【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 用：當(dāng)電解質(zhì)加入到鉆井液后，電離出的陽(yáng)離子進(jìn)入吸附層，使ξ電勢(shì)降低，當(dāng)ξ電勢(shì)降低到一定程度，其靜電斥力和吸附溶劑化層的阻力減小到不足以阻止膠粒聚結(jié)時(shí)，鉆井液就要發(fā)生明顯聚結(jié)。聚結(jié)作用常以分散相顆粒的沉淀而告終。電解質(zhì)的聚結(jié)作用主要包括吸附作用、離子交換吸附作用、壓縮雙電層作用。鉆井液開(kāi)始明顯聚結(jié)時(shí)所加電解質(zhì)的最低量濃度稱為聚結(jié)值。一般以“103mol/L”為單位。影響電解質(zhì)聚結(jié)的因素可概括如下：a電解質(zhì)的濃度：鉆井液中加入同種電解質(zhì)的濃度越大，進(jìn)入吸附層的反離子越多，ξ電勢(shì)越小，越易發(fā)生聚結(jié)。b電解質(zhì)的離子價(jià)數(shù)：加入電解質(zhì)的離子價(jià)數(shù)越高，與粘土表面定勢(shì)離子的吸力越強(qiáng)，吸附層電量E吸越大，ξ電勢(shì)越小，越易發(fā)生聚結(jié)。c電解質(zhì)的離子半徑：在離子濃度相同、價(jià)數(shù)相同的條件下，離子半徑越大，對(duì)極性水分子的吸力越小，水化膜越薄，越易進(jìn)入吸附層內(nèi)，使ξ電勢(shì)降低，水化膜斥力減小，顆粒易發(fā)生聚結(jié)。鉆井液流變性指鉆井液流動(dòng)和變形的特性。其流變性直接影響鉆速、泵壓、攜屑、固井，關(guān)系到鉆井速度和成本。所以，控制鉆井液流變性具有重要的意義。：⑴速度梯度和剪切應(yīng)力液體流動(dòng)時(shí)各質(zhì)點(diǎn)的速度不同，如圖551所示。把流動(dòng)的液體分為若干層，在垂直于流速方向上令某一液層間距為dx，液層流速增量為dυ，則比值dυ/dx表示垂直于流速方向上單位距離內(nèi)的流速增量，稱為流速梯度（或剪切速率），簡(jiǎn)稱速梯。速梯大，表示液流中流速變化大，反之表示流速變化小。速度梯度用符號(hào)y表示，在SI單位制中，流速的單位為m/s，距離的單位為m，速梯的單位為s1。既然液流中各層的流速不同，也就是說(shuō)層間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，則不同的液層之間發(fā)生內(nèi)磨擦，也即兩液層產(chǎn)生相互剪切作用，出現(xiàn)成對(duì)的內(nèi)磨擦力（剪切力），阻礙了各液層的相對(duì)運(yùn)動(dòng)（或稱剪切變性）。牛頓內(nèi)磨擦定律：液體流動(dòng)時(shí)，液層間產(chǎn)生的內(nèi)磨擦力F的大小與液體的性質(zhì)及溫度有關(guān)，并與速梯dυ/dx和兩液層的接觸面積S有關(guān)。⑵流變曲線液體的流變特性可用流變曲線表示。流變曲線是速度梯度和剪切應(yīng)力關(guān)系的曲線。由實(shí)驗(yàn)求出一系列速度梯度和剪切應(yīng)力的數(shù)據(jù)，就可在直角坐標(biāo)系中作出速梯變化的曲線，或剪切應(yīng)力隨梯變化的曲線。這兩種形式實(shí)質(zhì)上是一樣的，只是兩坐標(biāo)互換而已。:液體是指隨盛放容器的形狀而改變其自身形狀的物質(zhì)。常把液態(tài)流體分為牛頓流體和非牛頓流體。凡是流變性符合牛頓內(nèi)磨擦定律的流體都稱為牛頓流體；流變性不符合牛頓內(nèi)磨擦定律的流體統(tǒng)稱為非牛頓流體。四種基本流型如圖552所示。⑴牛頓流型：像水等大多數(shù)純液體、低粘度油類及低分子化合物溶液等，都屬于牛頓流型。其特點(diǎn)是：a流變曲線是通過(guò)原點(diǎn)的直線，如圖552所示。b加很小的力就能發(fā)生流動(dòng)，且速梯與切應(yīng)力成正比。c粘度不隨切應(yīng)力或速梯變化，是一個(gè)常量。該粘度叫絕對(duì)粘度，用“η絕”表示。⑵塑性流型：一般鉆井液都屬于這種流型。它和牛頓流型不同，其特點(diǎn)是：a流變曲線不通過(guò)原點(diǎn)，如圖552所示。b施加的切應(yīng)力必須超過(guò)某一最低值τS，然后才能流動(dòng)。這個(gè)開(kāi)始流動(dòng)的切應(yīng)力τS稱為靜切應(yīng)力，又叫凝膠強(qiáng)度。c當(dāng)切應(yīng)力τ＞τS時(shí)，塑性流體還不能均勻地被剪切，粘度隨切應(yīng)力的增大而降低。