钻井液性能
钻井液参数测定及维护
钻井液流变模式
钻井液流变性与钻井的关系
1、流变性与悬浮携带岩屑和净化井眼的关 系。钻井液粘度的作用是将井底的钻屑有 效地携带到地面，这是关系到能否安全快 速钻井的问题。实践表明：钻井液粘度、 切力越大，钻井液悬浮和携带岩屑的能力 越强，井眼的净化效果越好。反之钻井液 粘度、切力降低，钻井液悬浮和携带岩屑 的能力变差，井眼的净化效果差。
3．动切力
• 钻井液的动切应力反映的是钻井液在层流 时，粘土颗粒之间及高聚物分子之间相互 作用力的大小，即钻井液内部形成的网状 结构能力的强弱。用YP或者τ0表示，单位 是Pa（帕）。
4．表观粘度
• 钻井液的表观粘度又称有效粘度或视粘度， 是钻井液在某一速度梯度下，剪切应力与 速度梯度的比值，用AV表示，单位是 mPa·S（毫帕·秒）。
2、钻井液流变性与机械钻速的关系。实践 表明：在钻井过程中，钻井液粘度、切力 升高，钻速下降。原因是：一钻井液粘度、 切力大，流动阻力大，消耗的功率也大， 在泵功率一定的情况下，钻井液泵的排量 相应降低，降低了钻井速度。二是钻井液 粘度大，钻头在破碎岩石时，高粘度钻井 液在井底形成一个粘性垫层，粘性垫层缓 和了钻头牙齿对井底岩石的冲击切削作用， 使机械钻速降低。
钻井液流变性是钻井液的一项基本性能， 它在解决下列钻井问题是起着十分重要的作用： （1）携带岩屑，保证井底和井眼的清洁； （2）悬浮岩屑； （3）提高机械钻速； （4）保持井眼的规则和保证井下安全。
钻井液的流变性对钻井工作的影响主要体 现在悬浮岩屑、护壁、减阻、提高钻速和冷却钻 具5个方面。
液体的基本流型通过实验研究，归纳 为四种基本流型：牛顿流型、塑性流型、 假塑性流型和膨胀流型。一般钻井液属于 塑性流型。
按照API推荐的钻井液 性能测试标准， 需检测的钻井液常规性能包括：密度、漏 斗粘度、塑性粘度、动切力、静切力、API 滤失量、HTHP滤失量、pH值、碱度、含砂 量、固相含量、膨润土含量和滤液中各种 离子的质量浓度等。
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）。
@钻井液性能解析
– n=0.4-0.7
34
钻井液流变性与钻井的关系
• 钻井液的流变性与井眼净化的关系
– 实现平板型层流的方法
• 加适量的电解质，提高0
• 加入大分子量的聚合物，提高0、塑
• 强化泥浆固相控制措施，以降低塑
d0
0 /塑 (D d)2 24v 3 0 /塑 (D d)
35
钻井液流变性与钻井的关系
当量循环密度和环空密度 当量循环密度：考虑了由于泥浆流动而增加的附加压耗 环空密度：在当量循环密度基础上考虑了由于井筒内岩
屑产生的附加压耗
4
密度和压力平衡
• 钻井液密度的作用
– 平衡地层压力，防止井喷、井漏和钻井液受地 层流体的污染；
– 平衡地层压力，保持井壁稳定，防止井塌； – 实现近平衡钻井技术，减少压持效应，提高机
– 流体静止状态下的静切力悬浮
• 悬浮球形岩屑或加重材料所需要的静切力为：
s (Pa) 5ds (s m ) / 3
• ρs——岩石密度,g/cm3; • ρm——钻井液密度,g/cm3; • ds——球形岩屑颗粒直径，mm
– 如岩• 果屑V—岩的—屑当岩颗量屑粒直体不径积,呈予cm球以3. 形修，正可：根据d体p积相3 等6V的关系计算
– 钻井液的切力是指静切力，其胶体化学的实质是凝胶强 度，凝胶强度取决于单位体积中结构链环的数目和单个
链环的强度。
– 钻井液的动切力：反映层流流动时，粘土颗粒之间及高 聚物分子之间的相互作用力（形成空间网架结构的能
力）。
• 触变性(thixotropy)
– 定义:搅拌后泥浆变稀（切力降低），静置后变性
• 流变参数的调整
– 降低PV：通过合理使用固控设备、加水稀释 或化学絮凝等方法，尽量减小固相含量。
石油钻井液性能基础
钻井液性能 4) 钻井液滤液碱度两种测定方法对比
