工學油田化學

第五節(jié)鉆井液流變性及其調整流變性是鉆井液的一項基本性能，在解決許多鉆井問題時，都起著十分重要的作用。掌握鉆井液流動的基本特性，能使我們更科學地維護和處理鉆井液。流變性：是指在外力作用下，鉆井液發(fā)生流動和變形的特性。流變性在鉆井中的作用：①攜帶巖屑、保證井底和井眼的清潔；②懸浮巖屑與重晶石；③提高鉆速；④保證井眼規(guī)則和井下安全等。描述流變性的要素：①鉆井液的流變曲線；②塑性粘度；③動切力；④靜切力；⑤表觀粘度等。

一、流體流動的基本概念1、剪切速率和剪切應力液體與固體的重要區(qū)別之一是液體具有流動性，只要力的作用時間相當長，即使用很小的力就能使液體發(fā)生很大的變形。以河水的流動為例（見圖2-1）

分析水流的流速分布情況。靠近河岸流速很小，靠近河中心流速很大，且呈梯度變化。（1）剪切速率（γ）dv/dx表示在垂直于流速方向上單位距離流速的增量，即剪切速率（速率梯度）。單位：s-1剪切速率越大，則表示液流中各層之間流速的變化大。鉆井液在循環(huán)過程中：沉砂池處的剪切度率最低，約為10~20s-1；環(huán)行空間內：50~250s-1；鉆桿內：100~1000s-1；鉆頭噴嘴處最高，約為10000~100000s-1。（2）剪切應力（τ）（簡稱剪切力）流體中各層的流速不同，層與層之間必然存在相互作用，即流速快的液層會帶動流速慢的相鄰液層。同時，流速慢的液層又會阻礙流速快的相鄰液層。這樣在流速不同的各液層之間就產生成對的內摩擦力（剪切力）。牛頓內摩擦力（F）：F=μsγ式中：μ—粘度；γ—剪切速率；s—面積。剪切應力（τ）：τ=F/s=μγ。

單位：Pa或KPa牛頓流體：將τ與γ的關系遵守牛頓內摩擦定律的流體稱為牛頓流體。如：水、酒精等純液體、低分子化合物溶液及低速流動的氣體。

非牛頓流體：τ與γ的關系不遵守牛頓內摩擦定律的流體。如：高分子聚合物的濃溶液和懸浮液等。大多數(shù)鉆井液都屬于非牛頓流體。2、流變模式和流變曲線（1）流變模式（流變方程）：用數(shù)學關系表示τ與γ的關系。如：牛頓流體的流變模式τ=μγ（2）流變曲線

用曲線表示τ與γ的關系。如圖2—4中曲線1所示。直線的斜率代表其粘度，既tanα代表粘度，

α越大,μ越大。3．觸變性定義：是指鉆井液經攪拌后會變?。ㄇ辛ο陆担o止后又會變稠（切力上升）的性質。測量方法：用旋轉粘度計，將充分攪拌后的鉆井液靜置1min（或10s）和靜置10min，分別測量其初切值和終切值，并用初切和終切的差值表示鉆井液觸變性的大小。4．鉆井液的粘度現(xiàn)場用的粘度有：漏斗粘度、塑性粘度、表觀粘度和稠度系數(shù)。①漏斗粘度是指將一定體積（500ml）的鉆井液從漏斗下端流出所經歷的時間。單位：s。特點：方法簡單，可直觀反映鉆井液粘度的大小。②塑性粘度（ηP或pV）反映了在層流情況下，鉆井液中網架結構的破壞與恢復處于動態(tài)平衡時，懸浮的固相顆粒之間、固相顆粒與液相之間以及液相內部的內摩擦力作用的強弱。特點：是塑性流體的一種性質，不隨剪切速率而變化；③稠度系數(shù)（K）是假塑性流體的性質，也是運動質點之間的內摩擦力。K值反映其可泵性，k值越大，粘度越高。K值過大，將造成重新開泵困難，k值太小，對攜巖不利。K應保持在合適的范圍內。④表觀粘度（又稱有效粘度或視粘度）（ηV或AV）是指在某一剪切速率下，剪切應力與剪切速率的比值。塑性流體的表觀粘度為：由于τ0/γ具有與粘度相同的單位，并且和鉆井液層流流動時形成網架結構的能力有關，習慣上稱τ0/γ為結構粘度。假塑性流體的表觀粘度為：5．鉆井液的幾種基本流態(tài)：①靜止；②塞流（柱流）；③準層流（平板型）；④層流（線形）；⑤紊流。不同流型的鉆井液其攜巖能力各不相同，對井壁的穩(wěn)定性作用不同。不同流型的鉆井液其攜巖能力各不相同，對井壁的穩(wěn)定性作用不同。二、非牛頓流體的基本流型按照流體流動時τ與γ的關系，可將流體分為不同的類型（即流型）。除牛頓流型外，根據(jù)所測出的流變曲線形狀不同，又可將非牛頓流體的流型分為：塑性流型、假塑性流型和膨脹流型。

