钻井泥浆基础知识
第一节钻井泥浆的分类与造浆粘土
第一单元钻井泥浆的分类
按适用条件，可以把泥浆分为：①用于沙层、砾卵石层、破碎带等机械性分散等地层的泥浆，简称松散层泥浆；②用于土层、泥岩、页岩等水敏性地层的抑制性泥浆，简称水敏抑制性泥浆；③用于岩盐、钾盐、天然碱等水溶性地层的泥浆，简称水溶抑制性泥浆；④用于较为稳定、漏失较小的硬岩钻进的泥浆，简称硬岩钻进泥浆；⑤用于异常低压或异常高压地层的低比重泥浆或加重泥浆；⑥用于超深井、地热井等高温条件下的抗高温泥浆。
配制泥浆用的基本液体是水或油。若粘土在水中分散形成的泥浆即以水为连续相的泥浆称为水基泥浆；若粘土在油中分散形成的泥浆即以油为连续相的泥浆称为油基泥浆。大部分钻井场合下，使用成本较低，配制方便的水基泥浆。油基泥浆在一些特定情况下使用，它又分为油包水乳化泥浆和油基泥浆两种类型，前者油水比在50～80和50～20之间，后者含水量不超过5%。
从粘土在泥浆中的分散程度来看，又可将水基泥浆划分为细分散淡水泥浆、粗分散抑制性泥浆和不分散低固相泥浆。
细分散淡水泥浆是靠粘土在水中高度分散得到，是泥浆的早期类型。泥浆中的含盐量小于1%，含钙量小于120PPM，不含抑制性高聚物。其组成除粘土、碳酸钠和水外，为了满足钻井需要，往往还加有降失水剂和防絮凝剂（稀释剂）。依所加处理剂的不同，可有铁铬盐泥浆、木质素磺酸盐泥浆和腐植酸泥浆等。虽然这类泥浆在稳定性、流动性和对地层抑制性方面存在明显缺陷，但在一些以提高泥浆粘性为主的钻井场合还常使用。
粗分散抑制性泥浆是在细分散泥浆的基础上，加入无机聚结剂，使粘土颗粒适度变粗，同时加入有机护胶处理剂而形成。它对井壁岩土的分散有抑制作用，自身抗侵能力强而且性能稳定、流动性好钻进效率高，在钻井工程中得到广泛的应用。这类泥浆的含盐或含钙量较高，具体又分为钙处理泥浆（含钙量大于120MG/L，如石灰泥浆、石膏泥浆、氯化钙泥浆），盐水泥浆（含盐量大于1%，如盐水泥浆、海水泥浆、饱和盐水泥浆）和钾基泥浆（KCl含量大于1%）。
不分散低固相泥浆是较新型的泥浆体系。低固相是指泥浆体系中的固相含量（造浆粘土和钻碴等所有固相）按体积计不超过4%，由此使得机械钻速提
高，尤其是在硬岩钻进中效果更为明显；所谓不分散，有3层含义：①粘土颗粒因高聚物存在而变得较粗；②对进入泥浆体系的岩屑起絮凝作用，不使其分散，利于除碴净化泥浆；③对井壁不起分散作用而起抑制保护作用。目前，这种泥浆已成为我国钻井部门使用的主要泥浆类型。
国内外也有直接用泥浆的主要处理剂成分、关键特性或特殊用途等来命名分类的，如：腐植酸类泥浆、聚合物泥浆、木质素磺酸盐泥浆、抑制性泥浆、充气泡沫泥浆、非水基泥浆、饱和盐水泥浆、混油润滑泥浆、地热井和深井泥浆、石油天然气完井泥浆、小口径金刚石钻进泥浆、基桩钻孔循环泥浆、地下墙槽壁稳定泥浆等
第二单元土的组成
土主要由粘土矿物组成，另外还可能含有非粘土矿物和其他杂质。
土中的非粘土矿物主要有长石、石英、方解石、方英石、蛋白石、黄铁矿、沸石等。这些非粘土矿物的含量不一，它们是泥浆中含砂量的主要来源，对泥浆性能起负面影响，因此，这些物质的含量越少越好。
土中的杂质主要是有机物和可溶性盐。有机物为植物的茎、根、叶及其他腐植质等。可溶性盐为钙、镁、钠、钾的碳酸盐，硫酸盐，氯化物和硝酸盐等。这些物质明显影响泥浆的纯度和性能。
粘土矿物分为4个族类，它们均属于含水铝硅酸盐，并有一定量的金属氧化物。典型粘土矿物的化学组成含量如表4-1所示。
（1）高岭石族代表性矿物为高岭石，其他矿物包括埃洛石、地开石、珍珠陶土等，含高岭石矿物为主的粘土称为高岭土。
（2）蒙脱石族代表性矿物为蒙脱石，其他矿物包括绿脱石、拜来石、皂石等，含蒙脱石矿物为主的粘土称为膨润土或蒙脱土。
（3）水云母族代表性矿物为伊利石（伊利水云母），其他矿物包括绢云母、水白云母等，含伊利石矿物为主的粘土称为伊利土或水云母土。
（4）海泡石族代表性矿物为海泡石，其他矿物包括凹凸棒石、坡缕缟石等，相应的粘土分别称为海泡石粘土、凹凸棒粘土和坡缕缟石粘土。
典型粘土矿物的化学组成含量表表11-1
从上表中可以大致看出4类粘土矿物在化学组分上的特点和差别：高岭石的三氧化铝（Al2O3）含量较高，蒙脱石的二氧化硅（SiO2）含量较高，伊利石的钾离子含量较高，而海泡石族的H2O含量较高。另外，三氧化二铁（Fe2O3）、氧化镁（MgO）、氧化钙（CaO）等的含量也各有不同。依据化学成分的含量，可以初步确定粘土的种类。
为什么4类粘土矿物在化学组分上有明显差别？不同粘土矿物在造浆性能上的差别又怎样？这就需要从粘土矿物本身的构造特点出发，进行深入分析。第三单元粘土矿物的构造特点分析
一个粘土颗粒是由许多层粘土矿物晶胞（片）堆叠形成，而粘土矿物晶胞又是由晶胞的最小构造单元组成。不同种类的粘土矿物，它们的最小构造单元都是一样的。但是，基本构造单元之间的连接方式和晶胞结合形式不同，因而形成不同粘土矿物各自的特点。
粘土矿物的基本构造单位是硅氧四面体和铝氧八面体。
硅氧四面体的结构如图11-1所示，每个四面体的中心是一个硅原子，它与四个氧原子以相等的距离相连，四个氧原子分别在四面体的四个顶角上。从单独的四面体看，4个氧还有4个剩余的负电荷，因此各个氧还能和另一个邻近的硅离子相结合。依此，四面体在平面上相互连接，形成四面体层。
铝氧八面体的结构如图11-2所示，每个八面体的中心是一个铝原子，它与三个氧原子和三个氢氧原子以等距离相连。三个氧原子和三个氢氧原子分别在八面体的六个顶角上。由于还有剩余电荷，氧原子还能和另一个临近的铝离子相结合。依此，八面体在平面上相互联结，形成八面体层。
硅氧四面体层和铝氧八面体层是不同粘土矿物所共同具有的基本晶层。但是，这两种基本晶层在不同粘土矿物中的结合方式是不同的，因而主要导致了不同粘土矿物在造浆等性能上的差异。
还有一个影响粘土矿物造浆等性能的重要因素是同晶置换，它是指在晶格构架不变的情况下，四面体中的硅（+4）被低价离子铝（+3）或铁（+3）置换，八面体中的铝（+3）被低价离子镁（+2）等置换。同晶置换导致粘土颗粒带负电，而粘土颗粒的负电性是影响其性能的重要因素。一般情况下，同晶置换是粘土原生条件所决定的，不同粘土矿物的同晶置换程度有着明显的差异。
图11-1 硅氧四面体及其晶层示意图
a-硅氧四面体；
b-硅氧四面体六角环片状结构的平面投影图11-2 铝氧八面体及其晶层示意
a-硅氧四面体；
b-硅氧四面体六角环片状结构的平面投影
１．高岭石的结构特点
高岭石的化学式是Al4[Si4O10][OH]8,晶体构造是由一层硅氧四面体和一层铝氧八面体组成，两层间由共同的氧原子联结在一起组成晶胞，如图11-3所示。
图11-3 高岭石的结构特点
高岭石矿物，即高岭石粘土颗粒是由上述晶胞在C轴方向上一层一层重叠，而在
A轴和B轴方向上延伸而形成的。由于晶胞是由一层硅氧四面体和一层铝氧八面体组成，故称为1:1型粘土矿物。其相邻两晶胞底面的距离为7.2?。另外，其晶体构造单位中电荷是平衡的。
高岭石重叠的晶胞之间是氢氧层与氧层相对，形成结合力较强的氢键，因而晶胞间联结紧密，不易分散。故高岭石粘土颗粒一般多为许多晶胞的集合体，与下面分析的蒙脱石相比颗粒较粗，小于2μm的颗粒含量仅占10～40%。
高岭石矿物晶体结构比较稳定，即晶格内部几乎不存在同晶置换现象，仅有表层OH－的电离和晶体侧面断键才造成少量的电荷不平衡，因而其负电性较小。由于负电性很小，致使这种粘土矿物吸附阳离子的能力低，所以水化等"活性"效果差。
由上可知，高岭石矿物由于晶胞间连接紧密，可交换的阳离子少，故水分子不易进入晶胞之间，因而不易膨胀水化，造浆率低，每吨粘土造浆量低于3m3。同时因可交换的阳离子量少，粘土接受处理的能力差，不易改性或用化学处理剂调节泥浆性能。因此，高岭石不是好的造浆粘土。
从钻井的井壁稳定性看，如果钻进遇到高岭石类粘土或富含高岭石的泥质岩层时，一般井壁不易膨胀而缩径，但易产生剥落掉块。
２．蒙脱石的结构特点
蒙脱石化学式是(Al1.67Mg0.33)[Si4O10][OH]2·nH2O。其晶体构造是由两层硅氧四面体中间夹有一层铝氧八面体组成一个晶胞，四面体和八面体由共用的氧原子联结（图11-4）。同样，在C方向重叠，沿A、B方向延伸。形成蒙脱石粘土颗粒。由于蒙脱石矿物晶胞是由两层硅氧四面体和一层铝氧八面体组成，故称为2:1型粘土矿物。其晶胞底面距为9.6?，吸水后可达21.4?。
图4-4 蒙脱石的结构特点
(图中右侧数值是叶蜡石结构中电荷的数值，不是蒙脱石的数值)
蒙脱石矿物晶体构造的特点之一是，重叠的晶胞之间是氧层与氧层相对，其间的作用力是弱的分子间力。因而晶胞间联结不紧密，易分散微小颗粒，甚至可以分离至一个晶胞的厚度，一般小于1μm的颗粒达50%以上。从形状上看，晶胞片的长度往往为其厚度的几十倍，是薄片状的颗粒。
蒙脱石矿物晶体构造的另一特点是同晶置换现象很多，即铝氧八面体中的铝被镁、铁、锌等所置换，置换量可达20～35%。硅氧四面体中的硅也可被铝所置换，置换量较小，一般小于5%。因此，蒙脱石晶胞带较多的负电荷，其阳离子交换容量大，可达80～150meq/ml。
由上可以分析出，蒙脱石粘土由于晶胞间联系不紧密，可交换的阳离子数目多，故水分子易进入晶胞之间，粘土易水化膨胀，分散性好，造浆率高，每吨粘土可达12-16m3左右。同时，因可以吸引较多的阳离子，故"活性"大，接受处理的能力强，易改性或用化学处理剂调节泥浆性能，是优质的造浆粘土矿物。
