水基钻井液配制及API失水的测定

一、实训目的要求

1、了解和掌握钻井液的配制过程及方法，学会按所需比重配制一定量的水基钻井液。

2、了解测定钻井液常规性能的各种仪器的测定原理，正确掌握测定钻井液常规性能的仪器设备的使用方法。

3、正确掌握API失水仪的测定。 二、实训仪器及药品

高速搅拌机一台、高搅杯、API失水试验仪、秒表、天平、膨润土等。

三、实训内容与测定方法

1、水基钻井液的配制

钻井液(泥浆)的种类很多，通常分为两种基本类型：即水基钻井液和油基钻井液。油基钻井液是以柴油(或原油)作分散介质，水及有机土或其他的亲油粉末物质作分散相，加乳化剂等处理剂配制而成；水基钻井液是以水为分散介质，其基本组分是粘土(搬土)、水、和化学处理剂，这类钻井液发展最早，使用最广泛。我们这里所要配制的钻井液只是其中一种最基本、最简单的水基钻井液，即般土原浆。它的配制要点是在选定粘土的基础上，加入适量纯碱或其它处理剂，以提高粘土的造浆率。纯碱的加量依粘土中钙的含量而异，可通过小型实验求得，一般不超过泥浆体积的1%。加入纯碱的目的是除去粘土中的部分钙离子，使钙质膨润土转化为钠质膨润土，从而提高它的水化分散能力，使粘土颗粒分散得更细。Ca(土)＋Ｎa２CO３=Na(土)＋CaCO３。因此，原浆加纯碱一般呈现粘度增大，失水量减小；如果随着纯碱加入失水量反而增大，就说明纯碱加过量了。有的粘土只加纯碱还不行，

需要加少量烧碱，其作用是把粘土中氢质土转化为钠质土。

计算出配制密度为1.05的水基钻井液500ml所需膨润土重量(密度约为2.20g/cm３），用天平称取所需膨润土。其计算公式如下：

mccVm(m1)

c1mc——配浆所需的膨润土粉重量 g；Vm——所配钻井液的密度 g/cm；

３

m——膨润土粉的密度 g/cm；

Vw——需配制的钻井液体积 ml。

３

所需水量：VwVmmmc2、钻井液配制（配制1杯）

用量筒量500ml自来水放入高搅杯，将高搅杯放于高搅器下高速搅拌（11000转/分钟），一边搅拌一边缓慢加入已称好的膨润土粉(注意防止土粉在杯底堆积)，待土粉全部加完后，继续搅拌3～5分钟，按土粉重量的2～5％称取所需的纯碱粉边搅边加入钻井液中，继续搅拌30分钟，直到钻井液的温度基本接近室温即可。

注：现场一般配浆是用自来水在常温下配制，配好后需放置几天至十几天，以使土粉充分水化分散，钻井液性能稳定下来才能使用。本实验用热水配浆的目的是为了加快膨润土的水化分散，配制的钻井液也应放置几天，性能才能稳定。因时间限制本实验配制的钻井液没有放置陈放。由于配制的钻井液性能受到的影响因素很多，如水温、搅拌时间长短和强度、加土和碱的速度及时间、室温高低等，所以配制的钻井液性能各组可能有所不同。

2、钻井液失水量测定

钻井液的滤失量分为API滤失量(静滤失量)，是指室内在一定的压差(690±35kP相当于7±0.35kg/cm2）作用30分钟，通过截面积为45.8±0.6(直径9cm)过滤面积的滤纸所渗透出来的失水量，同时，在滤纸上沉积的固相颗粒的厚度称为泥饼厚度(以mm表示)；高温高压滤失量，即在1034.25KPa及150℃下测定的滤失量；动滤失量即指在一定剪切速率下测定的滤失量，滤失量均以ml表示。一般规律是，同一钻井液，滤失量越大，泥饼愈厚。

