钻井液性能及其测试精.ppt

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1、钻井液性能及其测试第1页，本讲稿共33页一、密度一、密度二、流变性二、流变性（漏斗粘度、表观粘度、塑性粘度、（漏斗粘度、表观粘度、塑性粘度、动切力、静切力等）动切力、静切力等）三、滤失造壁性三、滤失造壁性（滤失量、滤饼厚度、滤饼性能等）（滤失量、滤饼厚度、滤饼性能等）四、四、pH值值五、含砂量五、含砂量六、固相含量等。六、固相含量等。本节课程内容钻井液常规性能钻井液常规性能第2页，本讲稿共33页l钻井液的密度是指钻井液的密度是指每单位体积钻井液的质量每单位体积钻井液的质量，常用，常用g/cmg/cm3 3(或或kg/mkg/m3 3)表示。在钻井工程上，钻井液密度和泥浆比重表示。在钻井工程上，

2、钻井液密度和泥浆比重(Mud(Mud weight)weight)是两个等同的术语。其英制单位通常为是两个等同的术语。其英制单位通常为lbm/ga1(lbm/ga1(即磅即磅/加仑，或写做加仑，或写做ppg)ppg)，1 g/cm1 g/cm3 3等于等于8.331bm/ga18.331bm/ga1。l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。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静液柱压力，以，以平平衡地层孔隙压力衡地层孔隙压力时亦用于时亦用于平衡

3、地层构造应力，以避免井塌的发生平衡地层构造应力，以避免井塌的发生。1.1.钻井液密度与安全密度窗口钻井液密度与安全密度窗口一 钻井液密度第3页，本讲稿共33页安全密度窗口（安全密度窗口（P）井漏井漏井喷井喷复杂情况复杂情况坍塌坍塌 钻具钻具厚泥饼厚泥饼卡钻卡钻安全密度窗口：安全密度窗口：安安全钻进时的全钻进时的 泥浆泥浆密度范围密度范围 1.1.钻井液密度与安全密度窗口钻井液密度与安全密度窗口一 钻井液密度第4页，本讲稿共33页坍塌压力坍塌压力P P塌塌和泥浆压力和泥浆压力P P泥泥l井眼形成后，井眼形成后，地应力在井壁上的二次分布所产生的指向井内引地应力在井壁上的二次分布所产生的指向井内引起

4、井壁岩石向井内移动的应力起井壁岩石向井内移动的应力，称为，称为井壁（地层）坍塌应力井壁（地层）坍塌应力P P塌塌。P P塌塌一旦产生（一旦产生（P P塌塌0 0），井壁岩石必然逐渐掉（挤）入井中（垮），井壁岩石必然逐渐掉（挤）入井中（垮塌）。塌）。l钻井过程中钻井过程中P P塌塌可以（也只能）用井内泥浆液柱压力来有效地可以（也只能）用井内泥浆液柱压力来有效地平衡，平衡，P P泥泥P P塌塌时则井壁保持稳定；时则井壁保持稳定；P P泥泥P P塌塌时，则发生井塌。时，则发生井塌。1.1.钻井液密度与安全密度窗口钻井液密度与安全密度窗口一 钻井液密度第5页，本讲稿共33页泥浆压力泥浆压力P P泥泥和

5、破裂压力和破裂压力P P破破l除了除了P P塌塌之外，裸眼井段还有地层流体压力（之外，裸眼井段还有地层流体压力（P P地地）和地层破）和地层破裂压力裂压力P P破破（P P漏漏）等两个地层压力。钻进过程中，我们人为）等两个地层压力。钻进过程中，我们人为施加的是泥浆压力施加的是泥浆压力P P泥。泥。l当当P P泥泥P P破破（P P漏漏）则发生井漏；）则发生井漏；P P泥泥P P地地时，则发生井涌或井喷。时，则发生井涌或井喷。1.1.钻井液密度与安全密度窗口钻井液密度与安全密度窗口一 钻井液密度第6页，本讲稿共33页安全密度窗口问题分析安全密度窗口问题分析P塌塌、P地地P泥泥P破破(P漏漏)安全

