【文章內容簡介】 穩(wěn)定性強，反之則弱。同時與加重漿本身性能有關，對同類加重劑而言，活化過的加重劑加重漿懸浮穩(wěn)定性優(yōu)于未活化的加重劑。7）加重劑質量的好壞，不僅影響泥餅的質量，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，添加能提結構（尤其靜結構）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鍵因素。加入加重劑后引起的粘度變化（見圖23），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（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，就可適當減小因加重劑帶來的粘度效應。理論分析與實驗研究表明，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）的影響尤為突出。圖23　重晶石對鉆井液凝膠結構的影響加重劑質量的好壞，不僅影響泥餅的質量，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?？梢?，改善加重材料表面性質（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，就可適當減小因加重劑帶來的粘度效應。這就是目前使用的活化加重劑。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)狀結構，使粘土顆粒本身之間形成的網(wǎng)狀結構有一部分水被“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，將嚴重污染體系中的游離水，游離水的活性、結構、物理化學性質發(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，其結果無法控制高密度水基鉆井液流變性。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、潤濕反轉等，有的甚至混有瀝青類處理劑（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，其結果也會使高密度水基鉆井液流變性增稠。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，而游離水又是這個核心問題的落腳點。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致游離水含量的變化，從而進一步分析游離水和高密度水基鉆井液流變性之間的關系，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（膨潤土、鉆屑、加重劑等）、處理劑、電解質、其它添加劑等構成了其中水系的污染物（雜質），其結果這些組分與水分子之間相互作用，使水的結構性減弱（遭受破壞）、活性降低、物理化學性質不穩(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、表面電荷密度越高，水合程度也越高。非極性溶質（如惰性材料、某些處理劑等）可通過疏水鍵強烈地與水結合而形成水合物（即平常所指的水化膜）。通常，整個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，由于水結構的破壞，活性降低，導致水系出現(xiàn)化學位移，水量減少?？梢?，無論哪種情況下的水合作用，都將不同程度地減少整個水系的水量（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），組合品種（處理劑）少且加量不大，礦化度低，整個體系的水合作用雖存在，但水合程度不高，整個水系中的水量（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，在力學上表現(xiàn)為液體流動，此時，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)的微粒含量高，組合品種多而雜，礦化度高（電解質濃度高），那么整個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重堆積，這微量的可游離水自由運動將嚴重受阻，使組分與游離水成為一體一起運動，在力學性質上表現(xiàn)為“固體”性質，致使整個水系流動性差，即高密度水基鉆井液嚴重增稠，在高溫和延長作用時間情況下，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)，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個氫原子（H+）和一個位于頂角的氧原子（O2）所構成的偶極體。