第6章钻井液设计

第1节水平井井眼清洁重要性由于大斜度井段、水平井段，岩屑的重力效应及钻杆偏心严重（窄间隙处泥浆流速小甚至有可能为零，失去了悬屑、携屑的能力），岩屑极易在大斜度井段和水平井段形成岩屑沉积床，造成井壁不稳定，形成键槽、沉砂卡钻事故等。

钻速下降，起下钻抽吸压力升高，摩阻、扭矩急剧增加，这些都成为大位移井、水平井钻井的不利因素。

大位移井的井眼清洁不好还会造成以下问题：一是不能将钻压传至钻头；二是不能解释井的方位变化；三是泥浆漏入产层，降低了最终采收率等等。

后侧钻；z英国北海Arbroath油田22/17 T14井由于井眼清洁不好，致使套管提前下入，然后又由于有岩屑床的存在，导致在井深10328ft 处将钻具卡死，侧钻后由于仍然存在井眼清洁不好的问题，因此又在新井眼井深11225ft处再次将钻具卡死；z英国BP公司在Wytch Farm油田所钻4口大位移井都不同程度地出现了与井眼不清洁有关的问题。

井眼清洁影响因素井眼清洁情况现场经验判断方法，主要有：（1）岩屑形状评价（2）岩屑尺寸评价（3）井眼畅通评价（4）岩屑含量评价（1）岩屑形状评价钻井液携砂能力很强时，钻出的岩屑可能很快离开井底并随钻井液返出。

这时，岩屑棱角清晰或比较清晰，磨圆度差，表明井眼清洗良好。

反之，尽管岩屑离开了井底，但岩屑在整个循环过程中处于上升和下沉交替状态，直到将棱角磨掉尺寸磨小之后才逐渐被返出地面。

钻进过程中认真观察每米携出的砂样的磨圆程度。

根据钻井实践提出：磨圆砂样小于20%井眼清洗良好；小于30%井眼清洗中等；30%～50%井眼清洗较差；大于50%则在大斜度井段必定存在较为严重的岩屑床。

（2）岩屑尺寸评价岩屑尺寸随钻头类型、机械钻速和地层胶结程度及岩性而变化。

当钻头类型、机械钻速和地层岩性保持基本不变时，岩屑尺寸大小也可间接表示井眼清洁程度。

钻进过程中返出岩屑除棱角明显外，还能见到已钻过地层的较大岩块时，表明钻井液具有强的携带能力。

钻井手册（第2版）（共2卷）专注于实际应用技术，并且具有理论知识和实践经验。

该手册分为两册。

第一卷的主要内容包括：钻井设计，地层压力和井眼结构，套管设计和套管操作，固井完井，钻井液，钻头和钻井参数设计，井控技术，钻柱和井底组件设计；第二卷的主要内容包括：特殊工艺井的钻井，欠平衡钻井，海上钻井，深井和超深井钻井，钻井设备和工具以及地质条件综合质量评估，钻井HSE管理，井下复杂性和事故，新钻井技术，附录。

内容有效性钻井手册（第2版）（共2卷）可供从事石油和天然气钻探工程的技术人员和管理人员使用，以及相关专业技术人员，管理人员和相关大专院校的师生的参考资料。

书籍目录钻井手册内容：第一卷第一章钻孔设计第1节钻孔设计的基本要求第2节钻孔设计的基本原则和程序第三节普通钻井设计的主要内容第4节批量钻孔设计的主要内容第5节钻井工程的质量要求第六节钻井施工设计与规划第七节钻井设计的监督与实施附录I钻孔设计规范附录二中国石油竖井工程设计资格管理办法附录3钻井质量控制规范（SYFI，5088-2008）第二章地层压力与井筒结构设计第一节几个基本概念第2节原地应力第三节地层孔隙流体压力第四节地层破裂压力第5节地层塌陷压力和井眼稳定性第六节井眼结构设计参考第三章套管设计与套管操作第1节套管柱类型第二节套管设计的机械基础第三节套管载荷分析第四节API套管强度计算公式第五节双轴应力计算第6节套管特性第7节套管柱设计第8节特殊井的套管柱设计第9节套管操作第十节套管井口设置计算附录通用相关标准第四章固井与完井第一节油井水泥第二节水泥浆性能第三节油井水泥添加剂和掺合料第4节介词液第五节水泥浆的流变第六节水泥浆设计第7节固井工艺第八节水泥挤注水泥浆塞第九节特种井固井技术第十节固井质量评价第11节固井设备，工具和配件参考第五章钻井液第一节概述第二节钻井液性能第三节钻井液性能测试仪器及方法第四节常用钻井液系统及其应用第五节钻井液原料及添加剂第6节钻井液系统，性能和配方设计。

