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1、邯郸学院本科毕业设计题 目 学 生 指导教师 王爱兵 讲师年 级 2011 级专 业 应用化学二级学院 化学化工与材料学院邯郸学院化学化工与材料学院2015年5月郑重声明本人的毕业设计是在指导教师王爱兵老师及单位技术主管的指导下独立撰写完成的。如有剽窃、抄袭、造假等违反学术道德、学术规范和侵权的行为，本人愿意承担由此产生的各种后果，直至法律责任，并愿意通过网络接受公众的监督。特此郑重声明。 毕业论文作者： 年 月 日摘 要 钻井液作为钻井行业的“血液”，在钻井工程中发挥着重要的作用。随着钻井工业的快速发展，钻井液性能必须提高才能满足日益增长的需求。本文研究了密度、温度、固相含量、无机盐含量、膨
2、润土含量等对钻井液流变性的影响，优化出了流变性较好的钻井液体系，并探讨了钻井液流变性调控的机理。研究表明，钻井液中固相含量应低于10%，无机盐含量高于10g/L，膨润土含量的适宜范围是4%6%，温度范围是70100。密度应实时监测，应每次调节0.10kg/m3为宜，实现了钻井液的良好流变性。关键词 钻井液 流变性影响 调控方式IResearch on Major Rheological Characteristic Factors and Controlling Mode of Drilling FluidLi Xiao-juan Directed by Lecturer Wang Hai-x
3、ianAbstract Drilling fluids, which could be called as the blood in drilling industry, play a major role in drilling operations. With the rapid development in drilling industry, it is necessary to improve the properties of drilling fluids in order to satisfy the increasing demands. In this paper, it
4、was studied that the effect of drilling fluid rheology are density, temperature, solid content, salt content, the content of bentonite and so on. The drilling fluid with good rheology was developed, and the rheology control mechanism of drilling fluid was studied. The results show that the solid pha
5、se of drilling is less than 10%, the inorganic salt content is more than 10 g/L， the suitable range of bentonite content is from 4% to 6%, the temperature is from 70 to 100, the density is monitor real-time, it will be best that every regulation was 0.10 kg/m3. That achieved a good rheology for dril
6、ling.Keywords Drilling fluid Rheology characteristic factors Controlling modeII目 录摘 要 IAbstractII1前言12实验过程22.1仪器和药品22.1.1实验仪器22.1.2药品22.2试验方法22.2.1钻井液配制22.2.2测试方法33结果与讨论43.1密度对钻井液流变性的影响43.1.1实验结果及处理43.2温度对流变性的影响73.2.1实验结果记录73.2.2结果分析与讨论73.3固相含量对流变性的影响83.4无机盐含量对流变性的影响93.4.1测定结果93.5膨润土加入量对流变性的影响93.5.1
