鉆井液流變性概述摘要：鉆井液在石油鉆井中起著十分重要的作用，深入研究鉆井液的性能，對油氣井鉆井液流變參數的優化設計和有效調控是鉆井液工藝技術有十分重要的指導意義。根據API推薦的鉆井液性能測試標準，鉆井液的常規性能包括：密度、漏斗粘度、塑性粘度、動切力、靜切力、API濾失量、HTHP濾失量、PH值、堿度、含砂量、固相含量、膨潤土含量和濾液中的各種離子的質量濃度等。本文主要對鉆井液的流變性進行綜述，包括鉆井液的流型及流變參數、鉆井液流變性與攜巖原理及井壁穩定性的關系。關鍵詞：鉆井液流變性流型攜巖原理一．鉆井液在石油鉆井中的作用（1）從井底清除巖屑（2）冷卻和潤滑鉆頭及鉆柱（3）造壁功能（4）控制地層壓力（5）循環停止時懸浮巖屑和加重材料，防止下沉（6）從所鉆地層獲得資料（7）傳遞水力功率二．鉆井液的類型分散鉆井液鈣處理鉆井液鹽水鉆井液飽和鹽水鉆井液聚合物鉆井液甲基聚合物鉆井液合成基鉆井液氣體型鉆井液保護油氣層的鉆井液三．鉆井液的流變性鉆井液的流變性是指在外力作用下，鉆井液發生流動和變形的特性。流體分為牛頓型流體和非牛頓型流體，非牛頓型流體又分為塑性流體、假塑性流體、膨脹性流體。現場使用鉆井液多為塑性、假塑性流體。1．牛頓流體通常將剪切應力與剪切速率的關系遵守牛頓內摩擦定律的流體，稱為牛頓流體。流變方程：dvdx流變曲線：0 剪也磁丿圧0 剪切速率了0 剪也磁丿圧0 剪切速率了h圖3-3兩種牛頓訛體的疏變曲線剪切速率隨剪切應力變化的曲線山州切應力隨阿切建率變化的曲迪其流動特點：加很小的剪切力就能流動，而且流速梯度與切應力成正比。在層流區域內,粘度不隨切力流速梯度變化，為常量。非牛頓流體0 剪切慮率7番H円種墓本淹壁的曲線1—牛慎張萍煨噩性Silt』i-麵性裁佯J4—臉船說障(1)塑性流體dvT-T —0PVdx剪切力tHO,而是T，即施加的切應力必須超過某一特定值才能開始流動。切應力s繼續增大，并超過T時，塑性流體不能均勻剪切，粘度隨切應力的增加而增加，即圖中曲s線段；繼續增加切應力，粘度不隨切應力的增加而增加，圖中直線段；T，靜切力，是鉆井液靜止時單位面積上形成的連續空間網架結構強度的量度。sT°，動切力，反映鉆井液處于層流狀態時鉆井液中網狀結構強度的量度。T-T卩二 亠，塑性粘度，即塑性流體流變曲線段斜率的倒數，不雖剪切力而變化。pvdvdxTT+pTT+pdvdxT=—0 pv 二o+pdvdx dvdx dvdxPV巴構+Ppv，表觀粘度，又稱有效粘度，是在某一流速梯度下剪切應力與相應流速梯度的比值。5)T.>，動塑比，反映鉆井液中結構強度和塑性粘度的比例關系。一般要求在0.34—0PV0.48的范圍內。兩種粘度對鉆井液工藝具有很重要的意義：1、了解兩種粘度所占的比例組成，有助于認識鉆井液的實質和問題所在，有助于判斷環空流態和鉆井液稀釋特性。

