钻井液与水活度

钻井液常规性能测定及常用钻井液计算公式钻井液是在钻井过程中用来冷却钻头、清理井孔并携带钻屑到地面的一种重要材料。

常规性能测定是评估钻井液性能和保证钻井活动的安全和高效进行的关键步骤。

本文将探讨钻井液常规性能测定及常用计算公式。

1.钻井液基本性能测定1.1密度测定钻井液的密度是指单位体积钻井液所含质量。

测定钻井液的密度可以通过常用的密度计来实现。

常用的密度计有密度计、密度测井仪和滴定法等。

常用密度计测量钻井液密度的计算公式如下：密度 = (wt / Vt) / (ws / Vs)其中，wt是钻井液质量，Vt是钻井液体积，ws是钻井液中饱和盐水的质量，Vs是饱和盐水体积。

1.2粘度测定粘度是指钻井液流动阻力的大小。

钻井液的粘度可以通过常用的转子粘度计等设备进行测定。

粘度的测量单位为帕斯卡秒（Pa·s）或者倍秒（cP）。

常用的粘度计算公式如下：动力粘度（cP）=测量粘度（帕斯卡秒）×10001.3悬浮性测定悬浮性是指钻井液携带钻屑的能力。

测定钻井液的悬浮性可以通过悬浮度计来实现。

悬浮度是钻井液中所含固相物质的体积百分比。

1.4pH值测定pH值是衡量钻井液酸碱性的指标。

测定钻井液的pH值可以通过pH 电极测量仪来实现。

2.1钻井液的固相含量计算固相含量（%）=(Ws/Wt)×100其中，Ws是固相物质的质量，Wt是钻井液的总质量。

2.2钻井液的毛孔压力计算毛孔压力（psi）= (H × ρ × g) + P其中，H是钻井液的高度（英尺），ρ是钻井液的密度（磅/立方英尺），g是重力加速度（英尺/秒²），P是大气压力（psi）。

2.3钻井液的等效循环密度计算等效循环密度（ppg）= (H × ρ) / (Hf × ρf)其中，H是钻井液的高度（英尺），ρ是钻井液的密度（磅/立方英尺），Hf是液体段的高度（英尺），ρf是液体段的密度（磅/立方英尺）。

页岩气钻井过程中的钻井液技术背景页岩气开发目前成为全球关注的热点。

在我国，由于现有的天燃气产量难以持续满足中国国民经济的发展和社会高速发展的需求，也由于北美页岩气勘探开发的成功经验，所以中国页岩气的发展引起政府、企业和民众的高度关注。

中国的页岩气勘探开发技术刚刚起步，缺乏相关的经验和技术；美国是最早进行页岩气研究和开采的国家，目前已形成相当的规模，并且进入了开发的快速发展阶段。

页岩气钻井方式的选择美国开发页岩气的成功经验表明，水平井和多种储层压裂改造技术是成功开发页岩气的关键。

在页岩气层钻水平井，可以获得更大的泄流面积，更高的天然气产量。

根据美国页岩气开发的经验，水平井成本平均为直井的3倍，但日均产气量及最终产气量是直井3~5倍，产气速率则提高10倍。

因此，水平井成为了开发页岩气最主要的钻井方式。

页岩气水平井钻井存在的主要问题一方面，页岩是以粘土矿物为主的沉积岩，钻井过程中粘土矿物水化造成强度降低，进而产生缩径、井壁垮塌、卡钻等复杂事故；另一方面，在页岩气水平井钻井中，水平段较长，井壁失稳、摩阻、携岩及地层污染等问题非常突出。

