钻井液基本知识
钻井液是用于钻井的流体，在钻井中的功用：1、清洗井底，悬浮携带岩屑，保持井眼清洁。2、平衡地层压力，稳定井壁、防止井塌、井喷、井漏。3、传递水功率、以帮助钻头破碎岩石。4、为井下动力钻具传递动力，5、冷却钻头、钻具。6、利用钻井液进行地质、气测录井。钻井液常规性能对钻井工作有很大的影响。
一、钻井液密度
1、钻井液密度概念：单位体积钻井液的质量称为钻井液的密度，其单位是克/厘米3（g/cm3）常用符号表示。现场一般用钻井液密度计测定钻井液的密度。
2、钻井液密度的计算公式
P=(P地×102)÷H+Pe
P----钻井液密度g/cm3
式中：
P地----地层压力MPa
H-----井深m
Pe-----附加密度、油层附加0.05—0.1气层附加0.07—0.15
由于起钻时可能产生抽吸或液面下降，另外，气体进入井内，也会引起液柱压力降低，因此钻井液密度要有附加值。
3、钻井液密度与钻井工作的关系：在钻井作业中，钻井液密度的作用是通过钻井液柱对井底和井壁产生压力，以平衡地层中油、气压力和岩石侧压力、防止井喷、保护井壁，同时防止高压油气水侵入钻井液，以免破坏钻井液的性能引起井下复杂情况，在实际工作中，应根据具体情况，选择恰当的钻井液密度，若钻井液密度过小，则不能平衡地层流体压力，和稳定井壁，可能引起井喷、井塌、卡钻等事故，若钻井液密度过大则压漏地层，并易损害油气层。钻井液对钻速有很大的影响，密度大液柱压力也大，钻速变慢，因钻井液柱压力与地层压力之间的正压差使岩屑的清除受到阻碍。造成重复破碎，降低钻头破碎岩石的效率，使钻速下降，通常在保证井下情况正常的前提下，为了提高钻速，应尽量使用低密度钻井液。
二、钻井液粘度
1、钻井液的粘度概念:钻井液粘度是指钻井液流动时，固体棵粒之间,固体颗粒与液体分子之间,以及液体分子之间内摩擦的总反映,钻井液粘度可用漏斗粘度计和旋转粘度计进行测定,由于测定的方法不同,有不同的粘度值,现场常采用漏斗粘度计测量钻井液的粘度,单位是秒。
2、钻井液与钻井工作关系，钻井液粘度的大小，对钻井液携带岩屑能力有很大的影响，一般来说，.
. 钻井液粘度大，携带岩屑能力强，但在钻井过程中，钻井液粘度要适当，否则将会引起不良后果。若钻井液粘度过低，不利于携带岩屑，井内沉砂快，冲刷井壁，易造成井壁剥落，坍塌，井漏等，钻井液粘度过高，则可能造成下列危害：（1）流动阻力大，泵压高，井底清洗效果差，严重影响钻速。（2）钻头易泥包，起下钻易产生抽吸作用或压力激动。以至引起井漏、井喷、井塌等复杂情况。(3)沉砂困难,净化不良,磨损钻具和配件。(4)除气困难，钻井液密度下降，易引起下钻复杂情况。（5）岩屑在井壁形成假泥饼，易引起阻卡。（6）固井时水泥浆易串槽，影响固井质量。
因此、钻井液粘度的高低应根据具体情况而定，通常在保证携带岩屑的前提下，粘度应低，井深时泵压高，泵排量受限制，井眼情况一般比浅井复杂，为了有效的携带岩屑和悬浮岩屑，粘度易大些，当井眼出现垮塌，沉砂较多或出现轻度漏失时，为消除井下复杂情况，粘度也适当增大。从提高钻速的角度出发，对钻井液的粘度提出新的要求，既钻井液的粘度要随流速梯度上升而下降，这就是剪切降粘的特性。当钻井液从钻头水眼喷出时有较低的粘度，有利于钻头破碎岩屑。清洗井底，而在环形空间上返时又具有较高粘度，有利于携带岩屑，这个特性对提高钻速有利，除清水外多数钻井液具有剪切降粘的特性。
三、钻井液切力
