钻井液流变性概述

-1-钻井液流变性概述摘要：钻井液在石油钻井中起着十分重要的作用，深入研究钻井液的性能，对油气井钻井液流变参数的优化设计和有效调控是钻井液工艺技术有十分重要的指导意义。根据API推荐的钻井液性能测试标准，钻井液的常规性能包括：密度、漏斗粘度、塑性粘度、动切力、静切力、API滤失量、HTHP滤失量、PH值、碱度、含砂量、固相含量、膨润土含量和滤液中的各种离子的质量浓度等。本文主要对钻井液的流变性进行综述，包括钻井液的流型及流变参数、钻井液流变性与携岩原理及井壁稳定性的关系。关键词：钻井液流变性流型携岩原理一．钻井液在石油钻井中的作用（1）从井底清除岩屑（2）冷却和润滑钻头及钻柱（3）造壁功能（4）控制地层压力（5）循环停止时悬浮岩屑和加重材料，防止下沉（6）从所钻地层获得资料（7）传递水力功率二．钻井液的类型分散钻井液钙处理钻井液盐水钻井液饱和盐水钻井液聚合物钻井液甲基聚合物钻井液合成基钻井液气体型钻井液保护油气层的钻井液三．钻井液的流变性钻井液的流变性是指在外力作用下，钻井液发生流动和变形的特性。流体分为牛顿型流体和非牛顿型流体，非牛顿型流体又分为塑性流体、假塑性流体、膨胀性流体。现场使用钻井液多为塑性、假塑性流体。1．牛顿流体通常将剪切应力与剪切速率的关系遵守牛顿内摩擦定律的流体，称为牛顿流体。流变方程：dvdx流变曲线：-2-其流动特点：加很小的剪切力就能流动，而且流速梯度与切应力成正比。在层流区域内，粘度不随切力流速梯度变化，为常量。2．非牛顿流体（1）塑性流体0PVdvdx剪切力τ≠0，而是s，即施加的切应力必须超过某一特定值才能开始流动。切应力继续增大，并超过s时，塑性流体不能均匀剪切，粘度随切应力的增加而增加，即图中曲线段；继续增加切应力，粘度不随切应力的增加而增加，图中直线段；1）s，静切力，是钻井液静止时单位面积上形成的连续空间网架结构强度的量度。2）0，动切力，反映钻井液处于层流状态时钻井液中网状结构强度的量度。3）0pvdvdx，塑性粘度，即塑性流体流变曲线段斜率的倒数，不虽剪切力而变化。4）00PVAVPVPVdvdxdvdxdvdxdvdx结构，表观粘度，又称有效粘度，是在某一流速梯度下剪切应力与相应流速梯度的比值。5）0PV，动塑比，反映钻井液中结构强度和塑性粘度的比例关系。一般要求在0.34—0.48的范围内。两种粘度对钻井液工艺具有很重要的意义：1、了解两种粘度所占的比例组成，有助于认识钻井液的实质和问题所在，有助于判断环空流态和钻井液稀释特性。-3-2、指导钻井液流变性质的调整。钻井液粘度过高粘度是由结构粘度还是塑性粘度引起的，便于调整。影响塑性粘度的因素主要有：1）钻井液中的固相含量。这是影响塑性粘度的主要因索。一般情况下，随着钻井液固体颗粒逐渐增多，颗粒的总表面积不断增大，所以颗粒间的内摩擦力也会随之面增加。爱因斯坦粘度公式00a2）钻井液中粘土的分散程度。当粘土含量相同时，其分散度愈高，塑性粘度愈大。3）高分子聚合物处理剂。钻井液中加入高分子聚合物处理剂会提高液相粘度，从而使塑性粘度增大。显然，其浓度愈高，塑性粘度愈高；相对分子质量愈大，塑性粘度愈高。影响动切力的因素主要有：1）粘土矿物的类型和浓度：蒙脱石、伊利石、高岭石。2）电解质：在钻井过程中无机电解质的侵入均会引起钻井液絮凝程度增加，从而动切力也增加。3）降粘剂：大多数降粘剂都是吸附在粘土端面，使其带有一定的负电荷，拆散网架结构，从而降低动切力。宾汉流变模式参数调整：1）降低塑性粘度：通过合理使用固控设备、加水稀释或化学絮凝等方法，尽量减少固相含量。2）提高塑性粘度：应用低造浆粘土配浆，加入加重剂、混油、提高PH值、加入高分子聚合物等3）降低动切力：最有效的方法加入降粘剂，若由钙镁离子侵入，可加入沉淀剂，除去钙镁离子。4）提高动切力：可加入预水化膨润土浆，或增大高分聚合物的加量。