2、指導鉆井液流變性質的調整。鉆井液粘度過高粘度是由結構粘度還是塑性粘度引起的，便于調整。影響塑性粘度的因素主要有：1）鉆井液中的固相含量。這是影響塑性粘度的主要因索。一般情況下，隨著鉆井液固體顆粒逐漸增多，顆粒的總表面積不斷增大，所以顆粒間的內摩擦力也會隨之面增加。愛因斯坦粘度公式耳二耳+a^n002） 鉆井液中粘土的分散程度。當粘土含量相同時，其分散度愈高，塑性粘度愈大。3） 高分子聚合物處理劑。鉆井液中加入高分子聚合物處理劑會提高液相粘度，從而使塑性粘度增大。顯然，其濃度愈高，塑性粘度愈高；相對分子質量愈大，塑性粘度愈高。影響動切力的因素主要有：1） 粘土礦物的類型和濃度：蒙脫石、伊利石、高嶺石。2） 電解質：在鉆井過程中無機電解質的侵入均會引起鉆井液絮凝程度增加，從而動切力也增加。3） 降粘劑：大多數降粘劑都是吸附在粘土端面，使其帶有一定的負電荷，拆散網架結構從而降低動切力。賓漢流變模式參數調整：1） 降低塑性粘度：通過合理使用固控設備、加水稀釋或化學絮凝等方法，盡量減少固相含量。2） 提高塑性粘度：應用低造漿粘土配漿，加入加重劑、混油、提高PH值、加入高分子聚合物等3） 降低動切力：最有效的方法加入降粘劑，若由鈣鎂離子侵入，可加入沉淀劑，除去鈣鎂離子。4） 提高動切力：可加入預水化膨潤土漿，或增大高分聚合物的加量。對于鈣處理鉆井液或鹽水鉆井液，可通過適當增加鈣鈉離子濃度。（2）假塑性流體和膨脹性流體工=k（竺）n

dxn:表現出流體非牛頓性程度。一般小于1,為無因次量。鉆井液設計中經常要確定較合理的范圍，一般希望由較低的n值，在0.7—0.4之間，使其具有較好的稀釋性能。K（稠度系數）：反映鉆井液的可泵性以及攜巖性。對于鉆井液，若K值過大，將造成重新開泵困難。若K值過小，又將對攜巖不利。因此，鉆井液的值應保持在一個合適的范圍內。假塑性流體：n<1，雖剪切速率的增加而變稀;膨脹性流體：n>1，雖剪切速率的增加而變稠。n：流性指數，表示假塑性流體在一定流速范圍內的非牛頓性程度。k：稠度系數，k值越大，粘度越大。影響K值的主要因素：受體系中固含和

