钻井液流变性概述

钻井液流变性概述

摘要：

钻井液在石油钻井中起着十分重要的作用，深入研究钻井液的性能，对油气井钻井液流变参数的优化设计和有效调控是钻井液工艺技术有十分重要的指导意义。根据API 推荐的钻井液性能测试标准，钻井液的常规性能包括：密度、漏斗粘度、塑性粘度、动切力、静切力、API 滤失量、HTHP 滤失量、PH 值、碱度、含砂量、固相含量、膨润土含量和滤液中的各种离子的质量浓度等。本文主要对钻井液的流变性进行综述，包括钻井液的流型及流变参数、钻井液流变性与携岩原理及井壁稳定性的关系。

关键词：钻井液 流变性 流型 携岩原理

一．钻井液在石油钻井中的作用

（1）从井底清除岩屑（2）冷却和润滑钻头及钻柱（3）造壁功能（4）控制地层压力（5）循环停止时悬浮岩屑和加重材料，防止下沉（6）从所钻地层获得资料（7）传递水力功率

二．钻井液的类型

分散钻井液 钙处理钻井液 盐水钻井液 饱和盐水钻井液 聚合物钻井液 甲基聚合物钻井液 合成基钻井液 气体型钻井液 保护油气层的钻井液

三．钻井液的流变性

钻井液的流变性是指在外力作用下，钻井液发生流动和变形的特性。

流体分为牛顿型流体和非牛顿型流体，非牛顿型流体又分为塑性流体、假塑性流体、膨胀性流体。现场使用钻井液多为塑性、假塑性流体。

1．牛顿流体

通常将剪切应力与剪切速率的关系遵守牛顿内摩擦定律的流体，称为牛顿流体。 流变方程：

dv dx

τμ

=

其流动特点：加很小的剪切力就能流动，而且流速梯度与切应力成正比。在层流区域内，粘度不随切力流速梯度变化，为常量。

2．非牛顿流体

（1）塑性流体

0PV

dv dx

ττμ-= 剪切力τ≠0，而是s τ，即施加的切应力必须超过某一特定值才能开始流动。切应力继续增大，并超过s τ时，塑性流体不能均匀剪切，粘度随切应力的增加而增加，即图中曲线段；继续增加切应力，粘度不随切应力的增加而增加，图中直线段；

1）s τ，静切力，是钻井液静止时单位面积上形成的连续空间网架结构强度的量度。 2）0τ，动切力，反映钻井液处于层流状态时钻井液中网状结构强度的量度。 3）0

pv dv dx

ττμ-=

，塑性粘度，即塑性流体流变曲线段斜率的倒数，不虽剪切力而变化。

4）00

PV AV PV PV dv dx

dv dx

dv dx

dv dx

τμττ

μμμμ+=

=

=

+=+结构，表观粘度，又称有效粘

度，是在某一流速梯度下剪切应力与相应流速梯度的比值。

5）0PV τμ，动塑比，反映钻井液中结构强度和塑性粘度的比例关系。一般要求在0.34—0.48的范围内。

两种粘度对钻井液工艺具有很重要的意义：

1、了解两种粘度所占的比例组成，有助于认识钻井液的实质和问题所在，有助于判断环空流态和钻井液稀释特性。

2、指导钻井液流变性质的调整。钻井液粘度过高粘度是由结构粘度还是塑性粘度引起的，便于调整。

影响塑性粘度的因素主要有：

1）钻井液中的固相含量。这是影响塑性粘度的主要因索。一般情况下，随着钻井液固体颗粒逐渐增多，颗粒的总表面积不断增大，所以颗粒间的内摩擦力也会随之面增加。 爱因斯坦粘度公式 00?ηηηa +=

2）钻井液中粘土的分散程度。当粘土含量相同时，其分散度愈高，塑性粘度愈大。 3）高分子聚合物处理剂。钻井液中加入高分子聚合物处理剂会提高液相粘度，从而使塑性粘度增大。显然，其浓度愈高，塑性粘度愈高；相对分子质量愈大，塑性粘度愈高。 影响动切力的因素主要有：