缺 点
优 点
方 法
a) Mf 滴定中有干扰 b) 通常碳酸氢根测定结果偏高
a) 传统的方法 b) 用一个样品滴定二次
Pf/Mf
a) 用三个样品滴定三次 b) 碱的测定很关键 c) 使用有毒物质(BaCl2)
a)消除Mf滴定中的干扰
P1/P2
钻井液性能 15、氯离子浓度(Chloride Concentration) 测定方法：以铬酸钾溶液为指示剂，用硝酸银标准溶液(0.0282mol/l)滴定一定量的滤液至溶液颜色由黄色变为橙红色并能保持30s即为滴定终点。 计算： CCl-＝ CNaCl＝1.65 CCl- 式中： CCl- －滤液中的Cl-浓度，mg/l； CNaCl －滤液中的NaCl含量，mg/l； VAgNO －滴定所消耗的硝酸银溶液体积，ml； V －滤液样品体积，ml。 注：若滤液中的氯离子浓度超过10,000mg/l，可使用每毫升相当于0.01g氯离子的硝酸银溶液(0.282mol/l)，此时，把上式中的系数1000改为10000。
钻井液性能 5、动切力(Yield Point) 钻井液在层流条件下，剪切应力与剪切速率成线性关系时的结构强度，用直读式粘度计测定，用YP表示，单位为Pa。 动切力的计算： YP = AV－PV 或 YP = (300 －PV) 英制单位为lb/100ft2，Pa = 0.5 lb/100ft2。
1 b━ lg
钻井液性能 (5) 低密度固相、加重材料和悬浮固相浓度的计算： Clg = 9.96lgVlg Cb = 9.96bVb Css = Clg + Cb 式中：Clg －低密度固相浓度，kg/m3； Cb －加重材料浓度， kg/m3 ； Css－悬浮固相浓度， kg/m3 。
钻井液性能
单位距离内流速的增量称为流速梯度。 剪切应力：液流中各层速度不同，层间必有相 对运动，发生内摩擦，阻碍液层作相对运动。
根据液体流动时剪应力与流速梯度的关系，将 液体流动分为四种流型：
dv 1.牛顿流型： dx
2.塑性流型： 0 PV 3.假塑性流型（n<1) 4.膨胀流型(n>1)：
（四）流变参数的测定
仪器：六速旋转粘度计 1．静切力 初切力（10s切力）：将钻井液在600r／min下搅拌 10s，静置10s后测得3r／min下的表盘读数，该读数乘 以0．511即得初切力(Pa)。 终切力（10min切力）：将钻井液在600r／min下搅 拌10s，静置10min后再测得3r／min下的表盘读数，该 读数乘以0．511，即得终切力(Pa)。 2. 动切力(屈服值)：
2.动切应力（屈服值）(Yield Point) 当切应力继续增大，流变曲线出现直线段，延长该 直线与切应力轴相交于τ0
，称为动切应力或屈服值。
它是钻井液处于层流状态时钻井液中网状结构 强度的量度。 反映在层流状态下粘土颗粒之间及高聚物分子之 间的相互作用力（形成空间网状结构之力）的大 小。 调整方法：同静切力。
o
0 .511 ( φ 300 - μ
pv
) Pa
漏斗粘度计
ZNN型旋转粘度计
动力部分 双速同步电机、电源 变速部分 可变六速（转/分） 3 6 100 200 300 600 测量部分 扭力弹簧、刻度盘与内 外筒组成测量系统。
旋转粘度计实物与局部放大图
3. 粘度、流性指数及粘度系数
表观粘度： 1 AV 600 2 塑性粘度：
加重
降低密度 (井漏)
降低固相含量 加水稀释 混油 充气 加絮凝剂
钻井液的性能评价与改进技术研究
钻井液的性能评价与改进技术研究钻井是石油勘探中非常重要的一环节，而钻井液是钻井过程中的必要物质。
钻井液除了支撑井壁、冷却润滑等基本功能外，还需要满足一些性能指标以确保钻井顺利进行。
本文将介绍钻井液的性能评价和改进技术的研究进展。
I. 钻井液的性能评价1. 基本指标钻井液的基本指标包括密度、黏度、过滤损失等。
其中，密度是钻井液的重要物理性质之一，需要在井内平衡地压力分布。