因此，钻井液的选择及其配方直接影响钻井效率、工程事故的发生率及储层保护效果。

从钻井液角度看，要求钻井液能提高地层承压能力，防漏堵漏效果好，最重要的是抑制粘土水化膨胀，造成储层伤害。

选择钻井液体系的原则为：要使钻井液有较强的抑制性、封堵性能和较低的渗透性和活度；能阻止滤液进入页岩地层，防止页岩吸水、强度降低。

油基钻井液传统的页岩气钻井过程中，使用最多的是油基钻井液。

油基钻井液具有以下优点；（1）强的抑制性，能防止和减少水敏性地层的水化、膨胀、分散而引起的缩径或井塌；（2）在钻遇石膏层、盐层及水泥塞时，对Ca、Mg、Na等离子具有很强的抗污染能力；（3）由于以油为外相，油基钻井液润湿效果极佳，能大大降低钻进及起下钻时的扭矩、阻力和张力，减少由于阻、卡引起的井下复杂事故；（4）对钻井设备无腐蚀；（5）具有极好的油气层保护特性；（6）与其他水基钻井液相比，油基钻井液的滤饼滤失速率较小，滤液基本不会引起粘土矿物水化膨胀；（7）滤液进入亲水型硬脆性泥页岩阻力大，从而能较好地稳定泥页岩地层。

钻井液常规性能测定及常⽤钻井液计算公式钻井液常规性能测定⼀、密度的测定1、按安全检查表内容检查仪器,确保仪器安全可靠。

2、将钻井液加热到所需温度。

3、在密度计的杯中注满钻井液,盖上杯盖慢慢拧动压紧。

4、⽤⼿指压住杯盖⼩孔,⽤清⽔冲洗并擦⼲样品杯。

5、把密度计的⼑⼝放在底座的⼑垫上,移动游码直到平衡,记录读值。

6、将密度计冼净擦⼲备⽤。

⼆、测定马⽒漏⽃粘度1、按安全检查表内容检查仪器,确保仪器安全可靠。

2、将漏⽃悬挂在墙上,且保证垂直;量杯置于漏⽃流出管下⾯。

3、⽤⼿指堵住漏⽃流出管下⼝,将搅拌均匀的泥浆倒⼊漏⽃⾄筛⽹底;放开⼿指,同时启动秒表,待泥浆流满量杯达到它的边缘时,按停秒表。

秒表所⽰时间即为泥浆粘度,单位为s。

4、使⽤完毕,将仪器洗净擦⼲。

三、流变的测定(ZNN-D6六速旋转粘度计)1、按安全检查表内容检查仪器,确保仪器安全可靠。

2、使⽤前检查读数指针就是否对准刻度盘“0”位,落下托盘,装配好内、外筒。

3、将搅拌均匀的泥浆倒⼊样品杯⾄刻度线、将样品杯置于托盘上,上升托盘使液⾯⾄外筒刻度线,拧紧托盘⼿轮。

4、调整变速⼿把与转速开关,迅速从⾼到低进⾏测量,待刻度盘稳定后,分别读取各转速下刻度盘的偏转格数。

5、测量完毕,落下托盘,卸下外筒,将内、外筒及样品杯洗净擦⼲。

四、钻井液失⽔的测定1、按安全检查表内容检查仪器,确保仪器安全可靠。

2、⽤⼿指堵住泥浆杯底部⼩孔,将搅拌均匀的泥浆倒⼊杯内⾄刻度线处,按顺序放⼊“O”型密封圈、滤纸、杯盖与杯盖卡,将杯盖卡旋转90°并拧紧旋转⼿柄。

3、将组装好的泥浆杯组件倒置嵌⼊⽓源接头并旋转90°;将量筒置于失⽔仪下⽅并对准滤液流出孔。

4、调节⽓源压⼒⾄0、7MPa,打开⽓源⼿柄并同时启动秒表,收集滤液于量筒之中。

5、当秒表指⽰为30min时,将悬于滤液流出孔的液滴收集于量筒之中并移开量筒,此量筒中液体体积即为滤失量。

6、关闭⽓源⼿柄,放出泥浆杯中余⽓;卸下泥浆杯组件,倒去泥浆并洗净擦⼲。

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，直截了当关系到钻探工程的成败和效益。

为提升钻井液技术和治理水平，保证钻井工程的安全和质量，满足勘探开发需要，特制定本规范。

第二条本规范要紧内容包括：钻井液设计，现场作业，油气储层爱护，钻井液循环、固控和除气设备，泡沫钻井流体，井下复杂的预防和处理，钻井液废弃物处理与环境爱护，钻井液原材料和处理剂的质量操纵与治理，钻井液资料治理等。

