钻井工程学习.pptx

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1、第 1 页第三章第三章 钻井液钻井液第一节第一节 钻井液的定义和功用钻井液的定义和功用The definition and function of drilling fluidThe definition and function of drilling fluid第1页/共112页第 2 页第一节第一节 钻井液的定义和功用钻井液的定义和功用钻头液的定义：钻头液指钻井时用来清洗井底并反岩屑携带到地面、维持钻井操作正常进行的流体。（the fluids that is used to cleaning bottom、carrying drilling debris and mataining d

2、rilling operation）一、钻井液的定义（The definition of drilling fluid）狭义钻井液:粘土以小颗粒状态(2)分散在水中所形成的溶胶-悬浮体.(mud)广义钻井液:一切有助于从井眼中清除钻屑的流体.(drilling fluid)API定义:用于钻井中的具有各种各样功用以满足钻井工作需要的循环流体。关键词:泥浆 钻井液 钻井流体Key words:Mud/Drilling fluid/Drilling fluids第2页/共112页第 3 页二、钻井液的功用携带作用支撑作用护壁作用传能作用冷却作用悬浮作用第一节第一节 钻井液的定义和功用钻井液的定义和

3、功用Carrying effectSupporting effectWall retainingEnergy transferring Cooling effectSuspension effect第3页/共112页第 4 页清除井底钻屑并将其携带至地面清除井底钻屑并将其携带至地面Cleaning well bottom and carrying debris Cleaning well bottom and carrying debris 冷却和润滑钻头、钻具冷却和润滑钻头、钻具Cooling and lubricating bit and drilling toolsCooling and

4、 lubricating bit and drilling tools稳定井壁及控制地层压力稳定井壁及控制地层压力 Stabilizing wall&controlling formation pressureStabilizing wall&controlling formation pressure提供低渗透、韧性好的泥饼保护井壁提供低渗透、韧性好的泥饼保护井壁 Creating low-permeationCreating low-permeation、ductile mud cake protecting ductile mud cake protecting wallwall停止循环

5、时悬浮环空中的钻屑及加重材料停止循环时悬浮环空中的钻屑及加重材料Ceasing annular cuttings and weighting material when Ceasing annular cuttings and weighting material when stop circulatingstop circulating从所钻地层获取资料从所钻地层获取资料 Obtaining information from drilling formationsObtaining information from drilling formations给钻头传递水力能量给钻头传递水力能量T

6、ransmit hydraulic power to bitTransmit hydraulic power to bit二、钻井液的功用第一节第一节 钻井液的定义和功用钻井液的定义和功用第4页/共112页第 5 页第三章第三章 钻井液（钻井液（Drilling Fluid）第二节第二节 钻井液的组成和分类钻井液的组成和分类The composition and classification of drilling fluidThe composition and classification of drilling fluid第5页/共112页第 6 页第二节第二节 钻井液的组成和分类钻井液

7、的组成和分类(1)液相（Liquid phase）：液相是钻井液的连续相，可以是水或油。(2)活性固相（Activated solid phase）：包括人为加入的商业膨润土、地层进入的造浆粘土和有机膨润土(油基钻井液用)。(3)惰性固相（Inertia solid phase）：惰性固相是钻屑和加重材料。(4)各种钻井液添加剂（Various drilling additives）：根据使用要求，可以利用不同类型的添加剂配制性能各异的钻井液，并可对钻井液性能进行调整。添加剂实际上是用于调节活性固相在钻井液中的分散状态，从而达到调整钻井液性能的目的。一、钻井液的组成（The compositi

8、on of drilling fluid ）有良好的造浆能力，易分散不易分散每一钻井液都有其适应的地地层第6页/共112页第 7 页二、钻井液的分类The classification of drilling fluid 液基钻井液（liquids）气基钻井流体（gases）气/液混合基钻井液Gas-liquid mixtures）水基钻井液Water base muds泡沫钻井液foam（以气为主）Mostly gas充气钻井液Aeratedwater（以液为主）Mostly water空气/氮气AirNitrogen天然气Nature gas油基钻井液Oil base muds第二节第二节

