钻井液与固控系统(西南石油大学 罗平亚院士)
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钻井液与完井液
9
一般分类
淡水 : NaCL 1%; Ca 2 120 mg / L 饱和 ) : NaCL 1%(W / V ) 盐水( 海水 石膏 / 石灰 钙处理( ) : Ca 2 120 mg / L 水基 CaCL2 低固相( PAM ) : S ( V固 ) 4% FA367 V浆 混油(Oil / Water ) : Oil 10 %
34
习题：1、9、10
35
第二章、 粘土胶体化学基础
本章要求重点掌握内容：
1. 几种粘土矿物的晶体构造及其特点。
2. 粘土水化机理。 3. 扩散双电层理论和电解质对电动电势的影响。 4. 胶体体系的基本概念。 5. 聚结稳定性和沉降稳定性概念及其影响因素。
36
学习本章的意义
• 粘土是配浆的基础材料 • 泥浆是粘土 水的溶胶 悬浮体
– 钻井液中活性粘土的数量。 – 水基钻井液都有一个合适的膨润土含量， MBT过高，钻井液的粘度、切力增大，泥饼 增厚，容易造成井下事故。 MBT过小，钻井液的粘度、切力急剧下降， 失水增大。
21
钻井液不应具有的性能
• • • • • • • • 伤害钻井人员，损害或污染环境 对所设计的地层评估有不利的性能 对产层产生伤害 对钻井设备和管材造成较大腐蚀 Detrimental to the operators and environment. Detrimental to the formation evaluation . Cause any formation damage. Cause any corrosion of the drilling equipment and subsurface tubulars.
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一般分类
淡水 : NaCL 1%; Ca 2 120 mg / L 饱和 ) : NaCL 1%(W / V ) 盐水( 海水 石膏 / 石灰 钙处理( ) : Ca 2 120 mg / L 水基 CaCL2 低固相( PAM ) : S ( V固 ) 4% FA367 V浆 混油(Oil / Water ) : Oil 10 %
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习题：1、9、10
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第二章、 粘土胶体化学基础
本章要求重点掌握内容：
1. 几种粘土矿物的晶体构造及其特点。
2. 粘土水化机理。 3. 扩散双电层理论和电解质对电动电势的影响。 4. 胶体体系的基本概念。 5. 聚结稳定性和沉降稳定性概念及其影响因素。
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学习本章的意义
• 粘土是配浆的基础材料 • 泥浆是粘土 水的溶胶 悬浮体
– 钻井液中活性粘土的数量。 – 水基钻井液都有一个合适的膨润土含量， MBT过高，钻井液的粘度、切力增大，泥饼 增厚，容易造成井下事故。 MBT过小，钻井液的粘度、切力急剧下降， 失水增大。
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钻井液不应具有的性能
• • • • • • • • 伤害钻井人员，损害或污染环境 对所设计的地层评估有不利的性能 对产层产生伤害 对钻井设备和管材造成较大腐蚀 Detrimental to the operators and environment. Detrimental to the formation evaluation . Cause any formation damage. Cause any corrosion of the drilling equipment and subsurface tubulars.
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油气开发先锋 ——记石油工程专家、中国工程院院士罗平亚
20世纪50年代中期，国家在四川的找油工作正紧锣密鼓地进行，时任中共中央总书记的邓小平，亲自主持四川油气田的勘探开发。
毛主席对四川的油气勘探也十分重视，曾亲自到四川隆昌气矿视察。
1958年3月，南充东观、广安武圣、遂宁大英的三口探井喷出高产油流，举国震动。
彼时，石油工业部部长余秋里坐镇南充，打响了川中石油会战。
为了加快开发四川石油天然气资源，并为西南协作区培养技术干部，国家决定成立新的石油院校。
1958年，四川石油学院在南充成立了，这是新中国创建的第二所石油高等院校。
同年，18岁的罗平亚被这所刚刚建立的大学录取，成为学校首届招收的600余名新生中的一员。
初成立的四川石油学院一穷二白，学校在南充燕儿窝的一片乱石岗，没有校舍，只能借部队的营房学习和生活。
之后学生便和教师们一起加入了建校的劳动。
由于学校当时师资缺乏，为培养老师，学校决定从在校学生中挑选出百余名优秀学生，自行培养，留校从事教学工作。
罗平亚由于在校期间表现优异，被选入教师培训班，由主修钻井工程转而学习化学。
1963年，学校首批毕业生奔赴我国油气开发的各条战线，罗平亚留了下来，在化学教研室任教，成为一名化学老师。
得益于当时认真、求是的学风，在毕业后任辅导员和助教的这段时期，罗平亚打下了扎实的理论基础，积累了丰富的基础知识。
在学校期间，他掌握了一套正确指导学习和科研的理论方法，特别是20世纪60年代学习毛主席的“矛盾论”“实践论”更使他学会了正确认识问题、分析问题的辩证唯物主义等理论方法。
扎实的基础和正确、科学的思维方法，为罗平亚日后从事的科研工作打下了良好的基础。
请 命1972年，我国第一口超深井“女基井”准备在四川开钻。