第三条本规范适用于中国石油天然气集团公司所属有关单位的钻井液技术治理。

第二章钻井液设计第一节设计的要紧依据和内容第四条钻井液设计是钻井工程设计的重要组成部分，要紧依据包括但不限于以下几方面：1. 以钻井地质设计、钻井工程设计及其它有关资料为基础，依据有关技术规范、规定和标准进行钻井液设计。

2. 钻井液设计应在分析阻碍钻探作业安全、质量和效益等因素的基础上，制定相应的钻井液技术措施。

要紧有：地层岩性、地层应力、地层岩石理化性能、地层流体、地层压力剖面（孔隙压力、坍塌压力与破裂压力）、地温梯度等信息；储层爱护要求；本区块或相邻区块已完成井的井下复杂情形和钻井液应用情形；地质目的和钻井工程对钻井液作业的要求；适用的钻井液新技术、新工艺；国家和施工地区有关环保方面的规定和要求。

第五条钻井液设计内容要紧包括：邻井复杂情形分析与本井复杂情形推测；分段钻井液类型及要紧性能参数；分段钻井液差不多配方、钻井液消耗量推测、配制与爱护处理；储层爱护对钻井液的要求；固控设备配置与使用要求；钻井液仪器、设备配置要求；分段钻井液材料打算及成本推测；井场应急材料和压井液储备要求；井下复杂情形的预防和处理；钻井液HSE治理要求。

