1、 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目：高密度鉆井液技術(shù)難度分析及對策學(xué)生姓名肖青波學(xué)號教學(xué)院系石油工程學(xué)院專業(yè)年級石油工程06級指導(dǎo)教師蘇俊霖職稱講師單位西南石油大學(xué)2010年6月5日摘 要近年來，隨著石油資源的不斷勘探和開發(fā)，鉆遇高壓地層的情況越來越多。為了平衡地層壓力滿足鉆探高壓地層的要求，迫切需要研究出性能優(yōu)良的高密度鉆井液。然而高密度鉆井液由于高密度的原因，需要額外的加重劑，這樣就給鉆井液的流變性帶來了很多的困難。鑒于此，找出高密度鉆井液流變性的調(diào)控機(jī)理，從根本上解決高密度鉆井液技術(shù)難點(diǎn)就尤為重要。本論文在參考了國內(nèi)外大量關(guān)于高密度鉆井液的研究基礎(chǔ)上，整理出高密度鉆井液的流變性機(jī)理和影響因素。從

2、中得出高密度鉆井液的技術(shù)難點(diǎn)是流變性的控制，而影響流變性最主要的因素就是加重劑。最終從主要影響因素出發(fā)探討出合理控制高密度鉆井液流變性的方法，如優(yōu)選加重材料組合、可溶性甲酸鹽技術(shù)等。關(guān)鍵字：高密度鉆井液、流變性、難點(diǎn)、加重劑、降濾失劑。AbstractIn recent years, with the continuous exploration and development of oil, more and more high pressure formations are encountered. In order to balance the formation pressure, t

3、here is an urgent need to come up with a kind of excellent high-density drilling fluid. However, due to high density, high-density drilling fluid need for weight additive, which has brought a difficulty to rheological property of drilling fluid. In view of this, if the mechanism of rheological prope

4、rty of high-density drilling is found out, the difficulty in high-density drilling fluid can be solved.The paper in reference to a deal of domestic and international research on high-density drilling fluid finds out the mechanism of rheological property of high-density drilling fluid and factors. Th

5、e difficulty of high-density drilling fluid is how to control the rheological property, and the main influence of rheological property cased by weight additive. So at last the paper put forward some feasible measures to control the rheological property of high-density drilling fluid, such as choosin

6、g high quality weight additive, technique of methanoic acid.Keywords： high-density drilling fluid、rheological property、difficulty、weight additive、filtration control agent.目 錄摘 要I目 錄III第一章 緒論11.1選題意義11.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀11.2.1國內(nèi)現(xiàn)狀21.2.2國外現(xiàn)狀51.2.3小結(jié)現(xiàn)階段的問題61.3研究內(nèi)容81.4研究思路81.4.1方法81.4.2技術(shù)路線8第二章 高密度鉆井液流變性機(jī)理研究102.1

7、高密度鉆井液作用機(jī)理102.2流變性調(diào)控機(jī)理122.2.1膨潤土含量122.2.2溫度132.2.3 PH值132.2.4加重劑142.2.5處理劑162.2.6其它162.3游離水與鉆井液流變性關(guān)系162.4高溫與鉆井液流變性關(guān)系212.5高密度鉆井液流變性調(diào)控方法與趨勢222.5.1解決方法222.5.2高密度鉆井液發(fā)展趨勢24第三章 高密度鉆井液濾失性機(jī)理研究253.1高密度鉆井液濾失性機(jī)理263.2高密度鉆井液濾失性調(diào)控機(jī)理273.2.1靜濾失方程273.2.2濾失時(shí)間對濾失量的影響283.2.3壓差對濾失量的影響293.2.4濾液的粘度、溫度最濾失量的影響303.2.5固相含量和類型

8、對濾失量的影響303.3高密度鉆井液濾失性小結(jié)31第四章 高密度鉆井液難度對策探討334.1加重劑探討334.1.1重晶石的活化344.1.2可溶性加重劑的應(yīng)用354.1.3不同加重劑的配比354.2處理劑探討364.3新型鉆井液體系的應(yīng)用374.3.1有機(jī)鹽鉆井液384.3.2甲酸鹽鉆井液394.4本章小結(jié)404.5結(jié)束語41結(jié)論42致 謝43參考文獻(xiàn)44第一章 緒論1.1選題意義隨著石油資源的不斷勘探和開發(fā)，淺層簡單地質(zhì)條件的油氣資源不斷的被開采出來，剩下的將是開采難度更大的深層資源。同時(shí)世界范圍油氣資源的消耗速度也呈現(xiàn)出飆升的現(xiàn)象。在這樣的條件下，向深層鉆探就成為了一個(gè)必然的趨勢。隨著鉆

9、井深度的不斷增加,地層壓力不斷升高,這就對鉆井液提出了更高的要求,以往密度在1.21.6g/cm3的普通加重鉆井液已難以滿足要求，密度在1.62.3g/cm3的高密度鉆井液正逐漸得到廣泛的應(yīng)用，然而高密度鉆井液由于高密度的原因也帶來了很多鉆井技術(shù)難點(diǎn)，特別是高密度鉆井液流變性能控制與濾失性控制等。這些問題到目前為止一直困擾著我國乃至全世界。高密度鉆井液隨加重材料的加入其表觀粘度、塑性粘度呈現(xiàn)不規(guī)律的平臺變化。加重材料對高密度鉆井液性能有較大影響,加重劑密度決定高密度鉆井液固相的體積分?jǐn)?shù),從而影響其流變性;加重劑粒度影響高密度鉆井液的液相粘度和沉降穩(wěn)定性;加重材料表面改性及活化,改善了加重材料動

10、力穩(wěn)定性和高密度鉆井液流變性能,鉆井液的低剪切粘度是區(qū)分鉆井液有無沉降現(xiàn)象的一個(gè)重要參數(shù)。高溫、高壓、高鹽及多壓力系統(tǒng)環(huán)境,高密度鉆井液中40%60%固相含量導(dǎo)致高密度鉆井液粘度、切力過高變稠,同時(shí)產(chǎn)生加重劑沉降問題。高壓深井施工中經(jīng)常因鉆井液流動困難、循環(huán)阻力大、激動壓力高而發(fā)生井漏、鉆井液失穩(wěn)、固化、高溫膠凝等復(fù)雜情況。采用稀釋劑減稠進(jìn)一步惡化加重劑沉降,采用結(jié)構(gòu)穩(wěn)定劑提高切力,以懸浮加重劑會導(dǎo)致流變性變差。經(jīng)常陷入“加重- 增稠- 降粘- 加重劑沉降- 密度下降- 再次加重”的惡性循環(huán),高密度鉆井液流變性與沉降穩(wěn)定性控制已成為深井鉆井的關(guān)鍵技術(shù)。面對高密度鉆井液比常規(guī)鉆井液更多的技術(shù)難點(diǎn)