我们这里用国产仿API失水仪测定钻井液的滤失量就是钻井液的静滤失量。钻井液滤失量是一种渗滤现象，它的特点是钻井液处于静止，作为渗滤介质的泥饼(另一介质是地层)的厚度是个变数，它随渗滤时间的延长而增厚。影响静滤失量因素有渗滤时间、渗滤压力、固相的数量及类型、泥饼的渗透率、滤液粘度及温度等，根据钻井液静失水基本方程，当其它不因素不变时，钻井液的滤失量与渗滤时间的平方根成正比；渗滤压力(钻井液液柱压力与地层孔隙内流体压力之差)对钻井液滤失量的影响在其它条件相同的情况下，压差对钻井液的影响存在三种不同的情况：一种是随压差增加而变大；一种是不随压差而变化；另一种是压差愈大滤失量反而变小，说明泥饼具有较好的压缩性。钻井液中固相含量增加，滤失量减小，泥饼增厚。而泥饼的渗透率才是影响滤失量的主要因素，因此，控制钻井液滤失量的途径主要是降低泥饼的渗透率。泥饼的渗透率取决于构成泥饼的粘土及其它颗粒的尺寸、形状与水化程度。颗粒越小，形状越呈扁平状，在压力下越易变形；水化膜越厚者，渗透性越小。由此可见，钻井液滤失量这个参数实际上反映了钻井液的胶体性质，分散的、较细的胶体粒子占了相当数量，才有可能把钻井液的滤失量控制在较小的数值之内。

放空阀的工作原理(见图)：

当放空阀关死时，即处于位置1，减压阀输出(A室)被密封圈堵死，气体无法进入泥浆杯内(B室)，而泥浆杯(B室)与大气(C室)相通。当放空阀退回1圈时，即处于位置2，(B室)与外界隔绝，而与泥浆杯相通，即气体由减压阀输出，经过输出管道，进入泥浆杯。当放空阀恢复到位置1时，这时泥浆杯内压力被放空，便可安全地卸下泥浆杯。

放空阀原理图

减压阀工作原理(见图)：

(1)当我们工作时，顺时针转动调压手柄(6)下压调压弹簧(5)及膜片组件(4)将阀芯打开，使高压室气体经过阀芯配合空隙处(阻尼)进入低压室。

(2)膜片组即产生向上推力，企图将阀门关闭，使输出压力下降，当作用在膜片的推力与弹簧压力平衡后，减压阀便有一定大小的压力输出。

(3)当输入压力发生波动时，若压力在瞬时升高，输出压力也随之升高，而作用在膜片上推力也相应增大，破坏了原来的力平衡状态，从而必然导致上压调压弹簧，使膜片上移，此时靠高压室复位弹簧(3)及阻尼的作用，使阀杆上移，从而使阀门开度减小，节流作用增大，

