【正文】 子聚合物能吸附到井壁上帶負電的粘土表面和巖屑上,從而抑制頁巖的分散。5）聚乙二醇：被廣泛用于控制出問題的頁巖層。6）Therma Via （超高溫鉆井液材料） ：增粘劑,亦有潤滑性。這些處理劑的出現(xiàn),解決了現(xiàn)場上的一些技術(shù)上的難題或提高了鉆井液的性能指標。如流變性問題,常常一種體系在某口井使用時表現(xiàn)出了良好的流變性能,但換給地方就失去了其良好的流變性性能,主要歸結(jié)于體系還不很成熟。[1]高密度鉆井液在經(jīng)過幾十年的發(fā)展歷程以后，在很多特殊井的鉆探過程中取得了一定的成果，比較好的滿足了鉆井的需要。根據(jù)國內(nèi)外現(xiàn)階段高密度鉆井液應(yīng)用的現(xiàn)狀，和高密度鉆井液在各個油田的實際應(yīng)用實例，以下總結(jié)出高密度鉆井液現(xiàn)階段的應(yīng)用難點。2) 高密度條件下(特別是密度高于2. 20g/cm3 )井眼環(huán)空水力環(huán)境漸趨惡化,由于體系的固相含量和液柱壓力很高,導(dǎo)致固相粒子在井壁的沉積機會增大,要求液流具有一定的沖刷能力以抵消這種沉積效應(yīng),但由于高密度體系的循環(huán)慣性大,排量難以提高,操作難度很大。通常情況下,稀釋劑的稀釋效果會隨著鉆井液體系固相含量的升高而降低,由于高密度體系固相體積分數(shù)一般均高于30 % ,常規(guī)稀釋劑可能根本無效,必須使用專門的高效稀釋劑。在高密度條件下,為了降低流動阻力,通常需要向體系中添加一定數(shù)量的潤滑材料,這固然能夠減小固相之間的摩擦效應(yīng),但同時也增加了相界面阻力(相界面由原來的水—固兩相增加為水—固—油三相) ,如果潤滑劑使用不當,不但無法改善流動性,而且會由于相界面阻力的增大使體系流動性急劇變差。5) 高密度條件下固控設(shè)備的使用受到了很大的限制。盡管從理論上講如果現(xiàn)場配備1 臺可變速的中速離心機(2000～4000 r/ min) 和1 臺高速離心機(大于6000r/ min) 即可具備加重劑回收能力,但實際操作起來尚有許多問題需要解決。6) 高密度體系理想固容量的確定比較困難。而且隨著鉆井液的循環(huán)，鉆井液中細小的鉆屑混入鉆井液中，由于現(xiàn)在的鉆井液固相設(shè)備對高密度鉆井液加重材料的清除效率比較低，那么就伴隨鉆屑的不完全清除。然而確定高密度條件下固相含量隨密度的合理變化是一件比較困難的事,必須要綜合考慮加重劑種類、固控設(shè)備使用情況、離心機使用的經(jīng)濟性評價以及現(xiàn)場維護處理水平等各種因素,難以進行簡單的量化。這些問題的解決將使高密度鉆井液技術(shù)的應(yīng)用提高到一個新的層次。主要研究內(nèi)容如下：1) 高密度鉆井液流變性作用機理2) 高密度鉆井液濾失性作用機理3) 高密度鉆井液加重材料的選擇4) 高密度鉆井液膨潤土含量的確定5) 鉆井液高溫高壓條件下的穩(wěn)定性6) 高密度鉆井液濾失量的控制7) 高密度鉆井液流變性的條款通過研究國內(nèi)外有關(guān)高密度鉆井液文獻、高密度鉆井液在各油田的實際應(yīng)用、高密度鉆井液應(yīng)用中遇到的問題，分析高密度鉆井液作用機理，發(fā)現(xiàn)高密度鉆井液應(yīng)用中的難點和適用地質(zhì)條件，輔助以實驗和理論基礎(chǔ)，得出可行的解決高密度鉆井液技術(shù)難點的處理措施。因此，這種體系中低密度固相的含量和分散持性是應(yīng)該控制的關(guān)鍵因素。以上幾種方法的結(jié)合→降低ηG和ηs。該特性通常是用鉆井液的流變曲線和塑性粘度、動切力、表觀粘度等流變參數(shù)來進行描述的。此外鉆井液的某些流變參數(shù)還直接用于鉆井環(huán)空水力學(xué)的有關(guān)計算。它包含了兩層意思：一是難以優(yōu)化配制成具有良好流變性能的高密度水基鉆井液體系；二是難以維持鉆進過程中高密度水基鉆井液流變性能的穩(wěn)定。由于室內(nèi)配制的影響因素與現(xiàn)場維護的影響和控制因素不完全相同，因此，分析研究各種因素對高密度水基鉆井液流變性穩(wěn)定性的影響，找出影響規(guī)律，對于深井鉆井特別是提高深井鉆井成功率具有十分重要的意義。反映其膠體懸浮體流變性特征的總粘度可用Einstein經(jīng)典懸浮液粘度公式和Hiemenz溶劑化理論公式聯(lián)合表示出來。由(23)、(24)公式知，無論稀溶液或稠溶液，懸浮分散體系的粘度由三大部分組成：純?nèi)芤赫扯?、總固相帶來的粘度、固相粒子分散帶來的粘度。顯然，各部分粘度參數(shù)在不同程度上對總粘度值產(chǎn)生影響，但是，后面三項對粘度的影響程度遠遠大于液相粘度部分。1) 對于有低密度粘土固相和高密度加重材料的鉆井液完井液，粘度主要由液相粘度、低密度活性粘土相產(chǎn)生的粘度和高密度加重材料產(chǎn)生的粘度三部分構(gòu)成。3) 對于無粘土加重鉆井液完井液，粘度主要由液相粘度和非結(jié)構(gòu)加重材料固相粘度構(gòu)成，其中，加重材料固相部分對粘度的影響大于液相。總結(jié)起來說，希望由純加重材料與液相構(gòu)成的鉆井液體系，符合粘度較低原則是：加重材料的密度應(yīng)該高，粒度應(yīng)該稍大，級配合理、總用量少。