11、，我們就要從根本上了解高密度鉆井液作用機(jī)理、高密度鉆井液加重材料對鉆井液性能的影響、膨潤土對鉆井液性能的影響等，從而才能從根本上找到應(yīng)對高密度鉆井液技術(shù)難點(diǎn)的對策，為在更多地層條件下運(yùn)用提供理論的支持。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀隨著鉆井深度增加,鉆遇的復(fù)雜地層不斷增多,對鉆井液密度的要求范圍越來越大,而對于不同鉆井液,其組成、性能、使用工藝和維護(hù)方式等存在很大差異。 所以在我們研究本論文的高密度鉆井液之前，我們需要給高密度鉆井液一個(gè)定義以便能明確研究的對象。根據(jù)密度對鉆井液體系分類,可以有利于鉆井液體系的選擇與使用。根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)結(jié)果,對于現(xiàn)在所用的鉆井液可以按密度分為以下幾類:低密度鉆井液,

12、密度小于1.0g/cm3；普通鉆井液,密度1.01.2g/cm3；普通加重鉆井液,密度1.21.6g/cm3；高密度鉆井液,密度1.62.3g/cm3；超高密度鉆井液,密度2.33.0g/cm3 ；特高密度鉆井液，密度大于3.0g/cm3。通常,在鉆井過程中如果單純地利用表層土層造漿,鉆井液密度也可能達(dá)到1.2g/cm3 ,其粘度不大,體系性能也比較容易維護(hù),技術(shù)也很成熟,所以把這種鉆井液稱之為普通鉆井液。當(dāng)需要繼續(xù)增加密度時(shí),加入各種各樣的加重劑,體系密度增加,粘度也會增加,一直到1.6g/cm3左右時(shí)出現(xiàn)平臺。從國內(nèi)外鉆井液使用的經(jīng)驗(yàn)來看,這個(gè)密度的鉆井液體系技術(shù)也比較成熟,普遍采用重晶石

13、加重,因此稱之為普通加重鉆井液。繼續(xù)增加密度時(shí),粘度出現(xiàn)平臺,越過平臺期后粘度又持續(xù)增加,一直到2.3g/cm3。這段密度范圍的鉆井液體系技術(shù)要求較高,粘度比較大,容易出現(xiàn)問題。而這個(gè)密度的鉆井液往往用于深井鉆井,所以稱之為高密度鉆井液。本論文主要研究的就是密度介于1.62.3g/cm3的高密度鉆井液。1.2.1國內(nèi)現(xiàn)狀隨著近年來對深部地層和復(fù)雜地層的勘探開發(fā)，我國高密度水基鉆井液技術(shù)也得到了長足的進(jìn)步，形成了自己的理論：1）降低配漿土量，減少鉆井液中低密度固相含量，提高高密度水基鉆井液流變性的可控性；2）釋放自由水，增強(qiáng)高密度欠飽和有機(jī)鹽鉆井液流動性；3）使用甲酸鹽（如KCOOH、CsCOO

14、H等）、有機(jī)鹽等提高液相粘度，降低加重材料用量，降低粘度效應(yīng)；4）對加重劑進(jìn)行活化，降低加重材料對高密度欠飽和有機(jī)鹽鉆井液產(chǎn)生的粘度效應(yīng)。伴隨著這些新理論誕生了一系列的新型處理劑，最突出的就是活化加重材料、甲酸鹽及有機(jī)鹽。活化重晶石、活化鐵礦粉已經(jīng)在現(xiàn)場上得到肯定并廣泛應(yīng)用，甲酸鹽由于成本高而沒有普及使用，為此有機(jī)鹽無論在性能要求的應(yīng)用還是自身成本上都有著極大推廣價(jià)值和應(yīng)用前景。國內(nèi)在高密度水基鉆井液體系使用上普遍使用聚磺體系和磺化體系，這兩種體系已經(jīng)有了很長的使用歷史，也積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，取得了較好的使用效果。全國范圍內(nèi)對高密度欠飽和有機(jī)鹽鉆井液體系的探索也在進(jìn)行著。如川東地區(qū)開展了包括兩性

15、離子及陰離子高密度聚合物鉆井液工藝研究，抗溫（150內(nèi)）抗鹽性降失水劑、降粘劑、抑制包被劑（如CT3-4，CT3-10，CPF，CUD，LS-2，PPL等）配套處理劑研究，基本滿足了聚合物鉆井液鉆深井的需要。通過對高密度聚合物鉆井液組分及流變參數(shù)的優(yōu)選，實(shí)現(xiàn)了“四個(gè)提高”、“兩個(gè)突破”和“一個(gè)增強(qiáng)”?！八膫€(gè)提高”即聚合物鉆井液使用井深從“七五”的3000m左右提高到“八五” 的5000m以上，最深達(dá)5336m（川東梁8井）；鉆井液使用密度從1.30g/cm3提高到2.302.40g/cm3；聚合物鉆井液抗溫性從120提高到150；機(jī)械鉆速明顯提高，實(shí)現(xiàn)了全井使用聚合物鉆井液鉆井，平均機(jī)械鉆速提

16、高了830，使用高密度聚合物鉆井液在深井段的機(jī)械鉆速提高了520。“兩個(gè)突破”即突破深井高溫高壓層段機(jī)械鉆速1m/h大關(guān)和聚合物鉆井液不能在高礦化度條件下使用關(guān)。川東梁8井，全井使用聚合物鉆井液，最高密度達(dá)1.75g/cm3，當(dāng)Cl-達(dá)mg/l，Ca2+達(dá)1300mg/l時(shí)，鉆井液依然保持良好性能。“一個(gè)增強(qiáng)”即聚合物鉆井液抑制性增強(qiáng)。統(tǒng)計(jì)表明：井徑擴(kuò)大率由25%30%下降到18%10%以內(nèi)，而兩性離子聚合物鉆井液其井徑擴(kuò)大率比其它聚合物鉆井液還低5%20，抑制性強(qiáng)的鉀鈣瀝青質(zhì)聚合物鉆井液，在茍西1、天東3、大天3和梁8井的現(xiàn)場應(yīng)用中，取得了增強(qiáng)井壁穩(wěn)定性的良好效果，平均機(jī)械鉆速提高了18%。

17、川東地區(qū)高密度磺化水基鉆井液已取得的成果為：1）密度可調(diào)性好，用重晶石粉配成2.52g/cm3的高密度磺化水基鉆井液壓井，密度2.48g/cm3的鉆井液正常鉆進(jìn)，能滿足各種情況下的井控需要；2）濾失造壁性好，高密度欠飽和有機(jī)鹽鉆井液高溫高壓濾失量、高溫高壓濾餅、濾餅?zāi)ψ柘禂?shù)三大指標(biāo)易優(yōu)控，防粘卡效果好，成功地鉆成了一批定向井，待別是近三年來實(shí)現(xiàn)了鉆進(jìn)進(jìn)尺32萬米無粘卡事故的紀(jì)錄；3）鉆井液高溫穩(wěn)定性好，能抗200左右，鉆成了川東地區(qū)最深（井深6016m）的座3井、井深5739m的轎1井等一批井深超過5000m的復(fù)雜深井；4）抗膏鹽污染能力強(qiáng)，用配制的飽和鹽水磺化鉆井液對鹽層取心，收獲率為100

