【正文】 第 2章 鉆井工作流體性能測定 1 鉆井液密度 2 鉆井液流變性 3 濾失造壁性 4 pH值和堿度 5 含砂量 6 固相含量 7 膨潤土含量 8 濾液分析 9 抑制性 10 潤滑性 11 抗溫性 12 熒光度 13 毒性 14 腐蝕性 石油天然氣工程學(xué)院 10 潤滑性 鉆井液的潤滑性能一般包括鉆井液形成的濾餅潤滑性能和鉆井液流體自身的潤滑性能 ， 是評價鉆井液潤滑性能的兩個主要技術(shù)指標。鉆井液摩阻系數(shù)， 相當于物理學(xué)中的摩擦系數(shù) 鉆井液的潤滑性對鉆井工作影響很大，特別是鉆超深井、大斜度井、水平井和叢式井時，鉆柱的旋轉(zhuǎn)阻力和提拉阻力會大幅度提高。由于影響鉆井扭矩和阻力以及鉆具磨損的主要可調(diào)節(jié)因素是鉆井液的潤滑性能，因此鉆井液的潤滑性能對減少井下復(fù)雜情況，保證安全、快速鉆進起著至關(guān)重要的作用 國內(nèi)外研究者對鉆井液的潤滑性能進行了評價，認為空氣與油處于潤滑性的兩個極端位置，水基鉆井液的潤滑性處于其間。用 Baroid公司的鉆井液極壓潤滑儀測定了三種基液的摩阻系數(shù)，空氣為 ，清水為 ，柴油為 。在配制的鉆井液中，大部分油基鉆井液的摩阻系數(shù)在 ～ ，水基鉆井液的摩阻系數(shù)在 ～ ，如加有油品或各類潤滑劑等，則可降到 對大多數(shù)水基鉆井液來說，摩阻系數(shù)為 。但此值不能滿足水平井的要求，對水平井要求鉆井液的摩阻系數(shù)應(yīng)盡可能保持在 ～ ，以保持較好的摩阻控制 因此，除油基鉆井液外，其他類型鉆井液的潤滑性能很難滿足水平井鉆井的需要，但可以選用有效的潤滑劑改善潤滑性能，以滿足實際需要。近年來開發(fā)出的一些新型水基仿油基鉆井液，其摩阻系數(shù)可小于 ，很接近油基鉆井液，其潤滑性能可滿足水平井鉆井需要 鉆井液的潤滑性能 鉆井液的潤滑性能 在鉆井過程中，由于動力設(shè)備有固定功率，鉆柱的抗拉、抗扭能力以及井壁穩(wěn)定性都有極限，若鉆井液的潤滑性能不好，會造成鉆具旋轉(zhuǎn)阻力增大，起下鉆困難，甚至造成粘附卡鉆和斷鉆具事故；當鉆具扭轉(zhuǎn)阻力過大時，會導(dǎo)致鉆具振動，從而有可能引起斷鉆具事故和井壁失穩(wěn) 從提高鉆井經(jīng)濟技術(shù)指標看，潤滑性能良好的鉆井液對鉆井工程有以下作用： ① 減小鉆具的扭矩、磨損和疲勞，延長鉆頭壽命 ② 減小鉆柱的摩擦阻力，縮短起下鉆時間 ③ 減少粘附卡鉆機率，防止鉆頭泥包，同時易于處理井下事故 ④ 提高鉆井工程整體效益 那么，哪些因素制約者鉆井液的潤滑性能呢？ 改善鉆井液潤滑性能的目的主要是為了降低鉆井過程中鉆柱的扭矩和阻力。按摩擦付表面潤滑情況，鉆井過程中摩擦可分為（見圖 ）： 圖 三種不同潤滑模式示意圖 邊界摩擦 ：兩接觸面間有一層極薄的潤滑膜，摩擦和磨損不取決潤滑劑的粘度，而是與兩表面和潤滑劑的特性有關(guān)，如潤滑膜的厚度和強度、粗糙表面的相互作用以及液體中固相顆粒間的相互作用。有鉆井液的情況下，鉆鋌在井眼中的運動等屬邊界摩擦 干摩擦（無潤滑摩擦）或稱為障礙摩擦 ：如空氣鉆井中鉆具與巖石的摩擦，或井壁極不規(guī)則光滑情況下，鉆具直接與部分井壁巖石接觸時的摩擦 流體摩擦 ：由兩接觸面間流體的粘滯性引起的摩擦 鉆井液潤滑性的影響因素 邊界摩擦 干摩擦或障礙摩擦 流體摩擦 鉆井作業(yè)中摩擦現(xiàn)象的特點 可以認為，鉆進過程中的摩擦是混合摩擦，即部分接觸面為邊界摩擦，另一部分為流體摩擦。