一、钻井液主要参数和测定

钻井液流变参数(塑性粘度,动切力,静切力,n,k)的测量与计算

钻井液的流变参数与钻井工程有着密切的关系，是钻井液重要性能之一。因此，在钻井过程中必须对其流变性进行测量和调整，以满足钻井的需要。钻井液的流变参数主要包括塑性粘度、漏斗粘度、表观粘度、动切力和静切力、流性指数、稠度系数等

二、流变参数的测量与计算 1．直读公式推导 1）表观粘度的测量与计算

根据表观粘度的定义，某一剪切速率下的表现粘度可用下式表示：

μa＝τ/γ＝(0.511θN/1.703N)×(1000)＝(300θN)/N(4－3)

式中 N－表示转速，单位为r／min；θN－表示转速为N时的刻度盘读数；μa－表现粘度，mPa·s。

例如，在300r/min时测得刻度盘读数为36，则该剪切速率下的表观粘度等与36×1.0＝36（mPa·s）；若在6r/min时测得刻度盘读数为4.5，则该剪切速率下的表现粘度等于4.5×50.0＝225（mPa·s）

在评价钻井液的性能时，为了便于比较，如果没有特别注明某一剪切速率，一般是指测定600 r/min时的表观粘度，即

二、什么是石油钻井液

钻井液是指满足钻井与完井工程所需要的多功能循环流体。由于在旋转钻井中绝大多数是使用液体，少量使用气体或泡沫，因此把钻井流体称作“钻井液”。目前应用广泛、研究深入的是水基钻井液，因此钻井液也常称泥浆(旧称)。我国钻井液技术发展很快。1953年前后开始使用钙基钻井液，开创了粗分散体系的历史。20世纪60年代研制成功了CMC、FCLS处理剂以及70年代钻成了7000m的超深井，又使我国的钻井液技术前进了一大步。1973年前后开始了不分散体系钻井液的研制和使用，目前已基本完善。80年**始了阳离子钻井液的研制。

一、钻井液的作用及成分钻井液在钻井工程中的主要功用是：(1)清洗井底，携带岩屑；(2)冷却和润滑钻头、钻柱；(3)形成泥饼，保护井壁；(4)控制与平衡地层压力；(5)悬浮岩屑和加重剂；(6)提供所钻地层的有关资料；(7)将水功率传给钻头；(8)防止钻具腐蚀。

钻井液的主要成分有：(1)水(淡水、盐水、饱和盐水等)；(2)膨润土(钠膨润土、钙膨润土、有机土、抗盐土等)；(3)化学处理剂(无机类、有机类、表面活性剂类、高聚合物类、生物聚合物类等)；(4)油(轻质油、原油等)；(5)气体(空气、氮气、天然气等)。这些成分在各类钻井流体中所形成的分散体系不同，因此所起到的作用也不同。从物理化学观点看,钻井液是一种多相不稳定体系,包括悬浮体(如重晶石粉、钻屑、粘土粉等)、胶体(如高聚合物、膨润土的水溶液等)和真溶液(如氯化钠、碳酸钠的水溶液等),其中起主要作用的是胶体成分。

为了满足钻井工程的要求、改善钻井流体的性能，需要在各种钻井液中加入处理剂。根据所起的作用将处理剂分为碱度调节剂、除钙剂、除泡剂、起泡剂、减稠剂、增稠剂、絮凝剂、润滑剂、*菌剂、乳化剂、堵漏剂、加重剂、腐蚀抑制剂、表面活性剂、页岩水化抑制剂、滤失量降低剂、解卡剂、高温稳定剂等18类，约100～150种,其中经常使用的有20种左右。研究和开发处理剂，是提高钻井液技术水平的重要内容。

二、钻井液的性能为了正确使用钻井液，首先需要对钻井液的基本性能有正确的认识。一般用密度、粘度、切力、失水量、泥饼、pH值、稳定性、胶体率、含盐量和含砂量等项指标来表示钻井液性能的好坏。这些指标直接影响钻井质量和钻井速度。为了快速打出优质井，必须针对不同的钻井情况和要求调整好钻井液的性能指标。对于一般井，着重要求提高钻速、安全钻井；对于深井，还要能够做到充分暴露油气层；对于生产井，还要做到保护油气层,提高产量。这些要求都需要通过制定合理的钻井液性能指标来实现。

