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[摘 要]高密度钻井液的固相含量高、流变性难。针对高密度钻井液的应用难题，通过实验研究了加重材料的粒度级配与自由水对钻井液流变性的影响规律，分析了高密度钻井液经时坍落度、经时VB值、经时振动粘度系数、环境参数等高密度钻井液施工流变性的性能评价指标、应用影响因素，优化出密度高达2.6 g/cm3的具有良好的流动性和悬浮稳定性的高密度钻井液，性能优良，完全能够满足大斜度段钻井施工的需要。
[关键词]高密度；饱和盐水；流变性
中图分类号：TE2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）30-0372-01
1 前言
固相含量高、固相颗粒分散程度高、自由水少、侵入的钻屑不易清除等是高密度钻井液本身的固有特点，再遇上深井、超深井井下温度和压力高，地层复杂，常会钻遇超高压油气层、盐水层和膏泥岩，因此高密度钻井液在应用过程中存在着诸多的技术上的难题。
2 高密度钻井液配方研究
2.1 膨润土容量限的确定
钻井液的黏度和切力随着膨润土含量的增加而上升，当膨润土含量为4%时，钻井液的黏度上升到138s，流动性变差。膨润土含量为1%-3%时保障了钻井液具有良好的流动性和悬浮稳定性。
钻井液基浆配方：1.5%膨润土+0.3%K-PAM+3%SMC+2%SMP-1（或SMP-2）+0.6%降黏剂SF-1+5%SPNH+NaOH+0.2%抗氧化剂KYJ+加重剂。
2.2 高密度钻井液加重剂的选择
同时，对重晶石和铁矿粉的加重性能从成本和货源的角度进行了评价。数据显示，如果单独使用一种加重剂时，铁矿粉的加重效果较好；高温后的性能优于单独用重晶石加重的钻井液可以先用重晶石加重到1.58g/cm3，再用铁矿粉加重到3 g/cm3的钻井液；高密度钻井液黏度和切力会随着热滚而增大，进而不同程度增稠甚至固化。
2.3 表面活性剂对钻井液性能的影响
近年来的研究应用表明，表面活性剂的加入在一定程度上提高钻井液的抗温和抗污染性能，并能调节其流变性。其一，表面活性剂在加重剂等固体表面吸附，改善钻井液流变性，可以减少固体颗粒的团聚。其二，具有较强的抗盐膏能力的非离子表面活性剂和磺酸盐型表面活性剂在黏土表面吸附，可以提高黏土的抗盐膏能力。其三，高聚合物的水化能力的提高来自于表面活性剂桶聚合物发生作用而形成的络合物，这一性质提高了钻井液的高温稳定性。表面活性剂的加入，能够有效调整钻井液的流变性、润滑性和稳定性。
3 粒度级配对对高密度钻井液流变性的影响
重晶石粉用筛子可以分成100目-400目和小于400目两种粒径，通过改变两种粒径重晶石分的配比，可以探索粒度级配对钻井液流变性的影响规律。实验所用的钻井液配方：基浆+0.2%，DriscalD+1%，SD-101+2%，SD-202+0.2%，LV-CMC+1%KFT-II+重晶石，基浆为6%膨润土浆，可以加重至密度2.4 g/cm3。所用重晶石粉的密度为4.2 g/cm3，钻井液配制后在150℃下老化24小时。
实验证实，加入基浆+0.2%和6%膨润土浆的钻井液的颗粒粒度分布较为集中，表观黏度很高，钻井液的表观粘度随着重晶石分颗粒粒度分部范围变宽而降低，并且存在着最小值。
4 自由水对高密度钻井液流变性的影响
钻井液体系中对流变性起积极作用的水称为自由水。在自然防止条件下稳定的钻井液体系中很难析出。利用高速离心机可以在不影响处理剂、加重剂和其他固相表面的束缚水的条件下而把稳定钻井液体系中的自由水分离出来。考察组分对高密度钻井液自由水含量以及流变性的影响规律可以通过改变高密度钻井液配方中膨润土、处理剂和重晶石粉的含量来完成。
从实验数据看，表观粘度随着自由水含量的降低而逐渐增加。钻井液中自由水含量与流变性关系下密切相关，自由水量相对越多，而钻井液的流变性越容易控制。对钻井液中自由水量的影响最大的是重晶石加量，其次是DriscalD。单位体积钻井液中自由水的含量随着重晶石加量的增大而逐渐减少，被束缚的水分子的多少显然与固相表面积大小存在密切联系，同时也看出DriscalD参与束缚了自由水。
5 高密度钻井液流变性评价指标
5.1 经时坍落度
高密度钻井液类属于宾汉姆体，其流变特性可以宾汉姆模型来描述，主要由模型中的屈服应力和塑性粘度两个参数来确定。
