实验一水基钻井液配制及其流变性质的测定.pdf

实验一一、原理1、了解和掌握钻井液的配制过程及方法，学会按所需比重配制一定量的水基钻井液2、了解测定钻井液常规性能的各种仪器的测定原理，正确掌握测定钻井液常规性能3六速旋转粘度计、 泥浆比重计和漏斗粘度计、电动搅拌机等各一台， 搪瓷量杯、 药物天( 一 )钻井液 ( 泥浆 ) 的种类很多，通常分为两种基本类型：即水基钻井液和油基钻井液油基钻井液是以柴油 (或原油 ) 作分散介质， 水及有机土或其他的亲油粉末物质作分散相， 加乳化剂等处理剂配制而成； 水基钻井液是以水为分散介质， 其基本组分是粘土 ( 搬土 )、水、 和化学处理剂， 这类钻井液发展最早， 使用最广泛 我们这里所要配制的钻井液只是其中一种最基本、最简单的水基钻井液， 即般土原浆 它的配制要点是在选定粘土的基础上，加入适量纯碱或其它处理剂， 以提高粘土的造浆率 纯碱的加量依粘土中钙的含量而异， 可通过小型实验求得，一般不超过泥浆体积的 1%加入纯碱的目的是除去粘土中的部分钙离子，使钙质膨润土转化为钠质膨润土， 从而提高它的水化分散能力， 使粘土颗粒分散得更细 Ca(土 )＋Ｎ a２ CO３ =Na( 土 )＋ CaCO３ 因此，原浆加纯碱一般呈现粘度增大，失水量减小；如果随着纯碱加入失水量反而增大， 就说明纯碱加过量了。

有的粘土只加纯碱还不行， 需要加少量烧碱，计算出配制密度为 1.05 的水基钻井液 1000ml 所需膨润土重量 ( 一般常用的是安丘土，密度为 2.20g/cm ３ ） ，用药物天平称取所需安丘土其计算公式如下：W土 ——配浆所需的膨润土粉重量 gγ 浆 ——所配钻井液的密度 g/cm ３γ 土 ——安丘土粉的密度 g/cm ３V 浆 ——需配制的钻井液体积 ml所需水量Ｖ＝ V 浆 －Ｗ 土 ／ γ 土 ml2用 1000ml 的搪瓷量杯从电热水器上接取热水 (60 ℃左右 )1000ml( 忽略土粉体积 )，将搪瓷量杯放于电动搅拌器下低速搅拌，一边搅拌一边缓慢加入已称好的膨润土粉 ( 注意防止土粉在杯底堆积 ) ，待土粉全部加完后，继续搅拌 3～ 5 分钟，按土粉重量的 2～ 5％称取所需的纯碱粉边搅边加入钻井液中，继续搅拌 15～ 30 分钟，直到钻井液的温度基本接近室温即注： 现场一般配浆是用自来水在常温下配制， 配好后需放置几天至十几天， 以使土粉充分水化分散， 钻井液性能稳定下来才能使用 本实验用热水配浆的目的是为了加快膨润土的水化分散， 配制的钻井液也应放置几天， 性能才能稳定。

因时间限制本实验配制的钻井液没有放置陈放由于配制的钻井液性能受到的影响因素很多，如水温、搅拌时间长短和强度、( 二 )钻井液单位体积的重量称为钻井液的密度，常以 g/cm ３ （ kg/m３ ）表示钻井液的密度主要用来调节钻井液静液柱压力， 以平衡地层孔隙压力， 防止发生井喷 有时亦用来平衡地层构造应力，控制或减轻井塌一般用来测定钻井液密度的仪器是泥浆比重称 ( 见图 1) 测量范围一般为 0.8 ～ 2.4g/cm ３1- 杠杆； 2- 主刀口； 3- 泥浆杯； 4- 杯盖； 5- 平衡圆柱； 6- 砝码； 7- 底座； 8- 主刀垫； 9- 挡臂； 10- 水准泡图 1 ZNB 型泥浆比重计1. 实验测定前应对仪器进行校正： 将泥浆杯中盛满自来水， 使泥浆杯始终保持垂直， 轻轻盖好杯盖， 让多余的水从杯盖孔中溢出， 然后用布擦干， 把刻度臂梁 ( 平衡梁 ) 轻轻放在支架上， 使主刀口正好放在底座的主刀垫上， 移动游码 ( 砝码 )至游码左侧对准刻度的 1.00g/cm时， 称臂梁的水准泡应居中 若不平衡则需旋开平衡圆柱的盖子， 添加或取出一些铅粒使之平衡 ( 若游码偏离“ 1.00 ”处不远，水平泡就可居中，则可记下游码偏离 1 的刻度值，记为Δ ，然后进行数据处理 )2. 测定钻井液的密度： 将配好的钻井液充分搅拌以后， 注入密度计泥浆杯中， 慢慢向下旋转泥浆杯盖， 让多余的钻井液从杯盖的溢流孔中流出， 确保杯盖与泥浆杯紧密接触， 然后用手指堵住溢流孔， 用水清洗掉杯外的钻井液并擦干， 然后进行测定。

