==密度和壓力平衡==

鉆井液密度MW（Mud Weight)或SG(specific gravity）

   通過泥漿液柱對(duì)井壁和井底產(chǎn)生壓力，以平衡地層的油氣水壓力及巖石的側(cè)壓力，防止井噴、地層流體侵入及保護(hù)井壁。另外泥漿密度對(duì)巖屑產(chǎn)生浮力，增大泥漿密度可以提高泥漿攜帶巖屑的能力。密度秤的正常誤差為0.01g/cm³

當(dāng)量循環(huán)密度（ECD）和環(huán)空密度

當(dāng)量循環(huán)密度：考慮了由于泥漿流動(dòng)而增加的附加壓耗；

環(huán)空密度：在當(dāng)量循環(huán)密度基礎(chǔ)上考慮了由于井筒內(nèi)巖屑產(chǎn)生的附加壓耗；

鉆井液密度的作用

• 平衡地層壓力，防止井噴、井漏和鉆井液受地層流體的污染；

• 平衡地層壓力，保持井壁穩(wěn)定，防止井塌；

• 實(shí)現(xiàn)近平衡鉆井技術(shù)，減少壓持效應(yīng)，提高機(jī)械鉆速；

• 合理選擇打開油氣層的鉆井液密度，減少鉆井液對(duì)產(chǎn)層的傷害。

密度對(duì)鉆速的影響

   泥漿密度越高，產(chǎn)生的液柱壓力越大，井底壓差越大，機(jī)械鉆速減小。

鉆井液密度的控制

• 密度過高：增大正向壓差，對(duì)儲(chǔ)層污染加重；

• 液柱壓力增大，增大井底巖石可鉆強(qiáng)度并引起井底巖石的重復(fù)切削

• 密度過低：井壁不穩(wěn)定，油氣層壓力無法控制

確定泥漿密度的原則

• 根據(jù)地質(zhì)資料確定，在正常情況下盡可能使用低密度；

• 鉆開油氣層盡可能近平衡鉆進(jìn)，既要保護(hù)油氣層又要防噴，做到“壓而不死，活而不噴”；

• 近平衡鉆進(jìn)要在起鉆時(shí)考慮可能存在的“抽吸作用”，增加附加密度；

• 鉆穿高壓鹽水層時(shí)為了防止鹽水的污染，應(yīng)提高密度采取“堅(jiān)決壓死”的措施對(duì)易縮徑和易剝落掉塊的地層，應(yīng)適當(dāng)提高泥漿的密度；

鉆井液密度升高可能因素

• 加入加重材料；

• 鉆屑累積；

• 快速鉆進(jìn)而泵排量跟不上會(huì)使井內(nèi)鉆井液密度升高；

• 增大鉆井液屈服值會(huì)使當(dāng)量循環(huán)密度升高；

• 增大泵排量或泵壓會(huì)使當(dāng)量循環(huán)密度升高；

• 加入較多電解質(zhì)（鹽類）；

• 油基鉆井液加入較高密度的鹽水；

• 加入較高密度的新漿

鉆井液密度下降可能因素

• 加入比鉆井液密度低的清水；

• 井下油氣侵；

• 加油；

• 加入較低密度的新漿或膠液；

• 加強(qiáng)固相清除；

• 用離心機(jī)清除（或回收）高密度固相；

• 降低鉆井液屈服值或減少泵排量及泵壓能使井下當(dāng)量循環(huán)密度下降；

• 充氣配制成充氣鉆井液或使用泡沫鉆井液；

• 鉆進(jìn)速度較低情況下提高泵排量有可能使井內(nèi)鉆井液密度降低。

==相關(guān)概念==

靜液壓力

   靜液壓力是由液柱重量引起的壓力。它的大小和液體密度及垂直高度有關(guān)，而和液柱的橫向尺寸及形狀無關(guān)。

   通常把單位高度(或深度)增加的壓力值稱為壓力梯度，靜液壓力梯度受液體密度的影響和含鹽濃度、氣體的濃度以及溫度梯度的影響。

上覆巖層壓力

  某處地層上覆巖層壓力是指覆蓋在該地層以上的地層基質(zhì)(巖石)和孔隙中流體(油氣水)的總重量造成的壓力。巖石密度與孔隙度的大小和埋藏的深度有關(guān)。