由于高密度水基鉆井液自身的特點并且不可避免的要受到外來物質(zhì)的侵污，維護其流變性的穩(wěn)定性比維護普通低密度鉆井液流變性的穩(wěn)定性困難得多，主要有幾方面原因：①高固相含量帶來的粘度高；②高固相粒子分散帶來的粘度高；③固相粒子間相互作用產(chǎn)生的粘度高；④對外來物質(zhì)的侵污敏感性強。[3]水基鉆井液是由膨潤土、水（或鹽水）、多種處理劑、加重材料等組成的多相分散體系。膨潤土的含量、水化程度對水基鉆井液體系的流變性影響顯著，特別是在超高密度鉆井液體系中，固相含量極高，膨潤土性能對性能的影響更加突出。圖21 膨潤土含量對流變性影響規(guī)律從圖21可知，隨著膨潤土加量的增加，膨潤土漿的表觀粘度、塑性粘度和動切力增加，并且加量超過3%后，增加幅度變大，加量超過4%以后表觀粘度、塑性粘度增加趨勢變緩而動切力增加進一步變快。膨潤土是配制優(yōu)質(zhì)鉆井液的基本材料，膨潤土含量是影響鉆井液穩(wěn)定性、流變性的重要因素。但是膨潤土含量太低，不但滿足不了鉆井液性能要求，而且在高溫作用下會發(fā)生減稠現(xiàn)象，導(dǎo)致處理劑效能降低，于是再補加膨潤土，以彌補它的不足，但是這樣做會帶來很多后患。多年來的實踐表明，深井高密度水基鉆井液的膨潤土含量應(yīng)控制在最低量限，其熱穩(wěn)定性和流變性才能得到很好控制，處理劑的效能才能得到充分發(fā)揮，一般規(guī)律是，鉆井液密度越高，膨潤土含量應(yīng)越低。一般而言，升溫使鉆井液的造壁性能變壞，即泥餅變厚，滲透性變大，濾失量增高。第一種是粘度隨著溫度的升高反而降低。這類鉆井液流變性的構(gòu)成中，非結(jié)構(gòu)粘度所占的比重大于結(jié)構(gòu)粘度。此種鉆井液的結(jié)構(gòu)很強(包括“卡片房子結(jié)構(gòu)”和聚合物一粘土粒子的空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu))，大大超過塑性粘度對于粘度的貢獻。研究表明，這種因溫度而變化的性質(zhì)有可能是可逆的。 PH值根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)作出PH值對鉆井液流變性能影響規(guī)律圖22。在膨潤土含量一定的情況下，膨潤土的分散程度是影響塑性粘度的主要因素，圖中所示現(xiàn)象說明，在pH 10時，隨著pH值的增加膨潤土分散程度越來越強。能夠提高鉆井完井液密度的材料有兩大類：一類是水溶性加重劑鹽類，另一類是水不溶性石粉。前幾種便宜易得，但提高水溶液的密度較低，后幾種價格較貴，但提高水溶液的密度較高，這類材料水溶液粘度效應(yīng)一般很低。通過對加重材料的室內(nèi)研究得出一下幾點：1）不同粘切的鉆井液，用同種加重劑加重至相同密度時，對鉆井液粘切的影響不同，加重前鉆井液粘切大的，加重時鉆井液的粘度效應(yīng)相應(yīng)也大。3）加重劑的密度不同，加重至相同密度時粘度效應(yīng)（視粘度或表觀粘度的變化程度）也不同。4）加重劑的細度不同，加重時鉆井液的粘度效應(yīng)也不同，加重劑越細（如超細石粉），加重時粘度效應(yīng)越大。6）加重漿的懸浮穩(wěn)定性主要決定于加重漿的粘切大小，加重漿粘切高的，加重漿的懸浮穩(wěn)定性強，反之則弱。7）加重劑質(zhì)量的好壞，不僅影響泥餅的質(zhì)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。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。加重劑粒度越小，其含量越高，鉆井液粘度也越大。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(yīng)）的影響尤為突出?，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。鉆井液中混入加重劑越多，密度越高，其粘度也越大。可見，改善加重材料表面性質(zhì)（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(nèi)，就可適當減小因加重劑帶來的粘度效應(yīng)。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(zhuǎn)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。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(jié)構(gòu)、物理化學(xué)性質(zhì)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。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(zhuǎn)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(jié)果也會使高密度水基鉆井液流變性增稠。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(dǎo)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(guān)系，有著十分重要的意義。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。