2鉆進(jìn)液的組成與性能

1、第二節(jié)鉆進(jìn)液的組成與性能一、鉆井液的組成（膨潤土的主要成分是蒙脫石。膨潤土又稱才搬土）雖然目前鉆井液種類繁多，但鉆井液的組成一般都為以下幾部分組成：液相是鉆井液的連續(xù)相，一般是水，也可以是油?；钚怨滔嗳缛霝榧尤氲纳虡I(yè)膨潤土、地層進(jìn)入的造漿粘土及油基鉆井液中的有機(jī)膨潤土。惰性固相如巖石的屑碎和加重材料。各種添加劑添加不同的添加劑可配制成性能各不相同的鉆井液，對鉆井液的性能起調(diào)整作用。如由：堿度和PH值控制劑、分散劑如純堿Na2Co3、燒堿NaOH殺菌劑、除鈣劑、表面活性劑卜重晶石、石灰石、NaC1、削泡劑、絮凝劑、稀釋齊【JCaC12等等潤滑劑、頁巖穩(wěn)定劑、增粘劑等等二、鉆井液的性能（一）鉆井液

2、的密度鉆井液單位體積的質(zhì)量稱為鉆井液的密度，單位常以表示g/cm3。鉆井液密度主要是用來調(diào)節(jié)鉆井液靜液柱壓力，以平衡地層孔隙壓力,防止發(fā)生井噴。有時(shí)亦用來平衡地層的構(gòu)造應(yīng)力，控制或減輕井塌。如果鉆井液的p過大，不符合地質(zhì)和工程要求，則會(huì)：損害油氣層；降低鉆井速度;過大的壓差易形成卡鉆；易憋漏地層；易引起過高的粘切；多消耗材料和動(dòng)力；抗污染的能力下降。而P過低，則會(huì)發(fā)生井噴，井塌（尤其是欠壓鉆井）、縮徑及攜巖屑能力下降等。總的原則：在允許的條件下盡可能的減小鉆井液P。鉆井中鉆遇水層、高壓地層或低壓地層，就需對鉆井液的密度進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，一般的措施如下：加水是降低P的有效辦法；加稀濃度的處理劑，可

3、以降低P,又可以保持原有性能；混油也可以降低P,但不經(jīng)濟(jì)，又影響地質(zhì)錄井；充氣可大大降低P;加入加重材料可以增大P,而重晶石是理想選擇；加重鉆井液p時(shí)不能太快，應(yīng)逐步提高，如一次增加0.10g/cm3為合適。（二）鉆井液的流變性能1、 流型的分類牛頓液體塑性型液體（賓漢流體，多數(shù)鉆井液屬于此類）液體-非牛頓液體，假塑性型液體（幕率流體）;膨脹型液體（幕率流體）2、 流變特征依據(jù)層流的假設(shè)，我們可以定義如下定義：剪切速率（Y）dv相鄰兩層之間的速度差ms-ssssdx兩層間距離（m）鉆井過程中，鉆井液循環(huán)在各個(gè)不同部位，流速不同，剪切速率也不同，大體數(shù)據(jù)為：沉沙池處：1020s-1;環(huán)形空間：1

4、5150T；鉆桿內(nèi)：1001000s-1;鉆頭水眼：10000100000S1;剪切應(yīng)力（）作用在流體層單位面積上引起剪切的力稱為剪切應(yīng)力，以E表示，其量綱為單位為Pa表觀粘度（視粘度）表觀粘度具有粘度的量綱，在SI單位制中，表觀粘度的單位是帕，秒（Pas）。常用的單位是SI單位的千分之一.即mPas,它等于一個(gè)厘泊。觸變性一些流體在攪動(dòng)時(shí)成為流體，在靜止時(shí)又變成凝膠體，流動(dòng)性大大降低，這種性質(zhì)就稱為觸變性。粘土泥漿、氫氧化鐵膠體、油漆等具有觸變性。粘性和粘彈性運(yùn)動(dòng)時(shí)，流體對相鄰兩層間的相對運(yùn)動(dòng)是有阻力的，這種阻力是由于液層間互相發(fā)生內(nèi)摩擦而產(chǎn)生的。流體所具有的這種抵抗兩層流體相對滑動(dòng)速度或普

5、遍說抵抗變形的性質(zhì)稱為粘性。粘性的大小與流體的性質(zhì)和溫度等條件有關(guān)。有一些流體，例如高聚物的膠體，在受到剪切力時(shí)，有一個(gè)松馳過程，即緩速形變。這種變形對時(shí)間的一個(gè)依賴性，即變形有一時(shí)間的過程，稱為粘彈性。3、 流型（1）牛頓體（層流）七=刈電（牛頓內(nèi)摩擦定律）dx式中：“是流體的粘度。對于牛頓流體，只有一個(gè)粘度，叫絕對粘度（牛頓粘度或動(dòng)切粘度）。單位：PaS、Auwwui_vnuuw.FuuvbadUWMwwuufaflMrwuwiWMs-ivwJ純液體（如甘油、水）和大多數(shù)低分子溶液在層流條件下遵守牛頓定律。層流變成紊流，牛頓公式就與事實(shí)不符，因?yàn)橹挥袑恿魉俣忍荻萪%x才有明確的意義。（2）

