(工学)《油田化学》

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第五节钻井液流变性及其调整\n流变性是钻井液的一项基本性能，在解决许多钻井问题时，都起着十分重要的作用。掌握钻井液流动的基本特性，能使我们更科学地维护和处理钻井液。流变性：是指在外力作用下，钻井液发生流动和变形的特性。\n流变性在钻井中的作用：①携带岩屑、保证井底和井眼的清洁；②悬浮岩屑与重晶石；③提高钻速；④保证井眼规则和井下安全等。\n描述流变性的要素：①钻井液的流变曲线；②塑性粘度；③动切力；④静切力；⑤表观粘度等。\n一、流体流动的基本概念1、剪切速率和剪切应力液体与固体的重要区别之一是液体具有流动性，只要力的作用时间相当长，即使用很小的力就能使液体发生很大的变形。以河水的流动为例（见图2-1）分析水流的流速分布情况。靠近河岸流速很小，靠近河中心流速很大，且呈梯度变化。\n\n（1）剪切速率（γ）dv/dx表示在垂直于流速方向上单位距离流速的增量，即剪切速率（速率梯度）。单位：s-1剪切速率越大，则表示液流中各层之间流速的变化大。钻井液在循环过程中：沉砂池处的剪切度率最低，约为10~20s-1；环行空间内：50~250s-1；钻杆内：100~1000s-1；钻头喷嘴处最高，约为10000~100000s-1。\n（2）剪切应力（τ）（简称剪切力）流体中各层的流速不同，层与层之间必然存在相互作用，即流速快的液层会带动流速慢的相邻液层。同时，流速慢的液层又会阻碍流速快的相邻液层。这样在流速不同的各液层之间就产生成对的内摩擦力（剪切力）。\n牛顿内摩擦力（F）：F=μsγ式中：μ—粘度；γ—剪切速率；s—面积。剪切应力（τ）：τ=F/s=μγ。单位：Pa或KPa牛顿流体：将τ与γ的关系遵守牛顿内摩擦定律的流体称为牛顿流体。如：水、酒精等纯液体、低分子化合物溶液及低速流动的气体。非牛顿流体：τ与γ的关系不遵守牛顿内摩擦定律的流体。如：高分子聚合物的浓溶液和悬浮液等。大多数钻井液都属于非牛顿流体。\n2、流变模式和流变曲线（1）流变模式（流变方程）：用数学关系表示τ与γ的关系。如：牛顿流体的流变模式τ=μγ（2）流变曲线用曲线表示τ与γ的关系。如图2—4中曲线1所示。直线的斜率代表其粘度，既tanα代表粘度，α越大,μ越大。\n\n3．触变性定义：是指钻井液经搅拌后会变稀（切力下降），静止后又会变稠（切力上升）的性质。测量方法：用旋转粘度计，将充分搅拌后的钻井液静置1min（或10s）和静置10min，分别测量其初切值和终切值，并用初切和终切的差值表示钻井液触变性的大小。\n4．钻井液的粘度现场用的粘度有：漏斗粘度、塑性粘度、表观粘度和稠度系数。①漏斗粘度是指将一定体积（500ml）的钻井液从漏斗下端流出所经历的时间。单位：s。特点：方法简单，可直观反映钻井液粘度的大小。\n②塑性粘度（ηP或pV）反映了在层流情况下，钻井液中网架结构的破坏与恢复处于动态平衡时，悬浮的固相颗粒之间、固相颗粒与液相之间以及液相内部的内摩擦力作用的强弱。特点：是塑性流体的一种性质，不随剪切速率而变化；\n③稠度系数（K）是假塑性流体的性质，也是运动质点之间的内摩擦力。K值反映其可泵性，k值越大，粘度越高。K值过大，将造成重新开泵困难，k值太小，对携岩不利。K应保持在合适的范围内。\n④表观粘度（又称有效粘度或视粘度）（ηV或AV）是指在某一剪切速率下，剪切应力与剪切速率的比值。塑性流体的表观粘度为：由于τ0/γ具有与粘度相同的单位，并且和钻井液层流流动时形成网架结构的能力有关，习惯上称τ0/γ为结构粘度。\n假塑性流体的表观粘度为：5．钻井液的几种基本流态：①静止；②塞流（柱流）；③准层流（平板型）；④层流（线形）；⑤紊流。不同流型的钻井液其携岩能力各不相同，对井壁的稳定性作用不同。