钻孔冲洗介质

第 六 讲 钻 孔 冲 洗 介 质 第 一 节 概 述一 、 钻 孔 冲 洗 介 质 的 功 用钻 孔 中 的 冲 洗 介 质 又 称 钻 探 的 “ 血 液 ” 。 一 旦 钻 孔 中 冲洗 介 质 停 止 循 环 ， 或 者 选 择 不 当 时 ， 就 会 发 生 烧 钻 ， 钻 进 时破 碎 的 岩 粉 不 能 及 时 排 出 孔 外 ， 甚 至 不 能 进 尺 。 同 时 还 会 发生 孔 壁 坍 塌 夹 埋 钻 具 等 一 系 列 孔 内 事 故 。因 此 ， 正 确 选 择 和 合 理 使 用 冲 洗 介 质 是 提 高 钻 探 效 率 和降 低 钻 探 成 本 的 必 要 手 段 。 钻 孔 冲 洗 介 质 的 主 要 功 用 有 ：1 冷 却 钻 头 钻 头 在 破 碎 孔 底 岩 石 时 ， 因 磨 擦 而 产 生 大 量 的 热 ， 如 不 及时 冷 却 ， 会 使 切 削 具 很 快 摩 损 ， 降 低 破 碎 岩 石 的 效 率 ， 甚 至 会发 生 烧 钻 事 故 。2 清 洗 孔 底 把 破 碎 的 岩 粉 及 时 的 排 出 孔 外 ， 以 防 岩 粉 在 孔 底 堆 积 产 生重 复 破 碎 ， 增 加 钻 头 、 钻 具 的 磨 损 ， 影 响 钻 头 的 寿 命 和 钻 进 效率 。 故 要 求 冲 洗 介 质 具 有 较 大 的 输 送 及 悬 浮 岩 粉 的 能 力 。 3 保 护 孔 壁 在 钻 进 中 ， 由 于 破 坏 了 岩 层 的 平 衡 状 态 ， 如 果 岩 层 本 身稳 定 性 差 ， 易 发 生 变 形 甚 至 坍 塌 。 因 此 ， 冲 洗 介 质 应 具 有 一定 的 比 重 以 平 衡 地 层 的 压 力 。 同 时 还 要 求 冲 洗 介 质 具 有 造 壁性 能 ， 能 在 孔 壁 上 形 成 一 层 薄 而 致 密 的 泥 皮 ， 以 保 护 孔 壁 。4 润 滑 钻 具 由 于 钻 具 在 孔 内 回 转 速 度 大 ， 阻 力 也 大 。 故 要 求 冲 洗 液在 钻 具 上 形 成 一 层 润 滑 层 ， 减 少 功 率 的 损 耗 、 钻 具 的 磨 损 ，提 高 钻 具 的 使 用 寿 命 。 5 其 他 功 能随 着 钻 探 技 术 的 发 展 ， 冲 洗 液 还 可 以 起 到 以 下 功 能（ 1） 破 碎 孔 底 岩 石 ,它 又 包 括 ：A.直 接 破 碎 岩 石 ， 如 石 油 钻 井 总 的 高 压 喷 射 钻 井 ， 液 力切 割 岩 石 ；b.驱 动 孔 底 动 力 机 带 动 钻 头 破 碎 岩 石 ， 如 液 力 冲 击 钻 进 ；c.对 岩 石 起 减 硬 效 应 ， 即 冲 洗 液 中 含 有 某 些 盐 时 ， 对 一些 岩 石 能 降 低 其 硬 度 ， 有 利 于 钻 头 破 碎 岩 石 。 （ 2） 输 送 岩 矿 心 至 地 表 ， 反 循 环 连 续 取 心 钻 进 利 用 冲 洗 液的 循 环 ， 将 钻 头 钻 取 的 岩 矿 心 连 续 不 断 的 通 过 钻 杆 内 孔 输送 出 地 表 。（ 3） 传 递 孔 底 信 息 ， 实 行 自 动 测 试 和 控 制 ， 孔 底 信 息 可 通过 冲 洗 介 质 传 输 到 地 表 。 二 、 冲 洗 介 质 的 类 型 及 适 用 条 件目 前 钻 探 中 常 用 的 冲 洗 介 质 类 型 有 ：1 清 水 清 水 粘 度 小 ， 因 此 钻 具 回 转 和 水 泵 工 作 阻 力 小 ； 液 柱 压力 对 阻 碍 孔 底 岩 石 破 碎 的 影 响 小 ， 故 钻 进 效 率 比 用 泥 浆 时 高 ；清 水 中 岩 粉 容 易 净 化 ， 对 钻 具 和 水 泵 的 磨 损 小 ； 此 外 清 水 洗孔 成 本 低 ， 操 作 方 便 ， 机 场 清 洁 。 因 此 ， 在 稳 固 的 岩 层 和 钻 孔 深 度 不 大 的 漏 失 地 区 （ 当 水源 丰 富 时 ） 应 尽 量 采 用 清 水 作 为 钻 孔 冲 洗 介 质 。 