钻井化学——钻井液化学
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《钻井用化学剂》课件
应急处理
在发生事故或泄漏时，应及时采取应急处理措施， 避免进一步的危害。
案例分析和实际应用
案例一：海上钻井
通过使用合适的化学剂，成功解 决了海上钻井中的井壁稳定和固 相控制问题，保证了钻井顺利进 行。
案例二：油田开发
利用化学剂，提高了油田开发过 程中的钻进速度和钻井液的过滤 性能，大大提高了钻井效率。
常用的钻井用化学剂种类
分散剂
用于调整钻井液粒径分布，防止颗粒凝聚和沉积。
过滤剂
用于提高钻井液的过滤性能，防止固相颗粒进入 井眼。
抗塌剂
用于维持井眼稳定，并降低钻井液对地层压力的 影响。
润滑剂
用于降低钻井过程中的摩擦阻力，减少设备磨损。
钻井作业中的化学剂应用场景
1
井眼稳定
化学剂能够增强井壁的稳定性，防止井
抗塌剂
• 维持井眼稳定，防止井 壁塌陷
• 降低钻井液对地层压力 的影响
过滤剂
• 提高钻井液的过滤性能， 防止固相颗粒进入井眼
• 保护井壁，减少渗漏和 泥浆损失
钻井中的化学剂处理技术
1 定量投加
根据工程需要，按照一定 比例和浓度投加化学剂。
2 混合搅拌
通过搅拌设备将化学剂与 钻井液充分混合，确保效 果均匀。
案例三：作业安全
通过严格的化学剂使用规范和风 险防控措施，保障了钻井作业的 安全性，提高了工人的工作环境。
3 监测分析
定期对钻井液样品进行分 析，确保化学剂的投加和 浓度符合要求。
化学剂的使用注意事项和风险防控
遵守使用规范
严格按照厂家说明和施工规程使用化学剂，避免 超量投加或错误使用。
风险评估与控制
在使用化学剂前，应进行风险评估，并采取相应 的控制措施，例如通风设备和泄漏处理。
在发生事故或泄漏时，应及时采取应急处理措施， 避免进一步的危害。
案例分析和实际应用
案例一：海上钻井
通过使用合适的化学剂，成功解 决了海上钻井中的井壁稳定和固 相控制问题，保证了钻井顺利进 行。
案例二：油田开发
利用化学剂，提高了油田开发过 程中的钻进速度和钻井液的过滤 性能，大大提高了钻井效率。
常用的钻井用化学剂种类
分散剂
用于调整钻井液粒径分布，防止颗粒凝聚和沉积。
过滤剂
用于提高钻井液的过滤性能，防止固相颗粒进入 井眼。
抗塌剂
用于维持井眼稳定，并降低钻井液对地层压力的 影响。
润滑剂
用于降低钻井过程中的摩擦阻力，减少设备磨损。
钻井作业中的化学剂应用场景
1
井眼稳定
化学剂能够增强井壁的稳定性，防止井
抗塌剂
• 维持井眼稳定，防止井 壁塌陷
• 降低钻井液对地层压力 的影响
过滤剂
• 提高钻井液的过滤性能， 防止固相颗粒进入井眼
• 保护井壁，减少渗漏和 泥浆损失
钻井中的化学剂处理技术
1 定量投加
根据工程需要，按照一定 比例和浓度投加化学剂。
2 混合搅拌
通过搅拌设备将化学剂与 钻井液充分混合，确保效 果均匀。
案例三：作业安全
通过严格的化学剂使用规范和风 险防控措施，保障了钻井作业的 安全性，提高了工人的工作环境。
3 监测分析
定期对钻井液样品进行分 析，确保化学剂的投加和 浓度符合要求。
化学剂的使用注意事项和风险防控
遵守使用规范
严格按照厂家说明和施工规程使用化学剂，避免 超量投加或错误使用。
风险评估与控制
在使用化学剂前，应进行风险评估，并采取相应 的控制措施，例如通风设备和泄漏处理。
钻井液化学分析的应用
钻井液化学分析的应用精确测定钻井液中污染物以及钻井液处理剂的浓度是钻井液维护和处理的关键，是实现钻井液设计意图和获得良好经济效益的手段。
钻井液污染物包括钙,盐,细菌,地层液和侵入气等。
通常可以预测污染并实施相应的预处理。
如果污染出乎预料之外发生，必须采用化学分析和物理性能分析去辨别和确定污染类型。
在处理污染物的过程中，需要准确计算污染处理剂的浓度，因为过量的污染处理剂本身也是钻井液的污染物。
同时，钻井液化学分析还可用于确定钻井液处理剂的浓度及其被消耗的量，并据此确定需要补充的量。
如在钻井的过程中，定期测定水解聚丙烯酰胺的浓度并确定需要补充的量，从而保持足够水解聚丙烯酰胺的以发挥其抑制页岩和钻屑的分散作用。
因此，钻井液工作者需要一种能够在钻井现场简易条件下进行，易于操作和试验结果可靠的钻井液化学分析方法。