第二节钻井液体系选择第六条钻井液体系选择应遵循以下原则：满足地质目的和钻井工程需要；具有较好的储层爱护成效；具有较好的经济性；低毒低腐蚀性。

第七条不同地层钻井液类型选择1. 在表层钻进时，宜选用较高粘度和切力的钻井液。

护好油气层、环保可接受和经济高效为原则，同时根据下述方法来确定合适的钻井液体系。

一、根据目的层特性选择钻井液钻井液在钻进储层时应调整好各项性能，使其符合要求，尽可能减轻对油气层的伤害。

钻井液的选择应注意钻井液材料、钻井液的密度、固相含量、与地层岩性的配伍性、与储层流体的配伍性等因素。

油气层的特性不同，对钻井液体系的要求也不一样，钻井液体系应与储层相适应才能起到保护油气层的作用。

（1）速度敏感性储集层。

应选用高温高压滤失量低的钻井液，使进入储层的滤液量少，流速低，不超过临界流速。

（2）水敏感性储集层。

首选不滤失水的油基钻井液或气体钻井液，其次可采用具有较强抑制性的钾基钻井液及加有黏土稳定剂的钻井液。

（3）酸敏感性储集层。

钻井液中不应加入酸溶性的处理剂或加重剂，而要使用加有油溶性封堵材料的水基钻井液或油基钻井液。

（4）化学敏感性储集层。

选用与地层水相匹配的钻井液体系，当地层水含有大量Mg2+，就不能选用碱石灰处理的钻井液。

当地层水中含有CO 2 -3 ，就不能选用钙处理钻井液。

（5）物理敏感性储集层。

物理敏感性储集层指的是那些容易引起储集层润湿反转、水锁及乳化等物理变化的储层。

可选择具有防水锁、防润湿反转的钻井液体系。

二、根据非目的层特性选择钻井液体系不同的地层对钻井液的要求也不同，应针对其特点采用相应的措施。

选择钻井液时应根据下述要求来确定合适的钻井液体系，确保钻井作业的安全进行。

1．高压水层（1）掌握高压水层的地层压力系数，确定合适的钻井液密度，防止地层水侵入污染钻井液。

（2）根据水质，采用可抗相应盐污染的钻井液类型。

（3）加强钻井液的封堵性和提高薄弱地层的承压能力。

2．盐膏地层（1）若属薄层或夹层盐膏，可以选用抗盐膏的钻井液处理剂来维护所需钻井液性能。

（2）若属厚或较纯的盐层，选用饱和盐水钻井液，并根据井温选择加入适量的盐结晶抑制剂。

（3）若属厚杂盐层，应分析盐的种类及含量，采用与地层盐类相同的饱和盐水钻井液，二者活度应基本相同。

钻井液完井液技术手册钻井液和完井液是石油钻探过程中非常关键的两种液体。

它们在钻井过程中起到了很大的作用，既有助于钻井的顺利进行，又能保护钻井井壁和油层。

钻井液和完井液技术手册提供了有关这两种液体的详细信息和使用指导，以帮助从业人员正确使用和管理这些液体。

1. 钻井液技术手册1.1 钻井液的基本概念钻井液是钻井作业中的一种特殊液体，由水、泥土、聚合物、添加剂等组成。

它主要用于冷却钻头、清洗井壁、抬升钻屑和稳定井壁等。

钻井液能够有效地保护井壁，防止井壁塌陷，从而维持钻井的稳定。

1.2 钻井液的分类根据其组成成分和性能特点，钻井液可以分为水基钻井液、油基钻井液和气体钻井液等。

不同的钻井液适用于不同的钻井条件和地质环境。

1.3 钻井液的性能要求钻井液必须具备一定的性能指标，例如流变性能、持液能力、排滤性能和环境友好性。

这些性能要求对于钻井的顺利进行至关重要。

1.4 钻井液的添加剂钻井液中添加剂的选用和使用量对钻井液性能起着重要的影响。

添加剂可以改善钻井液的性能，提高钻井效率并降低成本。

在选用添加剂时，必须考虑其环境影响和健康安全。

1.5 钻井液的处理和回收钻井液在使用过程中会受到各种污染物的影响，因此需要进行处理和回收。

合理的处理和回收技术可以减少环境污染，降低成本，并延长钻井液的使用寿命。

2. 完井液技术手册2.1 完井液的基本概念完井液是在井筒完井后注入井筒的一种特殊液体。

它主要用于封堵油层裂缝、增加油层产能、保护完井设备和提高油井的采油效率。

完井液对提高油井开发效益起着至关重要的作用。

2.2 完井液的分类根据其使用时机和注入方式，完井液可以分为封堵液、压裂液和防砂液等。

不同的完井液适用于不同的油层条件和开采方式。

2.3 完井液的性能要求完井液必须具备一定的性能指标，例如封堵能力、压裂能力、破胶能力和温度稳定性等。

这些性能要求对于完井的顺利进行至关重要。

2.4 完井液的添加剂完井液中添加剂的选用和使用量对完井液性能起着重要的影响。

钻井液钻井液是用于钻井的一种循环流体，在钻井过程中有着特别重要的作用。

人类最早进行旋转钻井时用的循环流体是清水，钻进时因地层中的泥质成分不断分散在水中而变成混浊的泥水，当时，把它称之为“泥浆”。

以后，随着钻井的实践和进展，钻井时用的泥浆还可用油和气体，从而形成了不同类型的钻井液流体，故而称其为钻井液。

钻井液是钻井施工中非常重要的组成部分，钻井液性能的优劣对钻井速度、钻井平安和油井投产后产量的凹凸有着至关重要的作用。

钻井过程中若失去钻井液的循环，钻井工作则无法进行，故人们常用“泥浆是钻井的血液”来形象地比方钻井液在钻井中的重要地位。

钻井液主要有六项功能。

携带和悬浮井筒中的岩屑。

钻井液是一种胶状的流体，在钻进循环钻井液时能将钻头破裂的岩屑带出地面，在钻井泵不能工作或起下钻的过程中，钻井液还可将岩屑悬浮在井筒内并使之不致下沉到井底。

平衡井下地层压力。

地层中油、气、水层的压力是不同的，因此要求使用有肯定密度的钻井液，平衡地层流体的压力以防止发生井喷。

冷却、润滑钻头和钻具。

钻头和钻具在井下工作时与地层摩擦发热，钻井液在不断循环的过程中可汲取并带走热量，钻井液从井内返出流到地面后，可自行放出汲取在钻井液中的热量，同时，钻井液还对钻头和钻具有润滑的作用。

