泥浆性能及其测试方法

泥浆性能及其测试方法

泥浆的性能是泥浆的组成以及其各组分间相互物理化学作用的宏观反映.泥浆的主要性能有泥浆的比重和固相含量、泥浆的流变特性（粘度和切力）、泥浆的滤失性能（泥浆的失水量和泥饼厚度）、以及泥

浆的含砂量、润滑性、胶体率和 pH 值等。

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(造浆粘土重量和钻屑重量)。

泥浆的含砂量指泥浆中砂粒占的重量或体积百分数。

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。