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第三章钻井液基础知识一、钻井液概念钻井液是指油气开发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的总称。
钻井液的循环是通过泥浆泵实现的。
循环池中的钻井液由泥浆泵泵入地面高压管汇，经过立管、水龙带、水龙头、方钻杆、钻杆、钻铤到达钻头，然后从钻头喷嘴喷出，沿着钻柱与井壁（或套管）形成的环形空间返出，到达地面后经各种固控设备处理后返回循环池。
因此，钻井液又被人们普遍称为石油钻井工程的“血液”。
钻井液又称做钻井泥浆或简称泥浆。
钻井液工艺技术是油气钻井工程的重要组成部分，在确保安全、优质、快速钻井中起着越来越重要的作用。
现场钻井液循环系统如图所示。
泥浆池泥浆泵地面高压管汇立管水龙带水龙头方钻杆固控设备沉砂池震动筛泥浆槽井眼环空钻头钻铤钻杆二、钻井液的组成1、分散介质---水（盐水）或油2、分散相---膨润土、加重材料、各种处理剂、钻屑膨润土是常用的配浆材料，主要起提粘和造壁作用，加重材料用于提高钻井液密度，处理剂用于调整钻井液性能，钻屑是无用固相应通过各种固控措施除去。
三、钻井液的基本功用1、携带和悬浮岩屑通过钻井液循环将钻头破碎的岩屑从井底携带到地面，让钻头始终接触、破碎新地层，保证快速钻进。
钻井液停止循环时使钻屑在钻井液中悬浮不下沉，防止沉沙卡2、稳定井壁和平衡地层压力钻井液借助液相滤失作用，在井壁上形成一层薄而致密的泥饼，阻止液相进一步滤失，从而减弱泥页岩水化膨胀和分散程度，达到稳定井壁的作用。
平衡地层压力是通过钻井液提供的液注压力来实现，从而防止井塌、井喷、卡钻等复杂情况。
3、冷却和润滑钻头钻具钻进过程中钻头破碎岩屑，钻具与井壁摩擦会产生大量热，这些热量通过钻井液循环被带出地面从而达到冷却钻头钻具的作用。
钻具在井下旋转过程中钻井液在钻具与地层之间又会起到很好的润滑作用。
4、传递水动力钻井液将地面泥浆泵赋予的动力除了用于克服沿程阻力外，当它从钻头喷嘴高速喷出时，对井底产生强大冲击力从而显著提高钻速。
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钻井液基础知识钻井液的概念：钻井液是由粘土、水（或油）以及各种化学处理剂组成的一种溶胶悬浮体的混合体系。
粘土是具有可塑性的、软、有各种颜色的泥土。
一般是含水氧化铝的硅酸盐，由长石和其它硅酸盐分解而成，颗粒直径约在0.1-100μm之间，在水中有分散性，带电性、离子交换性，属于多级分散体系。
简单地说，钻井液是粘土分散在水中形成的溶胶悬浮体（颗粒直径小于2μm）为使钻井液满足钻井工艺要求，常加入各种化学处理剂及惰性物质来调节钻井液的性能，使钻井液“由稀变稠，由稠变稀”。
因此钻井液的性能变化受粘土、水和化学处理剂三方面因素的影响。
我国标准化委员会钻井液分委会将钻井液分为八种：1、淡水钻井液：由淡水、粘土和一般的降粘剂、降滤失剂配制而成。
2、钙处理钻井液；3、不分散低固相聚合物钻井液；4、盐水钻井液（包括海水及咸水钻井液）5、饱和盐水钻井液；6、钾基钻井液；7、油基钻井液；8、气体（包括一般气体及气泡）钻井液。
各类新型钻井液体系：正电胶（MMH）钻井液体系、聚合物-铵盐钻井液体系、两性离子聚合物钻井液体系、大小阳离子钻井液体系、水基无粘土相钻井液。
我国于1986年经钻井液标准化委员会研究决定，把钻井液材料分为16类：1、粘土类：主要用来配制原浆，亦有正反增加粘切、降低漏失量作用，常用的膨润土、抗盐土及有机土等；2、加重材料：主要用来提高钻井液的密度，以控制地层压力，防塌防喷；3、降滤失剂：主要用来降低钻井液的漏失量，常用的有CMC、预先胶化淀粉，聚丙烯酸盐等；4、降粘剂：改善钻井液的流动特性，如粘度、切力，以增加可泵性，减少摩阻。
