中南鉆井專2005級鉆井液講稿

1、鉆井液講稿（中南鉆井專2005級，48學時）教師： 王 勇教材：泥漿工藝原理羅平亞主編參考教材：鉆井液工藝學鄢捷年主編二七年二月緒論（Introduction）鉆井液（Drilling Fluid），又稱泥漿（Muds ）。一、鉆井液的功用鉆井液在鉆井過程中起著十分重要的作用，是鉆井的血液。1.攜帶和懸浮巖屑2.平衡地層流體壓力3.穩(wěn)定井壁4.冷卻、潤滑鉆頭及鉆具。5.清洗井底，利用水力功率幫助破巖6.防止各種污染7.錄取巖性，顯示油氣水等地層資料二、鉆井液的類型根據鉆井液中分散介質不同，鉆井液分成三種基本類型1.水基鉆井液（Water-based Drilling Fluids）1）淡水鉆井

2、液（細分散體系） Nacl < 1% ；Ca2+ <120 mg/L2）粗分散體系（1）鹽水鉆井液（Saltwater）、飽和鹽水鉆井液（2）鈣處理鉆井液（Calcium-treated石灰鉆井液、石膏鉆井液、氯化鈣鉆井液）（3）不分散體系無固相鉆井液、聚合物（Polymer）低固相鉆井液2.油基鉆井液(Oil-based Drilling Fluids)1.普通油基鉆井液2.W/O乳化鉆井液3.合成鉆井液(Synthetic Drilling Fluids)合成鉆井液是以合成的有機化合物作為連續(xù)相，鹽水作為分散相，并含有乳化劑、降濾失劑、流型改進劑的一類新型鉆井液。4.氣體鉆井液

3、(Gas-typed Drilling fluids)泡沫、充氣鉆井液、空氣、天然氣，此外還有泡沫、空氣、天然氣等鉆井液。三、鉆井液工藝技術發(fā)展概況1.鉆井液技術的發(fā)展階段（1）清水階段（19141916）（2）天然氣鉆井階段（3）泥漿階段（19211960）（4）分散泥漿體系（60年代）由于泥漿中粘土無限制水化分散，帶來了許多缺點，如受到化學污染和粘土侵，使泥漿急劇變稠，泵壓升高，至使開泵困難。后來在實踐中，泥漿要受鹽侵和鈣侵后，經處理后，泥漿流動性好，維護周期長，從機理上說就是粘土在鹽和鈣作用下適當絮凝，粘土顆粒變粗，故此類泥漿稱為粗分散泥漿如在泥漿中加入適當的鹽，使粘土顆粒保持適度絮凝狀

4、態(tài)，則此細分散泥漿流動性好，是有更高的抗鹽，抗石膏污染的能力。（5）不分散體系階段。（70年代）鉆井液工作經歷上述幾個階段、鉆井液的類型，由最初的細分散泥漿劑現在普通使用的不分散鉆井液：鉆井液處理劑以最初的燒堿純堿到現在上百種處理劑：在處理噴、漏、卡、塌等方面積累了豐富的經驗，近十幾年鉆成大量超深井、定向井，使泥漿處理經驗更加豐富。泥漿流變學和鉆井液水力學理論研究逐步深入，完善了固控理論和設備等。 2.鉆井液技術的預測 1）鉆井液強化井壁技術 2）復雜地質條件下深井、超深井、大位移鉆井液技術。 3）新型鉆井液體系及處理劑研制與應用。 4）廢棄鉆井液處理技術 5）保護油氣層技術Chapter o

5、ne 粘土膠體化學 (Clay Colloidal Chemisty)§1 1 鉆井液的組成及其屬性一、泥漿的組成二、分散體系及其種類 1.分散體系 一種物質或幾種物質分散在另一種物質中所形成的體系。2.分散體系分類按分散顆粒尺寸的大小可以分為三類類別顆粒大小粗分散體系（懸浮體）大于0.1微米膠體分散體系（溶膠）0.1微米1毫微米分子或離子分散體系（溶膠）小于1毫微米鉆井液中的粘土顆粒多數在懸浮體范圍（0.12微米），少數在膠體范圍，但膠體對鉆井液性能影響大，在鉆井液中易發(fā)生變化，這里介紹一下膠體的性質。三、膠體分散體系的基本性質 1.多相性 2.高度分散性 分散程度常用“比表面積”

6、來量度： 對于正方體： 以上可以看出顆粒越小，比表面積越大，分散度越高，既高度分散體系具有巨大的表面積。3.聚結不穩(wěn)定性 膠體體系中分散相的細顆粒自動聚結變成大顆粒的性質。原因：表面分子受力不平衡表面分子受力不平蘅，表面分子受到一個指向內部的力，內部分子移到表面需克服這個力做功。所做的功轉化為表面能，故表面的分子比內部分子能量大，表面分子多出的部分能量稱為表面能。表面能=比表面能總的面積 即 表面積很大的分散體系具有很高的表面能不穩(wěn)定，分散相會自動聚結變成大顆粒，以減少表面積，使體系能量降低。綜上所述，膠體分散體系具有多相性、高度分散性和聚結不穩(wěn)定性，高度分散的多相體系具有很高的表面能，因而極

7、不穩(wěn)定，體系能量有自動降低的趨勢，降低體系能量的途徑之一就是小顆粒聚結成大顆粒，使總的表面積減少；體系能量降低就出現了集結不穩(wěn)定性；故聚結不穩(wěn)定性是多相性和高度分散性的必然結果。§12 常見粘土礦物的晶格構造及特點粘土是配制鉆井液的重要原材料，同時也是易塌地層（泥頁巖）的主要組成，粘土配出的鉆井液性能如何，地層是否易垮塌與粘土礦物組成性質有關，所以要對粘土礦物的性質要有所了解。結構決定性質，故先介紹粘土的晶格構造特點。構成粘土礦物的基本結構單元：1.硅氧四面體處于中心的硅原子與四個氧原子或氫氧原子以等距離相連構成四面體。每個四面體中的三個氧原子與相鄰的三個四面體共用構成四面體片2.鋁

