非有效流動(dòng)顆粒模型影響懸浮液黏度的重要因素是懸浮液中固體顆粒的體積分?jǐn)?shù)。而固相之間以及固相與液相之間的物理、化學(xué)作用可以造成懸浮液中固相容積分率增大。這些作用可分成如下 3 類 ：①溶劑化層。加重劑顆粒的極性表面及其帶電性，強(qiáng)烈吸附極性的水分子，使靠近顆粒表面的水分子形成結(jié)構(gòu)化水膜，這層水膜牢固地束縛在顆粒表面上，相當(dāng)于增大了固相容積分率。②顆粒間沉積液。Vand[4]

 

  認(rèn)為在稍濃的懸浮液中，任何時(shí)刻總有一部分顆粒在碰撞，碰撞中有一部分液體處于不能自由流動(dòng)狀態(tài)，這部分液體叫沉積液，沉積液的存在也相當(dāng)于增大了顆粒的容積分率，濃懸浮液中的沉積液的容積分率比原來(lái)增加了 35%。③顆粒間束縛水。固相顆粒濃度增大到一定程度后，顆粒之間會(huì)形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，此時(shí)其顆粒網(wǎng)格中束縛了大量的自由水，這一部分水就是束縛水。這 3 部分液體失去了自由流動(dòng)的特征，與固相顆粒一起被稱為非有效流動(dòng)相（見(jiàn)圖 1），相當(dāng)于增大了體系的固相體積分率。

 

  高密度水基鉆井液流變性調(diào)控技術(shù)思路由上述分析推導(dǎo)出能夠反映高密度鉆井液黏度原理的表達(dá)式。根據(jù)懸浮液黏度理論可知，懸浮液的黏度與能量消散的速度有關(guān)，單位體積懸浮液中非有效流動(dòng)相體積分?jǐn)?shù)越大，能量消散的速度就越慢，懸浮液的黏度就越大。因此，懸浮液的黏度與體系中非有效流動(dòng)相體積分率成正比 ：

 

  ηs=f（1–φeff）=f（φs+φδ+φE+φc） （2）式中，φeff為有效流動(dòng)相體積分率 ；φs為固相體積分率 ；φδ為溶劑化層體積分率 ；φE為束縛水體積分率 ；φc為沉積液體積分率。

 

  根據(jù)鉆井液流變參數(shù)的膠體化學(xué)意義，可令Binhanm 模型中的塑性黏度等于式（2）的黏度，則鉆井液懸浮體系的總黏度可以寫作 ：

 

  η=ηs+ηG=f（φs+φδ+φE+φc）+ηG（3）式中，ηG為懸浮液結(jié)構(gòu)黏度。該式可以作為高密度水基鉆井液的黏度模型。公式（3）比較清楚地反映出高密度水基鉆井液黏度產(chǎn)生的原因。根據(jù)該匡韶華等：表達(dá)式可以確定高密度水基鉆井液流變性調(diào)控的思路如下 ：①降低膨潤(rùn)土的含量，從而減小 φs、φδ、φE、φc和 ηG；②采用高密度的加重劑減少總固相含量，從而減小 φs、φδ、φE、φc和 ηG；③采用粒度級(jí)配技術(shù)，從而減小 φc；④用鐵礦粉與重晶石復(fù)配加重，不但可減少加重劑的加量，又起到了顆粒級(jí)配的作用，從而減小 φs、φδ和 φc；⑤使用高效處理劑以減少處理劑的種類和加量，從而減小 φδ；⑥避免使用分子量很高的聚合物處理劑，從而減小 φE和 ηG；⑦增大顆粒的表面斥力，減小顆粒聚集程度，從而減小 φE、φc和 ηG。

 

  3 穩(wěn)定性、流變性控制室內(nèi)實(shí)驗(yàn)優(yōu)選出了一種潤(rùn)濕分散劑 GR。該處理劑可通過(guò)化學(xué)吸附和化學(xué)螯合作用吸附在加重劑顆粒表面上，改變顆粒表面性質(zhì)，增大加重劑顆粒間的排斥力，從而改善高密度水基鉆井液的懸浮穩(wěn)定性和流變性。