常用的有单宁、各种磷酸盐、褐煤制品、木质素磺酸盐等5、增粘剂：主要用来促进钻井液中粘土颗粒网状结构的形成，增加胶凝强度以形成高流阻。
常用的有CMC、高聚物、预先胶化淀粉等。
6、润滑剂：主要用来降低摩阻系数，减小扭矩，增加钻头的水马力以及防止粘卡。
常用的有某些油类、石墨、塑料小球及表面活性剂。
钻井液基本知识钻井液是用于钻井的流体，在钻井中的功用：1、清洗井底，悬浮携带岩屑，保持井眼清洁。
2、平衡地层压力，稳定井壁、防止井塌、井喷、井漏。
3、传递水功率、以帮助钻头破碎岩石。
4、为井下动力钻具传递动力，5、冷却钻头、钻具。
6、利用钻井液进行地质、气测录井。
钻井液常规性能对钻井工作有很大的影响。
一、钻井液密度1、钻井液密度概念：单位体积钻井液的质量称为钻井液的密度，其单位是克/厘米3（g/cm3）常用符号表示。
现场一般用钻井液密度计测定钻井液的密度。
2、钻井液密度的计算公式P=(P地×102)÷H+PeP----钻井液密度g/cm3式中：P地----地层压力MPaH-----井深mPe-----附加密度、油层附加0.05—0.1气层附加0.07—0.15由于起钻时可能产生抽吸或液面下降，另外，气体进入井内，也会引起液柱压力降低，因此钻井液密度要有附加值。
3、钻井液密度与钻井工作的关系：在钻井作业中，钻井液密度的作用是通过钻井液柱对井底和井壁产生压力，以平衡地层中油、气压力和岩石侧压力、防止井喷、保护井壁，同时防止高压油气水侵入钻井液，以免破坏钻井液的性能引起井下复杂情况，在实际工作中，应根据具体情况，选择恰当的钻井液密度，若钻井液密度过小，则不能平衡地层流体压力，和稳定井壁，可能引起井喷、井塌、卡钻等事故，若钻井液密度过大则压漏地层，并易损害油气层。
钻井液对钻速有很大的影响，密度大液柱压力也大，钻速变慢，因钻井液柱压力与地层压力之间的正压差使岩屑的清除受到阻碍。
造成重复破碎，降低钻头破碎岩石的效率，使钻速下降，通常在保证井下情况正常的前提下，为了提高钻速，应尽量使用低密度钻井液。
二、钻井液粘度1、钻井液的粘度概念:钻井液粘度是指钻井液流动时，固体棵粒之间,固体颗粒与液体分子之间,以及液体分子之间内摩擦的总反映,钻井液粘度可用漏斗粘度计和旋转粘度计进行测定,由于测定的方法不同,有不同的粘度值,现场常采用漏斗粘度计测量钻井液的粘度,单位是秒。
第一章1.钻井液的概念：钻井工程中所使用的一种工作流体。
具有能满足钻井工程所需的各种功能。
是一种分散相粒子（土、加重剂、油）多级分散在分散介质（水、油）中形成的溶胶—悬浮体。
水基泥浆是粘土以小颗粒状态分散在水中形成的溶胶-悬浮体。
2.钻井液的基本功能：冷却和清洗钻头，提高钻头破岩效率；携带和悬浮钻屑、加重剂，保持井眼清洁；稳定井壁、平衡地层压力，防止塌、卡、漏、喷等各种井下事故复杂的发生；保护油气层；传递水马力；3.钻井液在钻井工程中的作用：对钻井速度、钻井成本、油井产量、井下安全的影响4.如何成为一名优秀的泥浆工程师：事业心与责任感、基础理论知识和专业技能、实践经验的积累、外语能力、钻井工程，石油地质相关知识。
5.泥浆工程师应掌握的专业技能:按照钻井液设计，独立完成一口井的钻井液现场施工；熟练掌握本油田各种泥浆体系组成、使用条件、配制方法和维护处理工艺；熟悉各种泥浆处理剂性能特点、加量、其相互间配伍性和使用条件；熟悉各种泥浆测试仪器的操作方法，并能熟练掌握泥浆性能的标准测试程序；能够正确分析判断井下与钻井液有关的各种事故、复杂情况，并提出合理、有效的处理方案；掌握本油田常用特殊泥浆（如：解卡液、堵漏泥浆、压井泥浆等）的配方和配制工艺；熟练掌握各种泥浆小型实验，并能对测试和实验数据作出正确的分析判断。