\n不同流型的钻井液其携岩能力各不相同，对井壁的稳定性作用不同。\n二、非牛顿流体的基本流型按照流体流动时τ与γ的关系，可将流体分为不同的类型（即流型）。除牛顿流型外，根据所测出的流变曲线形状不同，又可将非牛顿流体的流型分为：塑性流型、假塑性流型和膨胀流型。\n1．塑性流体一般钻井液属于塑性流体。（1）流变曲线[图2—4（3）由曲线看出，当γ=0时，τ≠0。即只有施加的力超过一定值的时候，塑性流体才开始流动。静切应力（τs）：这种使流体开始流动的最低剪切应力称为静切应力（又称静切力、切力、凝胶强度）\n\n当剪切应力超过τs时，在初始阶段剪切应力与剪切速率并不呈直线关系，表明此时塑性流体还不能均匀地被剪切，粘度随剪切速率增大而降低（图中的曲线段）。继续增大剪切应力，当其数值大到一定程度之后，粘度不再随剪切速率增大而发生变化，此时，流变曲线变成了直线。该直线的斜率称为塑性粘度（ηP或PV）。\n延长直线段与剪切应力轴相交于一点τ0。通常将τ0称为动切应力（动切力或屈服力）也可用YP表示。动切应力反映钻井液在流动时，粘土颗粒之间及聚合物分子间的相互作用（形成空间网状结构的能力）。\n（2）、宾汉模式（又称宾汉方程）用来描述塑性流体的流变模式τ=τ0+ηPγ式中τ0——动切力，Pa；ηP——塑性粘度，Pa·s；\n2、假塑性流体部分钻井液、高分子化合物的水溶液以及乳状液等均属于假塑性流体。（1）、流变曲线见图2—4（2）特点：施加极小的剪切力就能产生流动，不存在静切应力，它的粘度随剪切应力的增大而减小。\n（2）幂律模式（又称幂律方程）用来描述假塑性流体的流变模式τ=Kγn（n<1）式中K—稠度系数，Pa·s2；n—流性指数，\n3．卡森模式卡森模式是一个经验式，表达式为式中τ0—卡森动切力（卡森屈服值），Pa；η∞—极限剪切粘度，Pa·s。\n将上式的每一项分别除以γ1/2,可得另一表达式在平方根坐标系中，卡森流变曲线是一条直线。其斜率tanα分别为；截距分别为\n卡森模式的主要特点：①适用于各种类型的钻井液；②能够近似地描述钻井液在高剪切速率下的流变性。\n三、钻井液流变性的调整钻井液流变性的调整主要调整钻井液的表观粘度和切力（静切力和动切力）。在钻井过程中，钻井液粘度和切力过大或小都会产生不利的影响。\n调整钻井液粘度和切力的方法：①调整钻井液的固相含量；②使用流变性调整剂。常用的流变性调整剂主要有增粘剂和降粘剂两类\n（一）．降粘剂（稀释剂）（1）单宁（栲胶）类单宁广泛存在于植物的根、茎、叶、皮、果实和果壳中。从不同植物中提取的单宁具有不同的化学组成，所以，单宁有很多种。四川、广西、湖南一带盛产五倍子单宁，云南、陕西河南一带盛产栲胶。栲胶是用以单宁为主要成分的物料提取制成的浓缩产品。\n单宁是多元酚的衍生物，属于弱有机酸。分子中含有酯键，在碱溶液中易水解。高温下水解加剧，降粘能力减弱（100~1200C），单宁碱液仅适用于在浅井或中深井内降粘。在NaOH溶液中生成双五倍子酸钠和五倍子酸钠，统称为单宁酸钠或单宁碱液，是钻井液中的有效成分，代号为NaT。\n单宁酸钠在高浓度的NaCl、CaCl2、Na2SO4等无机盐溶液中会发生盐析或沉淀。所以，单宁酸钠的抗盐、抗钙能力较差。单宁经磺甲基化，可生成磺甲基单宁（SMT）。若再进一步与Na2Cr2O7发生氧化与螯合反应，可制得磺甲基单宁的铬螯合物。\nSMT及其铬螯合物的热稳定性和降粘性都比NaT强，在钻井液中加入0.5%~1%就能取得较好的效果。其抗温可达180~2000C，抗钙可达1000g/L。但是，抗盐性较差，当含盐量超过1%时稀释效果明显下降。\n注意：①单宁类降粘剂主要是通过拆散结构起降粘作用的，对塑性粘度ηp的影响较小。若要降低ηp，应通过固相控制来实现。②单宁酸钠用量少时起降粘作用，加入量大时也能起降滤失作用。