1）粘土矿物的类型和浓度：蒙脱石、伊利石、高岭石。

2）电解质：在钻井过程中无机电解质的侵入均会引起钻井液絮凝程度增加，从而动切力也增加。

3）降粘剂：大多数降粘剂都是吸附在粘土端面，使其带有一定的负电荷，拆散网架结构，从而降低动切力。

宾汉流变模式参数调整：

1）降低塑性粘度：通过合理使用固控设备、加水稀释或化学絮凝等方法，尽量减少固相含量。

2）提高塑性粘度：应用低造浆粘土配浆，加入加重剂、混油、提高PH 值、加入高分子聚合物等

3）降低动切力：最有效的方法加入降粘剂，若由钙镁离子侵入，可加入沉淀剂，除去钙镁离子。

4）提高动切力： 可加入预水化膨润土浆，或增大高分聚合物的加量。对于钙处理钻井液或盐水钻井液，可通过适当增加钙钠离子浓度。

（2）假塑性流体和膨胀性流体

(

)n

dv k dx

τ= n:表现出流体非牛顿性程度。一般小于1，为无因次量。钻井液设计中经常要确定较合理的范围，一般希望由较低的n 值，在0.7—0.4之间，使其具有较好的稀释性能。 K(稠度系数)

对于钻井液，若K 值过大，将造成重新开泵困 难。若K 值过小，又将对携岩不利。因此，钻 井液的值应保持在一个合适的范围内。

假塑性流体：n<1，虽剪切速率的增加而变稀；

膨胀性流体：n>1，虽剪切速率的增加而变稠。 n ：流性指数，表示假塑性流体在一定流速范

围内的非牛顿性程度。

k ：稠度系数，k 值越大，粘度越大。

影响K 值的主要因素：受体系中固含和

液相粘度的影响，同时也受结构强度的影响。当固体含量或聚合物处理剂的浓度增大时，K 值相应增大；降低K值类似于降低钻井液的粘度，有利于提高钻速；提高K值类似于增大钻井液的粘度，这有利于清洁井眼和消除并竭引起的井下复杂情况，因此，K值并非越低越好，有时需要适当提高K值。

影响n值主要因素：主要受形成网架结构因素的影响。一般情况下，降低n值有利于携带岩屑、清洁井眼。降低是值类似于降低钻井液的钻度，有利于提高钻速；提高K值类似于增大钻井液粘度，有利于清洁井眼和消除井塌引起的井下复杂情况。

幂律流变模式参数调整：

1）调节K值常用的方法：

降低K值最有效的方法是通过加强固相控制或加水稀释以降低钻井被中的固相含量。适当提高K值时，可添加适量聚合物处理剂，或将预水化膨润土加入盐水钻井液或钙处理钻井液中(K值提高，n值下降)；也可加入重晶石粉等情性固体物质(K值提高，n值基本不变)。

2）降低n值常用的方法：

1、加入XC生物聚合物等流性改进剂；

2、在盐水钻井液中添加预水化膨润土。

3、适当增加无机盐的含量；

方法2、3往往对钻井液稳定性造成影响。因此，并不是最好的方法，而应优先考虑选用适合于本体系的聚合物处理剂来达到降低n值。

由假塑性流体流变模式与流变曲线可以看出，表观粘度随剪切速率的增加而降低，这种现象被称为剪切稀释现象。

由上述分析可得出几点重要认识：

1、一般而言，钻井液中表观粘度中塑性粘度所占的比重较结构粘度大。

2、表观粘度相同的钻井液，由于动塑比不相同，当流速梯度改变时，表观粘度就不相同了。即，表观粘度相同而具有不同动塑比的钻井液，在实际井眼的各个部位粘度是不相同的。

3、动塑比越大，剪切稀释性能越强，有利于高压喷射钻井，同时低流速时，有利于携岩。

一般情况下，沉砂池处剪切速率最低，大约在10—20/s，井孔环形空间50—250/s，钻杆内100—1000/s，钻头喷嘴处最大，大约在10000—100000/s。

在中等和较高的剪切速率范围内，幂

律模式和宾汉模式均能较好地表示实际钻

井液的流动特性，然而在环形空间的较低

剪切速率范围内，幂律模式比宾汉模式更

接近实际钻井液的流动特性。在钻井液设

计和现场实际应用中，这两种流变模式往

往同时使用。宾汉模式更好地表示钻井液

在环空的流变性，并能更准确地预测环空

压降和进行有关的水力多数计算。

在钻井液设计和现场实际应用中，这

两种流变模式往往同时使用。

为了进一步提高幂律模式的应用效果一种经修正的幂律模式，即赫--巴三参数流变模式也已经引入对钻井液流变性的研究中。赫谢尔—巴尔克莱三参数流变模式简称赫—巴模式，又称为带有动切力(或屈服值)的幂律模式，或经修正的幂律模式。1977年该模式首次用于钻井液流变性的研究。其数学表达式为：