7、测定结果94.钻井液流变性的调控方式研究105.结论11参考文献12致 谢141钻井液流变性主要影响因素及调控方式研究1前言钻井液是钻井的“血液”，钻井液是指具有满足钻井与完井工程所需的多功能的钻井循环流体，俗称“泥浆”1。上世纪九十年代后期，钻井液主要是一些简单的基本功能如，保证钻井工程的安全和保持钻井井壁稳定等。随着钻井技术的迅速发展，现在则主要利用钻井液保护油气储层并提高产油量。钻井液在上世纪80年代到达发展高潮后，步入了技术成熟期。现今的钻井液在研究和开发上，不再是过去“简单功能的钻井液”，而是高效廉价和尽可能减少环境污染等功能融于一体的拥有性能优异、综合效益更高的钻井液2。钻井液不但
8、保证了石油开采的安全，提高了钻井工程的开采效率，而且在促进油田开发等方面有着重要的影响，因此钻井液技术的发展正面临着新一代的挑战。随着全球石油勘探的日益复杂化，钻井地层情况愈来愈复杂，钻井施工难度不断加大，要想提高钻井安全、效率和降低钻井成本，就要对钻井的影响因素进行准确的把握和了解3。而实现钻井液的良好流变性是钻井工程中的众多难题之一，要想实现钻井液的良好的流变性就要先进行影响因素的研究。在这些影响因素中最重要的就是密度、温度、固相含量、无机盐含量、膨润土含量。 钻井液的流变性是指钻井液的流动性和变形性，流变性的主要参数包括漏斗粘度、表观粘度(AV)、塑性粘度(PV)、动切力(YP)、静切力
9、，它在提高钻井的钻进的速度和环空水利参数计算等方面有至关重要的作用，是钻井液重要性能参数之一4。钻井液可以清洁井底，通过循环将岩屑携带出；其次还能冷却和润滑钻头、钻柱，减少对钻头的磨损，提高钻头的使用寿命；并且能使井壁岩石的侧压力达到平衡，在井壁处形成滤饼，使井壁平滑性、稳定性增强，防止对油气储层的污染，同时能使钻井地层压力达到平衡，防止发生井漏，井喷等事故，防止地层流体对钻井液造成严重污染等，它的性能优劣是钻井工程的成败的关键。因此，钻井液流变性的影响因素的研究有着重要意义5。钻井液可以为按密度分三类，钻井液密度低于1.7g/cm3时称为低高密度钻井液，密度在1.7-2.2g/cm3范围内时
10、称为中高密度钻井液，密度高于2.2g/cm3时称为高密度钻井液6。就目前的研究来看，低高密度和高密度钻井液粘度受温度和钻井液密度的影响明显。低密度钻井液随温度升高变化呈现明显规律，即随温度、密度升高，粘度明显升高，流变性变差；中高密度钻井液在随温度升高变化不定，说明中高密度钻井液的流变性影响复杂7。钻井液中总固相含量越高，其中的水相越少，流动时内摩擦力就越大，致使流变性变差，固相含量控制非常重要8-9。一价无机盐可以起到很好的抑制作用，无机盐可使钻井液的聚合物发生盐析作用，还可以和粘土发生离子交换，置换出H+，使钻井液的pH减小，致使钻井液的流变性发生改变10。随膨润土加入量的增加，钻井液流变
11、性逐渐变差，因此钻井液的膨润土含量也要保持在适宜范围内11。本文通过实验研究密度、温度、固相含量、无机盐含量、膨润土含量等因素对钻井液的流变性的影响，优化出了流变性优良的钻井液体系。并探讨了钻井液流变性的调控方式，实现了钻井液的良好流变性。此项研究有利于防止油气层损害，有利于井壁稳定，同时有利于更快、更好地研究出环保低成本的钻井液。对钻探工程而言，既可以缩短工期，提高工作效率，也避免了不必要的人力、物力浪费。2实验过程2.1仪器和药品2.1.1实验仪器表1 实验仪器仪器型号生产商马氏漏斗ZMN型青岛海通达专用仪器厂电子分析天平AE-240S型梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司变频高速搅拌机-青