利用现代钻井机具钻6000米的超深井，这在当时被列为我国第一口超深井，面临的首要技术难题是泥浆问题。
为罗平亚的一生与石油有着不解之缘。
50多年来，罗平亚院士永不停息，油气不仅成为他生命的一部分，也成为他不凡人生的写照。
综合整理/燕 回油气开发先锋——记石油工程专家、中国工程院院士罗平亚石油学家PETROLEUM EXPERTS结 缘了攻克这一难题，1973年冬，承担超深井钻井任务的四川石油管理局成立了“三结合”泥浆技术攻关组，要求西南石油学院（1970年四川石油学院更名为西南石油学院）派一名教师到钻井现场协同攻关。
页岩气有效开发的钻井液技术探讨(罗平亚)
2012年3月5日，温家宝总理在十一届人 大五次会议政府工作报告中指出：我国 要“加快页岩气勘探开发攻关”
一、立项依据
2012年3月13日，国家发改委、财政部、国土资源部和国家能 源局发布了《页岩气发展规划(2011-2015年)》。 到2015年，国内页岩气产量将达65亿方 探明页岩气地质储量6000亿方 可采储量2000亿方
2012年4月11日，国务院召开常务会议，决定加大页岩气科技
攻关。页岩气勘探开发列为国家重大专项的重要内容，并正拟 列为新的一个(第十七或第十八) 国家重大专项。
页岩气的有效开发己成为是国家的重大需求，
页岩含气是人们早已知道的事情,但由于页岩气藏含气量
远远低于常规天然气藏,而且自身渗透性极低及页岩中天然气
只能是经验的合理应用！
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而页岩地层钻长水平井难题的本质是: 1、水平段井眼的井壁地层坍塌压力大于同层直井井眼的井壁地层坍 塌压力(一般正常情况下水平井大于0,而直井可能=0)。 2、泥浆的抑制性不能有效抑制页岩水化澎涨作用, 造成井壁不稳定,而 长井段水平井钻井造成的地层长期浸泡而大大激化了这种作用。而不能 准确评价这种作用的大小及影响程度。 3、泥浆对页岩地层大量裂缝的侵入必大大幅加地层的P塌,从而导至 严重的井壁不稳定,而泥浆密度越大影响越大,而地层长期浸泡而大大加剧 了这种作用。而不能准确评价这种作用的大小及影响程度。 (其中1是力学因素;2、3是(泥浆)化学因素。然而决定井壁稳定问题是 岩石力学与化学耦合的结果)
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决定P塌的因素:
P塌与地应力方向和大小、岩石的力学性质、岩 体强度、强度（破坏）准则有关；
与岩石物性（渗透率、裂缝发育程度与状态、 界面润湿性……）、地层流体组成性质有关； 与地层流体压力(泥浆柱作用下)、岩石组成、 产状及水化状态有关； 与井眼状态（斜度、方位…）等因素有关；
泥岩地层井壁稳定性研究
UΗ 1- 2Λ 5E 1- 2Λ 5 1 + + 2 ( 1- Λ) rE 5r 2 ( 1- Λ) r 5r 2 ( 1- Λ) r
52U Η + 5r2 × 5 2U r + 5r5Η
( 1- 2Λ) 5E 5 Ur 3- 4Λ + = 0 2 ( 1- Λ) rE 5r 2 ( 1- Λ) r2 5Η
5 Ur 5r 5Η
r
( 3) ( 4) ( 5)
UΗ Ur 1 5 +
z= Ε
5 Uz 5z
3 刘向君, 1969 年生; 1995 年毕业于西南石油学院石油工程系, 获工学博士学位; 现在西南石油学院完井中心工作。 地址:
( 637001) 四川省南充市。 电话: ( 0817) 2224433 转 2910。
( 1) ( 2)
可见, 在柱坐标系下, 从静力学出发建立的平衡 方程与无水化过程时的平衡方程形式完全相同。 但 这里的径向应力 ( Ρr ) 、 周向应力 ( ΡΗ) 、 剪切应力 ( ΣrΗ) 包括钻开地层由于载荷不平衡引起的应力和水化膨 胀应力两部分。 几何方程为: Ε r=
= Ε Η
r
及 P ierre 页岩岩心, 对泥页岩在不同水活度溶液中 的膨胀动力学过程进行了全面深入的研究, 实验证 明: 材料的膨胀百分比与材料所吸收的水分重量百 分比成正比; 实验也证明, 页岩水化可以用扩散吸附 过程加以描述。Yew C H 等首先利用泥页岩地层的 这一实验结果, 提出了一种计算井眼周围水化应力 分布的模型。 本文将以均匀各向同性的线—弹性力 学井壁稳定性模型为基础和出发点, 引用 Yew C H
( 7) w = f ( ∃w ) = k 1 ・∃w + k 2 ∃w Ε 其中, ∃w ( r , t ) 是指径向剖面上随时间而变化的吸 附水增量。 已知任意时刻地层含水量的分布 w ( r ,
52U Η + 5r2 × 5 2U r + 5r5Η
( 1- 2Λ) 5E 5 Ur 3- 4Λ + = 0 2 ( 1- Λ) rE 5r 2 ( 1- Λ) r2 5Η
5 Ur 5r 5Η
r
( 3) ( 4) ( 5)
UΗ Ur 1 5 +
z= Ε
5 Uz 5z
3 刘向君, 1969 年生; 1995 年毕业于西南石油学院石油工程系, 获工学博士学位; 现在西南石油学院完井中心工作。 地址:
( 637001) 四川省南充市。 电话: ( 0817) 2224433 转 2910。
( 1) ( 2)
可见, 在柱坐标系下, 从静力学出发建立的平衡 方程与无水化过程时的平衡方程形式完全相同。 但 这里的径向应力 ( Ρr ) 、 周向应力 ( ΡΗ) 、 剪切应力 ( ΣrΗ) 包括钻开地层由于载荷不平衡引起的应力和水化膨 胀应力两部分。 几何方程为: Ε r=
= Ε Η
r
及 P ierre 页岩岩心, 对泥页岩在不同水活度溶液中 的膨胀动力学过程进行了全面深入的研究, 实验证 明: 材料的膨胀百分比与材料所吸收的水分重量百 分比成正比; 实验也证明, 页岩水化可以用扩散吸附 过程加以描述。Yew C H 等首先利用泥页岩地层的 这一实验结果, 提出了一种计算井眼周围水化应力 分布的模型。 本文将以均匀各向同性的线—弹性力 学井壁稳定性模型为基础和出发点, 引用 Yew C H