那么，本方法正是你的选择:在远离精致的化学实验室的地方，无需担心没有雄厚的化学需背景，你可以自信应用本钻井液化学分析方法，精确地应用处理剂，成为受人尊重的钻井液工作者。
本方法测试范围基本上覆盖所有钻井液处理剂和污染物,包括硅酸盐,聚合醇,硫酸铵,硫化氢,碳酸锌,硝酸根,硫酸根,亚硫酸根,硫酸钙,磷酸根测定等,而且,可以根据用户的要求开发对新的处理剂和污染物的测试程序。
针对目前中国钻井现场状况，我们开发一种包括七种急需测试的钻井液化学分析。
其应用和效益简介如下：CEC 测定MBT是用于确定水基钻井液中活性粘土的阳离子交换能力。
在般（左加土,下同）土钻井液，MBT表示钻井液中活性粘土含量，从而有效地应用良好的钻井液配方。
在无般土水基钻井液中，MBT反映了所钻岩屑的活性，高活性的岩屑将在水中水化分散从而提高钻井液的粘度和带来其他不利的影响，同时，也说明所钻地层的井壁的不稳定性，需要实施相应的井壁稳定技术。
在般土钻井液中，如果知道所钻岩屑的活性，就可计算出钻井液中般土含量。
典型粘土的CEC氯离子的测定氯离子在氯化钠，氯化钙和氯化钾等类型钻井液中存在。
钻井液中的化学剂
钻井液中的化学剂在钻井液（一般称作钻井泥浆）中常加入各种添加剂以改善泥浆的性能。
一般地说，井越深，地层温度越高，为使泥浆达到施工要求就要加入更多的添加剂。
这些添加剂分为以下几类：1、加重剂加重剂用于调整泥浆密度和井筒液柱施加给地层的静水压力，防止井喷，保持钻井平衡。
硫酸钡是一种常用的加重剂。
其他包括赤铁矿、菱铁矿、硫化铝等。
此外，在水基泥浆中加入NaCl、CaCl2、NaBr、cabr2、ZnBr2或其混合体系作为加重剂。
这种盐溶液具有一定的腐蚀性，需要添加防腐剂巯基酸盐。
2.滤失剂在泥浆中加入固体微粒或聚合物，可以降低钻井液向地层滤失。
固体微粒材料有膨润土、粘土、煤碱剂、树脂、沥青、级配好的硼酸钙、硼酸钠和云母等。
可溶性的聚合物降失水剂有：cmc、低相对分子量hec、cmhec（水溶性线性高分子）、乙烯基单体的二元或三元共聚物如二丙烯酰胺，二甲基丙烯磺酸-n，n二甲基丙烯酰胺-丙烯酸（钠盐）三元共聚物。
hec是最常用的降失水剂。
除此之外亦可用泡沫降失水的方法。
常将泡沫钻井液用于浅表地层钻井。
所有的泡沫添加剂有c14h11a-烯烃磺酸盐和乙氧基乙醇磺酸盐。
盐水泥浆常用消泡剂如磷酸三丁酯、低分子量脂肪族醚、乙二醇乙炔、硬脂酸铝、氯化钾、硅油、烷基芳基磺酸钠等。
3.堵剂钻遇漏失层时，必须加入堵漏剂。
常用的堵漏剂材料有：速凝水泥浆或硅酸钠凝胶，当情况严重时可用赛璐珞屑，压碎的胡桃壳，松木纤维，级配的caco3和nacl等微粒材料。
4、增粘剂增粘剂也可用作流变改性剂。
常用材料为粘土、聚合物材料，如聚丙烯酰胺，聚丙烯酸脂等。
5、稀释剂和稳定剂稀释剂用于防止粘土过度絮凝，并在井下条件下保持泥浆的流变特性。
常用的有木质素磺酸盐，四磷酸钠和合成聚合物如苯乙烯磺酸盐与马来酸酐共聚物，阴离子聚丙烯酰胺，聚氧乙烯等。
稳定剂：除上述物质外，还有二乙基二硫代氨基甲酸钠，可用于稳定多糖溶液，如山楂胶。
6.发卡机构解卡剂用以减小摩擦，增加斜井中钻井柱接触部位的润滑性，常用的解卡剂有：肥皂，表面活性剂，石油，naco3，玻璃微珠，阳离子型pam等。
钻井用化学剂
COONa
26
C：丙烯酸钠与（2-甲基-2-丙烯酰胺基）丙磺 酸钠共聚物
CH 2
CH m
CH 2
CH n
CH 3
COONa
可抗260℃的高温
CONH C CH 2SO 3Na CH 3
27
D：磺化苯乙烯顺酐共聚物
可抗400℃以上的 高温，是一种最有 发展前景的环保稀 释剂
CH2 CHm CH
CH n
7
3、钻井液的类型
油基钻井液
油包水乳化钻井液 -----逆乳化钻井液 热稳定性、防塌效果比较好 对油气层损害小
8
油基钻井液 oil-base drilling fluid
油基钻井液 由柴油和沥青和有关的化学剂配制而成 对油气层损害小，抗可溶盐侵污能力强
9
复习:
钻井液：钻井时用来清洗井底并把岩屑携带到 地面，维持钻井操作正常进行的流体
聚合物钻井液中，由于聚合物长链分子与粘 土颗粒作用或聚合物分子间相互作用，也可 以形成网状结构