12、岛海通达专用仪器厂六速旋转粘度计ZNN-D6S型青岛海通达专用仪器厂玻璃缸数显恒温器GHBL型菏泽市新世纪电子技术研究所2.1.2药品表2 实验药品名称纯度产地膨润土工业级山东潍坊膨润土厂降滤失剂（褐煤树脂SPNH）工业级河北任丘降滤失剂（黄甲基酚醛树脂SMP-1）工业级河北任丘降滤失剂（钠羧甲基纤维素CMC）工业级河北任丘降滤失剂（磺化腐殖酸铬PSC-1）工业级山东济南膨胀抑制剂（KCl）分析纯天津博迪化工股份有限公司表面活性剂（Tween-80）工业级天津加重剂（铁矿石）工业级河北加重剂（重晶石粉）工业级河北Na2CO3分析纯天津化学试剂三厂2.2实验方法2.2.1钻井液配制(1) 4%基
13、浆的配制方法在装有100mL蒸馏水的搅拌杯中加入0.2gNa2CO3，在11000r/min的转速下搅拌5min，向溶液中边搅拌边缓慢地加入4g膨润土，在11000r/min的转速下搅拌60min，在室温下密封养护24h。使用前应先高速搅拌20min。(2) 钻井液配制方法取350mL养护好的基浆，向其中加入0.2%CMC、铁矿石：重晶石粉（2:1），高速搅拌5min，然后再添加5%SPNH、5% SMP-1、0.5%TW-80、3%PSC-1、保持KCl含量为10g/L，在搅拌5min，静置6h，调节pH为9，备用。2.2.2测试方法(1) 密度对钻井液流变性影响钻井液的密度可以通过加重材料
14、来控制密度，加重材料为铁矿粉和重晶石粉二者的混合物。本实验依据低高密度范围、中高密度范围设置了两组密度梯度，列表如下表3 低高密度、中高密度梯度低高密度/g/cm3中高密度/g/cm31.21.81.42.01.62.21) 钻井液先按2.2.1配好钻井液，通过加入加重材料配制上述钻井液。在室温下依次测试表3中各个密度的钻井液的粘度；2) 检查仪器运转是否正常，观察指针是否归零； 3) 接通电源，先用蒸馏水校准，600r/min稳定读值为2.0，300r/min稳定读值为1.0，在低转速时为0.0；4) 把混匀的钻井液加入到样品杯的刻线处，把样品杯放到托盘上，缓缓的上升托盘直至液面与外筒刻线相
15、平，再将托盘手轮旋紧；5) 按下图依次测定粘度效应图1 粘度效应测定步骤600r/min的稳定值300r/min的稳定值200r/min的稳定值100r/min的稳定值6r/min的稳定值3r/min的稳定值 (2) 温度对流变性的影响1) 先按2.2.1配好钻井液，控制固相含量为10%，密度为1.2g/cm3，再将钻井液在恒温水浴中恒温1h，温度梯度依次为30，50，70，100备用，测量前搅拌5min；2) 按图1依次测定其粘度效应，并记录结果。(3) 固相含量对流变性的影响1) 先按2.2.1配好钻井液，配制固相含量依次为10%，12.5%，15%，17.5%，密度为1.2g/cm3；2
16、) 按（1）的仪器操作步骤，在粘度计上依次读取600r/min，300r/min在表盘达到稳定的读值；3) 在粘度计上测定1min初切力；4) 在粘度计上测定10min终切力；5) 记录实验数据，保留一位小数。(4) 无机盐含量对流变性的影响1) 按2.2.1配制钻井液，但 KCl的质量浓度分别为0g/L，10g/L，20g/L，30g/L，密度控制在1.2g/cm3，高搅60min，养护16h。2) 用马氏漏斗测定钻井液漏斗粘度，“s”为单位记录时间，精确到整数，作为钻井液漏斗粘度。3) 在粘度计上测定上述钻井液的600r/min，300r/min在粘度计表盘上达到的稳定值；4) 在粘度计上
17、测定10s初切力，以“Pa”为单位计算1min初切力。 5) 在粘度计上测定10min终切力，以“Pa”为单位计算10min终切力。(5) 膨润土加入量对流变性的影响1) 按2.2.1配制钻井液，但膨润土含量依次为1%，2%，3%，4%，5%，6%，7%，固相含量为10%，密度控制为1.2g/cm3，然后8000r/min的钻速下搅拌1h，使其混合均匀，放入到养护瓶中密封，在室温条件下养护24h。2) 用粘度计测定上述钻井液的600r/min，300r/min在表盘上达到的数值；3) 记录实验结果保留一位小数，计算钻井液性能参数。3结果与讨论3.1密度对钻井液流变性的影响3.1.1实验结果及处