1、钻井液切力概念：由于钻井渡中粘土颗粒的形状很不规则，表面性质也极不均匀，颗粒之间容易部分粘结，形成絮凝网架结构，当颗粒浓度足够大时，能够形成布满整个有较容积的连续空间网架结构，要是钻井液流动，就必须在一定程度上破坏这种连续网架结构，才能使颗粒之间产生相对运动，切力就是这种网架结构的反映，而且结构强度越大，则切力越大,反之则小。反映钻井液结构力的参数有静切、触变性、动切力等。
钻井液在静止的条件下形成凝胶结构的强度，称静切力，其物理意义是当钻井液静止时破坏钻井液内部单位面积上的网架结构所需的力，通常用浮筒切力计测定，单位是mg/cm3。钻井液的触变性是指搅拌后变稀，（切力降低）静置后变稠。(切力升高)的特性,或者说，钻井液的切力随搅拌后的静置时间长而增大的特性，如钻井时钻井液不断循环粘度较低,而起下钻时钻井液静止循环粘度大,就是这个道理。由于钻井液有触变性,静止时间不同,则切力不同,通常测两个静止时间的切力值,静止一分钟(或10秒钟)所测切力为初切,静止10分钟后所测的切力为终切，初切力与终切力的差值即表示触变大小，差值越大则触变性越大。动切力又称屈服值，用旋转粘度计测定，单位是达因厘米2
2、钻井液切力与钻井工作的关系：钻井液切力大小代表了钻井液悬浮固体颗粒的能钻井工艺要求钻井液具有适当的切力和良好的触变性，在钻井液停止循环时，切力能较快的增大，到某个适当的数值，既有利于钻屑的悬浮又不致于静置后开泵泵压过高，若切力过低，则悬浮携带岩屑效果不好，一旦停泵很容易造成复杂情况，若切力过高，又可能造成下列危害：（1）流动阻力大，下钻后开泵困难易蹩漏地层。（2）沉砂困难，影响净化，密度上升快。（3）除气困难，气侵严重时，会使钻井液密度降低,导至井喷。.
. （4）含砂量增大，磨损钻具和配件，滤饼质量差，易造成粘附卡钻。（5）钻具转动阻力大，动力消耗大，降低钻速。
四、钻井液的失水及滤饼
1、钻井液失水和泥饼的概念：在钻井液液柱压力和地层压力之间的压差作用下,钻井液中的水份从井壁的孔隙裂缝渗到地层,这种现象叫失水(或滤失),失水的多少称为钻井液的失水量,通常现场测定的失水量是指在0.686 MPa压力作用下,30min内通过直径为75mm过滤面积所滤失的水的体积,单位是毫升。在失水同时,钻井液中的粘土颗粒被阻挡沉积在井壁上形成一层固体颗粒的胶结物叫滤饼。滤饼的单位是毫米。钻井液的失水和产生滤饼是同时发生的，也是相互影响的，开始是由于失水而形成的滤饼，失水大形成的滤饼厚，失水小则形成的滤饼簿，而滤饼形成后又反过来阻挡进一步失水，失水主要取决于滤饼本身的渗透性，而失水量并不是决定滤饼厚度的唯一因素，钻井液的失水和滤饼可用气压失水仪测定。
2、钻井液的失水大小，滤饼质量与钻井工作的关系：在钻进过程中,有失水才能形成滤饼,所形成的滤饼又能巩固井壁和阻止进一步失水,一般来讲,钻井要求钻井液要低失水量和簿而韧致密的泥饼。失水过大滤饼过厚而松散对钻井是不利的。失水量过大的危害：（1）地层被浸泡，易造成井眼缩径或引起泥页岩剥落坍塌。 （2）水分渗入生产层，使油层中膨润土膨胀，油层气层渗透率降低，生产能力下降。滤饼过厚的危害有：（1）滤饼厚而松散，摩擦系大，易造成泥饼粘附卡钻。（2）易泥钻包头或堵水眼，使起下钻波动压力大。（3）起下钻时摩阻力增加，甚至遇卡。（4）妨碍套管顺利下入，且影响固井质量。（5）电测遇阻遇卡，电测和井壁取资料不准确。
但失水并不是越小越好，要求过小的失水量反而是钻井液成本增加，钻速下降，要求泥饼簿，并不一定失水控制得很小，在钻井过程中，应根据地层岩石的特点，井深、井身结构、钻井液等类型来决定，如对石灰岩、白云岩、胶结致密的砂岩，对失水量不做要求，对易吸水膨胀、垮塌的页岩和易垮塌的其它地层，失水量应严格控制，另外、井浅时可放宽，祼眼时间长应从严，使用盐水钻井液应放宽，使用淡水钻井液应从严，总之、在井壁允许的情况下，适当放宽失水量的要求，以最大限度地提高钻井速度。