附件钻井液技术规范(试行)中国石油天然气集团公司二○一○年八月目录第一章总则┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄3第二章钻井液设计┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄3第一节设计的主要依据和内容┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄3 第二节钻井液体系选择┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄4 第三节钻井液性能设计项目┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄5 第四节水基钻井液主要性能参数设计┄┄┄┄┄┄┄┄┄7 第五节油基钻井液基油选择和主要性能参数设计┄┄┄11 第六节油气层保护设计┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄12 第七节钻井液原材料和处理剂┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄13 第八节钻井液设计的管理┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄13 第三章钻井液现场作业┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄14第一节施工准备┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄14 第二节预水化膨润土钻井液与处理剂胶液的配制┄┄┄14 第三节淡水钻井液的配制┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄15 第四节盐水钻井液的配制┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄15 第五节水包油钻井液的配制┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄16 第六节油基钻井液的配制┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄16 第七节钻井液性能检测┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄17 第八节现场检测仪器┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄18 第九节现场钻井液维护与处理的基本原则┄┄┄┄┄┄20 第十节水基钻井液性能维护与处理┄┄┄┄┄┄┄┄┄20—1 —第十一节油基钻井液性能维护与处理┄┄┄┄┄┄┄┄23 第四章油气层保护┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄24 第五章循环净化系统┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄25 第一节设备的配套、安装与维护┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄25 第二节钻井液净化设备的使用┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄27 第六章泡沫钻井流体┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄28 第一节一次性泡沫钻井流体┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄28 第二节可循环泡沫钻井流体┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄29 第三节压井液和压井材料的储备┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄31 第七章井下复杂事故的预防和处理┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄31 第一节井壁失稳的预防与处理┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄31 第二节井漏的预防与处理┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄33 第三节卡钻的预防和处理┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄35 第八章废弃钻井液处理与环境保护┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄37 第九章钻井液原材料和处理剂的性能评价与储存┄┄┄┄37 第一节技术标准与性能评价┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄38 第二节钻井液原材料和处理剂的储存┄┄┄┄┄┄┄┄38 第十章钻井液资料收集┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄39第十一章附则┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄39 附录┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄40—2 —中国石油天然气集团公司钻井液技术规范第一章总则第一条钻井液技术是钻井技术的重要组成部分，直接关系到钻探工程的成败和效益。

第六章高密度饱和盐水钻井液技术第一节高密度饱和盐水钻井液概述一、饱和盐水钻井液的作用和发展概况凡NaCl含量超过1%（质量分数，Cl-含量约为6000 mg/l）的钻井液统称为盐水钻井液。

一般将其分为以下三种类型：（一）欠饱和盐水钻井液其Cl-含量自6000 mg/l直至饱和之前均属于此类。

（二）和盐水钻井液是指含盐量达到饱和，即常温下NaCl浓度为3.15×105 mg/l（Cl-含量为1.89×105mg/l）左右的钻井液。

注意NaCl溶解度随温度变化而变化。

（三）海水钻井液是指用海水配制而成的含盐钻井液。

体系中不仅含有约3×104 mg/l的NaCl，还含有一定量的Ca2+和Mg2+。

根据含盐量的多少，在国外出版的专著中又将盐水钻井液分为以下几种类型：含盐量在1%~2%时为微咸水钻井液，在2%~4%时为海水钻井液，在4%与近饱和之间时为非饱和盐水钻井液，在含盐量达最大值31.5%时则被称为饱和盐水钻井液。

如前所述，为了防止盐膏层发生塑性变形和盐溶而造成缩径或井塌等复杂情况的发生，—154—提高所用钻井液的密度是非常有效和必要的，这一点已被国内外盐膏层钻井的实践所证实。

例如，华北油田新家4井使用油包水乳化钻井液钻3630~4518m的盐膏层井段，当钻井液密度为1.90~1.95 g/cm3时，在盐岩或含盐膏泥岩处，起下钻均会遇阻。

而钻井液密度提高至2.03~2.04g/cm3时，井下情况正常，下钻仅轻微遇阻，不需划眼就可通过。

因此，为保证安全顺利钻穿盐膏层，必须提高钻井液密度至能够控制盐岩蠕变和塑性变形所需范围。

所需密度应根据井深、井温及盐岩蠕变规律来确定，同时还要根据已钻井实际资料和岩心实测试验数据来进行修正，钻井过程中还需根据该井段的实际情况随时进行调整，以确保钻井作业的顺利进行。

