第四章 鉆井液

第四章鉆井液第1頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月鉆井液的基本類型：油包水乳化泥漿：以油做分散介質(zhì)，水及有機搬土或其它親油粉末狀物作分散相，加乳化劑配制。水基泥漿：以水為分散介質(zhì)，基本組分是粘土、水和化學處理劑淡水泥漿：含鹽量小于<1%，含Ga<120mg/l。鹽水泥漿：含NaCl>1%，主要用在海灣、海上、鹽巖層、頁巖易塌層。鈣處理泥漿：含Ga>120mg/l，防塌性能好，抗鹽侵蝕能力強，穩(wěn)定井壁。低固相泥漿：含粘土量小于7%，部分散低固相4%，鉆速快，流動性好。混油泥漿：加入原油或柴油，油呈小珠分散；潤滑性好，摩擦小。油基泥漿：特點是：熱穩(wěn)定性高，交好的防塌效果，對油氣層損害小。用于：超深井的高溫井段，鉆進易塌地層和低壓油層。特點：對油層損害小，抗可溶鹽的侵污能力強。油基泥漿：由柴油和瀝青（或有機搬土）及有關(guān)處理劑配制。第2頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)粘土基本知識

第二節(jié)鉆井液性能及調(diào)控

第三節(jié)常用鉆井液簡介

主要內(nèi)容第3頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)粘土基本知識粘土是鉆井液的主要成分，水基鉆井液就是粘土分散在水中形成的膠體懸浮體。粘土對鉆井液的性質(zhì)有很大影響，其類型不同，造漿率差別很大。

一、幾種主要粘土礦物的晶體構(gòu)造及特點

粘土主要是由很細（2m以下）的粘土礦物組成，許多粘土中含有非晶體質(zhì)的膠體礦物如蛋白石、氫氧化鐵、氫氧化鋁，還含有不定量的石英、長石等粘土礦物。但粘土的主要化學成分為鋁硅酸鹽。因此雖然粘土礦物的種類很多,不同粘土礦物有不同的晶體構(gòu)造及特點，但其晶體都是由兩種基本構(gòu)造單位組成的。基本構(gòu)造單位：硅氧集團和鋁氧集團第4頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月1.粘土晶體構(gòu)造中的基本單位

硅氧四面體每個四面體中都有一個硅原子與四個氧原子以相等的距離相連，硅在四面體的中心，四個氧原子(或氫氧)在四面體的頂點。在大多數(shù)粘土礦物中排列成六角形網(wǎng)絡(luò)。第5頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月鋁氧八面體

鋁原子處于八面體的中心，與上面和下面的各三個氧原子或氫氧形成一個正八面體。八面體片狀構(gòu)造中，鋁占2/3位置，空余位置以表示。第6頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月高嶺石晶體由一個硅氧四面體片和一個鋁氧八面體片組成。四面體片的頂尖都朝著八面體片，二者由共用的氧原子和氫氧原子團聯(lián)結(jié)在一起。由于它是一個硅氧四面體片和一個鋁氧八面體片組成，所以稱高嶺石為1∶1型粘土礦物。高嶺石單元晶層，一面為OH層，另一面為O層,片與片之間易形成氫鍵,晶胞之間連結(jié)緊密,故高嶺石的分散度低。高嶺石晶格中幾乎沒有晶格取代現(xiàn)象，它的電荷是平衡的，因此高嶺石電性微弱。這些特點決定了高嶺石水化很差，造漿性能不好，不是配漿的好材料。油氣層中高嶺石顆粒大而附著力弱，常常因運移堵塞孔喉而降低滲透率。

2.高嶺石的晶體結(jié)構(gòu)第7頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月

蒙脫石是由上下兩個硅氧四面體片中間夾一層鋁氧八面體片組成，硅氧四面體的尖頂朝向鋁氧八面體，鋁氧八面體片和上下兩層硅氧四面體片通過共用氧原子和氫氧聯(lián)結(jié)形成緊密的晶層，因此稱為2∶1型。在鋁氧八面體中，有部分Al3+被Mg2+或Fe2+取代，四面體中的Si4+也有少量被Al3+取代，顯負電性，這種現(xiàn)象稱為晶格取代現(xiàn)象。因此，吸附較多陽離子，有較強的離子交換能力。同時，蒙脫石晶層上下皆為氧原子層，各晶層間以分子間力聯(lián)結(jié)，聯(lián)結(jié)力弱。蒙脫石是極易水化、分散、膨脹的粘土礦物。這些特點決定了蒙脫石是配漿的好材料，但地層中蒙脫石也會因水化膨脹而造成井塌和油層損害。

