【正文】 愈長(zhǎng)，處理劑耗量必然愈大，且增加了深井鉆井液的技術(shù)難度。隨著井深度增加溫度升高，鉆井液處理劑耗量明顯增加的總趨勢(shì)是相同的。一般采用表面活性劑則可抑制體系pH值的下降或采用較低pH的鉆井液體系。鉆井液礦化度愈高，其下降程度愈大，經(jīng)高溫作用后的飽和鹽水鉆井液pH值一般下降到7～8。后者則鉆井液愈用性能愈好，且表現(xiàn)出井愈深，溫度愈高，使用時(shí)間愈長(zhǎng)，效果愈好的趨勢(shì)（即呈現(xiàn)出高溫改善鉆井液性能的趨向）。但有的鉆井液體系，如SMC－SMP鹽水鉆井液體系卻表現(xiàn)出相反的結(jié)果即高溫作用后鉆井液濾失量降低，泥餅質(zhì)量變好。2）高溫對(duì)鉆井液體系造壁性、熱穩(wěn)定性的影響鉆井液經(jīng)高溫作用后，失水增加，泥餅增厚是常見(jiàn)的現(xiàn)象。這些現(xiàn)象不僅發(fā)生在不同的鉆井液體系中，而且同一鉆井液體系在不同條件下，都有可能出現(xiàn)。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(gè)方面。（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(lái)不易發(fā)生的變化、不劇烈反應(yīng)、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(huì)因高溫作用而被加劇，綜合結(jié)果必然嚴(yán)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。[4]隨著溫度增加，鉆井液的各種性能隨之發(fā)生變化。固控設(shè)備應(yīng)能滿足高密度水基鉆井液體系流變性要求。另一方面，處理劑會(huì)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(jié)果保護(hù)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(zhǎng)作用時(shí)間還會(huì)加劇這些因素對(duì)水系的影響。處理劑及其鉆井液體系抗溫能力強(qiáng)、熱穩(wěn)定性好。通過(guò)清水量限，將造漿性、流變性與懸浮穩(wěn)定性統(tǒng)一了起來(lái)。高密度水基鉆井液的流動(dòng)性完全取決于其中可游動(dòng)的自由含水量，游離水量越多，其流動(dòng)性越好，相反，游離水量越少，其流動(dòng)性越差，嚴(yán)重時(shí)會(huì)喪失流動(dòng)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。處理劑及其鉆井液體系抗鹽、抗鈣能力強(qiáng)，抗土侵（包括巖屑）污染能力強(qiáng)。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。這是獲得更多游離自由水和實(shí)現(xiàn)高密度水基鉆井液良好流變性的前提。因此，高密度水基鉆井液體系應(yīng)遵循以下技術(shù)原則：兼顧鉆井液配漿性、流變性、抑制性的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，按鉆井液密度與坂含對(duì)照表，高密度水基鉆井液應(yīng)將坂含控制在“粘土量限”以內(nèi)，低于上限、靠近下限。凡是影響游離水結(jié)構(gòu)、活性、物理化學(xué)性質(zhì)的因素如固相（固相類(lèi)型、含量、粒級(jí)、顆粒表面性質(zhì)）、處理劑、電解質(zhì)、溫度、作用時(shí)間等都會(huì)影響高密度水基鉆井液體系中游離水含量，進(jìn)而影響其流動(dòng)性。實(shí)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。用Robinson的“自由液體”體積越小，并認(rèn)為懸浮體的粘度與這個(gè)自由體積成反比。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(jié)構(gòu)越穩(wěn)定。任何水基鉆井液體系也不例外?？梢?jiàn)，當(dāng)水中有外來(lái)物質(zhì)的混入，會(huì)增加水的粘度，使水系的流動(dòng)性變差。眾所周知，粘度是表征流體流動(dòng)行為的重要指標(biāo)。當(dāng)其結(jié)構(gòu)越來(lái)越緊密時(shí)，空隙越來(lái)越小，空隙中的重力自由水就轉(zhuǎn)化為禁閉自由水，在擾動(dòng)作用下也難以排出。圖21 粘土顆粒上雙電層吸附水膜結(jié)構(gòu)由于高分子聚合物的存在，會(huì)與粘土顆粒作用形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，除了顆粒表面、聚合物依然吸附有束縛水以外，其結(jié)構(gòu)網(wǎng)格中還有自由水。對(duì)于粗顆粒粘土來(lái)說(shuō)，水膜所占容積較粘土顆粒的體積為小，作用不大，對(duì)于細(xì)顆粒粘土，尤其是粒徑小于1um的粘土顆粒來(lái)說(shuō)，水膜不但和粘土顆粒不可分離，而且重要性超過(guò)了粘土顆粒。對(duì)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(dòng)能力，在顆粒周?chē)纬闪艘粋€(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）。束縛水外面的水分子幾乎不受靜電引力場(chǎng)的作用，保持著原有結(jié)構(gòu)，具有自由活動(dòng)的能力，稱為自由水或游離水。它也沒(méi)有傳遞靜水壓力的能力。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，～。