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钻井液流变性对钻井的钻速、泵压、排量、悬浮及携带岩屑、井眼清洁、井壁稳定、压力波动及固井质量等许多方面都有影响。钻井最优化中钻井液水力学计算也与钻井液流变性及其本构方程的描述有关。本文针对目前深井、超深井中常用的高密度水基钻井液,采用Fann75高温高压流变仪开展了高温高压下高密度水基钻井液流变特性的实验研究。
本文首先对经典的四种流变模式:宾汉、幂律、卡森、H-B进行了系统的阐述和分析,介绍了Fann75高温高压流变仪这种新型仪器的工作原理、操作方法、数据采集并测定了高密度水基钻井液在不同温度范围(30-240℃)、不同压力范围(5-120MPa)和不同剪切速率下的剪切应力和粘度,得到它们的流变曲线,再用郑秀华教授等人开发的“钻井液水力学优化设计系统”软件对四种模式进行了优选。结果表明:高密度水基钻井液可用H-B模式和宾汉模式来描述,建议室内研究用H-B模式,现场应用用宾汉模式。
分析了高温对水基钻井液的作用机理,其中高温对粘土的作用是基础,对处理剂的作用是关键。高温对粘土的作用主要表现为高温分散、高温聚结和高温钝化;高温对处理剂的作用主要表现为高温降解和高温交联。研究了高密度水基钻井液表观粘度AV、塑性粘度PV和屈服应力YP随温度(30-240℃)、压力(5-120MPa)的变化情况。研究表明:从室温到临界温度时,高密度水基钻井液的AV、PV和YP随温度的升高而下降,下降幅度逐渐递减,其中以30-90℃之间下降最快,当温度超过临界温度以后,随温度升高出现小幅上升;压力对高密度水基钻井液流变参数的影响很小,AV、PV及YP基本上随压力增大呈缓慢上升趋势,所以一般在设计水基钻井液配方时,可以忽略压力对其流变性能的影响。
从高密度水基钻井液的室内评价和莫深1井现场应用可知,该配方拥有良好的抗温性能、高温稳定性能、抗污染性能、抑制性能和流变性能,所以适合深井、超深井钻井并在莫深1井取得满意的效果。