3.蒙脫石的晶體結(jié)構(gòu)第8頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月伊利石的晶體構(gòu)造和蒙脫石相似，也是2∶1型晶體結(jié)構(gòu)，即伊利石也由兩層硅氧四面體片夾一層鋁氧八面體片組成。

區(qū)別：伊利石的硅氧四面體中有較多的Si4+被Al3+取代，晶格出現(xiàn)的負電荷由吸附在伊利石晶層表面氧分子層中的K+所中和。K+的直徑為2.66，而晶層表面的氧原子六角環(huán)空穴直徑為2.80，因此K+正好嵌入氧原子六角環(huán)中。由于嵌入氧層的吸附K+的作用，將伊利石的相鄰二晶層拉得很緊，聯(lián)結(jié)力很強，水分不易進入層間，所以它不易膨脹。伊利石由于晶格取代顯示的負電性已由K+中和，K+嵌入氧原子六角環(huán)中，接近于成為晶格的組成部分，不易解離，因此伊利石電性微弱。

4.伊利石的晶格結(jié)構(gòu)第9頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月5.海泡石族6.綠泥石

海泡石凹凸棒石坡縷縞石是鋁和鎂的含水硅酸鹽

晶體構(gòu)造為鏈狀、棒狀、或纖維狀，晶體結(jié)構(gòu)中有很大的空穴。有極大的內(nèi)表面積，因此，含有較多的吸附水，有很高的熱穩(wěn)定性和坑鹽侵污能力。在淡水和飽和鹽水中的水化情況幾乎一樣。因此是配制深井鉆井液和眼水鉆井液的好材料。由三層型晶層與一層水鎂石交替組成的。水鎂石層有些Mg2+被Al3+取代，因而帶正電。于是三層型晶層與水鎂石層間以靜電相吸聯(lián)結(jié)，同時還有氫鍵存在，因此遇水不膨脹。對酸敏感。第10頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月二、粘土的吸附及水化作用

粘土的吸附作用：

鉆井液中粘土顆粒和分散介質(zhì)的界面上，自動濃集介質(zhì)中分子或離子的現(xiàn)象稱為粘土的吸附。粘土的水化作用：

由于粘土顆粒表面通常帶有負電荷，因而能吸附水分子和各種水化離子，使粘土顆粒表面形成一層具有一定厚度的水化膜，這種現(xiàn)象稱為粘土的水化作用。粘土的吸附和水化作用是使鉆井液分散體系穩(wěn)定的重要因素。第11頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月

1)永久電荷。它是由于粘土在自然界形成時發(fā)生晶格取代所產(chǎn)生的。例如，Si-O四面體中Si4+被Al3+所代替，或Al-O八面體中的Al3+被Fe2+或Mg2+等取代，就產(chǎn)生了過剩的負電荷。這種負電荷的數(shù)量取決于晶格取代的多少，而不受pH值的影響，因此稱為永久負電荷。

2)可變負電荷。在粘土晶體的斷鍵邊緣上有很多裸露的Al-OH鍵，其中OH中的H在堿性條件下解離，會使粘土負電荷過剩；另外粘土晶體的邊面上吸附了OH-、SiO32-等無機離子或吸附了有機陰離子聚電解質(zhì)也使粘土帶負電。由于這種負電荷的數(shù)量隨介質(zhì)的pH值而改變，故稱為可變負電荷。

3)正電荷。不少研究者指出，當pH值低于9時，粘土晶體邊面上帶正電荷。多數(shù)人認為其原因是由于裸露在邊緣上的Al-O八面體在堿性條件從介質(zhì)中接受質(zhì)子引起的。粘土的負電荷與正電荷的代數(shù)和即為粘土的凈電荷數(shù)，由于粘土的負電荷一般都多于正電荷，因此粘土一般都帶負電荷。

1.粘土的吸附性能（1）粘土顆粒表面電荷種類及原因第12頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月