6、塑性流體（Bingham賓漢塑性流體）若一個(gè)物體所受的切力超過某種限度，其形狀的改變是永久的，則該物體便是可塑的。賓漢流體的特點(diǎn)是所受切應(yīng)力必須超過某一最低值流體才開始流動(dòng)。這一最低切應(yīng)力值fy叫“做靜切應(yīng)力二，|美國石油學(xué)會(huì)稱它為凝膠強(qiáng)度（Gelstrength）,現(xiàn)場簡稱為“切.力，。當(dāng)所加切應(yīng)力大于與以后，流體隨切應(yīng)力的增加，粘度下降（圖57中，塑性型的曲線部分）。繼續(xù)增加切應(yīng)力，粘度不隨切應(yīng)力增加而變化，此時(shí)流變曲線為圖57中的直線部分，這時(shí)的粘度稱為塑性粘度用"p表示，英文簡寫為PV。把直線延長與橫軸相交于，稱人為“動(dòng)切應(yīng)力”，也有的文獻(xiàn)稱%為屈服值。上述兩個(gè)值Cy、%）是

7、賓漢流體的特征值。7=%+"p'（賓漢公式）式中：7。一一動(dòng)切應(yīng)力（屈服值）（Pa）p一一塑性粘度（Pas）從理論上分析，賓漢流體的流變曲線應(yīng)該是一條不過原點(diǎn)的直線。但是，實(shí)際流體在低剪切速率下對賓漢公式的吻合程度并不十分理想。鉆井泥漿屬于賓漢流體，根據(jù)研究，泥漿在管內(nèi)的流動(dòng)基本上可以分為五個(gè)階段:靜止零渡過流帶層流素流(b>圖5-8泥漿在管中的流項(xiàng) 靜止階段：當(dāng)泥漿所受的切應(yīng)力小于7y時(shí)，泥漿不產(chǎn)生流動(dòng)；塞流階段：當(dāng)泥漿所受切應(yīng)力大于7y而小于,時(shí)，只是接近管壁的泥漿結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，泥漿在管內(nèi)產(chǎn)生塞流； 塞流一層流過渡階段：當(dāng)泥漿所受的切應(yīng)力大于%而小于7A時(shí)，泥漿內(nèi)部

8、結(jié)構(gòu)開始破壞，中間流速加快.產(chǎn)生過渡帶；層流階段：當(dāng)泥漿所受切應(yīng)力大于7A以后，泥漿內(nèi)部的結(jié)構(gòu)破壞與結(jié)構(gòu)的形成處于平衡態(tài)，泥漿成層流動(dòng)，管內(nèi)速度截面為拋物線(中間部分有流核)； 紊流階段：從,開始，進(jìn)人紊流狀態(tài).泥漿質(zhì)點(diǎn)呈無規(guī)則地運(yùn)動(dòng)。(3)塑性流型流變參數(shù)的物理意義%：（靜切力）使鉆井液開始流動(dòng)所需的最小切應(yīng)力。是破壞鉆井液內(nèi)部凝膠結(jié)構(gòu)的最初的力。%:（動(dòng)切力）使鉆井液保持流動(dòng)時(shí)鉆井液內(nèi)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。（塑性粘度）它與鉆井液的懸浮能力有直接的關(guān)系。不能太,u1jrrr高或太低?！盿:表觀粘度是在某一流速梯度下剪切應(yīng)力與相應(yīng)流速梯度的比值。鉆井液在不同流速梯度下的表觀粘度是不同的。使用“固讀式

9、旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)"可以直接讀出某一鉆井液在某一條件下的表觀粘度。為了便于比較，統(tǒng)一規(guī)定在600彳訪下進(jìn)行測量。由式7=%+，”知%=40+二,由于%與層流時(shí)體系中網(wǎng)架結(jié)構(gòu)有關(guān)，故又把射稱為結(jié)構(gòu)粘度：”結(jié)構(gòu)。故a=p*“結(jié)構(gòu)一般的是從儀器上讀出60。7小和300%in的扭轉(zhuǎn)格數(shù)：600、300。_1._,則=中600、=66006300、%=5仲300%）2Pap11inn，in，ni»iir-*rrr-nniiir，i，一r-n%p:動(dòng)塑比反映了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和塑性粘度的比例關(guān)系。它決定鉆井液在環(huán)空中的流態(tài)與攜帶巖屑能力密切相關(guān)。一般情況下要求動(dòng)塑比0.360.48怛之間。太小了會(huì)導(dǎo)致

10、尖鋒型層流，引起巖屑轉(zhuǎn)動(dòng)；太大了鉆井液的結(jié)構(gòu)太強(qiáng)，會(huì)增大泵壓，損耗太大。（4）哥律流體n【dx!式中：K稠度函數(shù)，即KT,粘度T(dyn-s72)cmn流性指數(shù)，為非牛頓流體的量度，n<1時(shí)則為假塑性流體，n>1時(shí)為膨脹體，n=1時(shí)為牛頓體。一般的nw(0.40.7)(5)卡森模式卡森模式(Casson昨?yàn)橐环N較復(fù)雜的流變模式，正如賓漢、哥律模式一樣，也是一經(jīng)驗(yàn)方程式，已被應(yīng)用于其它工業(yè)(油漆、涂料、塑料等)，1979年，勞增和里得首次將其引入于鉆井液流變性研究中。結(jié)果表明，卡森模式不但在低剪切區(qū)和中剪切區(qū)都有良好的精度，而且，當(dāng)僅有低和中剪切速率下的資料可以利用時(shí)，能很好地預(yù)測高剪切速率下的流變性。(6)赫切爾一巴爾克萊模式(三個(gè)參數(shù)表不)赫一巴(Herschel-Bulkley)流體可以近似認(rèn)為是哥律流體和賓漢流體的組合。4、流變參數(shù)的確定由于使用公式進(jìn)行流變參數(shù)的測定是相當(dāng)麻煩的，在日常的應(yīng)用中，各個(gè)流變參數(shù)一般都是通過嗣詁度計(jì)直接測得的。