石油钻井液性能(néng)全解

==密度和压力平衡==
钻井液密度MW（Mud Weight)或SG(specific gravity）
通过泥浆液柱对井壁和井底产生压力，以平衡地层的油气水压力及岩石的侧压力，防止井喷、地层流體(tǐ)侵入及保护井壁。另外泥浆密度对岩屑产生浮力，增大泥浆密度可(kě)以提高泥浆携带岩屑的能(néng)力。密度秤的正常误差為(wèi)0.01g/cm3
当量循环密度（ECD）和环空密度
当量循环密度：考虑了由于泥浆流动而增加的附加压耗；
环空密度：在当量循环密度基础上考虑了由于井筒内岩屑产生的附加压耗；
钻井液密度的作用(yòng)
· 平衡地层压力，防止井喷、井漏和钻井液受地层流體(tǐ)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(lǐ)选择打开油气层的钻井液密度，减少钻井液对产层的伤害。
密度对钻速的影响
泥浆密度越高，产生的液柱压力越大，井底压差越大，机械钻速减小(xiǎo)。
 
钻井液密度的控制
· 密度过高：增大正向压差，对储层污染加重；
· 液柱压力增大，增大井底岩石可(kě)钻强度并引起井底岩石的重复切削
· 密度过低：井壁不稳定，油气层压力无法控制
确定泥浆密度的原则
· 根据地质资料确定，在正常情况下尽可(kě)能(néng)使用(yòng)低密度；
· 钻开油气层尽可(kě)能(néng)近平衡钻进，既要保护油气层又(yòu)要防喷，做到“压而不死，活而不喷”；
· 近平衡钻进要在起钻时考虑可(kě)能(néng)存在的“抽吸作用(yòng)”，增加附加密度；
· 钻穿高压盐水层时為(wèi)了防止盐水的污染，应提高密度采取“坚决压死”的措施对易缩径和易剥落掉块的地层，应适当提高泥浆的密度；
 