9、 钻井液的组成和分类钻井液的组成和分类第7页/共112页第 8 页二、钻井液的分类水基泥浆：固相颗粒悬浮在水中或盐水中，油可以乳化到水中，此时，水是连续相。(膨润土+水+化学处理剂+加重材料钻屑)油基泥浆：固相颗粒悬浮在油中，水或盐水乳化在油中，即油是连续相。(柴油+沥青/有机土+处理剂)气体：用高速气体或天然气清除钻屑第二节第二节 钻井液的组成和分类钻井液的组成和分类第8页/共112页第 9 页二、钻井液的分类水基钻井液组成:基本组成:水+膨润土+处理剂高密度组成:水+膨润土+处理剂+加重材料实际成分:水+膨润土+处理剂+加重材料+油+钻屑处理剂粘土水第二节第二节 钻井液的组成和分类钻井液的

10、组成和分类第9页/共112页第 10 页二、钻井液的分类第二节第二节 钻井液的组成和分类钻井液的组成和分类第10页/共112页第 11 页二、钻井液的分类油基钻井液组成 基本组成:柴油+水+沥青/有机土+处理剂+加重剂 固相颗粒悬浮在油中，水或盐水乳化在油中，油是连续相。油基钻井液是一种以油为外相，水为内相,并添加适量的乳化剂、润湿剂、亲油胶体和加重剂等所形成的稳定乳状液体系。通过调节油水比以及其他处理剂来满足不同地层的性能要求。第二节第二节 钻井液的组成和分类钻井液的组成和分类第11页/共112页第 12 页二、钻井液的分类气基钻井液组成 直接用空气、天然气、氮气作钻井液。第二节第二节 钻井

11、液的组成和分类钻井液的组成和分类第12页/共112页第 13 页二、钻井液的分类（The classification of drilling fluid ）不分散体系Nondispersed system分散体系Dispersed system钙处理体系Calcium treated system聚合物体系Polymer system低固相体系Low-solid system饱和盐水体系Saturated brine system完井修井液体系Well completion&workover fluid system油基钻井液体系Oil-based drilling fluid system

12、空气、雾、泡沫和气体体系Air、mist、foam and gas system第二节第二节 钻井液的组成和分类钻井液的组成和分类第13页/共112页第 14 页二、钻井液的分类分散钻井液(dispersed Drilling Fluids)定义：用淡水、膨润土和各种对粘土与钻屑起分散作用的处理剂配置而成的水基钻井液 特点：1)可容纳较多的固相，适合于配置较高密度的钻井液 2)容易在井壁上形成较致密的泥饼，失水较低 3)某些分散钻井液具有较强的抗温能力，适合于深井和超深井使用。第二节第二节 钻井液的组成和分类钻井液的组成和分类第14页/共112页第 15 页二、钻井液的分类钙处理钻井液(Cal

13、cium treated drilling fluids)定义：体系中同时含有一定浓度的Ca2+和分散剂 特点：1)1)抗盐、钙污染的能力强 2)2)抑制粘土的水化分散作用，控制页岩坍塌和井径扩大，减少对有气层的损害 第二节第二节 钻井液的组成和分类钻井液的组成和分类第15页/共112页第 16 页二、钻井液的分类盐水钻井液(saltwater drilling fluid)定义：用盐水或海水配置而成。含盐量从1（Cl-质量浓度为6000mg/l)直至饱和(Cl-质量浓度为189,000mg/l)之前。特点：对粘土水化有较强的抑制作用饱和盐水钻井液(Saturated saltwater mu

14、ds)定义：钻井液中 NaCl的含量达到饱和的钻井液体系。特点：用于钻进大段岩层和和复杂的盐膏层特点：用于钻进大段岩层和和复杂的盐膏层第二节第二节 钻井液的组成和分类钻井液的组成和分类第16页/共112页第 17 页二、钻井液的分类聚合物钻井液(Polymer drilling fluid)v定义：以某些具有絮凝和包被作用的高分子聚合物作为主处理剂的水基钻井液体系。v特点：各种固相颗粒可以保持在较粗的范围内 钻屑不易分散成细微颗粒 v优点：钻井液密度和固相含量低，钻速高，地层损害小 剪切稀释特性强 聚合物处理剂有较强底包被和抑制分散的作用，有利于保持井壁稳定的作用。第二节第二节 钻井液的组成和