液相粘度的影響，同時也受結構強度的影響。當固體含量或聚合物處理劑的濃度增大時，K值相應增大；降低K值類似于降低鉆井液的粘度，有利于提高鉆速；提高K值類似于增大鉆井液的粘度，這有利于清潔井眼和消除并竭引起的井下復雜情況，因此，K值并非越低越好，有時需要適當提高K值。影響n值主要因素：主要受形成網架結構因素的影響。一般情況下，降低n值有利于攜帶巖屑、清潔井眼。降低是值類似于降低鉆井液的鉆度，有利于提高鉆速；提高K值類似于增大鉆井液粘度，有利于清潔井眼和消除井塌引起的井下復雜情況。冪律流變模式參數調整：1） 調節K值常用的方法：降低K值最有效的方法是通過加強固相控制或加水稀釋以降低鉆井被中的固相含量。適當提高K值時，可添加適量聚合物處理劑，或將預水化膨潤土加入鹽水鉆井液或鈣處理鉆井液中（K值提咼，n值下降）；也可加入重晶石粉等情性固體物質（K值提咼，n值基本不變）。2） 降低n值常用的方法：1、 加入XC生物聚合物等流性改進劑；2、 在鹽水鉆井液中添加預水化膨潤土。3、 適當增加無機鹽的含量；方法2、3往往對鉆井液穩定性造成影響。因此，并不是最好的方法，而應優先考慮選用適合于本體系的聚合物處理劑來達到降低n值。由假塑性流體流變模式與流變曲線可以看出，表觀粘度隨剪切速率的增加而降低，這種現象被稱為剪切稀釋現象。由上述分析可得出幾點重要認識：1、 一般而言，鉆井液中表觀粘度中塑性粘度所占的比重較結構粘度大。2、 表觀粘度相同的鉆井液，由于動塑比不相同，當流速梯度改變時，表觀粘度就不相同了。即，表觀粘度相同而具有不同動塑比的鉆井液，在實際井眼的各個部位粘度是不相同的。3、 動塑比越大，剪切稀釋性能越強，有利于高壓噴射鉆井，同時低流速時，有利于攜巖。一般情況下，沉砂池處剪切速率最低，大約在10—20/S，井孔環形空間50—250/S，鉆桿內100—1000/s，鉆頭噴嘴處最大，大約在10000—100000/so50 100 150剪切速率I范氏帖度計）50 100 150剪切速率I范氏帖度計）Smin1在鉆井液設計和現場實際應用中，這兩種流變模式往往同時使用。圖3-6曙律模式和賓漢模式的比較為了進一步提高冪律模式的應用效果一種經修正的冪律模式，即赫--巴三參數流變模式也已經引入對鉆井液流變性的研究中。赫謝爾—巴爾克萊三參數流變模式簡稱赫—巴模式，又稱為帶有動切力(或屈服值)的冪律模式，或經修正的冪律模式。1977年該模式首次用于鉆井液流變性的研究。其數學表達式為：dvT=T+k( )nydxT：鉆井夜實際動切力，表示使流體開始流動所需的最低剪切應力。yn和K的意義與幕律模式相同。由于在幕律模式基礎上增加了動切應力，因而是一個三參數流變模式。引入該模式的主要目的，是為了在較寬剪切速率范圍內，能夠比傳統模式更為難確地描述鉆井液的流變特性。由于該模式比傳統模式多了一個參數，不如傳統模式應用方便，特別是由此而導出的水力學計算式相當繁瑣，因此限制了它在現場的廣泛應用。目前，該模式僅在對流變參數測量精度要求較高時或室內研究中使用。四．鉆井液的攜巖原理鉆井液的主要功用之一就是清洗井底并將巖屑攜帶到地面上來。鉆井液清洗井眼的能力除取決于循環系統的水力參數外，還取決于鉆井液的性能，特別是其中的流變性能。根據噴射鉆井的理論，巖屑的清除分為兩個過程，一是巖屑被沖離井底，二是巖屑從環形空間被攜至地面。巖屑被沖離井底的問題涉及到鉆頭選型和井底流場的研究，屬于鉆井工程的范疇，本文只討論鉆井液攜帶巖屑的問題，主要介紹三種流型攜帶巖屑原理：層流攜帶巖屑原理、紊流攜帶巖屑原理以及平板形層流的實現。1．層流攜帶巖屑原理首先討論一下鉆井液攜帶巖屑的基本原理。一方面鉆井液攜帶巖屑顆粒向上運動，另一方面巖屑顆粒由于重力作用向下滑落。在環形空間里，鉆井液攜帶巖屑顆粒向上運動的速度取決于流體的上返速度與顆粒自身滑落速度二者之差，即：V二V-V 貝y：pfsvV二1-vVpf sf:稱作攜帶比，用此值表示井筒的凈化效率。：巖屑的凈上升速度，m/s；p：鉆井液的上返速度，m/s；f：巖屑的滑落速度，m/s；s顯然，提高凈化效率的途徑是：1、提高鉆井液在環空的上返速度；2、階低巖屑的滑落速度。但綜合考慮鉆井的成本利效益，上返速度不能大幅度提高。因此，如何盡量降低巖屑的沿落速度對攜巖至關重要。研究表明，巖屑的滑落速度除與巖屑尺寸、巖屑密度、鉆井液密度和流態等因素有關外，還與鉆井液的有效粘度反比。為了研究巖屑在井筒內上升的過程．曾用破璃井筒進行實驗觀察，實驗中用扁平的圓形鋁片代替巖屑。結果表明，當鉆并液處于不同流態時，巖屑上升的機理各不相同的。層流時巖屑受力情況見下圖：