8、氧八面體處于中心的鋁原子與兩層堆疊的6個氧或氫氧原子相連構成八面體。每個八面體兩面上的氧或氫氧在相鄰的八面體共同構成八面體片。一、蒙脫石(Montmorillonite)1. 晶體構造（1） 由2層SiO四面體片夾一層AlO 八面體片組成單位晶胞，由單位晶胞重疊構成粘土礦物。由于是兩層SiO四面體片和一層AlO八面體組成，故稱2：1型或三層粘土礦物。（2） 格中存在晶格取代晶格取代：晶格上的高價陽離子被低價陽離子取代的現象。如 Ae+3Si+4 Mg+2Ae+3取代后正電荷虧損，使晶格帶負電，此電荷由層間補償陽離子補償，使品格保持電中性。補償性陽離子-帶負電的晶層表面為維持電中性素所

9、吸附的陽離子。蒙脫石的補償陽離子的主要是Ca+2和Mg+22. 特點1）晶層上下皆為氧層，各晶層間以分子間力聯接，連接力弱。2）易吸水膨脹，分散。由于蒙脫石易吸水膨脹，分散，配出的泥漿造漿率高，含蒙脫石80%以上的純凈土，稱為搬土，是配制泥漿的優(yōu)質材料，但鉆含蒙脫石含量高的泥頁巖地層，易出現泥漿增稠、縮徑、卡鉆、泥包等復雜情況。造漿率每噸土配出粘度為的泥漿方數。 二、伊利石(Illite)1. 晶體構造單位層與蒙脫石相似，其主要區(qū)別：（1）晶格取代的位置主要產生在硅氧四面體內。（2）層間的補償陽離子為（的直徑為2.066A，而上下晶層的硅氧四面體相對應形成的六角形網格的直徑為2.8A）嵌入層間

10、的六角形網格中。2.特點1）層間因的靜電作用，接合力強。2）不易水化膨脹，呈脆性，易剝落掉塊。三、高嶺石(Kaolinite)1.晶體構造（1）由一層硅氧四面體片和一層鋁氧八面體片組成單位晶胞（2）晶格中幾乎沒有晶格取代現象2.特點（1）晶層一面為氧層，另一面為氫氧層，層間形成氫鍵，層間聯結力強。（2）不易吸水膨脹故含高嶺石多的黃土，配出的泥漿造漿率低。四、凹凸棒石海泡石1.晶體構造纖維狀（或棒狀）粘土礦物，構造中有許多通道。2.特點1）造漿率高2）抗鹽性和熱穩(wěn)定性好故是配制鹽水泥漿和深井泥漿好材料五、粘土礦物類型§13 粘土水界面的吸附作用一、吸附的概念1. 吸附的意義物質在兩相界

11、面自動濃集的現象。2. 發(fā)生吸附的原因表面分子受力不平衡，能將周圍的物質吸附在表面上去。減少凈吸力，使表面張力降低，從而使表面能降低。3. 吸附的特點（1） 吸附為動態(tài)平衡（2） 吸附為放熱過程（3） 吸附速度慢4. 吸附的類型（1）按作用的性質分類二、離子交換吸附粘土顆粒吸附的陽離子與溶液中的陽離子進行交換的吸附過程。1.特點1）同電性離子等電量交換 例 Ca2+-2Na+2）離子交換吸附是可逆的粘土膠體2Na+Ca2+=粘土膠體Ca2+2Na+3）離子交換吸附速度慢2.離子交換吸附的規(guī)律1）不同價的陽離子，在其它條件相同時，離子價越高。吸附能力越強。2）同價陽離子吸附強弱取決于離子半徑和水

12、化程度。常見陽離子交換吸附能力強弱順序見P133）離子交換吸附受離子濃度影響。3.粘土的陽離子交換容量（CEC值）1）定義在PH值為7的條件下，粘土所能吸附的可交換性陽離子總量（eq/kg）蒙脫石的補償陽離子基本上可全部交換其CEC值可恒量其帶電量和晶格取代程度，但伊利石不行。2）影響因素.粘土的本性蒙脫石>伊利石>高嶺石.分散度.PH值的影響§14 粘土水界面雙電層一、萊斯實驗1809年萊斯實驗，通電流時，水中顆粒向陽極移動電泳；實驗表明：粘土顆粒在水中帶負電。 二、粘土顆粒帶電原因1.晶格取代2.裸露的AlOH中的H+電離3.吸附陰離子（以氫鍵吸附）帶電量的大小主要取

13、決于晶格取代，幾種粘土礦物顆粒帶電量大小順序為蒙脫石>伊利石>高嶺石。三、擴散雙電層的形成 粘土顆粒表面帶電性質不僅與粘土本身有關，而且與雙電層有關。粘土顆粒表面吸附的陽離子（稱反離子）在水中解離，離開粘土顆粒表面，粘土顆粒帶負電荷，它對陽離子又產生靜電吸引，故作用在反離子的力有兩種。1.作用在反離子上的力。（1） 擴散力受極性水分子的影響和自身的熱運動向水中擴散的力。（2） 吸引力帶電粘土顆粒表面對反離子的靜電引力。粘土顆粒表面吸附的反離子在兩種相反作用力的作用結果。使反離子擴散地分布在界面周圍，構成擴散雙電層。2.擴散雙電層定義帶電表面及反離子構成的電層，它們電荷相反，電量相等

14、。吸附層：與周面緊密連接著的一層反離子和部分水分子構成的內層。擴散層：反離子成擴散的分布在液相內構成的外層。滑動面：吸附層與擴散層的分界面。當離子移動時，界面上的吸附層隨著一起移動，所以固體粒子與吸附層是一整體，稱為膠粒。膠粒：固體離子和吸附層膠粒移動時擴散層的反離子而帶負電。膠粒所帶電荷所產生的電勢，稱為電勢（位）。電位反映了膠粒帶電的多少，電位越小，即吸附層內反離子越多，相應地擴散層反離子少，故雙電層薄，膠粒帶電少。四、電解質對電勢的影響1.電解質擠壓雙電層電解質加入后，使雙電層變薄，電勢下降的現象。2.原因電解質加入后，溶液中反離子濃度增大，由于反離子的擴散作用和粘土顆粒的靜電引力作用，