18、理低高密度钻井液、中高密度钻井液粘度效应测定结果见下表4。表4 低高密度、中高密度粘度计测定值（10-3Pas）编号123456600r/min40.745.251.624.030.040.2300r/min27.428.329.218.421.624.8200r/min19.420.322.013.815.217.0100r/min11.212.514.610.211.813.86r/min1.42.23.88.09.88.03r/min1.02.03.47.89.28.9由于本实验需要按宾汉模型进行处理，因此将钻速与剪切速率进行了转换，见表5 转速与剪切速率对照表6：表5 转速与剪切速率对
19、照表编号123456转速/rmin-160030020010063剪切速率/s-11022510.9340.6170.310.25.1跟据流体流变特性曲线可将钻井液体系分为宾汉塑性流体，幂律流体，卡森流体12。宾汉模型的特征是当剪切应力小于动切应力（屈服值）时，流体表现为弹性固体的特性；当剪切应力开始大于屈服值后，流体开始以塑性流体形式流动13。当剪切应力超过动切应力（屈服值）时，在开始时剪切速率和剪切应力关系并不呈直线关系，这说明这时流体被剪切的不均匀，当剪切速率的增大时，而粘度则降低了14。当剪切速率的继续增大时，剪切应力也在增加，在剪切速率达到某一值后，粘度不再随剪切速率的变化而发生变化
20、15。在本实验中主要采取宾汉塑性流体模型进行处理。宾汉塑性流体流变性数学模型为：式中： 图4 =1.6g/cm3钻井液流变性曲线图5 =1.8g/cm3钻井液流变性曲线图2 =1.2g/cm3钻井液流变性曲线图3 =1.4g/cm3钻井液流变性曲线按宾汉模型进行处理，以剪切速率为横坐标，剪切应力为纵坐标绘图，得图2，图3，图4，图5，图6。图7 =2.2g/cm3钻井液流变性曲线图6 =2.0g/cm3钻井液流变性曲线由宾汉宾汉塑性流体流变性数学模型绘图得出下表：表6 宾汉塑性粘度与动切力编号123456动切应力/Pa3.27363.74524.65518.03679.10118.0148塑性
21、粘度/mPas0.03960.04280.04690.01650.02090.0314R20.96350.98100.99330.97530.98320.9941由表6 可知，宾汉模型描述钻井液的流变性的相关系数R2依次为0.9635，0.9810，0.9933，0.9753，0.9832，0.9941，而在=1.6g/cm3，=2.2g/cm3钻井液很好的符合了宾汉模型，说明本实验采用宾汉模型能很好地反应钻井液的实际流变性，故本实验采用的模拟模型合理。3.1.2结果分析与讨论图8 低密度钻井液流变性能影响图9 中高密度钻井液流变性能影响依据表6，绘图如下，图8，图9。由图8可以看出，当密度的
22、增加时，低高密度钻井液粘度呈现出不断升高的趋势，动切力也呈现不断变大的趋势，这说明固相含量对钻井液的流变性的影响比较严重；而中高密度钻井液，在密度的增加时，粘度却先增又降低的异常情形，这说明钻井液流变性的变化受其他因素影响比较严重。3.2温度对流变性的影响3.2.1实验结果记录在室温下测定控制固相含量为10%，无机盐含量为10g/L，膨润土含量为4%，密度为1.2g/cm3的钻井液的实验结果如下表。表7 不同温度下的粘度计测定值（10-3Pas）编号305070100600r/min38.540.743.448.2300r/min25.528.432.638.2200r/min16.319.6
23、29.435.4100r/min8.411.425.527.66r/min1.11.614.316.93r/min1.01.412.614.03.2.2结果分析与讨论依据表5和表7绘图，见图10不同温度的钻井液流变性曲线。 图10 不同温度下钻井液流变性曲线由图10可见低高密度（1.2g/cm3）钻井液，随温度的升高粘度有规律的增高，由此可知温度钻井液有稠化作用。表8 不同温度下钻井液性能参数305070100PV/mPas13.012.310.810.0YP/Pa6.258.0510.914.1公式：式中：对于轻钻井液，要将塑性粘度控制512的范围内，一般要求将动切力控制1.414.4Pa范