 

  3.1 GR的性能評(píng)價(jià)3.1.1 對(duì)加重劑ζ電位的影響[5]

 

  向濃度為 0.2 g/cm3的重晶石和鐵礦粉懸浮體中分別加入不同量（按照懸浮液的體積百分比）的GR 對(duì)加重劑進(jìn)行處理，并用 ZetaProbe 電位儀測(cè)其電位，發(fā)現(xiàn)在加入不同量的 GR 下的加重劑 ζ 電位有明顯的區(qū)別，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。從表1可以看出，加入 GR 后，鐵礦粉表面 ζ 電位由正值變?yōu)樨?fù)值 ；隨 GR 加量增大，加重劑表面 ζ 電位的絕對(duì)值明顯增大。

 

  加重劑表面ζ電位隨 GR 加量的變化GR（/V/V） 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0ζ重晶石/mV –3.29 –10.32 –15.5 –21.81 –19.64 –18.7 –19.44ζ鐵礦粉/mV 13.53 –7.14 –19.1 –32.68 –41.3 –40.41 –38.12注 ：GR 的加量為 mL/100 mL。

 

  對(duì)鉆井液懸浮性的影響考察潤(rùn)濕分散劑 GR 在不同密度鉆井液中對(duì)加重劑懸浮性能的影響，通過(guò)測(cè)定鉆井液靜置 12 h 前后的密度差來(lái)衡量懸浮性的好壞，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表 2。

 

  在不同密度鉆井液中加入 GR 后，鉆井液靜置 12 h 前后的密度差顯著減小，鉆井液的懸浮穩(wěn)定性有了明顯提高，說(shuō)明 GR 能很好地提高鉆井液的穩(wěn)定性。

 

  GR 對(duì)重晶石懸浮性能的影響體系 ρ設(shè)計(jì)/（g/cm3） 2.0 2.2 2.4 2.6未加GRρ初始/（g/cm3） 1.99 2.20 2.42 2.58ρ靜置 12 h 后/（g/cm3） 1.85 2.08 2.31 2.49?ρ/（g/cm3） 0.14 0.12 0.11 0.093%GRρ初始/（g/cm3） 2.01 2.21 2.39 2.60ρ靜置 12 h 后/（g/cm3） 1.95 2.16 2.34 2.57?ρ/（g/cm3） 0.06 0.05 0.05 0.03注：基漿：3%膨潤(rùn)土+0.3%NaOH+0.3%PAC-LV+3%SMP-2+3%SPNH+2% 潤(rùn)滑劑 +加重劑（鐵礦粉∶重晶石 =1︰1）。

 

  降黏效果1）降黏效果評(píng)價(jià)方法。降黏劑的降黏效果一般用參數(shù) DI 表示，其計(jì)算公式如下 ：

 

  DI=[（φ100'–φ100）/φ100' ]×100%      （4）在使用六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)時(shí)，φ100可以代表環(huán)空流動(dòng)阻力，但無(wú)明確的物理意義。因此張國(guó)釗[7]

 

  建議增加具有明確物理意義的動(dòng)切力的降低率作為表示降黏劑降黏效果的參數(shù)，計(jì)算公式如下 ：

 

  YI=（[YP'–YP）/YP' ]×100% （5）式中，YP'、YP 為未加降黏劑和加降黏劑鉆井液的動(dòng)切力，Pa。

 

  2）實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論。目前國(guó)內(nèi)常用的各種降黏劑和 GR 在高密度鉆井液中的稀釋效果見(jiàn)表 3。

 