15、導致反離子進入吸附層的機會增多，使雙電層變薄，膠粒電荷減少，電位降低。隨著電解質濃度增加，電勢逐漸下降，當電解質濃度增大到一定值時，電勢為零：電勢為零的狀態(tài)稱為等電態(tài)，等電態(tài)時，膠粒不帶電，粘土顆粒靜電斥力消失，這時粘土顆粒易發(fā)生聚結。五、粘土平表面和端面的雙電層區(qū)別雙電層類型比較項目平表面雙電層端面雙電層帶電性負電性正或負電性電勢較高較低雙電層較厚較薄§15 粘土的水化作用粘土的水化作用直接關系水基鉆井液性能及井壁穩(wěn)定。一、水化作用的意義粘土顆粒表面吸附水分子，使其表面形成水化膜，晶層間距增大，產生膨脹乃至分散的作用。二、粘土水化作用產生的原因及方式1.粘土表面直接吸附水分子而水化

16、（稱直接水化）原因：(1)降低表面能而產生吸附水分子到粘土表面。(2)粘土帶負電，而水分子是極性分子。水分子受靜電引力作用定向排列在粘土表面。定向排列的吸附水化膜，具有一定強度。(3)粘土晶格里的氫或氫氧層通過氫鍵吸附水分子。2.粘土顆粒表面間接吸附水分子水化，由于粘土帶負電，表面緊密地排列著一層陽離子，這層反離子的水化給粘土表面帶來水化膜。粘土的水化以間接水化為主，那么陽離子的水化越好，粘土的水化膜越厚。三、影響粘土水化的因素1.粘土的本性。1）晶層間的聯結力2）帶電量2.補償陽離子性質例如：鈣蒙脫石吸水膨脹后，底面間距為17A0 ，鈉蒙脫石吸水膨脹后，底面間距為41A0 原因：Na+Ca2

17、+離子半徑0.931.06水化半徑7.9010.00帶電量-Na+的2倍因而使用鈣蒙脫石配漿時，要加入Na2CO3Ca土Na土3.水溶液性質 4.溫度和時間四、粘土的水化膨脹粘土水化膨脹分為兩個階段，1.表面水化水分子是向排列于晶層表面，達四個水分子層。2.滲透水化粘土層間離子濃度大于鉆井液中離子濃度。§16 粘土水懸浮體的穩(wěn)定性和聚結粘土水分散體系的分散與聚結互相轉化，常常是鉆井液性能發(fā)生變化的本質，鉆井液的維護與處理都是圍繞這對矛盾展開的。一、沉降穩(wěn)定性及影響因素1.沉降穩(wěn)定性分散相顆粒能克服重力的作用，所具有的穩(wěn)定性。2.影響沉降穩(wěn)定性的因素根據斯托克斯定律進行分析分散相離子所

18、受的凈重力 下沉的阻力 勻速下沉： 斯托克斯定律1.顆粒尺寸 2.分散相和分散介質的密度差3.分散介質粘度、顆粒尺寸是關鍵，要保證重晶石不下沉應具有一定細度，膠體粒子尺寸小，具有沉降穩(wěn)定性，但膠體粒子具有聚結不穩(wěn)定性，當膠體粒子聚結變成大顆粒時就失去了沉降穩(wěn)定性，因此二者互相影響的，要維持粘土顆粒的沉降穩(wěn)定性，必須保證聚結穩(wěn)定性。一、聚結穩(wěn)定性及影響因素1.聚結穩(wěn)定性分散相顆粒能克服自動聚結變大所具有的穩(wěn)定性。2.影響聚結穩(wěn)定性的因素（1）阻礙粘土聚結的因素.雙電層斥力.水化膜彈性變形斥力（2）引起粘土聚結的因素.顆粒間的引力各原子間的范德華力總和.電解質的聚結作用從上面分析可看出引力：范德華

19、力 斥力：雙電層斥力，水化膜彈性斥力引力>斥力 顆粒聚結引力<斥力 顆粒分散具有聚結穩(wěn)定性。電解質加入后，使顆粒的水化膜變薄，電位降低，既雙電層斥力和水化膜斥力減少，從而使引力大于斥力，粘土顆粒發(fā)生聚結一、粘土顆粒存在的狀態(tài)及鉆井液性能1.分散狀態(tài)（1）存在的條件（2）鉆井液性能：粘度大，切力較小2.絮凝狀態(tài)發(fā)生E-E和E-F聯結鉆井液性能：粘度、切力大，嚴重時產生凝膠喪失流動性。產生凝膠的條件：.顆粒形狀高度不規(guī)則.表面性質極度不均勻.粒子濃度足夠大。特點：.分散介質和分散相處于連續(xù)狀態(tài).具有結構強度（凝膠強度）凝膠強度取決于兩個方面：（1）單位體積內網架結構數目-粒子濃度（2）

20、單個網架結構強度-斥力、引力相對大小鉆井液的切力大小取決于凝膠強度1.絮凝和聚結同時存在發(fā)生EE、EF和FF聯結。發(fā)生在電解質濃度較高，土粒電勢較低，水化膜較薄情況。鉆井液性能：粘度、切力較大，土多時產生凝膠2.聚結狀態(tài)（1）存在條件（2）鉆井掖性能：粘度、切力小Chapter two 鉆井液流變學(Rheological Properties of Drilling Fluids)鉆井液流變學是研究鉆井液流動特性和變形特性的科學。鉆井液流變性直接關系到鉆速、巖屑的懸浮和攜帶、泵壓的高低等問題。§21 液體流動的基本概念液體與固體不同，液體具有流動性，很小的切力就使液體發(fā)生變形。一、