测定方法与校正方法( 三 )API 标准是把从盛有 1500ml 钻井液的马氏漏斗中流出 946ml 钻井液所用的时间 ( 秒 ) 称为漏斗粘度， 校正时淡水的漏斗粘度 ( 水值 ) 为 26± 0.5 秒 我国是把从盛有 700ml 钻井液的较小漏斗中 ( 见图 2) 流出 500ml 钻井液所经历的时间 ( 秒 ) ，称之为钻井液的漏斗粘度，它与钻井液的塑性粘度、 屈服值、 以及仪器的尺寸和形状有关， 它可以作为一定条件下某一表图 2 ZNN 型漏斗粘度计1. 漏斗粘度计的校正： 用自来水把漏斗和量杯冲洗干净， 左手握住漏斗的下端部并用食指、堵住漏斗流出管口， 使漏斗始终保持垂直状态，将筛网放在漏斗上端口上，用量杯分别量取 500ml 和 200ml 自来水倒入漏斗中， 将漏斗出口对准量杯 500ml 的一端， 右手握住秒表，放开堵住漏斗流出口的左手食指让漏斗中的水自然流入量杯中，放开手指的同时按动秒表，当量杯 (500ml) 盛满水时，停止计时，同时用左手食指堵住漏斗流出口，记录下清水的流出时间 ( 标准值为 15± 0 5 秒 )2. 钻井液漏斗粘度的测定：用手指堵住流出口， 把刚搅拌好的钻井液用量杯量取 700ml通过筛网倒入漏斗中， 把量杯置于流出口下， 移取手指的同时计时， 记录注满 500ml 量杯的时间 ( 秒 ) ，以此值作为该钻井液的漏斗粘度值。

若数据可疑，应多测几次，然后取平均值图 3 ZNN-D6 型旋转粘度计( 四 ) 用 ZNN-D6本仪器 ( 见图 3) 可进行多个流变参数的测量， 根据多点测量数值绘制流变曲线，确定液体在流动过程中的流型， 选用合适的计算公式， 对非牛顿流体进行精确的测量， 用于钻井液粘度是钻井液流动时固体颗粒之间、 固体颗粒与液体之间、 以及液体分子之间的总反映它包括漏斗粘度、表观粘度和塑性粘度、 切力 ( 包括静切力、动切力 ) 切力是钻井液结构强度的大小， 而各种流型系数表示钻井液流变状态 这些指标主要用来表示钻井液在钻井过程中清洗井底、携带岩屑的能力及流动阻力的大小图 4 四种基本流型1.对牛顿流体流动服从于牛顿内摩擦定律； 塑性流体流动服从于宾汉公式； 假塑性流体和膨胀流体流动服从于幂函数公式见图 4液体放置在两个同心圆筒的环形空间内， 通过变速传动外筒以恒速旋转， 外筒通过被测液体作用于内筒上一转距， 使同扭簧连接的内筒旋转了一个相应角度， 根据牛顿定律， 该转2.把仪器与电源相接 (220V、 50Hz) ，查看铭牌上的变速位置图 ( 见图 5) ，启动电机转换手柄， 可获得要求的转速； 无须停机可变换速度从刻度盘上读出扭力值； 取下外筒只须顺时针旋转便可取下， 内筒与轴锥度配合， 装卸时用手捏住悬轴，将内筒右旋，向上或向下拉进行装卸，内筒为空心式，使用温度不得超过 953.① 接通电源，指示灯亮，将转换开关旋钮 ( 见图 6) 向左旋至“高速”时，变换变速手把可得转速为 200、 6、 600r/min ；将转换开关旋钮向右旋至“低速”时，变换变速手把可得转速为 100、 3、 300r/min图 5 变速手把 图 6 转换开关②调整变速手把以 300 或 600③检查刻度盘 0 位，如刻度盘指针不对 0，取下护罩 A，松开螺钉 E 调整手轮 G对正 0④校正仪器：把自来水倒入样品杯刻线处 (350ml) ，立即置于托盘上，上升托盘使钻井液液面对齐外筒刻线处拧紧托盘手轮 ( 如用其他样品杯，外筒底部与杯底部之间距离不应低于 1.3cm) ，测定 600 转／分 ( 或 300 转 / 分 ) 的清水值，标准应为： Φ 600＝２（或 Φ 300＝ 1) 。