13
2、稀释剂作用原理
以丹宁碱液为例：
Na OOC
OH
HO
OH
Al粘土片Al
HO
OH
OH
COONa
14
拆散和削弱了网状结构，释放出包裹的自由 水，同时也减小了粘土颗粒运动时相互之间 的摩擦力，从而起到稀释作用。
OH
O
O
O
O
O
COH
COH
COH
COH
COH
O
OH
O H
O
OH
O H
O
OH
O H
O
OH
O H
O
OH
油田化学-钻井液化学(第二章)
固相质量守恒
(qFL AL) SM AL SC
达西定律
dqFL k Ap dt L
q FL A
SC 2 k P 1t SM
式中： A----渗滤面积
k----泥饼渗透率 ΔP----渗滤压差
SC
SM
静滤失方程
----泥饼中固相体积分数 ----钻井液中固相体积分数 t----渗滤时间 μ----滤液粘度
第二章
第二节 钻井液密度及其调整
上一内容
下一内容
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一、钻井液密度 钻井液工艺原理电子教案
1、定义：单位体积钻井液的质量。 g/cm3, kg/m3, lbm/bbl
1 g/cm3 = 8.33 lbm/bbl 2、对钻井的影响
第二章
（1）影响井下安全（井喷、井漏、井塌和卡钻等）
（2）影响钻井速度 （3）与油气层损害有关
碱性来源 :OH-、CO3
2-、
第二章
HCO3pH值
(2)钻井液酸碱性表示方法
碱度 pH值法缺点：pH值不能反映维持钻井液碱性的
离子种类和类型。
上一内容
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一、钻井液酸碱性表示法 钻井液工艺原理电子教案 （3）碱度表示法
第二章
碱度:用[0.01M]的标准硫酸中和1mL样品(滤 液)至指示剂变色时所需的体积(单位：mL)。
返回
二、钻井液酸碱性调整 钻井液工艺原理电子教案
3、纯碱（Na2CO3)
第二章
Na2CO3 2 Na CO32 CO32 H 2O HCO3 OH HCO3 H 2O H 2CO3 OH
◑间接产生OH◑作除钙剂或除镁剂—CaCO3，Mg(OH)2
(qFL AL) SM AL SC
达西定律
dqFL k Ap dt L
q FL A
SC 2 k P 1t SM
式中： A----渗滤面积
k----泥饼渗透率 ΔP----渗滤压差
SC
SM
静滤失方程
----泥饼中固相体积分数 ----钻井液中固相体积分数 t----渗滤时间 μ----滤液粘度
第二章
第二节 钻井液密度及其调整
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一、钻井液密度 钻井液工艺原理电子教案
1、定义：单位体积钻井液的质量。 g/cm3, kg/m3, lbm/bbl
1 g/cm3 = 8.33 lbm/bbl 2、对钻井的影响
第二章
（1）影响井下安全（井喷、井漏、井塌和卡钻等）
（2）影响钻井速度 （3）与油气层损害有关
碱性来源 :OH-、CO3
2-、
第二章
HCO3pH值
(2)钻井液酸碱性表示方法
碱度 pH值法缺点：pH值不能反映维持钻井液碱性的
离子种类和类型。
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一、钻井液酸碱性表示法 钻井液工艺原理电子教案 （3）碱度表示法
第二章
碱度:用[0.01M]的标准硫酸中和1mL样品(滤 液)至指示剂变色时所需的体积(单位：mL)。
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二、钻井液酸碱性调整 钻井液工艺原理电子教案
3、纯碱（Na2CO3)
第二章
Na2CO3 2 Na CO32 CO32 H 2O HCO3 OH HCO3 H 2O H 2CO3 OH
◑间接产生OH◑作除钙剂或除镁剂—CaCO3，Mg(OH)2
钻井液和完井液化学—第七章 油基钻井液
油基钻井液的组成与性能
2．流变性