从钻井的井壁稳定性看，如果钻进中遇到蒙脱石类粘土或富含蒙脱石的泥质岩层时，易产生膨胀缩径甚至孔壁流散等孔内复杂情况。
３．伊利石的结构特点
伊利石又称伊利水云母，其化学式是
K<1(Al,Fe,Mg)2[(Si,Al)4O10][OH]2·nH2O。伊利石的结构总体上与蒙脱石相似，即也是由两层硅氧四面体中间夹一层铝氧八面体组成晶胞，故也是2:1型粘土矿物。不同之处是伊利石两晶胞之间存在较多的钾离子（K+）图。因而使其性能与蒙脱石有较大差别。
伊利石晶胞之间钾离子的直径为2.66?，与硅氧四面体六角环的空穴内径相当，故钾离子进入空穴后不易出来，它的嵌合作用使上下两层晶胞联结得很紧，水分子也难以进入其中。因此这种粘土不易分散。
伊利石晶格内部也有同晶置换现象，如硅氧四面体中有1/6的硅（Si）可被铝（Al）置换，使晶胞呈现负电性，因而有一定的离子交换能力。但它吸附钾离子后，由于钾离子不易电离出去，使其失去"活性"，交换能力降低。
上述结构特点的制约，使伊利石的造浆能力低，且难以改性和用化学处理剂调节泥浆性能。在钻进中钻到伊利石粘土或富含伊利石的泥质岩层时，不易膨胀缩径，但有剥落掉块的可能。
４．海泡石的结构特点
海泡石族粘土矿物的化学式是：Mg8[Si12O30][OH]4(OH2)4·8H2O，为含水镁铝硅酸盐。它也是2:1型粘土矿物，但颗粒的片状程度没有蒙脱石那么明显，而是呈棒状，从微观结构看属于双链状构造。在常规条件下，海泡石的造浆性能不
如蒙脱石，但由于具有特殊的结构构造，使其在高温下体现出良好的稳定性。首先，在海泡石中，硅氧四面体所组成的六角环都依上下相反的方向对列，而相互间被其他的八面体所连接，因而晶体构造中有一系列的晶道，具有极大的内部表面，水分子可以进入内部孔道；其次，海泡石中的镁离子含量高，而镁离子又能束缚众多的结晶水。因此，由于水的散热效应等，使海泡石具有较高的热稳定性，能耐260℃以上的高温，因而适于配制深井和地热井泥浆。
另外，由于特殊构造，海泡石粘土具有良好的抗盐性，它在淡水和饱和盐水中的水化膨胀情况几乎一样。因此是配制盐水泥浆或对付盐类地层泥浆的好材料。
为了更直观地比较4种粘土矿物的特点，特列表如下：
四种粘土矿物的性能比较表表11-2
综合表中的结果，蒙脱石是最好的泥浆配制材料；海泡石族在常温等一般条件下造浆性能比蒙脱石差，但在耐高温、抗盐侵方面具有较好稳定性；高岭石与伊利石的造浆性能差。
第四单元造浆粘土的选用与质量评价
粘土在工业和民用上有许多用途，如铸造中的造砂型、冶金中的团矿等都需要一定质量的粘土。钻井泥浆是粘土在水中的分散体系，从钻井工程的工艺要求出发，需要采用较为优质的膨润土造浆，即需要选用以含蒙脱石为主的钠膨润土为造浆材料。
国内外富含蒙脱石的大型优质膨润土矿有不少，如我国的新疆夏子街、山东高阳、辽宁黑山、浙江余杭，美国的怀俄明以及南澳大利亚等地都有高纯度的大型膨润土矿床。泥浆公司和粘土粉生产厂家从这些地方采取粘土矿原料，做适当的加工，形成造浆粘土的正规产品。
自然界中的粘土广泛存在。许多情况下，钻进现场及其附近就有或多或少含蒙脱石的粘土。如果钻井对泥浆性能要求不是很高，完全可以就地取土配制泥浆，并通过添加处理剂来改善泥浆性能。当然，一些蒙脱石含量很少或杂质很多的劣质土是不可取的，因为这些土难以造浆。
如果钻井通过的地层本身就富含造浆粘土，那么就可以利用"地层造浆"，即先用一定量的清水作为钻井液，清水在井内自动水化分散被钻头破碎下来的粘土形成泥浆，直接循环使用。
无论是就地取土、地层造浆还是购买正规粘土粉产品，都存在判别粘土是否适于造浆或检验粘土造浆质量的问题。对此，应该采用科学的鉴定和评价。
（一）粘土矿物的鉴定
粘土矿物的鉴定是确定粘土矿物的种类，检查其是否属于以蒙脱石为主的膨润土。由于粘土矿物的粒级一般在几微米以下，因此鉴定的方法主要有两大类型：
（1）矿物鉴定方法：差热分析和失重分析法、X衍射法、红外光谱法、化学分析法、电子扫描显微镜法；
（2）物化性能测定法：吸兰量试验、膨胀试验、胶质价试验、pH值试验、阳离子交换容量测定。
这些方法属于化学分析和仪器分析范围，它们的工作原理和操作规范可参阅相关专业书籍。以差热分析方法为例。粘土矿物在加热时会失去水分，质量减轻。一般粘土矿物中含有三种水：自由水、吸附水和晶格水(粘土矿物结晶构造中的一部分水，一般温度升高到300℃以上才能失去)。通过对粘土矿物加热时所发生变化的分析，不仅能够说明因脱水和结晶构造所引起的吸热反应的特征，还能指示温度升高时因形成新的物象所引起的放热反应。差热分析的结果以热效应对炉温的连续曲线的形式绘出。曲线中的波谷表示吸热反应，波峰则表是放热反应。曲线离基线的偏差反映试样温度与炉温之差，是热效应强度的量度。几种粘土矿物的差热曲线如图11－5所示。
图11-5 三种粘土矿物的差热曲线
高岭石在400～500℃开始失去结晶水，表现强烈、尖锐的吸热谷，这时，高岭石结构破坏形成非结晶质的偏高岭石。950～1050℃时有一放热峰，这是由于偏高岭石重结晶所产生的。
伊利石在100～200℃吸附水逸出，呈宽缓的吸热谷。550～650℃排出结晶水呈现较宽的吸热谷。850～950℃继续排出结晶水，晶格破坏，有一较弱的吸热线。900～1000℃有一明显的放热峰。
蒙脱石友三个特征吸热谷和一个放热峰；第一吸热谷在100～300℃指尖，是逸出吸附水的反应，因相对湿度和层间可交换性阳离子不同，可表现为单股、双谷或三谷。550～750℃为第二吸热谷，是排出结晶水的反应，平缓且宽。900～1000℃出现第三吸热谷，晶体结构破坏，紧接者出现一个放热峰，表是矿物重结晶形成尖晶石和石英等。
（二）造浆粘土的评价
综合国内外对膨润土的研究成果，评价造浆膨润土优劣的测试项目包括：（1）蒙脱石含量；（2）胶质价和膨胀倍数；（3）阳离子交换容量、盐基总量和盐基分量；（4）可溶性盐含量；（5）造浆率；（6）流变特性和失水特性。
对造浆粘土的评价方法之一是按照造浆性能要求确定粘土的造浆率。所谓造浆率是指：配得表观粘度为15×10-3Pa·s的泥浆时，每吨粘土造浆的立方数，计量单位为m3/t。它直接表示泥浆造浆效率的高低，
以此评价泥浆的宏观性能。造浆率的具体测定规范是：在定量的蒸馏水中加入定量的膨润土粉，经搅拌后密封静止24小时，使之充分预水化，然后搅拌，用直读式旋转粘度计测600转时的读数，当读数为30即对应表观粘度15╳10-3Pa·s时，依加土量计算造浆率：
(11-1)
式中： B --造浆率，m3/t；Vw --水的体积，ml；Ws --土的重量，g；Ms --土的比重，g/cm3。
显然，一次性定量配出的被测泥浆不可能正好为ηA=15╳10-3Pa·s，因此应该预估水、土加量范围，配制2～3种不同水、土比的泥浆，分别测定它们的ηA 值，然后用两点或三点连线法插值或顺延出造浆率值。
测定造浆率之前，对被测粘土的加工处理应该按照统一要求进行，使粘土的细度、水分含量、含砂量等指标处于标准范围，以保证造浆率测定的准确性。
应该指出，表观粘度虽然比较重要地反映了泥浆的性能，但是并不能唯一表明泥浆性能，更严格的造浆率指标还应该结合泥浆的失水量、屈服值、塑性粘度等指标来进行评价。国外造浆用商品膨润土的质量标准，主要是API标准即美国石油协会标准，此外，还有原来的OCMA（石油公司材料协会）标准、日本的JBAS 标准和前苏联标准等（见表11-3）。我国目前采用国际上通用的API标准作为商品膨润土的质量标准。若将表观粘度与失水量、屈服值、塑性粘度、漏斗粘度等结合起来衡量，能更加符合钻井实际来准确地反映膨润土的本质特征。
粘土造浆率质量标准指标表表11-3
注：ηp为泥浆的塑性粘度
第二节粘土水化分散与泥浆体系稳定原理
第一单元土的水化分散
粘土的水化是指粘土颗粒吸附水分子，粘土颗粒表面形成水化膜，粘土晶格层面间的距离增大，产生膨胀以至分散的过程。粘土水化的结果即形成泥浆。粘土的水化效果对粘土的造浆性能和土质地层孔壁的稳定有重大影响。
（一）粘土水化的原因
粘土颗粒与水或含电解质、有机处理剂的水溶液接触时，粘土便产生水化膨胀，引起粘土水化膨胀的原因有：
1. 粘土表面直接吸附水分子
粘土颗粒与水接触时，由于以下原因而直接吸附水分子：（1）粘土颗粒表面有表面能，依热力学原理粘土颗粒必然要吸附水分子和有机处理剂分子到自己的表面上来，以最大限度地降低其自由表面能；（2）粘土颗粒因晶格置换等而带负电荷，水是极性分子，在静电引力的作用下，水分子会定向地浓集在粘土颗粒表面；（3）粘土晶格中有氧及氢氧层，均可以与水分子形成氢键而吸附水分子。
2. 粘土吸附的阳离子的水化
粘土表面的扩散双电层中，紧密地束缚着许多阳离子，由于这些阳离子的水化而使粘土颗粒四周带来厚的水化膜。这是粘土颗粒通过吸附阳离子而间接地吸附水分子而水化。
（二）影响粘土水化的因素
1. 粘土矿物本身的特性
粘土矿物因其晶格构造不同，水化膨胀能力也有很大差别。蒙脱石粘土矿物，其晶胞两面都是氧层，层间联结是较弱的分子间力，水分子易沿着硅氧层面进入晶层间，使层间距离增大，引起粘土的体积膨胀。伊利石粘土矿物其晶体结构与蒙脱石矿物相同，但因层间有水化能力小的K+存在，K+镶嵌在粘土硅氧层的六角空穴中，把两硅氧层锁紧，故水不易进入层间，粘土不易水化膨胀。高岭石粘土矿物，因层间易形成氢键，晶胞间联结紧密，水分子不易进入，故膨胀性小。同时伊利石晶格置换现象少，高岭石几乎无晶格置换现象，阳离子交换容量低，也使粘土的水化膨胀差。