地層壓力

地層壓力是指作用在巖石孔隙內(nèi)流體(油氣水)上的壓力，也叫地層孔隙壓力。正常地層壓力等于從地表到地下該地層處的靜液壓力。其值大小與沉積環(huán)境有關(guān)。

地層破裂壓力

在井中一定深度處的地層，其承受壓力的能力是有限的，當(dāng)壓力達(dá)到某一值時(shí)會(huì)使地層破裂，這個(gè)壓力稱為地層的破裂壓力pf。地層破裂壓力的大小取決于許多因素，如上覆巖層壓力、地層壓力、巖性、地層年代、埋藏深度以及該處巖石的應(yīng)力狀態(tài)。

安全密度窗口

介于地層破裂壓力和地層壓力之間的鉆井液密度范圍。

==鉆井液的流變性==

   鉆井液流變性(rheologicalproperties of DF)是在外力作用下，鉆井液流動(dòng)和變形的特性。如鉆井液的塑性粘度、動(dòng)切力、表觀粘度、有效粘度、靜切力和觸變性等性能都屬流變性參數(shù)。

泥漿的流變性對(duì)鉆井的影響

• 影響攜帶巖屑，保證井底清潔。

• 影響懸浮巖屑與重晶石

• 影響機(jī)械鉆速–

• 影響井眼規(guī)則和井下安全。

剪切應(yīng)力與剪切速率

   剪切速率(shear rate)：在垂直于流動(dòng)方向上單位距離內(nèi)流速的增量(dv/dx)。-

   剪切應(yīng)力(shear stress)：液體流動(dòng)過程中，單位面積上抵抗流動(dòng)的內(nèi)摩擦力。

流體的基本流型

牛頓流體：剪切應(yīng)力與剪切速率成正比。塑性流體：賓漢流體，適合于水基鉆井液體系。

假塑性流體：冪律流體，適合于高分子聚合物體系膨脹流體

常用流變參數(shù)

粘度(viscosity)

定義：鉆井液流動(dòng)時(shí)，固體顆粒之間、固體顆粒與液體之間、以及液體分子之間的內(nèi)摩擦的總反映。–影響泥漿粘度的基本因素?粘土含量（含量大，粘度大）?土粒的分散度（增加塑性粘度）?土粒的聚結(jié)穩(wěn)定狀況或絮凝強(qiáng)度（結(jié)構(gòu)粘度）?高分子處理劑的性質(zhì)、分子量和濃度。

漏斗粘度

定義：用漏斗粘度計(jì)測得的一定體積流體(700ml)流出500ml所經(jīng)歷的時(shí)間。單位為秒。漏斗粘度與泥漿的塑性粘度、屈服值、以及儀器的尺寸和形狀有關(guān)。

結(jié)構(gòu)粘度

定義：分散相顆粒之間的相互作用或空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)給流動(dòng)增加的摩擦力，與泥漿的屈服值（t0）緊密相關(guān)。

剪切稀釋性–

   定義：表觀粘度隨剪切速率增大而降低的現(xiàn)象–對(duì)于賓漢流體，h_塑越低，t₀越高，即t₀／h_塑比值越大，剪切稀釋能力越高。

  在實(shí)際鉆井井眼的各個(gè)部位處（如鉆桿內(nèi)、鉆頭水眼處、環(huán)空等），其剪切速率各不相同，導(dǎo)致各處的有效粘度各不相同。t₀／h_塑比值大者，剪切稀釋能力強(qiáng)，有利于高壓噴射鉆井；同時(shí)在低剪切速率下會(huì)顯著增稠，有利于帶砂。