24、围内7，因此本文将温度控制在70100。3.3固相含量对流变性的影响在室温下测定无机盐含量为10g/L，膨润土含量为4%，密度为1.2g/cm3不同固相含量的钻井液实验结果见下表：表 9 不同固相含量的钻井液实验测定值固相含量/%600r/min300r/min1min初切力10min终切力10.043.428.32.25.012.545.430.42.25.215.053.335.32.35.517.561.240.52.45.7注：六速旋转粘度计的600r/min，300r/min读值单位为10-3Pas，下同。根据表9不同固相含量的钻井液实验测定结果，计算出塑性粘度，动切力，列表10：表
25、 10 不同固相含量的钻井液流变性能固相含量/%1012.51517.5PV/mPas15.0151821.7YP/Pa6.77.78.610.4公式：式中：通过实验结果表明，钻井液塑性粘度随固相含量的加入量的增多而增加，即固相含量直接影响钻井液的稠度，从而改变钻井液的流变性能，一般依据钻井条件，在轻钻井液中固相含量不要超过10%（体积比）。3.4无机盐含量对流变性的影响3.4.1测定结果在室温下测定控制膨润土含量为4%，固相含量为10%，密度为1.2g/cm3的含有不同浓度的KCl钻井液实验结果见表10。表 10 含不同浓度的KCl的钻井液实验测定结果KCl质量浓度/g/L漏斗粘度/s600
26、r/min300r/min1min初切力/Pa10min终切力/Pa05364.242.03.58.9105473.848.84.110.8206082.053.84.411.9306285.855.96.915.1根据表10不同浓度的KCl钻井液实验测定结果，计算出塑性粘度，动切力，如表11。表 11 含不同浓度KCl的钻井液流变性能KCl质量浓度/g/L0102030PV/mPas22.225.028.229.9YP/Pa9.911.912.813通过实验结果表明，随着无机盐的加入量的变化，钻井液的塑性粘度不断的增长，动切力也有增长，漏斗粘度在10 g/L到20 g/L的变化迅速，1min
27、初切力略有增长，而10min终切力随浓度增加变化明显。说明无机盐(KCl)可以对钻井液的流变性有提高。3.5 膨润土含量对钻井液的影响3.5.1测定结果室温下测定控制固相含量为10%，无机盐含量为10g/L，密度为1.2g/cm3含有不同含量的膨润土钻井液的实验结果见表12。表12 不同含量的膨润土粘度计测定值（10-3Pas）膨润土含量/%1234567600r/min9.015.025.036.645.060.474.8300r/min4.58.815.424.831.540.459.6根据表12，计算出塑性粘度，动切力，列表13：表13 不同含量的膨润土钻井液流变性性能参数膨润土含量/%
28、1234567AV/mPas4.57.512.518.322.530.237.4PV/mPas4.56.29.611.813.52015.2YP/Pa01.32.96.5910.222.2公式：式中：依据表13绘图，图11 膨润土含量对钻井液流变性的影响。图11 膨润土含量对钻井液流变性的影响 如图11所示，当膨润土含量增加时，钻井液塑性粘度呈现出先增大再减小的趋势。表观粘度呈现出迅速增加的趋势，动切力呈现出快速增大的趋势，表明膨润土和钻井液中的某些物质作用，形成了更稳定的结构，致使钻井液流体流型由尖峰流转变为平板流，减少了钻井液对井壁冲蚀作用，很好的平滑了井壁，保证了钻井开采过程的顺利施工。
29、通过图11，我们可以看出膨润土含量应保持在4%-6%。4.钻井液流变性的调控方式研究本文主要研究了密度、温度、固相含量，无机盐含量，膨润土含量对钻井液流变性的影响，这些影响因素都是在钻井工程中实时监测的主要参数，唯有将这些参数控制在安全的范围内，才能保证工程的安全、顺利进行，与此同时也会提高工作效率，节约能源，保护环境。钻井液流变学主要解决钻井的四个问题：（1）井眼净化与井眼冲蚀问题，（2）保持岩屑悬浮问题，（3）水力学问题，（4）利用力学关系评价分析钻井液处理问题16。因此由以上研究可以发现，通过调整本论文研究的参数的变化来控制钻井液流变性是行之有效的方式。钻井液的密度过高，可能会导致油气层