6、密度窗口安全密度窗口P=PP=P破破P P地地（P P塌塌）一 钻井液密度常规地层常规地层井口井口易漏，低易漏，低P破破 P泥泥 P泥泥低压地层低压地层高压地层高压地层易喷地层，高易喷地层，高P地地常规地层常规地层第7页，本讲稿共33页 钻井液密度是用一种专门设计的钻井液比重秤钻井液密度是用一种专门设计的钻井液比重秤(Mud Balancer(Mud Balancer）测得的，比重秤的外观如下图所示。测定时，首先在泥浆杯中盛满钻井测得的，比重秤的外观如下图所示。测定时，首先在泥浆杯中盛满钻井液，盖上计量盖，然后用棉纱布擦净从计量盖小孔溢出的钻井液。再将液，盖上计量盖，然后用棉纱布擦净从计量盖小

7、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小央。此时游码左侧的到度即表示所测量钻井液的密度。线的小央。此时游码左侧的到度即表示所测量钻井液的密度。2.2.钻井液密度的测量钻井液密度的测量一 钻井液密度第8页，本讲稿共33页l加入加入重晶石重晶石等加重材料等加重材料是提高钻井液密度最常用的方法。是提高钻井液密度最常用的方法。l在加重前，应调整好钻井液的各种性能，特别要严格控制低密度固在加重前，应调整好钻井液的各种性能，特别要严格控制低密度固相的含量。一般情况下，所需钻井液密度越高，则相的含量

8、。一般情况下，所需钻井液密度越高，则加重前钻井液的加重前钻井液的固相含量及粘度、切力应控制得越低固相含量及粘度、切力应控制得越低。l加入可溶性无机盐也是提高密度较常用的方法。如在保护油气层的清加入可溶性无机盐也是提高密度较常用的方法。如在保护油气层的清洁盐水钻井液中，通过加入洁盐水钻井液中，通过加入NaClNaCl，可将钻井液密度提高至，可将钻井液密度提高至1.20 g/cm1.20 g/cm3 3左右。左右。3.3.钻井液密度的调整钻井液密度的调整一 钻井液密度第9页，本讲稿共33页l为实现平衡压力钻井或欠平衡压力钻井，有时需要适当降低为实现平衡压力钻井或欠平衡压力钻井，有时需要适当降低钻井

9、液的密度。通常降低密度的方法有以下几种：钻井液的密度。通常降低密度的方法有以下几种：l最主要的方法是用最主要的方法是用机械和化学絮凝的方法清除无用固相，降低的方法清除无用固相，降低钻井液的固相含量。钻井液的固相含量。l加水稀释。但往往会增加处理剂用量和钻井液费用。加水稀释。但往往会增加处理剂用量和钻井液费用。l混油。但有时会影响地质录井和测井解释；混油。但有时会影响地质录井和测井解释；l钻低压油气层时可选用钻低压油气层时可选用充气钻井液等。等。3.3.钻井液密度的调整钻井液密度的调整一 钻井液密度第10页，本讲稿共33页l钻井液的流变性钻井液的流变性(Rheological ProPertie

10、s of Drilling F1uids)(Rheological ProPerties of Drilling F1uids)是是指钻井液指钻井液流动和变形的特性。的特性。l该特性通常是由不同的流变模式及其参数来表征的，最常用的流变模式该特性通常是由不同的流变模式及其参数来表征的，最常用的流变模式为宾汉和幂律模式。其中为宾汉和幂律模式。其中宾汉模式的参数为塑性粘度宾汉模式的参数为塑性粘度(Plastic(Plastic Viscosity)Viscosity)和动切力和动切力(Yield Point)(Yield Point)；幂律模式的参数为流性指幂律模式的参数为流性指数数(FLow Be

11、havior Index)(FLow Behavior Index)和稠度系数和稠度系数(Consistency Index)(Consistency Index)。此外，此外，漏斗粘度漏斗粘度(Funnel Viscosity(Funnel Viscosity、表观粘度表观粘度(Apparent(Apparent Viscosity)Viscosity)和和静切力静切力(Gel Strength)(Gel Strength)等也是钻井液的重要流变参等也是钻井液的重要流变参数。数。二 钻井液流变性第11页，本讲稿共33页l由于钻井液的流变性与携岩、井壁稳定、提高机械钻速和环空由于钻井液的流变性