在高負荷邊界面上，塑性表面的邊界摩擦更為突出。在鉆井作業(yè)中，摩擦系數(shù)是兩個滑動或靜止表面間的相互作用以及潤滑劑所起作用的綜合體現(xiàn) 鉆井作業(yè)中的摩擦現(xiàn)象較為復(fù)雜，摩阻力的大小不僅僅與鉆井液的潤滑性能有關(guān)，而且與 ① 鉆柱、套管、地層、井壁泥餅表面的粗糙度； ② 接觸表面的塑性； ③ 接觸表面所承受的負荷； ④ 流體粘度與潤滑性；⑤ 流體內(nèi)固相顆粒的含量和大小； ⑥ 井壁表面泥餅潤滑性； ⑦ 井斜角； ⑧ 鉆柱重量； ⑨ 靜態(tài)與動態(tài)濾失效應(yīng)等 在這些眾多的影響因素中，鉆井液的潤滑性能是主要的可調(diào)節(jié)因素 鉆井液潤滑性的影響因素 影響鉆井液潤滑性的主要因素有：鉆井液的粘度、密度、鉆井液中的固相類型及含量、鉆井液的濾失情況、巖石條件、地下水的礦化度以及溶液 pH值、潤滑劑和其他處理劑的使用情況等 （ 1）粘度、密度和固相的影響 （ 2）濾失性、巖石條件、地下水和濾液 pH值的影響 （ 3）有機高分子處理劑的影響 （ 4）潤滑劑的影響 鉆井液潤滑性的影響因素 鉆井液潤滑性的影響因素 （ 1）粘度、密度和固相的影響 隨著鉆井液固相含量、密度增加，通常其粘度、切力等也會相應(yīng)增大。因此，鉆井液的潤滑性能也會相應(yīng)變差。這時其潤滑性能主要取決于固相的類型及含量。砂巖和各種加重劑的顆粒具有特別高的研磨性能 鉆井液中固相含量對其潤滑性影響很大。隨著鉆井液固相含量增加，除使泥餅粘附性增大外，還會使泥餅增厚，易產(chǎn)生壓差粘附卡鉆 另外，固相顆粒尺寸的影響也不可忽視。研究結(jié)果表明， 鉆井液在一定時間內(nèi)通過不斷剪切循環(huán)，其固相顆粒尺寸隨剪切時間增加而減小，其結(jié)果是雙重性的：鉆井液濾失有所減小，從而鉆柱摩阻力也有所降低；顆粒分散得更細微，使比表面積增大，從而造成摩阻力增大 ?？梢?，嚴格控制鉆井液粘土含量，搞好固相控制和凈化，盡量用低固相鉆井液，是改善和提高鉆井液潤滑性能的最重要的措施之一 鉆井液潤滑性的影響因素 鉆井液潤滑性的影響因素 （ 2）濾失性、巖石條件、地下水和濾液 pH值的影響 致密、表面光滑、薄的泥餅具有良好的潤滑性能。降濾失劑和其他改進泥餅質(zhì)量的處理劑如磺化瀝青，主要是通過改善泥餅質(zhì)量來改善鉆井液的防磨損性和潤滑性能 在鉆井液條件相同的情況下，巖石的條件是通過影響所形成泥餅的質(zhì)量以及井壁與鉆柱之間接觸表面粗糙度而起作用的 地下水、井底溫度、壓差和濾液 pH值等因素也會在不同程度上影響潤滑劑和其他處理劑的作用效能，從而影響泥餅的質(zhì)量，對鉆井液的潤滑性能產(chǎn)生影響 鉆井液潤滑性的影響因素 （ 3）有機高分子處理劑的影響 許多高分子處理劑都有良好的降濾失、改善泥餅質(zhì)量、減少鉆柱摩阻力的作用。有機高分子處理劑能提高鉆井液的潤滑性能，還與其在鉆柱和井壁上的吸附能力有關(guān)，吸附膜的形成，有利于降低井壁與鉆柱之間的摩阻力 某些處理劑，如聚陰離子纖維素、磺化酚醛樹脂等具有提高鉆井液潤滑性的作用。不少高分子化合物通過復(fù)配、共聚等處理，可成為具有良好潤滑性能的潤滑材料 鉆井液潤滑性的影響因素 （ 4）潤滑劑 試驗表明，使用清水作鉆井液，摩擦阻力是較大的。而往清水中加入千分之一至千分之幾的以陰離子表面活性劑為主的潤滑劑后，潤滑性能會得到明顯改善。 因此，使用潤滑劑是改善鉆井液潤滑性能，降低摩擦阻力的主要途徑 正確地使用潤滑劑可以大幅度提高鉆井液的防磨損性能和潤滑性能。