18、；5）造壁性好，深部樂一和陽一易塌層有良好的封堵效果，減緩了井塌程度。此外，基本消除了深井鉆井液稠化現(xiàn)象。川東地區(qū)高密度欠飽和有機(jī)鹽鉆井液存在的技術(shù)問題表現(xiàn)為：1）流變性能未實(shí)現(xiàn)優(yōu)控，體系屈服值及靜切力偏高，普遍呈強(qiáng)凝膠狀態(tài)；2）鉆井液中處理劑種類多，用量大。這是因?yàn)榇算@井液屬分散體系，調(diào)整被高含量鉆屑污染過的鉆井液性能，需耗用大量的處理劑；另一方面，磺化體系不可避免地使用大量的FCLS、SMK及NaOH等強(qiáng)分散劑（平均單井耗FCLS、SMK約815t），從而導(dǎo)致鉆井液中細(xì)顆粒固相增多。此外，高溫產(chǎn)生酸性氣體，這都將嚴(yán)重污染鉆井液。大量的研究文獻(xiàn)也表明，F(xiàn)CLS對膨潤土和含伊利石、伊蒙混層的粘

19、土礦物的地層具有強(qiáng)烈的分散作用，F(xiàn)CLS的少量加入就會使膨潤土漿的細(xì)顆粒增加一倍左右，而這些大量的細(xì)顆粒又無法被固控設(shè)備清除，只能殘留在鉆井液中危害其性能。同時(shí)，此類強(qiáng)分散劑對非膨脹性泥頁巖有明顯的水化分散作用，高溫下這種作用更強(qiáng)烈；3）未能很好地解決井壁穩(wěn)定問題。這是因?yàn)轶w系缺乏強(qiáng)抑制性，而且體系中用的大量強(qiáng)分散劑對深部樂一和陽一鋁土質(zhì)泥頁巖有強(qiáng)分散作用；4）不利于深井噴射鉆井且鉆速受限。分散型高密度欠飽和有機(jī)鹽鉆井液中細(xì)微粒子含量高使鉆速受限，導(dǎo)致塑性粘度、屈服值及靜切力過高，使鉆井液在井底形成塑性墊層從而影響鉆頭齒破巖。研究了川東地區(qū)典型的聚磺高密度欠飽和有機(jī)鹽鉆井液體系在井深3200m

20、時(shí)的粒度分布，結(jié)果表明，小于38.5m的固相顆粒占總固相含量的95.5，而目前配套的三級鉆井液固控設(shè)備對于分離小于50 m的固相顆粒的能力很差。過高的漏斗粘度、屈服值及靜切力必然導(dǎo)致過高的壓差。計(jì)算表明，密度為1.802.00g/cm3的鉆井液在215mm井眼、井深3000m、通常鉆井參數(shù)：YP為1035Pa、PV為850mPas的井中環(huán)空壓耗0.964.3Pa。而要達(dá)到同樣的水力分配需增加35MPa的泵壓。即PV、YP越低，環(huán)空壓耗、循環(huán)壓耗和有效當(dāng)量密度越低、鉆頭噴嘴壓降、沖擊力、噴射速度就越高，越有利于鉆頭破巖。因此，塑性粘度PV和動切力YP的降低有利于鉆速的提高，國外已將YP的最低值限

21、定在1.53Pa，最高限定在10Pa。靜切力是決定小井眼深井段內(nèi)波動壓力最明顯的流動參數(shù)，應(yīng)嚴(yán)格控制高密度欠飽和有機(jī)鹽鉆井液的弱凝膠特性，只要高密度欠飽和有機(jī)鹽鉆井液的10s靜切力大于0.5Pa即能懸浮重晶石。美國麥克巴鉆井液公司已實(shí)現(xiàn)密度2.102.23g/cm3的鉆井液10s靜切力0.52Pa，10min靜切力為27Pa。綜上所述，要解決好上述四個(gè)方面的問題，特別是高密度欠飽和有機(jī)鹽鉆井液條件下提高機(jī)械鉆速的問題，要在保持磺化高密度欠飽和有機(jī)鹽鉆井液已有成果的基礎(chǔ)上，還必須具有強(qiáng)抑制性。聚合物不分散鉆井液充分顯示了其包被絮凝、防塌和剪切稀釋性能好的特性。因此，聚合物高密度欠飽和有機(jī)鹽鉆井液

22、是深井鉆井液類型的發(fā)展方向。到目前為止，在國內(nèi)文獻(xiàn)上高密度欠飽和有機(jī)鹽鉆井液體系密度使用最高的是位于四川盆地赤水凹陷官渡構(gòu)造的官3井，其使用的鉆井液密度超過3.00g/cm3，使用過程中選用了活化重晶石粉配成的聚合物鉆井液體系，取得了較好的現(xiàn)場效果：1）鉆井液流變性良好；2）鉆井液沉降穩(wěn)定性良好；3）鉆井液的潤滑性能良好；4）鉆井液的鉆屑容限高；5）鉆井液維護(hù)處理工藝簡單，易于掌握。11.2.2國外現(xiàn)狀目前國外鉆高壓、不穩(wěn)定地層主要采用密度為2.0g/cm3 以上的鉆井液及其它配套的工藝技術(shù)。國外所用的鉆井液基本為聚合物或油基鉆井液體系,體系中的相關(guān)處理劑均具有抑制鹽膏污染、抗泥巖膨脹的作用。

23、為了保護(hù)油氣層,目前已開始向無固相鉆井液體系發(fā)展, 所使用的加重劑為溴鹽, 密度可達(dá)到2.3g/cm3以上,但成本較高。其間,國外鉆井液工作者不斷實(shí)踐,提出了一些針對于高密度鉆井液的理論：1）Chiligcrian G V 等認(rèn)為,重晶石的加重極限可以達(dá)到2. 64g/cm3 ,超過此極限,鉆井液的流變性與沉降穩(wěn)定性之間的矛盾將不可調(diào)和,出現(xiàn)顧此失彼的困難。2） Cafe 和Rebb 等人認(rèn)為,在堿性環(huán)境中,重晶石表面帶微弱負(fù)電。另一方面,在堿性環(huán)境中重晶石粉表面離子處于不平衡狀態(tài),可吸附其他物質(zhì)。根據(jù)法揚(yáng)斯法規(guī)則,處于堿性環(huán)境中帶負(fù)電的重晶石表面能吸附高價(jià)的陽離子,如Fe、Al 和Ti。這些