吸附現(xiàn)象在鉆井液中是經(jīng)常發(fā)生的，化學處理劑改善鉆井液性能，侵入物損壞鉆井液的性能都是通過吸附改變粘土表面的性質(zhì)而起作用的。鉆井液中粘土的吸附作用，可分為物理吸附、化學吸附和離子交換吸附三種。

1)物理吸附。物理吸附是靠吸附劑和吸附質(zhì)之間分子間引力產(chǎn)生的，物理吸附是可逆的，吸附速度與脫附速度在一定條件下呈動態(tài)平衡。非離子型的有機處理劑，往往是因在粘土表面發(fā)生物理吸附而起作用的。

2)化學吸附?；瘜W吸附是靠吸附劑與吸附質(zhì)之間的化學鍵力而產(chǎn)生的。例如鐵鉻木質(zhì)素磺酸鹽在粘土晶體的邊緣上可以發(fā)生螯合吸附。

3)離子交換吸附。粘土顆粒因晶格取代等原因，一般是帶負電的，為了保持整體的電中性，必然要吸附陽離子。而吸附的陽離子一般來說并不固定，可以與溶液中的陽離子進行交換，這種作用稱為離子交換吸附。最常見的交換性陽離子是Na+、Ca2+、Mg2+等。鉆井液中粘土吸附的離子與溶液中的離子發(fā)生離子交換吸附的現(xiàn)象是經(jīng)常遇到的，配漿時加純堿提高粘土的分散度和造漿率，就是利用離子交換吸附的特性。

(2)粘土的吸附性能第13頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月同號離子相互交換；等電量相互交換；離子交換吸附的反應(yīng)是可逆的，吸附和脫附的速度受離子濃度的影響。離子交換吸附的規(guī)律

濃度相同，價數(shù)越高，與粘土表面的吸力越強，交換到粘土表面上的能力越強；價數(shù)相同、濃度相近時，離子半徑越小，水化半徑越大，離子中心離粘土表面越遠，吸附能力弱(K+與H+除外)；當濃度很高時，低價離子同樣能交換高價離子。常見的陽離子交換能力強弱順序是：H+>Fe3+>Al3+>Ba2+>Ca2+>Mg2+>NH4+>K+>Na+>Li+粘土的陽離子交換容量是指在pH等于7的條件下，粘土所能交換下來的陽離子總量。它包括交換性氫和交換性鹽基，其數(shù)值均以每100g粘土所交換下來的陽離子的量表示。粘土的陽離子交換容量，直接關(guān)系到粘土顆粒帶電荷的多少和吸附處理劑的能力。影響粘土陽離子交換容量的因素有粘土礦物的本性、粘土礦物的分散度及溶液的pH值。

離子交換吸附的特點第14頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月

(1)粘土水化膨脹機理

粘土水化膨脹機理主要有兩方面：1)表面水化是由粘土晶體表面上水分子的吸附作用引起的，引起表面水化的作用力是表面水化能，第一層水是水分子與粘土表面的六角形網(wǎng)絡(luò)的氧形成H鍵而保持在平面上。因此，水分子也通過氫鍵結(jié)合為六角環(huán)，下一層也以類似情況與第一層以氫鍵連接，以后的水層照此繼續(xù)。2)滲透水化由于晶層之間的陽離子濃度大于溶液內(nèi)部的濃度，水發(fā)生濃差擴散，進入層間，在雙電層斥力作用下層間距增大。滲透膨脹引起的體積增加比晶格膨脹大得多。2.粘土的水化作用第15頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)影響粘土水化膨脹的因素

影響粘土水化膨脹的因素有：1)粘土晶體的部位不同，水化膜的厚度不相同。粘土晶體所帶的負電荷大部分都集中層面上，吸附的陽離子多，因此水化膜厚。在粘土晶體的邊面上帶電荷較少，因此水化膜薄。2)粘土礦物不同，水化作用的強弱不同。蒙脫石的陽離子交換容量高，水化最好，分散度也最高；而高嶺石陽離子交換容量低，水化差，分散度也低，顆粒粗；伊利石由于晶層間K+的特殊作用也是非膨脹性礦物。3)粘土吸附的交換性陽離子不同，其水化程度有很大差別。如鈣蒙脫石水化后晶層間距最大僅為1.7nm，而鈉蒙脫石水化后晶層間距可達1.7～4.0nm。

