鉆井液剪切稀釋性及其相關性研究

郭金愛，趙 靜，楊國濤，史沛謙，楊朝光

(1.中原石油工程有限公司鉆井工程技術研究院;2.中國石化中原油田分公司采油三廠:河南濮陽 457001)

鉆井液的剪切稀釋性具有塑形和假塑形流體的表觀黏度隨著剪切速率的增加而降低的特性，它是優(yōu)質鉆井液必須具備的性能［1－2］。長期以來，業(yè)界都習慣用動塑比(YP/PV)和流性指數(shù)(n)來表示鉆井液的剪切稀釋能力，認為動塑比越高、流性指數(shù)越小，鉆井液的剪切稀釋能力就越強［3］。有學者對鉆井液剪切稀釋性參數(shù)相關性進行過研究。王全平［4］用比面積法表征了鉆井液的剪切稀釋性，認為在相同速梯范圍內，τo/ηs，τc/η∞，n具有一致性，都能定量表征鉆井液的剪切稀釋性，但沒有研究與剪切稀釋常數(shù)(Im)的相關性。江小玲等［5］對剪切稀釋性相關性進行了研究，得出冪律流性指數(shù)n與YP/PV有較好的相關性，但Im與鉆井液的剪切稀釋性不能保持一致。筆者對跟蹤井的現(xiàn)場數(shù)據(jù)分析，從剪切稀釋性的定義出發(fā)對鉆井液剪切稀釋性參數(shù)及其相關性進行了研究。

1 鉆井液剪切稀釋性指標和其相關性的研究

鉆井液剪切稀釋性根據(jù)鉆井液流變模式的不同一般有不同的評價指標;賓漢模式的動塑比(YP/PV);其中PV=θ600－ θ300，YP=0.511(θ300－PV);冪律模式的流性指數(shù)(n，無因次):n=3.322log;卡森模式的剪切稀釋常數(shù)(Im，無因次):Im=［1+(100τc/η∞)1/2］2，其中 τc和η∞在不同速梯區(qū)間有不同的公式，所以Im也是針對不同速梯范圍的。

業(yè)內一般用這3種方法表征鉆井液的剪切稀釋性，通常認為YP/PV越高、Im越高、n越低，鉆井液的剪切稀釋能力越強。筆者認為，要證明這些參數(shù)的相關性，還得從剪切稀釋性的定義入手，剪切稀釋性的本質就是表觀黏度對速度梯度的敏感性，用一定速度梯度范圍(γ1～γ2)內表觀黏度的降低率×100%(γ1，γ2表示 γ 速度梯度，ηαγ表示速梯對應的表觀黏度)表示鉆井液的剪切稀釋性是最本質的方法，3個參數(shù)如果能代表鉆井液的剪切稀釋性就應該和×100%保持一致，YP/PV，Im，n的變化應該和×100%的變化保持一致，即×100%增大，YP/PV、Im增大，n 降低;×100%降低，YP/PV、Im降低，n增大;而且增大或降低的趨勢和幅度應吻合。

2 剪切稀釋性現(xiàn)場數(shù)據(jù)分析和相關性討論

以白－3HF井、S112－6H井、文101－17C井和橋43－3井為例，對相關鉆井液剪切稀釋性參數(shù)進行了計算分析，并對其相關性進行了討論。

2.1 白－3HF井鉆井液流變性數(shù)據(jù)

白－3HF井是中國石化中原油田分公司在白廟構造主體北部白12區(qū)塊部署的一口致密砂巖氣開發(fā)井，井型為水平井，水平段長1 000 m，完鉆井深為5 086 m。為保證水平井段的安全鉆井施工，四開井段使用油基鉆井液，基本配方為:85份柴油+15份CaCl2水(濃度25%)+2.2%乳化劑SMEMUL-1+0.8%乳化劑 SMEMUL －2+0.5%SMWET潤濕劑+3%有機土SMOGEL－D+1.5%CaO+2%降濾失劑SMFLA－O+適量重晶石，以四開4 470～5 086 m井段油基鉆井液流變數(shù)據(jù)見表1，流變性數(shù)據(jù)隨井深分布趨勢作圖1。

表1 白－3HF井鉆井液相關流變數(shù)據(jù)

圖1 鉆井液井剪切稀釋性隨井深分布趨勢

2.2 S112－6H 井鉆井液流變數(shù)據(jù)

S112－6H井是位于新疆庫車縣境內西北油田分公司部署在塔河油田區(qū)志留系柯坪塔格組構造位置的一口滾動開發(fā)井，鉆探的主要目的層為志留系柯坪塔格組，井身結構為三開(50/800/4784/5904)，完鉆井深為5 094.2 m。此井一開、二開井段使用的是聚合物聚磺鉆井液，三開為造斜水平段，造斜段泥漿體系為聚磺聚胺混油泥漿體系:搬土漿 +0.3%NaOH+0.5%KPAM+0.3%(PMHC －2)+1%(CXA －1)+3%SMC+1%(KJ－2)+3%(WFT －666)+0.1%FB40+0.1%RH－3D+3%(YK －H);由于水平井段井眼軌跡不平滑以及地層鹽水污染泥漿嚴重造成卡鉆，解卡后更換為油基泥漿:基液(9∶1)+(2%～5%)有機土 +(3%～5%)主乳化劑 +(2%～4%)輔乳化劑+(3%～5%)降濾失劑+(1%～3%)油基提切劑+(1%～3%)油基封堵劑+(1%～3%)超細凝膠封堵劑+(4%～6%)生石灰粉+(1%～3%)超細碳酸鈣+重晶石。該井跟蹤數(shù)據(jù)井段為5 295～5 904米，其中5 295～5 841米井段為水基聚磺鉆井液體系，5 845～5 904米井段為油基鉆井液體系，S112－6H井剪切稀釋性數(shù)據(jù)見表2，井的水基聚磺鉆井液隨井深分布變化趨勢見圖2，油基鉆井液隨井深分布變化趨勢見圖3。