12、与携岩、井壁稳定、提高机械钻速和环空水力参数计算等一系列钻井工作密切相关，因此它是钻井液最水力参数计算等一系列钻井工作密切相关，因此它是钻井液最重要的性能之一。重要的性能之一。二 钻井液流变性钻井液流变性的测量第12页，本讲稿共33页常用流变参数计算关于切力关于切力l在在600r/min下搅拌下搅拌10s，静止，静止10s后在后在3r/min下读取并记录最大读数值下读取并记录最大读数值l再在再在600r/min下搅拌下搅拌10s，静止，静止10min后后在在3r/min下读取并记录最大读数值。下读取并记录最大读数值。二 钻井液流变性第13页，本讲稿共33页l钻井过程中，当钻头钻过渗透性地层时，

13、由于钻井液的液柱压力一般钻井过程中，当钻头钻过渗透性地层时，由于钻井液的液柱压力一般总是大于地层孔隙压力，在压差作用下，钻井液的液体便会渗入地层，总是大于地层孔隙压力，在压差作用下，钻井液的液体便会渗入地层，这种特性常称为这种特性常称为钻井液的滤失性钻井液的滤失性(Filtration Properties(Filtration Properties of of Drilling F1uids)Drilling F1uids)。在液体发生渗滤的同时，钻井液中的固相颗粒。在液体发生渗滤的同时，钻井液中的固相颗粒会附着沉积在井壁上形成一层泥饼会附着沉积在井壁上形成一层泥饼(Mud cake)(Mu

14、d cake)。随着泥饼的逐渐。随着泥饼的逐渐加厚以及在压差作用下被压实，会对裸眼井壁有效地起到稳定加厚以及在压差作用下被压实，会对裸眼井壁有效地起到稳定和保护作用，这就是钻井液的所谓和保护作用，这就是钻井液的所谓造壁性造壁性。由于泥饼的渗透率远。由于泥饼的渗透率远远小于地层的渗透宰，因而形成的泥饼还可有效地阻止钻井液中远小于地层的渗透宰，因而形成的泥饼还可有效地阻止钻井液中的固相和滤液继续侵入地层。的固相和滤液继续侵入地层。三、钻井液的滤失造壁性第14页，本讲稿共33页 滤饼质量评价三、钻井液的滤失造壁性第15页，本讲稿共33页 滤饼质量评价滤饼质量评价l光滑性光滑性：将滤饼放在一平面上，用

15、手指触摸，如果滤饼薄而光滑，并无：将滤饼放在一平面上，用手指触摸，如果滤饼薄而光滑，并无有砂子的感觉则光滑性好，否则，光滑性不好。有砂子的感觉则光滑性好，否则，光滑性不好。三、钻井液的滤失造壁性第16页，本讲稿共33页l坚实性坚实性：将滤饼放在一容器里，并装入水或柴油，放置：将滤饼放在一容器里，并装入水或柴油，放置2424小小时，观察其破坏滤饼的程度，如果滤饼经过浸泡而松散或消失，时，观察其破坏滤饼的程度，如果滤饼经过浸泡而松散或消失，证明坚实性较差，否则，则好。证明坚实性较差，否则，则好。三、钻井液的滤失造壁性第17页，本讲稿共33页l韧韧 性性：将滤饼放在一立方形物品：将滤饼放在一立方形物

16、品(桌面桌面)边缘，向下折边缘，向下折9090，如果滤饼无明显断裂，证明韧性较好，否则较差。，如果滤饼无明显断裂，证明韧性较好，否则较差。三、钻井液的滤失造壁性第18页，本讲稿共33页l通常用通常用钻井液滤液的钻井液滤液的pHpH值值表示钻井液的酸碱性。由于酸碱性的表示钻井液的酸碱性。由于酸碱性的强弱直接与钻井液中粘土颗粒的分散程度有关，因此会在很大程强弱直接与钻井液中粘土颗粒的分散程度有关，因此会在很大程度上影响钻井液的粘度、切力和其它性能参数。度上影响钻井液的粘度、切力和其它性能参数。四、钻井液的pH值和碱度第19页，本讲稿共33页l右右图图表表示示经经预预水水化化的的膨膨润润土土基基浆浆