d繼續(xù)增加切應(yīng)力，粘度不再隨切應(yīng)力而變化，此時(shí)流變曲線成為直線。這個(gè)不隨切應(yīng)力而變化的粘度，稱為塑為塑性粘度，用“η塑”表示。e延長(zhǎng)這段直線不通過(guò)原點(diǎn)，而是與切應(yīng)力軸相交于τ0，τ0稱為動(dòng)切力，或稱屈服值。⑶假塑性流型：高分子化合物溶液、乳狀液及某些鉆井液都屬于這種流型。其特點(diǎn)是：a流變曲線通過(guò)原點(diǎn)并凸向切應(yīng)力軸，如圖552所示。b施加極小的切應(yīng)力就可流動(dòng)，沒(méi)有靜切應(yīng)力。c它的粘度隨切應(yīng)力的增大而降低。⑷膨脹流型:如面團(tuán)等屬于膨脹流型。其特點(diǎn)是：a流變曲線是通過(guò)原點(diǎn)并凹向切應(yīng)力軸的曲線，如圖552所示。b沒(méi)有靜切應(yīng)力。c它的粘度隨切應(yīng)力的增大，靜止時(shí)又恢復(fù)原狀。：鉆井液是具有結(jié)構(gòu)性的流體，一般屬于塑性流體，其流動(dòng)性不同于牛頓流體。隨剪切應(yīng)力的增加，塑性流體流動(dòng)可經(jīng)過(guò)靜止、塞流（或叫柱流）、不完全層流（也稱準(zhǔn)層流或平板型層流）、層泫（或稱線性流）、紊流等五種流態(tài)，如圖553所示。1 靜止：如圖553中OA段，這時(shí)0＜τ＜τS。雖然對(duì)鉆井液施加一定的剪切應(yīng)力，但因此力校小，鉆井液形成的結(jié)構(gòu)未被破壞，所以鉆井液仍然靜止不動(dòng)。τS稱為鉆井液極限靜剪切應(yīng)力，它是鉆井液靜止?fàn)顟B(tài)下結(jié)構(gòu)力大小的量度。⑵塞流：如圖553中AB段，τS＜τ＜τB。當(dāng)剪切應(yīng)力值大于極取勝靜剪切應(yīng)力τS時(shí)，鉆井液內(nèi)部結(jié)構(gòu)開(kāi)始破壞，鉆井液開(kāi)始流動(dòng)。鉆井液在此流態(tài)下各質(zhì)點(diǎn)不僅流動(dòng)方向相同，而且速度一樣，皆等于υ0，只是在靠近管壁處，速度由0增加到υ0。整個(gè)液體類似一個(gè)固體塞子在管內(nèi)滑動(dòng)（像擠牙膏一樣），所以這種流型稱為塞流。⑶不完全層流：υ1τB＜τ＜τC。隨剪切應(yīng)力增加，塞流區(qū)的半徑減小，層流區(qū)擴(kuò)大。中間的塞流區(qū)（或稱流核）各質(zhì)點(diǎn)流動(dòng)速度一樣，皆等于υ1；而在層流區(qū)，速度由管壁處的0增加到臨近流核處的υ1。這種流態(tài)稱為不完全層流或準(zhǔn)層流。⑷層流：如圖553中CD段，鉆井液完全進(jìn)入層流狀態(tài)。管壁處流速為0，從管壁至管中心線處各液層流速逐漸增加，在管中心線處流速達(dá)最大，就像不同速度的同心圓筒流動(dòng)一樣，如圖554所示。這種流態(tài)稱為層流。在層流狀態(tài)下，隨剪切應(yīng)力增加，中心線處的最大流速升高，速度梯度增加，流型剖面的拋物線形狀變得更尖更脆。⑸紊流：如圖553中D點(diǎn)以后段，τD＜τ。這時(shí)各質(zhì)點(diǎn)開(kāi)始做無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，方向各不相同，出現(xiàn)漩渦和花紋，但流動(dòng)剖面最前邊的端線呈扁平狀，流速相當(dāng)高。這種流動(dòng)狀態(tài)稱為紊流。：根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際的需要，通?？衫靡恍┖?jiǎn)單的代數(shù)方程來(lái)近似描述鉆井液的流變性。⑴賓漢方程賓漢提出用不通過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)的直線方程描述鉆井液，叫賓漢方程。本方程得到廣泛應(yīng)用。其表現(xiàn)形式為： 式中τ——剪切應(yīng)力，map；η塑——鉆井液的塑性粘度，map．ｓ；——速度梯度，S1；τ0——鉆井液的動(dòng)切應(yīng)力，map。⑵指數(shù)方程指數(shù)方程也叫冪律方程，用來(lái)描述鉆井液的流變性，特別是在環(huán)空水力學(xué)計(jì)算中得到廣泛的應(yīng)用。其表現(xiàn)形式為：卡森模式方程是用三個(gè)流變參數(shù)來(lái)說(shuō)明鉆井液流變性質(zhì)的。