第8章 钻井液设计 本章主要介绍了新疆地区常用的钻井液体系，结合A1-4井及探井资料，设计了A区块井组所使用的钻井液体系、计算了所需钻井液用量，提出了钻井液材料计划等。
钻井液体系设计 钻探的目的是获取油气，保护地层是第一位的任务，因此，搞好钻井液设计，首先必须以地层类型特性为依据，以保护地层为前提，才能达到设计的目的。 新疆地区常用钻井液体系简介：
(1)不分散聚合物钻井液体系：不分散聚合物钻井液体系指的是具有絮凝及包被作用的有机高分子聚合物机理的水基钻井液。该体系的特点是：具有很强的抑制性；具有强的携沙功能；有利于提高钻速；有利于近平衡钻井；可减少对油气层的伤害。 (2)分散性聚合物体系（即聚合物磺化体系）：聚合物磺化体系是指以磺化机理及少量聚合物作用机理为主配置而成的水基钻井液。该体系的特点是：具有良好的高温稳定性，使用于深井及超深井；具有一定的防塌能力；具有良好的保护油层能力；可形成致密的高质量泥饼，护壁能力强。 (3)钾基（抑制性）钻井液体系：该体系是以聚合物的钾，铵盐及氯化钾为主处理剂配制而成的防塌钻井液。它主要是用来对付含水敏性粘土矿物的易坍塌地层。该体系特点：对水敏性泥岩，页岩具有较好的防塌效果；抑制泥页岩造浆能力较强；对储层中的粘土矿物具有稳定作用；分散型钾基钻井液有较高的固相容限度。 (4)饱和盐水钻井液体系：该体系是一种体系中所含NaCl达到饱和程度的钻井液，是专门针对钻岩盐层而设计的一种具有较强的抑制能力，抗污染能力及防塌能力的钻井液。该体系特点：具有较强的抑制性，由于粘土在其中不宜水化膨胀和分散，故具有较强的控制地层泥页岩造浆的能力；具有较强的抗污染能力，由于它已被NaCl所饱和，故对无机盐的敏感性较低，可以抗较高的盐污染，性能变化小；具有较强的防塌能力，尤其再辅以KCL对含水敏性粘土矿物的页岩具有较强抑制水化剥落作用；可制止盐岩井段溶解成大肚子井眼。由于钻井液中氯化钠已达饱和，故钻遇盐岩时就会减少溶解，以免形成大井眼；缺点是腐蚀性较强。 (5)正电胶钻井液体系是一种以带正电的混合层状金属氢氧化物晶体胶粒(MMH或MSF）为主处理剂的新型钻井液体该体系的特点：具有独特的流变性;有利于提高钻井速度；对页岩具有较强的抑制性；具有良好的悬浮稳定性；有较强的抗温能力，可耐温达232度；具有较强的抗电解质污染能力；与阳离子或非离子处理剂具有良好的配伍性。
8.1.1 选择钻井液体系的原则 （1）根据不同地层性质选择钻井液体系。由于各处岩石地层不一样，对钻井液体系的要求也不同。钻井液体系必须与其适应才能起到保护、润滑等作用。 （2）根据不同钻孔的类型选择钻井液体系：深孔；定向孔；全部取心钻孔；普查钻孔；生产钻孔(水井、油气井)：基本了解地层情况，主要要求是保护生产层及提高钻探速度上，一般采用低固相或无固相钻井液，水井钻探时如果地层完整、钻取的水层为裂隙或砾石层，可以使用普通钻井液。 （3）根据不同地层特点选择钻井液体系：易坍塌地层对钻井液的要求；易卡钻地层对钻井液的要求；易漏失地层对钻井液的要求；盐膏地层对钻井液的要求；矿（油气）层对钻井液的要求；地下水层对钻井液的要求。