2 泥 浆 泥 浆 是 由 优 质 粘 土 与 水 混 合 后 （ 根 据 不 同 的 地 层 需 要加 入 一 定 数 量 的 有 机 或 无 机 化 学 处 理 剂 ， 以 改 善 泥 浆 的 性能 ） 所 形 成 的 一 种 胶 体 悬 浮 液 。 在 复 杂 地 层 钻 进 时 多 采 用 这 类 冲 洗 液 冲 洗 钻 头 。 通 过对 泥 浆 性 能 的 调 整 ， 能 有 效 地 对 付 涌 水 、 井 喷 、 部 分 漏 失 、钻 孔 缩 径 、 坍 塌 掉 块 等 许 多 复 杂 情 况 。 3 乳 化 液 这 类 冲 洗 液 的 基 本 组 成 成 分 为 油 （ 机 油 或 重 柴 油 ）和 乳 化 剂 （ 即 表 面 活 性 剂 和 水 ） 通 过 强 力 搅 拌 配 成 。乳 化 液 具 有 良 好 的 润 滑 、 冷 却 、 排 粉 、 减 振 等 性 能 。 4 空 气 采 用 压 缩 空 气 或 高 压 天 然 气 冲 洗 钻 孔 ， 国 内 外 在 石 油 钻井 中 应 用 较 多 ， 近 年 来 在 岩 芯 钻 探 中 也 开 始 采 用 。 由 于 空 气 的 比 重 小 ， 流 速 快 ， 有 利 于 孔 底 清 洁 和 提 高 钻速 。 特 别 是 在 干 旱 缺 水 地 区 具 有 重 要 的 经 济 意 义 。 纯 空 气 钻 进 只 适 用 于 干 燥 地 层 。 在 潮 湿 地 层 易 泥 包 粘 卡钻 具 。 如 果 将 高 压 空 气 中 混 入 一 定 比 例 的 发 泡 溶 液 形 成 空 气泡 沫 ， 空 气 泡 沫 能 适 用 于 含 水 地 层 。 5.无 固 相 冲 洗 液无 固 相 冲 洗 液 是 含 有 无 机 盐 和 有 机 高 分 子 （ 或 聚 合 物 ）的 溶 液 ， 它 与 泥 浆 相 比 ， 因 不 含 固 相 ， 比 重 低 ， 因 而 有 较 高的 钻 进 速 度 。 它 的 性 能 也 可 在 一 定 的 范 围 内 调 节 ， 因 而 与 清 水 相 比 有叫 好 的 携 带 岩 屑 和 悬 浮 岩 屑 的 能 力 。 它 可 在 孔 壁 上 形 成 薄 膜而 起 保 护 孔 壁 的 作 用 。 由 于 这 些 特 点 ， 随 着 各 种 聚 合 物 的 发展 ， 无 固 相 冲 洗 液 在 钻 探 中 得 到 愈 来 愈 广 泛 的 应 用 。 第 二 节 钻 探 泥 浆一 、 概 述（ 一 ） 泥 浆 的 组 成 泥 浆 是 粘 土 在 水 中 均 匀 混 合 后 ， 形 成 的 一 种 胶 体悬 浮 液 。 粘 土 在 水 中 混 合 后 ， 粘 土 中 放 出 的 离 子 与 水中 放 出 的 离 子 进 行 交 换 ， 使 粘 土 颗 粒 带 电 。 由 于 电 荷的 作 用 使 粘 土 颗 粒 吸 附 水 ， 粘 土 颗 粒 表 面 形 成 一 层 水化 膜 。 这 种 作 用 叫 水 化 作 用 。 由 于 造 浆 粘 土 片 状 的 颗 粒 的 边 角 部 分 水 化膜 较 薄 ， 易 互 相 粘 连 ， 使 粘 土 颗 粒 连 结 在 一 起形 成 连 续 的 网 状 结 构 ， 如 图 2-3-4所 示 。 自 由水 被 包 围 在 网 状 结 构 内 。这 种 网 状 结 构 的 形 成 ， 使 泥 浆 具 备 了 粘 度 、切 力 、 比 重 和 阻 止 泥 浆 向 孔 壁 失 水 等 一 系 列 性能 。 且 这 些 性 能 可 通 过 处 理 剂 进 行 调 整 ， 以 达到 在 各 地 层 钻 进 时 对 泥 浆 性 能 的 要 求 。 （ 二 ） 泥 浆 的 类 型目 前 钻 探 中 使 用 的 泥 浆 类 型 有 ： 水 基 泥 浆 、 低 固 相 泥 浆 、混 油 泥 浆 、 充 气 泥 浆 。1 水 基 泥 浆以 水 为 分 散 介 质 组 成 的 泥 浆 。 