五、钻井液的固相含量
1、钻井液的固相含量及含砂量的概念：钻井液的含砂量是指钻井液中所有的固体物质，包括粘土钻屑，化学处理剂，重晶石粉等,这些固体物质占钻井液体积的百分数称为钻井液固体含量,通常用百分数表示,钻井液中的固体物质并不没有区别的,根据固体对钻井液性能的影响不同和对钻井液的作用不同,钻井液中的固相又可分为两种(1)有用固相,是指维持钻井液所必须的固体,如膨润土粉,化学处理剂,加重剂等。（2）有害固相，除有用固相以外的固体，如钻屑、劣质膨润土，砂粒等。在不分散低固相钻井液中，膨润土占钻井液体积的2-4﹪，就可以满足钻井液性能的要求，因此，一般钻井液中有害固.
. 相是很多的，为了有效地控制止钻井液的性能，改善井下情况，提高钻井速度，对有害固相全部清除，对有用固相加以控制。
2、钻井液固相含量对钻速的影响：实践证明，当清水钻井时，钻速是最高的，而水中一旦进入了膨润土颗粒钻速就下降了，钻井液中的固相含量增加是引起钻速下降的一个重要原因，钻井液固相含量高还会严重影响钻井液性能，并给钻井带来许多危害，钻头进尺减少，钻井设备磨损严重。钻井液密度粘度升高，滤饼加厚，容易发生井漏、卡钻等事故、损坏油气层。并使钻井液流动阻力增大，泵压升高，不利于喷射钻进，使钻井液性能波动处理频繁，耗费大量的钻井液处理剂，因此、要有效地提高钻进速度，安全钻井，必须严格控制固相含量，使用不分散低固相钻井液。
六、钻井液的PH值
1、钻井液PH的概念：钻井液的PH值即钻井液的酸碱值，表示钻井液酸碱性的强弱，它等于钻井液中的氢离子浓度的负对数值，又称PH，当PH值小于7时，钻井液为酸性，当PH值等于7时钻井液为中性，当PH值大于7时钻井液为碱性，现场通常用比色法测定钻井液的PH值
2、PH对钻井液的影响：PH值对钻井液性能有很大的影响，钻井液中的粘土颗粒在碱性介质中，因负电荷较多，阳离子交换容量大，故较稳定。其次，有许多有机处理剂，必须在碱性作用下才能发挥作用，如丹宁、腐植酸等，另外PH值低，有机处理剂易在高温下发酵变质，故一般钻井液的PH值保持在8个以上。但若PH值高氢氧根离子在粘土表面的吸附会促使膨润土水化膨胀，不利于防塌。经验表明，各种类型的钻井液都有它自已适宜的PH值范围。如高碱性钻井液PH为12-14，不分散低固相钻井液PH值为8-9，弱酸性钻井液和饱和盐水钻井液PH值为6—7，PH值控制在合适的范围内，钻井液粘切较低，失水量较小，性能比较稳定，另外、PH值是确定处理剂碱比的依据。
七、钻井液处理剂
为了满足钻井工艺的要求，单靠使用清水和机械设备来调整和控制钻井液性能是远远不够的，必须在钻井液使用各种各样的化学处理剂。就生产中常用的钻井液无机处理剂，有机处理剂和表面活性剂有如下类型：
（一）无机处理剂
1、氢氧化钠（NaOH），
氢氧化钠俗名烧碱、苛性钠，常温下密度为2.0—2.2g/cm3,易容于水，溶解时放出大量的热，溶解度随温度升高而增大，水溶解呈强碱性PH值为14。使用时应注意安全，防止腐蚀皮肤和衣服，NaOH易潮，与空气的CO2作用生成NaOH，存放应注意防潮，NaOH是强碱，主要用来调解钻井液的PH值，与有些有机物配合使用，如与单宁成单宁碱液，与聚丙稀睛进行水解得到水解聚丙稀睛等，另外NaOH还清除有害的Ca2+Mg2+. .