加压比重计
 
普通比重计
钻井液密度升高可(kě)能(néng)因素
· 加入加重材料；
· 钻屑累积；
· 快速钻进而泵排量跟不上会使井内钻井液密度升高；
· 增大钻井液屈服值会使当量循环密度升高；
· 增大泵排量或泵压会使当量循环密度升高；
· 加入较多(duō)電(diàn)解质（盐类）；
· 油基钻井液加入较高密度的盐水；
· 加入较高密度的新(xīn)浆
钻井液密度下降可(kě)能(néng)因素
· 加入比钻井液密度低的清水；
· 井下油气侵；
· 加油；
· 加入较低密度的新(xīn)浆或胶液；
· 加强固相清除；
· 用(yòng)离心机清除（或回收）高密度固相；
· 降低钻井液屈服值或减少泵排量及泵压能(néng)使井下当量循环密度下降；
· 充气配制成充气钻井液或使用(yòng)泡沫钻井液；
· 钻进速度较低情况下提高泵排量有(yǒu)可(kě)能(néng)使井内钻井液密度降低。
==相关概念==
静液压力
静液压力是由液柱重量引起的压力。它的大小(xiǎo)和液體(tǐ)密度及垂直高度有(yǒu)关，而和液柱的横向尺寸及形状无关。
通常把单位高度(或深度)增加的压力值称為(wèi)压力梯度，静液压力梯度受液體(tǐ)密度的影响和含盐浓度、气體(tǐ)的浓度以及温度梯度的影响。
上覆岩层压力
某处地层上覆岩层压力是指覆盖在该地层以上的地层基质(岩石)和孔隙中流體(tǐ)(油气水)的总重量造成的压力。岩石密度与孔隙度的大小(xiǎo)和埋藏的深度有(yǒu)关。
地层压力
地层压力是指作用(yòng)在岩石孔隙内流體(tǐ)(油气水)上的压力，也叫地层孔隙压力。正常地层压力等于从地表到地下该地层处的静液压力。其值大小(xiǎo)与沉积环境有(yǒu)关。
地层破裂压力
在井中一定深度处的地层，其承受压力的能(néng)力是有(yǒu)限的，当压力达到某一值时会使地层破裂，这个压力称為(wèi)地层的破裂压力pf。地层破裂压力的大小(xiǎo)取决于许多(duō)因素，如上覆岩层压力、地层压力、岩性、地层年代、埋藏深度以及该处岩石的应力状态。
安全密度窗口
介于地层破裂压力和地层压力之间的钻井液密度范围。
==钻井液的流变性==
钻井液流变性(rheologicalproperties of DF)是在外力作用(yòng)下，钻井液流动和变形的特性。如钻井液的塑性粘度、动切力、表观粘度、有(yǒu)效粘度、静切力和触变性等性能(néng)都属流变性参数。
泥浆的流变性对钻井的影响
· 影响携带岩屑，保证井底清洁。
· 影响悬浮岩屑与重晶石
· 影响机械钻速–
· 影响井眼规则和井下安全。
剪切应力与剪切速率
剪切速率(shear rate)：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(shear stress)：液體(tǐ)流动过程中，单位面积上抵抗流动的内摩擦力。
流體(tǐ)的基本流型
牛顿流體(tǐ)：剪切应力与剪切速率成正比。塑性流體(tǐ)：宾汉流體(tǐ)，适合于水基钻井液體(tǐ)系。
假塑性流體(tǐ)：幂律流體(tǐ)，适合于高分(fēn)子聚合物(wù)體(tǐ)系膨胀流體(tǐ)
常用(yòng)流变参数
粘度(viscosity)
定义：钻井液流动时，固體(tǐ)颗粒之间、固體(tǐ)颗粒与液體(tǐ)之间、以及液體(tǐ)分(fēn)子之间的内摩擦的总反映。–影响泥浆粘度的基本因素•粘土含量（含量大，粘度大）•土粒的分(fēn)散度（增加塑性粘度）•土粒的聚结稳定状况或絮凝强度（结构粘度）•高分(fēn)子处理(lǐ)剂的性质、分(fēn)子量和浓度。
漏斗粘度
定义：用(yòng)漏斗粘度计测得的一定體(tǐ)积流體(tǐ)(700ml)流出500ml所经历的时间。单位為(wèi)秒(miǎo)。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(yǒu)关。
结构粘度
定义：分(fēn)散相颗粒之间的相互作用(yòng)或空间网架结构给流动增加的摩擦力，与泥浆的屈服值（t0）紧密相关。
剪切稀释性–
定义：表观粘度随剪切速率增大而降低的现象–对于宾汉流體(tǐ)，h塑越低，t0越高，即t0／h塑比值越大，剪切稀释能(néng)力越高。
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(yǒu)效粘度各不相同。t0／h塑比值大者，剪切稀释能(néng)力强，有(yǒu)利于高压喷射钻井；同时在低剪切速率下会显著增稠，有(yǒu)利于带砂。
静切力、动切力
钻井液的切力是指静切力，其胶體(tǐ)化學(xué)的实质是凝胶强度，凝胶强度取决于单位體(tǐ)积中结构链环的数目和单个链环的强度。钻井液的动切力：反映层流流动时，粘土颗粒之间及高聚物(wù)分(fēn)子之间的相互作用(yòng)力（形成空间网架结构的能(néng)力）。
触变性(thixotropy)–
定义:搅拌后泥浆变稀（切力降低），静置后泥浆变稠（切力升高）的特性。–表示方法：触变性的表示：10秒(miǎo)钟切力（初切）、10分(fēn)终切力（终切）–钻井工艺要求钻井液具有(yǒu)良好的触变性，在泥浆停止循环时，切力能(néng)较快地增大到某个适当的数值，即有(yǒu)利于钻屑的悬浮，又(yòu)不致于静置后开泵泵压过高。
流变参数的调整
· 降低PV：通过合理(lǐ)使用(yòng)固控设备、加水稀释或化學(xué)絮凝等方法，尽量减小(xiǎo)固相含量。
· 提高PV：加入低造浆率的粘土、混入原油；增加聚合物(wù)的浓度使钻井液的滤液粘度提高。
· 降低YP：加入适合于本體(tǐ)系的降粘剂，以拆散钻井液中已形成的网架结构。如果是因為(wèi)Ca2+、Mg2+的絮凝作用(yòng)，可(kě)使其沉淀减弱因钙镁离子形成的结构。
· 提高YP：可(kě)加入预水化膨润土或增大聚合物(wù)的加量，对于钙处理(lǐ)或其它盐水钻井液，可(kě)适当增加Ca2+、Na+浓度。
· 降低n值：增加钻井液中高分(fēn)子量聚合物(wù)和无机盐的含量，以及将预水化膨润土加入盐水钻井液體(tǐ)系，均可(kě)使n值降低。
· 降低或提高K值：与调整PV、YP基本相同。
 