( 7) w = f ( ∃w ) = k 1 ・∃w + k 2 ∃w Ε 其中, ∃w ( r , t ) 是指径向剖面上随时间而变化的吸 附水增量。 已知任意时刻地层含水量的分布 w ( r ,
油田化学第1章 绪论
绪 论
9、参考书及期刊 、
（一）教材 一 《油气田应用化学》，陈大钧等编，2006 （二）教材参考书 1.《油田化学》，佟曼丽主编，1999 2. 《油田化学基础》，惠晓霞，1998 3. 《采油作业》，T.O.阿仑等 4. 《采油化学》; 《油田化学》, 2007. 赵福麟 5.《强化采油原理》，韩显卿著 6. 《EOR聚合物驱提高采收率技术》, 刘玉章 等编
绪 论
绪论
5. 油田气应用化学研究的一般过程
油田问题的提出→化学原因、化学原理的分析 油田问题的提出 化学原因、化学原理的分析→ 化学原因 一般化学剂的筛选→特殊化学剂的合成 化学剂的评 一般化学剂的筛选 特殊化学剂的合成→化学剂的评 特殊化学剂的合成 化学方法和手段的选择→油田化学剂或化学方法 价→化学方法和手段的选择 油田化学剂或化学方法 化学方法和手段的选择 和手段的使用→效果评价 作用机理的研究 和手段的使用 效果评价→作用机理的研究 油田化 效果评价 作用机理的研究→油田化 学理论的提出→油田化学剂或化学方法和手段的改进 学理论的提出 油田化学剂或化学方法和手段的改进 →油田问题的提出 油田问题的提出
绪
（三）期刊
论
1.《油田化学》，四川大学高分子研究所主办； 2.《石油学报》，《石油学报（石油加工）》； 中国石油学会主办 3. 国外的SPE、SCI、EI收录的期刊: 《Journal Petroleum Science and Engineering 》 《 Journal Applied Polymer Science 》 《 Journal of Solution Chemistry 》
绪 论
6.5 油田气应用化学对石油勘探开发作出了巨 大贡献
罗平亚院士的三磺泥浆体系， 例1. 罗平亚院士的三磺泥浆体系，在70年代打出了中 年代打出了中 国第一口7000ｍ以上的油井 ｍ 国第一口 罗平亚院士的两性离子聚合物泥浆体系， 例2. 罗平亚院士的两性离子聚合物泥浆体系，在80～ ～ 90年代大大提高了石油钻井速度。提高5~10倍。 年代大大提高了石油钻井速度。提高 年代大大提高了石油钻井速度 倍 例3. 罗平亚院士的疏水缔合聚合物驱油体系，可以提 罗平亚院士的疏水缔合聚合物驱油体系， 高采收率1～ 个百分点 相当于再造了1～ 个大 个百分点， 高采收率 ～2个百分点，相当于再造了 ～2个大 油田。 油田。
关于提高地层承压能力的几点看法-罗院士
2
显然这是属于窄、负安全密度窗口才有的问题。 提高地层承压能力是扩大安全密度窗口最重要的 内容。是解决负安全密度窗口问题的重要手段。 它是当前钻井(特别是深井钻井)常迂到的头疼 问题。使钻迂高压气层(特别是高压、高产、高含 H2S气层)时的风险大大增加。现在承压堵漏是大 家提高地层承压能力常用的办法的,有一定的效果, 但成功把握不大。成为当前制约我国钻井发展的 一个重大技术难题。
19
㈢裂缝即时有效封堵技术
1．裂缝封堵机理：经研究证实：
对任一致漏裂缝它可由一逐级分布的颗粒系列完成 。： ⑴单粒架桥→变缝为孔→逐级填充→最后填“死” ⑵架桥（桥塞）粒子 形状— 粒状最好； 尺寸－ 与裂缝尺寸匹配； 浓度— 粒子个数/M3,可由实验确定； 密度— 决定粒子浓度 抗压强度— 决定堵塞段承压强度（刚性为宜，果壳粒子的承压 能力不如大理石等颗粒）
15
④.综合分析：
A.其中①是防止和减少诱导裂缝产生和扩大， ② 是对各类致漏裂缝封堵完成后的更高要求（封堵段抗压 强度大于ΔP,渗透率尽量小，最好为0）。 B.然而要作到①、难度很大，现在技术还不过关， 还须进一步攻关研究。而要作到② 相对容易。
C.分析发现： 若①、作不到则诱导裂缝必然产生和扩大，最后发 展到致漏程度。即必然转化为②。若②能解决则整个问 题就都能解决。而且问题演变为⑶的解决。
粒子1%;0.5mm缝架桥粒子0.5%……。
22
④.大颗粒、高浓度的桥塞颗粒对 裂缝有效封堵的干扰： 这是目前这类地层钻进前提高地层承压能力和
钻进中承压堵漏和完钻后固井前提高地层承压能
力困难的一个重要原因，其具体现象是： 作业时起钻致套管鞋→挤入堵漏浆(粒度大、 浓度大)到下部漏失井段→挤泥浆蹩压(一般容易 达到10MPa以上)→静置候堵(一般能蹩住压力)→ 卸压→下钻→循环排出堵漏浆→再起钻作承压试 验。一般一次难成，多次反复可以使其承压能力
显然这是属于窄、负安全密度窗口才有的问题。 提高地层承压能力是扩大安全密度窗口最重要的 内容。是解决负安全密度窗口问题的重要手段。 它是当前钻井(特别是深井钻井)常迂到的头疼 问题。使钻迂高压气层(特别是高压、高产、高含 H2S气层)时的风险大大增加。现在承压堵漏是大 家提高地层承压能力常用的办法的,有一定的效果, 但成功把握不大。成为当前制约我国钻井发展的 一个重大技术难题。
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㈢裂缝即时有效封堵技术
1．裂缝封堵机理：经研究证实：
对任一致漏裂缝它可由一逐级分布的颗粒系列完成 。： ⑴单粒架桥→变缝为孔→逐级填充→最后填“死” ⑵架桥（桥塞）粒子 形状— 粒状最好； 尺寸－ 与裂缝尺寸匹配； 浓度— 粒子个数/M3,可由实验确定； 密度— 决定粒子浓度 抗压强度— 决定堵塞段承压强度（刚性为宜，果壳粒子的承压 能力不如大理石等颗粒）
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④.综合分析：
A.其中①是防止和减少诱导裂缝产生和扩大， ② 是对各类致漏裂缝封堵完成后的更高要求（封堵段抗压 强度大于ΔP,渗透率尽量小，最好为0）。 B.然而要作到①、难度很大，现在技术还不过关， 还须进一步攻关研究。而要作到② 相对容易。