黏度则是液体流动的重要性质，它对胶土和石灰岩等坚硬岩层的穿透度影响极大。
过滤损失指的是液体在流过过滤介质时被滤掉的颗粒物质的量，过滤损失越低说明液体的过滤性能越好。
2. 化学指标钻井液的化学指标包括PH值、盐度、亲水性、酸碱度等。
PH值反映了钻井液的酸碱性，如果PH值过低或过高，都会影响到井下设备的腐蚀磨损。
盐度是指钻井液中的盐含量，盐度越高说明导电率越大，也就意味着液体的抗电阻性能越好。
亲水性则反映了钻井液对井壁的作用能力。
3. 稳定性指标钻井液的稳定性指标包括泡沫度、凝胶强度、滤渣压缩系数等。
泡沫度是指液体产生的泡沫量，它对工作液的泵送、密封等都有影响。
凝胶强度反映的是液体和钻井后的释放气体的较强的亲和力。
通常情况下，凝胶强度较大意味着液体在钻井过程中防止钻柱卡在井孔中的能力越大。
滤渣压缩系数指的是压缩液体之后，重新经过过滤系统滤掉的固体物质的体积。
滤渣压缩系数越小说明液体对岩层表面的覆盖性越好，这对减小井下的孔隙压力有一定帮助。
4. 海洋井被影响的性能指标海洋钻井因其所处的特殊环境，钻井液的运用上有一些特殊的要求。
其中的主要问题之一就是海洋钻井中的液位回流问题，它会极大地影响到钻井的效率。
因此，海洋钻井中，除了需要满足通常的性能指标外，还需要着重考虑液位回流问题，同时要注意钻井液对海洋生态环境的影响。
II. 改进技术的研究1. 针对亲水性的调控钻井液中的亲水性对于钻井过程中的液固对壤起到了非常重要的作用，因此如何合理地调节亲水性就成了钻井液研究的热点。
钻井液性能评价与控制技术研究
钻井液性能评价与控制技术研究随着石油勘探和开发的不断深入，钻井液在油气勘探和生产中的重要性不断凸显。
其中，钻井液性能评价与控制技术则是保障钻井作业顺利进行的前提条件之一。
一、钻井液性能评价的意义1. 保障钻井作业的安全钻井液的性能直接影响着钻井过程的安全性。
较为常见的有钻井液对井壁稳定性的影响、水包囊的形成、井槽和井眼的悬浮、井下环境的控制等。
因此，有必要通过对钻井液性能的评价来控制钻井过程的安全性。
2. 保障钻井作业的效率安全是效率的前提，而钻井液的性能对钻井作业的效率也有着重要的影响。
例如，优良的钻井液的性能可以提高钻头的钻进速度和减少钻头的磨损等，从而保证钻井作业的效率。
3. 保障钻井作业的经济性钻探的成本包括勘探和采油等多个环节，而钻井液则是其中的重要组成部分之一。
如果钻井液性能得不到保障，很容易导致勘探成本的提高，对采油的经济效益产生不良影响。
二、钻井液性能评价的内容钻井液性能评价的主要内容包括钻井液的物理性能、化学性能、机械性能和环保性能等。
1. 物理性能物理性能是钻井液性能评价的基础，它包括密度、黏度、过滤性能和溶解性等。
这些基本的物理性能会直接影响到钻井液的流变特性和调整能力等。
2. 化学性能化学性能是评价钻井的重要方面之一。
钻井液通常由水和多种化学添加剂组成，如膨润土、酸化剂、碱性剂等。
因此，化学性能可表现为钻井液的碱度、酸度和盐度等特性。
3. 机械性能钻井过程中，钻井液还需要承担防止井壁塌方的作用，这就需要考虑钻井液的机械性能，也包括钻井液的黏附力、界面张力等。
4. 环保性能环保性能是近年来钻井液性能评价的重要趋势。
因为钻井液在钻井过程中会把井口地层带上来的灰尘、泥土和生物等物质带到地面上，如果不经过削尖减量或重复消毒，就会对环境产生不良影响。
因此，评价钻井液的环保性能也日益受到了关注。
三、钻井液性能控制技术除了钻井液性能评价以外，钻井液性能控制技术也是钻井液技术中的重要部分。
钻井液性能测试方法
第一篇钻井液性能测试方法1 密度的测定1.1 符号及单位密度以来表示，单位为g/cm3。
1.2 仪器——密度计：灵敏度为0.01g/cm3；——温度计：量程为0-100℃，分读值为1℃；——量杯：1000mL。
1.3 试验步骤a. 将密度计底座放置在水平面上。
b. 用量杯量取钻井液，测量并记录钻井液温度。