表2 S112－6H井鉆井液相關流變數(shù)據(jù)

圖2 水基聚磺鉆井液剪切稀釋性隨井深分布變化趨勢

圖3 油基鉆井液剪切稀釋性隨井深分布變化趨勢

2.3 文101－17C井鉆井液流變數(shù)據(jù)

文101－17C井流變數(shù)據(jù)隨井深分布變化趨勢見圖4。

圖4 文101－17C井鉆井液剪切稀釋性隨井深分布趨勢

文101－17C井位于中原油田東濮凹陷中央隆起帶文留構造，為開窗側鉆井，井深2 525米，側鉆點2 000米，鉆井液體系為聚合物鉆井液:老漿 +0.6%Na2CO3+0.2%NaOH +0.5%CPS－2000+0.5%LV －CMC+1%AOP －1+0.2%ZSC－201，此井跟蹤數(shù)據(jù)為側鉆點開始到完鉆各井段現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，文101－17C井流變數(shù)據(jù)見表3。

表3 文101－17C井鉆井液相關流變數(shù)據(jù)

2.4 橋43－3井鉆井液流變數(shù)據(jù)

橋43－3井為部署在橋口構造橋43斷塊區(qū)上的一口油藏評價井，為評價橋43南塊沙三上8至沙三中1含油氣情況。設計井深為3 390米，后又加深鉆進至3 520米，所用鉆井液體系為聚磺鉀鹽鉆井液。此井流變數(shù)據(jù)來自目的層前后現(xiàn)場取樣監(jiān)測數(shù)據(jù)，見表4。橋43－3井剪切稀釋性隨井深分布趨勢見圖5。

表4 橋43－3井相關流變數(shù)據(jù)

從4口井的剪切稀釋性隨井深變化趨勢可以看出，γ300～γ600速梯區(qū)間對應的 YP/PV和 Im與相應速梯區(qū)間的△ηa/ηa變化趨勢、變化幅度完全一致，而n的變化趨勢與它們正好相反;γ100～γ600速梯區(qū)間對應的 Im與△ηa/ηa變化趨勢、變化幅度也完全一致，但Im，△ηa/ηa曲線和YP/TV曲線變化趨勢不完全相符。Im(γ100～γ600)與Im(γ100～γ600)變化趨勢也不相同。在水基和油基鉆井液中的規(guī)律是一樣的。說明只有在相同速梯區(qū)間對應的剪切稀釋性參數(shù)才有相關性。江小玲得出Im與動塑比不一致的結論，是因為Im公式是對應γ100～γ600速梯范圍的公式，與常用的動塑比、流性指數(shù)對應的速梯范圍γ300～γ600不一致。

圖5 文101－17C井剪切稀釋性隨井深分布趨勢

3 結論

1)YP/PV，n，Im都能表征鉆井液的剪切稀釋性，但其本身有局限性，常用的YP/PV和n只能準確表征鉆井液在γ300～γ600速梯區(qū)間的剪切稀釋性，而不能準確表征其他速梯區(qū)間的剪切稀釋性，Im對應不同的速梯區(qū)間有不同的值，只能準確表征相應速梯區(qū)間的剪切稀釋性。

2)γ300～γ600速梯區(qū)間對應的 Im與 YP/PV、n具有很好的相關性，其他速梯區(qū)間對應的Im與YP/PV、n相關性不強。說明只有在相同速梯區(qū)間對應的剪切稀釋性參數(shù)才有相關性。

3)Im是卡森模式下的特性參數(shù)，其大小取決于τc/η∞，而η∞通常被稱之為鉆頭“水眼黏度”，所以用Im表征鉆井液的剪切稀釋性更貼近實際，而且Im表征鉆井液剪切稀釋性的范圍要比YP/PV和n寬。

［1］黃漢仁，楊坤鵬，羅平亞.泥漿工藝原理［M］.北京:石油工業(yè)出版社，1981:26 －55.

［2］鄢捷年.鉆井液工藝學［M］.山東東營:中國石油大學出版社，2006:57－78.

［3］李烘乾.泥漿動塑比與剪切稀釋能力的關系［J］.西部探礦工程，1994，6(6):65 －66.

［4］王平全.不同流變模式下鉆井液剪切稀釋性評價［J］.天然氣工業(yè)，1997，17(6):43 －45.

［5］江小玲，雷宗明，劉佳.鉆井液流變參數(shù)相關性研究［J］.鉆采工藝，2010，33(4):15 －19.