2. 交换性阳离子的种类
粘土吸附的交换性阳离子不同，形成的水化膜厚度也不相同，即粘土水化膨胀程度也有差别。例如交换性阳离子为Na+的钠蒙脱石，水化时晶胞间距可达40?，而交换性阳离子为Ca2+的钙蒙脱石，水化时晶胞间距只有17?。
3. 水溶液中电解质的浓度和有机处理剂含量
水溶液中电解质浓度增加，因离子水化与粘土水化争夺水分子，使粘土直连吸附水分子的能力降低。其次阳离子数目增多，挤压扩散层，使粘土的水化膜减薄。总起来是使粘土的水化膨胀作用减弱。盐水泥浆和钙处理泥浆对孔壁的抑制作用就是依据这个原理。
（三）粘土水化膨胀的过程
粘土的水化膨胀过程经历两个阶段，即：表面水化膨胀和渗透水化膨胀两个阶段。
1. 由表面水化引起的膨胀
这是短距离范围内的粘土与水的相互作用，这个作用进行到粘土层间有四个水分子层的厚度，其厚度约为10?。在粘土的层面上，此时作用的力有层间分子的范德华引力、层面带负电和层间阳离子之间的静电引力、水分子与层面的吸附能量（水化能），其中以水化能最大。此三种力的净能量在第一层水分子进入时的膨胀力达到几千大气压（H.Van奥尔芬指出，欲将最后几个分子层的吸附水从粘土表面挤走，需要2000～4000×0.101325MPa的压力）。
2. 由渗透水化引起的膨胀
当粘土层面间的距离超过10?时，表面吸附能量已经不是主要的了，此后粘土
的继续膨胀是由渗透压力和双电层斥力所引起的。随着水分子进入粘土晶层间，粘土表面吸附的阳离子便水化而扩散到水中，形成扩散双电层，由此，层间的双电层斥力便逐渐起主导作用而引起粘土层间距进一步扩大。其次粘土层间吸附有众多的阳离子，层间的离子浓度远大于溶液内部的浓度。由于浓度差的存在，粘土层可看成是一个渗透膜，在渗透压力作用下水分子便继续进入粘土层间，引起粘土的进一步膨胀。由渗透水化而引起的膜膨可使粘土层间距达到120?。增加溶液的含盐量，由于浓度差减小，粘土膨胀的层间距便缩小，这也是用盐水泥浆抑制孔壁膨胀的原理。
粘土水化膨胀达到平衡距离（层间距大约为120?）的情况下，在剪切力作用下晶胞便分离，粘土分散在水中，形成粘土悬浮液。
第二单元粘土-水界面的扩散双电层
为了更加深入地揭示粘土水化、分散、造浆的本质，掌握泥浆性能调节的基本胶体化学原理，引入扩散双电层理论对粘土-水界面的行为机理进行分析。 （一）双电层成因与结构
由于粘土颗粒在碱性水溶液中带负电荷（在端部则多数带正电荷），必然要吸附与粘土颗粒带电符号相反的离子--阳离子到粘土颗粒表面附近（界面上的浓集），形成粘土颗粒表面的一层负电荷与反离子的正电荷相对应的电层，以保持电的中性（平衡）。粘土颗粒吸附阳离子使阳离子在粘土颗粒表面浓集的同时，由于分子热运动和浓度差，又引起阳离子脱离界面的扩散运动，粘土颗粒对阳离子的吸附及阳离子的扩散运动两者共同作用的结果，在粘土颗粒与水的界面周围阳离子呈扩散状态分布，即形成扩散双电层。更值得指出的现象是，这种扩散层本质性地分成两部分-吸附层与扩散层，其结构如图11-6所示。
1. 吸附层
吸附层是指靠近粘土颗粒表面较近的一薄层水化阳离子，其厚度一般只有几个?。这一薄层水化阳离子，由于与粘土颗粒表面距离近，阳离子的密度大，静电吸引力强，被吸附的阳离子与粘土颗粒一起运动难以分离。
2. 扩散层
扩散层是吸附层外围起直到溶液浓度均匀处为止（离子浓度差为零）由水化阳
图11-6 粘土表面的扩散双电层
离子及阴离子组成的较厚的离子层。这部分阳离子由于本身的热运动，自吸附层外围开始向浓度较低处扩散，因而与粘土颗粒表面的距离较远，静电引力逐渐减弱（呈二次方关系减弱），在给泥浆体系接入直流电源时，这层水化离子能与粘土颗粒一起向电源正极运动而相反向电源负极运动。扩散层中阳离子分布是不均匀的，靠近吸附层多，而远离吸附层则逐渐减少，扩散层的厚度，依阳离子的种类和浓度的不同，约为10～00?。
3. 滑动面
它是吸附层和扩散层之间的一个滑动面。这是由于吸附层中的阳离子与粘土颗粒一起运动，而扩散层中的阳离子则有一滞后现象而呈现的滑动面。
4. 热力电位E
它是粘土颗粒表面与水溶液中离子浓度均匀处之间的电位差。热力电位的高低，取决于粘土颗粒所带的负电量。热力电位愈高，表示粘土颗粒表面带的负电量愈多，能吸附的阳离子数目也愈多。
5. 电动电位ζ
它是滑动面处与水溶液离子浓度均匀处的电位差。电动电位取决于粘土颗粒表面负电量与吸附层内阳离子正电量的差值。电动电位愈高，表示在扩散层中被吸附的阳离子愈多，扩散层愈厚。
（二）影响电动电位的因素
电动电位的大小受以下几方面因素的影响：
1. 阳离子的种类
阳离子的种类决定了阳离子电价的高低和阳离子的水化能力。当粘土颗粒吸附高价阳离子时，由于一个离子带的电荷多，粘土颗粒表面的总电荷量一定时，吸附层中被阳离子中和的电量多，于是电动电位低，扩散层中的阳离子数目少，扩散层及粘土表面的水化膜薄，粘土颗粒易于聚结。若粘土颗粒吸附的是低价阳离子，吸附层中被阳离子中和的电量少，电动电位高，扩散层中的阳离子数目多，扩散层以及水化膜厚，粘土颗粒不易聚结。例如，钙膨润土用碳酸钠处理，Na+取代Ca2+，因Na+为一价离子，且水化能力强，粘土颗粒周围的扩散层以及水化膜厚，泥浆趋于分散稳定。相反，配制好的泥浆使用时受钙侵，Ca2+取代粘土表面吸附的Na+，由于Ca2+是二价离子，水化能力弱，因而粘土颗粒的水化膜
变薄，泥浆由分散转化为聚结而失去稳定性。
2. 阳离子浓度
阳离子（例如Na+）虽水化能力强，粘土颗粒水化膜厚，泥浆稳定，但Na+浓度有一合适的范围，若Na+浓度过大，同样会使泥浆由分散转为聚结。这是因为：（1）阳离子浓度大，阳离子挤入吸附层的机会增大，结果使电动电位降低，扩散层以及水化膜变薄（即所谓挤压双电层），分散体系由分散转化为聚结；（2）阳离子浓度大，阳离子数目多，阳离子本身水化不好，同时阳离子水化而夺去粘土直接吸附的水分子，因而使粘土颗粒周围的水化膜变薄，分散体系由分散转为聚结。泥浆使用时受盐（NaCl）侵，是由于Na+过多，起了压缩双电层的作用，使泥浆由分散转为聚结，甚至失去稳定性。又如钙膨润土用纯碱改性处理时，碳酸钠存在有最佳加量，加量过大则起反作用，造浆量降低，泥浆性能变坏。
此外，泥浆的分散稳定或聚结，还受阴离子的影响，如钙膨润土改性而加入钠盐，加入Na2CO3而粘土颗粒分散，若加入NaCl，则粘土颗粒聚结。故泥浆处理加入无机盐时，必须考虑阴离子的影响。
（三）双电层理论对粘土水化的应用分析
由于吸附的阳离子水化，使粘土颗粒周围形成水化膜。电动电位愈高，扩散层愈厚，粘土颗粒周围的水化膜也愈厚，阻隔作用的增强使粘土颗粒在运动时愈不易因碰撞而粘结，粘土颗粒的水化分散效果便愈稳定；电动电位愈高，粘土颗粒之间的斥力愈大，分散性就愈强。因此，粘土颗粒表面带电量一定时，粘土颗粒在悬浮液中的水化分散稳定性主要取决于电动电位的高低。双电层理论的这一重要结论对钻井而言，具有两个方面的实际应用意义。
(1)．双电层理论对钻井泥浆应用的指导意义在于：①原生膨润土矿多为钙膨润土，造浆时加入一价钠盐，提供Na+，因离子交换吸附，扩散双电层中阳离子由Ca2+转为Na+，ζ电位升高，扩散层增厚，粘土分散，泥浆稳定。②泥浆受钙侵时，Ca2+的浓度增大，扩散双电层中Na+转为Ca2+，ζ电位下降，扩散层变薄，粘土颗粒聚结，泥浆失去稳定性。③为处理泥浆而加入低价阳离子电解质时，应严格控制加量，过量会起压缩扩散层的副作用，同时必须考虑阴离子的影响。④可以通过加入低价或高价阳离子无机处理剂来调节泥浆的分散或适度聚结，用以配制不同种类（分散的或适度聚结的）的泥浆。
(2)．从井壁稳定的角度来看，双电层理论也有重要的指导意义：若所钻地层的膨润土含量较高，在外界阳离子的作用下，ζ电位升高，水化分散性增强，易使井壁水化分散，给钻井工作带来井眼缩径、垮塌等不利影响。因此，在石油天然气钻井、基础工程钻掘及其他遇到泥岩、页岩、粘土等地层钻进时，采取压缩双电层，降低ζ电位的措施，能使井壁、槽壁的稳定性增强。
（四）正电荷扩散双电层
在酸性和中性的粘土悬浮液中，粘土片端部的Al-OH和Si-O键的OH－和O2-，因电离或断键而离去，于是粘土颗粒的端部便带正电荷，形成带正电荷的扩散双电层。因为正电荷与粘土层面所带的负电荷相比是较少的，故就整个粘土颗粒而言，所带的净电荷是负的。
粘土颗粒表面所带电荷的性质与溶液pH值有关。当pH值由酸性转为碱性且pH值不断升高时，带正电荷的端部也可转为带负电荷；而当pH值降低，溶液的酸性增大时，粘土颗粒层面带的负电荷也可转为带正电荷。因此，为使粘土颗粒带稳定的负电荷，形成稳定的带负电荷扩散双电层，必须使粘土悬浮液处于碱性状态，即pH值必须大于7，一般要求为8.0～9.0，有时要求pH值高达9～10以上。
第三单元粘土在水中的分散状态
制备泥浆用的粘土，可能是优质膨润土，即以蒙脱石为主的粘土；也可能是混合型普通粘土，并且泥浆中还加有不同种类、不同数量的处理剂，因而粘土-水分散体系中粘土颗粒呈不同的形态存在。总的可分为分散，絮凝，聚结三种形态。因粘土种类不同，表面带电情况不同，其结合形式也有所不同，如图4-7所示。
图11-7 粘土在水中的分散状态示意图
A-分散不絮凝；B-聚结，但不絮凝；C-边－面结合，仍分散； D-边-边结合絮凝；E-边-面结合，聚结且絮凝；F-边-边结合聚结且絮凝