c. 在密度计的样品杯中注满钻井液，盖上杯盖，慢慢拧动压紧，为使样品杯中无气泡，必须使过量的钻井液从被盖的小空中流出。
d. 用手指压住杯盖小孔，用清水冲洗并擦干样品杯外部。
e. 把密度计的刀口放在底座的刀垫上，移动游码，直到平衡（水平泡位于中央）。
f. 记录读值。
g. 倒掉钻井液，将仪器洗净，擦干以备用。
1.4 校正a. 用淡水注满洁净、干燥的样品杯。
b. 盖上杯盖并擦干样品杯外部。
c. 把密度计的刀口放在刀垫上，将游码在左侧边线对准刻度 1.00g/cm3处，观察密度计是否平衡（平衡时水平泡位于中央）。
d. 如不平衡，在平衡圆柱上加上或取下一些铅粒，使之平衡。
2 粘度和切力的测定2.1 符号及单位——漏斗粘度：以FV表示，单位为s；—1———表观粘度：以AV表示，单位为mPa.s；——塑性粘度：以PV表示，单位mPa.s；——动切力：以YP表示，单位Pa；——静切力：以G10S(10s切力)和G10min(10min切力)表示，单位为Pa。
2.2 漏斗粘度2.2.1 仪器——马氏漏斗：圆锥型漏斗长305mm，上口直径152mm，筛网下容量1500mL，金属或塑料制成；流出口长510.8mm,内径4.7mm；筛网孔径 1.6mm，高度9.0mm；——刻度杯：1000mL，金属或塑料制成；——秒表：灵敏度为0.1s；——温度计：量程为0-100℃，分度值为1℃。
2.2.2 试验步骤a. 用手指堵住流出口，把新取的钻井液倒入洁净、干燥并垂直向上的漏斗中，直到刚好注满筛子底部为止。
把刻度杯置于流出口下。
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切应力:
1dyn/cm2=1x10-5N/104m2=0.1Pa
1 poise=1 dynes.s/cm2=0.1 Pa.s 1cp=0.01p=0.001Pa.s=1mPa.s
17
17
宾汉塑性流型
• Bingham Plastic Model
• 模型:
切应力:
=0+s
0 ：动切力（屈服值） 0 Yield point (YP) Pa s：塑性粘度(PV) Plastic viscosity (cp) s ：剪切速率(s-1)
喷，做到“压而不死，活而不喷”；近平衡钻进要在起 钻时考虑可能存在的“抽吸作用”，增加附加密度 ➢ 钻穿高压盐水层时为了防止盐水的污染，应提高密度采 取“坚决压死”的措施 ➢ 对易缩径和易剥落掉块的地层，应适当提高泥浆的密度
7
7
测量仪器
加压比重计
普通比重计
8
8
钻井液密度升高可能因素
加入加重材料; 钻屑累积； 快速钻进而泵排量跟不上会使井内钻井液密度升 高； 增大钻井液屈服值会使当量循环密度升高； 增大泵排量或泵压会使当量循环密度升高； 加入较多电解质（盐类）； 油基钻井液加入较高密度的盐水； 加入较高密度的新浆
9
9
钻井液密度下降可能因素
加入比钻井液密度低的清水; 井下油气侵； 加油； 加入较低密度的新浆或胶液； 加强固相清除； 用离心机清除（或回收）高密度固相； 降低钻井液屈服值或减少泵排量及泵压 能使井下当量循环密度下降； 充气配制成充气钻井液或使用泡沫钻井液； 钻进速度较低情况下提高泵排量有可能使井内钻井液密度 降低。
10
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相关概念
静液压力是由液柱重量引起的压力。它的大小和液体密度及 垂直高度有关,而和液柱的横向尺寸及形状无关。 通常把单位高度(或深度)增加的压力值称为压力梯度，静液 压力梯度受液体密度的影响和含盐浓度、气体的浓度以及温 度梯度的影响。
上覆岩层压力
某处地层上覆岩层压力是指覆盖在该地层以上的地层基质 (岩石)和孔隙中流体(油气水)的总重量造成的压力。 岩石密度与孔隙度的大小和埋藏的深度有关
• 泥浆的流变性对钻井的影响
– 携带岩屑，保证井底清洁。 – 悬浮岩屑与重晶石 – 影响机械钻速 – 影响井眼规则和井下安全。