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。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?？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。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(zhì)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(xué)性質(zhì)上表現(xiàn)為“固體”性質(zhì)，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。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。這樣的偶極體可以為靜電引力所吸引。顆粒表面作用于粘結(jié)水的吸引力約為一萬個大氣壓。由這種緊密地擠壓在一起的水分子組成的粘結(jié)水，在力學(xué)性質(zhì)上與固體物質(zhì)完全相同，其有極大的粘滯性、彈性和抗剪強度。圍繞在粘結(jié)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(jié)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(jié)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。粘結(jié)水和它所含的離子與顆粒表面組成了雙電層的內(nèi)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）。吸附水膜是粘土顆粒與水相互作用的產(chǎn)物，從力學(xué)性質(zhì)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(xué)成分（pH、離子種類和濃度等）。另外，撇開粘土顆粒之間的碰撞、內(nèi)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(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)具有一定的強度，宏觀上表現(xiàn)為顆粒間的粘結(jié)性（見圖21）。土粒越多，細度越細，形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)越多，“圈閉”的自由水就越多，當其結(jié)構(gòu)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）。總之，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(jié)構(gòu)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(zhì)性質(zhì)（力學(xué)性質(zhì)），因而流動性差、嚴重時會喪失流動性。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(nèi)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。對于水基流體來說，沒有水的存在，是流不動的。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。水的活性越穩(wěn)定，水的物理化學(xué)性質(zhì)越穩(wěn)定，所有污染物（雜質(zhì)）越少，其流動性越好?？梢姡白杂梢后w” 體積越小，整個懸浮體的粘度就越高。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。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(diào)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。同時固含也必須保持最低，加重前就必須做到這一點。固相顆粒粒度及級配合適。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。做到這一點，其目的是使電解質(zhì)、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(jié)構(gòu)性、活性及其物理化學(xué)性質(zhì)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(shè)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。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(nèi)）所加的最高清水比例。用清水量限來評價自由水的多少。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。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。當所加處理劑能很好地包被、抑制鉆井液本