屈服应力是指宾汉姆体流动时克服的阻力。坍落度之所以可以用来标注屈服应力的大小是因为对于宾汉姆体来说屈服应力与坍落度成反比关系。同时，由于高密度钻井液需要考虑时间和环境对其施工性能的影响，这是其区别于普通高密度钻井液的最主要的不同。所以，虽然坍落度可以高密度钻井液流变性能的评价指标，但是经时坍落度能够将高密度钻井液受时间影响的因素考虑在内，所以能够更好的评价高密度钻井液的流变性能。
现在钻井施工普遍使用的滑模摊铺对混凝土进行振捣密实，振动过程中高密度钻井液表现出的是一种动态性能，但是经时坍落度是一种静态测试工作性能的方法，因此，静态方法和动态施工性能的测试本身是一种矛盾；同时，由于高密度钻井液的粘度并不能通过经时坍落度表示，所以高密度钻井液的流变性能的评价指标必须引入能够表征高密度钻井液粘度的高密度钻井液流变性能指标。
5.2 经时VB值
VB值的测定可以通过在固定频率和振幅的激振力作用下，将不同流变性能的高密度钻井液液化、坍落、流动、振平所需要的能量不同，而且所需要的时间也不一样，由于维勃稠度试验的使用范围为干硬性高密度钻井液或是坍落度较小的塑性高密度钻井液，因此可以用维勃稠度试验测定振平所需要的时间，以此作为高密度钻井液流变性能的评价指标。同时，考虑到环境和时间因素的影响，可以将经时VB值作为高密度钻井液流变性能的评价指标。
5.3 经时振动粘度系数
在对高密度钻井液流变特性的工艺理论研究工作中，《高密度钻井液材料和施工工艺研究》的主题中，得出了用气泡上浮的方法对高密度钻井液在振动的状态下惊醒结构粘度的测试方法。它既是滑模高密度钻井液施工工艺理论中核心内容，也是滑模摊铺水泥混凝土路面的施工工艺理论基础，是滑模摊铺机与新拌混凝土相互作用的重要组成部分。同时，考虑环境和时间的因素的影响，因此可以用经时振动粘度系数评价高密度钻井液流变性能。
6、结束语
作为高密度钻井液工作性的最重要的一个方面，流变性在很大程度上决定了高密度钻井液的施工性能，深刻影响着钻井工程建设的安全与质量。高密度钻井液设计与施工质量迫切需要开展高密度钻井液施工流变性能的研究。本文提出了高密度钻井液施工流变性评价指标，探讨了影响高密度钻井液施工流变性能的因素，总结了高密度钻井液施工与流变性能的关系，对于高密度钻井液的设计以及施工质量控制具有借鉴和指导意义。
参考文献
[1] 郭祥娟， 马会， 高密度钻井液技术研究与应用[J]. 钻井液与完井液. 2009，26（4）： 8-10
[2] 慈国良， 徐军， 高密度钻井液流变性调控技术研究与应用. 中小企业管理与科技. 2012（6）： 309-310
[关键词]高密度；饱和盐水；流变性
中图分类号：TE2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）30-0372-01
1 前言
固相含量高、固相颗粒分散程度高、自由水少、侵入的钻屑不易清除等是高密度钻井液本身的固有特点，再遇上深井、超深井井下温度和压力高，地层复杂，常会钻遇超高压油气层、盐水层和膏泥岩，因此高密度钻井液在应用过程中存在着诸多的技术上的难题。
2 高密度钻井液配方研究
2.1 膨润土容量限的确定
钻井液的黏度和切力随着膨润土含量的增加而上升，当膨润土含量为4%时，钻井液的黏度上升到138s，流动性变差。膨润土含量为1%-3%时保障了钻井液具有良好的流动性和悬浮稳定性。
钻井液基浆配方：1.5%膨润土+0.3%K-PAM+3%SMC+2%SMP-1（或SMP-2）+0.6%降黏剂SF-1+5%SPNH+NaOH+0.2%抗氧化剂KYJ+加重剂。
2.2 高密度钻井液加重剂的选择
同时，对重晶石和铁矿粉的加重性能从成本和货源的角度进行了评价。数据显示，如果单独使用一种加重剂时，铁矿粉的加重效果较好；高温后的性能优于单独用重晶石加重的钻井液可以先用重晶石加重到1.58g/cm3，再用铁矿粉加重到3 g/cm3的钻井液；高密度钻井液黏度和切力会随着热滚而增大，进而不同程度增稠甚至固化。
2.3 表面活性剂对钻井液性能的影响
近年来的研究应用表明，表面活性剂的加入在一定程度上提高钻井液的抗温和抗污染性能，并能调节其流变性。其一，表面活性剂在加重剂等固体表面吸附，改善钻井液流变性，可以减少固体颗粒的团聚。其二，具有较强的抗盐膏能力的非离子表面活性剂和磺酸盐型表面活性剂在黏土表面吸附，可以提高黏土的抗盐膏能力。其三，高聚合物的水化能力的提高来自于表面活性剂桶聚合物发生作用而形成的络合物，这一性质提高了钻井液的高温稳定性。表面活性剂的加入，能够有效调整钻井液的流变性、润滑性和稳定性。
