工程浆液流型分析及意义

刘 皓 张思渊 袁春娥

1 工程浆液的发展

1.1 水基钻井液的发展

钻进最初是使用清水作为洗井介质。据史料记载,公元前250年左右,秦蜀郡太守李冰开凿盐井时,已经采用向井内注水的方法来排除岩屑,这也是钻井液的最初使用。

1914年～1915年正式开始使用泥浆。“自然泥浆”通过实践证明它具有携带岩屑、净化井底、控制地层等作用。1937年,我国四川油矿勘探钻井巴一井时利用喷射水流使黏土分散成浆作为钻井液,这是我国历史上第一次使用泥浆作为钻井液。

由于“自然泥浆”钻井液仅适用于浅地层及简单地层,且具有滤失率高、易使黏土水化膨胀、对油层有损害等特点,于是在保留其优点的情况下,进一步改善和发展了钻井“泥浆”体系。先后发展了细分散钻井液、粗分散钻井液、不分散钻井液等。但此类钻井液具有不能控制固相含量和密度,不能解决大段泥、页岩的井壁稳定问题,不能满足保护油气层的要求等缺点。

从钻井实践中人们认识到将固相含量控制在一个较低的范围内对保护油气层极为有利,人们将聚丙烯酰胺引入钻井液,此后聚合物水基钻井液成为发展最迅速的一类钻井液,并且逐渐形成了聚丙烯酰胺体系。

1.2 油基钻井液的发展

油基钻井液是另外一大体系,主要用于大段泥、页岩的井壁稳定,保护油气层等问题中。经历了以原油作为洗井介质、以柴油为连续介质的有机钻井液和有保水乳钻井液、低胶型油包、低毒油包水钻井液几个阶段的发展。近年来,全油钻井液大量使用于定向井和水平井中。

1.3 含气体可压缩钻井流体液的发展

气体可压缩钻井流体液是一大类钻井液体系。它包括空气或天然气、雾、泡沫和充气钻井流体,主要运用于低压易漏地层、缺水地层、水敏性地层及永冻地层中。20世纪20年代最早开始运用,50年代泡沫流体开始研制并广泛运用,70年代至今进一步发展,在压裂方面起到巨大作用。

2 钻井液流型分析

不同钻井液的流变关系大体上可以分为四种理论流型,即牛顿流型、宾汉流型、幂律流型和卡森流型。钻井液的流型主要取决于构成钻井液的材料组成及其它们的含量。

2.1 牛顿流型

牛顿流型的特点是其流变性通过原点的一条直线,见图1。它表示在一定温度和压力条件下,牛顿粘度为一个常数,可以用牛顿流变方程来表示:

其中,η为牛顿粘度或称为动力粘度;γ为剪切速率或流速梯度。

实践表明,气体、水、甘油、硅油、油(除高剪切速率下高粘度的油外)、低分子化合物溶液等均属于牛顿流型。

对于不同粘度的牛顿流型,粘度越高,其斜率越大;粘度越低,斜率越小。

此外,牛顿流型除用动力粘度表示外,也可以用运动粘度表示,即:

其中,ρ为密度;η为运动粘度。

2.2 宾汉流型

当外力超过一定值后,流体作为层流流动,其流变曲线呈斜直线变化,可用宾汉方程来表示:

反映流体在层流下达到动平衡(网架结构的拆散速度等于恢复速度)时,固相颗粒之间、固相颗粒与液相之间以及液相摩擦力。在实际中,由于固相颗粒的高度不均匀,在表面引力和斥力作用下易形成结构,在低剪切速率下流变曲线发生偏离,形成曲线变化,当剪切速率增加至层流变化时才呈直线变化,这种流体称为粘塑性流体。

2.3 幂律流型

如图1所示,幂律流型的流变曲线为通过原点的曲线,它们可用幂函数或者幂律模式来表示:

其中,K为稠度系数;n为流型指数,无量纲。

从上式可以看出,n越高或越低,曲线越弯曲,非牛顿性越强,泥浆的 n一般在0.5以下为好。

对于 n的变化,我们可以将其分为三个小类,当 n＞1时,为膨胀流体,当 n＜1时,为假塑流体,当 n=1时,为牛顿流型。

2.4 卡森流型

在现实工作中,由于在极高或极低的剪切速率下,广泛采用的宾汉模式不能精确表达出钻井液的特点,幂律模式虽可以较好的表达低剪切速率和中剪切速率的资料,但高剪切速率的资料仍然不准确,而1979年由 Lauzon和Reed提出的卡森模式可以在低剪切速率和中剪切速率的资料的基础上准确的预测高或极高的剪切速率下粘度的变化。

卡森模式建立的基础是假定凝聚成长条的棒状物,在剪切下特别是高剪切速率下可以分解成原始短颗粒。其是一个经验公式,表示如下:

由上式可知,卡森模式斜率越大,泥浆的剪切稀释作用越好。在实际运用中,我们常常在较大剪切速率范围内把塞流、层流和紊流状态用直线连接在一起,从而进行泥浆的流变型分析。

3 研究浆液流变型的意义

浆液的流变型对钻进、排屑、孔壁稳定、钻孔漏失及流动阻力等均有重要的意义,理论与实践已经证明,泥浆粘度越高,机械钻速越低,如清水的机械钻速就比泥浆高。这里指的是泥浆的表观粘度对钻速的影响。泥浆是剪切稀释流体,随着剪切速率的提高粘度下降。不同的泥浆剪切稀释作用是不同的,剪切稀释作用好的泥浆有利于悬浮携带钻屑以及稳定孔壁等功效,在超深井、高压喷井及金刚石岩芯钻进时均要求泥浆具有良好的剪切稀释作用,以利于提高钻速。

近代泥浆多采用高分子聚合物作为泥浆处理剂,往往变现为假塑流型或屈服值的假塑流型,其流变方程和流变参数与宾汉方程有很大的区别,水力损失计算也有很大区别,而且许多泥浆都属于触变流体,时间对其影响很大。所以到目前为止,触变流体的变化规律仍未研究清楚。

随着各种生产的发展,泥浆的用途、用量及对泥浆的要求越来越高。泥浆流变型的研究对泥浆的发展具有重要实用意义和理论研究价值,因此,对其流变型的研究也越来越受到人们的关注。

[1] 乌效鸣.钻井液与岩土工程浆液[M].武汉:中国地质大学出版社,2002.

[2] 黄汉仁.泥浆工艺学原理[M].北京:石油工业出版社,1981.

[3] 贾 铎.钻井液[M].北京:石油工业出版社,1980.