靜切力、動(dòng)切力

   鉆井液的切力是指靜切力，其膠體化學(xué)的實(shí)質(zhì)是凝膠強(qiáng)度，凝膠強(qiáng)度取決于單位體積中結(jié)構(gòu)鏈環(huán)的數(shù)目和單個(gè)鏈環(huán)的強(qiáng)度。鉆井液的動(dòng)切力：反映層流流動(dòng)時(shí)，粘土顆粒之間及高聚物分子之間的相互作用力（形成空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的能力）。

觸變性(thixotropy)–

   定義:攪拌后泥漿變?。ㄇ辛档停o置后泥漿變稠（切力升高）的特性。–表示方法：觸變性的表示：10秒鐘切力（初切）、10分終切力（終切）–鉆井工藝要求鉆井液具有良好的觸變性，在泥漿停止循環(huán)時(shí)，切力能較快地增大到某個(gè)適當(dāng)?shù)臄?shù)值，即有利于鉆屑的懸浮，又不致于靜置后開泵泵壓過高。

流變參數(shù)的調(diào)整

• 降低PV：通過合理使用固控設(shè)備、加水稀釋或化學(xué)絮凝等方法，盡量減小固相含量。

• 提高PV：加入低造漿率的粘土、混入原油；增加聚合物的濃度使鉆井液的濾液粘度提高。

• 降低YP：加入適合于本體系的降粘劑，以拆散鉆井液中已形成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。如果是因?yàn)镃a²⁺、Mg²⁺的絮凝作用，可使其沉淀減弱因鈣鎂離子形成的結(jié)構(gòu)。

• 提高YP：可加入預(yù)水化膨潤土或增大聚合物的加量，對(duì)于鈣處理或其它鹽水鉆井液，可適當(dāng)增加Ca²⁺、Na⁺濃度。

• 降低n值：增加鉆井液中高分子量聚合物和無機(jī)鹽的含量，以及將預(yù)水化膨潤土加入鹽水鉆井液體系，均可使n值降低。

• 降低或提高K值：與調(diào)整PV、YP基本相同。

鉆井液流變性與鉆井的關(guān)系

1、影響鉆井速度

• 通過水力參數(shù)影響鉆井速度，粘度影響水功率的傳遞，粘度影響ECD(Equivalent Circulating Density)的大小，產(chǎn)生壓持效應(yīng)，降低鉆速。

• 剪切稀釋特性?影響水功率的傳遞。

2、鉆井液的流變性與井眼凈化的關(guān)系

• 鉆屑在井筒內(nèi)的運(yùn)移過程  

  層流：尖峰型層流的缺點(diǎn)  

  紊流：有利于攜巖

• 紊流缺點(diǎn) 、排量大、泵壓高  、表觀粘度低、巖屑下沉速度較大、井壁沖刷、不利于井壁穩(wěn)定。

• 鉆柱旋轉(zhuǎn)

3、鉆井液的流變性與井壁穩(wěn)定的關(guān)系

• 力學(xué)因素引起的井壁不穩(wěn)定：井壁巖石三個(gè)主應(yīng)力的可能排布，當(dāng)s1和s3（最大和最小主應(yīng)力）的差值大于巖石的強(qiáng)度時(shí)，便發(fā)生剪切破壞

• 化學(xué)因素引起的井壁不穩(wěn)定：防止頁巖的水化膨脹

• 鉆井液的流變性及流態(tài)與井壁穩(wěn)定相關(guān)。

4、鉆井液的流變性與井內(nèi)壓力激動(dòng)的關(guān)系

     起下鉆和鉆井過程中，由于鉆柱的上下移動(dòng)、泥漿泵的開動(dòng)等原因，使井內(nèi)液柱壓力產(chǎn)生變化的現(xiàn)象。

    影響激動(dòng)壓力的因素：鉆柱運(yùn)動(dòng)速度、鉆頭及鉆柱的泥包程度、環(huán)形空間的間隙、井深、泥漿性能（粘度、切力）。

==濾失和潤滑性能==

   濾失量(失水filtrationloss)是泥漿中的自由水在壓差的作用下向具有孔隙的地層滲濾的現(xiàn)象。類型：瞬時(shí)失水(spurt)、動(dòng)失水(dynamic loss)、靜失水(static loss)。