颗粒之间的联结有三种情形：面-面接触，边-面接触和边-边接触。以蒙脱石为主的膨润土，粘土含量低时可呈A的状态，随着土含量的增加向C和E型发展。而以高岭石为主的劣土，则从含量低时的B型向D、F型发展。钻进时含有岩屑的实际井浆，其中固体颗粒的存在状态比较复杂，可能是图的各种形式的综合。
即同时存在分散、絮凝或分散、聚结等形态。
第四单元泥浆的稳定性
泥浆分散体系中，粘土颗粒的分散和聚结是泥浆体系内部两种对立的倾向。由于地球重力场的存在和体系外部环境的经常变化，因而泥浆体系中粘土颗粒的凝聚或聚结是经常的，绝对的，而分散和稳定则是暂时的、相对的。研究泥浆分散体系的目的，是在了解泥浆体和纱内部稳定和聚结的动力过程的基础上，通过对泥浆进行化学处理，使分散性差、不稳定的泥浆体系转变为分散性好而相对地较稳定的泥浆以满足钻井的要求。泥浆分散体系的稳定是指它能长久保持其分散状态，各微粒处于均匀悬浮状态而不破坏的特性。它包含两方面的含意，即沉降稳定性和聚结稳定性。
（一）泥浆的沉降稳定性
沉降稳定性又称动力稳定性，是指在重力作用下泥浆中的固体颗粒是否容易下沉的特性。泥浆中固体颗粒的沉降决定于重力和阻力的关系。当重力和阻力相等时，颗粒均速下沉。若颗粒为球形，按Stokes定律，沉降速度为：
(11-2)
式中 r --球形颗粒的半径，cm；ρ，ρ0--颗粒和分散介质的比重，g/cm3；η--分散介质的粘度，Paos；g--重力加速度，m/s-2。
要满足上式，必须符合三个条件：（1）球形颗粒的运动要十分缓慢，周围液体呈层流分布；（2）颗粒间距离是无限远，即颗粒间无相互作用；（3）液相是连续介质。
由（11-2）式可看出：沉降速度与颗粒半径的平方，颗粒和介质的比重差呈正比，与介质粘度呈反比。尤以颗粒的大小对沉降速度影响最大。
按（11-2）式，当颗粒和分散介质的比重分别为2.7和1.0，分散介质的粘度为1.5×10-3Paos时，可求出沉降1cm的时间。
由（11-2）式计算出，颗粒大于1μm便不能长时间处于均匀悬浮状态。用普通粘土配制的泥浆，其中的粘土颗粒大都在1μm以上，故不加处理剂难以获得稳定的泥浆。因此，要提高泥浆分散体系的沉降稳定性，必须缩小粘土颗粒的尺寸，即应采用优质粘土造浆，以提高其分散度，其次应提高液相的比重和粘度。
（二）泥浆的聚结稳定性
泥浆的聚结稳定性是指泥浆中的固相颗粒是否容易自动降低其分散度而聚结变大的特性。泥浆分散体系中的粘土颗粒间同时存在着相互吸引力和相互排斥力，这两种相反作用力便决定着泥浆分散体系的聚结稳定性。
泥浆分散体系中粘土颗粒之间的排斥力是由于粘土颗粒都带有负电荷，粘土颗粒表面存在双电层和水化膜。具有同种电荷（负电荷）的粘土颗粒彼此接近或碰撞时，静电斥力使两颗粒不能继续靠近而保持分离状态。同时粘土颗粒四周的水化膜，也是两颗粒彼此接近或聚结的阻碍因素。当两颗粒相互靠近时，必须挤出夹在两颗粒间的水分子或水化离子，进一步靠近时便要改变双电层中离子的分布。要产生这些变化就需要做功。这个功等于指定距离时的排斥能或排斥势能。排斥势能（VR）决定于颗粒所带的电荷，同时是相互间距离的函数。它大致是随着颗粒间距离的增加呈指数下降，故近似地可写成：
(11-3)
式中ε--溶剂的介电常数；r--球形颗粒的半径，m；φ0--颗粒表面的电位，V；H0--两球形颗粒球面最短距离，m；K--离子氛半径的倒数，1/K可看作为双电层厚度的量度，m-1。
泥浆分散体系中粘土颗粒之间的吸引力是范德华引力。范德华引力是色散力、极性力和诱导偶极力之和。对两个原子来说其大小与两原子间的距离的7次方呈反比（或对吸引能来说是6次方）。但泥浆中的粘土颗粒是由大量分子组成的集合体，它们之间的吸引势能大约与颗粒表面间距离的2次方呈反比。若为球形颗粒，体积相等，当两颗粒接近到两球表面间距离H0比颗粒半径r小得多时，则两颗粒间的吸引势能（VA）为：
(11-4)
式中 A--Hamaker常数，负号表示吸引能。
由上看出，排斥能和吸引能都是颗粒间距离的函数。只是变化规律不同。若势能以距离为函数作图，可得势能曲线，如图11-8所示。
两颗粒间的势能是排斥势能和吸引势能之和，即：
V=VA+VR (11-5)
图11-8 相互吸引位能曲线
V(1)和V(2)是相互吸引的位能VA和相斥位能VR(1)和VR(2)
之和
从图11-8的势能曲线看出，势能曲线的形状决定于VA和VR的相对大小。V（1）是排斥力大于吸引力的势能曲线，这时颗粒可保持稳定而不聚结。V（2）则表示在任何距离下排斥力都不能克服颗粒之间的引力，因此便会聚结而产生沉降。曲线V（1）上有一最高点，叫斥力势垒，颗粒的动能值只有超过这一点才能引起聚结，所以势垒的高低往往标志着分散体系稳定性的大小。
第三节泥浆性能及其测试方法
第一单元比重、固相含量与含砂量
泥浆的比重是指泥浆的重量与同体积水的重量之比。泥浆比重的大小主要取决于泥浆中固相的重量，而泥浆中固相的重量则是造浆粘土重量和钻屑重量之和。在有加重剂等其他固相物质加入的时候，加重剂等物质的重量也须计入。
泥浆的固相含量指泥浆中固体颗粒占的重量或体积百分数。泥浆中的固相包括有用固相和无用固相，前者如粘土、重晶石等，后者为钻屑。泥浆中的固相，按固相比重来划分，可分为重固相（重晶石比重为4.5，赤铁矿为6.0，方铅矿为6.9等）和轻固相（粘土比重一般为2.3～2.6，岩屑比重一般在2.2～2.8之间）。
泥浆的含砂量指泥浆中砂粒占的重量或体积百分数。
采用造浆率高的膨润土配制泥浆，粘土含量（重量/体积）在4～6%以下便可达到要求的粘度，此时泥浆比重在1.03～1.05左右。相反，若用造浆泥浆中的固相含量应控制在4%左右（体积含量），此时泥浆比重在1.05～1.08左右。
泥浆的比重和固相率低的粘土配浆，要达到同样的粘度，粘土用量要达20～30%以上，此时泥浆比重高达1.15以上。目前对优质轻泥浆，在粘度符合要求时，含量对钻井有重要意义和影响。
1. 地层压力的控制
钻井中防止漏失，涌水和维持孔壁的稳定，重要的一点是要维持钻孔-地层间的物理力平衡。而孔内静液柱压力的大小决定于孔内液柱的单位重量或比重以及垂直深度，即：
Ps=0.1γH (11-6)
式中 Ps--静液柱压力，N ；γ--单位体积的重量或比重，Kg/m3；H--液柱垂直高度，m 。
若把每单位高度（或深度）增加的压力值叫压力梯度。用Gs 表示静液压力梯度，则：
(11-7)
因此静液柱压力梯度Gs 决定于泥浆的比重，可以调节泥浆的比重使Gs 与地层压力梯度Gp 相适应以求得钻孔-地层间的物理力的平衡。
2. 对钻速的影响
近年来进行的泥浆比重、固相含量对钻速影响的研究得出如下的结论：
（1）随着泥浆比重的增加，钻速下降，特别是泥浆比重大于1.06～1.08时，钻速下降尤为明显。
（2）泥浆的比重相同，固相含量愈高则钻速愈低。由此泥浆比重相同时，加重泥浆的钻速要比普通泥浆高，因为加重泥浆的固相含量低。
（3）泥浆的比重和固相含量相同，但固相的分散度不同，则固相颗粒分散得愈细的泥浆钻速愈低。由此，不分散体系的泥浆其钻速要比分散体系的泥浆高，如图11-9所示。甚至有些研究者得出小于1μm 的颗粒对钻速的影响比大于1μm 颗粒的影响大12倍。因此，为提高钻进效率，不仅应降低泥浆的比
重和固相含量，而且应降低固相的分散度，即应采用不分散低固相泥浆。
3. 含砂量的影响
泥浆中的无用固相（主要为岩屑）含量会给钻进造成很大的危害。首先，无用固相含量高，泥浆的流变特性（见下节）变坏，流态变差。不仅使孔内净化不好而引起下钻阻卡，而且可能引起抽吸，压力激动等，造成漏失或井塌。其次，泥浆中无用固相含量高，泥饼质量变坏（泥饼疏松，韧性低），泥饼厚。这样，不仅失水量大，引起孔壁水化崩塌，而且易引起泥皮脱落造成孔内事故。第三，泥浆无用固相含量高，对管材、钻头、水泵缸套、活塞拉杆磨损大，使用寿命短。 因此，在保证地层压力平衡的前提下，应尽量降低泥浆比重和固相含量，特别是无用固相的含量。测量泥浆比重的仪器目前用得最多的是比重秤（其结构如图图11-9 泥浆固相含量对钻速的影响
钻井地质基础知识
钻井地质基础知识 技术服务中心 1.地球及组成 地核的范围大约从地下2900公里至地心6371公里，主要是由铁镍组成。地馒的范围大约在地下33公里至2900公里之间，主要是由铁镁硅酸盐、金属氢化物和不同矿化物组成。最上面的一层硬壳，叫地壳，是由岩石组成的，又叫岩石圈。地壳的厚度各处不一：大陆上高山地区最厚可达60－75公里；大洋中一般小于10公里；平均厚度约33公里。 组成地壳的岩石，按成因的不同，分三大类：火成岩、变质岩、沉积岩。 2.地层知识 地层（stratum） ☆地质历史上某一时代形成的层状岩石成为地层，它主要包括沉积岩、岩浆岩以及由它们经受一定变质的浅变质岩。 ☆地层是指在某一地质年代因岩浆活动形成的岩体及沉积作用形成的地层的总称。 ☆所谓的地层是指在地壳发展过程中形成的各种成层和非成层岩石的总称。 从岩性上讲，地层包括各种沉积岩、岩浆岩和变质岩；从时代上讲，地层有老有新，具有时间的概念。）中具一定层位的一层或一组。地层可以是固结的岩石，也可以是没有固结的堆积物，包括、火山岩和。在正常情况下，先形成的地层居下，后形成的地层居上。层与层之间的界面可以是明显的层面或沉积间断面，也可以是由于岩性、所含化石、矿物成分、化学成分、物理性质等的变化导致层面不十分明显。 （1）火成岩，又名岩浆岩。是高热的岩浆从地球较深处侵入地壳，或喷到地表冷凝后形成的．特点是无层次，块状，一般都很致密而坚硬。如花岗岩、玄武岩、正长岩等都是火成岩。（2）沉积岩。是母岩（即火成岩、变质岩和早期形成的沉积岩）受风吹雨打、温度的变化、生物的作用、水的溶解等因素的影响，逐渐地剥蚀、破碎，形成了碎屑物质、溶解物质和残余物质，这些物质经过流水、风力、冰川、海洋等搬运，离开了原地，在适当的条件下沉积下来，经过压实、交结、形成了沉积岩。沉积岩的特点是有层理，有化石（各种古代动植物的残骸遗体）。 （3）变质岩。是沉积岩或火成岩在地壳内部，由于物理化学因素（如高温、高压、岩浆的同化等）影响下，经过了变质作用改变了原来的成分和结构而变成新的岩石。例如石灰岩变成大理石；花岗岩变为片麻岩。变质岩中没有残存下来的化石，它与火成岩的主要差别是具有变晶结构。如片麻岩、片岩、板岩等。 岩石是由矿物组成的。组成岩石的主要矿物有十几种：如石英、长石、云母、方解石、粘土矿物等等。岩石的物理、机械性质（如硬度、塑性、研磨性的大小等）与组成岩石的矿物和胶结物的性质有密切关系。矿物硬度的比较级别如下： 1级——滑石 2级——石膏 3级——方解石， 4级——萤石 5级——石灰石 6级——正长石； 7级——石英 8级——黄玉 9级——刚玉； 10级——金刚石。 级数越高，硬度越大；目前发现的自然物质中，金刚石最硬。 3.沉积岩