21、流變性：流體的流動特性和變形特性。二、流速梯度垂直流速方向上單位距離內的流速的增量。由于液體流動時各液層的流速不同，層與層間有相對運動，流速較慢的液層要阻滯較快的液層。即流速不同的液層間存在內摩擦，即內摩擦力。三、牛頓內摩擦定律寫成等式 令 得 若取兩液層無限近的距離和相應的速度差別：稱為牛頓內摩擦定律四、剪切應力（）相鄰兩液層間單位面積上的內摩擦力，單位：Pa（帕）五、粘度單位速梯下的對應產生的剪切應力。 單位：，常用。六、流變曲線= 顯然越大，液體的粘度越大§22 液體的基本流型1.牛頓流型水、輕質油、低分子化合物溶液等液體屬牛頓流型，它的質點，性質比較均勻，無內部網架結構，流動

22、規(guī)律簡單。2.塑性流型一般粘土水懸浮體系屬塑性流型。特點：1）流變曲線不通過原點2）施加的剪切力必須超過某一最低值（）之后才能流動。3）當時，粘度隨切應力的增大而降低，繼續(xù)增大切應力，粘度不隨切應力變化。4）塑性流型流變曲線直線段可用直線方程描述， 賓漢公式；：塑性粘度，3.假塑性流型高分子溶液，乳狀液某些鉆井液屬于這種流型。特點：1）流變曲線是通過原點并凸向切力軸的曲線；2）施加很小切應力就能發(fā)生流動, 沒有靜切力。3）它的粘度隨剪切應力增大而降低，流動特性服從指數定律。4.膨脹流型面團屬于這種流型。（某些水泥漿）特點：1）流變曲線是通過原點并凹向切力軸的曲線。2）粘度隨切應力的增大而增高，

23、靜止恢復原狀，沒有靜切力。§23 鉆井液流變性一、鉆井液流動特點多數鉆井液是有結構性的流體，因此屬于塑性流體，它的流動性質不同于牛頓流體。隨著切應力增大。鉆井液流動大致經過以下幾種流態(tài)。1.不流區(qū)時，流體不流動。因受力較小，內部凝膠結構未被破壞，因而不發(fā)生流動。2.塞流和不完全層流過渡區(qū)當施加的力大于時。管壁處的網架結構首先開始拆散。中間的結構表示被拆散。沒有相對運動。液體象一根固體柱子一樣沿管道流動，這種類似固體的液拄叫流核，隨著速梯增加。內部結構破壞強度增大。流核半徑逐漸變小最后流核消失。3.層流區(qū)塑性液體是完全層流，流速剖面為拋物線狀。流變曲線這段范圍內接近一條直線。4.紊流區(qū)

24、液體介質點作無規(guī)則運動。以紊亂方式流動。二、有關鉆井掖流變性模式方程鉆井掖是一種“非牛頓型”流體，它是由各種液體、固體和化學物質組成的溶膠和懸浮體的復雜混合物，用一個數學方程來描述鉆井掖流變性是困難的。盡管困難，由于生產實際需要，人們就用一些簡單的代數方程近描述鉆井液流變性。（一）賓漢模式表達式賓漢在研究塑性液流變曲線后。提出用數字模式，將直線段延長，與切力軸相交的點。稱為動切應力（），直線的斜率稱為塑性粘度。由此塑性液流交曲線直線段可用直線方程描述。由上可見賓漢模式只能描述流體在速梯較大的直線流動規(guī)律。流變參數，意義影響因素及調節(jié)對于給定的符合賓漢模式的泥漿在一定溫度和壓力下，分別為固定值，

25、所以用這兩個參數描述賓漢流體的流動性。（1）塑性粘度（）plastic viscosity(PV)指泥漿中網架結構的拆散速度等于恢復速度。結構拆散速度不再隨切應力變化的粘度。影響因素它與速梯無關，結構無關，只與泥漿的純的摩擦力有關。故影響因素如下：a.固相含量、類型、分散度b.液相粘度調節(jié) (二)動切應力（）（yield point）(YP)指賓漢流體流動時，需要經常克服的，而與塑性粘度和速梯無關的哪部分定值的切應力。影響因素它與塑性粘度無關，即與純摩擦力無關，那么就與結構摩擦有關。直接與泥漿的結構強度有關，泥漿內部網架結構愈強，賓漢流變曲線截距愈大。值愈大故影響結構強度的因素，都會影響a.粘

26、土含量、分散度b.電解質濃度c.長鏈聚合物的濃度調節(jié) (三)指數模式與1.指數模式2.流變參數的意義，影響因素及調節(jié)（1）流性指數反映流體的非牛頓性程度。n值范圍為0<n<1，當n=1時，指數方程變?yōu)榕ｎD內摩擦定律表達式，即流體為牛頓流型，n值越接近1，流體愈接近牛頓流型。故n值反映了流體的非牛頓性程度。牛頓流體與非牛頓流體的區(qū)別一個沒有內部網架結構，而另一個存在內部網架結構，非牛頓性越強，網架結構越強，故n值的大小反映了流體的結構強弱和剪切稀釋性，其影響因素與的影響因素類似。（2）稠度系數反映流體的稀稠程度，如在指數方程式中n=1，指數方程測成為 故稠度系數定義為單位速梯下的有效

27、粘度，稠度系數和粘度一樣，凡影響粘度的因素都會使值發(fā)生變化。（3）的調節(jié)四、卡森模式與賓漢和指數模式是目前現場廣泛應用的流變模式，其優(yōu)點是簡單，易于現場計算。隨著噴射鉆井和最優(yōu)化鉆井的發(fā)展，泥漿流變及環(huán)空水力學也有很大發(fā)展，近二十年對應用流變模式的研究，已經表明了賓漢和指數模式使用的局限性。賓漢方程是一個直線方程，僅能描述實際泥漿的直線段；可是用賓漢模式低速梯下的泥漿流變性與實際相差甚遠。指數模式描述的流變曲線是一條拋物線，在低速梯范圍內比賓漢模式更接近泥漿實際流動性。但指數模式在較高的速梯下仍有較大誤差，為了克服這個缺點。有時采用分段描述方法，即分別求出高、中、低速梯下的值進行有關計算；此外