15、分类钻井液的组成和分类第17页/共112页第 18 页二、钻井液的分类钾基聚合物钻井液 定义：以各种聚合物的钾（或铵、钙）盐和KCl为主处理剂的防塌钻井液体系 特点：特点：1)1)在各种无机盐中，以KClKCl抑制粘土水化分散的效果最好。聚合物侧存在使该钻井液体系具有聚合物钻井液的各种优良特性。2)2)在钻遇泥页岩地层时，具有理想的防塌效果。第二节第二节 钻井液的组成和分类钻井液的组成和分类第18页/共112页第 19 页二、钻井液的分类油基钻井液(oil base muds)定义：以油作为连续相的钻井液为油基钻井液。油水比在（定义：以油作为连续相的钻井液为油基钻井液。油水比在（5050808

16、0）:(50:(5020)20)油包水乳化钻井液。油包水乳化钻井液。特点特点:1)1)抗高温 2)2)有很强的抑制性 3)3)有很强的抗盐、钙的污染能力 4)4)润滑性好 5)5)能有效地减轻对油气层地伤害第二节第二节 钻井液的组成和分类钻井液的组成和分类第19页/共112页第 20 页二、钻井液的分类合成基钻井液 定义：以合成地有机化合物作为连续相，盐水作为分散相，并含定义：以合成地有机化合物作为连续相，盐水作为分散相，并含有乳化剂、降滤失剂、流型改进剂的一类新型钻井液。有乳化剂、降滤失剂、流型改进剂的一类新型钻井液。特点：特点：使用无毒并且能够生物降解的非水溶性的有机物取代了油基钻井液使用

17、无毒并且能够生物降解的非水溶性的有机物取代了油基钻井液中柴油，该钻井液不仅保持了油基钻井液的优良特性，而且大大减轻了钻中柴油，该钻井液不仅保持了油基钻井液的优良特性，而且大大减轻了钻井液排放时对环境造成的不良影响，尤其适合于海上钻井。井液排放时对环境造成的不良影响，尤其适合于海上钻井。第二节第二节 钻井液的组成和分类钻井液的组成和分类第20页/共112页第 21 页二、钻井液的分类气体型钻井流体 空气或天然气钻井流体 雾状钻井流体 泡沫钻井流体 充气钻井液 保护储层的钻井液第二节第二节 钻井液的组成和分类钻井液的组成和分类第21页/共112页第 22 页第三章第三章 钻井液钻井液 （三）（三）

18、钻井液的性能钻井液的性能 The property and performance of drilling fluidThe property and performance of drilling fluid第22页/共112页第 23 页第三节第三节 钻井液的性能钻井液的性能一、钻井液的密度（The density of drilling fluid）1、钻井液密度的定义（The definition of the density of drilling fluid）钻井液密度指单位体积钻井液的质量。（It refers to the quality of drilling fluid p

19、er unit volume）2、合适钻井液密度所起的作用The function of drilling fluid with appropriate density 要做到“压而不漏，活而不喷”to be“press without leak，float without blowout”3、调整钻井液密度的方法The method of adjusting the density of drilling fluid 降低钻井液密度reduce the density 增加钻井液密度increase the density4、钻井液密度的作用The function of the densi

20、ty of drilling fluid平衡地层压力，防止井喷、井漏和钻井液受地层流体的污染；平衡地层压力，保持井壁稳定，防止井塌；实现近平衡钻井技术，减少压持效应，提高机械钻速；合理选择打开油气层的钻井液密度，减少钻井液对产层的伤害。第23页/共112页第 24 页二、钻井液的流变性能及调整Drilling fluid rheological properties adjustment 钻井液流变性：Rheological property of drilling fluid 在外力作用下，钻井液流动和变形的特性。如钻井液的塑性粘度、动切力、表现粘度、切力和触变性等性能都属流变性参数。und

21、er the external force，Flow and deformation characteristics of drilling fluid研究钻井液流变性的方法：The methods of studying the rheological propertyl剪切应力与剪切速率 Shear stress&shear rate剪切速率：在垂直于流动方向上单位距离内流速的增量(dv/dx)。剪切应力：液体流动过程中，单位面积上抵抗流动的内摩力。第三节第三节 钻井液的性能钻井液的性能第24页/共112页第 25 页二、钻井液的流变性能及调整流体分类：根据“应力应变（流动）（-）”关系，

22、将流体分为：大多数钻井液属于塑性大多数钻井液属于塑性流型流型。第三节第三节 钻井液的性能钻井液的性能第25页/共112页第 26 页Page 15Page 152、Adjustment of rheological properties of drilling fluidFluid category：according“stressstrain（-）”relationship，fluid is classified：Most drilling fluids belong to plastic fluid.Pic3-1 Four basic flow typeShear stressVeloci