钻井液流变性与钻井的关系
1、影响钻井速度
· 通过水力参数影响钻井速度，粘度影响水功率的传递，粘度影响ECD(Equivalent Circulating Density)的大小(xiǎo)，产生压持效应，降低钻速。
· 剪切稀释特性•影响水功率的传递。
2、钻井液的流变性与井眼净化的关系
· 钻屑在井筒内的运移过程 层流：尖峰型层流的缺点 紊流：有(yǒu)利于携岩
· 紊流缺点 、排量大、泵压高 、表观粘度低、岩屑下沉速度较大、井壁冲刷、不利于井壁稳定。
· 钻柱旋转
3、钻井液的流变性与井壁稳定的关系
· 力學(xué)因素引起的井壁不稳定：井壁岩石三个主应力的可(kě)能(néng)排布，当s1和s3（最大和最小(xiǎo)主应力）的差值大于岩石的强度时，便发生剪切破坏
· 化學(xué)因素引起的井壁不稳定：防止页岩的水化膨胀
· 钻井液的流变性及流态与井壁稳定相关。
4、钻井液的流变性与井内压力激动的关系
起下钻和钻井过程中，由于钻柱的上下移动、泥浆泵的开动等原因，使井内液柱压力产生变化的现象。
影响激动压力的因素：钻柱运动速度、钻头及钻柱的泥包程度、环形空间的间隙、井深、泥浆性能(néng)（粘度、切力）。
==滤失和润滑性能(néng)==
滤失量(失水filtrationloss)是泥浆中的自由水在压差的作用(yòng)下向具有(yǒu)孔隙的地层渗滤的现象。类型：瞬时失水(spurt)、动失水(dynamic loss)、静失水(static loss)。
钻井液滤失量的参数
1、API滤失量(失水)
在常温环境中,压力在100±5psi (690±35 kPa)的状态下,30分(fēn)钟测得的滤液體(tǐ)积
2、HTHP滤失量(失水)
模拟实际温度, 顶部压力為(wèi)600psi (4140kPa)，回压為(wèi)100psi时，30分(fēn)钟测得的滤液體(tǐ)积的2倍。
==钻井液的泥饼质量==
1、泥饼质量的控制
泥浆中固相的种类与分(fēn)布及粘土的水化分(fēn)散程度决定了泥饼的质量，优质土及泥饼改善材料(PF-TEX,PF-GRA)的加入均能(néng)较好的改善泥饼的质量
泥饼质量的评价：
外观：薄、韧性强，性能(néng)评价：采用(yòng)测量渗透失水的办法，即使用(yòng)该泥饼用(yòng)清水做API失水量或HTHP失水量，来判断泥饼的封堵能(néng)力,任何情况下我们都是希望获得质量更好的泥饼的。
2、钻井液滤失量的危害
失水量过高的危害：
· 地层被長(cháng)时间浸泡后造成井眼缩径及泥、页岩的剥落、坍塌
· 水分(fēn)渗入生产层，使油层粘土膨胀，油气层渗透率降低，生产能(néng)力下降
· 泥饼质量不好的危害：
· 泥饼厚而松散，摩擦系数高，使钻具与井壁接触面积增大，泥饼粘附卡钻风险大
· 易泥包钻头或堵死钻头水眼
· 起钻时上提力增加
· 妨碍套管下入，影响固井水泥浆与井壁间的胶结
· 電(diàn)测易遇阻遇卡，影响井壁取样
3、钻井液的失水过程
钻井液内的水=化學(xué)结合水+吸附水+自由水瞬时失水。
新(xīn)井形成瞬间，泥浆水便向地层渗透，未形成泥饼动失水。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。
静失水：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。
静失水量越大，泥饼越厚，泥饼中的固相體(tǐ)积含量Cc与钻井液中固相體(tǐ)积含量Cm的比值越大，泥饼厚度反而降低，当钻井液中的固相含量增大到接近于泥饼中的固相含量时，泥饼厚度将大幅度增加，故应该选择优质粘度作為(wèi)配浆的材料。
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(yǒu)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(duō)，平均粒径越小(xiǎo)，泥饼渗透率越低；固相颗粒分(fēn)布越宽，泥饼渗透率越小(xiǎo)；泥饼中的渗透率还取决于钻井液中胶體(tǐ)粒子（d<10-5μm）的比例和含量。
 