(

)n

y dv k dx

ττ=+ y τ：钻井夜实际动切力，表示使流体开始流动所需的最低剪切应力。

n 和K 的意义与幂律模式相同。由于在幂律模式基础上增加了动切应力，因而是一个三参数流变模式。引入该模式的主要目的，是为了在较宽剪切速率范围内，能够比传统模式更为难确地描述钻井液的流变特性。由于该模式比传统模式多了一个参数，不如传统模式应用方便，特别是由此而导出的水力学计算式相当繁琐，因此限制了它在现场的广泛应用。目前，该模式仅在对流变参数测量精度要求较高时或室内研究中使用。

四．钻井液的携岩原理

钻井液的主要功用之一就是清洗井底并将岩屑携带到地面上来。钻井液清洗井眼的能力除取决于循环系统的水力参数外，还取决于钻井液的性能，特别是其中的流变性能。根据喷射钻井的理论，岩屑的清除分为两个过程，一是岩屑被冲离井底，二是岩屑从环形空间被携至地面。岩屑被冲离井底的问题涉及到钻头选型和井底流场的研究，属于钻井工程的范畴，本文只讨论钻井液携带岩屑的问题，主要介绍三种流型携带岩屑原理：层流携带岩屑原理、紊流携带岩屑原理以及平板形层流的实现。 1． 层流携带岩屑原理

首先讨论一下钻井液携带岩屑的基本原理。一方面钻井液携带岩屑颗粒向上运动，另一方面岩屑颗粒由于重力作用向下滑落。在环形空间里，钻井液携带岩屑颗粒向上运动的速度取决于流体的上返速度与颗粒自身滑落速度二者之差，即：p f s ννν=- 则：

1p f s f νννν=-

p f v ：称作携带比，用此值表示井筒的净化效率。

p ν：岩屑的净上升速度，m/s ；

f ν：钻井液的上返速度，m/s ；

s ν：岩屑的滑落速度，m/s ；

显然，提高净化效率的途径是：1、提高钻井液在环空的上返速度；2、阶低岩屑的滑落速度。但综合考虑钻井的成本利效益，上返速度不能大幅度提高。因此，如何尽量降低岩屑的沿落速度对携岩至关重要。研究表明，岩屑的滑落速度除与岩屑尺寸、岩屑密度、钻井液密度和流态等因素有关外，还与钻井液的有效粘度反比。

为了研究岩屑在井筒内上升的过程．曾用破璃井筒进行实验观察，实验中用扁平的圆形铝片代替岩屑。结果表明，当钻并液处于不同流态时，岩屑上升的机理各不相同的。层流时岩屑受力情况见下图：

很显然，层流形态携带岩屑时，岩屑总体上 有一个上升趋势，另一方面，岩屑自身可能发生 旋转并相对下降现象。这种现象是不利于钻井液 将岩屑及时快速的携带出地面。实验结果，还表 明，钻柱转动对层流携带岩屑是有利的、因为钻 柱转动改变了层流时液流的速度分布状况，使靠 近钻柱表面的液流速度加大，岩屑以螺旋形上升。

2

． 紊流携带岩屑原理

如右图所示，钻井液在作紊流流动时，岩屑不存在 转动和滑落现象，几乎全部都能携带到地面上来，环形 空间里的岩屑比较少。

但是紊流携岩也有一些缺点，主要表现在： 1）岩屑在紊流时的滑落速度比在层流时大，

这就要求钻井液的上返速度高，泵的排量大。但这要受 到泵压和泵功率的限制，特别是当井眼尺寸较大、并较 深以及钻井液钻度、切力较高时，更加难以实现。

2）由于沿程压降与流速的平方成正比，功率损失与流速 的立方成正比．所以用紊流携岩还会使钻头的水马力降低，

状岩屑在层流时上升的情况(钻柱不转动） 状岩屑在层流时上升的情况(钻柱转动）

不利于喷射钻井。

3）紊流时的高流速对井壁冲蚀严重，不能很好地形成泥饼，容易引起易场地层井壁垮榻。 因此，紊流挠岩常常受到各种条件的限制，不是随便可以采用的。

3． 平板形层流的实现

紊流携岩的这些限制条件促使人们重新思考如何在层流状态下解决携带岩屑的问题，显然，其技术关键在于如何消除上述的岩屑转动现象。解决问题的途径则是设法改变层流时过水断面尖峰形流速分布，用平板型层流来代替尖峰型层流即可达到上述目的。