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水的吸引力約為一萬個大氣壓。在這樣大的壓力下，粘結水的密度比常溫普通液態(tài)水密度高，～。由這種緊密地擠壓在一起的水分子組成的粘結水，在力學性質上與固體物質完全相同，其有極大的粘滯性、彈性和抗剪強度。它也沒有傳遞靜水壓力的能力。圍繞在粘結水外面的水分子雖然也受到靜電力場的作用，但距顆粒表面較遠，靜電引力場的強度較小，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水那么大，但仍比普通液態(tài)水的要大，～，也具有較高的粘滯性和抗剪強度，不能傳遞靜水壓力，粘結水和粘滯水統(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，保持著原有結構，具有自由活動的能力，稱為自由水或游離水。粘結水和它所含的離子與顆粒表面組成了雙電層的內層（吸附層），粘滯水和它所含離子則組成了雙電層的外層（擴散層）。對于粘結水和粘滯水，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水膜，此膜被稱為吸附水膜（這種水膜與顆粒一起便構成了水合物）。吸附水膜是粘土顆粒與水相互作用的產(chǎn)物，從力學性質上看，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）主要取決于顆粒的礦物成分、顆粒表面積大小和水的化學成分（pH、離子種類和濃度等）。對于粗顆粒粘土來說，水膜所占容積較粘土顆粒的體積為小，作用不大，對于細顆粒粘土，尤其是粒徑小于1um的粘土顆粒來說，水膜不但和粘土顆粒不可分離，而且重要性超過了粘土顆粒。另外，撇開粘土顆粒之間的碰撞、內摩擦等作用，來考慮土粒含量、大小的情況，細顆粒粘土在密集到一定程度后，將會形成結構，這種結構具有一定的強度，宏觀上表現(xiàn)為顆粒間的粘結性（見圖21）。圖21 粘土顆粒上雙電層吸附水膜結構由于高分子聚合物的存在，會與粘土顆粒作用形成網(wǎng)狀結構，除了顆粒表面、聚合物依然吸附有束縛水以外，其結構網(wǎng)格中還有自由水。土粒越多，細度越細，形成的網(wǎng)狀結構越多，“圈閉”的自由水就越多，當其結構比較松散時，有相當大的空隙，空隙中就填充了在重力作用下可以排去的自由水（稱為重力自由水）。當其結構越來越緊密時，空隙越來越小，空隙中的重力自由水就轉化為禁閉自由水，在擾動作用下也難以排出?？傊?，當鉆井液中所含固相（粘土、鉆屑、加重材料等）越高、固相粒度越細、處理劑多而雜、高礦化度、空間網(wǎng)狀結構越強，除了大部分的束縛水和一部分禁閉自由水外，游離自由水就越少，使得整個體系類似于固體物質性質（力學性質），因而流動性差、嚴重時會喪失流動性。眾所周知，粘度是表征流體流動行為的重要指標。水是最基本的流體，當水中加入固體粒子形成懸浮液時，會使流體流場發(fā)生擾動，相當于連續(xù)相內部建立起了無數(shù)繞流流場，使體系在流動中出現(xiàn)額外的能量消耗而呈現(xiàn)出粘度增加?？梢?，當水中有外來物質的混入，會增加水的粘度，使水系的流動性變差。對于水基流體來說，沒有水的存在，是流不動的。任何水基鉆井液體系也不例外。因此，研究水基鉆井液體系的流變性實際上就是研究水系的流變性，凡是影響水系流變性（流動性或粘度）的因素都將影響水基鉆井液體系的流變性。在水基鉆井液（特別是高密度水基鉆井液）體系中，游離水含量越多，水的結構越穩(wěn)定。水的活性越穩(wěn)定，水的物理化學性質越穩(wěn)定，所有污染物（雜質）越少，其流動性越好。用Robinson的“自由液體”體積越小，并認為懸浮體的粘度與這個自由體積成反比。可見，“自由液體” 體積越小，整個懸浮體的粘度就越高。實際上，Robinson概念中的“自由液體” 就是高密度水基鉆井液中的游離水（自由水），“自由液體”體系即游離水含量，分散粒子即所謂的固相粒子。