鉆井液潤滑劑一般可分為兩大類 ： 液體類和固體類。前者如礦物油、植物油、表面活性劑等；后者如石墨、塑料球、玻璃球等 近年來鉆井液潤滑劑品種發(fā)展最快的是惰性固體類潤滑劑，液體潤滑劑主要發(fā)展了高負荷下起作用的極壓潤滑劑及有利于環(huán)境的無毒潤滑劑；由于環(huán)境保護的原因瀝青類潤滑劑的用量則逐年減少 目前，常用的改善鉆井液潤滑性能的方法，主要是通過合理使用潤滑劑降低摩阻系數(shù)，以及通過改善泥餅質(zhì)量來增強泥餅的潤滑性 鉆井液潤滑性的影響因素 知道了鉆井液潤滑性的影響因素外，我們?nèi)绾卧u價鉆井液的潤滑性 鉆井液和泥餅的摩阻系數(shù)，是常用的兩個評價鉆井液潤滑性能的技術(shù)指標 由于摩阻的大小不僅與鉆井液的潤滑性能有關(guān)，而且還與鉆具和地層接觸面的粗糙程度、接觸面的塑性變形情況、鉆柱側(cè)向力的大小和分布情況、鉆柱的尺寸和旋轉(zhuǎn)速度等有關(guān)。因此，要全面的評價和測定鉆井過程中鉆井液和泥餅?zāi)ψ柘禂?shù)，正確地評選鉆井液和潤滑劑是很困難的 目前，國內(nèi)外對鉆井液潤滑性能的檢測尚無公認的通用儀器和方法，各種評價方法的客觀性尚需進一步提高。因此，在目前限定的測試儀器和條件下，只能從某一側(cè)面評價和優(yōu)選鉆井液基液和潤滑劑，確定在該條件下的摩阻系數(shù) 鉆井液潤滑性能的評價方法 國外許多公司和研究機構(gòu)研制了一些檢測鉆井液潤滑性能的儀器和模擬裝置。投入實際應(yīng)用的主要有滑板式泥餅?zāi)ψ柘禂?shù)測定儀、泥餅粘附系數(shù)測定儀、鉆井液極壓潤滑儀簡稱 EP潤滑儀、潤滑性能評價儀簡稱 LEM潤滑儀、泥餅針入度計、井眼摩擦模擬裝置以及多種卡鉆系數(shù)測定儀等。 在類似鉆頭軸承工作條件的高比載荷下，為檢驗鉆井液的潤滑性能，廣泛使用四球摩擦測定儀。而在鉆柱和井壁相互接觸的低比荷條件下，廣泛使用極壓潤滑儀 多數(shù)潤滑性能測定儀的基本原理都是通過測定滑動摩擦系數(shù)，或通過測定轉(zhuǎn)動面和靜止面之間的扭矩，或通過測定旋轉(zhuǎn)靜止表面的液層所需動力來表示潤滑性能。因此，通常以摩擦系數(shù)、扭矩及轉(zhuǎn)動動力作為評價鉆井液潤滑性能的指標。下面僅對常用的 4種儀器作以介紹 鉆井液潤滑性能的評價方法 滑板式泥餅?zāi)ψ柘禂?shù)測定儀： Mud Cake Sluggish Coefficient meter；泥餅粘附系數(shù)測定儀：Differential Sticking Tester；鉆井液極壓潤滑儀： Extreme Pressure and Lubricity Tester；潤滑性能評價儀： Lubricity Evaluation Monitor；泥餅針入度計： Filter Cake Perometer 滑板式泥餅?zāi)ψ柘禂?shù)測定儀是一種極簡易的測量泥餅?zāi)ψ柘禂?shù)的儀器。在儀器臺面傾斜的條件下，放在泥餅上的滑塊受到向下的重力作用，當滑塊的重力克服泥餅的粘滯力后開始滑動 測量開始時，將由濾失試驗得到的新鮮泥餅放在儀器臺面上，滑塊壓在泥餅中心停放 5分鐘。然后開動儀器，使臺面升起，直至滑塊開始滑動時為止。讀出臺面升起的角度。此升起角度的正切值即為泥餅的粘滯系數(shù)。儀器臺面的轉(zhuǎn)動速度為 ～，該儀器的測量精度為 滑 板 式 泥 餅 摩 阻 系 數(shù) 測 定 儀 鉆井液潤滑性能的評價方法 鉆 井 液 極 壓 EP潤 滑 儀 極壓潤滑儀見圖 。