油包水乳化钻井液是水滴和各种固相颗粒分散在油相中 形成的多相分散体系，影响其流变性能的因素及影响程度与 水基钻井被有较大区别。下面着重讨论各组分和温度、压力 对流变性的影响．
1)油基钻井液中各组分对流变性的影响
使用一种具有典型配方的油包水乳化钻井液，在只改变其 中一种组分加量，而其余组分加量维持不变的情况下，分别 测定其流变参数。实验结果表明，随着有机土、重晶石、含 水量(常用水油比表示)和乳化剂的逐渐增加，钻井液的表观粘 度依次增大，均呈现出一种规律性的变化。
油基钻井液的组成与性能
2．流变性
关于油包水乳化钻井液中各组分影响流变性的机理， 到目前为止尚未形成统一的认识。比较一致的看法是，有 机土和氧化沥青等亲油胶体、加重材料以及水滴在油相中 的高度分散是引起塑性粘度增大的主要原因。
油基钻井液的组成与性能
2．流变性
(2) 温度和压力对油基钻井液Fra bibliotek变性的影响油基钻井液的组成与性能
5．亲油胶体
习惯上将有机土、氧化沥青以及亲油的褐煤粉、 二氧化锰等分散在油包水乳化钻井液油相中的固体 处理剂统称为亲油胶体，其主要作用是用做增粘剂 和降滤失剂。其中使用最普通的是有机土，其次是 氧化沥青。有了这两种处理剂，可以使油基钻井液 的性能可以像水基钻井液那样很方便地随时进行必 要的调整。
与水基钻井液相比较，油包水乳化钻井液的一个重要特 点是其流变性受压力影响较大，在高温高压下仍能保持较高 的粘度。在实际钻井过程中，井内钻井液历承受的温度和压 力同时随井深增加而升高。一方而温度升高使油包水乳化钻 井液表现粘度降低，另一方面压力升高使其表观粘度增大。 大量实验研究表明，常温下压力对表现粘度的影响确实很大， 但随着温度升高，压力的影响逐渐减小。当钻至深部地层时， 虽然井下高温引起的宏观粘度降低会从压力因素中得到部分 补偿，但总的效果是，温度的影响明显超过了压力的影响。
钻井液和完井液化学—第八章 钻井液固相控制
固控工艺和原理
一、钻井液中固相物质的分类
钻井液中的固相(或称固体)物质，除按其作用分为有用固相和无用固相外， 还有以下几种不同的分类方法：
1．按固相密度分类：可分为高密度固相和低密度固相两种类型。
2．按固相性质分类：可分为活性固相和惰性固相。凡是容易发生水化作 用或与液相中其它组分发生反应的均称为活性固相，反之则称为惰性 固相。 3．按固相粒度分类：按照美国石油学会(API)制订的标准，钻井液中的固 相可按其粒度大小分三大类：(1)粘土(或称胶粒) 粒径＜2µm；(2)泥 粒径2—73 µm ；(3)砂(或称API砂) 粒径＞74 µm 。
固控设备概述
四、离心机
工业用离心机有多种类型．但用于钻井液固控的主要是倾注式离心机，其 结构如图8—9所示。
固控设备概述
倾注式离心机又称做沉陷式离心机，其核心部件有滚简、螺旋输送器和变 速器。离心机工作时，钻井液通过一固定的进浆管进入离心机，然后在输送器 轴筒上被加速，并通过在轴筒上开的进浆孔流人滚筒内。由于滚筒的转速极高， 在离心力作用下，密度或体积较大的颗粒被甩向滚筒内壁．使固液两相发生分 离。其固体被输送器送至滚筒的小端，经底流口排出；而含有细颗粒的流体以 相反方向流向滚筒大端．从送流口排出。 离心机可用于处理加重钻井液以回收重晶石和清除细小的钻屑颗粒。离心 机还常用于处理非加重钻井液以清除粒径很小的钻屑颗粒，以及对旋流器的 底流进行二次分离，回收液相，排除钻屑。
加重钻井液的固相控制
1、加重钻井液固控的特点
加重钻井液又称为重泥浆。加重钻井液中同时含有高密度的加重材料和低密 度的膨润土及钻屑。加重钻井液固控的主要特点是，既要避免重品石的损失，又 要尽量减少体系中钻屑的含量。 2．加重钻井油的固控流程 加重钻井液固控系统的基本流程见图8—l 6。 从图8—16可以看出，含大量回收重 晶石的高密度液流从离心机底流口返 回在用的钻井液体系，而将从离心机 溢流口流出的低密度液流废弃。离心 机主要用于清除粒径小于重晶石粉的 钻屑颗粒。
钻井工程4-钻井液
一、 钻井液功用、类型和组成
三、钻井液的组成
胶粒 ＜2μm 泥 2～74μm 砂 ＞74μm
水基 钻井液
膨润土 各种化学处理剂 水(或盐水) 加重剂 钻屑
多级分 散体系
多数是悬浮体 0.1~2μm 溶胶—悬浮体 粘土颗粒
