能调节,2、塑性粘度、动切力 （1）塑性粘度 塑性粘度是塑性流体的性质，它不随剪切速率而变化，反应的是钻井液在层流时，钻井液中的固体颗粒与固体颗粒之间、固体颗粒与液体分子之间、液体分子与液体分子之间内摩擦力的总和。 符号：“PV”，常用单位：mPa.s。,-流变参数,钻井液性能的概念、基本要求及性能调节,2、塑性粘度、动切力 （2）动切力（屈服值） 是塑性流体流

5、变曲线中的直线段在轴上的截距，它反映的是钻井液在层流流动时，粘土颗粒之间及高分子聚合物之间相互作用力的大小，即形成空间网架结构能力的强弱。 符号：“YP”，常用单位：Pa。,-流变参数,钻井液性能的概念、基本要求及性能调节,3、流性指数和稠度系数,（1）流性指数n,在幂律模式中，指数n表示假塑性流体在一定剪切速率范围内所表现出的非牛顿性的程度，因此通常将n称为流性指数。水、甘油等牛顿流体的n值等于1 。钻井液的n值一般均小于1。n值越小，表示钻井液的非牛顿性越强，表明流体的流变性偏离牛顿流体越来越远。流性指数是一个无因次量。在钻井液设计中，经常要确定流性指数的合理范围，一般希望有较低的n值，以

6、确保钻井液具有良好的剪切稀释性能。,-流变参数,钻井液性能的概念、基本要求及性能调节,流性指数n对钻井液剪切稀释性的影响,-流变参数,钻井液性能的概念、基本要求及性能调节,流性指数n对平板型层流的影响,根据右图，减小n值有利于钻井液形成平行型层流，通常钻井液的流性指数n保持在0.4-0.7比较合适。,流性指数对钻井液流态的影响,-流变参数,钻井液性能的概念、基本要求及性能调节,（2）稠度系数K,稠度系数K值则与钻井液的粘度、切力联系在一起。显然，它与流体在剪切速率为1 s-1时的粘度有关。K值愈大，粘度愈高，因此一般将K值称为稠度系数。对于钻井液，K值可反映其可泵性。若K值过大，将造成重新开泵

7、困难。若K值过小，又将对携岩不利。因此，K值也应保持在一个合适的范围。 K值主要受体系中固体含量和液相体流变曲线的关系粘度的影响，同时也受结构强度的影响。当固体含量或聚合物处理剂的浓度增大时，K值相应增大，n值则主要受形成网架结构因素的影响，如加入高分子聚合物，或加入适量无机电解质时，会使形成的网架结构增强，n值便相应减小。,-流变参数,钻井液性能的概念、基本要求及性能调节,3、流性指数和稠度系数,4、表观粘度和剪切稀释特性,（1）表观粘度 对于非牛顿流体，剪切应力和剪切速率的比值不是一个常数，这就意味着不能用同一粘度值来描述它在不同剪切速率下的流动特性。因此，有必要引入表观粘度这一概念。 表

8、观粘度又称为有效粘度（Effective Viscosity）。它是在某一剪切速率下，剪切应力与剪切速率的比值。符号：“AV”，常用单位：mPa.s 。,-流变参数,钻井液性能的概念、基本要求及性能调节,（2）剪切稀释性 塑性流体和假塑性流体的表观粘度随着剪切速率的增加而降低的特性称为剪切稀释性。例如，在钻头水眼处，剪切速率高达10000100000s-1，钻井液变得很稀；而在环形空间，当剪切速率为50250s-1时，钻井液又变得比较稠。这种剪切稀释特性是一种优质钻井液必须具备的性能，因为它既能充分发挥钻头的水马力，有利于提高钻速，而在环形空间又能很好的携带钻屑。,-流变参数,钻井液性能的概念

9、、基本要求及性能调节,4、表观粘度和剪切稀释特性,（2）剪切稀释性 在钻井液工艺中，常用动切力与塑性粘度的比值（简称动塑比）表示剪切稀释性的强弱。YP/PV 的值越大，剪切稀释性越强。为了能够在高剪率下有效地破岩和在低剪率下有效地携带岩屑，要求钻井液具有较高的动塑比。根据现场经验和平板型层流流核直径的有关计算，一般情况下将动塑比控制在0.360.48 Pa/mPas是比较适宜的，大斜度、大位移井的动塑比控制的还要高一些。,-流变参数,钻井液性能的概念、基本要求及性能调节,4、表观粘度和剪切稀释特性,动塑比对平板型层流的影响,增大动塑比，可使钻井液的流核尺寸增大，从尖峰型层流转变为平板型层流。通

10、常动塑比保持在0.360.48 Pa/(mPas),动塑比对钻井液流态的影响,-流变参数,钻井液性能的概念、基本要求及性能调节,5、钻井液静切力和触变性 （1）钻井液的静切力 定义：钻井液中的粘土颗粒，由于其形状不规则，表面带电性和亲水性不均匀，常易形成网状结构，破坏钻井液中单位面积上的网状结构所需的最小切应力，称为钻井液的极限静切力，简称钻井液切力。用符号“G”表示，单位“Pa”。切力的大小不仅与钻井液本身性质有关，而且与钻井液静止时间有关。 统一规定，钻井液静止10s后所测之切力称为初切力，用G10s表示；静止10 min后所测之切力称为终切力，用G10min表示。,-流变参数,钻井液性能

