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）
通過泥漿液柱對井壁和井底產生壓力，以平衡地層的油氣水壓力及巖石的側壓力，防止井噴、地層流體侵入及保護井壁。另外泥漿密度對巖屑產生浮力，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
當量循環密度（ECD）和環空密度
當量循環密度：考慮了由于泥漿流動而增加的附加壓耗；
環空密度：在當量循環密度基礎上考慮了由于井筒內巖屑產生的附加壓耗；
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，保持井壁穩定，防止井塌；
· 實現近平衡鉆井技術，減少壓持效應，提高機械鉆速；
· 合理選擇打開油氣層的鉆井液密度，減少鉆井液對產層的傷害。
密度對鉆速的影響
泥漿密度越高，產生的液柱壓力越大，井底壓差越大，機械鉆速減小。
 
鉆井液密度的控制
· 密度過高：增大正向壓差，對儲層污染加重；
· 液柱壓力增大，增大井底巖石可鉆強度并引起井底巖石的重復切削
· 密度過低：井壁不穩定，油氣層壓力無法控制
確定泥漿密度的原則
· 根據地質資料確定，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，既要保護油氣層又要防噴，做到“壓而不死，活而不噴”；
· 近平衡鉆進要在起鉆時考慮可能存在的“抽吸作用”，增加附加密度；
· 鉆穿高壓鹽水層時為了防止鹽水的污染，應提高密度采取“堅決壓死”的措施對易縮徑和易剝落掉塊的地層，應適當提高泥漿的密度；
 
加壓比重計
 
普通比重計
鉆井液密度升高可能因素
· 加入加重材料；
· 鉆屑累積；
· 快速鉆進而泵排量跟不上會使井內鉆井液密度升高；
· 增大鉆井液屈服值會使當量循環密度升高；
· 增大泵排量或泵壓會使當量循環密度升高；
· 加入較多電解質（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；
· 加強固相清除；
· 用離心機清除（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量循環密度下降；
· 充氣配制成充氣鉆井液或使用泡沫鉆井液；
· 鉆進速度較低情況下提高泵排量有可能使井內鉆井液密度降低。
==相關概念==
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，而和液柱的橫向尺寸及形狀無關。
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(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。
地層壓力
地層壓力是指作用在巖石孔隙內流體(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。其值大小與沉積環境有關。
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，當壓力達到某一值時會使地層破裂，這個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力狀態。
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，鉆井液流動和變形的特性。如鉆井液的塑性粘度、動切力、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。
泥漿的流變性對鉆井的影響
· 影響攜帶巖屑，保證井底清潔。
· 影響懸浮巖屑與重晶石
· 影響機械鉆速–
· 影響井眼規則和井下安全。
剪切應力與剪切速率
剪切速率(shear rate)：在垂直于流動方向上單位距離內流速的增量(dv/dx)。
剪切應力(shear stress)：液體流動過程中，單位面積上抵抗流動的內摩擦力。
流體的基本流型
牛頓流體：剪切應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
粘度(viscosity)
定義：鉆井液流動時，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）•土粒的聚結穩定狀況或絮凝強度（結構粘度）•高分子處理劑的性質、分子量和濃度。
漏斗粘度
定義：用漏斗粘度計測得的一定體積流體(700ml)流出500ml所經歷的時間。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。
結構粘度
定義：分散相顆粒之間的相互作用或空間網架結構給流動增加的摩擦力，與泥漿的屈服值（t0）緊密相關。
剪切稀釋性–
定義：表觀粘度隨剪切速率增大而降低的現象–對于賓漢流體，h塑越低，t0越高，即t0／h塑比值越大，剪切稀釋能力越高。
在實際鉆井井眼的各個部位處（如鉆桿內、鉆頭水眼處、環空等），其剪切速率各不相同，導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，有利于高壓噴射鉆井；同時在低剪切速率下會顯著增稠，有利于帶砂。
靜切力、動切力
鉆井液的切力是指靜切力，其膠體化學的實質是凝膠強度，凝膠強度取決于單位體積中結構鏈環的數目和單個鏈環的強度。鉆井液的動切力：反映層流流動時，粘土顆粒之間及高聚物分子之間的相互作用力（形成空間網架結構的能力）。
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，在泥漿停止循環時，切力能較快地增大到某個適當的數值，即有利于鉆屑的懸浮，又不致于靜置后開泵泵壓過高。
流變參數的調整
· 降低PV：通過合理使用固控設備、加水稀釋或化學絮凝等方法，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架結構。如果是因為Ca2+、Mg2+的絮凝作用，可使其沉淀減弱因鈣鎂離子形成的結構。
· 提高YP：可加入預水化膨潤土或增大聚合物的加量，對于鈣處理或其它鹽水鉆井液，可適當增加Ca2+、Na+濃度。
· 降低n值：增加鉆井液中高分子量聚合物和無機鹽的含量，以及將預水化膨潤土加入鹽水鉆井液體系，均可使n值降低。
· 降低或提高K值：與調整PV、YP基本相同。
 
