泥浆性能及其测试方法

一、 比重、固相含量与含砂量

    泥浆的比重是指泥浆的重量与同体积水的重量之比。泥浆比重的大小主要取决于泥浆中固相的重量，而泥浆中固相的重量则是造浆粘土重量和钻屑重量之和。在有加重剂等其他固相物质加入的时候，加重剂等物质的重量也须计入。

    泥浆的固相含量指泥浆中固体颗粒占的重量或体积百分数。泥浆中的固相包括有用固相和无用固相，前者如粘土、重晶石等，后者为钻屑。泥浆中的固相，按固相比重来划分，可分为重固相（重晶石比重为 4.5 ，赤铁矿为 6.0 ，方铅矿为 6.9 等）和轻固相（粘土比重一般为 2.3~2.6 ，岩屑比重一般在 2.2~2.8 之间）。

泥浆的含砂量指泥浆中砂粒占的重量或体积百分数。

    采用造浆率高的膨润土配制泥浆，粘土含量（重量 / 体积）在 4~6% 以下便可达到要求的粘度，此时泥浆比重在 1.03~1.05 左右。相反，若用造浆率低的粘土配浆，要达到同样的粘度，粘土用量要达 20~30% 以上，此时泥浆比重高达 1.15 以上。目前对优质轻泥浆，在粘度符合要求时，泥浆中的固相含量应控制在 4% 左右（体积含量），此时泥浆比重在 1.05~1.08 左右。

泥浆的比重和固相含量对钻井有重要意义和影响。

1. 地层压力的控制

    钻井中防止漏失，涌水和维持孔壁的稳定，重要的一点是要维持钻孔—地层间的物理力平衡。而孔内静液柱压力的大小决定于孔内液柱的单位重量或比重以及垂直深度，即：

                                             （ 4-6 ）

    式中 P s ——静液柱压力， N ； γ ——单位体积的重量或比重， Kg/m 3 ； H ——液柱垂直高度， m 。

若把每单位高度（或深度）增加的压力值叫压力梯度。用 G s 表示静液压力梯度，则：

                                         （ 4-7 ）

?   因此静液柱压力梯度Gs决定于泥浆的比重，可以调节泥浆的比重使Gs与地层压力梯度Gp相适应以求得钻孔—地层间的物理力的平衡。

2. 对钻速的影响

     近年来进行的泥浆比重、固相含量对钻速影响的研究得出如下的结论：
    （1）随着泥浆比重的增加，钻速下降，特别是泥浆比重大于1.06~1.08时，钻速下降尤为明显。
    （2）泥浆的比重相同，固相含量愈高则钻速愈低。由此泥浆比重相同时，加重泥浆的钻速要比普通泥浆高，因为加重泥浆的固相含量低。
    （3）泥浆的比重和固相含量相同，但固相的分散度不同，则固相颗粒分散得愈细的泥浆钻速愈低。由此，不分散体系的泥浆其钻速要比分散体系的泥浆高，如图4-9所示。甚至有些研究者得出小于1μm的颗粒对钻速的影响比大于1μm颗粒的影响大12倍。因此，为提高钻进效率，不仅应降低泥浆的比重和固相含量，而且应降低固相的分散度，即应采用不分散低固相泥浆。

3. 含砂量的影响

    泥浆中的无用固相（主要为岩屑）含量会给钻进造成很大的危害。首先，无用固相含量高，泥浆的流变特性（见下节）变坏，流态变差。不仅使孔内净化不好而引起下钻阻卡，而且可能引起抽吸，压力激动等，造成漏失或井塌。其次，泥浆中无用固相含量高，泥饼质量变坏（泥饼疏松，韧性低），泥饼厚。这样，不仅失水量大，引起孔壁水化崩塌，而且易引起泥皮脱落造成孔内事故。第三，泥浆无用固相含量高，对管材、钻头、水泵缸套、活塞拉杆磨损大，使用寿命短。
因此，在保证地层压力平衡的前提下，应尽量降低泥浆比重和固相含量，特别是无用固相的含量。

           图4-9 泥浆固相含量对钻速的影响                              图4-10　泥浆比重秤
                                                       1-杯盖；2-泥浆杯；3-水平泡；4-主刃口；5-主刀