⑤把刚搅拌过的钻井液倒入样品杯中， 迅速从高速到低速进行测量， 待刻度盘的读数稳定后， 分别记录各转速 ( 速梯 ) 下的读数，对其触变性的流体，应在固定速梯下，取最小读数⑥静切力的测定： 将上述液体经 600 转／分搅拌 1 分钟， 关机静置一定时间， 关机后立即将变速手把调至 3 转／分那一档， 当静置时间到时， 开机前眼睛盯着读数窗， 读出 3 转／a. 初切力：在 600 转／分下搅拌 1 分钟，静置 1 分钟 ( 现场有时是 10 秒 ) ，在 3 转／分b. 终切力：在 600 转／分下搅拌 1 分钟，静置 10 分钟，在 3 转／分下读取并记录最大实验完后，关闭电源，松开托盘，移开样品杯，轻轻卸下内、外筒，相互不得擦伤，避4.A. 外筒转速与内筒上剪切速率换算 ( 见表 1) 外筒转速 r/min 600 300 200 100 6 3 内筒上剪切速率 s－１ 1022 511 340 170 10 5 B.绝对粘度 η ＝ Φ 600 /2 cp 或 = Φ 300 cpC.视 粘度 η 视 ＝ Φ 600/2 cp塑性粘度 η 塑 ＝ Φ 600－ Φ 300 cp动 切力 τ o ＝ 5.11 （ Φ 300 η 塑 ) 或 τ o ＝ 5.11 （２ Φ 300－ Φ 600) dyn/cm ２静 切力 τ 初 ＝ 5.11 × Φ 3 ( 静止 1 分钟读数 ) dyn/cm ２τ 终 ＝ 5.11 × Φ 3 ( 静止 10 分钟读数 ) dyn/cm ２D.流性指数 ( 无因次 )稠度系数 dyn · Sn/cm ２5. 实验数据全部测完后， 取下样品杯， 将钻井液回收备用。

用自来水冲洗样品杯、盛约350ml 自来水，让转筒浸入样品杯中，挂上 600 转 / 分的挡，开机清洗转筒约 1 分钟停机，倒去样品杯中的水， 如上再清洗转筒一次， 小心拧动转筒， 使之脱开锁紧的挂销， 卸下转筒，注意切不可碰着内筒 用洗净拧干的布轻轻将内筒 ( 严防内筒转动或受力过大 ) 和其它部件彻1. 在 800ml 上述的钻井液中边搅拌边加入 20 克粘土粉，然后用漏斗粘度计和旋转粘度2. 量取 800ml 钻井液，边搅拌边加入 20 克重晶石粉，然后用漏斗粘度计和旋转粘度计试比较加土与加重晶石粉的漏斗粘度计与旋转粘度计测值的变化， 说明二者在作用上的主要区别是什么 ?六、实验报告内容1.性能参数 符 号 单 位 允许误差测 定 数 据一 二 三 平 均比 重 γ g/cm3 0.05 漏斗粘度 T s ± 0.5 静 切 力Φ ’ 3 格τ S1 dyn/cm2Φ ” 3 格τ S10 dyn/cm2配浆时用土量 克 纯 碱 加 量 克漏斗粘度计水值 秒 比重计 Δ 值流 变 参 数 计 算1 转 速 φ 转 / 分（ r/min ） 600 300 200 100 6 3 2 速 度 梯 度 D （ S-1） 1022 511 340 170 10 5 3 清 洁 水 值 （格） / / / / 4 读值 φ （格）一 次二 次平 均5 τ 实 =5.11 φdyn/cm 26 τ 宾 = τ 0+0.01 η sD dyn/cm 27 τ 指 =KDndyn/cm 28 τ 卡 =[ τ c?+0.1 η ∞ ?· D?] 2 dyn/cm 29 τ 0=5.11 × (2 φ 300- φ 600) dyn/cm 210 η s=(φ 600- φ 300) cp 11 n=3.322lg( φ 600/ φ 300) 无因次12 K=5.11× φ 300/511 n dyn · Sn/cm213 τ c?=1.51(2.45 φ100?- φ600?) dyn/cm 214 η ∞ ?=1.195( φ 600?- φ 100?) cp 注：1. 计算第六行、 。