1.密度钻井液密度是指钻井液单位体积的质量，一般用符号ρ表示，习惯上单位用g/cm3。钻井液柱对井壁和井底产生的压力可以平衡地层压力、防止井喷、稳定和保护井壁,同时可防止高压油、气、水侵入钻井液破坏其性能，使井下情况复杂化。调节钻井液密度可以控制液柱产生的压力。钻井液密度过大会增大动力消耗,降低钻速,憋漏地层,伤害甚至压死油气层，因而钻井液密度不能过高。在可比条件下，密度下降0.1～0.2g/cm3，钻速可提高10%以上。因此，国外目前尽量采用低密度钻井液钻井。

2.粘度、触变性和切力1)粘度钻井液粘度是流动时钻井液中固体颗粒间、固体颗粒与液体之间以及液体分子之间的内摩擦的反映。由于测量方法不同，有不同的粘度值。目前常用的是塑性粘度。

塑性粘度是指在层流流动状况下，钻井液中固相颗粒间、固体与液体分子间的内摩擦以及液体本身受剪切所产生的流动阻力的总和。用旋转粘度计测定，单位用mPa·s表示。

影响塑性粘度的主要因素是钻井液中所含固体颗粒的数量、大小以及粘土矿物的类型。固体颗粒多、粒度细，比表面增加，内摩擦增大，塑性粘度必然增加。降低塑牲粘度有效的办法是用水稀释或通过机械降砂的办法降低固相含量。

钻井液的粘度要适当。粘度太低，不利于携带岩屑；粘度太高则会带来许多问题，如：(1)使流动阻力增大、泵压上升、排量下降，井底清洗效果变差，以致于严重影响钻速。(2)造成清砂和降气工作困难。(3)易引起泥包钻头，造成“拔活塞”或卡钻。(4)下钻后开泵困难，循环压力高，易憋漏地层。因此，必须根据钻井速度、动力设备和所钻地层的实际情况选择合适的粘度。

2)触变性和切力钻井液的触变性是指钻井液搅拌后变稀、静置后变稠的这种特性。钻井液在停止搅拌后，由于粘土颗粒形状不规则、性质不均匀，粘土颗粒间能形成网状结构，慢慢失去流动性，并且结构强度随静止时间的延长而增加。用力搅拌可以破坏网状结构，使钻井液重新恢复其流动性。这就是触变性的一般机理。这种情况在钻井中经常出现，如钻进时钻井液不断循环，粘度较低；而起、下钻时钻井液停止循环，粘度就增大。

钻井液的触变性可用静切力来表示。静切力是指破坏每平方厘米钻井液的网状结构所需的小力，单位为mg/cm2。钻井液静切力的大小可用切力计进行测定。

由于钻井液具有触变性，则静止时间不同，静切力也不同。一般测两种静止时间的切力：静止1min后所测切力值为初切；静止10min后所测切力值为终切。1min与10min切力值的差异是由触变性所决定的，故其差值能描述钻井液触变性的大小。

钻井液流动时，部分网状结构被破坏，同时另一部分的网状结构又在恢复，终形成一种动态平衡。网状结构的存在使钻井液具有一定的胶凝强度。度量动态平衡状态下网状结构强度大小的量称作动切力。动切力是钻井液在层流状态时一项非常重要的性能参数，它对流动阻力及运输岩屑的能力影响大。动切力受粘土粒子表面性质、固相浓度和固相表面带电性质等因素的影响。常用旋转粘度计测定，单位为g/cm2。

3.失水量与泥饼在钻井过程中钻井液的失水可分为静失水和动失水。一般动失水是指钻井液流动循环过程中的失水。循环中泥饼有一个形成过程，从建立、增厚直到平衡，在这个阶段的失水都属于动失水。静失水是指静止状态的失水量，地面测量的失水就是静失水。起钻时钻井液停止循环，泥饼随着失水量的增加有所增厚，随着泥饼增厚失水量又有所减少，这个阶段属于静失水。钻井过程实际上是静失水与动失水交替变化的过程。