少数为 溶胶 1~100nm
油基 钻井液
在我国应用得比较少。
水滴 油 乳化剂 润湿剂
0.30 水（分散相）
0.03 低密度固相 （粘土、钻屑等）
0.09 高密度固相 （调节密度）
1.00
1.00
水基钻井液典型组成
油基钻井液典型组成
（ρ＝中1国.32地g质/c大m学3）（武汉）资源学院（《ρ钻＝井1.工32程g》/c:m钻3井）液部分
二 、钻井液的主要性能
按照API（America Petroleum Instistite）推荐的 钻井液性能测试标准，需要检测的钻井液常规性能有：
密度 漏斗粘度 塑性粘度 (ρ) （FV） (PV μp)
动切力 (YP τ0)
静切力 (τs)
API滤失量 HTHP滤失量 pH值 碱度 含砂量
钻井液又称钻井泥浆（Drilling Mud）， 简称泥浆（Mud） 。
中国地质大学（武汉）资源学院《钻井工程》:钻井液部分
一、 钻井液功用、类型和组成
钻井液的循环流程
水龙带 水龙头
泥浆泵 高压立管 方钻杆 井下钻具
4#
泥浆罐组
(1#、2#、3#、4#)
1#
振动筛
环形空间
钻头水眼高速喷出 清洗井底携带岩屑
淡水（NaCl＜1%、Ca2+< 120mg/l）：最初使用。
水 基
盐水（NaCl＞1%）（盐水、饱和盐水、海水）
钻井用化学剂
01
02
1
钻井液：钻井时用来清洗井底并把岩屑携带到地面，维持钻井操作正常进行的流体
2
钻井液的功能：携带和悬浮钻屑；稳定井壁；冷却和清洗钻头、净化井底；平衡地层压力；获取井下信息
3
钻井液的类型：水基钻井液、油基钻井液
复习:
2.2 钻井液处理剂
2.2.1 稀释剂 --降低钻井液粘度和切力的化学剂 钻井液稠化的原因 钻井液中固相颗粒含量过多 粘土颗粒形成网状结构
2.3 固井水泥外加剂
固井作业可以分为两部分：下套管和注水泥
固井是油井建设中的重要环节
2.3 固井水泥外加剂
固井作业可以分为两部分：下套管和注水泥
固井是油井建设中的重要环节
油井水泥的主要作用:
隔绝流体在地层中的流动，支撑套管，防止管壁腐蚀，封隔漏失层或低压层
2.3 固井水泥外加剂
固井是油井建设中的重要环节
钻井液配制时需注意:
钻井液中必须有大、中、小各种颗粒，并有合理的分布
钻井液中必须有大、中、小各种颗粒，并有合理的分布
胶体颗粒类型---颗粒扁平、水化性好，则在压力下容易变形
01
02
钻井液配制时需注意:
1、降滤失剂作用原理
稳定胶体颗粒作用---护胶作用
羧甲基纤维素与粘土颗粒的吸附方式
护 胶 作 用
部分水解聚丙烯酰胺（HPAM）
聚丙烯酰胺 絮凝+降滤失
部分水解的聚丙烯酰胺
醋酸乙烯酯—顺丁烯二酸酐共聚物（VAMA）
几种典型的高分子絮凝剂:
井壁坍塌的原因
非膨胀性页岩裂解
页岩水化膨胀
---高岭石和伊利石吸水后会引起层间裂解
2.2.4 页岩抑制剂
无机盐---效果最好的是KCl、(NH4)2SO4
02
1
钻井液：钻井时用来清洗井底并把岩屑携带到地面，维持钻井操作正常进行的流体
2
钻井液的功能：携带和悬浮钻屑；稳定井壁；冷却和清洗钻头、净化井底；平衡地层压力；获取井下信息
3
钻井液的类型：水基钻井液、油基钻井液
复习:
2.2 钻井液处理剂
2.2.1 稀释剂 --降低钻井液粘度和切力的化学剂 钻井液稠化的原因 钻井液中固相颗粒含量过多 粘土颗粒形成网状结构
2.3 固井水泥外加剂
固井作业可以分为两部分：下套管和注水泥
固井是油井建设中的重要环节
2.3 固井水泥外加剂
固井作业可以分为两部分：下套管和注水泥
固井是油井建设中的重要环节
油井水泥的主要作用:
隔绝流体在地层中的流动，支撑套管，防止管壁腐蚀，封隔漏失层或低压层
2.3 固井水泥外加剂
固井是油井建设中的重要环节
钻井液配制时需注意:
钻井液中必须有大、中、小各种颗粒，并有合理的分布
钻井液中必须有大、中、小各种颗粒，并有合理的分布
胶体颗粒类型---颗粒扁平、水化性好，则在压力下容易变形
01
02
钻井液配制时需注意:
1、降滤失剂作用原理
稳定胶体颗粒作用---护胶作用
羧甲基纤维素与粘土颗粒的吸附方式
护 胶 作 用
部分水解聚丙烯酰胺（HPAM）
聚丙烯酰胺 絮凝+降滤失
部分水解的聚丙烯酰胺
醋酸乙烯酯—顺丁烯二酸酐共聚物（VAMA）