C.分析发现： 若①、作不到则诱导裂缝必然产生和扩大，最后发 展到致漏程度。即必然转化为②。若②能解决则整个问 题就都能解决。而且问题演变为⑶的解决。
粒子1%;0.5mm缝架桥粒子0.5%……。
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④.大颗粒、高浓度的桥塞颗粒对 裂缝有效封堵的干扰： 这是目前这类地层钻进前提高地层承压能力和
钻进中承压堵漏和完钻后固井前提高地层承压能
力困难的一个重要原因，其具体现象是： 作业时起钻致套管鞋→挤入堵漏浆(粒度大、 浓度大)到下部漏失井段→挤泥浆蹩压(一般容易 达到10MPa以上)→静置候堵(一般能蹩住压力)→ 卸压→下钻→循环排出堵漏浆→再起钻作承压试 验。一般一次难成，多次反复可以使其承压能力
罗平亚--新型清洁压裂液原理及应用-资料
SGA一130是这类新产品的一种。
2020/2/11
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(二),新型压裂液性能评价
2020/2/11
33
1,高效增粘能力:试验结果如图3.2所示:
溶液表观粘度随浓度增大而大幅度增大，0.5 时就 可进到100多mps。
这类清洁压裂液采用特种表面活性剂作“稠化剂”，
在此表面活性剂溶液中当浓度较高时形成类似于交联聚
合物一样的网络结构，使溶液具有必要的粘度和粘弹性
。将这些特种表面活性剂称为粘弹性表面活性剂，简称
“VES”（Viscoelastic surfactant）。
2020/2/11
5
由Schlumberger 公司开发的清洁压裂液，其商品名 ClearFrac。就是典型的VES，其分子在水中一定条件下 形成棒状结构的胶束，长棒状胶束之间高度“缠结” ， 形成类似于交联的聚合物网状结构，具有粘弹效应和高 的有效粘度，使液体具备优良的悬砂和携带性能。
2020/2/11
30
4,新型清洁压裂液的新原理(理论 依据):
(1)利用结构流体流变学的相关理论及 其流体悬浮与携带原理解决无需交联的 压裂液就能具有足够的携砂能力和其它 优良性能的理论问题;
(2)利用超分子化学理论设计、研制出 能形成具有以上功能的结构流体（溶液 ）的化学剂(增稠剂)及其溶液体系（压裂 液）。
……
2020/2/11
9
国内研究现状：
国内长庆油田、大庆油田,克拉玛依油田和四川气田…先后 引进Schlumberger 公司开发的清洁压裂液技术，进行了数十 井次的现场应用，均取得了工艺上的成功和很好的增油效果
在国内自行研制与研究也在很多油田普遍开展并取得一定的 进展:如 万庄分院研制出了VES-70型粘弹性清洁压裂液体系。
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(二),新型压裂液性能评价
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1,高效增粘能力:试验结果如图3.2所示:
溶液表观粘度随浓度增大而大幅度增大，0.5 时就 可进到100多mps。
这类清洁压裂液采用特种表面活性剂作“稠化剂”，
在此表面活性剂溶液中当浓度较高时形成类似于交联聚
合物一样的网络结构，使溶液具有必要的粘度和粘弹性
。将这些特种表面活性剂称为粘弹性表面活性剂，简称
“VES”（Viscoelastic surfactant）。
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由Schlumberger 公司开发的清洁压裂液，其商品名 ClearFrac。就是典型的VES，其分子在水中一定条件下 形成棒状结构的胶束，长棒状胶束之间高度“缠结” ， 形成类似于交联的聚合物网状结构，具有粘弹效应和高 的有效粘度，使液体具备优良的悬砂和携带性能。
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4,新型清洁压裂液的新原理(理论 依据):
(1)利用结构流体流变学的相关理论及 其流体悬浮与携带原理解决无需交联的 压裂液就能具有足够的携砂能力和其它 优良性能的理论问题;
(2)利用超分子化学理论设计、研制出 能形成具有以上功能的结构流体（溶液 ）的化学剂(增稠剂)及其溶液体系（压裂 液）。
……
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国内研究现状：
国内长庆油田、大庆油田,克拉玛依油田和四川气田…先后 引进Schlumberger 公司开发的清洁压裂液技术，进行了数十 井次的现场应用，均取得了工艺上的成功和很好的增油效果
在国内自行研制与研究也在很多油田普遍开展并取得一定的 进展:如 万庄分院研制出了VES-70型粘弹性清洁压裂液体系。
福山油田保护油气层钻井完井液技术研究
福山油田保护油气层钻井完井液技术研究王建标【摘要】Fushan oilfield is a typical condensate reservoir.The reservoir porosity is 10%~20%.The average reservoir permeability is 35 ×10 -3μm2 .It belongs to medium porosity and low permeability reservoir, and part being with low poros-ity and extra-low permeability.It is water sensitive and easy to collapse.By the test, XZD-Ⅱtemporary plugging agent was selected as shielding temporary plugging drilling and completion fluid to protect oil-gas formation with good effects.% 福山油田为典型凝析油气藏,储层孔隙度10%~20%,平均渗透率35×10-3μm 2,属于中孔低渗储层,部分为低孔特低渗储层,且水敏、易塌。