. 2、氯化钠（NaCI）
俗名食盐，为白色晶体，密度为2.17g/cm3易溶于水，水溶液为中性，溶解度随温度的升高略有增大，纯品NaCI不潮解，含MaCI2 CaCI2等杂质的NaCI易吸潮NaCI主要用来配制盐水钻井液和饱和盐水钻井液，以防止岩盐井段的溶解，保持井径规则，NaCI还可用来提高钻井液的矿化度，抑制页岩地层的水化膨胀，防止坍塌。
3、氢氧化钾(KOH)
俗名苛性钾，是一种半透明晶体，常温下密度为2.04g/cm3易溶于水，溶解时强烈放热，水溶液呈强碱性，PH值为14，有较强的腐蚀作用，KOH极易吸收空气中的水分和CO2生成K2CO3 KOH即能用来调节钻井液的PH值又能提供K+。K+，有良好的防塌作用，因此钾盐钻井液被广泛的应用，此外KOH可用来与某些有机处理剂进行水解作用，生成钾盐，如聚丙稀酸钾、聚丙稀睛钾等。
4、碳酸钠（Na2CO3）
俗名纯碱、苏打、无沫，Na2CO3为白色粉末，密度为2.5g/cm3。易溶于水，水溶液呈碱性，PH值为11.5。Na2CO3易吸收空气中的水分结成硬块，吸收空气中的CO2变成Na2CO3 Na2CO3在钻井液中通过离子交换和沉淀作用，使钙质膨润土变为钠质膨润土，目前配制钻井液多用钙质膨润土，因此在配制钻井液时需加入一定量Na2CO3，目的就是为了改善膨润土水化分散性能，提高膨润土造浆率，另外，Na2CO3可用来除掉石膏或水泥浸入到钻井液中的Ca2+，改善钻井液的性能。
5、硫酸钙（CaSO4 2H2O）
俗名石膏，分为生石膏（CaSO4 2H2O）和熟石膏（CaSO4 1/2H2O）作为钻井液处理剂常用熟石膏，熟石膏遇水可硬化为生石膏，熟石膏是白色粉末，密度为2。5g/cm3能溶于水，40。C以前，溶解度随温度升高而增大，40。C以后溶解度随温度升高而降低，石膏主要用来配制石膏钻井液，抑制地层中石膏泥岩层中石膏的溶解，使井径规则，减少污染，在石膏钻井液中、还有低抗石膏浸，盐浸和防塌的特点，另外也是钙处理的原料。
6、硅酸钠（Na2SiO3）
俗名水玻璃、泡纯碱，为粘稠半透明液体，随所含杂质的不同可呈无色，棕色或青绿色等，密度为1.5—1.6g/cm3，PH值为11.5—12。可溶于水和碱性溶液，能与盐水混溶。因此、可用饱和盐水调节Na2SiO3的粘度，Na2SiO3加入钻井液，可以部分水解生成胶态沉淀，可是部分膨润土颗粒（或粉砂等）聚沉，从而保持较低的固相含量和密度，此外Na2SiO3钻井液对泥页岩水化膨胀有一定的制作用，故有较好的防塌性能，若将Na2SiO3的PH降至9以下时，整个溶液会形成不流动的凝胶，利用这个特点，常用Na2SiO3和石灰配制堵漏剂。
7、硫酸钡（BaSO4）