8.1.2 钻井液体系设计的要求 当确定了钻井液体系后，每口井都必须进行钻井液设计，设计要求如下： （1）确定循环当量密度值。所谓循环当量密度值是指钻井液静液柱压力与钻井液循环时由于流阻所增加的对地层压力之和，换算成的钻井液的密度。一般按照规定的压力附加值确定循环当量密度值。这个密度值是由原钻井液的密度及钻井液循环时引起的密度之和。循环当量密度值过大不利于提高钻速，过小易产生井喷、井涌等孔内事故。 （2）以循环当量密度值为准确定最佳固相含量及流变性能。钻井液的密度主要是由所含固相造成的。一般以密度为依据选择在不同密度下的最佳固相含量及流变性能的范围。 （3）根据规定的内容进行分层设计。各个钻孔的钻井液一定要按照实际情况进行设计。 新孔开钻前根据地质资料，如地层空隙压力、破裂压力、井温及复杂孔段的地质情况等资料，根据钻探工程提出的要求，作好钻井液的设计。其主要内容有：分段钻井液类型和性能范围；复杂地层及矿心地层处理措施；维护处理要点；钻井液材料计划；钻井液和材料储备。 （4）钻井液密度设计以地质提供的地层压力为依据，主要目的是平衡地层或裂隙的压力，按照规定的密度附加值进行设计，基本实现压力平衡或欠平衡钻进。 （5）严格执行钻井液设计方案，没有特殊情况不得随意更改钻井液体系。
1.3 A井钻井液体系设计 参考部分新疆地区钻井液体系选择，针对A区块地层易漏情况，选择钾基钻井液体系。
钻井液性能参数设计 钻井液性能参数设计，主要是根据相应井段的地层岩性、地层温度、孔深、 井身结构、地层压力、钻井参数、故障提示、相邻井的情况等数据，以及确定的钻井液类型，确定相应的钻井液性能参数。
8.2.1 钻井液性能参数简述 钻井液各种性能参数设计简述如下： （1）钻井液密度ρ的设计。钻井液密度是确保安全、快速钻井和保护气层的一个十分重要的参数。通过钻井液密度的变化，可调节钻井液在井筒内的静液柱压力，以平衡地层孔隙压力。有时亦用于平衡地层构造应力，以避免孔壁坍塌的发生。如果密度过高，将引起钻井液过度增稠、易漏失、钻速下降、对油气层损害加剧和钻井液成本增加等一系列问题；而密度过低则容易发生井涌甚至井喷，还会造成井塌、井径缩小和携屑能力下降。因此，在钻井工程设计中，必须准确、合理确定不同井段钻井液密度范围，并随时检测和调整。 （2）流变性能的设计。钻井液流变性是钻井液的一项基本性能，它在解决 下列钻井问题时起着十分重要的作用：携带岩屑，保证井底和井眼的清洁；悬浮岩屑与重晶石；提高机械钻速；保持井眼规则和保证井下安全。此外，钻井液的某些流变参数还直接用于钻井环空水力学的有关计算。因此，对钻井液流变性的深入研究，以及对每口油气井钻井液流变参数的优化设计和有效调控是钻井液工艺技术的一个重要方面。 钻井液特性通常是用钻井液的流变曲线和塑性粘度、动切力、静切力、表观粘度等流变参数来进行描述的。 （3）钻井液的滤失量。根据地层岩性、井深、复杂情况以及钻井液的类型确定滤失量。 （4）PH值。由于酸碱性的强弱直接与钻井液中粘土颗粒的分散程度有关，因此会在很大程度上影响钻井液的粘度、切力和其它性能参数。在实际应用中， 大多数钻井液的pH值要求控制在8～11之间，即维持一个较弱的碱性环境。PH值主要由钻井液的类型决定，合适的PH值能有效地发挥各种处理剂的作用。 （5）粘度。根据地层特性、钻井液的类型、钻井液密度以及经验确定。 （6）切力。钻井工艺要求钻井液应具有良好的触变性，在停止循环时，切 力能迅速地增大到某个适当的数值，既有利于钻屑的悬浮，又不至于恢复循环时开泵泵压过高。钻井液的触变性与其所形成结构的强弱和方式有关。如果膨润土含量过高，往往会导致最终的凝胶强度过高，并且这种结构的强度受粘土颗粒的电位和吸附水化膜厚度的影响较大。 （7）稠度系数。根据地层特性、井温、地层压力、钻井液密度、钻井液质量等，由专家经验确定。