第16頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月定義：粘土顆粒在水中表面帶負電荷，通過靜電作用可把交換性陽離子(稱為反離子)吸引在它的周圍。這些反離子一方面受負電荷的吸引靠近粘土表面，另一方面由于反離子的熱運動及反離子之間的斥力，會脫離粘土顆粒向溶液中擴散，其結(jié)果構(gòu)成了擴散雙電層。粘土顆粒周圍的陽離子只有一部分同粘土顆粒一起運動，這部分同粘土吸引得比較牢固的陽離子層，稱為吸附層。另一部分陽離子距離粘土顆粒稍遠，不隨粘土一起運動，這一部分稱為擴散層。吸附層和擴散層的交界面稱為滑動面。三、鉆井液中粘土表面的雙電層第17頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月粘土顆粒運動中因丟掉擴散層中的反離子而顯示出一定的電勢,稱為電動電勢(ζ電位),其數(shù)值取決于吸附層內(nèi)反離子總電荷。電解質(zhì)對電動電勢影響較大，溶液中陽離子濃度越高，進入吸附層的陽離子數(shù)量多，ζ電位降低，當反離子全部進入吸附層時，這種現(xiàn)象稱為電解質(zhì)壓縮雙電層。電解質(zhì)壓縮雙電層作用第18頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月四、鉆井液的穩(wěn)定性鉆井液分散系若能長久保持其分散狀態(tài)，各微粒處于均勻懸浮狀態(tài)而不破壞，就稱為具有穩(wěn)定性。1.鉆井液的沉降穩(wěn)定性定義：

鉆井液的沉降穩(wěn)定性沉降穩(wěn)定性是指在重力作用下鉆井液中的固體顆粒是否容易下沉的性質(zhì)。影響沉降穩(wěn)定性的主要因素：

粘土顆粒的大小、顆粒與分散介質(zhì)的密度差、分散介質(zhì)的粘度和鉆井液中粘土顆粒的多少，顆粒愈大、顆粒愈重、介質(zhì)粘度越小則沉降穩(wěn)定性越不好。沉降穩(wěn)定性穩(wěn)定性聚結(jié)穩(wěn)定性第19頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月2.鉆井液的聚結(jié)穩(wěn)定性定義：聚結(jié)穩(wěn)定性是指鉆井液中的固體顆粒是否易于自動降低分散度而粘結(jié)變大的性質(zhì)。產(chǎn)生聚結(jié)的原因：鉆井液中的粘土顆粒分散度高，比表面積大，因而具有較大的表面能。按照能量自發(fā)減少的原理，顆粒會自發(fā)地聚結(jié)變大，以降低表面能和分散度；顆粒在運動中相互接近或碰撞時，顆粒之間存在排斥力和引力，當引力大于排斥力時也會使顆粒聚結(jié)變大。顆粒間的排斥力顆粒間的引力影響聚結(jié)穩(wěn)定性的主要因素：范德華力雙電層斥力水化膜彈性阻力第20頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月電解質(zhì)對聚結(jié)穩(wěn)定性的影響：電解質(zhì)有壓縮雙電層和降低ζ電位的作用，當電解質(zhì)加量較多時，雙電層被壓縮，ζ電位降低，減弱了顆粒在接近或碰撞過程中的雙電層斥力，易于使顆粒聚結(jié)。聚結(jié)值的概念：使粘土開始明顯聚結(jié)所加的電解質(zhì)的最低濃度稱為聚結(jié)值。高分子化合物對聚結(jié)穩(wěn)定性的影響：鉆井液中粘土顆粒能夠和高分子化合物之間發(fā)生相互作用，絕大部分高分子化合物都會吸附在粘土顆粒的表面上。若高分子物質(zhì)較多，粘土顆粒會盡可能多地吸附高分子物質(zhì)在它的表面上，當顆粒完全被高分子所包圍，沒有剩余的空白表面，就會失去再吸附其它顆粒上的高分子的可能，使顆粒間的橋聯(lián)作用無法實現(xiàn)，使鉆井液體系的穩(wěn)定性增強，這種現(xiàn)象稱為膠體的保護作用。第21頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)鉆井液性能及調(diào)控鉆井液常規(guī)性能密度馬氏漏斗粘度塑性粘度動切力靜切力API濾失量高溫高壓(HTHP)濾失量pH值及堿度含砂量固相含量膨潤土含量濾液中各種無機離子濃度第22頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月2.調(diào)整鉆井液密度的方法一、鉆井液的密度1.對密度的要求調(diào)節(jié)井內(nèi)鉆井液的靜液柱壓力平衡地層壓力及地層構(gòu)造應(yīng)力避免發(fā)生井噴及井塌等事故提高密度加重重晶石石灰石可溶性無機鹽降低密度降低固相含量加水稀釋混油充氣第23頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月流變性：

