有關泥漿比重

1、泥漿性能及其測試方法  泥漿的性能是泥漿的組成以及其各組分間相互物理化學作用的宏觀反映，它是反映泥漿質量的具體參數。泥漿性能及其變化，直接影響著機械鉆速、鉆頭壽命、孔壁穩(wěn)定、孔內凈化和預防孔內問題等一系列鉆井工藝問題。泥漿的主要性能有泥漿的比重和固相含量、泥漿的流變特性（粘度和切力）、泥漿的濾失性能（泥漿的失水量和泥餅厚度）、以及泥漿的含砂量、潤滑性、膠體率和 pH 值等。下面分別討論之。 一、 比重、固相含量與含砂量    泥漿的比重是指泥漿的重量與同體積水的重量之比。泥漿比重的大小主要取決于泥漿中固相的重量，而泥漿中固相的重量則是造漿粘土重

2、量和鉆屑重量之和。在有加重劑等其他固相物質加入的時候，加重劑等物質的重量也須計入。    泥漿的固相含量指泥漿中固體顆粒占的重量或體積百分數。泥漿中的固相包括有用固相和無用固相，前者如粘土、重晶石等，后者為鉆屑。泥漿中的固相，按固相比重來劃分，可分為重固相（重晶石比重為 4.5 ，赤鐵礦為 6.0 ，方鉛礦為 6.9 等）和輕固相（粘土比重一般為 2.32.6 ，巖屑比重一般在 2.22.8 之間）。泥漿的含砂量指泥漿中砂粒占的重量或體積百分數。    采用造漿率高的膨潤土配制泥漿，粘土含量（重量 / 體積）在 46% 以下便可達到要

3、求的粘度，此時泥漿比重在 1.031.05 左右。相反，若用造漿率低的粘土配漿，要達到同樣的粘度，粘土用量要達 2030% 以上，此時泥漿比重高達 1.15 以上。目前對優(yōu)質輕泥漿，在粘度符合要求時，泥漿中的固相含量應控制在 4% 左右（體積含量），此時泥漿比重在 1.051.08 左右。泥漿的比重和固相含量對鉆井有重要意義和影響。 1. 地層壓力的控制    鉆井中防止漏失，涌水和維持孔壁的穩(wěn)定，重要的一點是要維持鉆孔地層間的物理力平衡。而孔內靜液柱壓力的大小決定于孔內液柱的單位重量或比重以及垂直深度，即：    

4、0;                                        （ 4-6 ）    式中 P s 靜液柱壓力， N ； 單位體積的重量或比重， Kg/m 3 ； H 液柱垂直高度， m 。

5、若把每單位高度（或深度）增加的壓力值叫壓力梯度。用 G s 表示靜液壓力梯度，則：                                         （ 4-7 ）    因此

6、靜液柱壓力梯度Gs決定于泥漿的比重，可以調節(jié)泥漿的比重使Gs與地層壓力梯度Gp相適應以求得鉆孔地層間的物理力的平衡。2. 對鉆速的影響    近年來進行的泥漿比重、固相含量對鉆速影響的研究得出如下的結論：    （1）隨著泥漿比重的增加，鉆速下降，特別是泥漿比重大于1.061.08時，鉆速下降尤為明顯。    （2）泥漿的比重相同，固相含量愈高則鉆速愈低。由此泥漿比重相同時，加重泥漿的鉆速要比普通泥漿高，因為加重泥漿的固相含量低。    （3）泥漿的比重和固相含量相同，但固相

7、的分散度不同，則固相顆粒分散得愈細的泥漿鉆速愈低。由此，不分散體系的泥漿其鉆速要比分散體系的泥漿高，如圖4-9所示。甚至有些研究者得出小于1m的顆粒對鉆速的影響比大于1m顆粒的影響大12倍。因此，為提高鉆進效率，不僅應降低泥漿的比重和固相含量，而且應降低固相的分散度，即應采用不分散低固相泥漿。3. 含砂量的影響    泥漿中的無用固相（主要為巖屑）含量會給鉆進造成很大的危害。首先，無用固相含量高，泥漿的流變特性（見下節(jié)）變壞，流態(tài)變差。不僅使孔內凈化不好而引起下鉆阻卡，而且可能引起抽吸，壓力激動等，造成漏失或井塌。其次，泥漿中無用固相含量高，泥餅質量變壞（泥餅疏松