28、指數模式不能反映大多數鉆井液具有極限剪切應力。由于賓漢和指數模式都存在一定的局限性，研究流變學的學者提出新的數字模式用于非牛頓液流變性的研究。1.卡森模式表達式卡森粘度為1.卡森模式描述流變曲線的特征卡森模式描述的流變曲線是一條不過原點，在切應力軸截于，低速梯彎曲，中高速梯接近一條直線的曲線。非常接近大多數鉆井液流變曲線的特征。因此，不僅適用于中速梯，也適用于低、高速梯，不僅適用與層流區(qū)，還可擴散到紊流區(qū)和塞流區(qū)使用。如果用平方坐標系，卡森流變曲線是一條直線，其截距分別為。2.卡森流變參數的意義，影響因素（1）卡森屈服值（）反映泥漿網架結構強度。影響因素：與相同（2）極限高剪粘度（）反映泥漿的

29、純內摩擦力。當即極限高剪粘度的數值上等于剪切速率無窮大時的有效粘度，在極高速梯下，網架結構全部拆散。是不存在結構因素時。泥漿的純內摩擦力。它常用來表示鉆頭水眼處鉆井液粘度。故稱水眼粘度和紊流粘度，由此僅與固相類型、含量、分散度及液相粘度有關。是影響機械鉆速的重要因素，如現場實驗結果由2.73mpa.s升高到13.67 mpa.s，機械鉆速有6.86m/h下降到4.75m/h.由以上得知，卡森流變參數具有確定的意義，對現場使用具有很重要的價值。近年來的研究已表明，卡森模式對于大多數鉆井液體系具有適應性強，準確性高和簡便的特點。迄今為大家公認的好模式。已經廣泛地用于鉆井液流變學研究和實用流變學計算

30、。其它有卡森模式基礎上發(fā)展起來的多種修正卡森模式，在這里就不再闡述。由上面介紹的幾種流變模式看出，其流變方程是有差異的。顯然這些流變模式對不同鉆井液類型，它們的適應性不同的，賓漢模式是適用于中等速梯以上。低于200s-1，結果偏高，因而不適用于鉆井液在環(huán)空的流動計算，指數模式對中低速梯區(qū)，都有良好精度，缺點是，低速梯下的原始數據難于準確取得，流變參數的物理意義也不十分明確?？ㄉＪ讲坏诘退偬輩^(qū)和中速梯區(qū)都有良好的精確度，還可利用低、中速梯區(qū)的測定結果來預測高速梯甚至極高剪切速率下流變性，因而適應性與準確性必然增大?，F行的幾種鉆井液流變模式，它們對實際工作都有一定的指導意義，將它們進行比較，選

31、擇其中適應性最好的模式。三種模式的優(yōu)缺點模式數字表達式優(yōu)點缺點賓漢模式：剪切應力；屈服值：塑性粘度；速梯（1）適用于中等剪切速率（2）利用可直觀看出固相（3）計算簡單現場易行不能及時反映環(huán)空和鉆頭處情況指數模式k：稠度系數n:流性指數（1）能適應低速和中等時情況，準確（2）調節(jié)n、k方便（1）對高剪速的情況不能真實反映（2）現場計算復雜卡森模式：卡森沾粘度：近似水眼粘度卡森動切力（1）利用可影響鉆速（2）利用可看出懸浮巖屑能力（1）計算復雜（2）單位換算麻煩卡森模式的參數與鉆井液所考慮的參數最為接近。一、泥漿的靜切力與觸變性泥漿具有內部網架結構，流動中受剪切引力作用網架結構拆散。反過來，當泥漿

32、靜止時。網架結構又固顆粒間的引力作用得到恢復，在靜止情況下的凝膠結構強度用靜切力來表示。<一>靜切力反映靜置情況下的凝膠結構強度。結構的恢復有一定時間過程，故泥漿的靜切力隨時間的增大而增大；泥漿在攪拌時受剪切力作用，切力隨一定靜置時間內增大的特性，稱為泥漿觸變性。<2>觸變性泥漿的靜切力隨攪拌后的靜置時間的特征。泥漿具有這種特性是因為體系中存在空間網架結構被剪切力攪散后，靜置時，由于顆粒間的引力和高分子鏈及基團間的引力和聚合性，自發(fā)地恢復原來的結構，又因為顆粒質點性質各向異性，只有顆粒某部分接觸時才能彼此部分粘結形成結構，就是說結構恢復需要顆粒相互排列上有一定幾何關系，

33、因此恢復結構需要時間進行顆粒之間的定向作用，故恢復結構所需時間和最終不變的靜切力大小是觸變性的主要特征泥漿觸變性的表示：常用：初切-靜置10秒的靜切力，終切-靜置10分鐘的靜切力，不同泥漿結構恢復快慢不同，泥漿觸變性有四種典型情況。較快的強凝膠 較慢的強凝膠較快的弱凝膠 較慢的弱凝膠鉆井工藝要求泥漿具有良好的觸變性，即在泥漿停止循環(huán)時。泥漿的靜切力較快地增大到適當值，懸浮巖屑，而最終切力不能過大，不致于靜置后開泵泵壓過高。開泵的泵壓與靜切力成正比，靜切力越大，開泵的泵壓越高。對于每100米開泵的泵壓為因此，泥漿靜切力不能過大，否則將造成開泵蹩泵。例：懸浮巖屑和加重劑直徑為d的固相顆粒在泥漿中受

34、力有一、粘度和剪切稀釋性泥漿粘度和剪切稀釋性涉及到鉆屑攜帶和泵壓高低及噴射鉆井水力利用等問題，故是泥漿流變性的重要參數。1.表觀粘度（Apparent Viscosity）（1）定義：某一流速梯度下的剪切應力與相應的流速梯度的比值，即（2）含義（3）對于塑性流體。等式兩邊同用去除，則，是粘度的因次，而且與屈服值，即網架結構強度有關，故稱作結構粘度。將定義為結構粘度。則即塑性流體的總粘度（）是由兩部分組成，一部分是與速梯無關的塑性粘度，另一部分是由網架結構所決定的結構粘度。表觀粘度表示了總的粘滯性，包括純摩擦阻力和結構阻力。由流變曲線可看出，在一定速梯下的表觀粘度即是流變曲線上該速梯對應點與原點