                                                          垫；6-支架；7-游码；8-杠杆；9-金属颗粒

    测量泥浆比重的仪器目前用得最多的是比重秤，其结构如图4-10所示。测量时，将泥浆装满于泥浆杯中，加盖后使多余的泥浆从杯盖中心孔溢出。擦干泥浆杯表面后，将杠杆放在支架上（主刀口坐在主刀垫上）。移动游码，使杠杆成水平状态（水平泡位于中央）。读出游码左侧的刻度，即为泥浆的比重值。可以把这种方法的原理形象地归结为“杠杆原理”。
    测量泥浆比重前，要用清水对仪器进行校正。如读数不在1.0处，可用增减装在杠杆右端小盒中的金属颗粒来调节。
    对泥浆中固相含量的测定，一般采用“蒸馏原理”。如图4-11所示。取一定量（20ml）泥浆，置于蒸馏管内，用电加热高温将其蒸干，水蒸气则进入冷凝器，用量筒收集冷凝的液相，然后称出干涸在蒸馏器中的固相的重量，读出量筒中液相的体积，计算泥浆中的固相含量，其单位为重量或体积百分比。
对泥浆的含砂量的测定，采用筛析原理，如图4-12所示。

图4-11 钻井液固相含量测定仪           图4-12 泥浆含砂量测定
1-蒸馏器；2-加热棒；3-电线接头；        1-过滤筒；2-漏斗；3-玻璃量杯
4-冷凝器；5-量筒。                                      

二、泥浆的流变特性

    泥浆的流变性是指泥浆的流动和变形性质，它以泥浆的粘稠性为主要研究对象。在第二章中，对工程浆液流变性的理论基础和参数测试方法已做了详细阐述。在此，结合钻井工程实际，对泥浆流变性做进一步的讨论。

(一)　泥浆流型的不同形成机理

    泥浆流动时的剪切应力与剪切速率之间的关系用流变方程和流变曲线来表达。如第二章所述，不同泥浆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（图？？）。一种具体泥浆的实际流型与哪一种理论流型较相近，就认为它属于该理论流型。泥浆的流型主要取决于构成泥浆的材料组成及其它们的含量。
    粘土含量较少的细分散泥浆比较接近于牛顿流型，其剪切应力主要由相互无连接力的粘土微粒及水分子之间的摩擦力构成。由牛顿流型关系式(2-34)可知，反映该类泥浆粘稠性的流变参数是牛顿粘度η。
由于一般泥浆（在未加稀释剂和高聚物加量很少的情况下）存在粘土颗粒之间的结合力，具有一定程度的网架结构。因此，泥浆在发生流动之前需要克服一定的结构力。其流型用宾汉流型来反映较为合适。由宾汉流型关系式(2-41)可知，反映该类泥浆粘稠性的流变参数是动切力τo和塑性粘度ηp。
当泥浆中的线形高聚物或类似油微粒的可变形物质含量较高，并且泥浆结构力很低时，可以用幂律关系来描述泥浆流型。这种流型的切应力随剪切速率的变化不是线性关系，而是由快到慢呈幂指数关系，也就是说流动慢时切力增加得快，流动快时切力增加得慢。其原因是线形高聚物等在流动中具有顺流方向性。流速越大，顺流方向性越强，阻力增加得越慢。由幂律流型关系式(2-44)可知，反映该类泥浆粘稠性的流变参数是稠度系数K和流型指数n。
    对于许多泥浆而言，既存在着粘土颗粒的空间网架，又有线形高聚物或类似的物质，也就是说既存在结构力，又有剪切稀释作用。因此，用卡森流型来反映其流变关系更为合适。由卡森流型关系式(2-53)可知，反映该类泥浆粘稠性的流变参数是卡森动切力τc和卡森高剪粘度η∞。

(二) 泥浆粘稠性对钻井工作的影响

 
    泥浆把钻碴从井底携至地表或者在井中悬浮钻碴，主要是靠泥浆的粘稠性；对于破碎的不稳定井壁，利用较粘稠的泥浆还可以起到较好的粘结护壁作用。仅从这两点考虑，泥浆的粘度和动切力应该取高值。这也是选择泥浆做钻井液的基本出发点。
但是，泥浆的粘稠性大又有不利的方面，主要表现在：使井底碎岩效率降低；增加泥浆循环的流动阻力；增大对井壁的液压力激动破坏。因此，不能盲目增大泥浆的粘稠性，而应根据具体地层和钻井工艺要求，综合兼顾多方面的情况，确定合适的泥浆粘度和动切力。