第二章1.钻井液密度的概念，作用及设计原理？答：定义：钻井液单位体积的质量称为钻井液的密度，常用g/cm3单位表示。
作用：调节钻井液静液柱压力，平衡地层孔隙压力，避免喷、漏、塌、卡等复杂情况的发生。
设计依据：一般以地层孔隙压力为基准，易塌地层以地层坍塌压力作参考。
设计原则：一般情况下，钻井液液柱压力要高于地层孔隙压力，即在地层孔隙压力值基础上附加一安全值。
中石油颁布的标准为：油层附加 1.5--3.5MPa，气层附加3.0--5.0MPa。
另一个标准为钻井液密度是在地层压力系数之上附加一安全值：油层附加0.05-0.10，气层附加0.07-0.15。
学习情境1 钻井液巡回路线的检查任务1 钻井液的认知学习目标：1.能够识别钻井液；2.能够准确阐述钻井液的概念；3.根据钻井液的循环系统分析其功用；4.能够熟练阐述钻井液的类型；5.能够熟练阐述钻井液的组成。
基础知识：1.钻井液的基本概念：钻井液是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的总称。
钻井液的循环系统：钻井液的循环是通过钻井泵来维持的。
从钻井泵排出的高压钻井液，经过地面高压管汇、立管、水龙带、水龙头、方钻杆、钻杆、钻铤到达钻头，从钻头水眼上的喷嘴喷出，以清洗井底、携带钻屑。
然后沿环形空间(钻柱与井壁形成的空间)向上流动，到达地面后，经地面低压管汇流入钻井液池，再经各种固控设备进行处理后返回上水池，最后进入钻井泵循环再用。
钻井液流经的各种管件、设备构成了一整套钻井液循环系统。
2.钻井液的功用：钻井液最基本的功用有以下几点：1)携带和悬浮岩屑钻井液首要和最基本的功用，就是通过其本身的循环将井底被钻头破碎的岩屑携至地面，以保持井眼清洁：使起下钻畅通无阻：并保证钻头在井底始终接触和破碎新地层，不造成重复切削，保证安全、快速钻进。
在接单根、起下钻或因故停止循环时，钻井液又将井内的钻屑悬浮在钻井液中，使钻屑不会很快下沉，防止沉砂卡钻等情况的发生。
2)稳定井壁和平衡地层压力井壁稳定、井眼规则是实现安全、优质、快速钻井的基本条件。
性能良好的钻井液应能借助液相的滤失作用，在井壁上形成一层薄而韧的泥饼，以稳固已钻开的地层并阻止液相侵入地层，减弱泥页岩水化膨胀和分散的程度。
与此同时，在钻进过程中需通过不断调节钻井液密度，使液柱压力能够平衡地层压力，从而防止井塌和井喷等井下复杂情况的发生。
3)冷却和润滑钻头、钻具在钻进中钻头一直在高温下旋转并破碎岩层，产生很多热量，同时钻具也不断地与井壁摩擦而产生热量。
钻井液不断地循环作用，可以将这些热量及时吸收，然后带到地面释放到大气中，从而起到了冷却钻头、钻具并延长其使用寿命的作用。
钻井液的存在使钻头和钻具均在液体内旋转，因此在很大程度上降低了摩擦阻力，起到了很好的润滑作用。
4)传递水动力钻井液在钻头喷嘴处以极高的流速冲击井底，从而提高了钻井速度和破岩效率。
高压喷射钻井正是利用了这一原理，即采用高泵压钻进，使钻井液所形成的高速射流对井底产生强大的冲击力，从而显著地提高钻速。
在使用涡轮钻具钻进时，钻井液由钻杆内以较高流速流经涡轮叶片，使涡轮旋转并带动钻头破碎岩石。
为了防止和尽可能减少对油气层的损害，现代钻井技术还要求钻井液必须与所钻遇的油气层相配伍，满足保护油气层的要求；为了满足地质上的要求，所使用的钻井液必须有利于地层测试，不影响对地层的评价。
此外，钻井液还应对钻井人员及环境不发生伤害和污染，对井下工具及地面装备不腐蚀或尽可能减轻腐蚀。
一般情况下，钻井液成本只占钻井总成本的7％～10％。
3.钻井液的类型：按其密度大小可分为非加重钻井液和加重钻井液；按与粘土水化作用的强弱可分为非抑制性钻井液和抑制性钻井液；按其固相含量的不同，将固相含量较低的叫做低固相钻井液，基本不含固相的叫做无固相钻井液。