23、ty gradientPlasticPseudo-plasticNewtonIntumescent第26页/共112页第 27 页二、钻井液的流变性能及调整流体的流动类型：稳稳 定定 流：流场中任何一点的流动参量不随时间改变，但流：流场中任何一点的流动参量不随时间改变，但不同点的流动参量是可以不同的流动。不同点的流动参量是可以不同的流动。特特 点：稳定流动是连续性的流动。点：稳定流动是连续性的流动。不稳定流：流场中任一点的流动参量不但随位置不同而变，不稳定流：流场中任一点的流动参量不但随位置不同而变，而且随时间不同也在改变的流动。而且随时间不同也在改变的流动。特特 点：旧的流动条件刚改变到新的

24、流动稳定条件建立点：旧的流动条件刚改变到新的流动稳定条件建立之间的流动。之间的流动。如：流体刚开始流动时；管道横断面变宽、变窄处。如：流体刚开始流动时；管道横断面变宽、变窄处。第三节第三节 钻井液的性能钻井液的性能第27页/共112页第 28 页二、钻井液的流变性能及调整稳定流动的状态The state of steady flow 塞流 Plug Flow 稳定流 层流 Laminar Flow 紊流 Turbulent Flow塞流：流体象塞子一样流动，流速为常数。层流：流体分层运动。任意流层与相邻流层方向相同，流速不同。紊流：流体内形成无数小旋涡。任一定点的流速，其大小、方向都在进行着不

25、规则的、连续的变化。塞 流层流紊流第三节第三节 钻井液的性能钻井液的性能第28页/共112页第 29 页二、钻井液的流变性能及调整流体的基本流型（Rheological Models）牛顿流体（Newtonian model）：剪切应力与剪切速率成正比。塑性流体（Bingham Plastic Model）：宾汉流体，适合于水基钻井液体系假塑性流体（Power-Law Model）Pseudoplastic fluid：幂律流体，适合于高分子聚合物体系膨胀流体(dilatant fluid)第三节第三节 钻井液的性能钻井液的性能第29页/共112页第 30 页二、钻井液的流变性能及调整-牛顿流

26、型 ：剪切应力dynes/cm2 dv/dx:剪切速率:s-1 :粘度（Poise、泊)剪切速率Dv/dx切应力：第三节第三节 钻井液的性能钻井液的性能第30页/共112页第 31 页二、钻井液的流变性能及调整-塑性流型1、宾汉塑性流型的特点characteristics of plastic flow type 剪切速率 =Dv/dx切应力：0s第三节第三节 钻井液的性能钻井液的性能第31页/共112页第 32 页二、钻井液的流变性能及调整-塑性流型剪切速率 =Dv/dx切应力：0s静止Static塞流Plug Flow层流Laminar Flow紊流Turbulent Flow第三节第三节

27、 钻井液的性能钻井液的性能第32页/共112页第 33 页二、钻井液的流变性能及调整-塑性流型流动特性：0时，=s，s为静切应力（胶凝强度）Gel strength s时，塑性流体象固体一样，不会发生流动 s时，塑性流体，粘度随剪切应力的变化而降低（图中曲线段）直线段：粘速不随剪切应力的变化而变化，直线的斜率为塑性粘度。剪切速率 =Dv/dx切应力：0s第三节第三节 钻井液的性能钻井液的性能第33页/共112页第 34 页2、塑性流型的流变方程The rheological equation of plastic flow pattern 流变曲线：有截距的直线(宾汉公式)。二、钻井液的流变性

28、能及调整-塑性流型 0s真实泥浆宾汉体第三节第三节 钻井液的性能钻井液的性能第34页/共112页第 35 页二、钻井液的流变性能及调整-塑性流型3、塑性流型的流变参数及物理意义The rheological parameters and the physical meaning of plastic flow pattern （静切力，静切应力，凝胶强度）silence：影响因素：静止时的凝胶强度，取决于单位体积中结构连接点的数目和单个连接点的强度。调整方法：调整钻井液中粘土含量及分散度，加无机电解质调整粘土颗粒间的静电斥力和水化膜斥力，加称粘剂可调整钻井液静切应力。“凝胶结构”第三节第三节