24、被吸附的金屬離子的原子具有空軌道,可接受配位體,具有絡(luò)合能力,可與- OH ,- COOH 等給電子基團(tuán)產(chǎn)生絡(luò)合吸附。這樣,重晶石的表面弱負(fù)電性會因吸附高價(jià)離子而有所加強(qiáng),重晶石在鉆井液中的靜電斥力增大. 有利于鉆井液沉降穩(wěn)定性的改善,也利于彌補(bǔ)因重晶石顆粒變粗給鉆井液沉降穩(wěn)定性帶來的負(fù)面影響。3） 高密度鉆井液中,重晶石參與了鉆井液內(nèi)部結(jié)構(gòu)的形成。高密度水基鉆井液可能就會表現(xiàn)出與其他類型的鉆井液不同的流變性。4） 高溫下,粘土和堿之間得反應(yīng)降低了鉆井液的穩(wěn)定性。因此要嚴(yán)格控制堿金屬的加量。5） 有機(jī)鹽提高鉆井液液相粘度,從而減少了常規(guī)惰性加重材料（如重晶石、鐵礦粉等） 的加量即減小了低固相含

25、量,達(dá)到了減少了低固相對鉆井液粘度的影響的目的。據(jù)國外報(bào)道,使用甲酸鈉、甲酸鉀可以使鹽水溶液加重到1.6g/ cm3,而使用甲酸銫加重,液相密度可以達(dá)2.3g/cm3。在新理論出現(xiàn)的同時(shí),也產(chǎn)生了以這些理論為依據(jù)的新型體系,出現(xiàn)了一系列的高密度鉆井液體系。伴隨著新的體系,同時(shí)也出現(xiàn)了一些新型處理劑：1）甲酸鹽- 可溶性加重劑（降低鉆井液固相含量） ：使用于高密度水基鉆井液,提高液相基漿密度,減少加重劑的加量,減小固相含量對鉆井液粘度的影響,減小了改善鉆井液流變性的難度。2）超低滲透處理劑：在破碎性地層使用超低滲透處理劑,提高巖層承壓能力。3）低分子量陽離子聚合物（二甲胺對環(huán)氧氯丙烷） ：陽離子

26、聚合物能吸附到井壁上帶負(fù)電的粘土表面和巖屑上,從而抑制頁巖的分散。4）超細(xì)碳酸鈣：鉆小井眼井連續(xù)取心時(shí),使用特細(xì)碳酸鈣,把固相顆粒在井壁上的沉淀減少到最低限度,從而解決了因鉆桿高速旋轉(zhuǎn)而導(dǎo)致粗顆粒加重劑在離心力的作用下被甩到鉆桿壁上形成“橋塞”,最終給繩索回收巖心帶來困難。5）聚乙二醇：被廣泛用于控制出問題的頁巖層。在鉆井液工程中有很多優(yōu)良特性,如控制流變性、流體濾失,較低稀釋率和整體性能容易維護(hù)。6）Therma Via （超高溫鉆井液材料） ：增粘劑,亦有潤滑性;無機(jī)合成聚合物,耐熱溫度約370 ,抗溫能力強(qiáng),使用于井下超高溫鉆井使用。這些處理劑的出現(xiàn),解決了現(xiàn)場上的一些技術(shù)上的難題或提高

27、了鉆井液的性能指標(biāo)。但高密度鉆井液技術(shù)仍然有許多地方需要提高,仍有許多難題沒有解決。如流變性問題,常常一種體系在某口井使用時(shí)表現(xiàn)出了良好的流變性能,但換給地方就失去了其良好的流變性性能,主要?dú)w結(jié)于體系還不很成熟;鉆井液體系不簡化,高密度水基鉆井液由于常常是上層鉆井液轉(zhuǎn)化而來,鉆井液中處理劑種類繁多,相互之間影響,降低了處理劑的效用,成為井下復(fù)雜事故的隱患。11.2.3小結(jié)現(xiàn)階段的問題高密度鉆井液在經(jīng)過幾十年的發(fā)展歷程以后，在很多特殊井的鉆探過程中取得了一定的成果，比較好的滿足了鉆井的需要。但是在應(yīng)用中同樣發(fā)現(xiàn)了很多實(shí)際的技術(shù)難題，這些難題嚴(yán)重制約著高密度鉆井液的進(jìn)一步發(fā)展。根據(jù)國內(nèi)外現(xiàn)階段高密

28、度鉆井液應(yīng)用的現(xiàn)狀，和高密度鉆井液在各個(gè)油田的實(shí)際應(yīng)用實(shí)例，以下總結(jié)出高密度鉆井液現(xiàn)階段的應(yīng)用難點(diǎn)。1）鉆井液流動性問題變得比較突出,在謹(jǐn)慎而合理的維護(hù)操作下,可以保證體系具有較好的流動能力,但這種工作狀態(tài)易受多種因素的影響而變壞,包括維護(hù)方案的合理性、助劑配伍的合理性、各種污染(如酸性氣體、高礦化度地層水、固相等) 對體系的破壞等均會造成其穩(wěn)定性下降,粘度非正常升高。2) 高密度條件下(特別是密度高于2. 20g/cm3 )井眼環(huán)空水力環(huán)境漸趨惡化,由于體系的固相含量和液柱壓力很高,導(dǎo)致固相粒子在井壁的沉積機(jī)會增大,要求液流具有一定的沖刷能力以抵消這種沉積效應(yīng),但由于高密度體系的循環(huán)慣性大,

29、排量難以提高,操作難度很大。3) 高密度體系較難選擇合理的稀釋劑。通常情況下,稀釋劑的稀釋效果會隨著鉆井液體系固相含量的升高而降低,由于高密度體系固相體積分?jǐn)?shù)一般均高于30 % ,常規(guī)稀釋劑可能根本無效,必須使用專門的高效稀釋劑。4) 對潤滑劑性能要求很高,助劑市場上絕大多數(shù)潤滑劑無法滿足高密度體系要求。在高密度條件下,為了降低流動阻力,通常需要向體系中添加一定數(shù)量的潤滑材料,這固然能夠減小固相之間的摩擦效應(yīng),但同時(shí)也增加了相界面阻力(相界面由原來的水固兩相增加為水固油三相) ,如果潤滑劑使用不當(dāng),不但無法改善流動性,而且會由于相界面阻力的增大使體系流動性急劇變差。因此選擇適合于高密度體系的理

30、想潤滑材料并不是想象的那樣容易,必須要在周密考慮各種相關(guān)影響因素的情況下進(jìn)行細(xì)致的評價(jià)優(yōu)選,即便是確定了潤滑劑種類,投入現(xiàn)場使用后也須時(shí)刻謹(jǐn)慎,因?yàn)楦呙芏润w系中許多不明原因的流動性變差現(xiàn)象有不少是由于潤滑劑的使用不當(dāng)引起。5) 高密度條件下固控設(shè)備的使用受到了很大的限制。在高密度情況下,為了盡可能減少加重劑的損失,保持體系密度穩(wěn)定,現(xiàn)場通常的做法是停止離心機(jī),只使用振動篩和除砂器,而相當(dāng)一部分情況則是振動篩以下的各級固控設(shè)備完全停止,這樣雖然可以保證加重劑的損耗降至最低,但同時(shí)進(jìn)入體系中的那些較細(xì)的鉆屑也無法得到有效清除。盡管從理論上講如果現(xiàn)場配備1 臺可變速的中速離心機(jī)(20004000 r