按钻井液中流体介质和体系的组成特点来进行分类，总体上分为水基钻井液、油基钻井液、合成基钻井液和气体型钻井液等四种类型。
由于水基钻井液在实际应用中一直占据着主导地位，根据体系在组成上的不同又将其分为若干种类型。
下面是在参考国外钻井液分类标准的基础上，在国内得到认可的各种钻井液类型。
1）水基钻井液（1）分散钻井液（细分散钻井液或淡水钻井液）概念：分散钻井液是指用淡水、膨润土和各种对粘土与钻屑起分散作用的处理剂(简称为分散剂)配制而成的水基钻井液，也称为细分散钻井液或淡水钻井液。
它是一类使用历史较长、配制方法较简单、配制成本较低的常用钻井液。
特点：优点：a.可容纳较多的固相，较适于配制高密度钻井液。
b.容易在井壁上形成较致密的滤饼，故其滤失量一般较低。
c.某些分散钻井液具有较强的抗温能力(如以磺化栲胶、磺化褐煤和磺化酚醛树脂作为主处理剂的三磺钻井液)，适于在深井和超深井中使用。
缺点：抑制性和抗污染能力较差；因体系中固相含量高，对提高钻速和保护油气层均有不利的影响。
(2)钙处理钻井液概念：钙处理钻井液体系主要由含Ca2+的无机絮凝剂、降粘剂和降滤失剂组成。
由于体系中的粘土颗粒处于适度絮凝的粗分散状态，因此又称之为粗分散钻井液。
特点：a.可抑制泥页岩水化膨胀，滤饼坚韧光滑，滤失量小，利于防塌。
b.稳定性好，抗粘土侵、钙侵、盐侵能力强，维持时间长。
c.流动性好，粘、切低，利于提高钻速。
d.抗温性强，成本低，对油、气层渗透性损害小。
分类：石灰钻井液、石膏钻井液、氯化钙钻井液和钾石灰钻井液。
(3)盐水钻井液概念：盐水钻井液是用盐水(或海水)配制而成的。
凡NaCl含量超过1％(Cl-质量浓度约为6000mg/L)的钻井液统称为盐水钻井液。
特点：a.由于矿化度高，因此具有较强的抑制性，能有效抑制泥页岩水化，保证井壁稳定；b.有效抗钙侵和抗高温，适于钻含岩盐地层或含盐膏地层以及在深井和超深井中使用；c.由于其滤液性质与地层原生水比较接近，对油气层的损害较轻；d.由于钻出的岩屑不易在盐水中水化分散，在地面容易被清除，因而有利于保持较低的固相含量；e.能有效地抑制地层造浆，流动性好，性能较稳定。
分类：一般盐水钻井液、饱和盐水钻井液和海水钻井液。
(4）聚合物钻井液概念：聚合物钻井液是指将聚合物作为主处理剂或主要用聚合物调控性能的水基钻井液体系。
特点：a.钻井液密度和固相含量低，因而钻进速度可明显提高，对油气层的损害程度也较小；b.钻井液剪切稀释特性强。
在一定泵排量下，环空流体的粘度、切力较高，因此具有较强的携带岩屑的能力；而在钻头喷嘴处的高剪切速率下，流体的流动阻力较小，有利于提高钻速；c.聚合物处理剂具有较强的包被和抑制分散的作用，有利于保持井壁稳定。
因此，自20世纪70年代以来，该类钻井液一直在国内外得到十分广泛的应用，并且其工艺技术不断得到完善和发展。
(5)钾基聚合物钻井液概念：钾基聚合物钻井液是一类以各种聚合物的钾(或铵、钙)盐和KCl为主处理剂的防塌钻井液。
特点：a.在各种常见无机盐中，以KCl抑制粘土水化分散的效果为最好，而聚合物处理剂的存在使该类钻井液具有聚合物钻井液的各种优良特性；b.在钻遇泥页岩地层时，有比较理想的防塌效果。
2）油基钻井液概念：以油（通常使用柴油或矿物油）作为连续相的钻井液称油基钻井液。
目前含水量在5％以下的普通油基钻井液已较少使用，而主要使用油水比在(50~80)：(50~20)范围内的油包水乳化钻井液。
特点：能抗高温，有很强的抑制性和抗盐、钙污染的能力，润滑性好，并可有效地减轻对油气层的损害等。
因此，使用该类钻井液已成为钻深井、超深井、大位移井、水平井和各种复杂地层的重要手段之一。
但是，由于其配制成本较高，且使用时会对环境造成一定污染，因而其应用受到一定的限制。