29、钻井液的性能钻井液的性能第35页/共112页第 36 页二、钻井液的流变性能及调整-塑性流型 （动切应力，屈服值，屈服点）movement：钻井液作层流流动时，流体内部结构一部分被拆散，另一部分又重新恢复。当拆散和恢复结构的速度相等时，流体中仍然存在的那部分内部结构流动中产生的摩擦阻力。即流体开始呈现层流流动时所需要的剪切应力。几何意义：直线截距的切应力值。影响因素和调整方法同 。静切力、动切力：实质为凝胶结构强度。第三节第三节 钻井液的性能钻井液的性能第36页/共112页第 37 页二、钻井液的流变性能及调整-塑性流型塑性粘度 Plastic Viscosity 定义：产生单位剪切速率所需要

30、的剪切应力。几何意义：是塑性流体曲线段斜率的倒数。影响因素：钻井液中的固相含量、固相颗粒的形状和分散程度、表面润滑性及液相本身的粘度等调整方法：如果体系塑性粘度太高需要降低时，一般使用固控设备降低固相含量，增加体系的抑制性，降低活性固相的分散度；如果急需降低可加水稀释。如果要提高体系的塑性粘度可加入高分子有机聚合物增粘剂。第三节第三节 钻井液的性能钻井液的性能第37页/共112页第 38 页二、钻井液的流变性能及调整-塑性流型表观粘度 ：（视粘度或有效粘度）apparent viscosity 定义：单位剪切速率下的剪切应力。含义：指钻井液流动时，固体颗粒之间、固体颗粒与液体之间、以及液体分子

31、之间的内摩擦的总反映。同意名称：有效粘度、视粘度。常用符号：切应力剪切速率abc第三节第三节 钻井液的性能钻井液的性能第38页/共112页第 39 页 表观粘度：在某一流速梯度下，其剪切应力与剪切速率的比值。钻井液的结构粘度。称为动塑比，反映钻井液中结构强度和塑性粘度的比例关系。二、钻井液的流变性能及调整-塑性流型第三节第三节 钻井液的性能钻井液的性能第39页/共112页第 40 页对于宾汉塑性流体有效粘度：结构粘度：定义：分散相颗粒之间的相互作用或空间网架结构给流动增加的摩擦力，与泥浆的屈服值（0）紧密相关。二、钻井液的流变性能及调整-塑性流型结构粘度结构粘度内部结构流动过程中带来的摩擦阻力

32、非结构粘度非结构粘度固体颗粒与颗粒之间的摩擦阻力固体颗粒与液体分子之间的摩擦阻力液体分子与液体分子之间的摩擦阻力第三节第三节 钻井液的性能钻井液的性能第40页/共112页第 41 页二、钻井液的流变性能及调整-假塑性流型和膨胀流型幂律流型(Power law Model)流变模式：流变参数：稠度系数 K 意义：反映粘滞性。K越大，流体越难流动。单位：Pasn 流型指数 n 意义：偏离牛顿流体的程度。N1N1N1时为膨胀型流体时为膨胀型流体第三节第三节 钻井液的性能钻井液的性能第41页/共112页第 42 页二、钻井液的流变性能及调整-假塑性流型和膨胀流型1、假塑性流型（n1）流变曲线：过原点凹

33、向切应力轴的曲线。流动特性：施加极小的切应力就发生流动，没有静切应力，而且粘度随切应力的 增加而增加。r0r第三节第三节 钻井液的性能钻井液的性能第43页/共112页第 44 页二、钻井液的流变性能及调整卡森流型：Carson Flow 1/2c1/21/2c:卡森动切力：极限高剪粘度 第三节第三节 钻井液的性能钻井液的性能第44页/共112页第 45 页二、钻井液的流变性能及调整赫巴流型：He-Pakistani flow pattern流变模式 说明：对于动切力较高的聚合物钻井液，特别是在环空较低剪切速率下，它往往比宾汉模式和幂律模式更接近于钻井液的流变性。因其为三参数方程，参数计算较复杂

34、。赫巴流型：参数计算第三节第三节 钻井液的性能钻井液的性能0r第45页/共112页第 46 页二、钻井液的流变性能及调整-流变参数的测定1、静切力Static shear钻井液的触变性钻井液的触变性(Drilling fluid thixotropy)常用流变参数：定 义:搅拌后变稀（切力降低），静置后变稠（切力升高）特性。触变性表示方法：用两个静切力的差值表示。低密度钻井液：用1min静切力（初切）和10分静切力（终切）；高密度钻井液：用10秒钟切力（初切）和10分终切力（终切）。钻井工艺要求钻井液具有良好的触变性，在停止循环时，初切力能较快地增大到某个数值，既有利于钻屑的悬浮，又不致于静置

