石油鉆井液性能全解

==密度和壓力平衡==
鉆井液密度MW（Mud Weight)或SG(specific gravity）
通過泥漿液柱對(duì)井壁和井底產(chǎn)生壓力，以平衡地層的油氣水壓力及巖石的側(cè)壓力，防止井噴、地層流體侵入及保護(hù)井壁。另外泥漿密度對(duì)巖屑產(chǎn)生浮力，增大泥漿密度可以提高泥漿攜帶巖屑的能力。密度秤的正常誤差為0.01g/cm3
當(dāng)量循環(huán)密度（ECD）和環(huán)空密度
當(dāng)量循環(huán)密度：考慮了由于泥漿流動(dòng)而增加的附加壓耗；
環(huán)空密度：在當(dāng)量循環(huán)密度基礎(chǔ)上考慮了由于井筒內(nèi)巖屑產(chǎn)生的附加壓耗；
鉆井液密度的作用
· 平衡地層壓力，防止井噴、井漏和鉆井液受地層流體的污染；
· 平衡地層壓力，保持井壁穩(wěn)定，防止井塌；
· 實(shí)現(xiàn)近平衡鉆井技術(shù)，減少壓持效應(yīng)，提高機(jī)械鉆速；
· 合理選擇打開油氣層的鉆井液密度，減少鉆井液對(duì)產(chǎn)層的傷害。
密度對(duì)鉆速的影響
泥漿密度越高，產(chǎn)生的液柱壓力越大，井底壓差越大，機(jī)械鉆速減小。
 
鉆井液密度的控制
· 密度過高：增大正向壓差，對(duì)儲(chǔ)層污染加重；
· 液柱壓力增大，增大井底巖石可鉆強(qiáng)度并引起井底巖石的重復(fù)切削
· 密度過低：井壁不穩(wěn)定，油氣層壓力無法控制
確定泥漿密度的原則
· 根據(jù)地質(zhì)資料確定，在正常情況下盡可能使用低密度；
· 鉆開油氣層盡可能近平衡鉆進(jìn)，既要保護(hù)油氣層又要防噴，做到“壓而不死，活而不噴”；
· 近平衡鉆進(jìn)要在起鉆時(shí)考慮可能存在的“抽吸作用”，增加附加密度；
· 鉆穿高壓鹽水層時(shí)為了防止鹽水的污染，應(yīng)提高密度采取“堅(jiān)決壓死”的措施對(duì)易縮徑和易剝落掉塊的地層，應(yīng)適當(dāng)提高泥漿的密度；
 
加壓比重計(jì)
 
普通比重計(jì)
鉆井液密度升高可能因素
· 加入加重材料；
· 鉆屑累積；
· 快速鉆進(jìn)而泵排量跟不上會(huì)使井內(nèi)鉆井液密度升高；
· 增大鉆井液屈服值會(huì)使當(dāng)量循環(huán)密度升高；
· 增大泵排量或泵壓會(huì)使當(dāng)量循環(huán)密度升高；
· 加入較多電解質(zhì)（鹽類）；
· 油基鉆井液加入較高密度的鹽水；
· 加入較高密度的新漿
鉆井液密度下降可能因素
· 加入比鉆井液密度低的清水；
· 井下油氣侵；
· 加油；
· 加入較低密度的新漿或膠液；
· 加強(qiáng)固相清除；
· 用離心機(jī)清除（或回收）高密度固相；
· 降低鉆井液屈服值或減少泵排量及泵壓能使井下當(dāng)量循環(huán)密度下降；
· 充氣配制成充氣鉆井液或使用泡沫鉆井液；
· 鉆進(jìn)速度較低情況下提高泵排量有可能使井內(nèi)鉆井液密度降低。
==相關(guān)概念==
靜液壓力
靜液壓力是由液柱重量引起的壓力。它的大小和液體密度及垂直高度有關(guān)，而和液柱的橫向尺寸及形狀無關(guān)。
通常把單位高度(或深度)增加的壓力值稱為壓力梯度，靜液壓力梯度受液體密度的影響和含鹽濃度、氣體的濃度以及溫度梯度的影響。