3）合成基钻井液概念：合成基钻井液是以合成的有机化合物作为连续相，盐水作为分散相，并含有乳化剂、降滤失剂、流型改进剂的一类新型钻井液。
特点：由于使用无毒并且能够生物降解的非水溶性有机物取代了油基钻井液中通常使用的柴油，因此这类钻井液既保持了油基钻井液的各种优良特性，又能大大减轻钻井液排放时对环境造成的不良影响，尤其适用于海上钻井。
4）气体型钻井流体气体型钻井流体主要适用于钻低压油气层、易漏失地层以及某些稠油油层。
其特点是密度低，钻速快，可有效保护油气层，并能有效防止井漏等复杂情况的发生。
分类：空气或天然气钻井流体、雾状钻井流体、泡沫钻井流体、充气钻井液。
5）保护油气层的钻井液这是指在储层中钻进时使用的一类钻井液。
当一口井钻达其目的层时，所设计的钻井液不仅应能满足钻井工程和地质的要求，而且应能满足保护油气层的需要。
比如，钻井液密度和流变参数应调整至合理范围，滤失量应尽可能低，所选用的处理剂应与油气层相配伍，应选用适合的暂堵剂等。
4.钻井液组成：1)水基钻井液的组成水基钻井液是由膨润土、水(或盐水)、各种处理剂、加重材料以及钻屑所组成的多相分散体系。
其中膨润土和钻屑的平均密度均为2.6 g/cm3，通常称它们为低密度固相，而加重材料常被称为高密度固相。
最常用的加重材料为API重晶石，其密度为4.2 g/cm3。
由于在水基钻井液中膨润土是最常用的配浆材料，在其中主要起提粘切、降滤失和造壁等作用，因而又将它和重晶石等加重材料称为有用固相，而将钻屑称为无用固相。
在钻井液中，应通过各种固控措施尽量减少钻屑的含量，膨润土的用量也应以够用为度，不宜过大，否则会造成钻井液粘切过高，还会严重影响机械钻速，并对保护油气层产生不利影响。
2)油基钻井液的组成油基钻井液是以水滴为分散相，油为连续相，并添加适量乳化剂、润滑剂、亲油的固体处理剂(有机土、氧化沥青等)、石灰和加重材料等所形成的乳状液体系。
问题探究：1、什么是粘土矿物？2、配制钻井液常用哪些粘土矿物？1)膨润土：主要以蒙脱石为主，因其所吸附的阳离子不同而分为钠土和钙土两种：因为钠土水化能力较弱，造浆能力较高，所以适合钻井液使用。
钠土一般较少，多为钙土。
现场使用时，常把钙土改造成钠土(采用纯碱或烧碱改造)，来满足钻井液用土的需要。
天然土矿必须经机械加工成粒度大小适宜的粉末后才能使用。
其颜色为白、灰、灰黄及紫红色，易吸潮结块，故一般采用聚乙烯薄膜袋为内层而聚丙烯编织袋为外层包装。
钠膨润土有以下用途：①用作配浆材料。
这是最基本的用途，用它与淡水可配成各种原浆，经过化学处理成为符合钻井要求的基浆，即可用于钻井。
②用来降低钻井液的滤失量。
钠土可在淡水中水化而分散成较细的颗粒，形成渗透性较低的滤饼，从而降低滤失量。
③用来提高钻井液的粘切。
因为在淡水中分散的粘土片带负电荷，其端边带有正电荷，所以可互相形成所谓“卡片”状结构，产生一定的结构强度，使钻井液粘切力上升。
④用作堵漏剂的组分。
用粘土、柴油及乳化剂可配成柴油一膨润土堵漏剂。
特别适用于封堵含水漏层，效果较好。
膨润土质量的好坏不但影响所配钻井液的性能，而且与所配钻井液接受化学处理剂的能力有很大关系。
所以，使用不合格的膨润土不但用量大，而且处理时需用较多的药剂，极不经济。
膨润土在人井前或进库前必须经过严格检查，不符合质量标准的要严禁人井。
2)抗盐土：主要有海泡石和凹、凸棒石土两种。
它是一种富含镁的纤维状粘土矿物。
该种土质经特殊加工才能发挥其效能，因为它是一种纤维状物，不能用一般膨润土的研磨设备来加工，否则会将其纤维剪断而失去在盐水中的造浆能力。
它的悬浮体所具有的流变特性主要取决于其长纤维条问的力学(机械)干扰作用，而不是由颗粒间的静电引力产生的。
所以各种电解质对它影响不大，它能在盐水或饱和盐水中分散并产生较高的粘度和切力。