几种典型的高分子絮凝剂:
井壁坍塌的原因
非膨胀性页岩裂解
页岩水化膨胀
---高岭石和伊利石吸水后会引起层间裂解
2.2.4 页岩抑制剂
无机盐---效果最好的是KCl、(NH4)2SO4
钻井液和完井液化学—第三章 钻井液的流变性
τ0
τs
γ
第一节 钻井液的流动状态和基本概念
塑性流体流变模式与流变曲线
0 p
此式即是塑性流体 的流变模式，该式常称 τ 为宾汉模式，并将塑性 流体称为宾汉塑性流体。
0
τ
τs
γ
塑性流体机理分析
塑性流体表现上述流动特性是与它的内部结 构分不开的。例如．水基钻井液粘土颗粒表面的 性质(带电性和水化膜)极不均匀，可能出现如图 3—5所描述的三种不同连接方式，即面—面、 端—面和端—端连接，从而形成空间网架结构。
塑性流体机理分析
τ
随着结构拆散程度增大，拆散速度逐渐减小， 结构恢复速度相应增加。因此，当剪切速率增至一 定程度，结构破坏的速度和恢复的速度保持相等 τ0 (即达到动态平衡)时，结构拆散的程度将不再随剪 τs 切速率增加而发生变化，相应地粘度也不发生变化。 该粘度即钻井液的塑性粘度。因为该参数不随剪切 γ 应力和剪切速率而改变，所以对钻井液的水力计算 是很重要的。
假塑性流体
某些钻井液、高分子化 合物的水溶液以及乳状液等 均屑于假塑性流体。其流变 曲线是通过原点并凸向剪切 应力轴的曲线。 这类流体的流动特点：施 加极小的剪切应力就能产生 流动，不存在静切应力，它 的粘度随剪切应力的增大而 降低。
切应力继续增大，并超过τs时，塑性流体不能均 匀剪切，粘度随切应力的增加而 降低，即图中曲线段；继续增加 τ 切应力，粘度不随切应力的增加 而降低，图中直线段； 塑性粘度（ p 或PV）：不 随切力或流速梯度改变的粘度。 动切力（YP）：直线段延长 线与切应力的交点（τ0）为动 切应力或叫屈服值。
钻井液与完井液化学
第三章 钻井液的流变性
第三章 钻井液的流变性
钻井液的流变性是指钻井液流动和变形的特性。
τs
γ
第一节 钻井液的流动状态和基本概念
塑性流体流变模式与流变曲线
0 p
此式即是塑性流体 的流变模式，该式常称 τ 为宾汉模式，并将塑性 流体称为宾汉塑性流体。
0
τ
τs
γ
塑性流体机理分析
塑性流体表现上述流动特性是与它的内部结 构分不开的。例如．水基钻井液粘土颗粒表面的 性质(带电性和水化膜)极不均匀，可能出现如图 3—5所描述的三种不同连接方式，即面—面、 端—面和端—端连接，从而形成空间网架结构。
塑性流体机理分析
τ
随着结构拆散程度增大，拆散速度逐渐减小， 结构恢复速度相应增加。因此，当剪切速率增至一 定程度，结构破坏的速度和恢复的速度保持相等 τ0 (即达到动态平衡)时，结构拆散的程度将不再随剪 τs 切速率增加而发生变化，相应地粘度也不发生变化。 该粘度即钻井液的塑性粘度。因为该参数不随剪切 γ 应力和剪切速率而改变，所以对钻井液的水力计算 是很重要的。
假塑性流体
某些钻井液、高分子化 合物的水溶液以及乳状液等 均屑于假塑性流体。其流变 曲线是通过原点并凸向剪切 应力轴的曲线。 这类流体的流动特点：施 加极小的剪切应力就能产生 流动，不存在静切应力，它 的粘度随剪切应力的增大而 降低。
切应力继续增大，并超过τs时，塑性流体不能均 匀剪切，粘度随切应力的增加而 降低，即图中曲线段；继续增加 τ 切应力，粘度不随切应力的增加 而降低，图中直线段； 塑性粘度（ p 或PV）：不 随切力或流速梯度改变的粘度。 动切力（YP）：直线段延长 线与切应力的交点（τ0）为动 切应力或叫屈服值。
钻井液与完井液化学
第三章 钻井液的流变性
第三章 钻井液的流变性
钻井液的流变性是指钻井液流动和变形的特性。
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第二节 钻井液密度及其调整
二、为什么要调整钻井液密度 （1）防止喷、塌、漏钻井事故的发生 （2）钻井液密度与油气层损害有关 （3）钻井液密度影响钻井速度
第二节 钻井液密度及其调整
三、怎样调整钻井液密度 1、调整钻井液密度原则
平衡地层压力和地层构造应力
2、调整钻井液密度方法 （1）降低钻井液密度
降低钻井液固相含量 √