(三) 泥浆的表观粘度与剪切稀释作用

    如果把泥浆分为四种流型的流体，则具体衡量这四种泥浆粘稠性的参数是互不相同的。可以用一个统一的指标参数来反映各种泥浆的相对粘稠性，这就是表观粘度ηA它等于泥浆流动时的剪切应力τ与剪切速率的比值，如式(2-45)所示。对于牛顿流体，表观粘度就是牛顿粘度，是常量；而对于其他三种流型的流体，表观粘度不是常量，而是随剪切速率增加而减小的变量（这一点，无论从流变方程还是流变曲线上都能被很好地说明）。如果取剪切速率比较中间的某一定值作为对象，用该点对应的表观粘度作为平均表观粘度，则不同流型泥浆的粘稠性就有了相对统一的比较标准。
泥浆表观粘度随剪切速率增加而减小的性质称为泥浆的剪切稀释作用。剪切稀释作用对钻井工作十分有意义：在钻头部位，泥浆流速大，表观粘度低，有利于井底碎岩；而在环空中，由于泥浆流速减小，表观粘度提高，有利于悬携钻碴。

(四) 泥浆的凝胶强度和触变性

    一旦泥浆停止流动即静止，便有或多或少的结构逐渐形成，直至趋于稳定。把泥浆静置时的结构力称为泥浆的凝胶强度，用静切力表示。凝胶强度是随泥浆静置时间的增长而增大的，即静切力是时间的函数。反过来看，当外加一定的切力使泥浆流动时，结构拆散，流动性增长。这就是泥浆的触变性。图？给出了膨润土泥浆触变性的一些不同情况。凝胶强度的大小和增长的快慢，对悬浮钻碴和开泵时的循环阻力有直接影响。为使停泵后井内钻碴悬浮而不下沉，希望泥浆有快速强凝的触变性；但这又会导致重新开泵时的循环阻力过大。因此，应该使泥浆具有快速中等强度的触变性。

三、泥浆的失水造壁性

（一）失水造壁性的概念

    在井中液体压力差的作用下，泥浆中的自由水通过井壁孔隙或裂隙向地层中渗透，称为泥浆的失水。失水的同时，泥浆中的固相颗粒附着在井壁上形成泥皮（泥饼），称为造壁（图4-13）。

图4-13 泥浆失水造壁性示意图

    井中的压力差是造成泥浆失水的动力，它是由于井中泥浆的液压力与地层孔、裂隙中流体的液压力不等而形成的。井壁地层的孔隙、裂隙是泥浆失水的通道条件，它的大小和密集情况是由地层岩土性质客观决定的。泥浆中自由水的概念在前面已经叙及，除了较大的裂隙和空隙外，一般地层的孔、裂隙较小，只允许自由水通过，而粘土颗粒周围的吸附水随着粘土颗粒及其他固相附着在井壁上构成泥皮，不再渗入地层。
井壁上形成泥皮后，渗透性减小，减慢泥浆的继续失水。若泥浆中的细粒粘土多而且水化效果好，则形成的泥皮致密而且薄，泥浆失水便小。反之，泥浆中的粗颗粒多且水化效果差，则形成的泥皮疏松而且厚，泥浆的失水便大。很明显，泥皮厚度（更严格地说应是滤余物质）是随失水量增大而增加的。
    泥浆在井内的失水处在两种不同的背景条件下。一种是水泵停止循环，泥皮不受液流冲刷，井内的液压力只是泥浆柱静水压力，这时的失水称为静失水；另一种是水泵循环，泥皮受到冲刷，井内的液压力是泥浆静水柱压力与流动阻力损失之和，这时的失水称为动失水。根据实际钻井工序，这两种失水是交替进行的。
另外，在钻头破碎孔底岩石，形成新的自由面的瞬间，泥浆接触新的自由面，还未形成或很少形成泥皮，泥浆中的自由水以很高的速率向新鲜岩面失水，这时的失水称为瞬时失水或初失水。
静失水时，泥皮逐渐增厚，失水速率逐渐减小。因此时压力较小，泥皮较厚，固失水速率比动失水小。
动失水时，泥皮不断在增厚，同时又不断被冲刷掉，当增厚速率与被冲刷速率相等时，泥皮厚度动态恒定，失水速率也就基本不变。
    以钻孔某一孔深处的孔壁为讨论对象，该处孔壁的失水全过程，从钻头钻经此处开始，发生短暂的瞬时失水之后，即形成动失水、静失水的不断循环反复，直至钻井完成。因此，该处孔壁的失水速率随时间的变化规律将如图4-14所示。