片狀巖屑在層流時上升的情況（鉆柱不轉動）片狀巖屑在層流時上升的情況（鉆柱轉動）很顯然，層流形態攜帶巖屑時，巖屑總體上有一個上升趨勢，另一方面，巖屑自身可能發生旋轉并相對下降現象。這種現象是不利于鉆井液將巖屑及時快速的攜帶出地面。實驗結果，還表明，鉆柱轉動對層流攜帶巖屑是有利的、因為鉆柱轉動改變了層流時液流的速度分布狀況，使靠近鉆柱表面的液流速度加大，巖屑以螺旋形上升。片狀巖屑在層流時上升的情況（鉆柱不轉動）片狀巖屑在層流時上升的情況（鉆柱轉動）時上】|?茁m氏時上】|?茁m氏2．紊流攜帶巖屑原理如右圖所示，鉆井液在作紊流流動時，巖屑不存在轉動和滑落現象，幾乎全部都能攜帶到地面上來，環形空間里的巖屑比較少。但是紊流攜巖也有一些缺點，主要表現在：1）巖屑在紊流時的滑落速度比在層流時大，這就要求鉆井液的上返速度高，泵的排量大。但這要受到泵壓和泵功率的限制，特別是當井眼尺寸較大、并較深以及鉆井液鉆度、切力較高時，更加難以實現。2）由于沿程壓降與流速的平方成正比，功率損失與流速的立方成正比．所以用紊流攜巖還會使鉆頭的水馬力降低，

不利于噴射鉆井。3）紊流時的高流速對井壁沖蝕嚴重，不能很好地形成泥餅，容易引起易場地層井壁垮榻因此，紊流撓巖常常受到各種條件的限制，不是隨便可以采用的。3．平板形層流的實現紊流攜巖的這些限制條件促使人們重新思考如何在層流狀態下解決攜帶巖屑的問題，顯然，其技術關鍵在于如何消除上述的巖屑轉動現象。解決問題的途徑貝是設法改變層流時過水斷面尖峰形流速分布，用平板型層流來代替尖峰型層流即可達到上述目的。鉆井液的平板型層流流動狀態a-管柱內；b-井眼環形空間環形空間流核剪切速率為o,處處間接應力相等。貝y,作用在長度為i的環形空間截面積為A上的壓力降與流核截面積上的切應力之間平衡，即：ApA=tSoA=兀（1D-8）2—兀（］D-5-d）2=Kd（D-28-d）2 2 oo oS=2兀l(1D-8)+2兀l(1D-8-d)=2兀l(D-28-d)2 2 o oAPAP=482塑V+伸(D-d)2D-d水力學計算結果表明,塑性流體層流時流核直徑可由下式計算：t/ （D-d）d=0p~o24v+3t卩（D-d）fopdo:流核直徑，cm；D:井徑，cm；d:鉆桿或鉆鋌外徑，cm；

從上式可以看出，在一定尺寸的環形空間里，流動剖面平板化的程度，即流核直徑的大小與動塑比及上返速度有關。動塑比的影響程度更大，該比值越高，則平板化程度越大按式上式計算流核尺寸的一個實例如圖1所示，它充分說明該比值對鉆井液在環形空間流態的影響。由此可見，通過調節鉆井液的流變性能，增大動塑比便可使鉆井液的流核尺寸增大,從尖陣型層流轉變為平板型層流。-."-EH-.re...S3-."-EH-.re...S3圖1動塑比對環形空間中鉆井液流態的影響 圖2流性指數對環形空間中鉆井液流態的影響如果鉆井液按假塑性流型來考慮，還可得到環形空間流態與鉆井液流性指數之間的關系，如圖2所示。將以上兩圖進行比較后不難看出，減小n值如同提高動塑比，也可使環空濃流逐漸轉變為平板型層流。相對于尖降型層流和紊流來說，平板型層流具有以下特點：1） 可實現用環空返速度較低的鉆井液有效地攜帶巖屑。2） 降低了鉆井液在鉆柱內和環空內的阻力損失，為使用小井眼噴射鉆頭、合理充分利用水力功率、大幅度提高鉆速創造了條件。3） 解決了低粘度鉆井液能有效攜巖的問題，為普通推廣使用低固相不分做聚合物鉆井液擔供了流變學上的依據。4） 避免了鉆井液處于紊流狀態對外聯的沖蝕，有利于保持井壁穩定。為了使動塑比達到要求，常采取以下措施和方法：1） 選用XC生物聚合物、HEC、PHP和FA367等高分子聚合物作為主處理劑。2） 通過有效地使用固控設備，除去無用固相，降低固體顆粒濃度，以達到降低鉆井液塑性粘度、提高動塑比的目的。3） 在保證鉆井液性能穩定的情況下、通過適量地加入石灰、石膏、氯化鈣和食鹽等電解質，以增強體系中固體顆粒形成網架結構的能力。五．鉆井液流變性與井壁穩定的關系紊流對井壁有較慢的沖蝕作用，容易引起易場地層垮塌，不利于井壁穩定。其原因是紊流時液流質點的運動方向是紊亂的和無規則的，而且流速高，具有較大的動能。因此，在鉆井液循環時,一般應保持在層流狀態，而盡量避免出現紊流。要做到這一點，需要比較準確地計算鉆井液在環空的臨界返速。對于非牛頓流體，一般采用綜合雷諾數Re來判別流態。將鉆井液作為塑性流體考慮，當綜合雷諾數Re>2000時為紊流。因此按Re=2000,即可推導出計算臨界返速的公式，即：100y+lOjlOOy2+2.52x10-3pi

