非有效流動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，顆粒之間會形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，此時其顆粒網(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的特征，與固相顆粒一起被稱為非有效流動相（見圖 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)實驗優(yōu)選出了一種潤濕分散劑 GR。該處理劑可通過化學(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的性能評價3.1.1 對加重劑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 對加重劑進(jìn)行處理，并用 ZetaProbe 電位儀測其電位，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，實驗結(jié)果見表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。

 

  對鉆井液懸浮性的影響考察潤濕分散劑 GR 在不同密度鉆井液中對加重劑懸浮性能的影響，通過測定鉆井液靜置 12 h 前后的密度差來衡量懸浮性的好壞，實驗結(jié)果見表 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，說明 GR 能很好地提高鉆井液的穩(wěn)定性。

 

  GR 對重晶石懸浮性能的影響體系 ρ設(shè)計/（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%膨潤土+0.3%NaOH+0.3%PAC-LV+3%SMP-2+3%SPNH+2% 潤滑劑 +加重劑（鐵礦粉∶重晶石 =1︰1）。

 

  降黏效果1）降黏效果評價方法。降黏劑的降黏效果一般用參數(shù) DI 表示，其計算公式如下 ：

 

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

 

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

 

  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切力，Pa。

 

  2）實驗結(jié)果與討論。目前國內(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表 3。

 

  不同降黏劑的降黏效果評價結(jié)果ρ/g/cm3實驗條件稀釋劑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% 膨潤土+0.3%NaOH+0.1%XC+3%SMP-2+0.3%PAC-LV+3%SPNH+4%CaCO3+2% 潤滑劑 + 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。這是因為 SF-260、XY-27 和 SMT 主要是通過拆散黏土結(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，仍具有較好流動性，說明 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，再次驗證了以上思路的可行性。

 

  密度為 2.80 g/cm3鉆井液的性能實驗條件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 ℃下測得 ；FLHTHP在 150 ℃、3.5 MPa 下測定。