其 主 要 组 成 是 粘 土 、 水 和化 学 处 理 剂 。 其 中 粘 土 为 分 散 相 ， 水 为 分 散 介 质 。 水 基 泥 浆是 钻 探 中 使 用 最 久 ， 应 用 广 泛 的 一 种 泥 浆 。属 于 这 种 类 型 的 泥 浆 有 ： （ 1） 淡 水 泥 浆 ： （ 2） 盐 水泥 浆 ： （ 3） 钙 处 理 泥 浆 （ 1） 淡 水 泥 浆淡 水 泥 浆 的 使 用 最 早 ， 又 称 为 细 分 散 泥 浆 。 它 是 用粘 土 、 淡 水 和 一 般 处 理 剂 组 成 。 其 含 盐 量 （ NaCl） 1%，含 钙 量 （ Ca2+） 120ppm。淡 水 泥 浆 的 特 点 是 固 相 （ 粘 土 ） 含 量 高 且 高 度 分 散于 水 中 。 通 过 高 含 量 粘 土 的 分 散 程 度 来 调 整 泥 浆 的 各 种性 能 ， 以 满 足 地 层 的 要 求 。 （ 2） 盐 水 泥 浆用 氯 化 钠 （ NaCl） 1%的 盐 水 和 粘 土 配 制 的 泥 浆 称 为 盐水 泥 浆 ， 其 含 盐 量 多 少 视 地 层 而 定 。 如 在 盐 层 中 钻 进 时 ， 需用 含 盐 量 达 到 饱 和 状 态 的 饱 和 盐 水 泥 浆 。 使 用 中 还 要 在 泥 浆中 加 入 某 些 有 机 处 理 剂 ， 以 达 到 泥 浆 的 某 些 性 能 要 求 。（ 3） 钙 处 理 泥 浆钙 处 理 泥 浆 是 在 淡 水 泥 浆 中 加 入 絮 凝 剂 （ 如 石 灰 、 石 膏 、氯 化 钙 ） 配 制 而 成 的 。 并 用 稀 释 和 降 失 水 剂 来 调 整 其 性 能 。其 主 要 用 于 抑 制 钻 进 地 层 的 吸 水 膨 胀 ， 防 止 钻 孔 缩 径 。 2 低 固 相 泥 浆凡 粘 土 含 量 （ 重 量 计 ） 10%（ 如 以 体 积 计 ， 小 于 36%）的 泥 浆 ， 称 为 低 固 相 泥 浆 。这 种 泥 浆 比 重 小 ， 流 动 性 好 ， 护 壁 性 能 好 ， 并 有 利 于 提高 机 械 钻 速 。 常 用 于 松 散 坍 塌 地 层 、 溶 胀 性 地 层 和 水 敏 性 地层 。 3 混 油 泥 浆在 上 述 各 种 泥 浆 中 ， 按 照 需 要 加 入 若 干 数 量 的 柴 油 或 原油 ， 形 成 水 包 油 型 （ 即 O/W型 ） 混 油 乳 化 泥 浆 。 这 种 泥 浆 的流 动 性 好 、 润 滑 性 好 ， 摩 擦 系 数 低 。4 充 气 泥 浆充 气 泥 浆 是 在 原 泥 浆 的 基 础 上 ， 加 入 一 定 数 量 的 发 泡 剂 ，并 对 泥 浆 充 气 。 充 气 后 泥 浆 内 含 有 细 小 的 泡 沫 ， 使 泥 浆 的 比重 降 低 到 0.60.95。 由 于 泥 浆 的 比 重 低 ， 在 漏 失 地 层 钻 进 具有 良 好 的 效 果 。 （ 此 外 ， 石 油 钻 井 还 常 用 油 基 泥 浆 。 ） 第 三 章 钻 井 液 性 能 及 测 试工 程 学 院窦 斌 博 士 、 教 授2010年 7月 钻 井 液 的 性 能 是 钻 井 液 的 组 成 以 及 其 各 组 分 间 相 互 物 理化 学 作 用 的 宏 观 反 映 ， 它 是 反 映 钻 井 液 质 量 的 具 体 参 数 。钻 井 液 性 能 及 其 变 化 ， 直 接 影 响 着 机 械 钻 速 、 钻 头 寿 命 、孔 壁 稳 定 、 孔 内 净 化 和 预 防 孔 内 问 题 等 一 系 列 钻 井 工 艺 问 题 。钻 井 液 的 主 要 性 能 有 钻 井 液 的 比 重 、 固 相 含 量 、 钻 井 液的 流 变 特 性 （ 粘 度 和 切 力 ） 、 钻 井 液 的 滤 失 性 能 （ 钻 井 液 的失 水 量 和 泥 饼 厚 度 ） 、 以 及 钻 井 液 的 含 砂 量 、 润 滑 性 、 胶 体率 和 pH 值 等 。