上覆巖層壓力
某處地層上覆巖層壓力是指覆蓋在該地層以上的地層基質(zhì)(巖石)和孔隙中流體(油氣水)的總重量造成的壓力。巖石密度與孔隙度的大小和埋藏的深度有關(guān)。
地層壓力
地層壓力是指作用在巖石孔隙內(nèi)流體(油氣水)上的壓力，也叫地層孔隙壓力。正常地層壓力等于從地表到地下該地層處的靜液壓力。其值大小與沉積環(huán)境有關(guān)。
地層破裂壓力
在井中一定深度處的地層，其承受壓力的能力是有限的，當(dāng)壓力達(dá)到某一值時(shí)會(huì)使地層破裂，這個(gè)壓力稱為地層的破裂壓力pf。地層破裂壓力的大小取決于許多因素，如上覆巖層壓力、地層壓力、巖性、地層年代、埋藏深度以及該處巖石的應(yīng)力狀態(tài)。
安全密度窗口
介于地層破裂壓力和地層壓力之間的鉆井液密度范圍。
==鉆井液的流變性==
鉆井液流變性(rheologicalproperties of DF)是在外力作用下，鉆井液流動(dòng)和變形的特性。如鉆井液的塑性粘度、動(dòng)切力、表觀粘度、有效粘度、靜切力和觸變性等性能都屬流變性參數(shù)。
泥漿的流變性對(duì)鉆井的影響
· 影響攜帶巖屑，保證井底清潔。
· 影響懸浮巖屑與重晶石
· 影響機(jī)械鉆速–
· 影響井眼規(guī)則和井下安全。
剪切應(yīng)力與剪切速率
剪切速率(shear rate)：在垂直于流動(dòng)方向上單位距離內(nèi)流速的增量(dv/dx)。
剪切應(yīng)力(shear stress)：液體流動(dòng)過程中，單位面積上抵抗流動(dòng)的內(nèi)摩擦力。
流體的基本流型
牛頓流體：剪切應(yīng)力與剪切速率成正比。塑性流體：賓漢流體，適合于水基鉆井液體系。
假塑性流體：冪律流體，適合于高分子聚合物體系膨脹流體
常用流變參數(shù)
粘度(viscosity)
定義：鉆井液流動(dòng)時(shí)，固體顆粒之間、固體顆粒與液體之間、以及液體分子之間的內(nèi)摩擦的總反映。–影響泥漿粘度的基本因素•粘土含量（含量大，粘度大）•土粒的分散度（增加塑性粘度）•土粒的聚結(jié)穩(wěn)定狀況或絮凝強(qiáng)度（結(jié)構(gòu)粘度）•高分子處理劑的性質(zhì)、分子量和濃度。
漏斗粘度
定義：用漏斗粘度計(jì)測(cè)得的一定體積流體(700ml)流出500ml所經(jīng)歷的時(shí)間。單位為秒。漏斗粘度與泥漿的塑性粘度、屈服值、以及儀器的尺寸和形狀有關(guān)。
結(jié)構(gòu)粘度
定義：分散相顆粒之間的相互作用或空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)給流動(dòng)增加的摩擦力，與泥漿的屈服值（t0）緊密相關(guān)。
剪切稀釋性–
定義：表觀粘度隨剪切速率增大而降低的現(xiàn)象–對(duì)于賓漢流體，h塑越低，t0越高，即t0／h塑比值越大，剪切稀釋能力越高。
在實(shí)際鉆井井眼的各個(gè)部位處（如鉆桿內(nèi)、鉆頭水眼處、環(huán)空等），其剪切速率各不相同，導(dǎo)致各處的有效粘度各不相同。t0／h塑比值大者，剪切稀釋能力強(qiáng)，有利于高壓噴射鉆井；同時(shí)在低剪切速率下會(huì)顯著增稠，有利于帶砂。
靜切力、動(dòng)切力