对于钙处理钻井液或盐水钻井液，可通过适当增加钙钠离子浓度。（2）假塑性流体和膨胀性流体()ndvkdxn:表现出流体非牛顿性程度。一般小于1，为无因次量。钻井液设计中经常要确定较合理的范围，一般希望由较低的n值，在0.7—0.4之间，使其具有较好的稀释性能。K(稠度系数)：反映钻井液的可泵性以及携岩性。对于钻井液，若K值过大，将造成重新开泵困难。若K值过小，又将对携岩不利。因此，钻井液的值应保持在一个合适的范围内。假塑性流体：n1，虽剪切速率的增加而变稀；膨胀性流体：n1，虽剪切速率的增加而变稠。n：流性指数，表示假塑性流体在一定流速范围内的非牛顿性程度。k：稠度系数，k值越大，粘度越大。影响K值的主要因素：受体系中固含和n=0.250.51剪切速率剪切应力力塑性流体-4-液相粘度的影响，同时也受结构强度的影响。当固体含量或聚合物处理剂的浓度增大时，K值相应增大；降低K值类似于降低钻井液的粘度，有利于提高钻速；提高K值类似于增大钻井液的粘度，这有利于清洁井眼和消除并竭引起的井下复杂情况，因此，K值并非越低越好，有时需要适当提高K值。影响n值主要因素：主要受形成网架结构因素的影响。一般情况下，降低n值有利于携带岩屑、清洁井眼。降低是值类似于降低钻井液的钻度，有利于提高钻速；提高K值类似于增大钻井液粘度，有利于清洁井眼和消除井塌引起的井下复杂情况。幂律流变模式参数调整：1）调节K值常用的方法：降低K值最有效的方法是通过加强固相控制或加水稀释以降低钻井被中的固相含量。适当提高K值时，可添加适量聚合物处理剂，或将预水化膨润土加入盐水钻井液或钙处理钻井液中(K值提高，n值下降)；也可加入重晶石粉等情性固体物质(K值提高，n值基本不变)。2）降低n值常用的方法：1、加入XC生物聚合物等流性改进剂；2、在盐水钻井液中添加预水化膨润土。3、适当增加无机盐的含量；方法2、3往往对钻井液稳定性造成影响。因此，并不是最好的方法，而应优先考虑选用适合于本体系的聚合物处理剂来达到降低n值。由假塑性流体流变模式与流变曲线可以看出，表观粘度随剪切速率的增加而降低，这种现象被称为剪切稀释现象。由上述分析可得出几点重要认识：1、一般而言，钻井液中表观粘度中塑性粘度所占的比重较结构粘度大。2、表观粘度相同的钻井液，由于动塑比不相同，当流速梯度改变时，表观粘度就不相同了。即，表观粘度相同而具有不同动塑比的钻井液，在实际井眼的各个部位粘度是不相同的。3、动塑比越大，剪切稀释性能越强，有利于高压喷射钻井，同时低流速时，有利于携岩。一般情况下，沉砂池处剪切速率最低，大约在10—20/s，井孔环形空间50—250/s，钻杆内100—1000/s，钻头喷嘴处最大，大约在10000—100000/s。在中等和较高的剪切速率范围内，幂律模式和宾汉模式均能较好地表示实际钻井液的流动特性，然而在环形空间的较低剪切速率范围内，幂律模式比宾汉模式更接近实际钻井液的流动特性。在钻井液设计和现场实际应用中，这两种流变模式往往同时使用。宾汉模式更好地表示钻井液在环空的流变性，并能更准确地预测环空压降和进行有关的水力多数计算。在钻井液设计和现场实际应用中，这两种流变模式往往同时使用。-5-为了进一步提高幂律模式的应用效果一种经修正的幂律模式，即赫--巴三参数流变模式也已经引入对钻井液流变性的研究中。赫谢尔—巴尔克莱三参数流变模式简称赫—巴模式，又称为带有动切力(或屈服值)的幂律模式，或经修正的幂律模式。1977年该模式首次用于钻井液流变性的研究。其数学表达式为：()nydvkdxy：钻井夜实际动切力，表示使流体开始流动所需的最低剪切应力。n和K的意义与幂律模式相同。由于在幂律模式基础上增加了动切应力，因而是一个三参数流变模式。引入该模式的主要目的，是为了在较宽剪切速率范围内，能够比传统模式更为难确地描述钻井液的流变特性。由于该模式比传统模式多了一个参数，不如传统模式应用方便，特别是由此而导出的水力学计算式相当繁琐，因此限制了它在现场的广泛应用。