钻井液密度的具体确定方法和应用图版已在第四、五章详细介绍过，在此不再赘述。

一般情况下，盐的溶解是造成盐膏层钻井过程中各种井下复杂情况的主要原因。

第六章钻井液的流变性钻井液的流变性是钻井液的一项最基本性能，它是指在外力作用下，钻井液发生流动变形的特性。

该特性通常用钻井液的流变曲线、表观粘度、塑性粘度、动切力、静切力等流变参数来进行描述的。

它在解决1、岩屑携带，保证井底和井眼清洁；2、悬浮岩屑和加重材料；3、保持井眼规则和保障井下安全；4、提高机械钻速等钻井问题时起着十分重要的作用。

另外，钻井液的某些流变参数还直接用于钻井环空水力学的有关计算。

对钻井液流变性的深入研究有利于对油气井钻井液流变参数的优化设计和合理调控。

一、流体流变性的概念1、流体流动的特点流体流动实际上是流体随时间连续变形的过程。

液体的流动变形是因为液体受到剪切作用引起的剪切变形。

既液体在大小相等、方向相反、而作用线相距很近的两个力作用下，液体内部指点发生相对错动。

以河水流动的速度分布为例，可以看到，越靠近河岸，流速越小，河中心处流速最大。

水在管道中流速分布与河水相似，管道中心流速最大，靠近管壁处速度为零。

可以想象，如果把管道内流动的水沿着管道半径的方向由内向外分成若干层，每一层流速是不同的。

如图6—1所示。

液流中各层的流速不同这个现象，通常用剪切速率（或称速度梯度）这个物理量来描述。

图6-1在圆形管道中水的流速分布a —流速分布示意图b —流速分布曲线2、剪切速率和剪切应力如前所述，液体在管内流动时，在垂直于流速方向上，由内向外流速逐渐减小。

若液体液层之间的距离为dx，各液层的速度差为dv，则垂直于流速方向不同液层流速的变化可以表示为dv/dx，那么dv/dx叫速度梯度即剪切速率。

其物理意义是在垂直于流速方向上，单位距离流速的增量。

物理单位为S-1钻井液在循环系统的不同位置剪切速率值如下：沉砂池： 10 —20 S-1环形空间： 50 —250 S -1钻杆内： 100—1000 S-1钻头喷嘴处： 104 —105 S-1液体流动时表现出的速度梯度，是液体内存在内摩擦作用的结果。

钻井液（泥浆）工艺学第一章 钻井液功用无论在石油钻探还是在岩心钻探中，要保证优质快速钻进，正确的选择、使用钻井液十分的重要，因此钻井液被称为钻进过程的血液。

其功用有以下几点： 1、 清洗孔底，悬浮和携带岩粉。

例如：利用钻井液的触变性，将岩粉悬浮起来，可以防止岩粉迅速沉淀造成埋钻事故。

2、 冷却钻头，提高钻头的使用寿命。

例如：金刚石钻进，其钻头温度可以升到300度以上，如果得不到及时的冷却，就会造成烧钻（即金刚石的碳化）。

3、 润滑钻头和钻具，减弱钻具的振动。

例如：在高速钻进的金刚石钻进中，加入润滑剂的乳化冲洗液，可以减小钻头与孔底岩石、钻杆与孔壁间的摩擦阻力和有效地减弱钻具高速回转时的振动及减轻钻机等动力机的荷载，使钻头平稳工作。

4、 形成泥皮，保护孔壁。

例如：钙处理剂泥浆对水敏性地层有抑制作用，有效地防止孔壁的膨胀和坍塌。

5、 在反循环钻进中，输送岩心。

6、 在采用涡轮钻、螺杆钻及冲击回转钻进中，起传递动力的工作介质。

第二章 钻井液的性能按照API 推荐的钻井液性能指标，包括：密度、漏斗粘度、塑性粘度（视粘度）、动切力、静切力、API 滤失量、HTHP 滤失量、PH 值、含砂量、固相含量、膨润土含量、和各种离子的质量浓度等。

1、 粘土的选择：含蒙脱石的粘土、海泡石抗盐粘土。

粘土的性质：粘土因晶格取代而带负电，因内外表面都能进行水化及阳离子交换容量高故而水化膨胀性强。

2、 粘土的扩散双电子层理论：粘土溶于水中，吸附的阳离子便解离，向外扩散，结果形成胶粒带负电的扩散双电层。

3、 粘土-水胶体分散体系的稳定性与聚结：1) 稳定性包括动力稳定性和聚结稳定性。

其中影响动力稳定性因素主要有：颗粒半径、介质粘度；影响聚结稳定性的因素是分散介质的电解质浓度与价态。

2) 缩小颗粒半径和增加介质粘度可以提高动力稳定性；降低电解质浓度和价数可以提高聚结稳定性。

4、 钻井液的流变性：在外力作用下，钻井液发生流动和变形的特性。