ηOC相當(dāng)于鉆井液中分散相和高分子化合物在極限高切變率下被高度分散和變形后的流變結(jié)構(gòu)，故可作為鉆井液的近似水眼粘度。τ0相當(dāng)于鉆井液從開(kāi)始流動(dòng)到切變率極限高之間，可供拆散的鉆井液結(jié)構(gòu)程度。一般來(lái)說(shuō)，τ0越大，鉆井液的切變稀釋特性越好。η相當(dāng)于鉆井液靜態(tài)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)弱，故可與鉆井液的懸浮和攜帶巖屑的能力相聯(lián)系?？ㄉＪ降膽?yīng)用對(duì)鉆井液在極限高切變率（如鉆頭水眼處）情況下的變化規(guī)律、鉆井液對(duì)鉆井速度的影響以及鉆頭水眼處噴射情況的分析等都具有重要意義。另外，還有雙曲線模式方程、屈服型塑性流體方程等，因目前應(yīng)用均不廣泛，在此就不再一一介紹了。：⑴切力：鉆井液的切力是指靜切應(yīng)力，其膠體化學(xué)實(shí)質(zhì)是膠凝強(qiáng)度。其物理意義是鉆井液靜止時(shí)，破壞鉆井液內(nèi)單位面積上的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)所需要的剪切力，單位是Pa。初切力是鉆井液攪拌后靜止1min測(cè)得的靜切力，用G1（或θ1）表示；終切力是攪拌后靜止10min測(cè)得的靜切力，用用G10（或θ10）表示。目前多用旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)量。靜切力的大小取決于鉆井液中網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的多少、強(qiáng)弱以及靜止時(shí)間。a觸變性：鉆井液的觸變性是指攪拌后鉆井液變稀（切力降低），靜止后又變稠（切力升高）的特性。或者說(shuō)，鉆井液的切力隨靜止時(shí)間和最終的膠凝強(qiáng)度（或切力）的大小，是觸變性的主要特征。鉆井液工藝要求鉆井液應(yīng)具有良好的觸變性。b動(dòng)切力（τ0，YP）：動(dòng)切力表示鉆井液在層流流動(dòng)時(shí)形成結(jié)構(gòu)的能力，又叫屈服值，單位是Pa。影響動(dòng)切力的因素是鉆井液中的固相含量及分散度、粘土顆粒的電動(dòng)電勢(shì)和水化程度、粘土顆粒吸附處理劑的情況及高分子聚合物的使用等。固相含量越大，分散度越高，即固相顆粒的濃度越大，顆粒間的距離越遠(yuǎn)，越易形成較大或較密的空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，YP就越大，粘土顆粒的ζ電位降低，粘土顆粒之間的斥力就減小，而屏蔽它們彼此接近的水化膜也變薄，便越容易使粘土顆粒以端對(duì)端、端對(duì)面的形式構(gòu)成校大或較強(qiáng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，使YP增大；粘土顆粒吸附處理劑后若能改變其端部的狀態(tài)（端部的水化膜增厚，端部吸附有減稠劑的分子），便能阻止其網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的形成或削弱網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，使YP減小；高分子聚合物由于其分子很大，當(dāng)加入一定的數(shù)量后，它們會(huì)在鉆井液中形成一定的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，使YP增大。由以上分析可知，要降低YP，可加稀釋劑拆散網(wǎng)架結(jié)構(gòu)；若提高YP，可加無(wú)機(jī)鹽電解質(zhì)，加預(yù)水化膨潤(rùn)土漿，加生物聚合物以及加相當(dāng)數(shù)量的高分子聚合物，促使網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的形成。c塑性粘度：指鉆井液層流時(shí)，固體顆粒與固體顆粒之間、固體顆粒與液體分子之間、液體分子與液體分子之間磨擦力的總和。用η塑或PV表示，單位是Pa．s。它是由鉆井液中的固相含量、固體顆粒形狀和分散度、表面潤(rùn)滑性及液體本身的粘度等因素決定的。降低塑性粘度一般可使用旋流除砂器，使用絮凝劑控制固相含量，適當(dāng)加清水稀釋，補(bǔ)充低密度鉆井液等方法。