8、，韌性低），泥餅厚。這樣，不僅失水量大，引起孔壁水化崩塌，而且易引起泥皮脫落造成孔內事故。第三，泥漿無用固相含量高，對管材、鉆頭、水泵缸套、活塞拉桿磨損大，使用壽命短。因此，在保證地層壓力平衡的前提下，應盡量降低泥漿比重和固相含量，特別是無用固相的含量。           圖4-9 泥漿固相含量對鉆速的影響                 

9、60;            圖4-10泥漿比重秤                                      &#

10、160;                1-杯蓋；2-泥漿杯；3-水平泡；4-主刃口；5-主刀                               &#

11、160;                          墊；6-支架；7-游碼；8-杠桿；9-金屬顆粒    測量泥漿比重的儀器目前用得最多的是比重秤，其結構如圖4-10所示。測量時，將泥漿裝滿于泥漿杯中，加蓋后使多余的泥漿從杯蓋中心孔溢出。擦干泥漿杯表面后，將杠桿放在支架上（主刀口坐在主刀墊上）。移動游碼，使杠桿成水平狀態(tài)

12、（水平泡位于中央）。讀出游碼左側的刻度，即為泥漿的比重值?？梢园堰@種方法的原理形象地歸結為“杠桿原理”。    測量泥漿比重前，要用清水對儀器進行校正。如讀數不在1.0處，可用增減裝在杠桿右端小盒中的金屬顆粒來調節(jié)。    對泥漿中固相含量的測定，一般采用“蒸餾原理”。如圖4-11所示。取一定量（20ml）泥漿，置于蒸餾管內，用電加熱高溫將其蒸干，水蒸氣則進入冷凝器，用量筒收集冷凝的液相，然后稱出干涸在蒸餾器中的固相的重量，讀出量筒中液相的體積，計算泥漿中的固相含量，其單位為重量或體積百分比。對泥漿的含砂量的測定，采用篩析原

13、理，如圖4-12所示。      圖4-11 鉆井液固相含量測定儀           圖4-12 泥漿含砂量測定1-蒸餾器；2-加熱棒；3-電線接頭；        1-過濾筒；2-漏斗；3-玻璃量杯4-冷凝器；5-量筒。                  

14、                    二、泥漿的流變特性  泥漿的流變性是指泥漿的流動和變形性質，它以泥漿的粘稠性為主要研究對象。在第二章中，對工程漿液流變性的理論基礎和參數測試方法已做了詳細闡述。在此，結合鉆井工程實際，對泥漿流變性做進一步的討論。(一)泥漿流型的不同形成機理    泥漿流動時的剪切應力與剪切速率之間的關系用流變方程和流變曲線來表達。如第二章所述，不同泥漿的流變關系大體上可以分為四種理論流型，即牛頓流型、賓漢流型、冪律流型和卡森流型（圖

15、？）。一種具體泥漿的實際流型與哪一種理論流型較相近，就認為它屬于該理論流型。泥漿的流型主要取決于構成泥漿的材料組成及其它們的含量。    粘土含量較少的細分散泥漿比較接近于牛頓流型，其剪切應力主要由相互無連接力的粘土微粒及水分子之間的摩擦力構成。由牛頓流型關系式(2-34)可知，反映該類泥漿粘稠性的流變參數是牛頓粘度。由于一般泥漿（在未加稀釋劑和高聚物加量很少的情況下）存在粘土顆粒之間的結合力，具有一定程度的網架結構。因此，泥漿在發(fā)生流動之前需要克服一定的結構力。其流型用賓漢流型來反映較為合適。由賓漢流型關系式(2-41)可知，反映該類泥漿粘稠性的流變參數是動切力

16、o和塑性粘度p。當泥漿中的線形高聚物或類似油微粒的可變形物質含量較高，并且泥漿結構力很低時，可以用冪律關系來描述泥漿流型。這種流型的切應力隨剪切速率的變化不是線性關系，而是由快到慢呈冪指數關系，也就是說流動慢時切力增加得快，流動快時切力增加得慢。其原因是線形高聚物等在流動中具有順流方向性。流速越大，順流方向性越強，阻力增加得越慢。由冪律流型關系式(2-44)可知，反映該類泥漿粘稠性的流變參數是稠度系數K和流型指數n。    對于許多泥漿而言，既存在著粘土顆粒的空間網架，又有線形高聚物或類似的物質，也就是說既存在結構力，又有剪切稀釋作用。因此，用卡森流型來反映其流變