环形空间流核剪切速率为0，处处间接应力相等。则，作用在长度为l 的环形空间截面积为A 上的压力降与流核截面积上的切应力之间平衡，即：

水力学计算结果表明，塑性流体层流时流核直径可由下式计算：

()()

000243p f p D d d D d τμντμ-=+-

0d ：流核直径，cm ；D ：井径，cm ；d ：钻杆或钻铤外径，cm ；

S pA 0τ=?)2()21()21(00022d D d d D D A --=----=δπδπδπ)

2(2)2

1

(2)21(200d D l d D l D l S --=--+-=δπδπδπd -D l

6d -D V 4802

τη+=?）（塑l P

从上式可以看出，在一定尺寸的环形空间里，流动剖面平板化的程度，即流核直径的大小与动塑比及上返速度有关。动塑比的影响程度更大，该比值越高，则平板化程度越大。按式上式计算流核尺寸的一个实例如图1所示，它充分说明该比值对钻井液在环形空间流态的影响。由此可见，通过调节钻井液的流变性能，增大动塑比便可使钻井液的流核尺寸增大,从尖阵型层流转变为平板型层流。

图1 动塑比对环形空间中钻井液流态的影响图2 流性指数对环形空间中钻井液流态的影响

如果钻井液按假塑性流型来考虑，还可得到环形空间流态与钻井液流性指数之间的关系，如图2所示。将以上两图进行比较后不难看出，减小n值如同提高动塑比，也可使环空浓流逐渐转变为平板型层流。

相对于尖降型层流和紊流来说，平板型层流具有以下特点：

1）可实现用环空返速度较低的钻井液有效地携带岩屑。

2）降低了钻井液在钻柱内和环空内的阻力损失，为使用小井眼喷射钻头、合理充分利用水力功率、大幅度提高钻速创造了条件。

3）解决了低粘度钻井液能有效携岩的问题，为普通推广使用低固相不分做聚合物钻井液担供了流变学上的依据。

4）避免了钻井液处于紊流状态对外联的冲蚀，有利于保持井壁稳定。

为了使动塑比达到要求，常采取以下措施和方法：

1）选用XC生物聚合物、HEC、PHP和FA367等高分子聚合物作为主处理剂。

2）通过有效地使用固控设备，除去无用固相，降低固体颗粒浓度，以达到降低钻井液塑性粘度、提高动塑比的目的。

3）在保证钻井液性能稳定的情况下、通过适量地加入石灰、石膏、氯化钙和食盐等电解质，以增强体系中固体颗粒形成网架结构的能力。

五．钻井液流变性与井壁稳定的关系

紊流对井壁有较慢的冲蚀作用，容易引起易场地层垮塌，不利于井壁稳定。其原因是紊流时液流质点的运动方向是紊乱的和无规则的，而且流速高，具有较大的动能。因此，在钻井液循环时,一般应保持在层流状态，而尽量避免出现紊流。要做到这一点，需要比较准确地计算钻井液在环空的临界返速。

对于非牛顿流体，一般采用综合雷诺数Re来判别流态。将钻井液作为塑性流体考虑，当综合雷诺数Re＞2000时为紊流。因此按Re＝2000，即可推导出计算临界返速的公式，即：

c v =

c v ：临界返速，cm/s ；

p μ：塑性粘度，Pa ·s ；

0τ：动切力，Pa ；

ρ：钻井液密度，3g ；

D ：井径，cm ；

d ：钻杆或钻铤外径，cm ；

计算出临界返速之后。则可对钻井液的流态进行判断。若实际环空返速大于临界返速为紊流，反之则为层流。

临界返速很大程度上受钻井液的密度、塑性粘度和动切力的影响。以三种不同密度的钻井液为例，计算结果表明，随着钻井浓密度、塑性粘度和动切力的减小，临界流速明显降低，即更容易形成紊流。因此，在调整钻井液流变参数和确定环空反速时，既要考虑携岩问题，同时又要考虑到钻井掖的流态，使井壁保持稳定。