35、的連線的斜率。塑性流體在不同速梯下的表觀粘度不同，因此泥漿的表觀粘度必須指明哪一速梯下的表觀粘度。泥漿的表觀粘度隨速梯的增大而降低，這種特性稱為液體的“剪切稀釋性”。1.剪切稀釋性表觀粘度隨速梯的增大而降低的特性。原因：泥漿內部網架結構拆散，結構摩阻降低和形狀不規(guī)則的粒子沿流線方向轉向，變形等使流動阻力降低。衡量方法：用動塑比、等評價剪切稀釋性的好壞。表觀粘度包括塑性粘度和結構粘度兩部分，大，表示結構粘度占的比例大，隨著速梯增加結構拆散，下降。剪切稀釋性好的泥漿，在鉆頭水眼處，由于速梯大，表觀粘度低，有利于噴射鉆井；但在環(huán)空上時，由于速梯小，表觀粘度高，有利于攜帶巖屑。§24 泥漿流

36、變性的測量一、漏斗粘度計1.反映泥漿的總粘滯性，測出的是表觀粘度。2.測不出和（不便于對泥漿粘度進行分析）。二、旋轉粘度計1.旋轉粘度計可以測出不同速梯下的剪切應力，從而計算出等重要參數；還可繪制流變曲線。2.結構旋轉粘度計的結構主要由電動機帶動的外筒和由扭簧固定的帶有刻度盤的內筒等部件組成。3.原理兩圓筒之間盛裝被測試液體，外筒以一定轉速旋轉。帶動兩筒間的液體以一定速梯流動，并通過液體的粘滯性將扭距傳給內筒，使內筒偏轉直到與彈簧扭力平衡為止，此時刻度盤上指示的彈簧扭距等于內摩擦力距。（1）彈簧扭力距與切應力對應（2）外筒轉速與兩筒間液體速梯對應在外筒恒速旋轉時，作用在外筒上的轉距等于扭力彈簧

37、的反轉距：即 根據力矩平衡原理，作用在內筒上的總力矩儀器內外筒尺寸是一定的，故給儀器一個轉速就有一個與其對應的速梯，旋轉粘度計有六個轉速。有六個速梯 N（轉/分）60030020010063D（秒-1）102251134017010.225.111.流變參數的確定由于賓漢模式是描述較高速梯下的流變性，因用較高速梯下測定、值。APJ規(guī)定在兩大速梯下測定測： 為了便于對比，API標準規(guī)定是在下，測定流體的表觀粘度。則值的確定由指數模式有：求低速梯的值，可用或其它更低轉速的讀數代入通式求出。（3）的確定§25 鉆井液流態(tài)、流變性與鉆井的關系一、流動狀態(tài)的判斷井壁穩(wěn)定，鉆屑的攜帶與鉆井液流態(tài)

38、有關，而環(huán)空壓力損失計算壓力激動計算。也因流態(tài)的不同，故必須首先準確地判斷井下鉆井液的流動情況，特別是環(huán)空，以便提供有效地解決和分析問題的方法。鉆井液常用的判斷方法有三種1.雷諾數法<2000 為層流。>4000為紊流20004000為過度態(tài)；常取2000作為臨界雷諾數。2.臨界流速發(fā)和臨界排量法時為層流。反之為紊流3.Z值法Z值800為層流，Z>800為紊流二、鉆井液流態(tài)和井壁穩(wěn)定1.紊流液體質點運動方向紊亂，質點動能大，對井壁沖刷大。易引起易塌地層垮塌。2.層流質點平行井壁運動，且速度低，對井壁沖刷小。三、鉆井液流態(tài)與巖屑攜帶1.在尖峰型層流中流速分布不均，導致巖屑翻轉打

39、旋。并被推向井壁，通過曲折運動被帶出井口，攜帶效率差。2.在紊流中流速趨于一致，不存在巖屑翻轉，巖屑幾乎全部帶出井口。但以噴射鉆井和井壁穩(wěn)定要求出發(fā)，都不希望環(huán)空中流動呈紊流狀態(tài)。3.在平板型層流中消除了巖屑翻轉現象，巖屑穩(wěn)定上井，攜巖效果好；根據攜巖要求，應采用平板型層流帶砂。4.影響平板型程度的因素影響平板型程度的因素有三（1）鉆井液流速越大流核越窄，流速越尖，平板型程度越差。（2）流道尺寸（）流道越寬，流核越寬，流型越平，平板型程度越高。（3）動塑比 平板型程度好。流道尺寸受井身結構等限制，流速一般控制在左右，流速的寬窄主要取決與或值對平板型程度的影響情況。提高鉆井液的動塑比（或降低值）

40、是提高平板型程度的有效方法，一般認為就能有效地攜帶，過分提高（或降低值）意義不大，而增加處理的難度和費用。6.攜巖效率在鉆井液上返攜巖的同時，巖屑因重力作用會下沉，要將巖屑有效地攜帶到地面，鉆井液的上返速度應大于巖屑的下沉速度。（1）巖屑的攜巖效率用表示-巖屑輸送比一般要求>0.5（2）巖屑的下沉速度四、井內液拄壓力變化的計算準確的確定鉆井液在井內的液拄壓力變化，對防止井漏，控制井噴，發(fā)展推廣平衡鉆井技術。提高鉆速具有很重要的意義。<一> 靜態(tài)泥漿壓力當出現地層高壓流體時，壓井所需的鉆井液密度可由下式求得：<二> 循環(huán)泥漿的井內壓力1. 當量循環(huán)密度當泥漿循環(huán)時井

