钻井液基本知识与钻井液设计
第一章 钻井液基本知识
钻井液俗称泥浆，是用各种原料和化学添加剂配制而成的一种流体，其各项性能均可调控。
钻井液属于胶态体系。通常水基钻井液是一种胶态悬浮体，油包水和水包油钻井液属于粗分散--胶体分散体，泡沫及充气钻井液是气体在液体中的分散体。在特殊的地层中也可用空气或天然气作为循环介质。
钻井液工艺是以基础理论和工程原理相结合的一门应用技术，具体来说，钻井液工艺包括地质、化学和物理的基础理论与基本知识，同时也包括技艺与工程的应用。运用各种物料、原材料处理剂的科学配伍，合理的使用各种设备，以最经济的成本满足钻井工程的目的。钻井液工艺不但是设计和配制最理想的的钻井液，而且要以最经济的投资，成功地完成每口井的钻井任务。
国内外钻井液工艺在油气生产获得显著效益同时自身也有了迅速的发展，一方面是为钻井液引入大量的新材料和化学药品，另一方面是解决各种特殊问题的实际经验有了长足进步。例如如何节省能源、保护资源、保护油气层、快速安全钻进、降低成本节省原材料等方面。钻井液及其工艺是钻井工程能否成功的关键因素。人们常常以“泥浆是钻井的血液”来形象地说明钻井液在钻井中的重要性。
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第一节  钻井液的分类
钻井液基本按两种方法分类：一是按分散体系的标准分为水基钻井液、油基钻井液和气体型钻井液。二是综合分类法。
前苏联将钻井液分为6类。
最近API及IADC联合提出钻井液分为以下9类：非分散体系；分散体系；钙处理钻井液；聚合物钻井液；低固相钻井液；饱和盐水钻井液；完井液修井液；油基钻井液；气体型钻井流体。
结合国际钻井液分类情况，我国将钻井液分为以下8类体系：
1. 聚合物钻井液体系；
2. 钾基钻井液体系；
3. 饱和盐水钻井液体系；
4. 分散钻井液体系；
5. 钙处理钻井液体系；
6. 盐水钻井液体系；
7. 油基钻井液体系；
8. 气体钻井流体。
汽车市场部同时，我国将钻井液材料及处理剂分作16类：
1、粘土类；2、加重材料；3、降滤失剂；4、降粘剂；5、增粘剂；6、润滑剂；7、缓蚀剂；8、页岩抑制剂；9、乳化剂；10、消泡剂；11、杀菌剂；12、絮凝剂；13、发泡剂；14、堵漏剂；15、解卡剂；16、其他类。
第二节  钻井液的功用
钻井液的功用最基本的有以下两个方面：
1、保证快速优质的钻井
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（1）清除井下钻屑并携带至地面；
（2）平衡地层压力，以防地层流体进入井内；
（3）保持井壁稳定；
（4）冷却与润滑钻头、钻具；
（5）传递水功率。
2、保护油气层，取全
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（1）对油气层不发生损害作用；
（2）有利于地层测试，不影响地层评价；
（3）对钻井人员及环境不发生伤害及污染；
（4）对井下工具及地面装备不腐蚀或减轻腐蚀。
第三节 钻井液的性能
钻井液常规性能包括：密度、马氏漏斗粘度、塑性粘度、动切力、静切力、API滤失量、HTHP滤失量
、pH值（酸碱度）、含砂量、固相含量、膨润土含量和滤液中各种无机离子的浓度等。本节主要对钻井液密度、滤失性、流变性和酸碱度的总体要求和一般的调整方法作介绍。
一、 钻井液密度
钻井液的密度是指单位体积钻井液的质量，其单位常用g/cm3表示。可用专用的密度计来测量。
钻井液密度主要用来调节钻井液的静液柱压力，以平衡地层孔隙压力，确保安全钻井。有时亦用来平衡地层构造应力，以避免井塌的发生。钻井液密度必须满足地质和工程的要求，如果密度过高，会引起钻井液过度增稠、易漏失、钻速下降、对油气层损害加剧和钻井液成本增加等一系列问题，而密度过低则容易发生井涌甚至井喷，有时还会造成井塌、井径缩小和携屑能力下降等。
1、钻井中对钻井液密度的要求
合理的钻井液密度应根据所钻地层的孔隙压力、破裂压力和岩石矿物的特点等加以确定。确定原则和方法可归纳为以下几点:
（1）钻井液密度的附加值，可以采用两种不同的确定方法。一种方法是依据地质部门提供的地层全剖面压力图版，以裸眼井段最高压力梯度为基准，以下列附加值确定钻井液密度：泥岩和油层为O.05～0.l0g/cm3；气层为0.07～0.15 g/cm3。另一种方法是依据地质部门提供的裸眼井段最高地层压力，