爱护井壁。

由于井下地层岩石中有孔隙、裂缝，在压力下钻井液中的自由水会向地层内渗透，钻井液中固相颗粒粘附在井壁上形成薄而坚韧的滤饼，可爱护井壁不垮不塌。

爱护油气层。

钻井过程中使用优质的钻井液可削减钻井液液柱压力与井下产层的压差，在井筒的井壁上形成优质的滤饼，防止钻井液中的水和微细颗粒进入地层，这些方法和措施都可有效的爱护油气层。

提高钻井速度。

在喷射钻井过程中，钻井液的高压射流可帮助破岩，并清除井底钻头破裂地层处的垫层，大大加快钻头的钻进速度。

随着油气勘探开发工作的不断深化和进展，钻井的深度越来越大、地层也越来越简单，钻井井型也越来越多种多样，因此，对钻井液就提出了新的更高的要求，所以，钻井液技术的进展也越来越受到关注。

钻井液的配置标准
钻井液是钻井过程中使用的重要液体，其配置标准应该符合以下要求：
1. 密度：钻井液的密度应该能够克服井口压力，同时又不能对地层造成损害。

一般来说，密度控制在8到16磅/加仑之间。

2. 粘度：钻井液的粘度应该足够大，以便在钻井过程中有效地传递钻头的动力，但又不能过于粘稠以至于影响钻井速度。

3. pH值：钻井液的pH值应该控制在7到9之间，以避免对地层造成腐蚀。

4. 清洁度：钻井液应该保持清洁，以避免在钻井过程中出现回流问题。

5. 抗污染能力：钻井液应该具有一定的抗污染能力，以避免来自地层的污染物对钻井液造成损害。

6. 稳定性：钻井液应该具有一定的稳定性，以避免在钻井过程中出现波动。

综上所述，钻井液的配置标准应该根据不同的钻井条件和要求进行调整，以保证钻井过程的安全和高效。

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1.5 钻井液的高温高压滤失量1.5.2 操作步骤（1）试验温度低于150o C时的操作步骤:a. 将温度计插入加热套，预热直至比所需试验温度高10o F(6o C)为止，保持恒温。

b. 将用高速搅拌器搅拌10分钟之后的钻井液样品注入过滤杯中，液面距顶部13mm，装上滤纸。

c. 安装好过滤杯并关紧上下阀杆，放入加热套内，插上温度计。

d. 将滤液接受器连接到过滤杯底部阀杆上并锁好。

将可调节压力的调压器连接压力源并安装到上部阀杆上，同样锁好。

e. 在上下阀杆关紧的情况下分别调节上下压力调节器至100psi(690kPa)。

打开上部阀杆，将100psi压力施加到过滤杯内。

维持此压力直至达到试验所需温度，保持此温度恒定。

过滤杯内的钻井液从预热达到试验温度的过程不应超过1小时。

f. 当温度达到后，将顶部压力增加到600psi(4140kPa)，并同时打开底部阀杆开始收集滤液，记时开始，在保持试验温度在±5o F(±3o C)的范围内，收集滤液30分钟。

如果在测定过程中，接受器的回压超过100psi，可以小心地从滤液接受器中排出一部分滤液，使压力降至100psi。

g. 记录滤液体积、试验温度、压力和时间。

h. 试验完后，关紧过滤杯的上下阀杆，压力调节器释放掉压力。

(过滤杯内仍有500psi的高压！)i. 在确保上下阀杆关闭的情况下(并且压力调节器已释放压力)拆除滤液接收器和压力调节器，设法使过滤杯冷却至室温，保持过滤杯垂直向上，小心打开上阀杆，释放出杯内的压力(不要对着身体！)，然后打开杯盖，倒掉钻井液，取出滤饼，用缓慢水流冲去滤饼表面疏松的物质，用钢板尺测量滤饼厚度，精确到1/32in或1mm。

最后清洗过滤杯各个部件。

计算和记录：a. 钻井液: HTHP FL(cm3) = 2×(滤液体积cm3/30min)b. 钻井液滤饼厚度(mm) ＝钢板尺测量值依据API RP13 B-2 油基钻井液现场测试程序推荐作法，采用化学滴定法确定油基钻井液的钙离子含量。