4、失水与造壁性与钻井的关系
· 泥浆失水过大会引起：水敏性泥岩、页岩的垮塌、缩径、损害油气层。
· 泥饼厚会引起：引起上提力增加，甚至发生泥饼卡钻。易引起钻头泥包，使起下钻压力激动增大。妨碍套管下入，固井时不利于水泥与井壁的胶结。
· 对失水和泥饼的要求：在成本可(kě)行的条件下，尽量降低失水并控制自由水的性质。–泥饼：薄、致密、韧性好。
5、失水和造壁性的调节
控制泥浆的失水和造壁性，关键要控制泥饼的渗透性，而泥饼的渗透性决定于构成泥饼的粘土及其它颗粒的尺寸、形状与水化程度。
具體(tǐ)措施
· 使用(yòng)膨润土，以便形成致密泥饼加入适量纯碱、烧碱或有(yǒu)机分(fēn)散剂，提高粘土颗粒的分(fēn)散度。
· 加入CMC或其它聚合物(wù)，以保护粘土颗粒，CMC 起堵孔作用(yòng)。
· 加入极细的胶體(tǐ)粒子。
6、钻井液滤失量的控制原则
泥浆的失水量不是越小(xiǎo)越好石灰岩、白云岩、胶结致密的砂岩受失水量的影响很(hěn)小(xiǎo)优快钻井决定了上部地层的失水量不做严格控制，从而解放钻速储层段必须控制较小(xiǎo)的失水量对易吸水膨胀和易坍塌的地层，失水量应严格控制井浅时可(kě)放宽，井深时应从严裸眼时间短可(kě)放宽，裸眼时间長(cháng)应从严。
7、钻井液性能(néng)概述-含砂量
泥浆含砂量：
泥浆中不能(néng)通过200目筛（0.074毫米）的砂子體(tǐ)积占泥浆體(tǐ)积的百分(fēn)数。
通常应控制泥浆含砂量在0.5%以下，否则有(yǒu)以下危害：
· 泥浆密度升高，降低钻井速度
· 泥饼摩擦系数增大，易造成泥饼粘附卡钻
· 泥饼含砂量增高，使泥饼渗透性增强，造成失水增大
· 泥饼厚而松散，使電(diàn)测遇阻遇卡，固井质量不好
· 钻头、钻具和机械设备磨损严重
==钻井液的PH值==
PH值的控制
· 泥浆中的粘土颗粒在碱性介质中，阳离子交换容量较大，故较稳定；
· 部分(fēn)有(yǒu)机处理(lǐ)剂在碱性环境中形成钠盐后才能(néng)更好的发挥作用(yòng)；
· PH值过低使有(yǒu)机处理(lǐ)剂容易在高温下发酵变质；
· PH值过高时（通常>10时），OH-在粘土表面吸附会造成粘土的水化和膨胀，不利于防塌，也不利于油层保护；
· 常规的水基泥浆PH通常控制在8~9為(wèi)宜；
· Cl-含量：可(kě)估算出大致的钻井液矿化度和K+含量，同时也是盐侵的判断参数；
· K+含量：含KCl或其他(tā)钾盐时测量，做為(wèi)补充钾盐的依据；
· Ca2+含量：反映泥浆硬度参数之一，同时也是水泥侵和石膏侵的判断参数；
· Pf:滤液的酚酞碱度，可(kě)较PH值更加具體(tǐ)的分(fēn)析滤液的酸碱度；
· Mf:滤液的甲基橙碱度，可(kě)较PH值更加具體(tǐ)的分(fēn)析滤液的酸碱度；
· Pf/Mf：可(kě)辅助判断HCO3-或CO32-的侵污；
· MBT（亚甲基篮交换容量）：反映泥浆中含分(fēn)散粘土成分(fēn)的多(duō)少，转化泥浆前也可(kě)做置换泥浆量的参考依据。
· Pm:泥浆的酚酞碱度，可(kě)较PH值更加具體(tǐ)的分(fēn)析泥浆的酸碱度。

郑重声明：本篇文(wén)章转自一点石油，如有(yǒu)版权问题请联系小(xiǎo)编。

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