图4-14  井壁失水速率变化规律

（二）失水性对钻井工作的影响

    许多情况下，泥浆的失水对钻井的危害较大。
   （1）当地层为泥页岩、黄土、粘土时，失水过大会引起井壁吸水膨胀、缩径、剥落、坍塌；
   （2）对于破碎带、裂隙发育的地层，渗入的自由水洗涤了破碎物接触面之间的粘结，减小了摩擦阻力，破碎物易滑入井眼内，造成井壁坍塌、卡钻等事故；
   （3）在溶解性地层中的失水越多，井壁地层被溶解的程度就越高；
   （4）厚泥皮会加大对钻具的吸附，使钻杆回转阻力增加；
   （5）厚泥皮使环空过流面积减小，循环阻力和压力激动增大；
   （6）厚泥皮使测井数据的准确性降低；
   （7）失水量越多，对地层的侵染越严重；
   （8）失水量越多，对地层的伤害越严重，影响油、气、水的渗透率，降低井的产量。
    你讲的失水性对钻井的有利影响是：初失水可以湿润岩土，使其强度降低，有利于钻头对其破碎，提高钻进速度。

（三）失水量影响因素分析

   分析失水量的影响因素及其相互之间的关系，以静失水为讨论基础。
泥浆的静失水是一个渗滤过程，因此遵循达西渗流定律。在此假设：地层的渗透率和泥皮的渗透率均是常数，且前者远大于后者；泥皮是平面型的，其厚度与钻孔直径相比很小。泥皮的厚度随时间增加而逐渐增大。按达  西定律则有：
                     Qt=                       （4-8）
    式中Qt---渗透速率，m2；K---泥皮的渗透率，m2；A---渗滤面积，m2；ΔP---渗滤压力，Pa；h---泥皮厚度，m；μ--滤液粘度，Pa?s；Vt---滤失液体的体积，即滤失量，m3；t--渗滤时间,h。
    当一定量泥浆完全滤失掉时，则有下面的关系：

                            Vm=h·A+Vt; Vt=h·A·Cc.                  （4-9）

    式中 Vm---过滤的泥浆体积,m3；Vt---泥皮中固体颗粒堆积的体积,m3；Cc---泥皮中固体颗粒的体积百分数。
    Cm为泥浆中固体颗粒的体积百分数，即,于是上式可得：
                                                （4-10）

    将式（4-10）代入式（4-9）中，得：
                                       （4-11）
    整理后有：
                              ，
    积分后得：
                                 
    即：           

                                          （4-12）
     由式（4-12）看出：单位渗滤面积的滤失量与泥皮的渗透率K、固相含量因素、滤失压差△P、渗滤时间t等因素的平方根成正比；与滤液粘度的平方根成反比。虽然式（4-12）是静态状况下的失水量关系式，但它能比较有效地反映影响失水的大部分因素，其数学推导过程确切，便于建立统一的衡量标准。
      关于动失水，主要是在静失水的基础上加入对泥皮冲刷的影响，由于模拟环境与各种井内复杂的动态情况存在差异，建立统一的解析模型比较困难。现在，国内外已有一些动失水衡量的理论正在不断发展。从对泥皮的动冲刷力考虑应该着重在两个问题上进行深入研究：（1）钻井液循环和钻具回转引起对泥皮的液动冲刷，特别注意流速场分布在泥皮界面处流速的大小和流态；（2）泥浆在泥皮界面上相对滑动的润滑性和粘滞阻力。
从以上讨论中可以分析泥浆降失水的主要途径为：①平衡或减小井液与地层孔隙流体之间的压差；②选用优质造浆粘土和有关处理剂，增加水化膜厚度；③增加泥浆中粘土的含量；④选用能提高水溶液粘度的处理剂，增加泥浆滤液粘度；⑤加快在复杂地层段的钻进速度，减少井壁裸露时间；⑥减少钻井液循环对井壁的冲刷。

（四）泥浆失水量的测量

静失水仪

    采用气压式失水仪（图4-15）。测试条件：压差7.1╳105Pa，过滤断面45.3cm2，温度20~25℃。测量时连续测两个点（例如7.5min，30min），然后按计算，衡量泥浆的失水特性。

动滤失仪

    如图4-16所示，仪器最高压差为10MPa，相对滤器表面产生的流速梯度范围在0~500-1之间自由变换。用泥浆2.2L。底部装有滤纸过滤孔，侧壁有两个岩心滤孔，可装岩心长3~18cm。既可测得泥浆在滤纸上的动、静失水量，又能在不同渗透率的岩心上测得动、静失水数据。