鉆井液流動和變形的特性稱為流變性，其中流動性是主要的。流變性的作用：1)攜帶巖屑，保證井底和井眼的清潔；2)懸浮巖屑和重晶石；3)合理確定水力參數(shù)，減少循環(huán)壓力損失，充分發(fā)揮鉆頭水馬力的作用，提高機械鉆速；4)減輕鉆井液造成的壓力激動和對井壁的沖刷，防止井漏和井塌等事故的發(fā)生；5)有效地發(fā)揮固控設(shè)備的效能；6)防止氣侵。

二、鉆井液的流變性第24頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月1.鉆井液流變模式及流變參數(shù)冪律流體（假塑性型）賓漢流體卡森流體赫切爾—巴爾克萊流體牛頓流體冪律流體（膨脹型）切應(yīng)力流速梯度

s

0第25頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月流變學模式及流變參數(shù)牛頓流體賓漢流體卡森流體赫切爾—巴爾克萊流體冪律流體第26頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月靜切應(yīng)力

g

靜切應(yīng)力是指使靜止的塑性流體開始運動時的最低切應(yīng)力，現(xiàn)場簡稱切力，常用

g表示。觸變性破壞單位面積上網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)所需的力即為靜切應(yīng)力。規(guī)定靜置1min后測定的靜切力為初切力，靜止10min后測定的靜切力為終切力，并用二者的差值來表示鉆井液觸變性的強弱。表現(xiàn)粘度表現(xiàn)粘度是指某一剪切速率下剪切應(yīng)力與剪切速率的比值。

第27頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月2.調(diào)整鉆井液流變性的一般要求及方法

對于非加重鉆井液：pv的適宜范圍為5～12mPa.s；

d一般應(yīng)保持在1.4～14.4Pa范圍內(nèi)。切力

g是使鉆井液開始流動所需的最低切應(yīng)力，其值過高時會造成開泵困難，甚至憋漏地層；其值過低又直接影響鉆井液的懸浮能力。為了能夠有效地攜帶巖屑，要求鉆井液具有較高的動塑比(

d

/

pv)。根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗和平板型層流流核直徑的有關(guān)計算，一般將

d

/

pv保持在0.48Pa/mPa.s左右是適宜的。在使用冪律模式時，n值保持在0.4～0.7之間。K值尚未明確其適宜范圍，但原則上應(yīng)在保證有效攜巖的前提下，盡量維持較低的K值，以提高鉆速和降低開泵時所需的壓力。第28頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月調(diào)整賓漢和冪律模式流變參數(shù)的方法1)降低

pv

。通過合理使用固控投備、加水稀釋或化學絮凝等方法，盡量減少固相含量。2)提高

pv

。加入低造漿率粘土、重晶石以及混入原油均可提高霵V。另外增加聚合物濃度使鉆井液的濾液粘度提高，也可起到提高霵V的作用3)降低

d。最有效的方法是加入適合于本體系的降粘劑(或稱稀釋劑)，以拆散鉆井液中已形成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。4)提高

d?？杉尤腩A(yù)水化膨潤土或增大聚合物的加量。5)降低n值。增加鉆井液中高分子量聚合物和無機鹽的含量，以及將預(yù)水化膨潤土加入鹽水鉆井液體系等，均可使n值降低。但是，通過增加膨潤土含量和礦化度來降n值，一般來講不是好的方法，而應(yīng)優(yōu)先考慮選用適合于本體系的聚合物來降低n值，改進流型。試驗表明，XC生物聚合物和聚丙烯酸鈣等都是非常有效的流型改進劑。6)降低或提高K值。與降低或提高

pv

，

d值的方法基本相同。

第29頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月三、鉆井液的濾失量

1.鉆井過程中鉆井液的濾失和造壁作用靜液柱壓力泥餅靜失水動失水第30頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月2.鉆井液濾失與鉆井的關(guān)系3.鉆井液濾失性的調(diào)整方法