17、(其其 中中 膨膨 润润 土土 含含 量量 为为57.1kg/m57.1kg/m3 3)的的表表现现粘粘度度随随pHpH值值的的变变化化。由由图图可可知知，当当pHpH值值大大于于9 9时时，表表现现粘粘度度随随pHpH值值升升高高而而剧剧增增。其其原原因因是是当当pHpH值值升升高高时时，会会有有更更多多OHOH-被被吸吸附附在在粘粘土土晶晶层层的的表表而而，进进一一步步增增强强表表面面所所带带的的负负电电性性，从从而而在在剪剪切切作作用用下下使粘土更容易水化分散。使粘土更容易水化分散。松科松科1井，井，470m处井口泥浆，处井口泥浆，pH为为6.5，失水，失水量为量为18ml；加入；加入0

18、.5%KOH后，后，pH为为10.5，失水量为，失水量为14.4ml。四、钻井液的pH值和碱度第20页，本讲稿共33页l在实际应用中，大多数钻井液的在实际应用中，大多数钻井液的pHpH值要求控制在值要求控制在8 81111之间，之间，即维持一个较弱的碱性环境。这主要是由于有以下几方面的原因：即维持一个较弱的碱性环境。这主要是由于有以下几方面的原因：l可减轻对钻具的腐蚀；可减轻对钻具的腐蚀；l可预防因氢脆而引起的钻具和套管的损坏；可预防因氢脆而引起的钻具和套管的损坏；l可抑制钻井液中钙、镁盐的溶解；可抑制钻井液中钙、镁盐的溶解；l有相当多的处理剂需要在碱性介质个才能充分发挥其效能。有相当多的处理

19、剂需要在碱性介质个才能充分发挥其效能。如丹宁类、褐煤类和木质素磺酸盐类处理剂。如丹宁类、褐煤类和木质素磺酸盐类处理剂。四、钻井液的pH值和碱度第21页，本讲稿共33页l烧碱（即工业用烧碱（即工业用NaOHNaOH）是调节钻井液）是调节钻井液pHpH值的主要添加剂，有时也使值的主要添加剂，有时也使用纯碱和石灰。用纯碱和石灰。l在常温下，它们的水溶液具有如下的在常温下，它们的水溶液具有如下的pHpH值：值：l10%10%NaOHNaOH 溶液，溶液，pHpH12.912.9；l10%10%NaNa2 2COCO3 3 溶液，溶液，pHpH11.111.1；l饱和饱和Ca(OH)2Ca(OH)2溶液

20、，溶液，pHpH12.112.1。l通常使用通常使用pHpH试纸测量钻井液的试纸测量钻井液的pHpH值，如要求的精度较高时，可使用值，如要求的精度较高时，可使用pHpH计。计。四、钻井液的pH值和碱度第22页，本讲稿共33页l钻井液含砂量是指钻井液中钻井液含砂量是指钻井液中不能通过不能通过200200目筛网，即粒径大于目筛网，即粒径大于7474微米微米的砂粒占钻井液总体积的百分数。在现场应用中，该数值的砂粒占钻井液总体积的百分数。在现场应用中，该数值越小越好，一般要求控制在越小越好，一般要求控制在0.50.5以下。这是由于含砂量过大会以下。这是由于含砂量过大会对钻井过程造成以下危害：对钻井过程