通过试验选用了以XZD-Ⅱ为暂堵剂的屏蔽暂堵钻井完井液实施油气层保护,取得了较好的保护效果。
【期刊名称】《探矿工程-岩土钻掘工程》【年(卷),期】2013(000)004【总页数】3页(P24-26)【关键词】凝析油气藏;钻井完井液;敏感性;储层保护;屏蔽暂堵;福山油田【作者】王建标【作者单位】中国石化华北分公司，河南郑州450042【正文语种】中文【中图分类】TE2540 引言目前福山油田仍没有成型的适用钻井完井液体系，本文通过储层敏感性评价，及潜在损害因素分析，优选福山油田适用钻井完井液体系，并通过室内实验评价其效果，主要评价内容包括:(1)储层特征、敏感性评价及潜在损害因素;(2)现场应用及效果;(3)工艺及措施。
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3.保证钻井技术的进步和促进钻井技术的发展 传递动力、能量，参与破岩：高压喷散钻井水力破岩，
井下动力钻具;信号传输（MWD,LWD），解决大位井、分支井、 特殊井的摩阻问题
5
㈡.钻井液(泥浆)性能 1.钻井液密度
所钻井眼内压力控制：即泥浆柱压力P泥（由泥浆静密度+循环当量密 度决定）、地层流体压力P地，井壁地层坍塌压力P塌，地层破裂压力P破 （有时表现为为承压能力或漏失压力），之间保持一个合理的关系，是 保证优质、快速、安全（减少井下复杂与事故）钻井的基础和关键。
量由0.3%增加到0.6%，活塞使用寿命即由400小时降到70小 时。
26
5.堵塞油(气)层通道 打开油气层时,在压力差作用下，钻井液中小于油(气)层孔隙的固相颗
粒随滤液进入油(气)层，直到被孔径更小的孔隙堵住为止。这样必然使油 (气)层的渗透率下降。当进行采油(气)时，仅借助于原油(气)进入井口的 反向流动力是很难解除这种堵塞状态的，从而造成油(气)层的永久性损害。
⑵起下钻时挂卡情况加剧，特别有假泥饼时情况更坏， 其结果导致动力消耗增大、钻柱寿命缩短、钻具事故增多。
21
⑶容易引起压差卡钻。 若在渗透性地层这种泥饼会更厚,一但钻具不居中,则陷入泥饼中,泥
饼越厚陷入面积越大,此时钻柱就会受井内钻井液液柱压力与地层压力之 间的压差作用而被紧紧地压在井壁上,而无法拔出(压差卡钻)。这在深井、 高温、重泥浆情况下至今仍是未很好解决的重大技术难题。打斜井或定 向井时问题更为突出。
16
二、泥浆中固相对泥浆性能与功能的影响 (为什么要固控,以水基泥浆为例)
㈠.钻井液中必须含有的固相 (必须保留在泥浆中有用固相) 钻井液中固相以颗粒存在,颗粒的大小不等，大小固相颗
粒的含量也不等。固相颗粒的大小称为粒度(即粗细程度)。 各种大小固相颗粒占固相总量的百分数比称为级配(级数分 配)。
28
三、固相控制系统 ㈠、 固液分离基本原理
沉降原理 动态过滤原理 旋流分离原理 ㈡、钻井液固相控制方法 稀释法 替换法 自然沉淀法 化学沉淀法 机械清除方法
29
㈢钻井液振动筛 为钻井液处理的第一级固控设备，首先将从井底返出钻井液中的较
研究表明：有害固相对中低渗率油(气)层的损害尤为明显，小于油(气) 层孔隙的固相颗粒含量越高,分散度越高对油(气)层的损害越大，侵入油 层深度越大，渗透率降低越多,越难恢复，对油(气)层的损害越严重。
27
因此: 钻井液固相控制是保证钻井打得成、打得快、打得好、打 得省必须进行的工作,也是钻井新技术发展必要的保证。 钻井液固相控制必须要保护有用固相,而清除有害固相(重 点是粘土),即有“选择性”. 钻井液固相控制既要保证钻井液固相总量控制;又要使固 相粒度和级配控制在合理范围之内。
10
4、抑制性 这是关系到井壁稳定，油层损害与保护，泥浆自身
性能及其稳定的重要性质； 抑制性是指泥浆本身对粘土水化、膨胀、分散作用
的抑制性。 如何尽可能提高抑制性一直是泥浆技术的重点和难
点，至今并未完全达到所希望的水平。 使用油基泥浆的初衷也是基于这一考虑。
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5.封堵性(封堵能力): 这是关系到井壁稳定，油层损害与保护，提高地层承压能力 的重要性质； 封堵性能是指泥浆(通过其某些组分)借助物理、化学…等作 用对井壁地层的微裂缝,孔隙喉道进行填充、封堵的能力。 如何尽可能提高泥浆封堵能力目前是泥浆技术发展的重点和 难点，至今并未完全达到所希望的水平。
系的建立和功能的实现 3.粗分散泥浆体系：以分散剂+无机聚凝剂，以保证般土的适度分
散（按要求），来实现泥浆体系的建立和功能的实现 4.聚合物不分散泥浆体系：以有机高分子处理剂为主，控制造浆般
土的分散度，利用聚合物的聚凝,包被作用，抑制地层粘土造浆， 以保持低固相来建立的泥浆体系 5.无粘土相泥浆体系：利用特种聚合物代替般土来建立泥浆体系和 实现功能（还未实现）
3
一.钻井液与固相控制 ㈠.钻井液及其功能
满足钻井工程需要，解决钻井中的难题，帮助钻 井新技术实现,在钻井中循环应用的流体。 1.满足钻井工程的基本需要： 建立循环：清洗井底、带出钻屑，悬浮钻屑 对付地层流体（油、气、水） 冷却钻头
4
2.防止和解决钻井过程（包括使用泥浆本身）所产生的困难和 复杂问题:井漏、井壁不稳定(缩径、井塌、井壁掉块……)， 伤害油层,压差卡钻;井筒压力控制……。
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2.泥饼质量变差、增厚，将导致井下复杂情况。 钻井液的功能之一是在井壁周围形成泥饼。若钻井液中
的岩屑增多将导致泥饼变厚，而这种泥饼质地松软(特别是分 散的岩屑在泥饼中容易形成厚而松的假泥饼):
⑴在厚泥饼使井径变小后，必然增加钻柱运动阻力，摩 擦系数增大，致使钻柱扭矩增大；打定向井、水平井、大位 移井时问题更为突出,甚至钻井无法进行。
钻头进尺 (m) 钻头消耗数
250 70
60
200
பைடு நூலகம்
50 150
40
30
100
20 50
10
3
2 1
0
5
10