鉆井要求鉆井液具有低失水量和薄而致密的泥餅，在失水和泥餅質(zhì)量這兩個因素中，泥餅質(zhì)量是主要的。失水量高且泥餅厚而松散對鉆井是不利的：損害油氣層；井壁垮塌；井徑不規(guī)則；起下鉆遇阻；高滲透性地層形成較厚泥餅，造成壓差卡鉆等。應(yīng)根據(jù)地層特點，適當控制濾失量。1）用澎潤土。2)加入適量純堿、燒堿或有機分散劑(如煤堿液等)，提高粘土顆粒的ζ電位。3)加入適當聚合物以保護粘土顆粒，阻止它們聚結(jié)，從而有利于提高分散度。4)加入一些極細的膠體粒子

四、含砂量含砂量越小越好第31頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月

必須根據(jù)井的類別和地層等情況，在綜合考慮各方面的因素之后，對一口井所使用的鉆井液體系分段進行合理的選擇。主要應(yīng)考慮的各種因素有：井下安全；是否鉆遇巖鹽、石膏層；井下溫度和壓力；環(huán)境保護；井漏；泥頁巖層穩(wěn)定性；井眼軌跡；壓差卡鉆；儲層損害；測井要求；鉆井液成本。第三節(jié)常用鉆井液簡介一、鉆井液體系的選擇1.選擇鉆井液體系的基本準則2.根據(jù)油氣井的類型選擇體系區(qū)域探井和預(yù)測井

選用不影響地質(zhì)錄井并有利于發(fā)現(xiàn)產(chǎn)層的鉆井液體系。即要求鉆井液的熒光度和密度要低，該類鉆井液不能混油。盡量使用不分散聚合物鉆井液，維護低密度和低固相。第32頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月2.根據(jù)油氣井的類型選擇體系生產(chǎn)井

對鉆井液的主要要求是保護好油氣層和提高鉆速。一般在上部多采用不分散聚合物鉆井液，鉆至油層時再換用適應(yīng)的完井液以保護油氣層。調(diào)整井

調(diào)整井特點是地層壓力高，該類井的鉆井液密度常常高達2.0以上，有時最高可達2.7。這樣高的密度給鉆井液的配制和維護帶來了較大的困難，為了提高固相容量限，一般多選用分散鉆井液體系，必要時也可選用油基鉆井液。超深井要求：鉆井液熱穩(wěn)定性好；高溫對性能影響??；高壓差下泥餅的可壓縮性好等。必須選用抗溫能力強的處理劑和鉆井液體系。除選用油基鉆井液最為理想外，目前國內(nèi)對付超深井最有效的水基鉆井液是分散型的三磺鉆井液體系。今年來有進一步發(fā)展成聚磺鉆井液體系。定向井和水平井鉆柱摩阻高、易卡鉆、井壁不穩(wěn)定傾向比直井高。必須采取比直井要求更高的防塌、防卡和攜屑等技術(shù)措施。陽離子聚合物鉆井液和鉀石灰反絮凝鉆井液等。

第33頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月3.根據(jù)地層特點選擇體系(1)鹽膏層

鉆遇很薄的鹽膏層：選用抗鹽、抗鈣的添加劑及時進行維護；另一種辦法是在進入鹽膏層前將鉆井液轉(zhuǎn)化為鹽水體系。對于厚的復(fù)雜鹽膏層：一項較有效的措施是選用油基鉆井液；另一措施是選用飽和鹽水鉆井液。(2)易塌地層1)對于強分散高滲透性的砂泥巖地層，應(yīng)采用強包被的聚合物鉆井液；2)對于硬脆性頁巖及微裂縫發(fā)育的易塌層，應(yīng)選用瀝青類處理劑以封堵層理和裂隙，并起降低高溫高壓(HTHP)濾失量和泥餅滲透性的作用；3)對于存在混層粘土礦物的易塌層，必須選擇抑制性強的鉆井液，如鉀基(或鉀胺基)聚合物鉆井液、鉀石灰鉆井液和陽離子聚合物鉆井液等，并最好加入封堵劑；4)對于用水基鉆井液難以對付的易坍塌層，可使用平衡活度的油基鉆井液；5)井塌常發(fā)生在有異常壓力存在或構(gòu)造應(yīng)力發(fā)育的地帶，因此應(yīng)根據(jù)裸眼井段最高的地層壓力系數(shù)確定鉆井液密度，防止負壓鉆井。