目前，该模式仅在对流变参数测量精度要求较高时或室内研究中使用。四．钻井液的携岩原理钻井液的主要功用之一就是清洗井底并将岩屑携带到地面上来。钻井液清洗井眼的能力除取决于循环系统的水力参数外，还取决于钻井液的性能，特别是其中的流变性能。根据喷射钻井的理论，岩屑的清除分为两个过程，一是岩屑被冲离井底，二是岩屑从环形空间被携至地面。岩屑被冲离井底的问题涉及到钻头选型和井底流场的研究，属于钻井工程的范畴，本文只讨论钻井液携带岩屑的问题，主要介绍三种流型携带岩屑原理：层流携带岩屑原理、紊流携带岩屑原理以及平板形层流的实现。1．层流携带岩屑原理首先讨论一下钻井液携带岩屑的基本原理。一方面钻井液携带岩屑颗粒向上运动，另一方面岩屑颗粒由于重力作用向下滑落。在环形空间里，钻井液携带岩屑颗粒向上运动的速度取决于流体的上返速度与颗粒自身滑落速度二者之差，即：pfs则：1pfsfpfvv：称作携带比，用此值表示井筒的净化效率。p：岩屑的净上升速度，m/s；f：钻井液的上返速度，m/s；s：岩屑的滑落速度，m/s；显然，提高净化效率的途径是：1、提高钻井液在环空的上返速度；2、阶低岩屑的滑落速度。但综合考虑钻井的成本利效益，上返速度不能大幅度提高。因此，如何尽量降低岩屑的沿落速度对携岩至关重要。研究表明，岩屑的滑落速度除与岩屑尺寸、岩屑密度、钻井液密度和流态等因素有关外，还与钻井液的有效粘度反比。为了研究岩屑在井筒内上升的过程．曾用破璃井筒进行实验观察，实验中用扁平的圆形铝片代替岩屑。结果表明，当钻并液处于不同流态时，岩屑上升的机理各不相同的。层流时岩屑受力情况见下图：-6-很显然，层流形态携带岩屑时，岩屑总体上有一个上升趋势，另一方面，岩屑自身可能发生旋转并相对下降现象。这种现象是不利于钻井液将岩屑及时快速的携带出地面。实验结果，还表明，钻柱转动对层流携带岩屑是有利的、因为钻柱转动改变了层流时液流的速度分布状况，使靠近钻柱表面的液流速度加大，岩屑以螺旋形上升。2．紊流携带岩屑原理如右图所示，钻井液在作紊流流动时，岩屑不存在转动和滑落现象，几乎全部都能携带到地面上来，环形空间里的岩屑比较少。但是紊流携岩也有一些缺点，主要表现在：1）岩屑在紊流时的滑落速度比在层流时大，这就要求钻井液的上返速度高，泵的排量大。但这要受到泵压和泵功率的限制，特别是当井眼尺寸较大、并较深以及钻井液钻度、切力较高时，更加难以实现。2）由于沿程压降与流速的平方成正比，功率损失与流速的立方成正比．所以用紊流携岩还会使钻头的水马力降低，片状岩屑在层流时上升的情况(钻柱不转动）片状岩屑在层流时上升的情况(钻柱转动）-7-不利于喷射钻井。3）紊流时的高流速对井壁冲蚀严重，不能很好地形成泥饼，容易引起易场地层井壁垮榻。因此，紊流挠岩常常受到各种条件的限制，不是随便可以采用的。3．平板形层流的实现紊流携岩的这些限制条件促使人们重新思考如何在层流状态下解决携带岩屑的问题，显然，其技术关键在于如何消除上述的岩屑转动现象。解决问题的途径则是设法改变层流时过水断面尖峰形流速分布，用平板型层流来代替尖峰型层流即可达到上述目的。环形空间流核剪切速率为0，处处间接应力相等。则，作用在长度为l的环形空间截面积为A上的压力降与流核截面积上的切应力之间平衡，即：水力学计算结果表明，塑性流体层流时流核直径可由下式计算：000243pfpDddDd0d：流核直径，cm；D：井径，cm；d：钻杆或钻铤外径，cm；钻井液的平板型层流流动状态a-管柱内；b-井眼环形空间SpA0)2()21()21(00022dDddDDA)2(2)21(2)21(200dDldDlDlSd-Dl6d-DV4802）（塑lP-8-从上式可以看出，在一定尺寸的环形空间里，流动剖面平板化的程度，即流核直径的大小与动塑比及上返速度有关。动塑比的影响程度更大，该比值越高