六．钻井液流变性与悬浮岩屑、加重剂的关系

钻进过程中，钻井液会多次停止循环。此时，要求钻井液体系内能迅速形成空间网架结构，将岩屑利加重剂悬浮起来，或以很小的速度下沉，而开泵时泵压又不能上升太高，以防憋漏地层。提供悬浮能力的决定因素是钻井液的静切力和触变性。

悬浮岩屑和加重剂所需要的静切力可以用以下方法进行近似计算：假设岩屑和加重剂颗粒为球形，根据它们的重力与钻井液对它们的浮力和竖向切力相平衡的关系，以得到如下公式：

()()3321616d g d g d πρπρπθ=+岩

所以，需要的静切力为：

()6d g θρρ=-岩

d ：岩屑或加重剂的直径，m ；

ρ岩：岩屑或加重剂的密度，3kg m ；

ρ：钻井液密度，3

g cm；

θ：钻井液的静切力，Pa；

10m s；

g：重力加速度，2

七．钻井液流变性与井内液柱压力激动的关系

井内液柱压力激动：是指在起下钻和钻进过程中，由于钻柱上下运动、泥浆泵开动等原因，使得井内液柱压力发个突然变化(升高或降低)，给井内增加一个附加压力(正值或负值)的现象。

1）起下钻时的压力激动：

由于钻柱具有一定的体积，当钻柱下入井时，井内钻井液要向上流动；起出钻柱时，井内钻井液便向下流动以填补钻柱内所占的空间。钻井液向上或向下流动，都要给予一定的压力以克服其沿程损失。这个压力是出于起下钻所引起的，它作用于井内钻井液、使它能够流动；与此同时也通过井内液柱作用于井壁和井底，这种突然给予井内的附加压力就是起下钻引起的压力激动。

下钻时压力激动力正值，起钻时则为负伤。起下钻压力激动值的大小主要取决于起下钻速度、井深、井眼尺寸、钻头喷嘴尺寸和钻井液的流变参数(主要是粘度、切力和触变性)。

2）开泵时的压力激动Array由于钻井液具有触变性，停止循环后，钻井液处

于静止状态，凝胶强度增加，切力升高，开泵泵压将

超过正常循环时所需要的压力，造成压力激动。开泵

时使用的排量越大，所造成压力激动的值会越高。当

随着排量的增大，结构的破坏与恢复达到平衡，这时

泵压便处于比较稳定的工作泵压值。开泵时压力激动

的值与井眼和钻具尺寸大小、井深、钻井液切力和触

变性、开泵时的操作等因素有关。有时因井底沉砂也

会使压力激动加剧。

压力激动对钻井是有害的．它破坏了井内液柱压力与地层压力之间的平衡，破坏了井壁与井内液柱之间的相对稳定，容易引起井漏、井喷或井塌。影响压力激动的因素是多方面的，其中与钻井液的粘度、切力密切相关。因此，特别是钻遇高压地层、容易漏失地层或容易坍塌地层时，一定要控制好钻井液的流变性，在起下钻和开泵的操作上不宜过猛，开泵之前最好先活动钻具，以防止因压力激动而引起的各种井下复杂情况。

八．钻井液流变性与提高钻速的关系

钻井液的流变性是影响机械钻速的一个重要因素。研究表明，这种影响主要表现为钻头喷嘴处的紊流流动阻力对钻速的影响。有的文献将这种流动阻力简称为水眼粘度。

由于钻井液具有剪切稀释作用，在钻头喷嘴处的流速极高，一般在150m/s以上，剪切速率达到10000s－以上。在如此高的剪切速率下，紊流流动阻力变得很小，因而液流对井底冲击力增强，更加容易渗入钻头冲击井底岩层时所形成的微裂缝中。有利于减小岩屑的压持效应和井底岩石的可钻强度，从而有利于提高钻速。如果钻井液塑性粘度高，动塑比小，一般情况下喷嘴处的紊流流动阻力就会比较大，就必然降低和减缓钻头对外底的冲击和切削作用，使钻速降低。

通过使用剪切稀释性强的优质钻井液，如低固相不分散聚合物钻井液，尽可能降低钻头喷处的紊流流动阻力，是提高机械钻速的一条有效途径。当钻井液的接近于清水粘度时，可获得最大的机械钻速。

参考文献：

《钻井液工艺学》第三章，鄢捷年主编，中国石油大学出版社，2006年12月第一版；《钻井工程理论与技术》第三章，陈庭根管志川主编，中国石油大学出版社，2006年12月第一版。