第34頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月(3)易漏失地層(4)易卡鉆地層壓差卡鉆多發(fā)生在易形成較厚泥餅的高滲透性地層，如粗砂巖地層等。這類地層一般對鉆井液有下述要求：1)減小壓差是防卡的有效措施，因此要求鉆井液要有合理的密度；2)固相含量應(yīng)盡可能低，特別是無用低密度固相的體積分數(shù)不得超過0.06；3)應(yīng)根據(jù)鉆井液類型的不同，選擇有效的潤滑劑，對探井、資料井，應(yīng)選擇對地質(zhì)錄井資料沒有影響的無熒光潤滑劑；4)應(yīng)儲備足夠的解卡劑，一旦發(fā)生卡鉆，可及時浸泡解卡。

4.根據(jù)儲層性質(zhì)選擇體系

第35頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月二、鈣處理鉆井液

鈣處理鉆井液是一類以鈣離子提供抑制性化學環(huán)境的鉆井液。常用的鈣有三種：石灰、石膏和氯化鈣，相應(yīng)稱為石灰鉆井液、石膏鉆井液和氯化鈣鉆井液。1.原理加入鉆井液中的Ca2＋交換粘土表面的Na＋，將鈉土轉(zhuǎn)變?yōu)殁}土，鈣土水化能力弱，分散度低，使粘土顆粒形成一定的絮凝狀態(tài)。鈉土轉(zhuǎn)化為鈣土的程度取決于吸附Ca2＋的數(shù)量、粘土的陽離子交換容量及濾液中的Ca2＋的濃度。另一方面，Ca2＋本身是一種無機絮凝劑，會壓縮雙電層，使粘土顆粒水化膜減薄，ζ電位降低，從而引起粘土面-面連接和邊-面連接，使粘土分散度下降。鉆井液中加入Ca2＋的同時，加入鐵鉻木質(zhì)素磺酸鹽等分散劑，這類分散劑吸附在土粒上會使土粒的水化膜增厚，ζ電位上升，阻止分散度下降。于是調(diào)節(jié)Ca2＋和分散劑的加量，就可將土粒的分散度控制在適度絮凝的粗分散狀態(tài)。第36頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月2.石灰鉆井液(1)主要處理劑丹寧、石灰、燒堿，有時也加入褐煤堿液控制濾失量。(2)維護3.石膏鉆井液(1)與石灰鉆井液的區(qū)別1)石膏的溶解度比石灰大得多，因此石膏鉆井液比石灰鉆井液含Ca2+量高而堿度低，因而可以增加其對粘土的抑制效果；2)當鉆遇大段石膏時，適合使用這種鉆井液。因為它可以限制石膏層的溶解；3)只要固相含量控制在所要求的范圍內(nèi)，它比石灰鉆井液的抗鹽能力強；4)因為其堿度低，這種鉆井液對高溫固化的敏感性比其它鈣處理鉆井液低。（2）鉆井液類型石膏鉆井液的主要類型有：1)混合劑－石膏鉆井液：混合劑由褐煤、燒堿、丹寧、純堿及水組成，比例為5∶4∶1∶5∶25。2)FCLS－石膏鉆井液：鉆井液用鐵鉻木質(zhì)素磺酸鹽作為稀釋劑，鈉羧甲基纖維素作為降失水劑。4.褐煤－CaCl2鉆井液(1)原理(2)維護第37頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月三、含鹽鉆井液1.定義和分類