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钻井液固相含量 (%)
1-钻头进尺；2-钻进时间；3-钻头消耗数
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研究发现: ⑴所有固相颗粒都影响机械钻速 而粘土影响最大,以8—10% (质量比)为一转折; ⑵固相含量相同时,小于1微米的 颗粒比大于1微米的颗粒机械 钻速降低12倍
15
㈤.固相控制技术 钻井的理论和实践表明，必须把在钻井过程中(必然)混入泥浆的各
类地层固相(包括地层钻屑、井壁坍塌物…) 及时、有效的从泥浆中清除 出去，才能维护泥浆性能和保证钻井工程安全、顺利、快速的进行,保证 钻井目标的实现。
固相控制(简称为固控，现场上也习惯称其为泥浆净化)。 固相控制装置 固相控制(装置)系统 固相控制技术技术
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6.润滑性： 泥并润滑性、极压润滑性…，深井、高密度泥浆；水平井、
大位移井、分支井必须要的特性 7、其它：
PH、含砂量…… 随钻井技术的发展而不断变化
13
㈢.钻井液类型 它分为水基、油基、气基几大类，我国现在以水基钻
井液为主。 水基钻井液:是以粘土为分散相在水中稳定的多级分散体
系。属于胶体,悬浮体混合分散体系（0.05μ—1μ）。 基本组成：水+粘土+各种处理剂+专用材料
这是泥浆工艺技术之一，主要困难是受泥浆 流变性及加重剂密度所限制。
7
2.钻井液流变性 为起到携带钻屑，悬浮钻屑，悬浮重晶石，有效传递动压
和水马力，（减少沿程压降）的作用,及减小或消除其副面作 用，钻井液必须要有合符要求的流变性：
⑴适合于泥浆的流变性：常用的（本构方程） 宾汉流型： 幂律流型： 卡森流型： 不同泥浆适用于不同的本构关系，而幂律最常用，宾汉次之。
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1.造浆搬土 目前钻井液必须使用搬土，而且搬土必须高度分散（粒
径＜1-2μm)，成为一种搬土在水中高度分散的多级分散胶 体--悬浮体，此分散体系的稳定性及内部结构状态是体系的 宏观性能的内在依据，必须靠各种化学处理剂（分散度稳 定剂、分散剂、护胶剂）来实现,分散稳定剂的种类及其作 用机理不同，即决定了泥浆不同的类型。 2.泥浆加重材料
油基钻井液：它是以有机土或其它油分散固体为分散相 在油中的稳定的多级分散体系。属于油的胶体—悬浮体混 合分散体系；
基本组成：油（代用品)+有机土（油分散固相）+处理 剂+专用材料（加重……）
气基钻井液：以气体（空气、氮气、天然气）为基础， 雾、（泡沫）
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㈣.水基泥浆发展过程 1.自然泥浆体系 水在钻井中地层自然造浆 2细分散泥浆体系：以分散剂保证配浆般土高度分散来实现泥浆体
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㈢、无用(有害)固相对泥浆性能与功能的不利影响 1.增加泥浆粘度
石灰炭、花岗岩等固相的侵入对泥浆粘度增加的增加影响不大; 而泥页岩中混入粘土，因水化作用产生地层或岩屑造浆，它使泥浆 中粘土含量不断升高，可能造成井浆的粘度大幅度上升,甚致丧失流动 性、无法维持正常钻进,引发事故并大大增加泥浆维护成本。这在深井 (>5000M)、高温(≥180℃)、重泥浆(密度≥2.00)的情况下引起的粘度上 升,至今仍是未解决的重大技术难题。固相(粘土)含量越大,其分散度越 高(颗粒越细)对泥浆粘度增加越大。
钻井过程中不可避免产生的井下复杂情况，在本质上与它紧密相关， 它与井下漏、喷、塌、卡直接相关，与钻速密切相关，与泥浆流变性、 造壁性、抑制性……等主要性能密切相关。因此合理的泥浆密度是现代 钻井技术的首要问题，也是至今国内外都没有完全解决，又急待解决的 重大技术难题。
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钻井液密度：一般1.00—2.50（已过关） 低压欠平衡钻井：0—1.00（基本过关） 超高压（国内）钻井：2.50—3.00（难点）
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⑵泥浆必须的流变性及表征参数
表观粘度：漏斗粘度： 流变参数：塑性粘度、动切应力、流型指数、稠度系数、极限粘度… 静切应力：（悬浮能力） 触变性 剪切稀释性：
……
⑶它必然是非牛顿流体和结构性流体
流变性与温度，压力和泥浆矿化度（含盐）有密切关系，必须专题研究。
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3.钻井液的造壁性 ⑴失水造壁性的概念(失水、泥饼)
重晶石粉(200目) 碳酸钙粉(200目) 铁矿粉(200目)
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㈡、无用(有害)固相 泥浆在使用中必然有大量地层钻屑和井壁坍塌物混入，
且必然被分散磨细，成为粒径大小不等的微粒，其中石灰 炭、花岗岩等可能达到几百微粒(100-200目);
而泥页岩中粘土混入，混入泥浆的大量粘土，也因 水化作用和泥浆中胶体稳定剂的作用而高度的分散，使体 系成为胶体—半胶体—悬浮体的多级分散体系(达到微米 级)。这种作用叫地层或岩屑造浆，它使泥浆中粘土含量 不断升高，从而泥浆性能及其功能发挥带来十分不利的影 响，成为泥浆技术必须解决的重大问题。
井下动力钻具;信号传输（MWD,LWD），解决大位井、分支井、 特殊井的摩阻问题
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㈡.钻井液(泥浆)性能 1.钻井液密度
