钻井液(司钻06).ppt

钻 井 液,DRILLING FLUIDS 韩 松 2006.5,第一章 概述,§1.1 钻井液及其作用 1．钻井的目的 凿开地层，建立地下油气资源的输出通道 获取地下岩石和油、气、水等有关信息第一章 概述,最早的钻井工艺 — 顿钻 泥浆的作用 — 软化地层、携带岩屑,§1.1 钻井液及其作用,2．钻井工艺过程简介 1）钻前工程（井场准备） 2）安装设备（搬家安装） 3）正常钻进（钻头破碎地层岩石） 4）循环泥浆（清除岩屑） 5）起下钻（换钻头） 6）固井（下套管、注水泥） 7）特殊工艺（定向钻井、测井、堵漏、压井、解卡… …）,§1.1 钻井液及其作用,3．钻井液(DRILLING FLUIDS) 钻井过程中在钻具管内和钻具与井壁的环形空间中流动的一种工作液 有钻井的血液之称 最初常用粘土和水配制而成，故又称“泥浆”（Mud）§1.1 钻井液及其作用,3．Discription of Drilling Fluids) All fluids used in a well bore during drilling operations may be classified as drilling fluids. The term is generally restricted to those fluids which are circulated in the bore hole in rotary drilling.,钻井液循环示意图,Circulation System,钻井液循环示意图,Circulation System,钻井液循环系统示意图,§1.1 钻井液及其作用,4．钻井液的功能 (Function of Drilling Fluids) 1）软化地层，帮助破岩; 2）悬浮和携带岩屑; 3）保护井壁，防止垮塌; 4）清洗井底，提高破岩效率; 5）传递水力功率到井底钻具; 6）冷却和清洗钻头; 7）平衡地层压力，防止地下油气喷出; 8）传递井下信息。

§1.2 钻井液性能要求和主要成分,钻井液的性能要求 (Properties ),─ 要求有足够的粘滞性和密度； ─ 要求有足够的密度、良好的造壁性、以及适当的化学性能； ─ 要求有适当的密度；─ 要求有较低的流动阻力(流变性)； ─ 要求有较好的散热性能； ─ 要求与地层岩石或流体有较好的相容性1）悬浮和携岩 2）保护井壁，防止垮塌 3）平衡地层压力，防止井喷 4）传递水功率，清洗底 5）冷却和清洗钻头 6）传递井下信息,§1.2 钻井液性能要求和主要成分,钻井液的成份 (Composition),─ 水、油或者气体─ 不溶于上述连续相的固体或流体 ─ 调节性能所需的物质,1）一种流动介质（连续相） 2）一些分散介质（分散相） 3）添加剂,例如水基钻井液： 水 + 粘土 + 处理剂,§1.3 常用钻井液类型,1）钻井液的类型 (Class) 根据连续相流体介质的不同，可将钻井液分为以下类型,§1.1 钻井液及其作用,Discription of Drilling Fluids Fluids employed for this purpose include gases, liquids, and solids suspended in liquids. Emulsions of oil in water or water in oil are also used for the suspension of solids. The gases which have been used as drilling fluids include air, natural gas, exhaust gases from internal combustion engines, and commercial nitrogen.,§1.3 钻井液及其作用,2）各类钻井液的特点 ( Characteristic ) 水基钻井液 （Water Base Drilling Fluids） 是使用最早、最广泛的一种钻井液，水基钻井液一般以水为连续介质，以粘土为分散相，配合其他处理剂组成。

所以又称为“泥浆”（Mud) 水基钻井液具有源料广泛、价格便宜、适用范围宽、工艺成熟等优点，而被广泛使用 存在抗污染能力弱，对油气层有损害等缺点§1.3 钻井液及其作用,2）各类钻井液的特点 ( Characteristics ) 油基钻井液（Oil Base Drilling Fluids） 以柴油或原油为连续介质，以水或粘土等材料为分散相油基钻井液具有抗污染能力强，对油气层损害小等优点 由于油基钻井液成本较高，有环境污染等问题因而主要用于对水介质较为敏感的地层§1.3 钻井液及其作用,2．各类钻井液的特点 ( Characteristic ) 天然气、空气、废气，和泡沫钻井液以及充气钻井液是近十年来发展起来的新型钻井液此类钻井液有钻速高、不损害油气层等优点 由于其对设备要求高和工艺较复杂，目前主要用于低压低渗油气层，以及对水或固体微粒敏感的油气层§1.4 钻井液工艺发展概况,钻井液类型 清水 — 泥浆 — 油基泥浆 — 泡沫、气体 水基钻井液体系 细分散体系 — 粗分散体系 — 不分散体系 钻井液处理剂 粘土、天然植物 — 数百种添加剂,思 考 题（一）,1．钻井液是什么？ 2．钻井液有什么作用？ 3．钻井液的有哪些类型？ 4．钻井液的主要成份是什么？ 5．钻井工艺对钻井液性能的主要要求是什么？,第二章 水基钻井液的配制与性能测定,§2.1 水基钻井液的配制 1）水基钻井液的组分(Components) 水(Water) 粘土(膨润土)(Clay) 处理剂(Drilling Fluid Additives),第二章 水基钻井液的配制与性能测定,§2.1 水基钻井液的配制 2）膨润土的特性与作用 形状和尺寸 表面电荷与水化性能 在泥浆中的状态（分散、絮凝、聚结） 在泥浆中的作用（悬浮能力、造壁性能）,第二章 水基钻井液的配制与性能测定,§2.1 水基钻井液的配制 2）膨润土的的特性与作用 粘土(Clay): 小于2微米，具有塑性的矿物原料。