14
14
钻井液的流变性
剪切应力与剪切速率
剪 切 速 率 (shear rate): 在 垂 直 于 流 动 方向上单位距离内流 速的增量(dv/dx)。 剪 切 应 力 (shear stress)：液体流动过 程中,单位面积上抵抗 流动的内摩擦力。
械钻速； – 合理选择打开油气层的钻井液密度，减少钻井
液对产层的伤害。
5
5
密度和压力平衡
密度对钻速的 影响
泥浆密度越 高,产生的液 柱压力越大， 井底压差越 大，机械钻 速减小。
6
6
密度和压力平衡
钻井液密度的控制 ➢ 密度过高:增大正向压差,对储层污染加重;液柱压力增大，
增大井底岩石可钻强度并引起井底岩石的重复切削 ➢ 密度过低：井壁不稳定，油气层压力无法控制 确定泥浆密度的原则 ➢ 根据地质资料确定，在正常情况下尽可能使用低密度 ➢ 钻开油气层尽可能近平衡钻进，既要保护油气层又要防
安全密度窗口
介于地层破裂压力和地层压力之间的钻井液密度范围
12
12
流变性能
13
13
钻井液的流变性
• 钻井液流变性(rheological properties of DF)
– 在外力作用下,钻井液流动和变形的特性。如钻井液的 塑性粘度、动切力、表观粘度、有效粘度、静切力和 触变性等性能都属流变性参数。
钻井液性能
1
目录
密度和压力平衡 流变性能 滤失和润滑性能 化学分析 油基钻井液性能
2
2
密度和压力平衡
3
3
密度和压力平衡
钻井液密度MW（Mud Weight)或SG (specific gravity） 通过泥浆液柱对井壁和井底产生压力,以平衡地层的
油气水压力及岩石的侧压力，防止井喷、地层流体侵入及 保护井壁。另外泥浆密度对岩屑产生浮力，增大泥浆密度 可以提高泥浆携带岩屑的能力。密度秤的正常误差为 0.01g/cm3
• 流动特性分析
n 3.32 log 600 300
k 0.511 600
1022 n
(Pas n )
– 施加极小的切应力就发生流动,没有静切应 力，而且粘度随切应力的增加而降低。
20
20
幂律流型(Power law Model)
n 3.32 log 600 300
k 0.511 600
当量循环密度和环空密度 当量循环密度:考虑了由于泥浆流动而增加的附加压耗 环空密度：在当量循环密度基础上考虑了由于井筒内岩
屑产生的附加压耗
4
4
密度和压力平衡
• 钻井液密度的作用
– 平衡地层压力,防止井喷、井漏和钻井液受地层 流体的污染;
– 平衡地层压力，保持井壁稳定，防止井塌； – 实现近平衡钻井技术，减少压持效应，提高机
11
11
地层压力
地层压力是指作用在岩石孔隙内流体(油气水)上的压力, 也叫地层孔隙压力。正常地层压力等于从地表到地下该地 层处的静液压力。其值大小与沉积环境有关。
地层破裂压力
在井中一定深度处的地层,其承受压力的能力是有限的， 当压力达到某一值时会使地层破裂，这个压力称为地层的 破裂压力pf。 地层破裂压力的大小取决于许多因素，如 上覆岩层压力、地层压力、岩性、地层年代、埋藏深度以 及该处岩石的应力状态。
15
15
钻井液的流变性
流体的基本流型
牛顿流体:剪切应力与 剪切速率成正比。塑 性流体：宾汉流体,适 合于水基钻井液体系 假塑性流体：幂律流 体，适合于高分子聚 合物体系 膨胀流体
16
16
牛顿流体（Newtonian Fluid）
剪切速率 Dv/dx
dv
dx
• :剪切应力dyn/cm2 • dv/dx:剪切速率:s-1 • :粘度（Poise、泊)
剪切速率
=Dv/dx
18
18
宾汉流体
•参数计算（范氏旋转粘度计） ＝1.703 • (s-1)
=0.511• (Pa)
塑=PV=600-300 (cp) 0=0.511(s) (Pa)
表3 00
6
0
2
0cp
19
19
幂律流型(Power law Model)
• 基本方程:=kn
– k ：稠度系数 – n：流性指数