17、關系更為合適。由卡森流型關系式(2-53)可知，反映該類泥漿粘稠性的流變參數是卡森動切力c和卡森高剪粘度。(二) 泥漿粘稠性對鉆井工作的影響    泥漿把鉆碴從井底攜至地表或者在井中懸浮鉆碴，主要是靠泥漿的粘稠性；對于破碎的不穩(wěn)定井壁，利用較粘稠的泥漿還可以起到較好的粘結護壁作用。僅從這兩點考慮，泥漿的粘度和動切力應該取高值。這也是選擇泥漿做鉆井液的基本出發(fā)點。但是，泥漿的粘稠性大又有不利的方面，主要表現(xiàn)在：使井底碎巖效率降低；增加泥漿循環(huán)的流動阻力；增大對井壁的液壓力激動破壞。因此，不能盲目增大泥漿的粘稠性，而應根據具體地層和鉆井工藝要求，綜合兼顧多方面的情況，

18、確定合適的泥漿粘度和動切力。(三) 泥漿的表觀粘度與剪切稀釋作用 如果把泥漿分為四種流型的流體，則具體衡量這四種泥漿粘稠性的參數是互不相同的?？梢杂靡粋€統(tǒng)一的指標參數來反映各種泥漿的相對粘稠性，這就是表觀粘度A它等于泥漿流動時的剪切應力與剪切速率的比值，如式(2-45)所示。對于牛頓流體，表觀粘度就是牛頓粘度，是常量；而對于其他三種流型的流體，表觀粘度不是常量，而是隨剪切速率增加而減小的變量（這一點，無論從流變方程還是流變曲線上都能被很好地說明）。如果取剪切速率比較中間的某一定值作為對象，用該點對應的表觀粘度作為平均表觀粘度，則不同流型泥漿的粘稠性就有了相對統(tǒng)一的比較標準。泥漿表觀粘度隨剪切速

19、率增加而減小的性質稱為泥漿的剪切稀釋作用。剪切稀釋作用對鉆井工作十分有意義：在鉆頭部位，泥漿流速大，表觀粘度低，有利于井底碎巖；而在環(huán)空中，由于泥漿流速減小，表觀粘度提高，有利于懸攜鉆碴。(四) 泥漿的凝膠強度和觸變性 一旦泥漿停止流動即靜止，便有或多或少的結構逐漸形成，直至趨于穩(wěn)定。把泥漿靜置時的結構力稱為泥漿的凝膠強度，用靜切力表示。凝膠強度是隨泥漿靜置時間的增長而增大的，即靜切力是時間的函數。反過來看，當外加一定的切力使泥漿流動時，結構拆散，流動性增長。這就是泥漿的觸變性。圖？給出了膨潤土泥漿觸變性的一些不同情況。凝膠強度的大小和增長的快慢，對懸浮鉆碴和開泵時的循環(huán)阻力有直接影響。為使停

20、泵后井內鉆碴懸浮而不下沉，希望泥漿有快速強凝的觸變性；但這又會導致重新開泵時的循環(huán)阻力過大。因此，應該使泥漿具有快速中等強度的觸變性。三、泥漿的失水造壁性（一）失水造壁性的概念    在井中液體壓力差的作用下，泥漿中的自由水通過井壁孔隙或裂隙向地層中滲透，稱為泥漿的失水。失水的同時，泥漿中的固相顆粒附著在井壁上形成泥皮（泥餅），稱為造壁（圖4-13）。 圖4-13 泥漿失水造壁性示意圖     井中的壓力差是造成泥漿失水的動力，它是由于井中泥漿的液壓力與地層孔、裂隙中流體的液壓力不等而形成的。井壁地層的孔隙、裂隙是

21、泥漿失水的通道條件，它的大小和密集情況是由地層巖土性質客觀決定的。泥漿中自由水的概念在前面已經敘及，除了較大的裂隙和空隙外，一般地層的孔、裂隙較小，只允許自由水通過，而粘土顆粒周圍的吸附水隨著粘土顆粒及其他固相附著在井壁上構成泥皮，不再滲入地層。井壁上形成泥皮后，滲透性減小，減慢泥漿的繼續(xù)失水。若泥漿中的細粒粘土多而且水化效果好，則形成的泥皮致密而且薄，泥漿失水便小。反之，泥漿中的粗顆粒多且水化效果差，則形成的泥皮疏松而且厚，泥漿的失水便大。很明顯，泥皮厚度（更嚴格地說應是濾余物質）是隨失水量增大而增加的。    泥漿在井內的失水處在兩種不同的背景條件下。一種是水

