钻井液性能对钻速的影响

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钻井液流变性能与钻井工程的关系主要体现在下列几个方面：
① 影响钻井速度；
② 影响环空携带岩屑能力；
③ 影响井壁稳定；
④ 影响岩屑和加重物质的悬浮；
⑤ 影响井内压力激动；
⑥ 影响钻进泵压和排量；
⑦ 影响固井质量。
（1）影响钻井速度
钻井液的流变性能对钻井速度产生极大影响，根据Eckel的钻速方程可以获得定性认识。在其它因素不变时，Eckel指出钻速Vm与钻头处雷诺数Ne的0.5次方成正比：
Vm = f(Ne)1/2
设有两种钻井液，钻速的联合表达式为：
Vm2 = Vm1(Ne2/Ne1)1/2
因为其它因素不变时，雷诺数与钻井液有效粘度成正比：
Ne  dv/
对于宾汉塑性体，上式变为： Ne  dv/s
所以： Vm2 = Vm1(s1 / s2 )1/2 （3-27）
（3-27）式定性说明钻井液的流变参数s对钻速的影响关系。例如：某钻井液的塑性粘度s为32mPa.s，平均钻速为6米/小时，在不改变其它因素时，降低s到8mPa.s，则钻速变化为：
Vm2 =6(32/8)1/2=12 米/小时
如果钻进1000米井段，用32mPa.s的钻井液要用100小时，则用8mPa.s的钻井液只需要50小时。显然，降低钻井液的塑性粘度后，钻速提高2倍。此处的塑性粘度相当于钻头喷嘴处极限高剪切速率下的有效粘度，其值越低，水力能量的转化率越高，自然有利于提高钻井速度。
（2）影响直井环空岩屑携带效率
1）对岩屑输送比的影响
岩屑输送比定义为：

直井井眼净化良好的条件：Rt 0.5，即：V2Vs 。
式中， —— 岩屑输送比；
V —— 钻井液平均上返速度，m/s；V =12.7Q/(D22-D12)；
Vs —— 岩屑颗粒沉降速度，m/s；Vs与颗粒雷诺数Re相关：

式中，f——钻井液密度，g/cm3；
s——岩屑颗粒密度，g/cm3；
η——钻井液有效粘度，mPa.s。
当 Re  3时，Vs=326800ds2(s-f )/
当 3 当 Re>300时，Vs=2.95[ds(s-f )/f]1/2
由上可见，井眼净化与钻井液流变性能中的有效粘度紧密相关。在一定的水力条件下，钻井液有效粘度增加，环空岩屑颗粒沉降速度要降低，从而提高岩屑输送效率。
2）对携岩能力指标的影响
Robinson提出了测试井眼清洁性的“携岩能力指标（CCI）”，它是一个经验方程式：

如果：CCI≥1/36，井眼净化满足要求；
CCI< 1/36，井眼净化较差。
式中 ρm——钻井液密度，kg/m3;
——环空钻井液平均返速，m/s；
40000——由现场统计得到的经验数据；
η——钻井液有效粘度，mPa.s；由下式计算：

n——流性指数，由下式计算：

式中 PV——塑性粘度，mPa.s；YP——动切力，Pa。
该式的最大优点是综合考虑了钻井液密度、环空水力参数（ ）和钻井液流变性对携岩效率的共同贡献，同时也说明了钻井液流变性对其重要作用。
3）对流速剖面的影响
模拟实验发现，在层流条件下，钻井液携带圆片状岩屑出现岩屑翻转上升的特点。这不利于井眼环空净化。层流携带岩屑缺陷的实质是由于环空过水断面的液流速度分布极不均匀，中心部位流速高，作用力大，两侧流速低，作用力小，速度分布为尖峰形状，使得片状岩屑在环空上升过程中两端受力不均匀，产生转动力矩效应。于是，提出了将尖峰形层流改为平板形层流以提高携岩效率的改进思路。
平板形层流携带岩屑的目的在于加大环空钻井液的层流流核直径。根据直井环形空间与钻柱几何条件以及钻井液流核存在的水力学关系，在长度为L的环形空间流核截面积上，推导压力降ΔP与流核表面积S上的动切应力τ0之间的平衡式获得流核直径表达式为：
式中，τ0为0.1Pa；s为100mPa.s；D和d单位为cm；V单位为cm/s。
该式表明，随τ0 /s增加，流核直径d0将增大，钻井液流速剖面变平坦 ，从而使得钻屑的翻转力矩效应减小，钻井液携带岩屑的效率获得提高。根据生产现场大量钻井经验，总结出钻井液有效地携带岩屑的流变参数取值范围为：
对于宾汉流体：
τ0 /s = 0.36～0.478 Pa/mPa.s
τ0 = 1.5～3 Pa
因为动切应力取值范围已经给出，所以，提高τ0/s的关键是降低塑性粘度s。
对于假塑性体：根据ф600 /ф300=1022n/511n =2n，得到动塑比与流型指数的关系：
τ0 /s=0.5（ф300-s）/（ф600 -ф300）=（1-2n-1）/(2n -1)
因此， n = 0.4~0.7
对于卡森流体： τc =1.0~2.5 Pa
（3）对井壁稳定性的影响
钻井液流变性对井壁稳定的影响主要是指对井壁的冲蚀作用。Walker定义用侵蚀指数EI表示冲蚀性的强弱：
层流时： EI =τ0+12  sV/(D2-D1)+0.5τ0
EI = s [τ0 /s+12 V/(D2 -D1)+0.5τ0 /s] （3-29）
EI值越大，冲蚀性越强。由（3-29）式可见钻井液流变参数对其有着重要影响。
（4）影响岩屑和加重物质的悬浮
在牛顿流体中的固体颗粒只要其密度大于流体密度，就必然会以一定速度下沉。但是，岩屑颗粒在钻井液中的情况却不同。由于静切力和动切力的存在，即使颗粒密度大于钻井液密度，颗粒也可能不会发生沉降。只有当颗粒与流体满足一定条件时，颗粒才会下沉。因此，颗粒除了自然沉降外，还具有一种切应力悬浮状态。
1）流体静止状态下的静切应力悬浮状态
悬浮球形岩屑或加重材料所需静切力为：
τs（Pa）= 5ds(s-m)/3 （3-30）
τs（dyn/cm2）= ds(s-m)/6浆
式中，s——岩屑密度，g/cm3；
m——钻井液密度，g/cm3；
ds——球形岩屑颗粒直径，cm。
如果岩屑颗粒不呈球形，可根据体积相等的关系计算岩屑的当量直径予以修正：

式中的V为不规则颗粒体积，cm。
根据（3-30）式可以计算静止状态下，悬浮岩屑颗粒所需要的静切应力。）/
2）流体运动状态下的动切应力悬浮
岩屑颗粒在钻井液中的沉降速度为：
Vs =ds[0.0702gds(s -f)-τ0]
若颗粒处于临界状态，有
0.0702gds(s-f)-τ0=0
即颗粒悬浮的临界条件为：
s/f =14.25τ0 /(gd s f)+1
颗粒悬浮的判别准则为：
s/f  14.25τ0 /(gds f)+1 （3-31）
（3-31）式说明钻井液动切应力的悬浮作用对于避免岩屑沉降是非常有益的。