提高塑性粘度可用加粘土（非膨潤(rùn)土類）、重晶石粉或混油等方法。d結(jié)構(gòu)粘度（η結(jié)）：鉆井液內(nèi)部存在空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，這種網(wǎng)架結(jié)構(gòu)同樣會(huì)對(duì)鉆井液流動(dòng)產(chǎn)生阻力，由空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)形成的這部分流動(dòng)阻力叫結(jié)構(gòu)粘度。若無(wú)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，就無(wú)結(jié)構(gòu)粘度。其影響因素與動(dòng)切力相同。e表觀粘度：又稱有效粘度或視粘度，是指在某一速度梯度下，剪切應(yīng)力與速度梯度的比值。用AV表示，單位是Pa．s。公式由賓漢公式推出為：AV=PV+η結(jié)由式（556）可知，表觀粘度受塑性粘度、動(dòng)切力和速度梯度的影響。塑性流體的表觀粘度由塑性粘度和結(jié)構(gòu)粘度兩部分組成。f剪切稀釋特性：在組成表觀粘度的三個(gè)參數(shù)中，雖然塑性粘度和動(dòng)切力是鉆井液本身性質(zhì)，不隨速度梯度變化，但表觀粘度隨速度梯度的增大而降低。表觀粘度隨速度梯度的增大而降低的特性，稱剪切稀釋特性。顯然，PV越低，YP越大，動(dòng)塑比（YP/PV）越大，剪切稀釋能力越臺(tái)。鉆井要求鉆井液有較強(qiáng)的剪切稀釋特性。g稠度系數(shù)K：鉆井液的稠度系數(shù)表示液體的可泵性和直觀流動(dòng)性，反映鉆井液的稠稀程度，可以認(rèn)為它是鉆井液的表觀粘度。它既受鉆井液內(nèi)磨擦力的影響，又受結(jié)構(gòu)力的影響。由冪律方程可知，K的單位是mPa．S。提高K值的方法有兩種：若n值不變，只升高K值，右采用加惰性固體物質(zhì)（如重晶石粉）等；若n值降低，K值升高，可將預(yù)水化膨潤(rùn)土加入到鹽水鉆井液或鈣處理鉆井液中，或者加入適當(dāng)?shù)幕衔?。若膨?rùn)土加到淡水鉆井液中，可使K值升高，n值略升。要使Ｋ值或ｎ值都升高，可加入淀粉、Ｎａ—ＣＭＣ或某些野生植物處理劑。h流性指數(shù)ｎ：它是鉆井液結(jié)構(gòu)力的一種表示，也是鉆井液觸變性或剪切稀釋特性強(qiáng)弱的表示。由冪律方程可知，當(dāng)ｎ＝１時(shí)，變?yōu)榕ｎD公式，流體為牛頓流體。ｎ值越大，剪切稀釋能力越弱，液體的非牛頓性越弱；反之，則剪切稀釋能力越強(qiáng)。對(duì)塑性流體，一般ｎ值小于１。ｎ是無(wú)因次量。降低ｎ值有利于攜帶巖屑，清洗井底。一般是加聚合物、無(wú)機(jī)鹽類，或?qū)㈩A(yù)水化的膨潤(rùn)土加入含鹽系統(tǒng)等。：旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)有手搖兩速、電動(dòng)兩速和電動(dòng)六速等幾種。兩速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)外筒轉(zhuǎn)速為300r/min和600min兩個(gè)速度，六速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)外筒轉(zhuǎn)速有100、200、300、600r/min六個(gè)速度。盡管兩種粘度計(jì)的類型不同，但其結(jié)構(gòu)和原理基本是一樣的。測(cè)量流變參數(shù)主要用六速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)。⑴六速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)的結(jié)構(gòu)及工作原理：a結(jié)構(gòu)：它由五部分組成，即電動(dòng)機(jī)、恒速裝置、變速裝置、測(cè)量裝置和支架裝置。恒速裝置和變速裝置合稱旋轉(zhuǎn)部分。在旋轉(zhuǎn)部件上固定一個(gè)外筒——旋轉(zhuǎn)筒；測(cè)量裝置由測(cè)量彈簧部件、刻度盤(pán)和內(nèi)筒組成，內(nèi)筒通過(guò)測(cè)量彈簧固定在機(jī)體上，扭簧上附有指針（或刻度盤(pán)）。b工作原理：測(cè)定時(shí)內(nèi)筒和外筒同時(shí)浸沒(méi)在鉆井液中，它們是同軸心圓筒，環(huán)形間隙為1mm。