所钻井眼内压力控制：即泥浆柱压力P泥（由泥浆静密度+循环当量密 度决定）、地层流体压力P地，井壁地层坍塌压力P塌，地层破裂压力P破 （有时表现为为承压能力或漏失压力），之间保持一个合理的关系，是 保证优质、快速、安全（减少井下复杂与事故）钻井的基础和关键。
量由0.3%增加到0.6%，活塞使用寿命即由400小时降到70小 时。
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5.堵塞油(气)层通道 打开油气层时,在压力差作用下，钻井液中小于油(气)层孔隙的固相颗
粒随滤液进入油(气)层，直到被孔径更小的孔隙堵住为止。这样必然使油 (气)层的渗透率下降。当进行采油(气)时，仅借助于原油(气)进入井口的 反向流动力是很难解除这种堵塞状态的，从而造成油(气)层的永久性损害。
⑵起下钻时挂卡情况加剧，特别有假泥饼时情况更坏， 其结果导致动力消耗增大、钻柱寿命缩短、钻具事故增多。
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⑶容易引起压差卡钻。 若在渗透性地层这种泥饼会更厚,一但钻具不居中,则陷入泥饼中,泥
饼越厚陷入面积越大,此时钻柱就会受井内钻井液液柱压力与地层压力之 间的压差作用而被紧紧地压在井壁上,而无法拔出(压差卡钻)。这在深井、 高温、重泥浆情况下至今仍是未很好解决的重大技术难题。打斜井或定 向井时问题更为突出。
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二、泥浆中固相对泥浆性能与功能的影响 (为什么要固控,以水基泥浆为例)
㈠.钻井液中必须含有的固相 (必须保留在泥浆中有用固相) 钻井液中固相以颗粒存在,颗粒的大小不等，大小固相颗
粒的含量也不等。固相颗粒的大小称为粒度(即粗细程度)。 各种大小固相颗粒占固相总量的百分数比称为级配(级数分 配)。
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三、固相控制系统 ㈠、 固液分离基本原理
沉降原理 动态过滤原理 旋流分离原理 ㈡、钻井液固相控制方法 稀释法 替换法 自然沉淀法 化学沉淀法 机械清除方法
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㈢钻井液振动筛 为钻井液处理的第一级固控设备，首先将从井底返出钻井液中的较
研究表明：有害固相对中低渗率油(气)层的损害尤为明显，小于油(气) 层孔隙的固相颗粒含量越高,分散度越高对油(气)层的损害越大，侵入油 层深度越大，渗透率降低越多,越难恢复，对油(气)层的损害越严重。
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因此: 钻井液固相控制是保证钻井打得成、打得快、打得好、打 得省必须进行的工作,也是钻井新技术发展必要的保证。 钻井液固相控制必须要保护有用固相,而清除有害固相(重 点是粘土),即有“选择性”. 钻井液固相控制既要保证钻井液固相总量控制;又要使固 相粒度和级配控制在合理范围之内。
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4、抑制性 这是关系到井壁稳定，油层损害与保护，泥浆自身
性能及其稳定的重要性质； 抑制性是指泥浆本身对粘土水化、膨胀、分散作用
的抑制性。 如何尽可能提高抑制性一直是泥浆技术的重点和难
点，至今并未完全达到所希望的水平。 使用油基泥浆的初衷也是基于这一考虑。
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5.封堵性(封堵能力): 这是关系到井壁稳定，油层损害与保护，提高地层承压能力 的重要性质； 封堵性能是指泥浆(通过其某些组分)借助物理、化学…等作 用对井壁地层的微裂缝,孔隙喉道进行填充、封堵的能力。 如何尽可能提高泥浆封堵能力目前是泥浆技术发展的重点和 难点，至今并未完全达到所希望的水平。
系的建立和功能的实现 3.粗分散泥浆体系：以分散剂+无机聚凝剂，以保证般土的适度分
散（按要求），来实现泥浆体系的建立和功能的实现 4.聚合物不分散泥浆体系：以有机高分子处理剂为主，控制造浆般
土的分散度，利用聚合物的聚凝,包被作用，抑制地层粘土造浆， 以保持低固相来建立的泥浆体系 5.无粘土相泥浆体系：利用特种聚合物代替般土来建立泥浆体系和 实现功能（还未实现）
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一.钻井液与固相控制 ㈠.钻井液及其功能
满足钻井工程需要，解决钻井中的难题，帮助钻 井新技术实现,在钻井中循环应用的流体。 1.满足钻井工程的基本需要： 建立循环：清洗井底、带出钻屑，悬浮钻屑 对付地层流体（油、气、水） 冷却钻头
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2.防止和解决钻井过程（包括使用泥浆本身）所产生的困难和 复杂问题:井漏、井壁不稳定(缩径、井塌、井壁掉块……)， 伤害油层,压差卡钻;井筒压力控制……。
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2.泥饼质量变差、增厚，将导致井下复杂情况。 钻井液的功能之一是在井壁周围形成泥饼。若钻井液中
的岩屑增多将导致泥饼变厚，而这种泥饼质地松软(特别是分 散的岩屑在泥饼中容易形成厚而松的假泥饼):
⑴在厚泥饼使井径变小后，必然增加钻柱运动阻力，摩 擦系数增大，致使钻柱扭矩增大；打定向井、水平井、大位 移井时问题更为突出,甚至钻井无法进行。
钻头进尺 (m) 钻头消耗数
250 70
60
200
பைடு நூலகம்
50 150
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20 50
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钻井液固相含量 (%)