第一节 钻井液的功能与组成
三、钻井液的组成
组成
分散介质 水、油、气体
分散相
粘土、密度调整材料（悬浮体） 油或水（乳状液）
气体（泡沫）
钻井液处理剂
降滤失剂 增粘剂 降粘剂 絮凝剂 ……
第二章 钻井液化学
第二节 钻井液密度及其调整
第二节 钻井液密度及其调整
一、钻井液密度定义 定义：单位体积钻井液的质量（用ρ表示） 单位： g/cm3 或 t/m3
能使pH值降至4.3所需的酸量，被称做甲基橙碱度 （Methyl Orange Alkalinity）。
能使pH值降至8.3所需的酸量被称做酚酞碱度 （Phenolphthalein Alkalinity.）
按指示剂 不同分
钻井液的甲基橙碱度（Mm)
甲基橙碱度
滤液的甲基橙碱度 (Mf)
酚酞碱度
钻井液的酚酞碱度(Pm) 滤液的酚酞碱度(Pf)
由于分子量较大，一般难溶于水。
H
腐殖酸分子结构
第四节 钻井液滤失性及其控制
第四节 钻井液滤失性及其控制
（2）改性淀粉
淀粉从谷物或玉米中分离出来，它在50℃以下不 溶于水，温度超过55℃以上开始溶胀，直至形成半透 明凝胶或胶体溶液。
淀粉在淡水、海水和饱和盐水钻井液中均可使用。 淀粉的降滤失机理一方面是它吸收水分，减少了钻井 液中的自由水；另一方面是形成的囊状物可进入泥饼 的细缝中，从而堵塞水的通路，进一步降低了泥饼的 渗透性。
Csc Csm
1t
滤失量与渗透率的平方根成正比
（5）滤液粘度μ
Vf C 1
滤失量与滤液粘度的平方根成反比
（6）温度 温度升高，滤液粘度下降，滤失量增大
（7）渗滤面积 A
Vf CA
Vf A
2
Kp
Csc Csm
1t
5、静滤失量测量
第四节 钻井液滤失性及其控制
VAPI测试条件： 24 ± 3 ℃ 、 0.69MPa 、 45.8cm2 、 30min
3、钻井液静滤失方程
静滤失方程
Vf A
2Kp
Csc Csm
1t
式中： A----渗滤面积 K----泥饼渗透率 ΔP----渗滤压差 Csc----泥饼中固相体积分数 Csm----钻井液中固相体积分数 t----渗滤时间 μ----滤液粘度
动滤失方程
KApt
Vf h
h——滤饼厚度
第四节 钻井液滤失性及其控制
第四节 钻井液滤失性及其控制
一、钻井液滤失性 1、相关概念 （1）钻井液滤失性： 在压差作用下,钻井液 中的自由液向地层渗透的现象。
（2）钻井液滤失量： 在一定温度、一定压差 和一定时间内通过一定过滤面积的滤液体积。
第四节 钻井液滤失性及其控制
（3）钻井液造壁性— 在滤失过程中，随着 钻井液中的自由水进入岩层，钻井液中的固 相颗粒附着在井壁上形成泥饼的性质。
两者的关系：一般的滤失量少造壁性就好
第四节 钻井液滤失性及其控制
2、钻井液滤失类型
动滤失 钻井液在循环过程中的滤失。 按是否流动
静滤失 钻井液停止循环时发生的滤失。
按测试条件
常规滤失量（VAPI） 高温高压滤失量(VHTHP)
易坍塌地层要求VAPI ＜5mL VHTHP ：10-15mL
第四节 钻井液滤失性及其控制
加水稀释（但有时会增加处理剂的用量和费用 ） 混油 （但会使钻井液成本增加，且影响地质录井 ） 充气
第二节 钻井液密度及其调整
（2）提高钻井液密度 方法：加入高密度材料
加重材料
高密度不溶性矿物或矿石粉末
高密度的可溶性盐类 （流变性能较好）
第二节 钻井液密度及其调整
表1 高密度不溶性矿物或矿石
名称
第二节 钻井液密度及其调整
盐结晶抑制剂： 为防止盐从钻井液中析出所加的物质
抑制机理： 通过离子交换转变为相应的盐,选择性地吸 附在刚析出的盐晶表面,使盐晶发生畸变,不 利于盐在其表面继续生长变大。
第二节 钻井液密度及其调整
第二章 钻井液化学
第三节 钻井液酸碱性及其控制
第三节 钻井液酸碱性及其控制
至指示剂变色时所需标准硫酸的体积(mL)定义为 碱度。
第三节 钻井液酸碱性及其控制
碱度的意义：通过碱度可以判断钻井液的碱 性来源，从而在调整钻井液酸碱性的同时还能针 对性的有效清除体系中的有害离子。
测定碱度可以确定钻井液体系中未溶解的 石灰Ca(OH)2的量（即储备碱度）。
第三节 钻井液酸碱性及其控制