鉆井液的切力是指靜切力，其膠體化學(xué)的實(shí)質(zhì)是凝膠強(qiáng)度，凝膠強(qiáng)度取決于單位體積中結(jié)構(gòu)鏈環(huán)的數(shù)目和單個(gè)鏈環(huán)的強(qiáng)度。鉆井液的動(dòng)切力：反映層流流動(dòng)時(shí)，粘土顆粒之間及高聚物分子之間的相互作用力（形成空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的能力）。
觸變性(thixotropy)–
定義:攪拌后泥漿變稀（切力降低），靜置后泥漿變稠（切力升高）的特性。–表示方法：觸變性的表示：10秒鐘切力（初切）、10分終切力（終切）–鉆井工藝要求鉆井液具有良好的觸變性，在泥漿停止循環(huán)時(shí)，切力能較快地增大到某個(gè)適當(dāng)?shù)臄?shù)值，即有利于鉆屑的懸浮，又不致于靜置后開泵泵壓過高。
流變參數(shù)的調(diào)整
· 降低PV：通過合理使用固控設(shè)備、加水稀釋或化學(xué)絮凝等方法，盡量減小固相含量。
· 提高PV：加入低造漿率的粘土、混入原油；增加聚合物的濃度使鉆井液的濾液粘度提高。
· 降低YP：加入適合于本體系的降粘劑，以拆散鉆井液中已形成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。如果是因?yàn)镃a2+、Mg2+的絮凝作用，可使其沉淀減弱因鈣鎂離子形成的結(jié)構(gòu)。
· 提高YP：可加入預(yù)水化膨潤(rùn)土或增大聚合物的加量，對(duì)于鈣處理或其它鹽水鉆井液，可適當(dāng)增加Ca2+、Na+濃度。
· 降低n值：增加鉆井液中高分子量聚合物和無機(jī)鹽的含量，以及將預(yù)水化膨潤(rùn)土加入鹽水鉆井液體系，均可使n值降低。
· 降低或提高K值：與調(diào)整PV、YP基本相同。
 
鉆井液流變性與鉆井的關(guān)系
1、影響鉆井速度
· 通過水力參數(shù)影響鉆井速度，粘度影響水功率的傳遞，粘度影響ECD(Equivalent Circulating Density)的大小，產(chǎn)生壓持效應(yīng)，降低鉆速。
· 剪切稀釋特性•影響水功率的傳遞。
2、鉆井液的流變性與井眼凈化的關(guān)系
· 鉆屑在井筒內(nèi)的運(yùn)移過程 層流：尖峰型層流的缺點(diǎn) 紊流：有利于攜巖
· 紊流缺點(diǎn) 、排量大、泵壓高 、表觀粘度低、巖屑下沉速度較大、井壁沖刷、不利于井壁穩(wěn)定。
· 鉆柱旋轉(zhuǎn)
3、鉆井液的流變性與井壁穩(wěn)定的關(guān)系
· 力學(xué)因素引起的井壁不穩(wěn)定：井壁巖石三個(gè)主應(yīng)力的可能排布，當(dāng)s1和s3（最大和最小主應(yīng)力）的差值大于巖石的強(qiáng)度時(shí)，便發(fā)生剪切破壞
· 化學(xué)因素引起的井壁不穩(wěn)定：防止頁(yè)巖的水化膨脹
· 鉆井液的流變性及流態(tài)與井壁穩(wěn)定相關(guān)。
4、鉆井液的流變性與井內(nèi)壓力激動(dòng)的關(guān)系
起下鉆和鉆井過程中，由于鉆柱的上下移動(dòng)、泥漿泵的開動(dòng)等原因，使井內(nèi)液柱壓力產(chǎn)生變化的現(xiàn)象。