2.2 A井钻井液性能参数设计分析 由岩心五敏实验分析，可知目的P1层呈极强盐敏，强水敏，弱酸敏，弱碱敏，存在速敏，但其临界流速和速敏损害值不确定；目的层P2层呈强盐敏，中等偏强水敏，弱酸敏，弱碱敏，无速敏。地层的地温梯度为-0.0397℃m，压力梯度为100m，为正常的温压系统。由此可知本井钻井液以稳定井壁和最大限度的减少对储集层的损害，快速钻进、保护油层为主。同时，考虑到探井中严重的漏失情况，由此可选用钾钙基聚合物钻井液，通过K+和Ca2+的晶格固定和离子交换作用来抑制泥页岩吸水水化膨胀，以高分子量阳离子聚合物作为包被絮凝剂,以小分子量有机阳离子化合物作为泥页岩抑制剂, 二者的相互结合,使得钻井液具有较强的抑制性、较好的稳定井壁能力，并配合阳离子乳化沥青和磺化类处理剂的应用，有效地解决了抑制防塌问题，稳定井壁。而造斜段、稳斜段可适当调节钻井液的配方来提高钻井液的稳定性，严格控制钻井液滤失量≤5ml。
分井段钻井液配方 查阅文献，选择钻井液配方如表8-1。
表8-1 A1-4井分井段钻井液配方 一开井段 （0-309.4m） 普通膨润土钻井液 配方：基浆+8%膨润土+2%NaOH+5%Na2CO3
二开井段 （-1365m） 钾钙基聚合物钻井液 直井段： 配方：基浆+ 5%膨润土+%KOH +2%SMP +%KCl +%CaO+%K- PAM+1%YTH- 2+1%HYB- 1+2%GXL- 1+%XC+%YGC。 斜井段： 配方：原钻井液+1~2%润滑剂
三开井段 （1365-1556.1m）
钾钙基聚合物钻井液
配方：基浆+ 5%膨润土+%KOH +2%SMP +%KCl +%CaO+%K- PAM+1%YTH- 2+1%HYB- 1+2%GXL- 1+%XC+%YGC+1~2%润滑剂。
分段钻井液性能、流变参数 查阅文献，钻井液流变性能如表8-2所示。 表8-2 分段钻井液性能及流变参数 井段(m) 性能及参数 一开 二开 三开
0～ ～1365
钻井液性能
密度ρ(g/cm3) < ~ ～ 漏斗粘度FV (s) 40～70 50~65 45～60 失水FL (ml) 10～12 ≤5 ≤5 高温高压失水(ml) ≤15 ≤12 塑性粘度PV 45~35 35~32 动切力YP（Pa） 8~12 12~17 初切终切Q1/Q10 (Pa/Pa) 1～2/2～4 2～4/3～5
固含(%) 3～5 5～7 MBT(g/L) 45～55 55～60 粘滞系数Kf < < 备注：（1）表中漏斗粘度FV（s）为马氏漏斗粘度测定值。
钻井液维护与处理 采用罐循环，三级净化系统。 8.5.1 一开井段（0～309.4m） Ⅰ 钻井液基本配方： 基浆+8%膨润土+2%NaOH+5%Na2CO3 Ⅱ 维护与处理： 该井段钻遇地层为棕黄色、灰黄色砂质泥岩、泥岩，中软地层，可钻性好。采用高粘度、高切力和膨润土含量高的的钻井液，有效地解决了砾石层垮塌及携带岩屑的问题，起到防漏、堵漏作用。开钻前按配方配制新浆150m3，新浆要充分预水化，性能调整到设计要求方可开钻。在钻进过程中，视地层造浆情况适当补充稀浓度溶液处理，保持钻井液较高的粘度(40～60s)。一开完钻后大排量冲孔，保持井底干净，确保表套顺利下入。
8.5.2 二开直井段（～550m） Ⅰ 钻井液基本配方： 基浆+ 5%膨润土+%KOH +2%SMP +%KCl +%CaO+%K- PAM+1%YTH- 2+1%HYB- 1+2%GXL- 1+%XC+%YGC+1~2%润滑剂。 Ⅱ 维护与处理 二开选用钾钙基聚合物钻井液，二开前，将沉砂罐清理干净，并对一开钻井液进行二开前的预处理；全部采用罐式循环，严禁采用清水钻进，防止清水长期浸泡地层引起井壁垮塌、埋钻等恶性事故的发生。同时，下钻至表套管内转化钻井液为钾钙基钻井液体系，将循环池中和井内钻井液经清水稀释膨润土含至