當(dāng)外筒以某一恒速旋轉(zhuǎn)時(shí)，它就帶動(dòng)環(huán)形間隙中的鉆井液旋轉(zhuǎn)，因鉆井液具有粘滯性，使與扭簧連接的內(nèi)筒轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度。據(jù)牛頓內(nèi)磨擦定律，轉(zhuǎn)動(dòng)角度的大小與鉆井液的粘度成正比，于是鉆井液粘度的測(cè)量就轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)筒轉(zhuǎn)角的測(cè)量，轉(zhuǎn)角的大小可直接從刻度盤(pán)上讀出。這就是直讀式旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)。⑵兩速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)的使用方法:a檢查內(nèi)外筒是否清潔干凈，然后將儀器放在比較平穩(wěn)的工作臺(tái)上。b校正外筒偏擺量。，則應(yīng)將外筒取下重裝。]c標(biāo)定零點(diǎn)。眼睛必須垂直于放大鏡進(jìn)行觀察，如指針不是零位，應(yīng)進(jìn)行調(diào)整。d把剛攪拌好的鉆井液準(zhǔn)確倒入事先放好的鉆井液杯中，將內(nèi)、外筒浸沒(méi)到鉆井液中，使鉆井液液面與外筒刻度線相平。e將調(diào)速桿放到最低位置，順時(shí)針?lè)较騽蛩倏焖俎D(zhuǎn)動(dòng)手柄（電動(dòng)結(jié)構(gòu)啟動(dòng)開(kāi)關(guān)），此時(shí)外筒轉(zhuǎn)速為600r/min。待刻度盤(pán)穩(wěn)定不變時(shí)，記下此時(shí)刻度盤(pán)的讀數(shù)，即為600r/min時(shí)的讀數(shù)，用φ600表示。f換擋，即把調(diào)速桿提到最高位置，順時(shí)針?lè)较騽蛩倏焖俎D(zhuǎn)動(dòng)手柄（電動(dòng)結(jié)構(gòu)啟動(dòng)開(kāi)關(guān)），此時(shí)外筒轉(zhuǎn)數(shù)為300r/min。待刻度盤(pán)穩(wěn)定不變時(shí)，記下此時(shí)刻度盤(pán)的讀數(shù)，即為300r/min時(shí)的讀數(shù)，用φ300表示。六速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)可根據(jù)需要放至所需速度的擋位上，方法同兩速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)。⑶用旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)靜切力的方法:a使內(nèi)、外轉(zhuǎn)筒浸沒(méi)在鉆井液中，使鉆井液液面與外筒刻度線相平，并以600r/min的速度攪拌1min后停止轉(zhuǎn)動(dòng)。b讓鉆井液靜止10s，然后用用扶住外筒流滾花處，按順時(shí)針?lè)较蚓徛亍⑤p輕地轉(zhuǎn)動(dòng)（六速粘度計(jì)可能3r/min的速度，啟動(dòng)電源開(kāi)關(guān)），刻度盤(pán)上的最大讀數(shù)值除以2即為初切力，用“G1”表示，單位“Pa”。c再攪拌鉆井液1min并靜止10min，重復(fù)上述測(cè)量，所得到刻度盤(pán)上最大讀數(shù)除以2稱為終切力，用“G2”表示，單位“Pa”。⑷注意事項(xiàng):a對(duì)于手搖兩速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)，使用時(shí)不要單手操作，以免因劇烈晃動(dòng)而損壞。b觀看讀數(shù)時(shí)，眼睛盡可能與刻度盤(pán)垂直，嚴(yán)防斜視，以免數(shù)值不準(zhǔn)。c清洗內(nèi)筒時(shí)，防止內(nèi)筒轉(zhuǎn)動(dòng)。⑸測(cè)量結(jié)果處理:因旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)是直讀式的，故只需在刻度盤(pán)上讀出各轉(zhuǎn)數(shù)下的扭轉(zhuǎn)格數(shù)，就可算出各流變參數(shù)。公式如下：:鉆井液的流變性對(duì)鉆速的影響主要表現(xiàn)為粘度對(duì)鉆速的影響：⑴由于鉆