按下列附加值确定钻井液密度：泥岩和油层为1.5～3.5MPa；气层为3.0～5.OMPa。但无论采用哪种方法，在钻进过程中，在保持井眼稳定、安全钻进的前提下，应尽量采用较低的附加值，以利于提高钻速和减轻对油气层的损害。
（2）对于调整井和其它有高压水层、盐岩层、盐膏层等的特殊复杂井，当上述附加值不能满足要求时，经地质与工程双方商议，可适当提高附加值，以确保安全钻进。
（3）对于探井，应依据dc指数和声波时差测井，及时地按裸眼井段最高压力梯度或最高地层压力为基准来调整钻井液密度。
（4）对于有浅气层的井，胜利油田规定浅气层的密度附加值为0.20～0.25g/cm3。由于浅气层造成的事故，胜利油田已有不少。如孤东62-8，井架喷斜，井报废；永3-更37，井报废；埕24-侧91，起火，井架、钻机全部报废。
2、调整钻井液密度的方法
提高钻井液密度的方法是加入各种加重材料。
在加重之前，应调整好钻井液的各种性能，特别
是要严格控制低密度固相的含量。所需密度值越高，加重前钻井液的固相含量应越低，粘度、切力亦应越低。此外，加入可溶性无机盐也是提高密度较常用的方法，如NaCl可将钻井液密度提高到1.20 g/cm3左右。
降低钻井液密度的方法有以下几种:
（1） 用机械和化学絮凝的方法清除固相，降低钻井液固相含量；
（2） 加水稀释；
（3） 钻井液充气（钻低压油层时可选用）。
当需要配制较低密度的钻井液时，应尽量选用高造浆率粘土；反之，当需要的密度较高时，则应选用造浆率较低的粘土。但需注意，单纯为实现高密度而选择造浆率很低的粘土配浆的方法是不可取的，因为会导致钻井液的固相含量超出所允许的范围。
3、加重材料
钻井液的常用加重材料有以下几种：
(1)重品石粉　是一种以BaS04为主要成分的天然矿石，经过机加工后而制成的灰白粉末状产品，其密度应达到4.2 g/cm3时。重晶石粉用于加重密度一般不超过2.3O g/cm3的水基和有机油基钻井液，是目前应用最广泛的一种钻井液加重材料。
（2）石灰石粉（青石粉）　主要成分为CaC03，密度为2.2～2.9 g/cm3。易与盐酸等无机酸类发生反应，因而适于在非酸敏性而又需进行酸化作业的产层中使用，以减轻钻井液对产层的损害。但由于其密度较低，只能用于配制密度不超过1.30g/cm3的钻井液和完井液。
（3）钛铁矿粉和铁矿粉　前者密度4.5～5.lg/cm3，后者的密度4.9～5.3g/cm3。均为棕或黑褐粉末。因其密度大于重晶石，故可用于配制密度更高的钻井液。且由于它们均具有酸熔性，因此可应用于需进行酸化的产层。
（4）方铅矿粉  是一种主要成分为PbS的天然矿石粉末，一般呈黑褐。由于其密度高达7.5g/cm3，可用于配制>2.3g/cm3的超高密度钻井液。由于该加重材料的成本高，货源少，一般只限于在地层孔隙压力极高的特殊情况下使用。
4、加重方法
以重晶石为例。加重时，要求每个循环周不超过0.03 g/cm3。
随着大量重晶石的加入，钻井液有可能在短时间内迅速增稠，这是因对重晶石粉具有极大的表面积，它们会吸收钻井液中大量的自由水。为了防止粘度的增加超过允许的范围，必要时采取的方法是，在加入重晶石的同时，配合加入一定量的水。但水量不宜过多，否则会耗费更多重晶石，增加处理费用。通常每100kg重晶石仅加水约8.3升，这少量的水只起到对加重材料的颗粒表面加以润湿的作用。
二、钻井液的流变性能
流体和悬浮体一般可分为以下四种类型：
牛顿流体；塑性流体；假塑性流体；膨胀性流体。
钻井液是塑性流体，其流变性很复杂，其流变性能不但受各种化学处理剂等内部因素的
的影响，而且还受温度、压力、剪切速率、剪切方式等外部因素的影响。
1、 钻井液的流变性能概述
钻井液流变性能一般常用宾汉模式或幂律模式来描述。
宾汉模式的流变参数是塑性粘度和动切力。
τ=τｏ＋ηｐｒ
式中：τ—剪切应力；
ｒ＿剪切速率。
τｏ—动切力，表示钻井液流动时颗粒间的相互吸引力；它受化学处理剂的影响，钻井液携带岩屑的能力与动切力关系密切。
香菇油菜怎么做ηｐ—塑性粘度，是液体本身的剪切作用、固相颗粒间的机械摩擦力及固相颗粒与周围液相的机械摩擦力造成的钻井液对流体流动的阻力；对已知的钻井液体系来说，塑性粘度的变化就说明固相含量发生了变化。
宾汉模式在低剪切速率范围（相当于钻井液在环形空间的流动）与钻井液实际流动情况出入较大。而幂率模式比宾汉模式更接近钻井液的实际流动情况。
幂率模式用流性指数和稠度系数这两个流变参数来描述钻井液的流变性能。
τ=Krn