31、/ min) 和1 臺高速離心機(jī)(大于6000r/ min) 即可具備加重劑回收能力,但實(shí)際操作起來尚有許多問題需要解決。姑且不論現(xiàn)場循環(huán)系統(tǒng)的配置是否適合于進(jìn)行這種作業(yè),單是離心機(jī)系統(tǒng)在使用過程中所需要配合進(jìn)行的固相組分分析和相關(guān)的技術(shù)評價(jià)數(shù)據(jù),以目前的現(xiàn)場管理方式和人員素質(zhì)就無法滿足要求。6) 高密度體系理想固容量的確定比較困難。高密度鉆井液體系隨著密度的增加，其中的固相含量也隨之成正比例增加。而且隨著鉆井液的循環(huán)，鉆井液中細(xì)小的鉆屑混入鉆井液中，由于現(xiàn)在的鉆井液固相設(shè)備對高密度鉆井液加重材料的清除效率比較低，那么就伴隨鉆屑的不完全清除。這樣就會導(dǎo)致固相含量在一個(gè)較高的水平，這種情況所帶來

32、的最直接威脅顯然是鉆井液流動性變差,并且無法以比較合理的成本進(jìn)行稀釋或置換。然而確定高密度條件下固相含量隨密度的合理變化是一件比較困難的事,必須要綜合考慮加重劑種類、固控設(shè)備使用情況、離心機(jī)使用的經(jīng)濟(jì)性評價(jià)以及現(xiàn)場維護(hù)處理水平等各種因素,難以進(jìn)行簡單的量化。在高密度鉆井液的這些技術(shù)難點(diǎn)中，鉆井液流變性控制、濾失性控制、固相含量確定等是比較突出的問題，也是現(xiàn)階段急切需要解決的問題。這些問題的解決將使高密度鉆井液技術(shù)的應(yīng)用提高到一個(gè)新的層次。21.3研究內(nèi)容論文從研究高密度鉆井液各種機(jī)理出發(fā)，探討高密度鉆井液在鉆井過程中可能遇到的問題和難點(diǎn)，探討合理解決問題的辦法。主要研究內(nèi)容如下：1) 高密度鉆

33、井液流變性作用機(jī)理2) 高密度鉆井液濾失性作用機(jī)理3) 高密度鉆井液加重材料的選擇4) 高密度鉆井液膨潤土含量的確定5) 鉆井液高溫高壓條件下的穩(wěn)定性6) 高密度鉆井液濾失量的控制7) 高密度鉆井液流變性的條款1.4研究思路1.4.1方法通過研究國內(nèi)外有關(guān)高密度鉆井液文獻(xiàn)、高密度鉆井液在各油田的實(shí)際應(yīng)用、高密度鉆井液應(yīng)用中遇到的問題，分析高密度鉆井液作用機(jī)理，發(fā)現(xiàn)高密度鉆井液應(yīng)用中的難點(diǎn)和適用地質(zhì)條件，輔助以實(shí)驗(yàn)和理論基礎(chǔ)，得出可行的解決高密度鉆井液技術(shù)難點(diǎn)的處理措施。1.4.2技術(shù)路線由于高密度鉆井液體系的主要矛盾在于體系固相含量太高，加上低密度固相粒子分散性太強(qiáng)，勢必導(dǎo)致體系鉆屑容量很低，

34、一旦遇到外來物的侵污，固相粒子極易形成絮凝結(jié)構(gòu)，造成體系粘切增高，被迫沖放鉆井液以降低粘切。因此，這種體系中低密度固相的含量和分散持性是應(yīng)該控制的關(guān)鍵因素。分析表明，可以從幾方面著手增強(qiáng)高密度水基鉆井液體系流變性的穩(wěn)定性：增強(qiáng)并持續(xù)保持體系的抑制性，降低鉆井液內(nèi)部和外來固相顆粒的分散性降低s；大幅度降低鉆井液中的低密度膨潤土含量降低G和；大幅度降低鉆井液中的總固相含量降低s和G。以上幾種方法的結(jié)合降低G和s。技術(shù)思路如下圖1-1膨潤土加重劑游離水溫度處理劑加重劑的探討降濾失劑探討潤滑劑探討其他方面調(diào)研文獻(xiàn)及應(yīng)用實(shí)例分析作用機(jī)理流變性濾失性調(diào)控機(jī)理技術(shù)難點(diǎn)對策探討流變性能的作用機(jī)理潤滑性能作用機(jī)

35、理濾失造壁性作用機(jī)理圖1-1 技術(shù)思路第二章 高密度鉆井液流變性機(jī)理研究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，其中流動性是主要的方面。該特性通常是用鉆井液的流變曲線和塑性粘度、動切力、表觀粘度等流變參數(shù)來進(jìn)行描述的。鉆井液流變性是鉆井液的一項(xiàng)基本性能，它在解決下列問題時(shí)起著十分重要的作用：（1）攜帶巖屑，保證井底和井眼清潔；（2）懸浮巖屑和重晶石；（3）提高機(jī)械鉆速；（4）保證井眼規(guī)則和保證井下安全。此外鉆井液的某些流變參數(shù)還直接用于鉆井環(huán)空水力學(xué)的有關(guān)計(jì)算。2.1高密度鉆井液作用機(jī)理 在深井鉆井中，高密度(2.08g/cm3)水基鉆井液流變性的穩(wěn)定性一直是鉆井液技術(shù)中重點(diǎn)

36、攻關(guān)的難題之一。它包含了兩層意思：一是難以優(yōu)化配制成具有良好流變性能的高密度水基鉆井液體系；二是難以維持鉆進(jìn)過程中高密度水基鉆井液流變性能的穩(wěn)定。實(shí)踐表明，維護(hù)一種高密度水基鉆井液流變性能的穩(wěn)定比配成這種鉆井液體系更加困難。由于室內(nèi)配制的影響因素與現(xiàn)場維護(hù)的影響和控制因素不完全相同，因此，分析研究各種因素對高密度水基鉆井液流變性穩(wěn)定性的影響，找出影響規(guī)律，對于深井鉆井特別是提高深井鉆井成功率具有十分重要的意義。 (1)高密度水基鉆井液及其性能特點(diǎn)： 眾所周知，高密度水基鉆井液體系屬于較稠的膠體懸浮體系，本身具有固相含量大、固相顆粒的分散程度高、鉆井液體系中自由水量少、鉆屑的侵入、積累不易清除四

37、方面特點(diǎn)。反映其膠體懸浮體流變性特征的總粘度可用Einstein經(jīng)典懸浮液粘度公式和Hiemenz溶劑化理論公式聯(lián)合表示出來。 對于稀溶液和稠溶液，Einstein粘度公式可分別寫作：x=0（1+k） (2-1)c=0(1+k1+k22+knn) (2-2)設(shè)懸浮分散體系中同相顆粒為球形粒子，引入Hiemenz溶劑化理論后，以上兩式變?yōu)椋簩τ谙∪芤簒=0(1+k1+khS) (2-3)對于稠溶液c=0(1+k1（1+Hs）+k2（1+hS）2+kn（1+hS）nn) (2-4) 以上公式中，x為稀溶液粘度；c為稠溶液粘度；0為純?nèi)芤赫扯?；k、k1、k2均為常數(shù)；為固相百分?jǐn)?shù)；S為固相比表面；h