1)泥饼的形成和失水钻井所遇到的砾石层、砂岩层及裂缝性地层等都是有孔隙和裂缝的，也就是说这些岩层具有渗透性。当钻井液柱产生的压力大于地层压力时，钻井液会沿岩层的缝隙渗入地层。开始时，钻井液中较大的固体颗粒先将大孔堵小一些；然后，由次大的颗粒再将孔堵小一些。持续堆积固体颗粒使孔越来越小，后形成泥饼。泥饼的形成过程如图5-7所示。

与此同时，钻井液中的自由水渗入地层。渗入地层的水称为钻井液的失水。泥饼形成过程中，钻井液中自由水渗入地层的阻力逐渐增加，失水逐渐减少。泥饼形成后，失水主要取决于泥饼本身的渗透性，而地层渗透性对于失水的影响就变得很小。因此，钻井液失水和泥饼的形成是同时进行的，也是相互影响的。开始由于失水形成泥饼，而形成的泥饼反过来又阻止进一步失水。钻井液的失水量和泥饼可用失水仪测定。

2)泥饼和失水与钻井的关系泥饼在失水过程中才能形成，所形成的泥饼又能巩固井壁并阻止进一步滤失。失水过大会引起油层中粘土膨胀等井下复杂情况，损害油气层的渗透率，故失水应尽可能低一些。

泥饼的作用主要有以下几个方面：

(2)泥饼有润滑作用，可以减少钻具转动的动力消耗，另一方面也可以防止粘附卡钻。

(3)泥饼胶结性好，巩固井壁作用强，可防止松散地层的剥蚀掉块和坍塌。

(4)泥饼有可压缩性，在深井段可以进一步降低失水，巩固井壁。

从以上分析可以看出,一般要求失水量越小越好，但也要根据实际情况作具体分析。在快速钻井过程中或在不易坍塌的地层钻井时可用清水。这时虽然失水量较大，但可大大提高钻速，并可节约处理剂用量。另外，钻井液类型不同要求的失水量范围也不同。聚合物钻井液、盐水钻井液虽然比淡水钻井液失水量大，但由于聚合物及盐水钻井液能抑制泥页岩，仍可保持井壁稳定。

4.pH值钻井液的pH值，即酸碱度,是钻井液中氢离子浓度的负对数值。pH值小于7时，钻井液为酸性,pH值越小，酸性越强。pH等于7时，钻井液为中性。pH值大于7时，钻井液为碱性，pH值越大，碱性越强。高碱性钻井液(如石灰钻井液)pH值为12～14；不分散低固相钻井液的pH值为8～9；弱酸性钻井液(如饱和盐水钻井液)，pH值为6～7。现代钻井常用低碱性钻井液。