pH值对膨润土基浆表观粘度的影响 当pH值大于9时，表观粘度随pH值的升高而剧增。 其原因是由于当pH值升高时，会有更多的OH－被吸附 在粘土晶层的表面，进一步增强表面所带的负电性， 从而在剪切作用下使粘土更容易水化分散。
第三节 钻井液酸碱性及其控制
一、为什么要控制钻井液酸碱性
原因
粘土具有适当的分散度 可以使有机处理剂充分发挥其效能
随着盐水密度增加，盐水析盐温度陡然 上升。
KCl在不同温度下的溶解度
温度╱℃ 溶解度╱g
0
10 20 30 40 50 60 70 80
27.6 31.0 34.0 37.0 40.0 42.6 45.5 48.3 51.1
防止析盐
钻井液的使用温度高于该钻井液密度下 的析盐温度。
在钻井液中加入盐结晶抑制剂
HCO3－ + H+ → CO2 ↑ + H2O
第三节 钻井液酸碱性及其控制
碱性来源判断
Pf 0 Pf M f
HCO3
OH
Pf 1 / 2M f
CO32
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第三节 钻井液酸碱性及其控制
钻井液要求 ：
Pf =1.3 ~ 1.5mL（控制 CO32-和 HCO3-） Mf /Pf ＜ 3 （控制 CO32-含量）
（实测7.5min) VHTHP测试条件：
150±3℃、3.45MPa、 45.8cm2 （22.9cm2）、 30min
第四节 钻井液滤失性及其控制
二、钻井液滤失性控制 1、控制滤失性意义 滤失量过大易造成很大危害
（1）井壁不稳定（水敏性泥页岩跨塌、缩径）
（2）损害油气层 （3）泥饼过厚（如起钻具时提力增加、遇 卡、泥包钻头、泥饼卡钻等）
第四节 钻井液滤失性及其控制
2、钻井液降滤失剂分类 降滤失剂：能降低钻井液滤失量的化学剂
降滤失剂分类：
天然改性（改性褐煤、改性淀粉、改性纤维素） 人工合成（改性树脂、烯类单体聚合物）
第四节 钻井液滤失性及其控制
（1）改性褐煤（又称改性腐殖酸）
褐煤是一种未成熟的煤，燃烧值比较低，有效成 分是腐殖酸，好的褐煤腐殖酸含量可达70～80％。
4、滤失量影响因素 （1） 渗滤时间 t
滤失量与渗滤时间的平方根成正比
Vf C t
Vf A
2Kp
Csc Csm
1t
V 30
30 V 30 2V 7.5
V 7.5 7.5
（2）压差△p
Vf A
2
Kp
Csc Csm
1t
Vf C P
取决钻井液的性质、泥饼的可压缩性
（3）固相含量
Vf A
分子式
密度 g/cm3 酸溶性
备注
重晶石 BaSO4 4.2-4.6
应用最广泛 加重至2.64 g/cm3
石灰石
CaCO3 2.7-2.9 酸溶 需酸化的产层
铁矿粉 Fe2O3 ·FeO 4.9-5.3
钛铁矿粉
TiO2.Fe2O3 ·FeO
4.5-5.1
酸溶 酸溶
需酸化的产层 需酸化的产层
方铅矿
PbS
3、碱度分类:
为了建立统一的标准，API选用酚酞和甲基橙两 种指示剂来评价钻井液及其滤液碱性的强弱。
酚酞的变色点为pH=8.3。在进行滴定的过程中， 当pH值降至该值时，酚酞即由红色变无色。
甲基橙的变色点为 pH=4.3。当pH值降至该值时， 甲基橙由黄色转变为橙红色。
第三节 钻井液酸碱性及其控制
第四节 钻井液滤失性及其控制
加碱能使淀粉迅速而有效地溶胀。
第四节 钻井液滤失性及其控制
(3) 改性纤维素
纤维素是一种天然高分子，不溶于水，以纤维素 为原料可以制得一系列钻井液降滤失剂，其中使用最 多的是钠羧甲基纤维素（简称CMC）和羟乙基纤维素 （简称HEC）。
第四节 钻井液滤失性及其控制
(4) 改性树脂
除钙除镁
第三节 钻井液酸碱性及其控制
4、 碳酸氢钠（NaHCO3) NaHCO3 → Na+ + HCO3－ HCO3－ + H2O → H2CO3 + OH－ Ca 2+ + OH－ + NaHCO3 → Ca CO3 ↓ + Na+ + H2O
控制钙侵
第二章 钻井液化学
第四节 钻井液滤失性及其控制
第一篇 钻井化学
第二章 钻井液化学
第二章 钻井液化学
第一节 钻井液的功能与组成
钻井液的定义:
指油气钻井过程中以其多种功能满足钻井工 作需要的各种循环流体；钻井液（drilling fluid)又称做 泥浆(Mud)。
第一节 钻井液的功能与组成