鉆井液濾失量的參數(shù)

1、API濾失量(失水)

在常溫環(huán)境中,壓力在100±5psi (690±35 kPa)的狀態(tài)下,30分鐘測得的濾液體積

2、HTHP濾失量(失水)

模擬實(shí)際溫度, 頂部壓力為600psi (4140kPa)，回壓為100psi時(shí)，30分鐘測得的濾液體積的2倍。 

==鉆井液的泥餅質(zhì)量==

1、泥餅質(zhì)量的控制

      泥漿中固相的種類與分布及粘土的水化分散程度決定了泥餅的質(zhì)量，優(yōu)質(zhì)土及泥餅改善材料(PF-TEX,PF-GRA)的加入均能較好的改善泥餅的質(zhì)量

泥餅質(zhì)量的評(píng)價(jià)：

    外觀：薄、韌性強(qiáng)，性能評(píng)價(jià)：采用測量滲透失水的辦法，即使用該泥餅用清水做API失水量或HTHP失水量，來判斷泥餅的封堵能力,任何情況下我們都是希望獲得質(zhì)量更好的泥餅的。

2、鉆井液濾失量的危害

失水量過高的危害：

• 地層被長時(shí)間浸泡后造成井眼縮徑及泥、頁巖的剝落、坍塌

• 水分滲入生產(chǎn)層，使油層粘土膨脹，油氣層滲透率降低，生產(chǎn)能力下降

• 泥餅質(zhì)量不好的危害：

• 泥餅厚而松散，摩擦系數(shù)高，使鉆具與井壁接觸面積增大，泥餅粘附卡鉆風(fēng)險(xiǎn)大

• 易泥包鉆頭或堵死鉆頭水眼

• 起鉆時(shí)上提力增加

• 妨礙套管下入，影響固井水泥漿與井壁間的膠結(jié)

• 電測易遇阻遇卡，影響井壁取樣

3、鉆井液的失水過程

   鉆井液內(nèi)的水=化學(xué)結(jié)合水+吸附水+自由水瞬時(shí)失水。

   新井形成瞬間，泥漿水便向地層滲透，未形成泥餅動(dòng)失水。在泥漿循環(huán)的情況下，泥餅建立、增厚、直至平衡而失水速度也由開始較大逐漸減少至恒定。

   靜失水：停止循環(huán)時(shí)，不存在泥漿液流對(duì)泥餅的沖刷力，隨著失水的進(jìn)行，泥餅逐漸加厚，失水也逐漸減少。

   靜失水量越大，泥餅越厚，泥餅中的固相體積含量Cc與鉆井液中固相體積含量Cm的比值越大，泥餅厚度反而降低，當(dāng)鉆井液中的固相含量增大到接近于泥餅中的固相含量時(shí)，泥餅厚度將大幅度增加，故應(yīng)該選擇優(yōu)質(zhì)粘度作為配漿的材料。

  泥餅滲透率是降低失水的關(guān)鍵因素。影響泥餅滲透率的主要因素有鉆井液中固相粒子的粒度和粒度級(jí)配以及粒子的濃度。鉆井液中細(xì)粒子越多，平均粒徑越小，泥餅滲透率越低；固相顆粒分布越寬，泥餅滲透率越??；泥餅中的滲透率還取決于鉆井液中膠體粒子（d<10-5μm）的比例和含量。

4、失水與造壁性與鉆井的關(guān)系

• 泥漿失水過大會(huì)引起：水敏性泥巖、頁巖的垮塌、縮徑、損害油氣層。

• 泥餅厚會(huì)引起：引起上提力增加，甚至發(fā)生泥餅卡鉆。易引起鉆頭泥包，使起下鉆壓力激動(dòng)增大。妨礙套管下入，固井時(shí)不利于水泥與井壁的膠結(jié)。

