钻井液性能详解（专业、进阶篇）

==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、地层流体侵入及保护井壁。另外泥浆密度对岩屑产生浮力，增大泥浆密度可以提高泥浆携带岩屑的能力。密度秤的正常误差为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

• 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。

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。

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，在正常情况下尽可能使用低密度；

• 钻开油气层尽可能近平衡钻进，既要保护油气层又要防喷，做到“压而不死，活而不喷”；

• 近平衡钻进要在起钻时考虑可能存在的“抽吸作用”，增加附加密度；

• 钻穿高压盐水层时为了防止盐水的污染，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；

钻井液密度升高可能因素

• 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；

• 加入较多电解质（盐类）；

• 油基钻井液加入较高密度的盐水；

• 加入较高密度的新浆

钻井液密度下降可能因素

• 加入比钻井液密度低的清水；

• 井下油气侵；

• 加油；

• 加入较低密度的新浆或胶液；

• 加强固相清除；

• 用离心机清除（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使井下当量循环密度下降；

• 充气配制成充气钻井液或使用泡沫钻井液；

• 钻进速度较低情况下提高泵排量有可能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。它的大小和液体密度及垂直高度有关，而和液柱的横向尺寸及形状无关。

   通常把单位高度(或深度)增加的压力值称为压力梯度，静液压力梯度受液体密度的影响和含盐浓度、气体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)和孔隙中流体(油气水)的总重量造成的压力。岩石密度与孔隙度的大小和埋藏的深度有关。

地层压力

地层压力是指作用在岩石孔隙内流体(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。其值大小与沉积环境有关。

地层破裂压力

在井中一定深度处的地层，其承受压力的能力是有限的，当压力达到某一值时会使地层破裂，这个压力称为地层的破裂压力pf。地层破裂压力的大小取决于许多因素，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、有效粘度、静切力和触变性等性能都属流变性参数。

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)：液体流动过程中，单位面积上抵抗流动的内摩擦力。

流体的基本流型

牛顿流体：剪切应力与剪切速率成正比。塑性流体：宾汉流体，适合于水基钻井液体系。

假塑性流体：幂律流体，适合于高分子聚合物体系膨胀流体

常用流变参数

粘度(viscosity)

定义：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）•高分子处理剂的性质、分子量和浓度。

漏斗粘度

定义：用漏斗粘度计测得的一定体积流体(700ml)流出500ml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。

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（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–对于宾汉流体，h_塑越低，t₀越高，即t₀／h_塑比值越大，剪切稀释能力越高。

  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，导致各处的有效粘度各不相同。t₀／h_塑比值大者，剪切稀释能力强，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。

静切力、动切力

   钻井液的切力是指静切力，其胶体化学的实质是凝胶强度，凝胶强度取决于单位体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分子之间的相互作用力（形成空间网架结构的能力）。

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秒钟切力（初切）、10分终切力（终切）–钻井工艺要求钻井液具有良好的触变性，在泥浆停止循环时，切力能较快地增大到某个适当的数值，即有利于钻屑的悬浮，又不致于静置后开泵泵压过高。

流变参数的调整

• 降低PV：通过合理使用固控设备、加水稀释或化学絮凝等方法，尽量减小固相含量。

• 提高PV：加入低造浆率的粘土、混入原油；增加聚合物的浓度使钻井液的滤液粘度提高。

• 降低YP：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Ca²⁺、Mg²⁺的絮凝作用，可使其沉淀减弱因钙镁离子形成的结构。

• 提高YP：可加入预水化膨润土或增大聚合物的加量，对于钙处理或其它盐水钻井液，可适当增加Ca²⁺、Na⁺浓度。

• 降低n值：增加钻井液中高分子量聚合物和无机盐的含量，以及将预水化膨润土加入盐水钻井液体系，均可使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，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

• 力学因素引起的井壁不稳定：井壁岩石三个主应力的可能排布，当s1和s3（最大和最小主应力）的差值大于岩石的强度时，便发生剪切破坏

• 化学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（粘度、切力）。

==滤失和润滑性能==

   滤失量(失水filtrationloss)是泥浆中的自由水在压差的作用下向具有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分钟测得的滤液体积

2、HTHP滤失量(失水)

模拟实际温度, 顶部压力为600psi (4140kPa)，回压为100psi时，30分钟测得的滤液体积的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布及粘土的水化分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，性能评价：采用测量渗透失水的办法，即使用该泥饼用清水做API失水量或HTHP失水量，来判断泥饼的封堵能力,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：

• 地层被长时间浸泡后造成井眼缩径及泥、页岩的剥落、坍塌

• 水分渗入生产层，使油层粘土膨胀，油气层渗透率降低，生产能力下降

• 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

• 电测易遇阻遇卡，影响井壁取样

3、钻井液的失水过程

   钻井液内的水=化学结合水+吸附水+自由水瞬时失水。

   新井形成瞬间，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，泥饼中的固相体积含量Cc与钻井液中固相体积含量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为配浆的材料。

  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<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。

  具体措施

• 使用膨润土，以便形成致密泥饼加入适量纯碱、烧碱或有机分散剂，提高粘土颗粒的分散度。

• 加入CMC或其它聚合物，以保护粘土颗粒，CMC 起堵孔作用。

• 加入极细的胶体粒子。

6、钻井液滤失量的控制原则

   泥浆的失水量不是越小越好石灰岩、白云岩、胶结致密的砂岩受失水量的影响很小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放宽，井深时应从严裸眼时间短可放宽，裸眼时间长应从严。

7、钻井液性能概述-含砂量

  泥浆含砂量：

泥浆中不能通过200目筛（0.074毫米）的砂子体积占泥浆体积的百分数。

通常应控制泥浆含砂量在0.5%以下，否则有以下危害：

• 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，使电测遇阻遇卡，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；

• 部分有机处理剂在碱性环境中形成钠盐后才能更好的发挥作用；

• PH值过低使有机处理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为宜；

• Cl^-含量：可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或其他钾盐时测量，做为补充钾盐的依据；

• 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，可较PH值更加具体的分析滤液的酸碱度；

• Mf:滤液的甲基橙碱度，可较PH值更加具体的分析滤液的酸碱度；

• Pf/Mf：可辅助判断HCO₃^-或CO₃^2-的侵污；

• MBT（亚甲基篮交换容量）：反映泥浆中含分散粘土成分的多少，转化泥浆前也可做置换泥浆量的参考依据。

• Pm:泥浆的酚酞碱度，可较PH值更加具体的分析泥浆的酸碱度。