式中：τ—剪切应力；
ｒ＿剪切速率；
K＿稠度系数，表示钻井液的视粘度或可泵性。
ｎ＿流性指数，范围为0-1。其大小决定钻井液体剖面形状，n值越小，流行剖面越趋于扁平。n=1，流体为牛顿流体（水、柴油、甘油等）。
宾汉模式中的塑性粘度和动切力或幂律模式中的流性指数和稠度系数可用范氏旋转粘度计测定。
现场常用漏斗粘度表示钻井液的流动性，测定简单方便，但漏斗粘度不能分析钻井液的流变性能变化的根源，也不能用于计算。它只能说明钻井液的表观流动性，对清洁井眼有重要意义。
钻井液的静切力是钻井液静止状态下的结构力的量度，它也是钻井液流变性的一个参数。常用10分钟静切力和初切力的差值表示钻井液形成结构的能力。
2、对钻井液流变性的一般要求
对于非加重钻井液, 塑性粘度（PV）的适宜范围为5～12mPa.s，动切力（YP）一般应保持在1.4～14.4Pa范围内。初切较低、终切适中的能够悬浮重品石的钻井液最低初始静切力为1.44Pa。此外，为了能够有效地携带岩屑，要求钻井液具有较高的动塑比值。根据现场经验和平板型层流流核直径的有
关计算，一般将聚合物钻井液的动塑比保持在0.48Pa/mPa?s左右是适宜的，正电胶钻井液的的动塑比值一般要求是>0.5.
在使用幂律模式时,ｎ值保持在0.4～0.7之间对维持平板型层流和剪切稀释性能是有利的。K值尚未明确其适宜范围，但原则上应在保证有效携岩的前提下，尽量维持较低的K值，以提高钻速和降低开泵时所需的压力。
3、 流变参数的调整
将固相含量控制在适宜范围是维持良好流变性能的一个重要前提条件。
调整宾汉和幂律模式流变参数的方法可概
括如下：
(1)降低 PV  通过合理使用固控设备、加水稀释或化学絮凝等方法，尽量减少固相含量。
(2)提高PV  加入低造浆率粘土、重晶石以及混入原油均可提高PV。另外增加聚合物浓度使钻井液的滤液粘度提高，也可起到提PV的作用。
(3)降低YP  最有效的方法是加入适合于本体系的降粘剂（或称稀释剂），以拆散钻井液中，已形成的网架结构。如果是因Ca2+、Mg2+等污染引起的YP升高，则可用沉淀方法除去这些离子。此外，适当加水或稀浆稀释也可起到降YP的作用。
（4）提高YP  可加入预水化膨润土或增大聚合物的加量。对于钙处理或盐水钻井液，还可通过适当增加Ca2+、Na+浓度来达到提YP的目的。
（5）降低n值  增加钻井液中高分子量聚合物和无机盐的含量，均可使n值降低。应优先考虑选用适合于本体系的聚合物来降低n值，改造流型。XC生物聚合物等都是非常有效的流型改进剂。
（6）降低或提高K值  与前面降低或提高PV、YP方法基本相同。
三、钻井液的滤失性能
1、 钻井液滤失量和所形成的泥饼
钻井液的滤失性能用滤失量和所形成的泥饼来表示。适宜的滤失量形成薄而低渗透性的泥饼常常是钻井液具有良好性能的重要标志。
滤失量有动滤失量（钻井液循环时产生的）和静滤失量（钻井液静止时所产生的）。
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现场没有控制动滤失量的方法，技术人员所进行的测量仅限于静滤失量，用标准的API实验仪器进行测定。测得主要参数是API滤失量和泥饼厚度。
滤失量过大所产生的问题：
（1） 造成缩径、形成厚泥饼，容易发生钻具遇阻卡、增大压力激动造成井漏或引喷、固井质量不好。
（2） 过量滤液进入地层，造成地层损害、影响地层评价等。
高温高压滤失量同样与井下复杂情况之间有着密切关系。
在钻井过程中，钻井液的滤失性是非常重要的。在一般地层，如果对滤失量控制过低，不仅会造成处理剂的大量消耗，使钻井液成本和处理难度增加，而且也不利于提高钻井速度。因此，应根据地层特点，区别不同情况，适当地控制滤失量。
2、对钻井液滤失性能的一般要求是:
（1） 在钻开油气层时，应尽最大努力控制滤失量，以减少对油气层的损害。API滤失量应小于5ml，模拟井底温度的HTHP滤失量应小于15ml或更小。
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（2） 钻遇易塌地层时，滤失量需严格控制，API滤失量最好不大于5m1。
（3） 对一般地层，API滤失量应尽量控制在10m1以内，HTHP滤失量不应超过20ml。但有时可适当放宽，比如易造浆地层滤失量可以大些。
（4） 要注意提高滤饼质量，尽可能形成薄、韧、致密及润滑性好的滤饼，以利于护壁和避免压差卡钻。
（5） 加强对钻井