影響激動(dòng)壓力的因素：鉆柱運(yùn)動(dòng)速度、鉆頭及鉆柱的泥包程度、環(huán)形空間的間隙、井深、泥漿性能（粘度、切力）。
==濾失和潤(rùn)滑性能==
濾失量(失水filtrationloss)是泥漿中的自由水在壓差的作用下向具有孔隙的地層滲濾的現(xiàn)象。類型：瞬時(shí)失水(spurt)、動(dòng)失水(dynamic loss)、靜失水(static loss)。
鉆井液濾失量的參數(shù)
1、API濾失量(失水)
在常溫環(huán)境中,壓力在100±5psi (690±35 kPa)的狀態(tài)下,30分鐘測(cè)得的濾液體積
2、HTHP濾失量(失水)
模擬實(shí)際溫度, 頂部壓力為600psi (4140kPa)，回壓為100psi時(shí)，30分鐘測(cè)得的濾液體積的2倍。
==鉆井液的泥餅質(zhì)量==
1、泥餅質(zhì)量的控制
泥漿中固相的種類與分布及粘土的水化分散程度決定了泥餅的質(zhì)量，優(yōu)質(zhì)土及泥餅改善材料(PF-TEX,PF-GRA)的加入均能較好的改善泥餅的質(zhì)量
泥餅質(zhì)量的評(píng)價(jià)：
外觀：薄、韌性強(qiáng)，性能評(píng)價(jià)：采用測(cè)量滲透失水的辦法，即使用該泥餅用清水做API失水量或HTHP失水量，來判斷泥餅的封堵能力,任何情況下我們都是希望獲得質(zhì)量更好的泥餅的。
2、鉆井液濾失量的危害
失水量過高的危害：
· 地層被長(zhǎng)時(shí)間浸泡后造成井眼縮徑及泥、頁(yè)巖的剝落、坍塌
· 水分滲入生產(chǎn)層，使油層粘土膨脹，油氣層滲透率降低，生產(chǎn)能力下降
· 泥餅質(zhì)量不好的危害：
· 泥餅厚而松散，摩擦系數(shù)高，使鉆具與井壁接觸面積增大，泥餅粘附卡鉆風(fēng)險(xiǎn)大
· 易泥包鉆頭或堵死鉆頭水眼
· 起鉆時(shí)上提力增加
· 妨礙套管下入，影響固井水泥漿與井壁間的膠結(jié)
· 電測(cè)易遇阻遇卡，影響井壁取樣
3、鉆井液的失水過程
鉆井液內(nèi)的水=化學(xué)結(jié)合水+吸附水+自由水瞬時(shí)失水。
新井形成瞬間，泥漿水便向地層滲透，未形成泥餅動(dòng)失水。在泥漿循環(huán)的情況下，泥餅建立、增厚、直至平衡而失水速度也由開始較大逐漸減少至恒定。
靜失水：停止循環(huán)時(shí)，不存在泥漿液流對(duì)泥餅的沖刷力，隨著失水的進(jìn)行，泥餅逐漸加厚，失水也逐漸減少。
靜失水量越大，泥餅越厚，泥餅中的固相體積含量Cc與鉆井液中固相體積含量Cm的比值越大，泥餅厚度反而降低，當(dāng)鉆井液中的固相含量增大到接近于泥餅中的固相含量時(shí)，泥餅厚度將大幅度增加，故應(yīng)該選擇優(yōu)質(zhì)粘度作為配漿的材料。
泥餅滲透率是降低失水的關(guān)鍵因素。影響泥餅滲透率的主要因素有鉆井液中固相粒子的粒度和粒度級(jí)配以及粒子的濃度。鉆井液中細(xì)粒子越多，平均粒徑越小，泥餅滲透率越低；固相顆粒分布越寬，泥餅滲透率越小；泥餅中的滲透率還取決于鉆井液中膠體粒子（d<10-5μm）的比例和含量。
 
4、失水與造壁性與鉆井的關(guān)系
· 泥漿失水過大會(huì)引起：水敏性泥巖、頁(yè)巖的垮塌、縮徑、損害油氣層。