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(dòng)的能力而整齊地、緊密地排列起來(lái)，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。水分子是由位于等腰三角形底角的兩個(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。下面就高密度水基鉆井液中低密度固相(粘土、鉆屑)對(duì)其流變性的影響作進(jìn)一步分析。簡(jiǎn)單地說(shuō)，如果高密度水基鉆井液的固含控制在最低量限、膨潤(rùn)土含也控制在最低量限（且固相粒級(jí)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(dòng)，在力學(xué)上表現(xiàn)為液體流動(dòng)，此時(shí)，高密度水基鉆井液流動(dòng)性好。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。非極性溶質(zhì)（如惰性材料、某些處理劑等）可通過(guò)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）。高密度水基鉆井液體系中的固相（膨潤(rùn)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(guò)庫(kù)侖吸引力吸于鉆井液體系中的極性組分上，形成水合物。高密度水基鉆井液的流變性決定于其中水系的流變性。通過(guò)上述對(duì)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(wèn)題是高密度水基鉆井液的核心問(wèn)題，而游離水又是這個(gè)核心問(wèn)題的落腳點(diǎn)。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(huì)因此而喪失作用效能，其結(jié)果無(wú)法控制高密度水基鉆井液流變性。另外，聚合物處理劑通過(guò)吸附與膨潤(rùn)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(wú)疑也減少了體系中游離水量。這就是目前使用的活化加重劑。加重劑粒度越小，其含量越高，鉆井液粘度也越大。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。圖23　重晶石對(duì)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(huì)使泥餅粘附系數(shù)增大，重晶石的不同篩余量對(duì)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?？梢?jiàn)，改善加重材料表面性質(zhì)（如由原來(lái)親水性差變成親水性好，利用其水化膜的減阻潤(rùn)滑作用降低摩擦阻力），并使其顆粒處在動(dòng)力穩(wěn)定性很好的粒級(jí)范圍內(nèi)，就可適當(dāng)減小因加重劑帶來(lái)的粘度效應(yīng)。鉆井液中混入加重劑越多，密度越高，其粘度也越大。針對(duì)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。同時(shí)與加重漿本身性能有關(guān)，對(duì)同類(lèi)加重劑而言，活化過(guò)的加重劑加重漿懸浮穩(wěn)定性優(yōu)于未活化的加重劑。5）對(duì)同一種加重劑，活化過(guò)的粘度效應(yīng)小于未活化過(guò)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。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。2）對(duì)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(duì)鉆井液失水量的影響不同，加重前鉆井液失水量大的，加重劑對(duì)鉆井液失水量的影響大。水不溶性石粉類(lèi)，國(guó)內(nèi)外常用的有石灰石粉、重晶石和鐵礦粉。鉆井完井液上常用的水溶性鹽類(lèi)加重劑主要有 NaCl、KCl、CaCl2；不常用的有KBr、ZnClKCOOH等。而PH10以后，PH的增加卻導(dǎo)致膨潤(rùn)土漿的空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)變?nèi)?，?dòng)切力下降。圖22 PH值對(duì)鉆井液流變性能影響規(guī)律 由圖22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=910兩段升高速度較快，而動(dòng)切力先增高，到PH=10時(shí)到達(dá)最高值后降低。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(guò)程中鉆井液性能的實(shí)際變化情況。各類(lèi)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再增大的第三種趨勢(shì)。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。它屬于抗溫能力較強(qiáng)但粘土含量較低的分散鉆井液。高溫對(duì)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。在鉆井過(guò)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，鉆井液的各種性能都會(huì)隨溫度升高而發(fā)生改變。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”。