該儀器可以測量鉆井液的潤滑性能和評價潤滑劑降低扭矩的效果，以及預(yù)測在該條件下的金屬部件的磨損速率。該潤滑試驗儀是用一個鋼環(huán)模擬鉆柱，給它施以一定的載荷，使它壓緊在起井壁作用的金屬材料上 摩擦過程在鉆井液中進行，摩擦環(huán)旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生慣性力，從而使鉆井液流動。在固定的轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)動鋼環(huán)，記錄鋼環(huán)和金屬材料間的接觸壓力、力矩和儀表上的讀數(shù)，經(jīng)換算可得到評價液體的摩擦阻力值。這種儀器的明顯缺點是不能評價溫度和壓力對潤滑性產(chǎn)生的影響 圖 極壓潤滑儀 鉆井液潤滑性能的評價方法 泥餅針入度計 泥餅針入度計見圖 。它可測量低壓或高壓、靜態(tài)或動態(tài)濾失試驗中所形成的泥餅的質(zhì)量和厚度，可以手動或電動操作，用紙帶記錄數(shù)據(jù) 圖 自動型泥餅針入度計結(jié)構(gòu)簡圖 鉆井液潤滑性能的評價方法 圖 LEM潤滑儀的結(jié)構(gòu)原理簡圖和取樣容器結(jié)構(gòu)圖，是用來潤滑性評價及鉆頭泥包測定分析系統(tǒng) 圖 LEM潤滑儀（左）結(jié)構(gòu)原理簡圖 （右）取樣容器 鉆井液潤滑性能的評價方法 可以看出在取樣容器中有一個內(nèi)環(huán)形空間以便使鉆井液能夠通過砂巖巖心的孔連續(xù)循環(huán)。該儀器可在大氣和地層條件下進行鉆井液潤滑性能的靜態(tài)或動態(tài)試驗，測量鉆具和井壁間的扭矩和摩擦系數(shù)、在不同介質(zhì)條件下泥包形成的鉆屑量以及在地層條件下動濾失量 在該系統(tǒng)中，受載的不銹鋼軸靠在巖心孔眼一側(cè)旋轉(zhuǎn)；軸的扭矩由傳感器監(jiān)控，并自動給出扭矩與時間的關(guān)系，真空泵與取樣容器相連以便讓泥餅沉積在巖心孔眼的壁上。試驗可以用軸貼在裸露的砂巖泥餅上或用一根鋼管內(nèi)壁上來做（模擬套管里的扭矩情況）。每一組試驗施加幾種載荷，并繪出扭矩與載荷的關(guān)系 LEM潤滑性評價及鉆頭泥包測定分析系統(tǒng)是一種系列產(chǎn)品，技術(shù)規(guī)范如表 鉆井液潤滑性能的評價方法 表 LEM系列技術(shù)規(guī)范指標 LEM2022 LEM3000 LEM3100 溫度 室溫 室溫 21204℃ 壓力 大氣壓 0690kPa 06900kPa 壓差 0690kPa 0690kPa 06900kPa 泥漿泵壓力 690kPa 690kPa 6900kPa 回壓調(diào)節(jié)器壓力 01379kPa 試驗類型 靜態(tài) 靜 /動態(tài) 靜 /動態(tài) 接觸力 22223N 111890N 同左 轉(zhuǎn)速 50380rpm 同左 同左 扭矩 Nm 同左 同左 另外還有 LEM4000和 LEM4100型。這兩種型號的技術(shù)規(guī)范指標同 LEM3100型，不同之處是 LEM3100及以前的型號采用的是直徑和長度均為 mm的試驗軸，而 LEM4000和 LEM4100采用的是直徑 mm、長度 mm的試驗軸，并且 LEM4100型配有自動化控制裝置 鉆井液潤滑性能的評價方法