钻井工程理论与技术复习题3
钻井工程理论与技术复习题 1. 静液压力由液柱自身的重力所引起的压力,其大小与液体的密度与液柱的垂直高度或深度有关。 2. 静液压力梯度的大小与液体中溶解的矿物或气体的浓度有关。 3.液柱的静液压力随液柱垂直高度的增加而增加 4．上覆岩层压力地层某处的上覆岩层压力是该处以上的岩石基质和岩石孔隙中流体的总重力所产生的压力。 5.上覆岩层压力随深度增加而增大。 6.地层压力指岩石孔隙中的流体所具有的压力，亦称地层孔隙压力。 7.异常高压超过正常地层静液压力的地层压力(Pp >Ph)称为异常高压。 异常低压低于正常地层静液压力的地层压力(Pp 安全管理编号：YTO-FS-PD950 钻井基础管理监督通用版 In The Production, The Safety And Health Of Workers, The Production And Labor Process And The Various Measures T aken And All Activities Engaged In The Management, So That The Normal Production Activities. 标准/ 权威/ 规范/ 实用 Authoritative And Practical Standards 钻井基础管理监督通用版 使用提示：本安全管理文件可用于在生产中，对保障劳动者的安全健康和生产、劳动过程的正常进行而采取的各种措施和从事的一切活动实施管理，包含对生产、财物、环境的保护，最终使生产活动正常进行。文件下载后可定制修改，请根据实际需要进行调整和使用。 第一节目标及承诺 1、基层队年度HSE目标 1.1 钻井队应依据本单位年度HSE工作要点和与上级签订的HSE责任状，编制年度HSE工作计划。 1.2 年度HSE工作计划中应明确工作目标，目标应包括控制指标、过程性指标等内容； 1.3 年度HSE工作计划应明确主要工作任务，工作任务包括完成时间及工作要求。 2、HSE（井控）承诺及总结 2.1 钻井队所有员工依据HSE（井控）责任状内容，结合岗位HSE职责，就如何做好个人年度HSE（井控）工作做出书面承诺，并进行公示。 2.2 钻井队队干部每季度编写承诺书履行情况并公示。其他员工每季度向队干部书面汇报承诺履行情况。 第二节风险管理 1、危险作业许可 危险作业前，钻井队应落实危险作业许可审批，并保 钻井工程 绪论 第一节钻井概述 一、钻井的概念 钻井：利用一定的工具和技术在地层中钻出一个较大孔眼（井眼）的过程。 二、钻井的分类 （一）按目的分类 1.探井：为探明地下地质情况、获取地下油气资源分布及相应性质等方面资料而钻的井。 （1）区域探井：为了解地层年代、地层时序、岩性、厚度、生储盖组合，并为物探解释提供参数而钻的探井。 （2）预探井：在确定含油气有利构造的基础上，以发现油气藏为目的而钻的探井。 （3）详探井：在已发现油气构造上，为探明含油气的面积和储量，了解油气层产能为目的而钻的探井。 2.开发井：以开发为目的，为了给已探明的地下油气提供通道所钻的井，或为了采用各种措施使油气被开采出来所钻的井。 （1）生产井：为完成产能任务和生产油、气所钻的井。 （2）注入井：为提高油、气井生产能力所钻的井。（用于注水所钻的井为注水井，用于注气所钻的井为注气井。） （二）按几何形状不同分类 1.直井：井口与井底在同一条铅垂线上。 2.定向井：井口与井底不在同一条铅垂线上。 （1）普通定向井：一个井场内仅钻1口最大井斜角小于60°的定向井。 （2）大斜度井：最大井斜角在60°～80°范围内的定向井。 （3）水平井：最大井斜角大于或等于86°，并保持这种井斜角钻完一定长度井段的井。 （4）大位移井：水平位移/垂深>=2的定向井或水平井（或测深/垂深>= 2的定向井或水平井）。 （5）丛式井：在一个井场（海洋平台）上有计划地钻出两口或两口以上的定向井组，其中可含1口直井。 （6）多底井（分支井）：一个井口下面有两个或两个以上井底的定向井。 （三）按井深不同分类 1.浅井：H<2500m。 2.中深井：2500 钻井分直井和定向井。定向井可分为：普通定向井、大斜度井、丛式井、多底井、斜直井、水平井等。 普通定向井：在一个井场内仅有一口最大井斜角小于60°的定向井。大斜度井：在一个井场内仅有一口最大井斜角在60°～86°范围内的定向井。丛式井：在一个井场内有计划地钻出的两口或两口以上的定向井组，其中可含一口直井。多底井：一个井口下面有两个或两个以上井底的定向井。斜直井:用倾斜钻机或倾斜井架完成的，自井口开始井眼轨道一直是一段斜直井段的定向井。 1、准备工作 定井位：地质师根据地质上或生产上的需要确定井身轴线或井底的位置。 修公路：主要保障能通行重车，有的满载车总重可达39～40吨或更多。 平井场：在井口周围平整出一块场地以供施工之用。井场面积因钻机而异，大型钻机约需120×90m2，中型钻机可为100×60m2。 打基础：为了保证施工过程中各设备不因下陷不均匀而歪斜，要打基础。小些的基础用预制件，大的基础则在现场用混凝土浇灌。 安装：立井架，安装钻井设备。 2、钻进 当前世界各地普遍使用的打井方法是旋转钻井法，此法始于1900年。 钻进：钻进直接破碎岩石的工具叫钻头。钻进时用足够的压力把钻头压到井底岩石上，使钻头的刃部吃入岩石中。钻头上边接钻柱，用钻柱带动钻头旋转以破碎并底岩石广井就会逐渐加深。加到钻头上的压力叫钻压，是靠钻柱在洗井液中的重量(即减去浮力后的重量)的一部分产生的。 钻柱把地面的动力传给钻头，所以，钻柱是从地面一直延伸到井底的，井有多深，钻柱就有多长。随着井的加深，钻柱重量将逐渐加大，以致于将超过钻压的需要。过大的钻压将会引起钻头、钻柱、设备的损坏，所以必需将大于钻压的那部分钻柱重量吊悬起来，不使作用到钻头上。钻柱在洗井液中的重量称为悬重，大于钻压需要而吊悬起来的那部分重量称为钻重。亦即钻压=悬重一钻重。 井加深的快慢，即钻进的速度，用机械钻速或钻时表示。机械钻速是每小时破碎井底岩石的米数，即每小时进尺数。钻时是每进尺1m所需时间，以分钟表示。此二者互成倒数。 洗井：井底岩石被钻头破碎以后形成小的碎块，称为岩屑。岩屑积多了会妨碍钻头钻切新的井底，引起机械钻速下降。所以必需在岩屑形成以后及时地把它们从井底上清除掉，并携出地面，这就是洗井。 洗井用洗井液进行。洗井液可以是水、油等液体或空气、天然气等气体。当前用得最多的是水基泥浆，即粘土分散于水中所形成的悬浮液。也有人称洗井液为钻井液，但多数人则把各种洗井液统称之为泥浆。 钻柱是中空的管柱，把洗井液经钻柱内孔柱入井中，从钻头水眼中流出而冲向井底，将岩屑冲离井底，岩屑随同洗井液一同进入井眼与钻柱之间的环形空间，向地面返升，一直返出地面，见图3-1。岩屑在地面上从洗井液中分离出来井被清除掉，不含岩屑的洗井液再度被注入井内，重复使用。洗井液为气体时则不再回收。 1．牙齿磨损量：指牙齿的相对磨损高度，新钻头时为0，牙齿全部磨损时为1。 2．门限钻压：指钻头牙齿刚刚吃入岩石时的钻压，其值的大小主要取决于岩石的性质。3．水泥稠化时间：指水泥浆从配置开始到其稠度达到其规定值（API规定水泥浆稠度达100BC）所用的时间。 4．工具面：弯接头的轴线是一条折线，折线构成的平面称为弯接头的工具面。 5．地层破裂压力：在井下一定深度出露的地层，承受流体压力的能力是有限的，当液体压力达到一定数值时会使地层破裂，这个液体压力称为地层破裂压力。 6．剪切稀释特性：指钻井液随着流速梯度的增加而表观粘度减小的现象。 7．卡钻：指在钻井过程中，由于各种原因造成的钻具陷在井内不能自由活动的现象。 8.平衡压力钻井：指保持钻井液液柱压力与地层压力相平衡条件下的钻井技术。 11. 固井：指在已打好的井眼内下入套管，并在套管与井壁之间注水泥。 14．定向钻井：沿着预先设计好的井眼轨道钻达目的层的钻进方法。 15．地层压力：岩石孔隙中的流体所成具有的压力,也称地层孔隙压力。 17．等安全系数法：在套管柱强度设计过程中，使各个危险截面上的最小安全系数等于或小于规定的安全系数的设计方法。 