· 泥餅厚會(huì)引起：引起上提力增加，甚至發(fā)生泥餅卡鉆。易引起鉆頭泥包，使起下鉆壓力激動(dòng)增大。妨礙套管下入，固井時(shí)不利于水泥與井壁的膠結(jié)。
· 對(duì)失水和泥餅的要求：在成本可行的條件下，盡量降低失水并控制自由水的性質(zhì)。–泥餅：薄、致密、韌性好。
5、失水和造壁性的調(diào)節(jié)
控制泥漿的失水和造壁性，關(guān)鍵要控制泥餅的滲透性，而泥餅的滲透性決定于構(gòu)成泥餅的粘土及其它顆粒的尺寸、形狀與水化程度。
具體措施
· 使用膨潤(rùn)土，以便形成致密泥餅加入適量純堿、燒堿或有機(jī)分散劑，提高粘土顆粒的分散度。
· 加入CMC或其它聚合物，以保護(hù)粘土顆粒，CMC 起堵孔作用。
· 加入極細(xì)的膠體粒子。
6、鉆井液濾失量的控制原則
泥漿的失水量不是越小越好石灰?guī)r、白云巖、膠結(jié)致密的砂巖受失水量的影響很小優(yōu)快鉆井決定了上部地層的失水量不做嚴(yán)格控制，從而解放鉆速儲(chǔ)層段必須控制較小的失水量對(duì)易吸水膨脹和易坍塌的地層，失水量應(yīng)嚴(yán)格控制井淺時(shí)可放寬，井深時(shí)應(yīng)從嚴(yán)裸眼時(shí)間短可放寬，裸眼時(shí)間長(zhǎng)應(yīng)從嚴(yán)。
7、鉆井液性能概述-含砂量
泥漿含砂量：
泥漿中不能通過200目篩（0.074毫米）的砂子體積占泥漿體積的百分?jǐn)?shù)。
通常應(yīng)控制泥漿含砂量在0.5%以下，否則有以下危害：
· 泥漿密度升高，降低鉆井速度
· 泥餅?zāi)Σ料禂?shù)增大，易造成泥餅粘附卡鉆
· 泥餅含砂量增高，使泥餅滲透性增強(qiáng)，造成失水增大
· 泥餅厚而松散，使電測(cè)遇阻遇卡，固井質(zhì)量不好
· 鉆頭、鉆具和機(jī)械設(shè)備磨損嚴(yán)重
==鉆井液的PH值==
PH值的控制
· 泥漿中的粘土顆粒在堿性介質(zhì)中，陽(yáng)離子交換容量較大，故較穩(wěn)定；
· 部分有機(jī)處理劑在堿性環(huán)境中形成鈉鹽后才能更好的發(fā)揮作用；
· PH值過低使有機(jī)處理劑容易在高溫下發(fā)酵變質(zhì)；
· PH值過高時(shí)（通常>10時(shí)），OH-在粘土表面吸附會(huì)造成粘土的水化和膨脹，不利于防塌，也不利于油層保護(hù)；
· 常規(guī)的水基泥漿PH通常控制在8~9為宜；
· Cl-含量：可估算出大致的鉆井液礦化度和K+含量，同時(shí)也是鹽侵的判斷參數(shù)；
· K+含量：含KCl或其他鉀鹽時(shí)測(cè)量，做為補(bǔ)充鉀鹽的依據(jù)；
· Ca2+含量：反映泥漿硬度參數(shù)之一，同時(shí)也是水泥侵和石膏侵的判斷參數(shù)；
· Pf:濾液的酚酞堿度，可較PH值更加具體的分析濾液的酸堿度；
· Mf:濾液的甲基橙堿度，可較PH值更加具體的分析濾液的酸堿度；
· Pf/Mf：可輔助判斷HCO3-或CO32-的侵污；
· MBT（亞甲基籃交換容量）：反映泥漿中含分散粘土成分的多少，轉(zhuǎn)化泥漿前也可做置換泥漿量的參考依據(jù)。
· Pm:泥漿的酚酞堿度，可較PH值更加具體的分析泥漿的酸堿度。

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