5.含砂量钻井液的含砂量是指钻井液中不能通过200号筛子(筛孔边长74μm)的砂子占钻井液总体积的百分数。

钻井液的含砂量过大，则易磨损钻具和泵的零件。随含砂量的增加，泥饼变粗变厚、摩擦系数增大、密度增加，严重时会引起卡钻。因此，一般要求钻井液的含砂量小于1%。

一般采用含砂量瓶及特别仪器进行含砂量的测定。

6.含盐量钻井液的含盐量是指钻井液滤液中含可溶性盐类(钠盐和钙盐等)的数量，用每升溶液中含盐类的毫克数表示。

可用滴定法或确定钻井液电导率的方法来测定含盐量。

7.稳定性钻井液的稳定性可以从两方面分析：

(1)钻井液中的固相是否容易下沉以及沉降的快慢(称沉降稳定性)。

(2)钻井液中的粘土颗粒是否容易粘结变大(称絮凝稳定性)。

现场一般只测沉降稳定性。沉降稳定性的好坏，在一定程度上也能反映出絮凝稳定性的好坏。此外，絮凝稳定性还可以根据失水、切力、沉降体积等间接测得。

三、主要测井方法

近几十年来，人们为了通过测井使裂缝更容易被探测与评价，已做出了很大努力。然而，人们也发现裂缝的定性和定量评价比原来预计的情况复杂得多。各种方法都基于这一事实，即在井眼尺寸不变的均质地层中，裂缝带将在探测的正常响应上产生异常。如果裂缝是张开的，则这种异常相当大；如果是闭合的，这种异常则微不足道。裂缝的分布极为复杂，裂缝性储集层产量变化大而递减快，高产井、低产井、干井交替出现，开发这类储层需付出很高的代价。随着测井技术的进步，对裂缝性储层的描述与开发已形成了一定的技术系列。以声波及放射性为主的裂缝测井系列与地震资料结合，进行横向预测，可以划分裂缝发育带及其分布，对裂缝发育带应用微电极扫描和井下声波电视测井，可以直观地把裂缝形态、宽度、长度、走向，以及它们的含油产状展示在人们面前。虽然有了这些技术上的进步，但由于地震资料受到地质因素的影响，在一个新区判断裂缝发育带仍然有很大的多解性。这些技术只能提高我们的成功率而不能在任何条件下得出单一而又肯定的解释。由于裂缝发育的随机性，以及层理、岩性等因素的影响，导致了测井响应的多解性，在一定程度上影响了用测井资料探测裂缝的成功率。探测裂缝及其分布规律的主要依据是裂缝与基质岩块具有不同的地质、地球物理特征，故在多数测井曲线上都有相应的显示。用测井来探测裂缝只能限于那些张开或部分充填的裂缝，很难把天然裂缝从人工诱导缝中区分开来。

①双侧向测井。这种仪器强烈地受到裂缝的影响，因为裂缝网络构成低电阻率通道，这种通道具有分流电流的作用。在与钻井轴成亚平行的裂缝情况中，如果钻井液比存在于裂缝中的导电流体导电性更强，则浅侧向电阻率RLLS比深侧向电阻率RLLD低，曲线呈现双轨；而在致密带内，孔隙少，无裂缝，RLLS与RLLD读出的电阻率值相近，两条曲线基本重合。②微侧向测井。与双侧向相同，应用电阻率的异常来确定裂缝带，微侧向测井受垂向电阻率变化的影响，由于它们具有极板，因此面向极板的裂缝才能观测到。但是，一般说来，由于钻孔在裂缝附近易破碎，井眼成椭圆形，而极板有沿着长轴定向的趋势。微侧向测井仪器探测的深度很浅，裂缝系统的存在将大大影响这些仪器的响应。③感应测井。在假设裂缝产生电阻率异常的前提下，感应测井可用于确定裂缝的存在，由于其感应电流的分布是呈环状的，所以感应测井受水平电阻率变化的影响，微侧向测井与感应测井之间的振幅差异可用于显示垂直与水平裂缝的存在。④电磁波传播测井。千兆级高频电磁波探测很浅的地层，具特高垂向分辨率，使传播时间和衰减曲线反映很薄的岩性变化。对水平和低角度裂缝有不同的反映特征，水平缝以两条曲线的尖锐高尖出现，泥页岩的衰减更剧烈。如果极板遇上高角度缝，则出现较长井段的相应异常。

①补偿密度测井。当井身结构较好时，补偿密度曲线能较好地反映地层岩性和进行裂缝识别。②岩性密度测井。当采用重晶石钻井液钻井时，由于重晶石的光电吸收截面指数Pe值很大，Pe曲线在裂缝段将急剧增高。如果裂缝段井壁上形成重晶石泥饼，则裂缝段不仅有高的Pe值，而且还会有负的补偿密度曲线值。③自然伽马能谱测井。由于裂缝是流体循环的好场所，所以在漫长的地质年代里，如果有铀或其他放射性元素存在，NGS就能探测到裂缝。

