2第二节钻进液的组成与性能

1第二节钻进液的组成与性能一、钻井液的组成（膨润土的主要成分是蒙脱石。膨润土又称才搬土）虽然目前钻井液种类繁多，但钻井液的组成一般都为以下几部分组成：液相是钻井液的连续相，一般是水，也可以是油。活性固相如入为加入的商业膨润土、地层进入的造浆粘土及油基钻井液中的有机膨润土。惰性固相如岩石的屑碎和加重材料。各种添加剂添加不同的添加剂可配制成性能各不相同的钻井液，对钻井液的性能起调整作用。如由：增粘剂等等润滑剂、页岩稳定剂、剂削泡剂、絮凝剂、稀释活性剂杀菌剂、除钙剂、表面值控制剂、分散剂碱度和PH等等、、重晶石、石灰石、、烧碱如纯碱12132CaCNaCNaOHCoNa二、钻井液的性能（一）钻井液的密度钻井液单位体积的质量称为钻井液的密度，单位常以表示g/cm3。钻井液密度主要是用来调节钻井液静液柱压力，以平衡地层孔隙压力，防止发生井喷。有时亦用来平衡地层的构造应力，控制或减轻井塌。如果钻井液的过大，不符合地质和工程要求，则会：①损害油气层；②降低钻井速度；2③过大的压差易形成卡钻；④易憋漏地层；⑤易引起过高的粘切；⑥多消耗材料和动力；⑦抗污染的能力下降。而过低，则会发生井喷，井塌（尤其是欠压钻井）、缩径及携岩屑能力下降等。总的原则：在允许的条件下尽可能的减小钻井液。钻井中钻遇水层、高压地层或低压地层，就需对钻井液的密度进行相应的调整，一般的措施如下：①加水是降低的有效办法；②加稀浓度的处理剂，可以降低，又可以保持原有性能；③混油也可以降低，但不经济，又影响地质录井；④充气可大大降低；⑤加入加重材料可以增大，而重晶石是理想选择；⑥加重钻井液时不能太快，应逐步提高，如一次增加0.10g/cm3为合适。（二）钻井液的流变性能1、流型的分类幂率流体）膨胀型液体幂率流体）假塑性型液体多数钻井液属于此类）塑性型液体（宾汉流体非牛顿液体牛顿液体液体((,32、流变特征依据层流的假设，我们可以定义如下定义：①剪切速率（）两层间距离相邻两层之间的速度差dxdv（1smsm）钻井过程中，钻井液循环在各个不同部位，流速不同，剪切速率也不同，大体数据为：沉沙池处：10～20s-1;环形空间：15～150s-1；钻杆内：100～1000s-1；钻头水眼：10000～100000s-1；②剪切应力（）作用在流体层单位面积上引起剪切的力称为4剪切应力，以表示，其量纲为单位为Pa③表观粘度（视粘度）（sPa）表观粘度具有粘度的量纲，在SI单位制中，表观粘度的单位是帕，秒(Pa·s)。常用的单位是SI单位的千分之一．即mPa·s，它等于一个厘泊。④触变性一些流体在搅动时成为流体，在静止时又变成凝胶体，流动性大大降低，这种性质就称为触变性。粘土泥浆、氢氧化铁胶体、油漆等具有触变性。⑤粘性和粘弹性运动时，流体对相邻两层间的相对运动是有阻力的，这种阻力是由于液层间互相发生内摩擦而产生的。流体所具有的这种抵抗两层流体相对滑动速度或普遍说抵抗变形的性质称为粘性。粘性的大小与流体的性质和温度等条件有关。有一些流体，例如高聚物的胶体，在受到剪切力时，有一个松驰过程，即缓速形变。这种变形对时间的一个依赖性，即变形有一时间的过程，称为粘弹性。3、流型（1）牛顿体（层流）dxdv（牛顿内摩擦定律）5式中：是流体的粘度。对于牛顿流体，只有一个粘度，叫绝对粘度（牛顿粘度或动切粘度）。单位：SPa纯液体(如甘油、水)和大多数低分子溶液在层流条件下遵守牛顿定律。层流变成紊流，牛顿公式就与事实不符，因为只有层流速度梯度dxdv才有明确的意义。（2）塑性流体（Bingham宾汉塑性流体）若一个物体所受的切力超过某种限度，其形状的改变是永久的，则该物体便是可塑的。宾汉流体的特点是所受切应力必须超过某一最低值流体才开始流动。