控制水包油钻井液粘度的分析

控制水包油钻井液体系粘度的分析
朱保松
一、乳状液
乳状液是一种多相分散体系，它是一种液体以极小的液滴形式分散在另一种与其不相混溶的液体中所构成，其分散度比典型的憎液溶胶低的多，它们是热力学不稳定的多相分散体系，有一定的动力稳定性。

乳状液可分为两大类：
1）油/水型（O/W ）即水包油型。

分散相也叫内相为油；分散介质也叫外相为水。

2）水/油型（W/O ）即油包水型。

内相为水，外相为油。

当液体分散成许多小液滴后，体系内两液相见的界面积增大，界面自由能增高，体系成为热力学不稳定的，有自发地趋于自由能降低的倾向，即小液滴相互碰撞后聚结成大液滴直到变成两层液体。

为了降低分散体系的界面自由能不让液滴互碰后聚结需要加入表面活性剂即乳化剂。

乳状液的粘度是其组分间在运动时的内摩擦阻力造成的，粘度大表明分子间的流动阻力高，也就是粘度高的体系中分散相的运动速度比较慢，碰撞的几率就会比较少，那么聚结成大液滴的可能性就会降低，其稳定性就会提高，反之，粘度过低，稳定性必然也会变差。

乳状液的粘度受到下列因素的影响：
1）外相粘度η0
乳状液的粘度主要取决与其外相的粘度。

因为它时连在一起的，一般说来，外相的粘度愈大乳状液的粘度愈高。

即乳状液的粘度是外相粘度的函数。

2）分散相（内相）的体积浓度
分散相体积浓度（即O/W 型中的油水百分比值；W/O 型中的水油百分比值）的大小，不但影响体系的粘度，而且会导致流型的变化。

水包油钻井液体系中降低内相的浓度，使得柴油液滴外包裹的水膜增厚，内外相摩擦力减少所以粘度降低。

对于O/W 型乳状液即水包油型乳状液，已经得到如下粘度与体积的浓度关系式：
η＝η0〔
1/3
11( )k -∅〕 公式中
η----乳状液的粘度，mpa.s
η0-----外相的粘度，mpa.s
Φ----内相体积浓度，%
K----常数，一般为1.3
3）电滞效应
多数乳状液的液滴皆带有电荷，固相邻液滴上边的电荷相互影响，这种电滞
效应可使体系的粘度上升。

主要因为液滴表面的电荷在其周围形成扩散层，分散相的体积明显增加，所以体系的粘度随之上升。

4）液滴的大小及其分布
在给定分散体积浓度的乳状液体系中，分散相粒度越小，分散就愈均匀，比表面积愈大，那么在分散相运动时，其与分散介质的摩擦阻力加大，粘度增加。

二、水包油钻井液
在水包油钻井液中柴油作为分散相以小液滴的形式分散在水中，粘度主要为内部摩擦阻力造成。

体系的粘度是外相水的粘度的函数。

而根据水包油钻井液体系的粘度函数公式，当内相柴油的百分比浓度增加时体系的粘度也随之增加。

现场钻进过程中越来越长时间的搅拌和钻头水眼的高速剪切作用，分散相柴油粒度越来越小，比表面增加，与分散介质的摩擦阻力越来越大。

并且钻进过程中钻屑颗粒分散进入体系，也使得内摩擦阻力增加，以上因素都决定钻进过程中水包油钻井液体系的粘度逐渐升高。

三、水基钻井液
水基钻井液是有水+土+化学处理剂组成，分散相即粘土的分散状态决定了钻井液的性能。

具体的体现就是土的含量和分散状态决定了钻井液的流变性能。

四、降粘剂
不降低钻井液粘土含量的情况下降低粘度、切力的处理剂（因为盐也可能降低粘度）。

降粘剂又称稀释剂、解絮凝剂。

降粘剂的基团要有能与粘土粒子端面强烈吸附的吸附基团。

如：络合吸附；
①与Al3+离子配位的基团；②与Al3+离子发生沉淀的基团；③含有邻酚羟基的基团。

分子上有带负电荷的强水化极性基团.
吸附基与水化基之间应有最佳组配关系，如果吸附基的吸附能力很强，水化基多，则效果最好。

但是水化基增加则处理剂化学位降低从而导致吸附量下降。

稀释剂的降粘稀释机理为：稀释剂分子通过（静电吸附、配位键吸附）吸附在粘土颗粒端面上，改变端面性质，拆散网架结构，从而降低钻井液结构粘度。

具体途径有两条：
1）使端面反号，由带正电性端面转变为负电性端面，使正负相吸改变为负负相斥。

2）增强端面水化膜厚度。

由于稀释剂分子的吸附基吸附在粘土颗粒端面上，水化基给端面带来丰厚的水化层，从而削弱边—边、边—面连接，拆散了网架结构，同时放出自由水，使粘度降低。

五、粘度控制
在水包油钻井液中，柴油作为分散相分散在分散介质水中，而不象水基钻井液粘土作为分散相分散在水中。

因此降粘剂通过吸附在粘土表面控制粘土的分散来降低钻井液体系粘度的作用就无从谈起。

并且降粘剂分子结构中含有强水化基团，降粘剂的加入发生水化作用，消耗了外相水量，从而减少外相水膜的厚度因此增加内摩擦提高了体系的粘度。

综合分析水包油钻井液体系和降粘剂作用机理我们可以得出以下结论：只能通过降低分散相百分比浓度增加水膜的厚度来降低内摩擦，也就是提高分散介质百分比浓度降低粘度。