pTD-d)v:臨界返速，cm/s；c卩p:塑性粘度，Pa?s;10:動切力，Pa；P:鉆井液密度，gcm3；D:井徑，cm；d:鉆桿或鉆鋌外徑，cm；計算出臨界返速之后。則可對鉆井液的流態進行判斷。若實際環空返速大于臨界返速為紊流，反之則為層流。臨界返速很大程度上受鉆井液的密度、塑性粘度和動切力的影響。以三種不同密度的鉆井液為例，計算結果表明，隨著鉆井濃密度、塑性粘度和動切力的減小，臨界流速明顯降低，即更容易形成紊流。因此，在調整鉆井液流變參數和確定環空反速時，既要考慮攜巖問題，同時又要考慮到鉆井掖的流態，使井壁保持穩定。表52鉆井液密度和渡甕卑散對臨界返速的影須D/cm品"ini \12.7I.Jui12-7P.■:-—■ 1—2L5912.7J.i'.U-2.比六.鉆井液流變性與懸浮巖屑、加重劑的關系鉆進過程中，鉆井液會多次停止循環。此時，要求鉆井液體系內能迅速形成空間網架結構，將巖屑利加重劑懸浮起來，或以很小的速度下沉，而開泵時泵壓又不能上升太高，以防憋漏地層。提供懸浮能力的決定因素是鉆井液的靜切力和觸變性。懸浮巖屑和加重劑所需要的靜切力可以用以下方法進行近似計算：假設巖屑和加重劑

顆粒為球形，根據它們的重力與鉆井液對它們的浮力和豎向切力相平衡的關系，以得到如下公式：(16)兀d3卩亠g=(1：6)兀d3pg+kd20巖所以，需要的靜切力為:d:巖屑或加重劑的直徑，m；Pa巖屑或加重劑的密度，kg/m3；

P:鉆井液密度，gcm3；0:鉆井液的靜切力，Pa；g:重力加速度，10mis2；七．鉆井液流變性與井內液柱壓力激動的關系井內液柱壓力激動:是指在起下鉆和鉆進過程中，由于鉆柱上下運動、泥漿泵開動等原因，使得井內液柱壓力發個突然變化（升高或降低），給井內增加一個附加壓力（正值或負值）的現象。1） 起下鉆時的壓力激動:由于鉆柱具有一定的體積，當鉆柱下入井時，井內鉆井液要向上流動；起出鉆柱時，井內鉆井液便向下流動以填補鉆柱內所占的空間。鉆井液向上或向下流動，都要給予一定的壓力以克服其沿程損失。這個壓力是出于起下鉆所引起的，它作用于井內鉆井液、使它能夠流動；與此同時也通過井內液柱作用于井壁和井底，這種突然給予井內的附加壓力就是起下鉆引起的壓力激動。下鉆時壓力激動力正值，起鉆時則為負傷。起下鉆壓力激動值的大小主要取決于起下鉆速度、井深、井眼尺寸、鉆頭噴嘴尺寸和鉆井液的流變參數（主要是粘度、切力和觸變性）。2） 開泵時的壓力激動由于鉆井液具有觸變性，停止循環后，鉆井液處于靜止狀態，凝膠強度增加，切力升高，開泵泵壓將超過正常循環時所需要的壓力，造成壓力激動。開泵時使用的排量越大，所造成壓力激動的值會越高。當鉆井