①声幅测井。这种方法可能比其他方法更多地用于探测裂缝。据Marris（1964）和其他学者的研究，纵波遇到垂直或高角度裂缝时减弱，而横波遇到水平或低角度裂缝时更敏感。当纵波遇到充满流体的裂缝时，由于接触面上的反射，它的振幅降低。当横波遇到充满流体的裂缝时，它的振幅基本消失（Aquilera&Vanpoollen，1977）。另外，Welex把相长和相消干涉描述为平行井身但并不横切井身的裂缝标志。然而，经验表明，由于岩性变化及仪器居中状况会使幅度产生像裂缝引起那样大的变化。实际上，由于裂缝中固体颗粒的连接会使声特性的不连续消失。因此，很难普遍使用这种方法。②变密度测井。变密度测井记录的是在一个声波传送脉冲后，深度和振幅与时间的变化关系，大部分声波波列被记录下来并以近似地震道的形式显示在测井记录上。测井记录上的阴影变化表明了振幅变化。暗色阴影表明大的正振幅，淡色阴影表明大的负振幅。根据Aguilera和Vanpoollen（1977）的工作，这种方法就是通过在测井记录上寻找两个独特平行波组之间的跳跃或杂*带来表现裂缝。一些学者不是依靠跳跃带而是寻找特殊的W形图案来发现裂缝。然而，无论哪种情况，如果分析者未能很好地了解地层剖面，那么，可能把岩性变化误认为裂缝带。由于岩性与孔隙度的变化在图上可能产生类似于裂缝产生的突变，因此，解释这种测井图必须特别小心。③环形声波测井。记录沿井壁呈水平环形传播的声波，以声波幅度的衰减来探测垂直高角度裂缝。实践表明，这种方法是一种很有潜力的高倾角裂缝探测系统。④阵列声波测井。通过时间窗口控制，可获得纵波、横波、斯通利波的能量曲线。利用斯通利波的衰减来探测裂缝，是一种探测裂缝的新途径。斯通利波是一种频率为2～5Hz的波，它对裂缝有很强的响应。斯通利波在裂缝面产生的机理是由于入射波在裂缝面的压缩作用产生的流体脉冲进入井筒，使井壁产生压缩及膨胀。因为流体由裂缝压入井眼和流体进入裂缝，使转换的斯通利能量消耗，因此能量衰减与裂缝发育有密切的关系。

利用电流束和声波波束对井轴进行扫描，从而得到有关井壁的“图像”的一类测井方法。它是近20年发展起来的，并在继续发展和完善中。通过成像测井可得到有关地层产状、溶孔、溶洞等其他测井方法无法获得的重要信息。这对地层、构造、岩性和裂缝性储层的研究等方面意义都很大。包括：①井下电视。显示井眼表面声波响应的连续图像。这种仪器能给出一张井壁声波影像。它是通过记录一部分声波能量获得的，由声源发出并由井壁折回，反射到本身发射极，因此它起着接收器的作用。当岩石致密而光滑时地层的反射能量更高。如果岩石表面粗糙，有裂缝或者孔洞，那就会存在能量失散，而这些不规则出现在胶片上更阴暗。这种仪器不仅能够探测裂缝而且能够确定裂缝的产状，能很好地显示岩石表面的形状。它只能发现宽的、开启的破裂面。当时间和振幅测井双重显示时，可发现充填物与基质具有声波差异的裂缝。由于这是一种新的定向方法，因而也能确定裂缝的方向（Wily，1980；Aillet，1981）。这种方法在裂缝定量方面具有较好的应用前景。但是为了避免能量失散和有花斑的图像的出现，不仅要求在钻井液中没有呈现悬浮状态的组分，而且没有厚的泥饼，还要求井眼不是椭圆形井眼，钻井液中不含天然气。②微电阻率扫描测井（FMS）。井壁附近的电阻率是重要的岩石物理性质之一，可用来描述地层的细微结构。微电阻率测井沿井壁测量，探测浅而垂向分辨率高，因而对井壁地层的电性不均匀极为敏感。微电阻率测井无法确定裂缝的产状，无法区分裂缝、小溶洞、溶孔，这些问题可以通过微电阻率扫描来解决。当致密层中存在裂缝时，钻开后高电导率的钻井液或滤液就回流或渗入地层中。FMS仪器扫描到此处时，就记录下裂缝的高电导信息。在相应的FMS图像上显示为深灰或黑色，而没有裂缝的地方，岩石为高电阻率，对应的FMS图像上为浅灰或白色。FMS记录的信息的清晰程度取决于以下几个因素：ⓐ裂缝的张开度，如果裂缝的张开度大，钻井液进入得就多而深，裂缝处的FMS图像颜色就深，否则就浅；如果裂缝是闭合的，FMS就扫描不出来。ⓑ钻井液性质，钻井液电导率越大，对应裂缝处的FMS图像就越暗。ⓒ钻井液侵入程度，钻井液取代地层中的烃越多，对应的FMS图像就越暗。利用FMS图像研究裂缝是一种新的测井手段，它能给出其他识别裂缝的测井方法不能给出的裂缝视产状，能把裂缝和溶孔两种不同的储集层区分开，能估计裂缝视宽度而不受其他参数控制。这种方法是测井识别裂缝的补充和发展，它以直观、简单两大特点使解释人员易懂易用。③全井眼地层微扫描测井（FMI）：20世纪80年代中期，斯伦贝谢公司推出了第一支电法成像仪———地层扫描仪。这种仪器与倾角仪相似，但较之倾角仪，它安装了大量的附加电极“电扣”去采样电流，获得的数据经处理后产生一幅对应于井壁的高清晰度图像。1991年推出的FMI具有更大的井眼覆盖率和更高的分辨率。FMI极板安装在8in井眼中应有80%的覆盖率、0.2in的垂向分辨率。FMI极板有192个电扣，能测定92条微电阻率曲线，能对井内每一条微电阻率曲线精确定位。现在已能用诸如FRACVIEW程序来分析井眼图像电导率所反映的裂缝密度、张开度和孔隙度。张开度是根据裂缝加在电图像背景上的电导率计算的；计算裂缝密度时计入井眼偏移并作为“校正密度”供井间对比使用；孔隙度用每一条裂缝的平均开度计算。