22、泵停止循環(huán)，泥皮不受液流沖刷，井內的液壓力只是泥漿柱靜水壓力，這時的失水稱為靜失水；另一種是水泵循環(huán)，泥皮受到沖刷，井內的液壓力是泥漿靜水柱壓力與流動阻力損失之和，這時的失水稱為動失水。根據實際鉆井工序，這兩種失水是交替進行的。另外，在鉆頭破碎孔底巖石，形成新的自由面的瞬間，泥漿接觸新的自由面，還未形成或很少形成泥皮，泥漿中的自由水以很高的速率向新鮮巖面失水，這時的失水稱為瞬時失水或初失水。靜失水時，泥皮逐漸增厚，失水速率逐漸減小。因此時壓力較小，泥皮較厚，固失水速率比動失水小。動失水時，泥皮不斷在增厚，同時又不斷被沖刷掉，當增厚速率與被沖刷速率相等時，泥皮厚度動態(tài)恒定，失水速率也就基本不變。

23、    以鉆孔某一孔深處的孔壁為討論對象，該處孔壁的失水全過程，從鉆頭鉆經此處開始，發(fā)生短暫的瞬時失水之后，即形成動失水、靜失水的不斷循環(huán)反復，直至鉆井完成。因此，該處孔壁的失水速率隨時間的變化規(guī)律將如圖4-14所示。 圖4-14  井壁失水速率變化規(guī)律（二）失水性對鉆井工作的影響   許多情況下，泥漿的失水對鉆井的危害較大。   （1）當地層為泥頁巖、黃土、粘土時，失水過大會引起井壁吸水膨脹、縮徑、剝落、坍塌；   （2）對于破碎帶、裂隙發(fā)育的地層，滲入的自由水洗滌了破碎物接觸面之間

24、的粘結，減小了摩擦阻力，破碎物易滑入井眼內，造成井壁坍塌、卡鉆等事故；   （3）在溶解性地層中的失水越多，井壁地層被溶解的程度就越高；   （4）厚泥皮會加大對鉆具的吸附，使鉆桿回轉阻力增加；   （5）厚泥皮使環(huán)空過流面積減小，循環(huán)阻力和壓力激動增大；   （6）厚泥皮使測井數據的準確性降低；   （7）失水量越多，對地層的侵染越嚴重；   （8）失水量越多，對地層的傷害越嚴重，影響油、氣、水的滲透率，降低井的產量。    你講的失水性對鉆井

25、的有利影響是：初失水可以濕潤巖土，使其強度降低，有利于鉆頭對其破碎，提高鉆進速度。（三）失水量影響因素分析   分析失水量的影響因素及其相互之間的關系，以靜失水為討論基礎。泥漿的靜失水是一個滲濾過程，因此遵循達西滲流定律。在此假設：地層的滲透率和泥皮的滲透率均是常數，且前者遠大于后者；泥皮是平面型的，其厚度與鉆孔直徑相比很小。泥皮的厚度隨時間增加而逐漸增大。按達  西定律則有：                 

26、60;   Qt=                       （4-8）    式中Qt-滲透速率，m2；K-泥皮的滲透率，m2；A-滲濾面積，m2；P-滲濾壓力，Pa；h-泥皮厚度，m；-濾液粘度，Pa?s；Vt-濾失液體的體積，即濾失量，m3；t-滲濾時間,h。    當一定量泥漿完全濾失掉時，則有下面的關系：  

27、;                      Vm=h·A+Vt; Vt=h·A·Cc.                  （4-9）    式中 Vm-過濾的泥漿體積,m3；Vt-泥皮中固體顆粒堆積的體積,m3；Cc-泥皮中固體顆粒的體積

28、百分數。    Cm為泥漿中固體顆粒的體積百分數，即,于是上式可得：                                           

29、60;    （4-10）    將式（4-10）代入式（4-9）中，得：                                       （4-11） &#

30、160;  整理后有：                              ，    積分后得：                                     即：