35、后开泵泵压过高（终切力大）。震凝性：rheopectic第三节第三节 钻井液的性能钻井液的性能第46页/共112页第 47 页二、钻井液的流变性能及调整-流变参数的测定2、其它流变参数Other rheological parameters 测定仪器:范氏旋转粘度计 参数计算:直读公式 表观粘度Apparent viscosity：塑性粘度：Plastic viscosity 动切力：YP例:采用旋转粘度计测得某钻井液的600=60格,300=20格,求:该钻井液的表观粘度、塑性粘度、动切力各为多少？第三节第三节 钻井液的性能钻井液的性能第47页/共112页第 48 页二、钻井液的流变性能及调

36、整-流变参数的测定流性指数：Flow Index稠度系数：Consistency coefficient例:采用旋转粘度计测得某钻井液的600=60格,300=20格,求:该钻井液的表观粘度、n、k各为多少？第三节第三节 钻井液的性能钻井液的性能第48页/共112页第 49 页二、钻井液的流变性能及调整-流变参数的测定漏斗粘度Funnel Viscosity 定义：用漏斗粘度计测得的一定体积流体500ml500ml泥浆所经历的时间。单位为秒。漏斗粘度与泥浆的塑性粘度、屈服值、以及仪器的尺寸和形状有关。第三节第三节 钻井液的性能钻井液的性能第49页/共112页第 50 页二、钻井液的流变性能及调

37、整-流变参数的测定流变参数的调整降低塑性粘度降低塑性粘度(塑塑)：通过合理使用固相设备、加水稀释或化学絮：通过合理使用固相设备、加水稀释或化学絮凝等方法，尽量减小固相含量。凝等方法，尽量减小固相含量。提高塑性粘度提高塑性粘度(塑塑)：加入低造浆率的粘土、混入原油；增加聚合：加入低造浆率的粘土、混入原油；增加聚合物的浓度使钻井液的滤液粘度提高。物的浓度使钻井液的滤液粘度提高。降低动切力降低动切力 (0 0)：加入适合于本体系的降粘剂，以拆散钻井液中：加入适合于本体系的降粘剂，以拆散钻井液中已形成的网架结构。如果是因为已形成的网架结构。如果是因为CaCa2+2+、MgMg2+2+，可使其沉淀。，可

38、使其沉淀。提高动切力提高动切力 (0 0)：可加入预水化膨润土或增大聚合物的加量，对：可加入预水化膨润土或增大聚合物的加量，对于钙处理或其它盐水钻井液，可适当增加于钙处理或其它盐水钻井液，可适当增加Ca2+Ca2+、Na+Na+浓度。浓度。降低降低n n值：增加钻井液中高分子量聚合物和无机盐的含量，以及将值：增加钻井液中高分子量聚合物和无机盐的含量，以及将预水化膨润土加入盐水钻井液体系，均可使预水化膨润土加入盐水钻井液体系，均可使n n值降低。值降低。降低或提高降低或提高K K值：与调整塑性粘度、动切力基本相同值：与调整塑性粘度、动切力基本相同第三节第三节 钻井液的性能钻井液的性能第50页/共

39、112页第 51 页二、钻井液的流变性能及调整-钻井液流变性与钻井工程的关系影响钻井速度影响环空携岩能力影响井壁稳定影响岩屑与加重物的悬浮影响井内压力激动影响钻井泵压和排量影响固井质量第三节第三节 钻井液的性能钻井液的性能泥浆的流变性对钻井的影响：携带岩屑，保证井底清洁。悬浮岩屑与重晶石 提高机械钻速 保证井眼规则和井下安全。第51页/共112页第 52 页二、钻井液的流变性能及调整-钻井液流变性与钻井工程的关系剪切稀释特性剪切稀释特性常用流变参数 定义：表现粘度随剪切速率增大而降低的现象 特点：结构粘度越大，剪切稀释性越好。对于宾汉流体，塑越低，0 0越高，即 0 0 塑比值越大，剪切稀释能