41、內環(huán)空泥漿流動會產生壓力損失，產生的壓力損失必然作用到井筒內，因此在循環(huán)時泥漿的總壓力為若要保證不壓漏地層，則由 產生了一個附加壓力，如果把交換算成泥漿密度，再加上靜態(tài)泥漿密度即所謂當量循環(huán)密度，用表示式中：-循環(huán)壓力損失各流變模式的層流流態(tài)循環(huán)壓力損失計算公式模式管內環(huán)空牛頓賓漢指數卡森對于裸眼井段，破碎壓力較低的地層，循環(huán)當量密度應受到限制，以免造成井漏紊流流態(tài)下的 計算根據一切流型在紊流流態(tài)下均出現牛頓流型的特點，故可使用同一公式<三> 井內液柱壓力激動的計算1.定義起下鉆或開泵時，井內液柱壓力發(fā)生突然變化使井內承受一附加壓力的現象。2.起下鉆時的壓力激動由于管柱具有一定體積

42、當管柱下井時井內泥漿要外溢。上提時。泥漿反方向流動去填滿管柱所占有的空間，泥漿流動的結果，會產生沿程阻力損失作用與井內。（1） 下鉆時當下鉆時，鉆桿有一個向下的作用力，這個壓力作用下，泥漿向下流動。這個壓力的大小等于流動時的沿程阻力損失，這個壓力方向與靜液柱壓力的作用方向一致。兩個壓力疊加后，使井內液柱壓增大，故下鉆時的附加壓力為正值。（2）起鉆時起鉆時，鉆桿突出來的體積，泥漿去填，泥漿向下流動，流動時的沿程阻力損失，即壓力激動值，這個附加壓力的作用方向與靜液拄壓力放向相反。使液拄壓力減小。附加壓力為負值。（3）起下鉆壓力激動值的計算 先算出由于鉆具運動所產生的流速。 再根據泥漿流動長度L和流

43、動速度計算對應的壓降壓力激動值泥漿流速的計算 影響因素環(huán)空尺寸等壓力激動破壞了井內液柱壓力與地層壓力之間的平衡。破壞井壁巖石與井內液柱之間的相對穩(wěn)定，引起井漏、井噴或井塌。 減小壓力激動措施a.減小粘切b.操作平穩(wěn)1.開泵時的壓力激動開泵時泵壓超過正常循環(huán)時泵壓的數值，當泥漿停止循環(huán)后，重新開始循環(huán)時，由于泥漿具有觸變性，使環(huán)空初始循環(huán)壓力比維持所需排量的正常循環(huán)壓力高，就是所謂的開泵壓力激動，因此會使開泵時對地層壓力聚增。停泵泥漿靜止后，泥漿粘土顆粒構成的網架結構隨時間增加，泥漿靜切力增大，造成開泵時泵壓較高，靜止時間越長，靜切力越大的泥漿開泵的初始壓力愈大。(1)恢復泥漿循環(huán)所需要的初始循

44、環(huán)壓力可由下式計算出：(2)影響因素泥漿粘切，開泵操作(3)減小開泵時壓力激動措施減小粘切，開泵前合轉盤，用鉆桿攪動泥漿，用泥漿槍沖刺泥漿池的泥漿（目的都是破壞網架結構。）Chapter three 鉆井液的失水與造壁性(Filtration and Wall-buildingProperties)失水造壁性，泥漿密度，流變性是泥漿的三個重要參數，泥漿失水量大，造壁性不好，加上易坍塌地層，易造成井塌、卡鉆等事故。§31 泥漿失水造壁性概念一、失水、泥餅概念1.失水泥漿中自由水在壓差作用下，向具有孔隙地層滲透的過程稱為失水。2.泥餅隨著失水的進行，泥漿中的固相顆粒被阻擋（過濾）在井壁形

45、成的一層膠結物稱為泥餅。滲入地層的自由水越多，泥餅越厚，形成的泥餅反過來阻止自由水進一步滲入。二、失水造壁過程1.瞬時失水鉆頭破碎巖石的瞬間，泥餅尚未形成的失水。2.動失水泥漿循環(huán)過程中的失水在循環(huán)條件下，隨著失水量的增加，泥餅逐漸增厚，失水速度減小，同時循環(huán)泥漿對泥餅的沖刷泥餅變薄，當沖刷和重新形成的泥餅達到平衡，泥餅厚度保持不變，失水速度為一常數。特點：泥餅厚度保持恒定，失水速度恒定。3.靜失水泥漿靜止過程中的失水。在停止循環(huán)后，失水繼續(xù)進行，泥餅逐漸增厚，失水速度逐漸減小。特點：隨失水進行，泥餅達到最厚，失水速度減至最小。4.再次動失水新循環(huán)開始，靜失水形成的泥餅被沖刷掉一部分，失水速度

46、增大，在新的平衡下，泥餅厚度和失水速度在新條件下保持恒定特點：每次動失水穩(wěn)定后，泥餅厚于第一次，失水速度小于第一次。失水造壁過程：瞬時失水動失水靜失水 靜失水動失水這樣周而復始地進行著§32 失水量、造壁性與鉆頭工藝的關系一、失水對鉆井工藝的影響1.失水量大的影響（1）引起泥頁巖垮塌，縮徑（2）損害油氣層2.泥餅厚的影響（1）易造成粘附卡鉆（2）易造成井徑縮小，從而引起泥包鉆頭，壓力激動增大，卡鉆等。二、失水和泥餅控制的原則1.失水控制失水量適當。注意提高濾液的礦化度復雜地層從嚴一般地層從寬井深從嚴井淺從寬長裸眼從嚴短裸眼從寬低礦化度從嚴高礦化度從寬使用分散劑從嚴使用聚合度從寬2.泥