钻井液的配置标准
钻井液是一种在钻井作业中必不可少的液体，它在钻井过程中起着冷却、润滑、承压、控制井壁稳定等多种作用。

为了使钻井液能够发挥最佳效果，在其配置过程中需要遵循以下标准：
1. 密度标准：钻井液的密度需要与井壁的压力相匹配，以达到
承压的效果。

密度的标准值应该根据钻井地层的压力和井深来确定。

2. 粘度标准：钻井液需要具备一定的粘度，以确保沿井壁形成
一层稳定的薄膜，避免井壁塌陷。

粘度标准应根据钻井地层的类型来决定。

3. pH值标准：钻井液的pH值需要保持在一定范围内，以避免
对岩石和井管的腐蚀。

pH值标准通常在7-10之间。

4. 水硬度标准：水硬度会影响钻井液的稳定性和效果，一般来说，水硬度应控制在150 mg/L以内。

5. 过滤性能标准：钻井液的过滤性能需要达到一定标准，以避
免井底出现泥饼或者钻头被堵塞。

通常来说，过滤性能应该达到10-20μm。

以上就是钻井液的配置标准，只有在严格遵循这些标准的基础上，才能够制备出优质的钻井液，确保钻井作业的成功进行。

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1、什么是DLVO理论？其要点是什么？p50-51答：该理论是由四位科学家提出的关于静电稳定理论，是目前对胶体稳定性，以及电解质对胶体稳定性的影响解释比较完善的理论。

根据这一理论，溶胶粒子之间存在两种相反的作用力：吸力与斥力。

如果胶体颗粒在布朗运动中相互碰撞，吸力大于斥力，溶胶就聚积；反之，当斥力大于吸力时，粒子碰撞后又分开了，保持其分散状态。

2、常见粘土矿物有哪些？他们的晶体构造各有什么特点？p27-35答：粘土中常见的粘土矿物有三种：高岭石、蒙脱石、伊利石。

（1）高岭石单元晶层构造特征是1：1型（硅氧四面体：铝氧八面体），单元晶层一面为OH层，另一面为O层，而OH键具有强的极性，晶层与晶层之间容易形成氢键。

因而晶层之间连接紧密，故高岭石的分散度低且性能比较稳定，为非膨胀型粘土矿物，几乎无晶格取代现象。

（2）蒙脱石单元晶层构造特征是2：1型，它由于晶格取代作用而带电荷，晶层上下面皆为氧原子，各晶层之间以分子间力连接，连接力弱，水分子易进入晶层之间，引起晶格膨胀，为膨胀型粘土矿物。

由于晶格取代作用，蒙脱石带有较多的负电荷，于是吸附等电量的阳离子。

（3）伊利石单元晶层构造特征是2：1型，晶格取代作用多发生在四面体中，铝原子取代四面体的硅，它的晶格不易膨胀，水不易进入晶层之间，由于它的负电荷主要产生在四面体晶片，离晶层表面近，K+与晶层的负电荷之间的静电引力比氢键强，水也不易进入晶层间，另外K+的大小刚好嵌入相邻的晶层间的氧原子网格形成的空穴中，起到连接作用，通常非常牢固。

3、什么叫粘土的阳离子交换容量？其大小与水化性能有何关系？与钻井液性能、井壁稳定又有何关系？答：粘土的阳离子交换容量是指在分散介质的PH值为7的条件下，粘土所能交换下来的阳离子总量，包括交换性盐基和交换性氢。

粘土矿物的阳离子交换容量越大，这种粘土矿物的水化作用就越强。

例如蒙脱石阳离子交换容量最大，水化能力最强，属于膨胀性粘土矿物，适合作为配浆材料，当钻遇含蒙脱石含量高的地层时水化的地层土易造成钻井液粘切升高，固相含量上升；而高岭石阳离子交换容量比较小为非膨胀型粘土矿物，水化能力差，造浆能力差，在钻井过程中易剥落掉快，注意井壁稳定；伊利石阳离子交换容量介于前面两者之间，其水化程度不如蒙脱石，在含有伊利石的地层钻进时也易剥落掉快需采用抑制粘土分散的钻井液体系。