膨潤(rùn)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(huì)加劇膨潤(rùn)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，而且膨潤(rùn)土膠粒嚴(yán)重累積，碰撞機(jī)率增加，使得鉆井液體系流動(dòng)性變差，熱穩(wěn)定性差，嚴(yán)重時(shí)會(huì)喪失流動(dòng)性。這充分說(shuō)明膨潤(rùn)土水化分散后，形成網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，隨著膨潤(rùn)土加量的增加，塑性粘度上升較為緩慢，而動(dòng)切力一直上升。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)作出膨潤(rùn)土含量對(duì)鉆井液漿流變性影響圖21，從而得出影響規(guī)律，如下圖。由于在水基鉆井液中膨潤(rùn)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。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。（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(lái)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。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(duì)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，在加重材料的分散程度（粒度、級(jí)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。2) 對(duì)于無(wú)固相鉆井液完井液，粘度主要由液相粘度構(gòu)成。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。如果令賓漢流變模型中的塑性粘度等于(23)、(24)二式的粘度，則鉆井液懸浮體系的總粘度可以寫(xiě)作：低固相η=ηx|ηG=η0（1+k1Φ+khSΦ）+ηG (25)高固相時(shí)，取懸浮體系粘度公式的前三項(xiàng)：η=ηx+ηG=η0{1+k1（1+hS）Φ+ k2（1+hS）2Φ2}+ηG (26)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(kāi)液體系液相粘度、總固相產(chǎn)生的粘度、固相粒子分散帶來(lái)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。 對(duì)于稀溶液和稠溶液，Einstein粘度公式可分別寫(xiě)作：ηx=η0（1+kΦ） (21)ηc=η0(1+k1Φ+k2Φ2+…+knΦn) (22)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?duì)于稀溶液ηx=η0(1+k1Φ+khSΦ) (23)對(duì)于稠溶液ηc=η0(1+k1（1+Hs）Φ+k2（1+hS）Φ2+…+kn（1+hS）nΦn) (24) 以上公式中，ηx為稀溶液粘度；ηc為稠溶液粘度；η0為純?nèi)芤赫扯龋籯、kk2均為常數(shù)；Φ為固相百分?jǐn)?shù)；S為固相比表面；h為顆粒溶劑化膜厚度。 (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、積累不易清除四方面特點(diǎn)。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。 在深井鉆井中，高密度(ρ＞)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)攻關(guān)的難題之一。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(wèn)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。技術(shù)思路如下圖11膨潤(rùn)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(rùn)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(duì)策探討流變性能的作用機(jī)理潤(rùn)滑性能作用機(jī)理濾失造壁性作用機(jī)理圖11 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(dòng)和變形的特性，其中流動(dòng)性是主要的方面。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：①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(lái)固相顆粒的分散性→降低ηs；②大幅度降低鉆井液中的低密度膨潤(rùn)土含量→降低ηG和η；③大幅度降低鉆井液中的總固相含量→降低ηs和ηG。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(shì)必導(dǎo)致體系鉆屑容量很低，一旦遇到外來(lái)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。[2]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(guò)程中可能遇到的問(wèn)題和難點(diǎn)，探討合理解決問(wèn)題的辦法。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(wèn)題，也是現(xiàn)階段急切需要解決的問(wèn)題。這樣就會(huì)導(dǎo)致固相含量在一個(gè)較高的水平，這種情況所帶來(lái)的最直接威脅顯然是鉆井液流動(dòng)性變差,并且無(wú)法以比較合理的成本進(jìn)行稀釋或置換。高密度鉆井液體系隨著