47、餅控制薄、致密、堅韌。§33 影響失水量、泥餅厚的因素為了獲得行之有效地控制失水造壁性的方法，必須了解失水造壁性的諸因素。一、瞬時失水影響因素：1.壓差 2.濾液粘度 3.泥漿中固相粒子濃度和級別由于瞬時失水量僅占總失水量的小部分，且對提高鉆速有利。一般不對瞬時失水作特別控制二、靜失水1. 靜失水方程2.影響因素（1）滲濾時間影響API標準規(guī)定測靜失水時間為30分鐘故把7.5分鐘失水量乘以2來代替30分鐘的失水量。上述關系是值恒定的條件下得出，而實際上值隨時間增長而變小，故實際 > 。2.壓差的影響當值恒定時，有。實際對泥餅有一定壓實作用，可能使變小。的增大對的影響大約有三種情

48、況：（1）對泥餅影響小 (2) 泥餅有一定可壓縮性 基本不變（3）泥餅壓縮性好 3.固相含量和水化程度的影響（1）Cm 此法是泥漿中固相含量增加，這樣會使鉆速降低，泥餅增厚，流變性變差，是不可取的。（2） 途徑：提高粘土水化程度，這是降失水的有效途徑。4.泥餅滲透率的影響是影響泥漿失水量的主要因素，降是控制失水的主要途徑。降的方法：（1）保持固體粒子有合理收配，即有一定數量的搭橋粒子（大尺寸粒子）。又有足夠的膠體粒子。（2）提高粘土顆粒的水化程度（利用水化膜變形，以增強粒子的堵孔能力和泥餅的可壓縮性。 ）5.濾液粘度和溫度的影響（1）粘度 （2）溫度 因此，深井高溫下失水量大。三、動失水的影響

49、動失水量占總失水量的90%左右。故控制失水量主要考慮動失水。根據動失水方程影響因素有，除了、其它影響因素在靜失水已討論過，故這里只討論和對動失水的影響。從上式可看出（1）流態(tài)的影響平板型層流較尖峰型層流動失水大。紊流>平板型層流>尖峰型層流（2）處理劑對靜、動失水的影響。在教材圖413和圖414中，可看出.CMC降靜失水優(yōu)于動失水.CMC降靜失水強于機理分析：CMC能有效地降低，提高，從而使CMC降靜失水優(yōu)于。CMC能提高，加入CMC后泥漿流速分布平緩，井壁處，對泥餅沖刷大，使泥餅變薄，這就抵消了CMC加入使泥餅滲透率下降的作用，加入泥漿流態(tài)變尖銳。井壁處大，對泥餅沖刷小，故降動失

50、水優(yōu)于CMC。2.固相粒子摩擦系數的影響 固相粒子摩擦系數減小，泥餅中的固相粒子間粘接的力減弱，形成的泥餅易被泥漿液流剪切力，又降低了泥餅中固相顆粒間摩擦力，使泥餅更易被液流沖刷掉，從而使動失水量隨油的加入而增大。油加入后形成乳化油珠具有堵孔作用，而且使濾液粘度增大，從而使靜失水隨油的加入而降低。四、影響泥餅厚度的因素根據五、控制失水造壁性的途徑通過改善泥餅質量，確定適當的泥漿密度以減小液柱壓差，提高濾液粘度，縮短泥漿浸泡時間，控制泥漿上返速度及流態(tài)等方法來減小泥漿進入地層的失水量。建立薄、致密、韌的泥餅。§34 泥漿失水造壁性控制方法一、控制指標一般地層：API失水<15ml

51、；泥餅<2mm。易水化地層：API失水<5ml；泥餅<2mm。2.失水造壁性的調節(jié)主要途徑：降， 提。關鍵：形成薄而致密，堅韌的泥餅即適當的顆粒級配和粒子濃度及保持足夠數量水化膜的膠體粒子。方法：1.使用搬土2.加入適當純堿，燒堿或有機分散劑。3.加入CMC護膠，增大濾液粘度，本身堵孔。4.加入一些極細的膠體粒子。Chapter Four 化學添加劑及原材料The chamical additives and natural material§41 原材料一、粘土類1.搬土（膨潤土）含蒙脫石80%以上的純凈土。根據搬土造漿率，濾矢量分為三個等級。級別一級二級三級造漿

52、率16方/噸1612濾矢量151722造漿率：每噸粘土配出粘度為的泥漿的體積（方）數。用途：作為淡水鉆井液和礦化度小于2000mg/L的鉆井液的增粘和降失水。2.抗鹽劑凹凸棒石、海泡石礦物經特殊加工成細度適宜的粉末。特點：在海水鹽水中分散性好，耐溫性強。用途：用作成水和飽和鹽水的配漿材料。3.有機土用陽離子表面活性劑處理過的優(yōu)質搬土，特點：能在油中分散用途：用作油基泥漿的配漿材料。二、加重劑加重劑的條件：比重大、惰性、硬度小、來源廣。常用加重劑重晶石BaSO4石灰石CaCO3氧化鐵粉Fe2O3鈦鐵礦TiO2Fe3O4密度4.22.74.54.7特點：石灰石，氧化鐵份、鈦鐵礦粉可自發(fā)解堵。

53、67;42 無機處理劑一、堿類1.NaOH 、KOH作用：（1）調節(jié)PH值，提供 （2）變難溶有機酸為易溶于水的鹽 （3）促進粘土分散 （4）控制Ca2+ 濃度二、碳酸鹽Na2CO3 、 NaHCO3作用：1.消除鈣離子，使鈣搬土轉化為鈉搬土（一般加量。搬土量約58%） 2.調節(jié)PH值三、氯化物NaCl CaCl2作用：1.抑制地層巖鹽，石膏溶解。 2.抑制地層粘土，水化膨脹。 3.提切力三、鉻酸鹽Na2Cr2O7 、 K2Cr2O7Cr2O72-+6Fe2+14H+Cr3+6Fe3+7H2O作用：1.吸附在粘土表面起鈍化作用 2.與有機官能團有機處理劑絡合，提高處理劑的吸附能力。§43 有機處理劑有機處理劑是目前使用最多的一類處理劑，按其作用分為：天然高分子和合成高分子，按其作用可分為：降粘劑（稀釋劑）、降失水劑、增粘劑等。一、稀釋劑能在不降低泥漿密度和固