1．塑性流體一般鉆井液屬于塑性流體。（1）流變曲線[圖2—4（3）由曲線看出，當γ=0時，τ≠0。即只有施加的力超過一定值的時候，塑性流體才開始流動。靜切應力（τs）：這種使流體開始流動的最低剪切應力稱為靜切應力（又稱靜切力、切力、凝膠強度）

當剪切應力超過τs時，在初始階段剪切應力與剪切速率并不呈直線關系，表明此時塑性流體還不能均勻地被剪切，粘度隨剪切速率增大而降低（圖中的曲線段）。繼續(xù)增大剪切應力，當其數(shù)值大到一定程度之后，粘度不再隨剪切速率增大而發(fā)生變化，

此時，流變曲線變成了直線。

該直線的斜率稱為塑性粘度（ηP或PV）。延長直線段與剪切應力軸相交于一點τ0。通常將τ0稱為動切應力（動切力或屈服力）也可用YP表示。動切應力反映鉆井液在流動時，粘土顆粒之間及聚合物分子間的相互作用（形成空間網狀結構的能力）。（2）、賓漢模式（又稱賓漢方程）用來描述塑性流體的流變模式

τ=τ0+ηPγ式中τ0——動切力，Pa；

ηP——塑性粘度，Pa·s；2、假塑性流體部分鉆井液、高分子化合物的水溶液以及乳狀液等均屬于假塑性流體。（1）、流變曲線見圖2—4（2）

特點：施加極小的剪切力就能產生流動，不存在靜切應力，它的粘度隨剪切應力的增大而減小。（2）冪律模式（又稱冪律方程）用來描述假塑性流體的流變模式

τ=Kγn（n<1）式中K—稠度系數(shù)，Pa·s2；

n—流性指數(shù)，3．卡森模式卡森模式是一個經驗式，表達式為式中

τ0—卡森動切力（卡森屈服值），Pa；

η∞—極限剪切粘度，Pa·s。將上式的每一項分別除以γ1/2,可得另一表達式在平方根坐標系中，卡森流變曲線是一條直線。其斜率tanα分別為；截距分別為卡森模式的主要特點：①適用于各種類型的鉆井液；②能夠近似地描述鉆井液在高剪切速率下的流變性。三、鉆井液流變性的調整鉆井液流變性的調整主要調整鉆井液的表觀粘度和切力（靜切力和動切力）。在鉆井過程中，鉆井液粘度和切力過大或小都會產生不利的影響。調整鉆井液粘度和切力的方法：①調整鉆井液的固相含量；②使用流變性調整劑。常用的流變性調整劑主要有增粘劑和降粘劑兩類（一）．降粘劑（稀釋劑）（1）單寧（栲膠）類單寧廣泛存在于植物的根、莖、葉、皮、果實和果殼中。從不同植物中提取的單寧具有不同的化學組成，所以，單寧有很多種。四川、廣西、湖南一帶盛產五倍子單寧，云南、陜西河南一帶盛產栲膠。栲膠是用以單寧為主要成分的物料提取制成的濃縮產品。單寧是多元酚的衍生物，屬于弱有機酸。分子中含有酯鍵，在堿溶液中易水解。高溫下水解加劇，降粘能力減弱（100~1200C），單寧堿液僅適用于在淺井或中深井內降粘。在NaOH溶液中生成雙五倍子酸鈉和五倍子酸鈉，統(tǒng)稱為單寧酸鈉或單寧堿液，是鉆井液中的有效成分，代號為NaT。