鉆井液流變性與鉆井的關系
1、影響鉆井速度
· 通過水力參數影響鉆井速度，粘度影響水功率的傳遞，粘度影響ECD(Equivalent Circulating Density)的大小，產生壓持效應，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系
· 鉆屑在井筒內的運移過程 層流：尖峰型層流的缺點 紊流：有利于攜巖
· 紊流缺點 、排量大、泵壓高 、表觀粘度低、巖屑下沉速度較大、井壁沖刷、不利于井壁穩定。
· 鉆柱旋轉
3、鉆井液的流變性與井壁穩定的關系
· 力學因素引起的井壁不穩定：井壁巖石三個主應力的可能排布，當s1和s3（最大和最小主應力）的差值大于巖石的強度時，便發生剪切破壞
· 化學因素引起的井壁不穩定：防止頁巖的水化膨脹
· 鉆井液的流變性及流態與井壁穩定相關。
4、鉆井液的流變性與井內壓力激動的關系
起下鉆和鉆井過程中，由于鉆柱的上下移動、泥漿泵的開動等原因，使井內液柱壓力產生變化的現象。
影響激動壓力的因素：鉆柱運動速度、鉆頭及鉆柱的泥包程度、環形空間的間隙、井深、泥漿性能（粘度、切力）。
==濾失和潤滑性能==
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象。類型：瞬時失水(spurt)、動失水(dynamic loss)、靜失水(static loss)。
鉆井液濾失量的參數
1、API濾失量(失水)
在常溫環境中,壓力在100±5psi (690±35 kPa)的狀態下,30分鐘測得的濾液體積
2、HTHP濾失量(失水)
模擬實際溫度, 頂部壓力為600psi (4140kPa)，回壓為100psi時，30分鐘測得的濾液體積的2倍。
==鉆井液的泥餅質量==
1、泥餅質量的控制
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量，優質土及泥餅改善材料(PF-TEX,PF-GRA)的加入均能較好的改善泥餅的質量
泥餅質量的評價：
外觀：薄、韌性強，性能評價：采用測量滲透失水的辦法，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：
· 地層被長時間浸泡后造成井眼縮徑及泥、頁巖的剝落、坍塌
· 水分滲入生產層，使油層粘土膨脹，油氣層滲透率降低，生產能力下降
· 泥餅質量不好的危害：
· 泥餅厚而松散，摩擦系數高，使鉆具與井壁接觸面積增大，泥餅粘附卡鉆風險大
· 易泥包鉆頭或堵死鉆頭水眼
· 起鉆時上提力增加
· 妨礙套管下入，影響固井水泥漿與井壁間的膠結
· 電測易遇阻遇卡，影響井壁取樣
3、鉆井液的失水過程
鉆井液內的水=化學結合水+吸附水+自由水瞬時失水。
新井形成瞬間，泥漿水便向地層滲透，未形成泥餅動失水。在泥漿循環的情況下，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：停止循環時，不存在泥漿液流對泥餅的沖刷力，隨著失水的進行，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，當鉆井液中的固相含量增大到接近于泥餅中的固相含量時，泥餅厚度將大幅度增加，故應該選擇優質粘度作為配漿的材料。
泥餅滲透率是降低失水的關鍵因素。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配以及粒子的濃度。鉆井液中細粒子越多，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系
· 泥漿失水過大會引起：水敏性泥巖、頁巖的垮塌、縮徑、損害油氣層。
· 泥餅厚會引起：引起上提力增加，甚至發生泥餅卡鉆。易引起鉆頭泥包，使起下鉆壓力激動增大。妨礙套管下入，固井時不利于水泥與井壁的膠結。
· 對失水和泥餅的要求：在成本可行的條件下，盡量降低失水并控制自由水的性質。–泥餅：薄、致密、韌性好。
5、失水和造壁性的調節
控制泥漿的失水和造壁性，關鍵要控制泥餅的滲透性，而泥餅的滲透性決定于構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
· 使用膨潤土，以便形成致密泥餅加入適量純堿、燒堿或有機分散劑，提高粘土顆粒的分散度。
· 加入CMC或其它聚合物，以保護粘土顆粒，CMC 起堵孔作用。
· 加入極細的膠體粒子。
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巖、白云巖、膠結致密的砂巖受失水量的影響很小優快鉆井決定了上部地層的失水量不做嚴格控制，從而解放鉆速儲層段必須控制較小的失水量對易吸水膨脹和易坍塌的地層，失水量應嚴格控制井淺時可放寬，井深時應從嚴裸眼時間短可放寬，裸眼時間長應從嚴。
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數。
通常應控制泥漿含砂量在0.5%以下，否則有以下危害：
· 泥漿密度升高，降低鉆井速度
· 泥餅摩擦系數增大，易造成泥餅粘附卡鉆
· 泥餅含砂量增高，使泥餅滲透性增強，造成失水增大
· 泥餅厚而松散，使電測遇阻遇卡，固井質量不好
· 鉆頭、鉆具和機械設備磨損嚴重
==鉆井液的PH值==
PH值的控制
· 泥漿中的粘土顆粒在堿性介質中，陽離子交換容量較大，故較穩定；
· 部分有機處理劑在堿性環境中形成鈉鹽后才能更好的發揮作用；
· PH值過低使有機處理劑容易在高溫下發酵變質；
· PH值過高時（通常>10時），OH-在粘土表面吸附會造成粘土的水化和膨脹，不利于防塌，也不利于油層保護；
· 常規的水基泥漿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，同時也是鹽侵的判斷參數；
· K+含量：含KCl或其他鉀鹽時測量，做為補充鉀鹽的依據；
· Ca2+含量：反映泥漿硬度參數之一，同時也是水泥侵和石膏侵的判斷參數；
· 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，轉化泥漿前也可做置換泥漿量的參考依據。
· 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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