钻井液工艺原理A(参考答案).doc

中国地质大学（北京） 2009年秋季学期

课程号：0201171
《钻井液工艺原理》期末考试试卷（A）
考试形式：闭卷考试 考试时间：120分钟
班号 学号 姓名 得分
题号
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4
5
6
7
总分
得分

Note: All answers can be given either in English or Chinese!

1. Please interpret the following definitions in detail(解释下列概念)（20 points，each 4 points）
①. Main functions of the drilling fluids（钻井液的主要功能）:
答：
a) Carry cuttings（携带岩屑） from beneath the bit, transport them up the annulus, and permit their separation at the surface; Suspend cuttings（悬浮岩屑） during when rotation of the pipe is stopped.
b) Cool and clean the bit.
c) Reduce friction between the drilling string and the sides of the hole.
d) Maintain the stability（维护井壁稳定） of uncased（未下套管） sections of the borehole.
e) Prevent the inflow of fluids-oil, gas, or water-from permeable rocks penetrated.
f) Transfer hydraulic power to the downhole motor.
g) Form a thin, low-permeability filter cake（泥饼） which seals pores and other openings in formations penetrated by the bit.
h) Assist in the collection and interpretation of information available from drill cuttings, cores, and electrical logs.
答出其中4点即可。
②. The causes of the negative potential at the surface of clay mineral（粘土矿物表面带有负电荷的原因）:
答：同晶置换或晶格取代
③. Give concept and the description of mud cake and explain effect of the cake on driiling operation（泥饼的概念与描述方法及其对钻井作业的影响）。
答：
a) The free water invade the formation the solid stick on the wall of the borehole, forming mud cake.自由水渗入地层、固相附着井壁，形成泥饼
b) Hard, soft, tough, compact, loose，thin, thick硬，软，韧、致密、疏松、薄、厚等
c) 泥饼薄而韧有利于降低失水，保护孔壁；厚而疏松则失水大，减小孔壁直径、引起压差卡钻，不利于孔壁稳定
④. The function of Na2CO3 and its mechanism（Na2CO3在钻井液中的作用及作用原理）：
答： Ca-粘土+Na2CO3 Na-粘土 + CaCO3
或，Na2CO3 +Ca2+ CaCO3 + 2Na+
⑤. Based on the structures of Mg(OH)2 and (MMH), explain why MMH sheet possesses postive charge（根据水镁石Mg(OH)2和正电胶结构，说明MMH晶片带有正电荷的原因。
答：MMH中由于高价的Al3+取代了部分低价的Mg2+，使得正电荷过剩，所以MMH晶片带有正电荷。

2. Density of drilling fluid and its effect on drilling operation, then give the design basis and adjustment of drilling fluid density (钻井液密度及其对钻井作业的影响，并说明钻井流体密度设计基础和调节密度的方法) （10 points）
答：
a) 钻井液的密度是指每单位体积钻井液的质量，常用g／cm3(或kg／m3)表示。（1 ponit）
b) 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1）地层孔隙压力，或；2)地层构造应力，以避免井塌的发生，或。（3 ponits）
c) 如果密度过高，将引起钻井液过度增稠、易漏失、钻速下降，甚至压裂地层。（2 ponits）
d) 密度降低有利于提高机械钻速，降低失水；但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。（2 ponits）
e) 加重剂可以提高密度，混入气体则可降低密度。（2 ponits）

3. Explain the following differences between montmorillonite [(A13.34Mg0.66)(Si7.0All.0)O20(OH)4] and Illite [(K,Na,Ca2)m(Al,Fe,Mg)4(Si,A1)8O20(OH)4·nH2O] based on the structure and the formula:
a) Why does Illite have more negative charges than montmorillonite?
b) Why does montmorillonite have more cation exchange capacity than Illite?
c) Why does montmorillonite have more yielding capacity than Illite?
d) Why is K+ used to drill formation than contain montmorillonite?
（根据蒙脱石和伊利石的结构及其化学成分解释这两种粘土矿物以下不同特性）：（10 points, each 2 points）
a) 伊利石晶与蒙脱石格取代位置的区别？
b) 为什么伊利石的负电荷比蒙脱石多？
c) 为什么蒙脱石阳离子交换容量比伊利石多？
d) 为什么蒙脱石的造浆能力最强？
e) 为什么用K+钻进含蒙脱石地层？
答：a）伊利石多发生在硅氧四面体，蒙脱石多发生在铝氧八面体；
b) 伊利石晶格取代比蒙脱石多；
c) 伊利石层间阳离子K+ 不易交换；
d) 蒙脱石O-O分子连接，阳离子交换容量大；
e) 利用K+进入粘土晶层，大小与Si-O四面体六角环状大小相近，可嵌入特点

4. Please write out the rheological equation of Bingham Plastic fluid and state its physical meanings and influential factors of parameters in equation and the control methods (写出宾汉塑性流体的流变方程，并阐述流变方程中各流变参数的物理意义和影响因素)（10 points）
答：
a) 写出流变方程 （2 points）

b) τd –动切力τd ：是塑性流体流变曲线中的直线段在τ轴上的截距。它反映了钻井液在层流流动时，形成空间网架结构能力的强弱。其主要影响因素有：1）粘土矿物的类型和浓度；2）电解质；3）降粘剂等；（4 points）
c) ηp - 塑性粘度ηp反映了在层流情况下，钻井液中网架结构的破坏与恢复处于动平衡时，悬浮的固相颗粒之间、固相颗粒与液相之间以及连续相内部的内摩擦作用的强弱。影响塑性粘度的主要因素：1）钻井液中的固相含量；2）钻井液中粘土的分散度；3）高分子聚合物处理剂。（4 points）