11、的概念、基本要求及性能调节,5、钻井液静切力和触变性 （2）触变性 初切与终切的差值表示了钻井液的触变性，即网状结构随静止时间的长短恢复的程度。差值越大，触变性越强；反之，触变性越弱。,-流变参数,钻井液性能的概念、基本要求及性能调节,ZNN型旋转粘度计,动力部分 双速同步电机、电源 变速部分 可变六速（转/分） 3、6、100、 200、300、600 测量部分 扭力弹簧、刻度盘与内外筒组成测量系统。,旋转粘度计,-流变参数,钻井液性能的概念、基本要求及性能调节,ZNN型旋转粘度计数据处理,说明：600、300、3代表外筒转600转/分、300 转/分、3转/分从仪器刻度盘上读到的格数。,-

12、流变参数,钻井液性能的概念、基本要求及性能调节,塑性流体和粘塑性流体 ： 表观粘度 （mPas） 塑性粘度 （mPas） 动切力 （Pa） 静切力 （ 10s测）（Pa） （ 10min测）（Pa）,-流变参数,钻井液性能的概念、基本要求及性能调节,幂律流体 ： 流性指数 （无因次） 稠度指数 （Pasn）,-流变参数,钻井液性能的概念、基本要求及性能调节,-流变参数,钻井液性能的概念、基本要求及性能调节,卡森流体 ： 极限高剪粘度 （mPas） 卡森动切力 (Pa),6、钻井液粘度对钻井的影响 大量实践证明，在钻进过程中，粘度升高，钻速降低。粘度大，流动阻力就大，功率消耗就大，泵功率一定的情

13、况下，排量就降低。另外，高粘度的钻井液在井底岩石表面形成一个粘性垫子，它缓和了钻头牙齿对井底岩石的冲击切削作用。但粘度高有利于钻井液携带岩屑，保持井底清洁。,-流变参数,钻井液性能的概念、基本要求及性能调节,钻井液粘度的调整： （1）提高钻井液粘度的方法 1）提高固相含量。 2）加入正电胶、CMC、加入水溶性高分子化合物。 3）提高固相分散度。加入NaOH 、Na2CO3 （2）降低钻井液粘度的方法 1）补充清水即可。 2）加入稀释剂（或降粘剂）。 3）降低固相含量。,-流变参数,钻井液性能的概念、基本要求及性能调节,7、钻井液切力对钻井影响 钻井液具有切力，有利于携带和悬浮岩屑、重晶石等，不

14、会因停泵而发生沉砂卡钻，也不至于因重晶石沉淀而难于加重。 切力太大，则地面清除砂粒、钻屑困难，密度上升快，含砂量高，磨损设备，降低钻速；流动阻力大，开泵困难，易憋泵或憋漏地层，转动扭矩大、浪费动力、滤饼质量差、滤失大，易引起缩径、井漏、卡钻等事故。 若切力太小，则携带和悬浮岩屑能力降低，停泵易造成沉砂，下钻不到底甚至沉砂卡钻。,-流变参数,钻井液性能的概念、基本要求及性能调节,钻井液切力的调整 （1）提高钻井液切力的方法 1）提高钻井液中固体颗粒含量。 2）提高粘土颗粒分散度。 3）加入水溶性高分子化合物，如XC等。 （2）降低钻井液切力的方法 1）加水或低浓度处理剂溶液，降低粘土含量。 2）

15、加稀释剂,-流变参数,钻井液性能的概念、基本要求及性能调节,-钻井液的滤失和滤饼,1、滤失的基本概念 滤失：在井眼内钻井液中的部分水分因受压差的作用而渗透到地层中去，这种现象叫滤失。滤失的多少叫滤失量（失水量），即钻井液滤液进入地层的多少。 （1）钻井液在井内静止条件下的滤失作用称为静滤失。,钻井液性能的概念、基本要求及性能调节,-钻井液的滤失和滤饼,1、滤失的基本概念 （2）钻井液在井内循环条件下，即滤饼形成和破坏达到动态平衡时的滤失作用称为动滤失。在一定剪切速率下测定的滤失量，称为动滤失量（动失水量）。 （3）在钻井过程中，地层被钻开，滤饼在未形成之前，钻井液中的大量水分在短时间内迅速渗入

16、地层，这种情况下的滤失作用称为瞬时滤失。,钻井液性能的概念、基本要求及性能调节,2、API（美国石油学会）滤失 滤失量定义：钻井液在常温及一定压差（API标准为压力为0.689 MPa，约为0.7 MPa）作用下，30 min内，透过直径为75mm的过滤面积所滤失的水量叫滤失量，又叫钻井液的滤失。常用符号“FL”表示，单位是“mL”。现场经常测7.5min的滤失量，测得的滤失量乘以2即可。,-钻井液的滤失和滤饼,钻井液性能的概念、基本要求及性能调节,API滤失量测定仪,1.渗滤面积为45.8cm2； 2.实验渗滤压差0.689MPa ； 3.测试温度为室温； 4.时间：30min（如果测量时间为7.5min，测量结果