38、為顆粒溶劑化膜厚度。由(2-3)、(2-4)公式知，無論稀溶液或稠溶液，懸浮分散體系的粘度由三大部分組成：純?nèi)芤赫扯?、總固相帶來的粘度、固相粒子分散帶來的粘度。如果令賓漢流變模型中的塑性粘度等于(2-3)、(2-4)二式的粘度，則鉆井液懸浮體系的總粘度可以寫作：低固相=x|G=0（1+k1+khS）+G (2-5)高固相時(shí)，取懸浮體系粘度公式的前三項(xiàng)：=x+G=01+k1（1+hS）+ k2（1+hS）22+G (2-6)這樣，就比較清楚地表示出鉆井液體系粘度的膠體化學(xué)性質(zhì)，它是由鉆開液體系液相粘度、總固相產(chǎn)生的粘度、固相粒子分散帶來的粘度及固相粒子間相互作用產(chǎn)生的粘度四部分構(gòu)成。顯然，各部分

39、粘度參數(shù)在不同程度上對總粘度值產(chǎn)生影響，但是，后面三項(xiàng)對粘度的影響程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于液相粘度部分。根據(jù)該公式還可以看到，隨著鉆井液體系固相的變化，影響其粘度的因素有所不同。1) 對于有低密度粘土固相和高密度加重材料的鉆井液完井液，粘度主要由液相粘度、低密度活性粘土相產(chǎn)生的粘度和高密度加重材料產(chǎn)生的粘度三部分構(gòu)成。2) 對于無固相鉆井液完井液，粘度主要由液相粘度構(gòu)成。3) 對于無粘土加重鉆井液完井液，粘度主要由液相粘度和非結(jié)構(gòu)加重材料固相粘度構(gòu)成，其中，加重材料固相部分對粘度的影響大于液相。因此，在總加重材料含量相同情況下，加重材料的分散程度對粘度的影響因子權(quán)重加大，這就要求加重材料粒度較大；反之，在

40、加重材料的分散程度（粒度、級配）相同的情況下，總加重材料含量越低，體系的粘度越小，這就要求加重材料的自身密度要大，用量少?？偨Y(jié)起來說，希望由純加重材料與液相構(gòu)成的鉆井液體系，符合粘度較低原則是：加重材料的密度應(yīng)該高，粒度應(yīng)該稍大，級配合理、總用量少。（2）高密度水基鉆井液流變性穩(wěn)定性維護(hù)困難原因： 鉆井液體系流變性穩(wěn)定性的概念是指該體系在鉆進(jìn)中能夠較大程度地經(jīng)受環(huán)境條件(溫度、壓力)和外來物質(zhì)(鉆屑、化學(xué)物)的影響，其宏觀流變性能不發(fā)生明顯改變的特性。由于高密度水基鉆井液自身的特點(diǎn)并且不可避免的要受到外來物質(zhì)的侵污，維護(hù)其流變性的穩(wěn)定性比維護(hù)普通低密度鉆井液流變性的穩(wěn)定性困難得多，主要有幾方面

41、原因：高固相含量帶來的粘度高；高固相粒子分散帶來的粘度高；固相粒子間相互作用產(chǎn)生的粘度高；對外來物質(zhì)的侵污敏感性強(qiáng)。這些原因的宏觀表現(xiàn)是鉆井液的固相容量限很窄，如果加上高溫的作用，固相容量限將更窄。32.2流變性調(diào)控機(jī)理水基鉆井液是由膨潤土、水（或鹽水）、多種處理劑、加重材料等組成的多相分散體系。由于在水基鉆井液中膨潤土是最常用的配漿基本材料，主要發(fā)揮提粘切、降濾失和造壁等作用。膨潤土的含量、水化程度對水基鉆井液體系的流變性影響顯著，特別是在超高密度鉆井液體系中，固相含量極高，膨潤土性能對性能的影響更加突出。2.2.1膨潤土含量根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)作出膨潤土含量對鉆井液漿流變性影響圖2-1，從而得出影

42、響規(guī)律，如下圖。圖2-1 膨潤土含量對流變性影響規(guī)律從圖2-1可知，隨著膨潤土加量的增加，膨潤土漿的表觀粘度、塑性粘度和動切力增加，并且加量超過3%后，增加幅度變大，加量超過4%以后表觀粘度、塑性粘度增加趨勢變緩而動切力增加進(jìn)一步變快。這充分說明膨潤土水化分散后，形成網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，隨著膨潤土加量的增加，塑性粘度上升較為緩慢，而動切力一直上升。膨潤土是配制優(yōu)質(zhì)鉆井液的基本材料，膨潤土含量是影響鉆井液穩(wěn)定性、流變性的重要因素。膨潤土含量高，由于其表面親水性強(qiáng)，吸附水量多，加之高溫作用會加劇膨潤土分散，形成膠體范圍內(nèi)的微細(xì)顆粒，使其具有很高的表面積，進(jìn)一步吸水，因此，不但使鉆井液體系中的自由水量劇烈降低

43、，而且膨潤土膠粒嚴(yán)重累積，碰撞機(jī)率增加，使得鉆井液體系流動性變差，熱穩(wěn)定性差，嚴(yán)重時(shí)會喪失流動性。但是膨潤土含量太低，不但滿足不了鉆井液性能要求，而且在高溫作用下會發(fā)生減稠現(xiàn)象，導(dǎo)致處理劑效能降低，于是再補(bǔ)加膨潤土，以彌補(bǔ)它的不足，但是這樣做會帶來很多后患。因此，水基鉆井液體系尤其是深井水基鉆井液體系都有一個(gè)“粘土容量限”。多年來的實(shí)踐表明，深井高密度水基鉆井液的膨潤土含量應(yīng)控制在最低量限，其熱穩(wěn)定性和流變性才能得到很好控制，處理劑的效能才能得到充分發(fā)揮，一般規(guī)律是，鉆井液密度越高，膨潤土含量應(yīng)越低。2.2.2溫度在鉆井過程中，隨著深度的增加地層壓力不斷增加，同時(shí)也伴隨著溫度的增加，鉆井液的各

44、種性能都會隨溫度升高而發(fā)生改變。一般而言，升溫使鉆井液的造壁性能變壞，即泥餅變厚，滲透性變大，濾失量增高。高溫對鉆井液流變性的影響比較復(fù)雜，其影響情況可根據(jù)粘度與溫度的關(guān)系分為三種形式。第一種是粘度隨著溫度的升高反而降低。它屬于抗溫能力較強(qiáng)但粘土含量較低的分散鉆井液。這類鉆井液流變性的構(gòu)成中，非結(jié)構(gòu)粘度所占的比重大于結(jié)構(gòu)粘度。而聚結(jié)性強(qiáng)、粘土含量高的鉆井液，它的粘度反應(yīng)為第二種形式，即粘度隨著溫度升高而增大。此種鉆井液的結(jié)構(gòu)很強(qiáng)(包括“卡片房子結(jié)構(gòu)”和聚合物一粘土粒子的空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu))，大大超過塑性粘度對于粘度的貢獻(xiàn)。各類水基鉆井液在較寬的溫度范圍內(nèi)(常溫一高溫)普遍表現(xiàn)為隨溫度的升高粘度先降低