①双井径曲线。在很好地掌握了地层剖面后，井径测井是发现井中裂缝带的有效方法。简言之，若井眼钻遇高密度裂缝带，则井径扩大。特别是钻遇高角度裂缝时，往往在与形成区域性裂缝的小应力方向相平行的方向上产生井眼定向扩径。②电导率异常检测。该方法是排除地层层理引起的电导率异常，突出与裂缝有关的电导率异常。求出各极板与相邻两个极板的电导率读数之间的小电导率正差异，把这个小正差异叠加在该极板的方位曲线上，作为识别裂缝的标志。③地层倾角矢量图。在地层倾角测井矢量图中，裂缝或者表现为层段之间无法进行对比，或者表现为倾角看起来很杂*。也可根据孤立的高倾角显示识别裂缝的存在。

①温度测井。钻井液中的温度梯度受开启裂缝带存在的影响，由于裂缝网隅被钻井液侵入，使地层变冷，从而使温度降低。②磁粉测井。可探测流体能与井眼流体交换的任何裂缝以及它们的方位和范围。③重复式地层测试器（RFT）。系统测取地层压力和钻井液柱压力，能分析压力系统、寻找新裂缝系统。能直观地认识地层渗透性，计算渗透率，评价生产能力。从仪器推靠和封闭成败及预测压力恢复情况，分析地层是干层、较小裂缝或孔隙、纵向连通很好的大裂缝，还是分散孤立的高角度裂缝，这也有助于研究高角度裂缝。

从以上的分析可以看出，在过去40年中，裂缝的探测与分析对电缆服务来说一直是个持续的挑战。井下声波电视测井（Taylor，1983）是一种成功的方法，然而却难以区分开启与闭合裂缝；环形声波测井（Guy，1987）可用于探测垂直的或近于垂直的裂缝。斯通利波的能量衰减能显示开启裂缝的特征（Brie，1988），尤其是用阵列声波仪器规一化的差值能量。然而垂向平均间隔仍很大。除声波方法外，在水基钻井液中应用微电场获得了成功。很久以来在裂缝性储集层中一直使用倾角测井和SHDT（Lehne，1988），但仍然存在井眼粗糙度的影响问题。已经证明地层微扫描仪（Ekstrom等，1986）是富有成效的，但受粗糙度的影响，并且有时开启与闭合裂缝的存在而使问题更加繁琐。因此，对测井来说可靠的裂缝分析方法仍然是一种挑战。