\n（2）木质素类此类产品中曾使用最多的是鉄铬木质素磺酸盐（俗称鉄铬盐，代号：FCLS）缺点：①要求PH值较高，不利于井壁稳定；②容易引起钻井液发泡，需加入消泡剂③形成的泥饼摩擦系数较高，需加入润滑剂；④含重金属铬，对人体健康不利，对环境有污染，现已很少使用。\n（3）聚合物类①X-40系列降粘剂①X-A40：是相对分子质量较低（5000左右）的聚丙烯酸钠结构式为：作用：加入0.3%时，可抗0.2%CaSO4和1%NaCl，抗温达1500C。\n②X-B40：是丙烯酸钠和丙烯磺酸钠的共聚物。结构式为：.作用：抗温、抗盐、抗钙能力均优于X-A40。但成本也高于X-A40。\n（2）两性离子聚合物降粘剂（XY-27）XY-27是由乙烯单体多元共聚而成的，在其分子链中含有阳离子基团、阴离子基团、非离子基团。主要特点：①降粘的同时还具有抑制泥页岩水化的作用；②用量少（0.1%~0.3%）③适用范围广；④与其它类型处理剂能相互兼容。\n降粘机理：①分子链中的阳离子基团，能与粘土发生离子型吸附；②低相对分子质量的线性聚合物比高分子聚合物能更快、更牢固地吸附在粘土颗粒上；③本身特殊的结构使它与高聚物分子之间的交联或络合机会增加。因此，XY-27比阴离子聚合物降粘剂有更好的降粘效果。\n抑制泥页岩水化作用机理：①分子链中的阳离子基团吸附在粘土表面之后，中和了粘土表面的部分负电荷，削弱了粘土的水化作用；②本身特殊的结构使聚合物链之间更容易发生缔合，而更好地对粘土颗粒进行包被。③分子中大量水化基团所形成的水化膜，能阻止自由水分子与粘土表面的接触。\n（3）磺化苯乙烯—马来酸酐共聚物（SSMA）SSMA是由苯乙烯、马来酸酐、磺化试剂、溶剂（甲苯）、引发剂和链转移剂（硫醇）通过共聚、磺化和水解后制得的。相对分子质量为1000~5000的SSMA在钻井液中，抗温可达2000C以上，可在高温深井中使用。但成本较高。除以上三种类型外，还有磷酸盐类降粘剂，腐植酸类处理剂也可用作降粘剂。\n（二）．增粘剂增粘剂均为高分子聚合物。除了起增粘作用外，往往还起页岩抑制剂（包被剂）、降滤失剂及流型改进剂的作用。因此，使用增粘剂常常有利于改善钻井液的流变性和井壁稳定。常用的增粘剂主要有：\n1、XC生物聚合物（又称黄原胶）黄原胶是由黄原菌类与碳水化合物作用生成的高分子链状多糖聚合物。相对分子质量高达5×106。特性及其作用：①易溶于水，加入很少量（0.2%~0.3%）就可产生较高的粘度；\n②具有良好的剪切稀释性，能有效地改进流型，使钻井液在高剪切切速率下的极限粘度保持很低，有利于提高机械钻速；③使钻井液在环形空间的低剪切切速率下又具有较高的粘度，有利于形成平板型层流，提高钻井液的携岩能力；\n④抗高温达1200C，抗冷冻性好，可在00C以下使用；⑤抗盐、抗钙能力突出，可适用于淡水、盐水和饱和盐水钻井液的增粘。⑥为了防止其发生霉变降解，需要加入三氯酚钠等杀菌剂。\n2、羟乙基纤维素（HEC）是由纤维素和环氧乙烷经羟乙基化制成的。结构特点：分子中的羟乙基是弱水化基团，在水中不电离，所以HEC是非离子型水溶性聚合物。\n增粘机理：分子链中含有的大量羟基能同时吸附多个粘土颗粒，形成胶团和网状结构，使钻井液中的自由水减少，内摩擦阻力增大，粘度增大。同时，也使钻井液中自由水的粘度增大。在增粘的同时不增加切力。\n作用：①主要在聚合物钻井液中起增粘作用，可避免因钻井液切力过高而造成开泵困难。②抗温能力达107~1210C.③具有降滤失作用。\n小结：钻井液粘度是钻井液很重要的性质，必须保持在适当的范围内。粘度、切力过大，会造成开泵困难、钻屑难以除去或钻井过程中波动压力过大等现象发生；粘度、切力过低，又会造成悬浮与携岩能力下降，影响钻速。根据实际情况，及时添加降粘剂和增粘剂是非常必要的。习题：1.流体的流态有哪几种？2.什么是钻井液的触变性3.钻井液的流变模式有哪几种？写出其理论表达式。4.举出几种常用的降粘剂和增粘剂。