使输出压力回降，直达到新的力平衡为止。而重新平衡后的输出压力，基本上又回到原来的调压数值。

(4)反之当输入压力瞬时下降，膜片下移，阀门开度增大，节流作用减小输出压力又基本上回升到原来的数值。这就是减压阀能稳压的工作原理。

总之，减压阀的工作原理是靠进气阀芯处的节流作用减压，靠膜片上力的平衡作用来稳压。

1- 减压阀座；2-阀芯组件；3-高压复位弹簧；4-阻尼组件；5-调压弹簧；6-调压手柄；密封圈；10-输出气接头

减 压 阀 图

测量方法及步骤：

7-调压阀盖；8-输入气接头；9-Φ11×19

(1)逆时针旋转减压阀调压手柄(6)使之成自由状态(此时减压阀高低压室关闭)，使气瓶中的气源不能进入减压阀。同时顺时针旋紧放空阀旋钮(见图)。

1-支架组；2-减压阀装配；3-放气阀组； 4-泥浆杯组；5-量筒挂架；6-20毫升量筒

图 ZNS型中压失水仪图

(2)将泥浆杯及泥浆杯盖和 “Ｏ”型密封圈等用干布擦拭干净，用手指堵住泥浆杯输气接头端面小输气孔，慢慢倒入被测钻井液至泥浆杯高度的刻度线处(注意钻井液不能装满泥浆杯)，先把 “Ｏ”型密封圈平放在泥浆杯台阶上(若台阶上沾有钻井液须用布擦干净)，然后再把一张定性干滤纸平放在“Ｏ”型密封圈上(注意不要浸湿滤纸)，将泥浆杯盖放在滤纸上，使杯盖的凸缘夹在泥浆杯的凹槽之间，再顺时针用力拧紧，使杯与盖的凸缘重叠宽度在1／２～１／３左右。注意不要拧的太紧，以避免把滤纸擦破或实验完后难以打开杯盖，但是也不能拧的太松使钻井液漏失或加压后杯盖滑脱，造成实验失败。

(3)将泥浆杯倒过来，使泥浆杯的矩形公接头插入失水仪三通接头的矩形母接头下，向任意方向旋转1／4圈使之吻合。

(4)将20ml量筒对准泥浆杯盖下的滤水孔，平放在底座上。

(5)顺时针旋转调压手柄(6)(见图)，使气瓶的气体进入低压室，同时观察减压阀压力表指针，调整压力至5～6kg/cm２。

(6)按逆时针方向，慢慢旋转放空阀旋钮(见图)，使高压室气体

进入低压室，同时观察压力表指示，当压力表指针瞬时发生较大角度下降时，表示压力已经进入泥浆杯，待指针基本稳定后，迅速转动调压手柄调压至7kg/cm

２，即泥浆杯内压力始终保持7kg/cm２，直

至见到第一滴滤液流出开始计时。

(7)若测定时，7.5分钟时的滤失量小于8ml，则应连续测量至30分钟。30分钟的滤失量即为API滤失量。若7.5分钟时的滤失量大于8ml，则可用7.5分钟时的滤失量乘以2，即为该钻井液的滤失量，也即API的失水量。本实验为了验证泥浆静失水基本方程，要求测定和记录以下时间的失水量。

1、2、3、4、5、6、7.5、10、12、14、16、18、20、22、25、30分钟。

附表 累时间（分） 1 2 14 3 16 4 18 5 20 6 22 7.5 25 10 30 计滤液（ml） 失时间（分） 12 水滤液（ml） 量 泥饼厚度（毫 米） 固相

蒸馏液体积固相 W杯 W杯+浆 （ml） 测定 （g） （g） 水 油 （g） W杯+固 固相含量 平均 重量% 体积% 比重s 数据 (8)当测量时间到30分钟时，立即取出量筒，读出量筒内滤液体积并记录。逆时针旋转调压手柄，将减压阀关闭(若需要再次测定滤失量，可不需关闭减压阀)，切断高低压室气源。 (9)按顺时针旋转放空阀(旋紧)，将泥浆杯内气体放空，即旋转到能够听到放空阀的出气小孔发出“咝咝”的响声为止(表示杯内气体已放出)。

(10)将放空后的泥浆杯旋转90°，取下泥浆杯并倒过来，按逆时针方向打开泥浆杯盖，用较小的水轻轻冲洗掉滤纸上泥饼表面的钻井液，取出滤纸及泥饼平放在水平面上，用钢板尺垂直插入泥饼测量泥饼厚度并记录。

(11)用pH试纸测定滤液pH值，记入表格。

(12)丢去泥饼及滤纸，清洗泥浆杯及盖、“O”型密封圈及量筒，特别是泥浆杯盖的金属网丝一定要用自来水冲洗干净并擦干，放回原处。

(13)当测量完毕后(不连续测量时)，应将气源切断后(减压阀杆处于松弛状态)，逆时针旋转放空阀将减压阀和输出接头的余气一起放空。

(14)实训全部结束后，将所有钻井液倒入共用大桶中备用，洗净擦干仪器及桌子等。

五、实训报告要求内容：

1.填写相应实验报告单的表格。

2.在直角坐标纸上，绘出泥浆累积失水量与时间平方根的关系图。

3.讨论实验现象，记录重要收获，尽量提出问题和改进建议。