40、力越高。有利于高压喷射钻井；同时在低剪切速率下会显著增稠，有利于带砂。在实际钻井井眼的各个部位处（如钻杆内、钻头水眼处、环空等），其剪切速率各不相同，导致各处的有效粘度各不相同。r0第三节第三节 钻井液的性能钻井液的性能第52页/共112页第 53 页三、钻井液的造壁性能及降滤失量剂-滤失和造壁过程 当钻头钻穿带孔隙的渗透性地层时，由于一般情况下钻井液的静液柱压力总是大于地层压力，钻井液中的液体(刚开始也有钻井液)在压差的作用下便向地层内渗滤，这个过程称为钻井液的滤失。失水(滤失)dehydration(fluid loss)定义：泥浆中的自由水在压差的作用下向具有孔隙的地层渗透的现象。类型：

41、瞬时失水、动失水、静失水。钻井液内的水=化学结合水+吸附水+自由水泥饼（滤饼）mud cake（cake）定义：泥浆中水分进入地层，粘土颗粒附着在井壁上，形成泥饼。第三节第三节 钻井液的性能钻井液的性能第53页/共112页第 54 页三、钻井液的造壁性能及降滤失量剂-滤失和造壁过程 滤饼：在钻井液产生滤失的同时，在井壁表面形成一层固体颗粒胶结物。滤饼形成的过程：The process of making wall 先由较大的颗粒将大孔堵塞一部分，然后次大的颗粒堵塞大颗粒之间的孔隙，依次下去，孔越堵越小。滤饼有保护井壁的作用。故滤饼在井壁上的形成过程称为造壁过程。第三节第三节 钻井液的性能钻井液

42、的性能第54页/共112页第 55 页三、钻井液的造壁性能及降滤失量剂-滤失和造壁过程第三节第三节 钻井液的性能钻井液的性能第55页/共112页第 56 页三、钻井液的造壁性能及降滤失量剂-几种滤失的概念1、瞬时滤失（spurt loss）：定义 过程描述：新井形成瞬间，泥浆水便向地层渗透，未形成泥饼.特点：时间短（t2s）、占总失水量的比例小。与钻井的关系：使储层受到损害，降低油气层的渗透率。影响因素 降低瞬时滤失的方法 屏蔽暂堵 单向压力暂堵剂第三节第三节 钻井液的性能钻井液的性能第56页/共112页第 57 页三、钻井液的造壁性能及降滤失量剂-几种滤失的概念2、动滤失(dynamic f

43、iltration)：定义 过程描述：在泥浆循环的情况下，泥饼建立、增厚、直至平衡而失水速度也由开始较大逐渐减少至恒定。特点：泥饼形成、增厚与冲蚀处于动平衡（高渗透率泥饼减小为低渗透率泥饼，最后趋向于稳定值）；失水速率大，失水量大。影响因素第三节第三节 钻井液的性能钻井液的性能第57页/共112页第 58 页三、钻井液的造壁性能及降滤失量剂-几种滤失的概念3、静滤失Static filtration 定义 过程描述：停止循环时，不存在泥浆液流对泥饼的冲刷力，随着失水的进行，泥饼逐渐加厚，失水也逐渐减少。特点：静失水的失水量比动失水小。一般说的滤失量都指静滤失。第三节第三节 钻井液的性能钻井液的

44、性能第58页/共112页第 59 页三、钻井液的造壁性能及降滤失量剂-影响静滤失量的因素静滤失方程 式中 Vf-钻井液的滤失量，mL；A-过滤面积，cm2；K-滤饼的渗透率；Cc-滤饼中固相含量（以体积计），%；Cm-钻井液中固相含量（以体积计），%；p-压差，MPa;t-滤失时间，min;-钻井液的滤液粘度，mPas.第三节第三节 钻井液的性能钻井液的性能第59页/共112页第 60 页三、钻井液的造壁性能及降滤失量剂-影响静滤失量的因素1、滤失时间Filtration time第三节第三节 钻井液的性能钻井液的性能第60页/共112页第 61 页三、钻井液的造壁性能及降滤失量剂-影响静滤失

45、量的因素2、压差pressure drawdown 过滤压差对滤失量的影响是滤饼压缩性的函数。压差越大，失水越大。第三节第三节 钻井液的性能钻井液的性能第61页/共112页第 62 页三、钻井液的造壁性能及降滤失量剂-影响静滤失量的因素3、温度Temperature 温度升高，钻井液滤液粘度降低，静失水量增加。第三节第三节 钻井液的性能钻井液的性能第62页/共112页第 63 页三、钻井液的造壁性能及降滤失量剂-影响静滤失量的因素4、固相含量及类型Content and type of solid phase 要降低失水，提高钻井中的固相含量。（不可取）；降低泥饼中的固相含量，选用优质粘土配钻