21、造成以下危害：l使钻井液密度增大，对提高钻速不利；使钻井液密度增大，对提高钻速不利；l使形成的泥饼松软，导致滤失量增大，不利于井壁稳定，并影响使形成的泥饼松软，导致滤失量增大，不利于井壁稳定，并影响固井质量；固井质量；五、钻井液含砂率第23页，本讲稿共33页泥饼中砂粒含量过高会使泥饼的摩擦系数增大，容易泥饼中砂粒含量过高会使泥饼的摩擦系数增大，容易造成压差卡钻；造成压差卡钻；增加对钻头和钻具的磨损，缩短其使用寿命。增加对钻头和钻具的磨损，缩短其使用寿命。降低钻井液含砂量量有效的方法，是充分利用振动筛、降低钻井液含砂量量有效的方法，是充分利用振动筛、除砂器、除泥器等设备，对钻井液的固相含量进行有

22、除砂器、除泥器等设备，对钻井液的固相含量进行有效的控制。效的控制。五、钻井液含砂率第24页，本讲稿共33页含砂量的测量五、钻井液含砂率第25页，本讲稿共33页l钻井液固相含量通常用钻井液中钻井液固相含量通常用钻井液中全部固相的体积全部固相的体积占钻占钻井液总体积的百分数来表示，固相含量的高低以及这些井液总体积的百分数来表示，固相含量的高低以及这些固相颗粒的类型、尺寸和性质均对钻井时的井下安全、固相颗粒的类型、尺寸和性质均对钻井时的井下安全、钻井速度及油气层损害程度等有直接的影响。因此，在钻井速度及油气层损害程度等有直接的影响。因此，在钻井过程中必须对其进行有效的控制。钻井过程中必须对其进行有效

23、的控制。六、钻井液的固相含量第26页，本讲稿共33页l一般情况下，钻井液中存在着各种不同组分、不同性质和不同颗粒尺一般情况下，钻井液中存在着各种不同组分、不同性质和不同颗粒尺寸的固相。根据其性质的不同，可将钻井液中的固相分为两种类型，寸的固相。根据其性质的不同，可将钻井液中的固相分为两种类型，即即活性固相活性固相(Active(Active So1ids)So1ids)和和惰性固相惰性固相(Inert So1ids)(Inert So1ids)。凡是。凡是容容易发生水化作用或易与液相中某些组分发生反应易发生水化作用或易与液相中某些组分发生反应的称为活性固相，的称为活性固相，反之则称为惰性固相。

24、前者主要指反之则称为惰性固相。前者主要指膨润土膨润土，后者包括石英、长石、，后者包括石英、长石、重晶石以及造浆率极低的粘土等。除重晶石外，其余的惰性固相均重晶石以及造浆率极低的粘土等。除重晶石外，其余的惰性固相均被认为是有害固相，是需要尽可能加以清除的物质。被认为是有害固相，是需要尽可能加以清除的物质。六、钻井液的固相含量1 1、钻井液中固相的类型、钻井液中固相的类型第27页，本讲稿共33页l使钻井液流变性能不稳定，粘度、切力偏高，流动性和携岩效果变差。l使井壁上形成厚的泥饼，而且质地松散，摩擦系数大，从而导致起使井壁上形成厚的泥饼，而且质地松散，摩擦系数大，从而导致起下钻遏阻，容易造成粘附卡

25、钻。下钻遏阻，容易造成粘附卡钻。l泥饼质量不好会使钻井液滤失量增大，常造成井壁泥页岩水化膨胀、井径缩小、井壁剥落或坍塌；l钻井液易发生盐钙侵和粘土侵，抗温性能变差，维护其性能的难度钻井液易发生盐钙侵和粘土侵，抗温性能变差，维护其性能的难度明显增大。明显增大。六、钻井液的固相含量2 2、钻井液固相含量对与井下安全的关系、钻井液固相含量对与井下安全的关系第28页，本讲稿共33页l大量钻井实践表明，钻井液中固相含量大量钻井实践表明，钻井液中固相含量增加是引起钻速下降的一个重要原因。增加是引起钻速下降的一个重要原因。此外，钻井液对钻速的影响还与固相的此外，钻井液对钻速的影响还与固相的类型、固相颗粒尺寸