21.井斜角：井眼轴线上某一点的井斜角是指该点在井眼轴线上的切线与铅垂线之间的夹角。 23. 固井：指在已打好的井眼内下入套管，并在套管与井壁之间注水泥。 1．简述异常高压地层形成的原因。 答：地层在沉积压实过程中，能否保持压实平衡主要取决于四个因素：（1）上覆岩层沉积速度的大小，（2）地层渗透率的大小，（3）地层孔隙减小的速度，（4）排出孔隙流体的能力。 在地层的沉积过程中，如果沉积速度很快，岩石颗粒没有足够的时间去排列，孔隙内流体的排出受到限制，基岩无法增加它的颗粒和颗粒之间的压力，即无法增加它对上覆岩层的 【建筑工程管理】钻井工程基础知识 第一节钻井工程 钻井分直井和定向井。定向井可分为：普通定向井、大斜度井、丛式井、多底井、斜直井、水平井等。 普通定向井：在一个井场内仅有一口最大井斜角小于60°的定向井。大斜度井：在一个井场内仅有一口最大井斜角在60°～86°范围内的定向井。丛式井：在一个井场内有计划地钻出的两口或两口以上的定向井组，其中可含一口直井。多底井：一个井口下面有两个或两个以上井底的定向井。斜直井:用倾斜钻机或倾斜井架完成的，自井口开始井眼轨道一直是一段斜直井段的定向井。动画3-1 一、钻井过程 1、准备工作 定井位：地质师根据地质上或生产上的需要确定井身轴线或井底的位置。 修公路：主要保障能通行重车，有的满载车总重可达39～40吨或更多。 平井场：在井口周围平整出一块场地以供施工之用。井场面积因钻机而异，大型钻机约需120×90m2，中型钻机可为100×60m2。 打基础：为了保证施工过程中各设备不因下陷不均匀而歪斜，要打基础。小些的基础用预制件，大的基础则在现场用混凝土浇灌。 安装：立井架，安装钻井设备。 2、钻进 当前世界各地普遍使用的打井方法是旋转钻井法，此法始于1900年。 钻进：钻进直接破碎岩石的工具叫钻头。钻进时用足够的压力把钻头压到井底岩石上，使钻头的刃部吃入岩石中。钻头上边接钻柱，用钻柱带动钻头旋转以破碎并底岩石广井就会逐渐加深。加到钻头上的压力叫钻压，是靠钻柱在洗井液中的重量(即减去浮力后的重量)的一部分产生的。 钻柱把地面的动力传给钻头，所以，钻柱是从地面一直延伸到井底的，井有多深，钻柱就有多长。随着井的加深，钻柱重量将逐渐加大，以致于将超过钻压的需要。过大的钻压将会引起钻头、钻柱、设备的损坏，所以必需将大于钻压的那部分钻柱重量吊悬起来，不使作用到钻头上。钻柱在洗井液中的重量称为悬重，大于钻压需要而吊悬起来的那部分重量称为钻重。亦即钻压=悬重一钻重。 井加深的快慢，即钻进的速度，用机械钻速或钻时表示。机械钻速是每小时破碎井底岩石的米数，即每小时进尺数。钻时是每进尺1m所需时间，以分钟表示。此二者互成倒数。 洗井：井底岩石被钻头破碎以后形成小的碎块，称为岩屑。岩屑积多了会妨碍钻头钻切新的井底，引起机械钻速下降。所以必需在岩屑形成以后及时地把它们从井底上清除掉，并携出地面，这就是洗井。 洗井用洗井液进行。洗井液可以是水、油等液体或空气、天然气等气体。当前用得最多的是水基泥浆，即粘土分散于水中所形成的悬浮液。也有人称洗井液为钻井液，但多数人则把各种洗井液统称之为泥浆。 钻井基础知识 钻井基础知识 1 钻头 钻头主要分为：刮刀钻头；牙轮钻头；金刚石钻头；硬质合金钻头；特种钻头等。衡量钻头的主要指标是：钻头进尺和机械钻速。 2 钻机八大件 钻机八大件是指：井架、天车、游动滑车、大钩、水龙头、绞车、转盘、泥浆泵。 3 钻柱组成及其作用 钻柱通常的组成部分有：钻头、钻铤、钻杆、稳定器、专用接头及方钻杆。钻柱的基本作用是：(1)起下钻头；(2)施加钻压；(3)传递动力；(4)输送钻井液；(5)进行特殊作业：挤水泥、处理井下事故等。 4 钻井液的性能及作用 钻井液的性能主要有：(1)密度；(2)粘度；(3)屈服值；(4)静切力；(5)失水量；(6)泥饼厚度；(7)含砂量；(8)酸碱度；(9)固相、油水含量。钻井液是钻井的血液，其主作用是：1)携带、悬浮岩屑；2)冷却、润滑钻头和钻具；3)清洗、冲刷井底，利于钻井；4)利用钻井液液柱压力，防止井喷；5)保护井壁，防止井壁垮塌；6)为井下动力钻具传递动力。 5 常用的钻井液净化设备 常用的钻井液净化设备：(1)振动筛，作用是清除大于筛孔尺寸的砂粒；(2)旋流分离器，作用是清除小于振动筛筛孔尺寸的颗粒；(3)螺杆式离心分离机，作用是回收重晶石，分离粘土颗粒；(4)筛筒式离心分离机，作用是回收重晶石。 6 钻井中钻井液的循环程序 钻井液罐经泵→地面管汇→立管→水龙带、水龙头→钻柱内→钻头→钻柱外环形空间→井口、泥浆(钻井液)槽→钻井液净化设备→钻井液罐。 7 钻开油气层过程中，钻井液对油气层的损害 主要有以下几种损害：(1)固相颗粒及泥饼堵塞油气通道；(2)滤失液使地层中粘土膨胀而堵塞地层孔隙；(3)钻井液滤液中离子与地层离子作用产生沉淀堵塞通道；(4)产生水锁效应，增加油气流动阻力。 8 预测和监测地层压力的方法 (1)钻井前，采用地震法；(2)钻井中，采用机械钻速法，d、dc指数法，页岩密度法；(3)完井后，采用密度测井，声波时差测井，试油测试等方法。 9 钻井液静液压力和钻井中变化 静液压力，是由钻井液本身重量引起的压力。钻井中变化，岩屑的进入会增加液柱压力，油、气水侵会降低静液压力，井内钻井液液面下降会降低静液压力。防止钻井液静液压力变化的方法有：有效地净化钻井液；起钻及时灌满钻井液。 10 喷射钻井 喷射钻井是利用钻井液通过喷射式钻头喷嘴时，所产生的高速射流的水力作用，提高机械钻速的一种钻井方法。 11 影响机械钻速的因素 (1)钻压、转速和钻井液排量；(2)钻井液性质；(3)钻头水力功率的大小； (4)岩石可钻性与钻头类型。 12 钻井取心工具组成 (1)取心钻头：用于钻取岩心；(2)外岩心筒：承受钻压、传递扭矩；(3)内岩心筒：储存、保护岩心；(4)岩心爪：割断、承托、取出岩心；(5)还有悬挂轴承、分水流头、回压凡尔、扶正器等。 13 取岩心 取岩心是在钻井过程中使用特殊的取心工具把地下岩石成块地取到地面上来，这种成块的岩石叫做岩心，通过它可以测定岩石的各种性质，直观地研究地下构造和岩石沉积环境，了解其中的流体性质等。 14 平衡压力钻井 在钻井过程中，始终保护井眼压力等于地层压力的一种钻井方法叫平衡压力钻井。 15 井喷 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， 一．地质 1．按照成因的不同，岩石可分为哪三大类？ 答：①火成岩又名岩浆岩②沉积岩③变质岩 2．请写出三种火成岩的名称，并说明它们的特点？ 答：花岗岩，玄武岩，正长岩都是火成岩，它们的特点是无层理，块状，一般都很致密而坚硬 3．一般常见的沉积岩是由哪些矿物组成的？ 答：主要由石英，长石，云母，方解石，粘土等矿物组成。 4．沉积岩是怎么形成的？有什么特点？ 答：由于火成岩，变质岩受风吹雨打。温度变化，生物作用，水的溶解等因素影响，剥蚀破碎，形成了碎屑物质，溶解物质和残余物质，又经过流水，风力，冰川，海洋等搬运，离开了原地，在适当条件下沉积下来，经过压实，固结，就形成了沉积岩，其特点是有层理，大多有动植物化石。 5．请写出五种主要沉积岩的名称？ 答：①泥岩及页岩②砂岩③砾岩④石灰岩⑤白云岩 6．举例说明沉积岩是怎么形成的？ 答：沉积岩或火成岩在地壳内部的物理化学因素下，经过变质作用，改变了原来的成分和结构就形成了变质岩。如石灰岩变成了大理石，花岗岩变成了片麻岩。 7．石油和天然气主要储存在哪种岩层里？ 答：主要在具有圈闭条件的砂岩层和裂缝溶洞发育良好的石灰岩层里。 8．哪类岩石是良好的油气圈闭盖层？ 答：泥岩，页岩和厚石膏岩。 9．石油和天然气是怎么形成的？ 答：主要是浅海，海湾，内陆湖泊等地地有机沉积物被新的其他沉积物迅速覆盖起来，使有机物不被氧化而得以保存，随着沉积物不断加厚，压力和温度不断增加，在加上细菌作用，经过复杂得物理化学变化，这些有机物就变为石油和天然气。 10．油气藏通常分为哪两种大类型？ 答：构造油气藏和地层油气藏。 11．请写出七种硬度较高的岩石名称？ 答：大理石，砾石，花岗岩，铁矿石，燧石岩，玄武岩，白云岩。 12．写出可钻性最好的岩石名称？ 答：流砂岩，胶泥岩，盐岩层，石膏岩，煤层。 13．哪五种岩石对钻头和钻具磨损最严重？ 答：砾岩，燧石岩，自然铜，铁矿层，石英砂岩 14．写出五种最易引起跳钻的岩层？ 答：砾岩层，花岗岩夹层，．燧石夹层，风化壳，玄武岩夹层。 15．写出五种最易垮塌的岩层？ 答：流砂岩，砾石层，煤层，盐岩层，泥岩层。 16．写出三种最易井漏的岩层？ 答：煤层，大颗粒砾石层，古潜山得风化壳。 17．在中原油田，盐岩和盐膏层通常出现在哪一井段？ 答：主要出现在沙河街组得沙一段和沙三段，在沙三段通常又分为两部分，上部出现在沙23(文九盐)，下部出现在沙43．(文23盐)。 目录前言 第一章固井概论 第一节固井概念 第二节固井的目的和要求 第二章套管、固井工具、附件和材料第一节API套管标准和规范 第二节固井工具、附件 第三节固井材料 第三章固井工程技术基础 第一节固井工艺 第二节固井水泥浆 第三节注水泥施工程序 第一章固井概述 一、固井概念 为了达到加固井壁，保证继续安全钻进，封隔油、气和水层，保证勘探期间的封层测试及整个开采过程中合理的油气生产等目的而下入优质钢管，并在井筒于钢管环空充填好水泥的作业，称为固井工程。