粘土矿物: 构成粘土的主体矿物大都具有晶体本性，其化学成份是含水（镁）硅酸盐 粘土矿物的结构：层状（二层、三层、混层）；链状（纤维状） 膨润土(Bentonite)：主要成分为蒙脱石的粘土矿物 蒙脱石(Montmorillonite)：三层(2:1)型粘土矿物，层间为O和O层相接，因只有范氏力层间引力弱，表面吸附能力强，易水化膨胀和分散§2.1 水基钻井液的配制,2）膨润土的的特性与作用 粘土的电性质: 电泳 电渗,§2.1 水基钻井液的配制,2）膨润土的的特性与作用 扩散双电层： ξ电位 电解质对双电层的影响,粘土在泥浆中的状态,第二章 水基钻井液的配制与性能测定,§2.1 水基钻井液的配制 3．水基钻井液的配制工艺 粘土与水的用量计算粘土-水的混合与预水化,第二章 水基钻井液的配制与性能测定,§2.2 水基钻井液的性能 1)密度(Density) 或比重(Mud Weight) 检测仪器(比重称)(Mud balance) 测定方法,第二章 水基钻井液的配制与性能测定,§2.2 水基钻井液的性能 2)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 在漏斗内装入700ml泥浆,记录自然流出500ml所用的时间(秒) 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),第二章 水基钻井液的配制与性能测定,§2.2 水基钻井液的性能 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 ①快的强凝胶 ②慢的强凝胶 ③快的弱凝胶 ④慢的弱凝胶,第二章 水基钻井液的配制与性能测定,§2.2 水基钻井液的性能 3)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,第二章 水基钻井液的配制与性能测定,§2.2 水基钻井液的性能 流变曲线 ①牛顿液(Newtonian Fluid) ②指数液(Power-law Fluid) ③塑性液(Bingham Fluid) ④膨胀液(Swell Fluid),§2.2 水基钻井液的性能,宾汉模式 (Bingham Model),第二章 水基钻井液的配制与性能测定,§2.2 水基钻井液的性能 4)塑性粘度ηS(PV - Plastic Viscosity) 5)动切应力τO(屈服值)(YP - Yield Point) 检测仪器:旋转粘度计(Rheometer) 测定方法 参数计算,第二章 水基钻井液的配制与性能测定,§2.2 水基钻井液的性能 旋转粘度计(Rheometer),§2.2 水基钻井液的性能,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),第二章 水基钻井液的配制与性能测定,§2.2 水基钻井液的性能 6)稠度系数(K值) (Consistency index) 7)流性指数(n值) (Flow behavior index) 检测仪器 测定方法 参数计算,第二章 水基钻井液的配制与性能测定,§2.2 水基钻井液的性能 钻井液流变模式,,,,第二章 水基钻井液的配制与性能测定,§2.2 水基钻井液的性能 8)失水量(Filtration loss quality 或 Water loss) 9)泥饼厚度(Filter cake) 检测仪器(泥浆失水仪)(Filter press) 测定方法,第二章 水基钻井液的配制与性能测定,§2.2 水基钻井液的性能 10)PH值(PH) 检测手段(PH试纸) 测定方法 用PH试纸浸入滤液，然后与比色板对照。

PH=7为中性，大于7为碱性第二章 水基钻井液的配制与性能测定,§2.2 水基钻井液的性能 11)固相含量(Solid content) 检测仪器(泥浆固相含量测定仪) 测定方法,取20ml泥浆，加热蒸干后测取冷凝液体积第二章 水基钻井液的配制与性能测定,§2.2 水基钻井液的性能 总之: 密度(Density) 流变性(Rheology) 失水造壁性(Filtration properties) 是钻井液最重要的三大性能,思 考 题（二）,1．水基钻井液的主要成分是什么？ 2．膨润土有何特性？ 3．膨润土在钻井液中有什么作用？ 4．为什么要研究粘土胶体化学? 5．钻井液有哪些主要性能？ 6．钻井液的流变性如何测定与计算？ 7. 钻井液性能对钻井工艺有哪些影响？,第三章 钻井液处理剂,§3.1 无机处理剂 1)粘土类 膨润土(搬土)、海泡石 2)加重材料 重晶石、碳酸钙、钛铁矿粉、氧化铁、方铅矿 3)无机盐类 NaCl、CaCl2、NaBr、CaBr2、ZnBr2、CaSO4、Na2CO3 4)无机碱 NaOH、KOH、 CaOH2,第三章 钻井液处理剂,§3.2 有机处理剂 1)降粘剂 产品：丹宁、栲胶、铁铬盐、磺化丹宁、磺化栲胶 作用原理：优先吸附在粘土端面，拆散网加结构。

2)增粘剂 产品：高粘CMC、羟乙基纤维素、生物聚合物（XC） 作用原理：形成高分子网架结构 3)降失水剂 产品：腐植酸钠、低粘CMC、磺化酚醛树脂（SMP） 作用原理：有机膜护胶、高分子护胶,第三章 钻井液处理剂,§3.3 表面活性剂 1)特点 能显著降低界面张力; 具有两亲结构,两亲(HLB)值与作用密切相关;,第三章 钻井液处理剂,§3.3 表面活性剂 2)产品 ABS、AS、SP-80、OP10、TW-80、CP-233、硬酯酸铝、十二烷基三甲基溴化铵 、… … 3)作用 润湿、乳化、起泡、消泡、润滑、抑制页岩水化、提高热稳定性,。