凡含鹽超過1.0104mg/L(氯離子含量6000mg/L)的鉆井液統(tǒng)稱為含鹽鉆井液。它包括三種類型：1)鹽水鉆井液。其含鹽量自1％開始直到飽和以前都屬于此類。2)海水鉆井液。它是一種由海水配成的含鹽鉆井液，不僅含有約3104mg/L的鹽(NaCl)，且含有一定量的Ca2＋及Mg2＋。3)飽和鹽水鉆井液。其含鹽量已達飽和，即濃度為3.15105mg/L左右(視溫度而變化)。2.NaCl對鉆井液性能的影響

氯化鈉對水化膨潤土鉆井液的影響規(guī)律是：隨著氯化鈉的增加，粘度開始急劇上升，而后下降，最后粘土加到不同濃度的鹽水溶液中配成鉆井液時，又有所增加；濾失量則是連續(xù)增加。若把干粘土加到不同濃度的鹽水溶液中配成鉆井液時，粘度即隨含鹽量的增加開始持續(xù)下降，而后基本上保持不變；濾失量則大幅度地持續(xù)上升，這是由于膨潤土在鹽水中不水化分散而造成的。由此可以說明含鹽鉆井液能有效地抑制泥頁巖的水化分散作用，具有良好的防塌效果，是抑制性較強的一種鉆井液。第38頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月除此之外，NaCl在鉆井液中還會引起下述的變化：1)降低鉆井液的pH值。當鈉鹽增多時，粘土顆粒上的H＋被Na＋置換下來，引起鉆井液pH值的降低。2)降低化學處理劑的溶解度和效能。3)引起鉆具等設(shè)備的腐蝕。4)引起鉆井液產(chǎn)生泡沫。3.處理劑的選擇(1)護膠劑的選擇(2)配漿土選擇4.優(yōu)點1)抗鹽抗鈣能力強，適用于鉆含鹽地層和深井；2)可有效地抑制泥頁巖水化，防止井塌；3)有效地抑制地層造漿，鉆井液性能穩(wěn)定，流動性好；4)對油層損害小。第39頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月四、鉀基鉆井液鉀基鉆井液是以各種鉀鹽為主處理劑的水基鉆井液。國內(nèi)外實踐表明鉀基鉆井液可使井壁穩(wěn)定、井下安全，具有明顯的防塌效果。1.鉀基鉆井液類型與成分

(1)KCl－聚合物鉆井液(2)KCl分散型鉆井液(3)KOH－褐煤鉆井液(4)KOH－木質(zhì)磺酸鹽鉆井液(5)鉀石灰鉆井液第40頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月2.防塌機理

(1)K＋的作用在易水化膨脹的蒙脫石粘土礦物中，每一個晶胞都是由兩個硅氧四面體片夾一個鋁氧八面體片組成。裸露在晶胞表面的是硅氧四面體的六角環(huán)形氧原子層，其內(nèi)切圓直徑為0.28nm，K＋的直徑是0.266nm，而且K＋比其它可交換性陽離子有更強的吸附能力，所以，K＋極易把粘土表面的其它陽離子置換出來而吸附在粘土表面。1)K＋吸附能力強，但水化差，吸附在粘土表面后，嵌入粘土晶格，因而它比其它陽離子更靠近粘土負電荷中心，降低了粘土的負電位，而鉀離子本身又是水化很差的離子，于是降低了粘土的水化能力；2)K＋嵌入粘土晶格，增強了晶層間的連接力，使粘土不易膨脹分解；3)K＋嵌入粘土晶格，使粘土層面形成封閉結(jié)構(gòu)，防止粘土表面水化。(2)聚合物的作用鉀鹽鉆井液中的聚合物是絮凝劑而不是分散劑，聚合物吸附在粘土表面，包住粘土顆粒，從而起到封閉隔水作用，抑制粘土的水化。鉀褐煤還可提供K＋，使泥餅致密堅韌，降低鉆井液濾失量，從而起到保護泥頁巖，防止井塌的作用。鉀石灰鉆井液主要用來對付非高度膨脹性頁巖，其原理是：對于非膨脹性頁巖，其水化程度較低的粘土片間距為1.5nm，比水化了的Ca2＋小而比K＋大得多，因此Ca2＋不能進入土片之間，它優(yōu)先吸附在粘土顆粒表面上，占去交換位置，減少K＋的消耗，使K＋能更多地進入粘土晶格內(nèi)，而起到更好的防塌作