5. Based on the filtration equation , explain a) the factors that affect the filtration properties of drilling fluids; b)the effect of filtration on drilling operation; c)adjustment and control of filtration; d)the reason of adopting foam to prevent loss of circulation? (根据静滤失方程，说明a）影响钻井液失水的因素；b）失水对钻井作业的影响；c)滤失性能的调控；d)为什么说采用泡沫泥浆可以预防钻孔漏失？) （10 points）
答：
a) 压差、泥饼渗透性、滤液粘度、固相含量和泥饼固相含量；（4 points）
b) 失水增大，会引起地层岩石水化膨胀、剥落、使井径增大或缩小；（2 points）
c) 使用优质膨润土造浆；加入纯碱，提高ξ电位、水化程度和分散度；加入CMC等。（2 points）
d) 泡沫泥浆可以降低压差。（2 points）

6. Computation(10 points, each 5 points):
①. Using Fann 35A Viscometer, die dial readings are θ600＝40，θ300＝28, compute apparent viscosity, plastic viscosity and yield point and its apparent viscosity under 300rpm(使用Fann 35A型旋转粘度计，测得某种钻井液的θ600＝45，θ300＝30，求该钻井液的表观粘度、塑性粘度、动切力和300rpm下的表观粘度)。
解：μa=1/2×45=22.5 mPa.s

μp=45-30=15 mPa.s

μa（300）=（0.511*30）/（1.703*300）=0.030Pa.s=30 mPa.s

②. Make up 100 m3 drilling fluid with density of 1.05 g/cm3, compute the needed bentonite(in ton) and water(m3), densities of bentonite and water are assumed 2.6 g/cm3 and 1.0 g/cm3 respectively（配制100方密度为1.05 g/cm3的钻井液，计算所需要的膨润土（吨）和水（方）量，假设膨润土的密度为2.6 g/cm3，水的密度为1 g/cm3）.
解：

膨润土：mc=8.125 t
水： Vw＝96.875 m3

7. (某煤田进行煤层气勘探，孔深825m，采用Φ95mm绳索取心钻进。其勘探区钻遇的地层自下而上分别为:
[1] 基底海西期花岗岩。
[2] 第三系达连河组：下部含煤段，主要由碳质泥岩、泥岩、煤组成，层厚35～50m。中部油页岩段，厚度60～180m。上部砂泥岩段主要由泥质胶结的粗砂岩、泥岩，沼泽相泥岩、泥质细砂岩互层，厚度300～800m，泥岩遇水膨胀，粗砂岩易坍塌，孔壁极不稳定。在泥浆滤液渗透下，加上钻具的敲打，泥浆的水力冲刷剥蚀，极易坍塌掉块，严重超径，孔壁呈葫芦状，常常造成多种复杂的孔内事故，给钻探生产带来极大困难。
[3] 第四系主要由粘土、砂砾石等组成，层厚10～30m。
其中YD-02钻孔采用了KHM-CMC-PAM无固相钻井液，其组成及性能见表1。
表1 KHM-CMC-PAM 无固相钻井液性能
配方
1000mL 清水+ 15g KHM + 3g CMC + 200ppm PHP + 1.5g NaOH
性能指标
比重
g/cm3
漏斗粘度
s
失水量
mL/30min
泥饼厚
mm
pH
值
视粘度
mPa∙s
塑性粘度
mPa∙s
动切力
Pa
动塑比

1.005
22
8
0.3
8
8.5
5
2.5
0.5
请说明：
a) 选择无固相钻井液的原因；（4 points）
b) KHM（腐植酸钾）的作用及作用原理；（4 points）
c) CMC（钠羧甲基纤维素）的作用及作用原理；（4 points）
d) PHP（水解聚丙烯酰胺）的作用及作用原理；（5 points）
e) 评价该钻井液的动塑比，并说明其与携带岩屑的关系；（5 points）
在钻遇半胶结泥岩时,当上述处理剂配制的钻井液无法控制泥岩缩径、坍塌问题时,需在钻井液中加入重晶石粉,把密度调整到1.20g/cm3,请解释:
f) 提高密度的作用; （4 points）
g) 并计算每m3比重为1.005 g/cm3的钻井液需要加入多少kg密度为4.2g/cm3的重晶石。（4 points）
（30 points）
答：
a) 绳索取心钻进和有利于提高机械钻速；
b) KHM降失水和K+抑制泥页岩水化膨胀、剥落掉块；K+抑制作用；
c) CMC降失水，原理：-OH吸附在粘土表面上，-COO-水化膜变厚，ξ电位升高；增加粘度；多个粘土颗粒吸附在CMC的一条分子链上，有利于粘土的稳定；
d) PHP主要起絮凝作用，原理：－CONH2吸附固相颗粒，-COO-排斥粘土颗粒，选择性絮凝；高分子量，价量少。
e) 动塑比为0.5，比较合适，有利于提高岩屑携带能力；
f) 提高密度有利于稳定坍塌地层；
g) 273kg。
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