單寧酸鈉在高濃度的NaCl、CaCl2、Na2SO4等無機鹽溶液中會發(fā)生鹽析或沉淀。所以，單寧酸鈉的抗鹽、抗鈣能力較差。單寧經磺甲基化，可生成磺甲基單寧（SMT）。若再進一步與Na2Cr2O7發(fā)生氧化與螯合反應，可制得磺甲基單寧的鉻螯合物。SMT及其鉻螯合物的熱穩(wěn)定性和降粘性都比NaT強，在鉆井液中加入0.5%~1%就能取得較好的效果。其抗溫可達180~2000C，抗鈣可達1000g/L。但是，抗鹽性較差，當含鹽量超過1%時稀釋效果明顯下降。注意：①單寧類降粘劑主要是通過拆散結構起降粘作用的，對塑性粘度ηp的影響較小。若要降低ηp，應通過固相控制來實現(xiàn)。②單寧酸鈉用量少時起降粘作用，加入量大時也能起降濾失作用。（2）木質素類此類產品中曾使用最多的是鉄鉻木質素磺酸鹽（俗稱鉄鉻鹽，代號：FCLS）缺點：①要求PH值較高，不利于井壁穩(wěn)定；②容易引起鉆井液發(fā)泡，需加入消泡劑③形成的泥餅摩擦系數(shù)較高，需加入潤滑劑；

④含重金屬鉻，對人體健康不利，對環(huán)境有污染，現(xiàn)已很少使用。（3）聚合物類①X-40系列降粘劑①X-A40：是相對分子質量較低（5000左右）的聚丙烯酸鈉

結構式為：作用：加入0.3%時，可抗

0.2%CaSO4和1%NaCl，抗溫達

1500C。②X-B40：是丙烯酸鈉和丙烯磺酸鈉的共聚物。結構式為：.作用：抗溫、抗鹽、抗鈣能力均優(yōu)于

X-A40。但成本也高于X-A40。（2）兩性離子聚合物降粘劑（XY-27）XY-27是由乙烯單體多元共聚而成的，在其分子鏈中含有陽離子基團、陰離子基團、非離子基團。主要特點：①降粘的同時還具有抑制泥頁巖水化的作用；②用量少（0.1%~0.3%）③適用范圍廣；④與其它類型處理劑能相互兼容。降粘機理：①分子鏈中的陽離子基團，能與粘土發(fā)生離子型吸附；②低相對分子質量的線性聚合物比高分子聚合物能更快、更牢固地吸附在粘土顆粒上；③本身特殊的結構使它與高聚物分子之間的交聯(lián)或絡合機會增加。因此，XY-27比陰離子聚合物降粘劑有更好的降粘效果。抑制泥頁巖水化作用機理：①分子鏈中的陽離子基團吸附在粘土表面之后，中和了粘土表面的部分負電荷，削弱了粘土的水化作用；②本身特殊的結構使聚合物鏈之間更容易發(fā)生締合，而更好地對粘土顆粒進行包被。

③分子中大量水化基團所形成的水化膜，能阻止自由水分子與粘土表面的接觸。（3）磺化苯乙烯—馬來酸酐共聚物（SSMA）SSMA是由苯乙烯、馬來酸酐、磺化試劑、溶劑（甲苯）、引發(fā)劑和鏈轉移劑（硫醇）通過共聚、磺化和水解后制得的。相對分子質量為1000~5000的SSMA在鉆井液中，抗溫可達2000C以上，可在高溫深井中使用。但成本較高。除以上三種類型外，還有磷酸鹽類降粘劑，腐植酸類處理劑也可用作降粘劑。（二）．增粘劑增粘劑均為高分子聚合物。除了起增粘作用外，往往還起頁巖抑制劑（包被劑）、降濾失劑及流型改進劑的作用。因此，使用增粘劑常常有利于改善鉆井液的流變性和井壁穩(wěn)定。常用的增粘劑主要有：1、XC生物聚合物（又稱黃原膠）黃原膠是由黃原菌類與碳水化合物作用生成的高分子鏈狀多糖聚合物。相對分子質量高達5×106。特性及其作用：①易溶于水，加入很少量（0.2%~0.3%）就可產生較高的粘度；②具有良好的剪切稀釋性，能有效地改進流型，使鉆井液在高剪切切速率下的極限粘度保持很低，有利于提高機械鉆速；③使鉆井液在環(huán)形空間的低剪切切速率下又具有較高的粘度，有利于形成平板型層流，提高鉆井液