46、井液。第三节第三节 钻井液的性能钻井液的性能第63页/共112页第 64 页三、钻井液的造壁性能及降滤失量剂-影响静滤失量的因素5、滤饼的渗透率Cake permeability泥饼渗透率是降低失水的关键因素。影响泥饼渗透率的主要因素有钻井液中固相粒子的粒度和粒度级配以及粒子的浓度。钻井液中细粒子越多，平均粒径越小，泥饼渗透率越低；固相颗粒分布越宽，泥饼渗透率越小；泥饼中的渗透率还取决于钻井液中胶体粒子（d 3000C，释放出结晶水。2、吸附水（束缚水）定义：由于分之间力和静电引力吸附极性水 分子而在粘土表面上形成的一层水化 膜。特点：温度1100C，释放出吸附水。包括：薄膜水、毛细管水、胶体

47、水。3、自由水 定义：粘土颗粒孔隙或孔道中存在的水。结晶水第五节第五节 井塌及防塌措施井塌及防塌措施第89页/共112页第 90 页三、防止井壁坍塌的措施粘土矿物的水化过程：粘土水化粘土矿物遇水后，在其颗粒表面吸附水分子形成水化膜的过程。粘土膨胀水分子进入粘土矿物晶层间，其体积由小变大的过程。粘土分散水分子进入粘土矿物晶层间，使粘土由大颗粒变为小颗粒的过程。第五节第五节 井塌及防塌措施井塌及防塌措施第90页/共112页第 91 页三、防止井壁坍塌的措施粘土矿物的水化机理：（1）粘土表面直接吸引水分子而水化降低体系表面能；粘土表面带负电，水分子极化、定向、浓集；晶格里的氧和氢氧层，均可以与水分子

48、形成氢键而吸引水分子。（2）粘土表面间接吸引水分子而水化粘土表面吸附若干水合阳离子，这些阳离子的水化膜给粘土间接带来水化膜。第五节第五节 井塌及防塌措施井塌及防塌措施第91页/共112页第 92 页三、防止井壁坍塌的措施 第五节第五节 井塌及防塌措施井塌及防塌措施第92页/共112页第 93 页三、防止井壁坍塌的措施 钻井液中加入K+、NH4+等无机阳离子 K+的防塌机理 硅硅氧氧四四面面体体K K+的固定作用的固定作用钾钾离离子子作作用用示示意意图图第五节第五节 井塌及防塌措施井塌及防塌措施第93页/共112页第 94 页三、防止井壁坍塌的措施 滑动面均匀液相电动电位 从固体表面到过剩正电荷

49、为0处的这一层为扩散双电层第五节第五节 井塌及防塌措施井塌及防塌措施第94页/共112页第 95 页三、防止井壁坍塌的措施NH4+的防塌机理：由于NH4+不适合在较强的碱性条件下使用，故其使用范围受到限制。应用最广泛的无机盐抑制剂是KCl，其次是(NH4+)2SO4、CaCl2等。第五节第五节 井塌及防塌措施井塌及防塌措施第95页/共112页第 96 页三、防止井壁坍塌的措施 加入高聚物利用沥青类物质在井壁上起封堵作用 为了达到满意的防塌效果，通常是将无机盐抑制剂、高聚物和封堵裂缝类物质同时配合使用到钻井液中。第五节第五节 井塌及防塌措施井塌及防塌措施第96页/共112页第 97 页第三章第三

50、章 钻井液钻井液第六节第六节 油气层保护及完井液油气层保护及完井液 Reservoir Protection and Completion fluidReservoir Protection and Completion fluid第97页/共112页第 98 页第六节第六节 油气层保护与完井液油气层保护与完井液 油气储层损害：任何阻碍流体从井眼周围流入井底的现象。地层损害不仅损失油气资源，提高生产成本，而且对石油天然气工业来说是一个非常复杂而严重的问题。在钻井、完井、采油、增产、修井等各作业中都可能破坏这种平衡状态，从而导致地层损害。油气储层保护：防止或减少对油气储层的损害。近年的理论研究、