1-钻头进尺；2-钻进时间；3-钻头消耗数
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研究发现: ⑴所有固相颗粒都影响机械钻速 而粘土影响最大,以8—10% (质量比)为一转折; ⑵固相含量相同时,小于1微米的 颗粒比大于1微米的颗粒机械 钻速降低12倍
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㈤.固相控制技术 钻井的理论和实践表明，必须把在钻井过程中(必然)混入泥浆的各
类地层固相(包括地层钻屑、井壁坍塌物…) 及时、有效的从泥浆中清除 出去，才能维护泥浆性能和保证钻井工程安全、顺利、快速的进行,保证 钻井目标的实现。
固相控制(简称为固控，现场上也习惯称其为泥浆净化)。 固相控制装置 固相控制(装置)系统 固相控制技术技术
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6.润滑性： 泥并润滑性、极压润滑性…，深井、高密度泥浆；水平井、
大位移井、分支井必须要的特性 7、其它：
PH、含砂量…… 随钻井技术的发展而不断变化
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㈢.钻井液类型 它分为水基、油基、气基几大类，我国现在以水基钻
井液为主。 水基钻井液:是以粘土为分散相在水中稳定的多级分散体
系。属于胶体,悬浮体混合分散体系（0.05μ—1μ）。 基本组成：水+粘土+各种处理剂+专用材料
这是泥浆工艺技术之一，主要困难是受泥浆 流变性及加重剂密度所限制。
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2.钻井液流变性 为起到携带钻屑，悬浮钻屑，悬浮重晶石，有效传递动压
和水马力，（减少沿程压降）的作用,及减小或消除其副面作 用，钻井液必须要有合符要求的流变性：
⑴适合于泥浆的流变性：常用的（本构方程） 宾汉流型： 幂律流型： 卡森流型： 不同泥浆适用于不同的本构关系，而幂律最常用，宾汉次之。
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1.造浆搬土 目前钻井液必须使用搬土，而且搬土必须高度分散（粒
径＜1-2μm)，成为一种搬土在水中高度分散的多级分散胶 体--悬浮体，此分散体系的稳定性及内部结构状态是体系的 宏观性能的内在依据，必须靠各种化学处理剂（分散度稳 定剂、分散剂、护胶剂）来实现,分散稳定剂的种类及其作 用机理不同，即决定了泥浆不同的类型。 2.泥浆加重材料
油基钻井液：它是以有机土或其它油分散固体为分散相 在油中的稳定的多级分散体系。属于油的胶体—悬浮体混 合分散体系；
基本组成：油（代用品)+有机土（油分散固相）+处理 剂+专用材料（加重……）
气基钻井液：以气体（空气、氮气、天然气）为基础， 雾、（泡沫）
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㈣.水基泥浆发展过程 1.自然泥浆体系 水在钻井中地层自然造浆 2细分散泥浆体系：以分散剂保证配浆般土高度分散来实现泥浆体
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㈢、无用(有害)固相对泥浆性能与功能的不利影响 1.增加泥浆粘度
石灰炭、花岗岩等固相的侵入对泥浆粘度增加的增加影响不大; 而泥页岩中混入粘土，因水化作用产生地层或岩屑造浆，它使泥浆 中粘土含量不断升高，可能造成井浆的粘度大幅度上升,甚致丧失流动 性、无法维持正常钻进,引发事故并大大增加泥浆维护成本。这在深井 (>5000M)、高温(≥180℃)、重泥浆(密度≥2.00)的情况下引起的粘度上 升,至今仍是未解决的重大技术难题。固相(粘土)含量越大,其分散度越 高(颗粒越细)对泥浆粘度增加越大。
钻井过程中不可避免产生的井下复杂情况，在本质上与它紧密相关， 它与井下漏、喷、塌、卡直接相关，与钻速密切相关，与泥浆流变性、 造壁性、抑制性……等主要性能密切相关。因此合理的泥浆密度是现代 钻井技术的首要问题，也是至今国内外都没有完全解决，又急待解决的 重大技术难题。
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钻井液密度：一般1.00—2.50（已过关） 低压欠平衡钻井：0—1.00（基本过关） 超高压（国内）钻井：2.50—3.00（难点）
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⑵泥浆必须的流变性及表征参数
表观粘度：漏斗粘度： 流变参数：塑性粘度、动切应力、流型指数、稠度系数、极限粘度… 静切应力：（悬浮能力） 触变性 剪切稀释性：
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⑶它必然是非牛顿流体和结构性流体
流变性与温度，压力和泥浆矿化度（含盐）有密切关系，必须专题研究。
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3.钻井液的造壁性 ⑴失水造壁性的概念(失水、泥饼)
重晶石粉(200目) 碳酸钙粉(200目) 铁矿粉(200目)
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㈡、无用(有害)固相 泥浆在使用中必然有大量地层钻屑和井壁坍塌物混入，
且必然被分散磨细，成为粒径大小不等的微粒，其中石灰 炭、花岗岩等可能达到几百微粒(100-200目);
而泥页岩中粘土混入，混入泥浆的大量粘土，也因 水化作用和泥浆中胶体稳定剂的作用而高度的分散，使体 系成为胶体—半胶体—悬浮体的多级分散体系(达到微米 级)。这种作用叫地层或岩屑造浆，它使泥浆中粘土含量 不断升高，从而泥浆性能及其功能发挥带来十分不利的影 响，成为泥浆技术必须解决的重大问题。