30、损坏而污染了油气层，降低钻井速速率，引起过高的粘切力，压差过大造成卡钻，消耗过多的材料及动力等问题；若密度过低，易引起井漏、井塌、缩径、清洁井底不彻底、循环携岩能力下降等问题17。要得良好流变性的钻井液密度，就要根据地层孔隙和破裂压力及钻井液流变参数进行确定。钻井液密度的附加数要跟据压力值计算：油层压力一般是在1.50-3.50MPa范围，气层压力一般是在3.00-5.00MPa范围。调高密度时，应逐步增加，以每次增加0.10kg/m3为宜。对于轻钻井液，温度应控制在70100。对于超深井段可以加抗温能力超强的酚醛树脂18，来调控温度对钻井液流变性的影响。研发新型的抗高温的钻井液高效降粘剂，来
31、提高抑制高温分散能力和钻井液的水化能力。固相含量可以分为有用固相和无用固相两种，有用固相主要有加重材料和粘土，无用固相指钻屑。固相含量过多时，弊多于利。固相含量过高时，则会引起钻井液柱压力过大，钻速降低，钻井液稠度增加，摩阻系数增大，造成井下情况复杂，流变性难以控制等19。考虑到钻井液的循环使用，后期处理等综合问题，轻钻井液中固相含量应低于10%（体积比）。目前钻井行业常常采用的控制固相的方法是稀释法，替换法，机械法，化学方法20。机械法是降低钻井工程中钻井液无用固相的最有效的方法，此外还可以利用振动筛和除泥器等设备将固相含量控制在适宜的范围内21。无机盐类，其中钾盐具有抑制粘土膨胀和分散作用
32、，故可以防止粘土污染油气储层的，饱和盐水将会抑制岩层溶解，获得很有规则的井眼，对钻井提供有利条件22-26。因此无机盐（KCl）含量应控制在高于10g/L。对于钻井液密度越高，井越深温度越高，则要求膨润土含量越低，一般控制在3080g/cm327。本实验研究表明，膨润土含量应控制在4%-6%。采用稀释法和加入法进行有效地调节。将钻井液流变性控制在良好的范围内，是钻井工程成功的关键，它既可以提高钻井液的循环使用寿命，可以减少对钻具的磨损，延长钻头的使用周期，也可以增加钻井液的稳定性，改善井下施工情况，减小钻井液废弃造成的环境的污染，降低钻井液制备，循环使用及处理的费用28。5.结论本论文通过实验
33、对钻井液流变性影响因素及调控方式研究，得到了钻井液密度应实时监测，在调整密度时，应逐次提高，不宜过快，要以每次增加0.10kg/m3为宜。对于轻钻井液，温度应控制在70100，研制新型的抗高温材料等。轻质钻井液的固相含量应低于10%。无机盐含量应不低于10%。膨润土含量应控制在4%-6%。实现了对钻井液流变性的良好性能控制。参考文献1郭靖, 李天太, 张喜凤, 等. 温度和密度对高密度钻井液流变性的影响J. 石油地质与工程, 2008, 22(1) : 95-97.2陈迎伟, 李占英. 克拉202井高密度钻井液技术J. 钻井液与完井液, 2002, 17(5): 44-45.3赵胜英等, 抗高
34、温高密度水基钻井液流变性研究J. 天然气工业, 2007, 27(5): 78-80.4王海阁, 刘岩生, 杨立平. 高温高压井中温度和压力对钻井液密度的影响J. 钻采工艺, 2000, 23(1): 56-61.5陈平等编著. 钻井与完井工程M . 石油工业出版社, 2011. 6.6孙明光等. 钻井、完井工程基础知识手册M. 石油工业出版社, 2002, 12.7邓小刚, 庄立新, 范作奇, 等. 深井高密度盐水钻井液流变性控制技术J. 断块油气田, 2006, 28(4): 63-66.10李军刚, 董明, 杨贺卫. 不同因素对硅酸盐水基钻井液性能影响研究J. 广州化工, 2011, 39(19): 71-76. 致 谢岁月如梭，如歌。转眼间，四年的大学求学生活即将结束，站在毕业的门槛上，回首往昔，奋斗和辛劳成为丝丝的记忆，甜美与欢笑也都尘埃落定。回忆大学四年，生活虽然很简单，但是我很高兴遇见了我的好舍友，好老师，真心的感谢他们给我带来快乐和温馨。在我的论文过程中我要非常感谢单位给我提供了很多的便利条件，能让我在很短的时间学会了好多的仪器操作，参数测定等基础内容，它也是我论文能够成功的基础，在此也对单位的领导表示感谢。在这里我也要感谢我的学位论文指导老师王海先老师。这篇毕业论文从开题、资料查找、修改到最后定稿，不厌其烦。我很自豪有这样一位老师，在此再次感谢她对我的指导。