不難看出，高密度水基鉆井液的流動性完全取決于其中可游動的自由含水量，游離水量越多，其流動性越好，相反，游離水量越少，其流動性越差，嚴重時會喪失流動性。凡是影響游離水結構、活性、物理化學性質的因素如固相（固相類型、含量、粒級、顆粒表面性質）、處理劑、電解質、溫度、作用時間等都會影響高密度水基鉆井液體系中游離水含量，進而影響其流動性。通過上述分析，總的要求是高密度水基鉆井液體系所含固相（低固相含量）為最低量限、固相顆粒級配適合、組合品種少且高效、游離水量相對多（兼顧抑制性、配漿性失水造壁性、流變性的協(xié)調統(tǒng)一）、鉆井液體系抗溫能力強、抗鹽、抗鈣能力（鹽侵、鈣侵）強，以實現(xiàn)高溫高壓高（超高）密度水基鉆井液的良好流變性。因此，高密度水基鉆井液體系應遵循以下技術原則：兼顧鉆井液配漿性、流變性、抑制性的協(xié)調統(tǒng)一，按鉆井液密度與坂含對照表，高密度水基鉆井液應將坂含控制在“粘土量限”以內，低于上限、靠近下限。同時固含也必須保持最低，加重前就必須做到這一點。這是獲得更多游離自由水和實現(xiàn)高密度水基鉆井液良好流變性的前提。固相顆粒粒度及級配合適。既要滿足良好失水造壁性要求，又能獲得“足夠”的游離自由水，以滿足高密度水基鉆井液良好流變性要求。處理劑組合品種精、少，避免處理劑多而雜帶來的副作用，充分發(fā)揮單一功能處理劑的效能，減小體系中游離自由水的損失，實現(xiàn)高密度水基鉆井液良好流變性。處理劑及其鉆井液體系抗鹽、抗鈣能力強，抗土侵（包括巖屑）污染能力強。做到這一點，其目的是使電解質、粘土（包括巖屑）對水系的污染程度減到最低，最大程度地維持水原有的結構性、活性及其物理化學性質穩(wěn)定，同時處理劑（抑制劑）兼包被抑制鉆井液本身粘土、外來鉆屑雙重作用，配合固控設備，使其低密度固含達最低量限，以實現(xiàn)游離自由水“足夠”，性能穩(wěn)定，高密度水基鉆井液流變性良好的目的。高密度水基鉆井液的流動性完全取決于其中可游動的自由含水量，游離水量越多，其流動性越好，相反，游離水量越少，其流動性越差，嚴重時會喪失流動性，保證高密度水基鉆井液體系中有足夠的自由水是保證高密度水基鉆井液體系流變性的核心。清水量限是指欲保持井漿失水（中壓失水和高溫高壓失水）不明顯上升（即保持在合格清水量限范圍內）所加的最高清水比例。通過清水量限，將造漿性、流變性與懸浮穩(wěn)定性統(tǒng)一了起來。用清水量限來評價自由水的多少。處理劑及其鉆井液體系抗溫能力強、熱穩(wěn)定性好。因為在高溫和延長作用時間情況下，一方面加速粘土、鉆屑分散，使其固相束縛更多水，減少了游離自由水含量。另一方面，處理劑會在高溫作用下脫附，還有可能發(fā)生高溫降解而失去作用效能，結果保護不了粘土、鉆屑，使其更加污染水系，使水系游離水含量更為減少，高溫作用和延長作用時間還會加劇這些因素對水系的影響。當處理劑及其鉆井液體系抗溫能力強、熱穩(wěn)定性好時，會削弱或減緩這種影響。固控設備應能滿足高密度水基鉆井液體系流變性要求。當所加處理劑能很好地包被、抑制鉆井液本身粘土、鉆屑時，開動能發(fā)揮相應作用的固控設備（振動篩、清潔器、離心機、除泥器等）及時清除鉆井液體系中的無用固相，堅持周期性地淘罐撈砂，保證高密度水基鉆井液體系的固含、坂含在最低量限，確保其良好流變性。[4]隨著溫度增加，鉆井液的各種性能隨之發(fā)生變化。一般而言，升溫使鉆井液的流變性能變差，下面具體羅列高溫對鉆井液影響因素，這些因素又將影響鉆井液流變性。（1）高溫降低鉆井液的熱穩(wěn)定性高溫使鉆井液中各組分本身及組分之間在低溫下本來不易發(fā)生的變化、不劇烈反應、不顯著的影響都變得激化了，如果還兼有鹽、鈣、鉆屑、酸性氣體等污染，這些污染還會因高溫作用而被加劇，綜合結果必然嚴重地改變、損害以致完全破壞鉆井液原有性能，而這種影響是不可逆的永久性變化，表現(xiàn)為鉆井液體系受高溫作用的穩(wěn)定能力（或鉆井液抵抗高溫破壞的能力）減弱，即鉆井液體系的熱穩(wěn)定性降低。一般用鉆井液經(jīng)高溫作用前后性能（同一條件測定）的變化來實現(xiàn)反映鉆井液在使用過程中的井口性能的變化（有時甚至就是進、出口性能的變化）。鉆井液的熱穩(wěn)定性涉及鉆井液所有性能，它主要表現(xiàn)為以下幾個方面。1）高溫對鉆井液流變性熱穩(wěn)定性的影響l 高溫（后）增稠（指不增減鉆井液組成時、純粹為高溫所引起的變化）l 高溫（后）減稠l 高溫（后）固化實踐證明，該鉆井液經(jīng)高溫作用后，常表現(xiàn)出四種不同的現(xiàn)象，即高溫增稠、凝膠、固化及減稠。這