  不同降黏劑的降黏效果評(píng)價(jià)結(jié)果ρ/g/cm3實(shí)驗(yàn)條件稀釋劑PV/mPa·sYP/Paφ100DI/%YI/%1.06150 ℃、16 h空白 28 13.5 323%SF-260 14 4.0 9 72 703%XY-27 堿液 26 6.0 15 53 553%SMT 堿液 21 5.5 11 66 593%GR 13 3.0 7 78 782.31150 ℃、16 h空白 101 38.0 833%SF-260 86 20.5 72 13 463%XY-27 堿液 113 32.0 85 163%SMT 堿液 95 18.5 59 29 513%GR 62 10.5 15 82 72注 ：基漿 ：3% 膨潤(rùn)土+0.3%NaOH+0.1%XC+3%SMP-2+0.3%PAC-LV+3%SPNH+4%CaCO3+2% 潤(rùn)滑劑 + 加重劑（鐵礦粉︰重晶石 =1︰1）。8 鉆 井 液 與 完 井 液GR 和抗高溫硅氟稀釋劑 SF260 為液態(tài)，可直接加入到鉆井液中，而 XY-27 和 SMT 為固態(tài)，一般需要配成堿液使用。XY-27 堿液和 SMT 堿液的配制方法（按質(zhì)量比計(jì)算）為 ：XY-27︰NaOH︰H2O= 4︰10︰100，SMT︰NaOH︰H2O = 40︰10︰100。

 

  由表 3 可以看出，在未加重鉆井液中，SF-260、XY-27 堿液和 SMT 堿液以及 GR 都具有很好的降黏度和切力作用 ；但是在加重鉆井液中 SF-260、XY-27 堿液和 SMT 堿液的降黏效果很差，XY-27堿液甚至還出現(xiàn)增稠現(xiàn)象，而 GR 的降黏效果極好。這是因?yàn)?SF-260、XY-27 和 SMT 主要是通過(guò)拆散黏土結(jié)構(gòu)或聚合物結(jié)構(gòu)而降黏的，不能降低重晶石顆粒之間的摩擦阻力，而 GR 不但能夠拆散黏土結(jié)構(gòu)，還能通過(guò)改變加重劑顆粒表面性質(zhì)而降低內(nèi)摩擦阻力。因此，GR 適用于高密度水基鉆井液體系。

 

  3）潤(rùn)濕分散劑 GR 的降黏效果。配制 2 組密度均為 2.50 g/cm3的鉆井液，一組加入 3%GR，另一組不加，其熱滾后的流動(dòng)形態(tài)如圖 2 所示。由此可知，未加 GR 的鉆井液高溫后嚴(yán)重稠化，已基本失去流動(dòng)性，狀態(tài)介于流體—膏狀之間 ；而加有GR 鉆井液的密度達(dá)到 2.50 g/cm3時(shí)，仍具有較好流動(dòng)性，說(shuō)明 GR 具有非常好的改善流變性的作用。

 

  a） 未加 GR 的體系 b） 加 GR 的體系圖 2 高密度鉆井液熱滾后的流變形態(tài)3.2 超高密度淡水基鉆井液體系研究以 GR 為主處理劑，用無(wú)黏土膠液、重晶石和鐵礦粉復(fù)配加重劑配制了一種密度高達(dá) 2.80 g/cm3的超高密度淡水基鉆井液，其配方如下，性能見(jiàn)表 4。

 

  淡水 +0.05% 聚合物增黏劑 APGEL-18+0.3%聚 合 物 降 濾 失 劑 +（3%～7%）樹 脂 降 濾 失 劑 +（3%～7%）褐煤降濾失劑 +5%GR+（3%～7%）高效封堵防塌劑+5%超細(xì)CaCO3+ 重晶石︰鐵礦粉（1︰3）從表 4 可以看出，配制出的超高密度淡水基鉆井液具有良好的穩(wěn)定性、流變性、濾失造壁性和抗溫能力，再次驗(yàn)證了以上思路的可行性。

 

  密度為 2.80 g/cm3鉆井液的性能實(shí)驗(yàn)條件ρ/g/cm3?ρ/g/cm3PV/mPa·sYP/PaGel/Pa/ PaFLAPI/mLFLHTHP/mL常溫2.80 0.0389 20.0 12.5/21.0150 ℃、16 h 81 11.5 10.0/18.0 2 12.8注 ：?ρ 是指靜置 12 h 前后的密度差 ；流變性在 40 ℃下測(cè)得 ；FLHTHP在 150 ℃、3.5 MPa 下測(cè)定。