45、再增大的第三種趨勢。研究表明，這種因溫度而變化的性質(zhì)有可能是可逆的。因此，它能較好地反映鉆井液使用中從井口一井底一井口的循環(huán)過程中鉆井液性能的實(shí)際變化情況。2.2.3 PH值根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)作出PH值對鉆井液流變性能影響規(guī)律圖2-2。圖2-2 PH值對鉆井液流變性能影響規(guī)律 由圖2-2可知，表觀粘度、塑性粘度隨PH值的增大成階梯式升高，分別在PH=8和PH=9-10兩段升高速度較快，而動切力先增高，到PH=10時(shí)到達(dá)最高值后降低。在膨潤土含量一定的情況下，膨潤土的分散程度是影響塑性粘度的主要因素，圖中所示現(xiàn)象說明，在pH10以后，PH的增加卻導(dǎo)致膨潤土漿的空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)變?nèi)酰瑒忧辛ο陆怠?.2.4加

46、重劑能夠提高鉆井完井液密度的材料有兩大類：一類是水溶性加重劑鹽類，另一類是水不溶性石粉。鉆井完井液上常用的水溶性鹽類加重劑主要有NaCl、KCl、CaCl2；不常用的有KBr、ZnCl2、KCOOH等。前幾種便宜易得，但提高水溶液的密度較低，后幾種價(jià)格較貴，但提高水溶液的密度較高，這類材料水溶液粘度效應(yīng)一般很低。水不溶性石粉類，國內(nèi)外常用的有石灰石粉、重晶石和鐵礦粉。通過對加重材料的室內(nèi)研究得出一下幾點(diǎn)：1）不同粘切的鉆井液，用同種加重劑加重至相同密度時(shí)，對鉆井液粘切的影響不同，加重前鉆井液粘切大的，加重時(shí)鉆井液的粘度效應(yīng)相應(yīng)也大。2）對不同失水量大小的鉆井液，用同種加重劑加重時(shí)，加重劑對鉆井

47、液失水量的影響不同，加重前鉆井液失水量大的，加重劑對鉆井液失水量的影響大。3）加重劑的密度不同，加重至相同密度時(shí)粘度效應(yīng)（視粘度或表觀粘度的變化程度）也不同。加重劑密度低的粘度效應(yīng)大，加重劑密度高的粘度效應(yīng)小。4）加重劑的細(xì)度不同，加重時(shí)鉆井液的粘度效應(yīng)也不同，加重劑越細(xì)（如超細(xì)石粉），加重時(shí)粘度效應(yīng)越大。5）對同一種加重劑，活化過的粘度效應(yīng)小于未活化過的產(chǎn)品，同時(shí)失水量也小，前者鉆井液懸浮穩(wěn)定性好，但當(dāng)加入大量降失水劑時(shí)，活化加重劑的特點(diǎn)不明顯。6）加重漿的懸浮穩(wěn)定性主要決定于加重漿的粘切大小，加重漿粘切高的，加重漿的懸浮穩(wěn)定性強(qiáng)，反之則弱。同時(shí)與加重漿本身性能有關(guān)，對同類加重劑而言，活化過

48、的加重劑加重漿懸浮穩(wěn)定性優(yōu)于未活化的加重劑。7）加重劑質(zhì)量的好壞，不僅影響泥餅的質(zhì)量，還會使泥餅粘附系數(shù)增大，重晶石的不同篩余量對泥餅粘附系數(shù)有影響，隨著篩余量增加，泥餅粘附系數(shù)加大。針對加重而言，一方面要求限制土量，添加能提結(jié)構(gòu)（尤其靜結(jié)構(gòu)）的增粘劑，保證體系有良好的懸浮穩(wěn)定性、沉降穩(wěn)定性，另一方面重晶石、鐵礦粉或鈦鐵礦粉等加重劑在鉆井液中大都呈弱電性、惰性，不溶于水，屬非活性固體，是鉆井液中的有用固相，含量居多，是影響超深井高密度水基鉆井液流變性的關(guān)鍵因素。加入加重劑后引起的粘度變化（見圖2-3），是由于固固和固液摩擦引起的。鉆井液中混入加重劑越多，密度越高，其粘度也越大。加重劑粒度越小，

49、其含量越高，鉆井液粘度也越大。可見，改善加重材料表面性質(zhì)（如由原來親水性差變成親水性好，利用其水化膜的減阻潤滑作用降低摩擦阻力），并使其顆粒處在動力穩(wěn)定性很好的粒級范圍內(nèi)，就可適當(dāng)減小因加重劑帶來的粘度效應(yīng)。理論分析與實(shí)驗(yàn)研究表明，加重材料粒度大小、級配對超深井水基鉆井液流變性（高密度水基鉆井液體系粘度效應(yīng)）的影響尤為突出。圖2-3重晶石對鉆井液凝膠結(jié)構(gòu)的影響加重劑質(zhì)量的好壞，不僅影響泥餅的質(zhì)量，亦會使泥餅粘附系數(shù)增大，重晶石的不同篩余量對泥餅粘附系數(shù)有影響，隨著篩余量增加，泥餅粘附系數(shù)加大，因此，必須堅(jiān)持使用合格的加重劑?，F(xiàn)場用加重劑一般是重晶石、鐵礦粉或鈦鐵礦粉，它們在鉆井液中呈電中性、惰

50、性，不溶于水，屬非活性固體，是鉆井液中的有用固相。加入加重劑后引起的粘度的變化，是由于固固和固液摩擦引起的。鉆井液中混入加重劑越多，密度越高，其粘度也越大。加重劑粒度越小，其含量越高，鉆井液粘度也越大。可見，改善加重材料表面性質(zhì)（如由原來親水性差變成親水性好，利用其水化膜的減阻潤滑作用降低摩擦阻力），并使其顆粒處在動力穩(wěn)定性很好的粒級范圍內(nèi)，就可適當(dāng)減小因加重劑帶來的粘度效應(yīng)。這就是目前使用的活化加重劑。2.2.5處理劑處理劑加入鉆井液中，通過吸水溶解（溶脹或分子鏈伸展）與粘土作用（離子交換、電中和、吸附等），會有大量水吸附（轉(zhuǎn)移）到處理劑上，形成水化膜，與粘土顆粒組成一體，使鉆井液體系中游離