26、和钻井液类型等因类型、固相颗粒尺寸和钻井液类型等因素有关。素有关。l 根据根据100100口井统计资料做出的钻井进尺、口井统计资料做出的钻井进尺、钻头使用数量及钻井天数与钻井液固相含钻头使用数量及钻井天数与钻井液固相含量的关系曲线如下图所示。虽然这些曲线量的关系曲线如下图所示。虽然这些曲线不能用来预计某口井的钻速，但是可以表不能用来预计某口井的钻速，但是可以表明固相含量对钻速影响的大概趋势。明固相含量对钻速影响的大概趋势。六、钻井液的固相含量3 3、钻井液固相含量对钻速的影响、钻井液固相含量对钻速的影响1-1-钻头用量（个）；钻头用量（个）；2-2-钻机工作日钻机工作日（天）；（天）；3-3-

27、钻速（钻速（ft/dft/d）第29页，本讲稿共33页l关于固相类型对钻速的影响，关于固相类型对钻速的影响，一般认为重晶石、砂粒等惰性一般认为重晶石、砂粒等惰性固相对钻速的影响较小，钻屑、固相对钻速的影响较小，钻屑、低造浆率劣土的影响居中，高低造浆率劣土的影响居中，高造浆率膨润土对钻速的影响最造浆率膨润土对钻速的影响最大。大。六、钻井液的固相含量3 3、钻井液固相含量对钻速的影响、钻井液固相含量对钻速的影响第30页，本讲稿共33页l蒸馏的方法快速测定钻井液中固相及油水的蒸馏的方法快速测定钻井液中固相及油水的含量。含量。l测试步骤测试步骤l在蒸馏器内注入在蒸馏器内注入20 m120 m1钻井液，

28、将插有加热棒钻井液，将插有加热棒的套简连接到蒸馏器上。的套简连接到蒸馏器上。l将蒸馏器的引流管插入冷凝器的孔中，然后将量将蒸馏器的引流管插入冷凝器的孔中，然后将量筒放在引流嘴下方，以接收冷凝成液体的油和水。筒放在引流嘴下方，以接收冷凝成液体的油和水。六、钻井液的固相含量3 3、钻井液固相含量的测定、钻井液固相含量的测定第31页，本讲稿共33页接通电源，使蒸馏器开始工作，直至冷凝器引接通电源，使蒸馏器开始工作，直至冷凝器引流嘴中不再有液体流出时为止。这段时间一流嘴中不再有液体流出时为止。这段时间一般需般需2020一一30 min30 min。待蒸馏器和加热棒完全冷却后，将其卸开。用待蒸馏器和加热

29、棒完全冷却后，将其卸开。用铲刀刮去蒸馏器内和加热棒上被烘干的固体。铲刀刮去蒸馏器内和加热棒上被烘干的固体。用天平称取固体的质量，并分别读取量简中水、用天平称取固体的质量，并分别读取量简中水、油的体积。油的体积。六、钻井液的固相含量3 3、钻井液固相含量对钻速的影响、钻井液固相含量对钻速的影响第32页，本讲稿共33页l通常用固相所占有的体积分数表示钻井液的固相含量，需要注意的是，通常用固相所占有的体积分数表示钻井液的固相含量，需要注意的是，对于对于含盐量含盐量1 1的淡水钻井液，很容易由实验结果求出钻井液中的淡水钻井液，很容易由实验结果求出钻井液中固相的体积分数固相的体积分数；但对于；但对于含盐

30、量较高含盐量较高的盐水钻并液，被蒸干的盐的盐水钻并液，被蒸干的盐和固相会共存于蒸馏器中。此时和固相会共存于蒸馏器中。此时需扣除由于盐析出引起体积增加需扣除由于盐析出引起体积增加的部分的部分，才能确定钻井液中的实际固相含量。，才能确定钻井液中的实际固相含量。f fs s=1-=1-f fw wC Cf f-f fo o f fs s、f fw w、f fo o分别为钻井液中固相、水和油的体积分数；分别为钻井液中固相、水和油的体积分数；C Cf f考虑盐析出面引入的体积校正系数，显然它总是大于考虑盐析出面引入的体积校正系数，显然它总是大于l l的无的无因次常数。因次常数。六、钻井液的固相含量3 3、钻井液固相含量对钻速的影响、钻井液固相含量对钻速的影响第33页，本讲稿共33页