因此固井包括了两部分：下入套管的工艺和注入水泥浆的工艺叫做固井工艺。 固井作业 固井作业是通过固井设计，应用配套的固井设备、辅助设备及工具，将油井水泥、水和添加剂按一定的比例混合后，通过固井泵泵注入井，并顶替到预定深度的井壁与套管、（套管与套管）的环形空间内，使套管与井壁、（套管与套管）之间形成牢固粘结。 固井设备总体示意图 二、固井目的和要求 1、固井的目的 一口油井深达数千米，在钻井过程中常常遇到井漏、井塌、井喷等复杂情况，影响正常钻进，严重时甚至导致井眼报废。遇到上述情况就应下套管固井，封隔好复杂地层后，再继续钻进，直到建立稳定的油气通道为止。因此,为了优质快速钻达目的层，保证油气田的开采，就要采用固井，固井工程的主要目的为： 1）、在钻进过程中封隔易坍塌、易漏失等复杂地层，巩固所钻过的井眼保证钻井顺利进行。 （如图1-1所示），当从A点钻进至B点，如果在A点井深处没下套管固井，那么随着井深的变化，钻达B点所用泥浆密度在A点产生的压力就会大于A点地层破裂压力，造成A点地层破裂，发生井漏。同理，当从B点钻进至C点，如果在B点井深处没下套管固井，那么随着井深的变化，钻达C点所用泥浆密度在B点产生的压力就会大于B点地层破裂压力，造成B点地层破裂，发生井漏。 图1-1 下套管固井原理示意图 2）、封隔油、气、水层，防止层间互窜。 钻井井控基本知识题库 一、名词解释 1、井控：实施油气井压力控制的简称。 2、溢流：当井底压力小于地层压力时，井口返出的钻井液量大于泵的排量，停泵后井口自动外溢的现象称之为溢流或井涌。 3、井喷：当井底压力远小于地层压力时，井内流体就会大量喷出，在地面形成较大喷势的现象称之为井喷。 4、井喷失控：井喷发生后，无法用常规方法控制井口和压井而出现井口敞喷的现象称之为井喷失控。 5、油气侵：油或天然气侵入井内后，在循环过程中，泥浆槽、液池面上有油或气泡时，称之为油气侵。 6、井控工作中“三早”的内容：早发现、早关井和早处理。 7、一级井控：指以合理的钻井液密度、合理的钻井技术措施，采用近平衡压力钻井技术安全钻穿油气层的井控技术，又称主井控。该技术简单、安全、环保、易于操作。 8、二级井控：溢流或井喷后，按关井程序及时关井，利用节流循环排溢流和压井时的井口回压与井内液柱压力之和来平衡地层压力，最终用重浆压井，重建平衡的井控技术。 9、三级井控：井喷失控后，重新恢复对井口控制的井控技术。 10、静液压力：由井内静液柱的重量产生的压力，其大小只取决于液体密度和液柱垂直高度。 11、地层压力：指作用在地层孔隙中流体上的压力，也称地层孔隙压力。 12、地层破裂压力：指某一深度处地层抵抗水力压裂的能力。当达到地层破裂压力时，地层原有的裂缝扩大延伸或无裂缝的地层产生裂缝。 13、波动压力：由于钻具在井内流体中上下运动而引起井底压力减少或增加的压力值。是激动压力和抽吸压力的总称。 14、井底压力：指作用在井底上的各种压力总和。 15、井底压差：指井底压力与地层压力之差。 16、压井：是发现溢流关井后，泵入能平衡地层压力的压井液，并始终控制井底压力略大于地层空隙压力，排除溢流，重建井眼与地层系统的压力平衡。 17、放喷阀：节流压井管汇上的闸阀大多采用平行闸板结构的平板阀。根据驱动方式的不同，放喷阀可以分为手动放喷阀、液动放喷阀和液动/手动放喷阀三种。 钻井工程复习重点 单位： 1、压力（兆帕） 2、排量（升/秒） 3、管径（厘米） 1、判断 1、在深海区域，沉积岩的平均上覆岩层压力梯度值远小于 0.0227Mpa/M 正确 2 、钻井时，转速越高，钻速越快，每米成本越低错误 3、在二维定向井设计轨道上，某点的水平位移和水平投影长度是相等的。正确 4、某井A点井斜角为30度，B点井斜角为35度，A点的井眼曲率一定比B点的小。错误 5、真方位角（以地球北极为基准）等于磁方位角加上西磁偏角。错误（减上西磁偏角） 6、真方位角等于磁方位角加上东磁偏角。正确 7、平均角法计算井眼的轨迹点时假设：测段为线段，其方向为下测点方向。错误 8、在目前的完井中，射孔完井法是应用最多的一种完井方法。正确 9、扶正器钻具组合可以用来直井造斜。错误 10、气侵关井后，井口压力不断上升，说明地层孔隙压力在不断升高。错误 11、扶正器钻具组合只能用于改变井眼斜度，不能用来改变井眼方位。正确 12、紊流顶替水泥浆的效率比层流顶替的效率高，但比塞流效果差。 正确 13、岩石的强度分为抗压、抗剪、抗弯和抗拉强度，其中抗剪强度最小。错误 14、钻井液的n、k值是宾汉流型的流变参数。错误 15、先期裸眼完井法对油气层的污染小于后期裸眼完井法。正确 16、钻速方程中的门限钻压主要反映了岩石的抗压入强度正确 17、压井时控制井底压力不变的途径是保持立管压力不变。错误 18、PDC钻头的切削材料为金刚石材料，破碎岩石主要以研磨破碎为主。错误（PDC----剪切、人为合成---研磨） 19、硅酸二钙是水泥的主要成分之一，其含量对水泥的早期强度有较大的影响。正确 20、钻井时，若井内泥浆液柱压力大于地层压力，就不可能发生气侵。错误 21、在满眼钻具既可以用来防斜和稳斜，又可以用来降斜。错误（只 定向井钻井基础 提纲 （一）为什么要钻定向井？ （二）定向井的基本概念 （三）定向作业专业术语 （四）井眼轴线的计算方法 （五）定向井轨迹防碰 （一）、为什么要钻定向井？ 1、在海洋钻井平台上钻丛式定向井。控制较大面积的油气构造。生产设施集中在平台上，节省建造平台费用。 2、勘探和开发近海岸油气田。使钻井定向弯曲，钻达海底油气层，节约海上钻井平台的建设费用。 3、用定向井控制断层，查明油水界面或断层面的位置(c) 4、避开地表障碍物，勘探和开发障碍物下方的油气田。 5、纠正已斜的井眼或绕过井内落鱼而进行侧钻。 6、打定向井探采盐丘突起下部的油气层。含油构造有时与盐丘构造共生，部分盐丘可能直接覆盖在油藏上面，直井钻遇盐层可能导至冲蚀、钻井液漏失和腐蚀等问题。 7、井喷无法处理或油气井失火，钻定向救援井与原井衔接控制井喷或扑灭火灾。 8、钻大斜度井或水平井，防止气锥和水锥问题；增加井眼在产层中的延伸长度；增大平台的泄流面积，在裂缝性油藏 9、供水井。钻多孔底定向井多次穿过含水裂隙或沿含水裂隙钻单孔底定向井，可增加出水量。 10、开发地壳深部“干热岩”体的能量。钻两口定向井，用水力压裂法使两井连通，形成一个地下热仓和封闭回路，用—口井向下注冷水，干热岩将冷水加热，另一口井抽出高温蒸气进行发电。 11、在煤层中钻定向排放孔抽瓦斯，保证采煤时的安全。能钻遇多条裂缝，提高单井的产量。 12、对接连通开采可水溶性矿藏 过去，在钻孔采可水溶性矿盐时，一直采用单井对流水溶采卤法，这种采卤技术存在较多缺点，如矿产回采率不足20％，卤井寿命短，产量低，采出的卤水浓度低而且不稳定等。双井对接连通水溶采卤可克服上述一系列缺点。数十年来，盐业系统探索了几种使两井能连通的方法(压裂法，自然溶通法等)，但并不是很理想，采用定向钻进技术实现两井对接、三井对接甚至更多的井眼对接，极大地提高采盐卤水量。 （二）定向井的基本概念 1、定义 定向井是按照预先设计的井斜角、方位角和井眼轴线形状进行钻进的井。 2、钻定向井主要有以下优点： 有利了解含油构造及含油气情况。 能加大油气层泄露面积。 钻井基础知识 1 钻头 钻头主要分为：刮刀钻头；牙轮钻头；金刚石钻头；硬质合金钻头；特种钻头等。衡量钻头的主要指标是：钻头进尺和机械钻速。 2 钻机八大件 钻机八大件是指：井架、天车、游动滑车、大钩、水龙头、绞车、转盘、泥浆泵。 3 钻柱组成及其作用 钻柱通常的组成部分有：钻头、钻铤、钻杆、稳定器、专用接头及方钻杆。钻柱的基本作用是：(1)起下钻头；(2)施加钻压；(3)传递动力；(4)输送钻井液；(5)进行特殊作业：挤水泥、处理井下事故等。 4 钻井液的性能及作用 钻井液的性能主要有：(1)密度；(2)粘度；(3)屈服值；(4)静切力；(5)失水量； (6)泥饼厚度；(7)含砂量；(8)酸碱度；(9)固相、油水含量。钻井液是钻井的血液，其主作用是：1)携带、悬浮岩屑；2)冷却、润滑钻头和钻具；3)清洗、冲刷井底， 利于钻井；4)利用钻井液液柱压力，防止井喷；5)保护井壁，防止井壁垮塌；6)为井下动力钻具传递动力。 5 常用的钻井液净化设备 常用的钻井液净化设备：(1)振动筛，作用是清除大于筛孔尺寸的砂粒；(2)旋流分离器，作用是清除小于振动筛筛孔尺寸的颗粒；(3)螺杆式离心分离机，作用是回收重晶石，分离粘土颗粒；(4)筛筒式离心分离机，作用是回收重晶石。 6 钻井中钻井液的循环程序 钻井液罐经泵→地面管汇→立管→水龙带、水龙头→钻柱内→钻头→钻柱外环形空间→井口、泥浆(钻井液)槽→钻井液净化设备→钻井液罐。 7 钻开油气层过程中，钻井液对油气层的损害 主要有以下几种损害：(1)固相颗粒及泥饼堵塞油气通道；(2)滤失液使地层中粘土膨胀而堵塞地层孔隙；(3)钻井液滤液中离子与地层离子作用产生沉淀堵塞通道；(4)产生水锁效应，增加油气流动阻力。 8 预测和监测地层压力的方法 (1)钻井前，采用地震法；(2)钻井中，采用机械钻速法，d、dc指数法，页岩密度法；(3)完井后，采用密度测井，声波时差测井，试油测试等方法。 9 钻井液静液压力和钻井中变化 《钻井工程》综合复习资料 一、判断题（正确者填T，否则填F） 1．正常压力地层，地层压力梯度随井深的增加而增加。 F 2．在深海区域，沉积岩的平均上覆岩层压力梯度值远小于m。 