• 對(duì)失水和泥餅的要求：在成本可行的條件下，盡量降低失水并控制自由水的性質(zhì)。–泥餅：薄、致密、韌性好。

5、失水和造壁性的調(diào)節(jié)

  控制泥漿的失水和造壁性，關(guān)鍵要控制泥餅的滲透性，而泥餅的滲透性決定于構(gòu)成泥餅的粘土及其它顆粒的尺寸、形狀與水化程度。

  具體措施

• 使用膨潤土，以便形成致密泥餅加入適量純堿、燒堿或有機(jī)分散劑，提高粘土顆粒的分散度。

• 加入CMC或其它聚合物，以保護(hù)粘土顆粒，CMC 起堵孔作用。

• 加入極細(xì)的膠體粒子。

6、鉆井液濾失量的控制原則

   泥漿的失水量不是越小越好石灰?guī)r、白云巖、膠結(jié)致密的砂巖受失水量的影響很小優(yōu)快鉆井決定了上部地層的失水量不做嚴(yán)格控制，從而解放鉆速儲(chǔ)層段必須控制較小的失水量對(duì)易吸水膨脹和易坍塌的地層，失水量應(yīng)嚴(yán)格控制井淺時(shí)可放寬，井深時(shí)應(yīng)從嚴(yán)裸眼時(shí)間短可放寬，裸眼時(shí)間長應(yīng)從嚴(yán)。

7、鉆井液性能概述-含砂量

  泥漿含砂量：

泥漿中不能通過200目篩（0.074毫米）的砂子體積占泥漿體積的百分?jǐn)?shù)。

通常應(yīng)控制泥漿含砂量在0.5%以下，否則有以下危害：

• 泥漿密度升高，降低鉆井速度

• 泥餅?zāi)Σ料禂?shù)增大，易造成泥餅粘附卡鉆

• 泥餅含砂量增高，使泥餅滲透性增強(qiáng)，造成失水增大

• 泥餅厚而松散，使電測遇阻遇卡，固井質(zhì)量不好

• 鉆頭、鉆具和機(jī)械設(shè)備磨損嚴(yán)重
  

==鉆井液的PH值==

PH值的控制

• 泥漿中的粘土顆粒在堿性介質(zhì)中，陽離子交換容量較大，故較穩(wěn)定；

• 部分有機(jī)處理劑在堿性環(huán)境中形成鈉鹽后才能更好的發(fā)揮作用；

• PH值過低使有機(jī)處理劑容易在高溫下發(fā)酵變質(zhì)；

• PH值過高時(shí)（通常>10時(shí)），OH^-在粘土表面吸附會(huì)造成粘土的水化和膨脹，不利于防塌，也不利于油層保護(hù)；

• 常規(guī)的水基泥漿PH通?？刂圃?~9為宜；

• Cl^-含量：可估算出大致的鉆井液礦化度和K⁺含量，同時(shí)也是鹽侵的判斷參數(shù)；

• K⁺含量：含KCl或其他鉀鹽時(shí)測量，做為補(bǔ)充鉀鹽的依據(jù)；

• Ca²⁺含量：反映泥漿硬度參數(shù)之一，同時(shí)也是水泥侵和石膏侵的判斷參數(shù)；

• Pf:濾液的酚酞堿度，可較PH值更加具體的分析濾液的酸堿度；

• Mf:濾液的甲基橙堿度，可較PH值更加具體的分析濾液的酸堿度；

• Pf/Mf：可輔助判斷HCO₃^-或CO₃^2-的侵污；

• MBT（亞甲基籃交換容量）：反映泥漿中含分散粘土成分的多少，轉(zhuǎn)化泥漿前也可做置換泥漿量的參考依據(jù)。

• Pm:泥漿的酚酞堿度，可較PH值更加具體的分析泥漿的酸堿度。