51、水量減少。另外，聚合物處理劑通過吸附與膨潤土、鉆屑相互作用形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使粘土顆粒本身之間形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)有一部分水被“固定”在網(wǎng)格中而不易“逃脫”，無疑也減少了體系中游離水量。如果鉆井液體系中處理劑多而雜，將嚴(yán)重污染體系中的游離水，游離水的活性、結(jié)構(gòu)、物理化學(xué)性質(zhì)發(fā)生明顯變化，所有這些情況，均會削弱高密度欠飽和有機(jī)鹽鉆井液體系的流變性。再則，如果鉆井液體系中固相含量很高，處理劑本身抗溫能力和抗鹽、抗鈣能力差，處理劑會因此而喪失作用效能，其結(jié)果無法控制高密度水基鉆井液流變性。2.2.6其它在高密度水基鉆井液體系中，一般都要求加入潤滑劑、表面活性劑，提高潤滑性、降低摩阻、潤濕反轉(zhuǎn)等，有的甚至混

52、有瀝青類處理劑（液體瀝青、磺化瀝青、乳化瀝青等），而這些添加劑會被鉆井液中的粘土膠體離子乳化，其結(jié)果也會使高密度水基鉆井液流變性增稠。2.3游離水與鉆井液流變性關(guān)系通過上述對影響高密度水基鉆井液因素的分析研究，可以看出，流變性問題是高密度水基鉆井液的核心問題，而游離水又是這個(gè)核心問題的落腳點(diǎn)。所有包括膨潤土、PH值、加重劑、溫度等一系列的影響因素最終都是導(dǎo)致游離水含量的變化，從而進(jìn)一步分析游離水和高密度水基鉆井液流變性之間的關(guān)系，有著十分重要的意義。高密度水基鉆井液的流變性決定于其中水系的流變性。凡是影響水系流變性的因素都將會嚴(yán)重影響由它組成的鉆井液的流變性。高密度水基鉆井液體系中的固相（膨潤

53、土、鉆屑、加重劑等）、處理劑、電解質(zhì)、其它添加劑等構(gòu)成了其中水系的污染物（雜質(zhì)），其結(jié)果這些組分與水分子之間相互作用，使水的結(jié)構(gòu)性減弱（遭受破壞）、活性降低、物理化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定、水系穩(wěn)定性降低，水分子極易通過庫侖吸引力吸于鉆井液體系中的極性組分上，形成水合物。陽離子電荷密度越高、離子半徑越小，水合程度越高；固相粒子越細(xì)、表面電荷密度越高，水合程度也越高。非極性溶質(zhì)（如惰性材料、某些處理劑等）可通過疏水鍵強(qiáng)烈地與水結(jié)合而形成水合物（即平常所指的水化膜）。通常，整個(gè)水合層的遷移和離子（粒子）要脫去它所牢固束縛的第一水合層是不可能的。再則，由于水結(jié)構(gòu)的破壞，活性降低，導(dǎo)致水系出現(xiàn)化學(xué)位移，水量減少。

54、可見，無論哪種情況下的水合作用，都將不同程度地減少整個(gè)水系的水量（尤其是“不受束縛”的自由水量即游離水量），水合程度越大，整個(gè)水系的游離含水量就越少，其流動性也越差，致使由它組成的鉆井液體系流動性也就越差。簡單地說，如果高密度水基鉆井液的固含控制在最低量限、膨潤土含也控制在最低量限（且固相粒級適當(dāng)），組合品種（處理劑）少且加量不大，礦化度低，整個(gè)體系的水合作用雖存在，但水合程度不高，整個(gè)水系中的水量（游離水量）就多，那么高密度水基鉆井液中的其它組分將隨水系中更多的游離水“自由”游動，在力學(xué)上表現(xiàn)為液體流動，此時(shí)，高密度水基鉆井液流動性好。相反，如果高密度水基鉆井液的坂含和固含很高，且呈膠體狀態(tài)

55、的微粒含量高，組合品種多而雜，礦化度高（電解質(zhì)濃度高），那么整個(gè)體系的水合程度就相對高，可游離的水量就相對少，高密度水基鉆井液中的固相嚴(yán)重堆積，這微量的可游離水自由運(yùn)動將嚴(yán)重受阻，使組分與游離水成為一體一起運(yùn)動，在力學(xué)性質(zhì)上表現(xiàn)為“固體”性質(zhì)，致使整個(gè)水系流動性差，即高密度水基鉆井液嚴(yán)重增稠，在高溫和延長作用時(shí)間情況下，這種現(xiàn)象更突出。下面就高密度水基鉆井液中低密度固相(粘土、鉆屑)對其流變性的影響作進(jìn)一步分析。粘土顆粒(包括坂土、鉆屑顆粒)表面始終是帶電荷的(凈電荷為負(fù))，不僅吸引異號離子，而且也吸引水分子，異號離子分布在顆粒周圍的水中，形成雙電層或反離子層。水分子是由位于等腰三角形底角的兩

56、個(gè)氫原子（H+）和一個(gè)位于頂角的氧原子（O2-）所構(gòu)成的偶極體。這樣的偶極體可以為靜電引力所吸引。在粘土顆粒表面負(fù)電荷的作用下，使靠近顆粒表面的水分子失去了自由活動的能力而整齊地、緊密地排列起來，這部分水被稱為粘結(jié)水，這層水牢固地束縛在顆粒表面上成為一體，不易脫去。顆粒表面作用于粘結(jié)水的吸引力約為一萬個(gè)大氣壓。在這樣大的壓力下，粘結(jié)水的密度比常溫普通液態(tài)水密度高，可達(dá)到1.202.40g/cm3。由這種緊密地?cái)D壓在一起的水分子組成的粘結(jié)水，在力學(xué)性質(zhì)上與固體物質(zhì)完全相同，其有極大的粘滯性、彈性和抗剪強(qiáng)度。它也沒有傳遞靜水壓力的能力。圍繞在粘結(jié)水外面的水分子雖然也受到靜電力場的作用，但距顆粒表面

57、較遠(yuǎn)，靜電引力場的強(qiáng)度較小，水分子自由活動的能力較弱，而且排列得比較疏松，不整齊，僅有輕微的定向，這部分水被稱為粘滯水，粘滯水的密度雖沒有粘結(jié)水那么大，但仍比普通液態(tài)水的要大，為1.301.74g/cm3，也具有較高的粘滯性和抗剪強(qiáng)度，不能傳遞靜水壓力，粘結(jié)水和粘滯水統(tǒng)稱為束縛水，兩者的區(qū)別在于是否能在水力或電場作用下發(fā)生相對于粘土顆粒表面的移動。束縛水外面的水分子幾乎不受靜電引力場的作用，保持著原有結(jié)構(gòu)，具有自由活動的能力，稱為自由水或游離水。粘結(jié)水和它所含的離子與顆粒表面組成了雙電層的內(nèi)層（吸附層），粘滯水和它所含離子則組成了雙電層的外層（擴(kuò)散層）。對于粘結(jié)水和粘滯水，其水分子部分地或全部地失去自由活動能力，在顆粒周圍形成了一個(gè)水膜，此膜被稱為吸附水膜（這種水膜與顆粒一起便構(gòu)成了水合物）。吸附水膜是粘土顆粒與水相互作用的產(chǎn)物，從力學(xué)性質(zhì)上看，是固態(tài)相與液態(tài)相的過渡類型，吸水膜的厚度（水合程度）主要取決于