3 粒度级配对对高密度钻井液流变性的影响
重晶石粉用筛子可以分成100目-400目和小于400目两种粒径，通过改变两种粒径重晶石分的配比，可以探索粒度级配对钻井液流变性的影响规律。实验所用的钻井液配方：基浆+0.2%，DriscalD+1%，SD-101+2%，SD-202+0.2%，LV-CMC+1%KFT-II+重晶石，基浆为6%膨润土浆，可以加重至密度2.4 g/cm3。所用重晶石粉的密度为4.2 g/cm3，钻井液配制后在150℃下老化24小时。
实验证实，加入基浆+0.2%和6%膨润土浆的钻井液的颗粒粒度分布较为集中，表观黏度很高，钻井液的表观粘度随着重晶石分颗粒粒度分部范围变宽而降低，并且存在着最小值。
4 自由水对高密度钻井液流变性的影响
钻井液体系中对流变性起积极作用的水称为自由水。在自然防止条件下稳定的钻井液体系中很难析出。利用高速离心机可以在不影响处理剂、加重剂和其他固相表面的束缚水的条件下而把稳定钻井液体系中的自由水分离出来。考察组分对高密度钻井液自由水含量以及流变性的影响规律可以通过改变高密度钻井液配方中膨润土、处理剂和重晶石粉的含量来完成。
从实验数据看，表观粘度随着自由水含量的降低而逐渐增加。钻井液中自由水含量与流变性关系下密切相关，自由水量相对越多，而钻井液的流变性越容易控制。对钻井液中自由水量的影响最大的是重晶石加量，其次是DriscalD。单位体积钻井液中自由水的含量随着重晶石加量的增大而逐渐减少，被束缚的水分子的多少显然与固相表面积大小存在密切联系，同时也看出DriscalD参与束缚了自由水。
5 高密度钻井液流变性评价指标
5.1 经时坍落度
高密度钻井液类属于宾汉姆体，其流变特性可以宾汉姆模型来描述，主要由模型中的屈服应力和塑性粘度两个参数来确定。
屈服应力是指宾汉姆体流动时克服的阻力。坍落度之所以可以用来标注屈服应力的大小是因为对于宾汉姆体来说屈服应力与坍落度成反比关系。同时，由于高密度钻井液需要考虑时间和环境对其施工性能的影响，这是其区别于普通高密度钻井液的最主要的不同。所以，虽然坍落度可以高密度钻井液流变性能的评价指标，但是经时坍落度能够将高密度钻井液受时间影响的因素考虑在内，所以能够更好的评价高密度钻井液的流变性能。
现在钻井施工普遍使用的滑模摊铺对混凝土进行振捣密实，振动过程中高密度钻井液表现出的是一种动态性能，但是经时坍落度是一种静态测试工作性能的方法，因此，静态方法和动态施工性能的测试本身是一种矛盾；同时，由于高密度钻井液的粘度并不能通过经时坍落度表示，所以高密度钻井液的流变性能的评价指标必须引入能够表征高密度钻井液粘度的高密度钻井液流变性能指标。
5.2 经时VB值
VB值的测定可以通过在固定频率和振幅的激振力作用下，将不同流变性能的高密度钻井液液化、坍落、流动、振平所需要的能量不同，而且所需要的时间也不一样，由于维勃稠度试验的使用范围为干硬性高密度钻井液或是坍落度较小的塑性高密度钻井液，因此可以用维勃稠度试验测定振平所需要的时间，以此作为高密度钻井液流变性能的评价指标。同时，考虑到环境和时间因素的影响，可以将经时VB值作为高密度钻井液流变性能的评价指标。
5.3 经时振动粘度系数
在对高密度钻井液流变特性的工艺理论研究工作中，《高密度钻井液材料和施工工艺研究》的主题中，得出了用气泡上浮的方法对高密度钻井液在振动的状态下惊醒结构粘度的测试方法。它既是滑模高密度钻井液施工工艺理论中核心内容，也是滑模摊铺水泥混凝土路面的施工工艺理论基础，是滑模摊铺机与新拌混凝土相互作用的重要组成部分。同时，考虑环境和时间的因素的影响，因此可以用经时振动粘度系数评价高密度钻井液流变性能。
6、结束语
作为高密度钻井液工作性的最重要的一个方面，流变性在很大程度上决定了高密度钻井液的施工性能，深刻影响着钻井工程建设的安全与质量。高密度钻井液设计与施工质量迫切需要开展高密度钻井液施工流变性能的研究。本文提出了高密度钻井液施工流变性评价指标，探讨了影响高密度钻井液施工流变性能的因素，总结了高密度钻井液施工与流变性能的关系，对于高密度钻井液的设计以及施工质量控制具有借鉴和指导意义。
参考文献
[1] 郭祥娟， 马会， 高密度钻井液技术研究与应用[J]. 钻井液与完井液. 2009，26（4）： 8-10
[2] 慈国良， 徐军， 高密度钻井液流变性调控技术研究与应用. 中小企业管理与科技. 2012（6）： 309-310