这一最低切应力值y叫“做静切应力”，美国石油学会称它为凝胶强度(Gelstrength)，现场简称为“切力”。当所加切应力大于y以后，流体随切应力的增加，粘度下降(图5—7中，塑性型的曲线部分)。继续增加切应力，粘度不随切应力增加而变化，此时流变曲线为图5—7中的直线部分，这时的粘度称为塑性粘度，用p表示，英文简写为PV。把直线延长与横轴相交于0，称人为“动切应力”，也有的文献称0为屈服值。上述两个值（y、0）是宾汉流体的特征值。p0（宾汉公式）式中：0——动切应力（屈服值）（Pa）p——塑性粘度（sPa）从理论上分析，宾汉流体的流变曲线应该是一条不过原点的直线。但是，实际流体在低剪切速率下对宾汉公式的吻合程度并不十分理想。钻井泥浆属于宾汉流体，根据研究，泥浆在管内的流动基本上可以分6为五个阶段：①静止阶段：当泥浆所受的切应力小于y时，泥浆不产生流动；②塞流阶段：当泥浆所受切应力大于y而小于0时，只是接近管壁的泥浆结构发生破坏，泥浆在管内产生塞流；③塞流—层流过渡阶段：当泥浆所受的切应力大于0而小于A时，泥浆内部结构开始破坏，中间流速加快．产生过渡带；④层流阶段：当泥浆所受切应力大于A以后，泥浆内部的结构破坏与结构的形成处于平衡态，泥浆成层流动，管内速度截面为抛物线(中间部分有流核)；⑤紊流阶段：从B开始，进人紊流状态．泥浆质点呈无规则地运动。（3）塑性流型流变参数的物理意义7y：（静切力）使钻井液开始流动所需的最小切应力。是破坏钻井液内部凝胶结构的最初的力。0：（动切力）使钻井液保持流动时钻井液内网状结构的强度。p：（塑性粘度）它与钻井液的悬浮能力有直接的关系。不能太高或太低。a：表观粘度是在某一流速梯度下剪切应力与相应流速梯度的比值。钻井液在不同流速梯度下的表观粘度是不同的。使用“直读式旋转粘度计”可以直接读出某一钻井液在某一条件下的表观粘度。为了便于比较，统一规定在600min下进行测量。由式p0知p0，由于0与层流时体系中网架结构有关，故又把0称为结构粘度：结构。故结构pa一般的是从仪器上读出600min和300min的扭转格数：Φ600、Φ300。则60021a、300600p、pa3005p0：动塑比反映了结构强度和塑性粘度的比例关系。它决定钻井液在环空中的流态与携带岩屑能力密切相关。一般情况下要求动塑比0.36～0.48在之间。太小了会导致尖锋型层流，引起岩屑转动；太大了钻井液的结构太强，会增大泵压，损耗太大。（4）幂律流体8nndxdvKK式中：K——稠度函数，即K↑，粘度↑（2cmsdynn）n——流性指数，为非牛顿流体的量度，n1时则为假塑性流体，n1时为膨胀体，n=1时为牛顿体。一般的7.0~4.0n（5）卡森模式卡森模式(Casson)作为一种较复杂的流变模式，正如宾汉、幂律模式一样，也是一经验方程式，已被应用于其它工业(油漆、涂料、塑料等)，1979年，劳增和里得首次将其引入于钻井液流变性研究中。结果表明，卡森模式不但在低剪切区和中剪切区都有良好的精度，而且，当仅有低和中剪切速率下的资料可以利用时，能很好地预测高剪切速率下的流变性。（6）赫切尔—巴尔克莱模式（三个参数表示）赫—巴(Herschel—Bulkley)流体可以近似认为是幂律流体和宾汉流体的组合。4、流变参数的确定由于使用公式进行流变参数的测定是相当麻烦的，在日常的应用中，各个流变参数一般都是通过旋转粘度计直接测得的。一般的是直接从仪器上读出600min和300min的表盘读数：Φ600、Φ300。那么各个流变参数的计算公式：表观粘度：21aΦ600（smPa）塑性粘度：pΦ600－Φ300（smPa）动切力：511.00（Φ300－p）（Pa）9流性指数：n=3.322lg(Φ600/Φ300)稠度系数：K=0.511Φ600/1022n(nasmP)