T 3．一般地讲，岩石随着埋藏深度的增大，其强度增大，塑性减小。 F 4．试验测得某岩石的塑性系数为K=1，则该岩石属于脆性岩石。 T 5．PDC钻头布齿密度越高，平均钻头寿命越长，但平均钻进速度越低。 T 6．钻头压降主要用来克服喷嘴与钻井液之间的流动阻力。 F 7．增大钻杆柱内径是提高钻头水功率的有效途径之一。 T 8．测段的井斜角越大，其井眼曲率也就越大。 F 9．“满眼”钻具组合只能用来防斜和稳斜，不能用来纠斜。 T 10．为了有效的提高顶替效率，固井是一般采用层流顶替。 F 11．钻进时，在井内泥浆液柱压力大于地层压力的条件下不会发生气侵。 F 12．等安全系数法设计套管柱，一般不考虑钻井液浮力的减轻作用。 T 13．砾石充填完井的主要目的是防止油层出砂。 T 14．钻井液中固相含量越高、分散性越好，机械钻速越高。 F 15．轴向拉力的存在使得套管柱的抗外挤强度降低。 T 16．液压试验的主要目的为了测定油气层的地层破裂压力。 F 17．控制井内钻井液滤失量的最好方法是降低钻井液密度。 T 18．某牙轮钻头的轴承结构为“滚柱—滚珠—滚柱—止推”，其中滚珠轴承的主要作用是承受载荷的作用。 T 19．钻柱偏磨严重，说明钻柱在井下的运动形式主要是公转。 F 20．钟摆钻具组合纠斜提高稳定器安装高度是最有效的方法。 F 21．固井就是由下套管和注水泥两个环节组成的。 T 22．当钻遇异常高压地层时dc指数法值突然减小。 T 23．钻柱中性点是钻柱上既不受拉也不受压的0轴向力点，该点最安全。 F 24．射流对井底的清洗作用和破岩作用取决钻头水功率，与喷嘴出口到井底的距离无关。 F 25．使用弯外壳马达定向钻进时，钻进速度越快，造斜率越大。 F 26．岩石的塑性系数表征了岩石可变形能力的大小。 T 27．牙轮的超顶布置可使牙齿在井底产生沿牙轮轴方向的滑动剪切作用。 F 28．在正常压力层段，声波时差随井深的增加呈逐渐减小的趋势。 T 29．在二维定向井设计轨道上，某点的水平位移和水平投影长度是相等的。 T 30．井斜角越大，井眼曲率也就越大。 F 31．在轴向拉力的作用下，套管的抗挤强度增大。 F 32．射孔完井是使用最多的完井方式。 T 33．控制钻井液滤失量的最好方法是减小压差。 T 34．随着围压的增加，地层的强度增加、脆性也增加。 F 35．关井立管压力等于地层压力与钻柱内钻井液液柱压力之差。 T 36．用等安全系数发设计套管柱时，考虑了钻井液浮力的减轻作用。 F 37．用dc指数法检测地层压力时没有考虑到水力因素的影响。 T 38．压井时控制井底压力不变的途径是保持立管压力不变。 F 39．钟摆钻具既能降斜又能有效地控制井斜角的变化。 F 40．牙轮钻头的移轴目的是为了使牙轮钻头产生轴向滑动剪切掉齿圈间岩石。 T 41．气侵关井后，井口压力不断上升，说明地层压力在不断升高。 F 42．钻井液中固相含量越高、分散性越好，机械钻速越高。 F 43．井眼轨迹参数计算方法多样性的原因是假设测段形状不同。 T 浙江油田公司钻井工程技术管理规范 二〇〇九年七月 目录 第一章总则........................................ 错误！未定义书签。第二章钻井工程设计管理规范............................................. 错误！未定义书签。第三章钻前工程技术规定 ....................................................... 错误！未定义书签。第四章钻井液技术管理规范.................................................. 错误！未定义书签。第五章钻井井身质量管理规范............................................. 错误！未定义书签。第六章固井质量实施细则 ....................................................... 错误！未定义书签。第七章钻井取心技术管理规范............................................. 错误！未定义书签。第八章钻井交井质量管理规定............................................. 错误！未定义书签。 第一章总则 第一条为了规范浙江油田公司（以下简称公司）钻井工程技术管理，提高钻井施工水平，保证工程质量和效益，结合公司的自身特点，特制定本规范。 第二条钻井工程技术管理应结合地质与工程难点，积极推进科技创新，加大瓶颈技术攻关和成熟技术的推广应用，引进新工艺、新技术，提高钻井速度和钻井质量。 第三条钻井工程技术管理规范主要内容包括：钻井工程设计管理规范、钻前工程技术规定、钻井液技术管理规范、钻井井身质量管理规范、固井施工实施细则、钻井取心技术管理规范、钻井交井质量管理规定。 第四条钻井工程技术规范要坚持有利于发现和保护油气层及满足油气井注采要求为基本原则。施工过程中应强化“安全第一、预防为主、以人为本、质量至上”的理念，各项活动应符合健康、安全、环境（HSE）管理体系和井控安全的有关规定。 第五条本规范适用于公司各探区勘探开发钻井工程技术管理。 《工程钻探》复习提纲 绪论 1、钻探工程的基本过程： 是有动力机（电机、柴油机）带动钻机回转，并由钻机供给钻杆柱一定的轴向压力和扭拒，从而使钻头勊取岩石，达到不断向深部钻进获取地质资料的目的。 2、钻进的3个基本作业、2个基本工序、两项重要内容是什么？ 破碎岩石、清除岩屑、维护孔壁是钻探工作的基本作业。钻进和升降两个必要的基本作业程序(或称工序) 采取岩心或收集岩屑，这是钻探的一个中心问题和必要环节。 岩心采取和防止钻孔弯曲是钻探工作的两项重要内容。 3、什么是钻进规程？ 4、钻探工程的应用范围和分类？ 1．找矿 (1)地质普查钻探。为了查明地层性质及产状，了解地层及地质构造，或验证物探资料而进行的普查找矿钻探。 (2)地质勘察钻探。为探明矿区的地质构造，矿体的产状、品位、估计矿体储量，为矿产开发提供必要的地质资料。 (3)水文地质钻探。查明地下水状态、水质、水量及其运动规律等水文地质资料。 (4)工程地质钻探。为查明桥基、坝基、路基或水库、港口、大型设备、高层建筑的地质基础和地基承载能力等而进行的专门钻探工作。 (5)油、气田钻探。为勘探石油及天燃气等矿产而进行的钻探工作。油气田钻探通常也简称为石油钻井。 (6)地热钻探。为寻找地下热源而进行的钻探。 (7)海洋钻探。为探明海底下的矿物而进行的钻探。2．开采矿产资源 (1)为民用和工业用的普通水资源的开采而钻进的供水井； (2)为民用取暖和工农业用的热水资源的开采而钻进热水供水井； (3)为开发能源而在陆地和海洋上进行的石油和天然气的开采钻井； (4)为开采盐矿而钻的对接孔； (5)为开采垃圾沼气而钻的采气孔。 3．工程施工 (6)利用钻进技术建造导弹、卫星发射井： (7)利用钻进技术把核废料或其他有害物埋在地下深部的处理井； (8)代替开凿隧道而进行的大直径钻井或管棚钻进； (9)矿山各种辅助设施孔：如通风孔，疏导地下水孔以及电缆孔等； (10)为安装室内设备(如空调等)而进行的微型孔钻进 按钻头所用切削材料分类：金刚石钻进、硬质合金钻进、钢粒钻进 按碎岩方式分类：回转钻进、冲击钻进、冲击回转钻进、回转冲击钻进。 按冲洗液循环方式钻进：正循环钻进、反循环钻进、孔底局部反循环钻进 按钻进目的分类：地质钻进、石油钻进、水井钻进、工程施工钻进 5、钻孔及其要素 钻孔要素：即钻孔直径、钻孔方向和钻孔深度。 6、根据孔深，钻孔可分为哪几类？ 浅孔，0—150m，常用于物探地质调查，水文及工程地质勘查。 中深孔，150—1 000m，为勘探一般矿藏时所采用。 深孔，l 000m以上，一般为勘探开发石油以及科学深钻时采用。 第一章钻进设备 1、什么是钻探设备？ 从事钻探工作所使用的全套技术装备 6、钻机的作用？ 是实施钻具的回转和给予轴向压力，以破碎岩石加深钻孔，完成从孔内起下钻具或升降套管等工作。 7、钻探工艺要求钻机能完成的工序是？ ①提供使钻杆柱及碎岩钻具(钻头)回转的动力； ②具有能使钻杆柱及碎岩钻头继续前进的能力，以达到不断破碎岩石、连续钻进的目的； ③当钻头磨钝后、需要提取岩心及处理有关井内事宜时，钻机具有使钻杆柱及钻进工具提出孔口及再下入孔内继续下一个回次钻进的能力。 8、回转式钻机的基本组成有那些？ 回转机构、给进机构、升降机构、传动机构、操纵装置及机座等基本部分组成。 9、回转器有哪几种方式？ 立轴式、转盘式二大类。 10、要求回转器的结构与性能必需满足那些要求？ ①回转器的转速和扭矩的性能应能适应钻进工艺孔内情况变化的要求。 ②要求回转器能反向回转。 ③回转器应有良好的导向作用。 ④根据使用要求回转器应能在一定范围内变更倾角，可钻进不同方向的钻孔。 ⑤回转器应做到回转运动平稳，震动摆动小。 11、给进机构任务是？ 量钻具重量；进行加压或减压钻进——调节和保持孔底钻头上的轴向压力和钻进速度；并根据钻头的钻进速度给进钻具，保证钻头连续不断地钻孔；平衡钻具重量；倒杆、提动和悬挂钻具；强力起拔钻具等。钻井基础管理监督通用版
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