钻井液剪切稀释性及其相关性研究

郭金爱，赵 静，杨国涛，史沛谦，杨朝光

(1.中原石油工程有限公司钻井工程技术研究院;2.中国石化中原油田分公司采油三厂:河南濮阳 457001)

钻井液的剪切稀释性具有塑形和假塑形流体的表观黏度随着剪切速率的增加而降低的特性，它是优质钻井液必须具备的性能［1－2］。长期以来，业界都习惯用动塑比(YP/PV)和流性指数(n)来表示钻井液的剪切稀释能力，认为动塑比越高、流性指数越小，钻井液的剪切稀释能力就越强［3］。有学者对钻井液剪切稀释性参数相关性进行过研究。王全平［4］用比面积法表征了钻井液的剪切稀释性，认为在相同速梯范围内，τo/ηs，τc/η∞，n具有一致性，都能定量表征钻井液的剪切稀释性，但没有研究与剪切稀释常数(Im)的相关性。江小玲等［5］对剪切稀释性相关性进行了研究，得出幂律流性指数n与YP/PV有较好的相关性，但Im与钻井液的剪切稀释性不能保持一致。笔者对跟踪井的现场数据分析，从剪切稀释性的定义出发对钻井液剪切稀释性参数及其相关性进行了研究。

1 钻井液剪切稀释性指标和其相关性的研究

钻井液剪切稀释性根据钻井液流变模式的不同一般有不同的评价指标;宾汉模式的动塑比(YP/PV);其中PV=θ600－ θ300，YP=0.511(θ300－PV);幂律模式的流性指数(n，无因次):n=3.322log;卡森模式的剪切稀释常数(Im，无因次):Im=［1+(100τc/η∞)1/2］2，其中 τc和η∞在不同速梯区间有不同的公式，所以Im也是针对不同速梯范围的。

业内一般用这3种方法表征钻井液的剪切稀释性，通常认为YP/PV越高、Im越高、n越低，钻井液的剪切稀释能力越强。笔者认为，要证明这些参数的相关性，还得从剪切稀释性的定义入手，剪切稀释性的本质就是表观黏度对速度梯度的敏感性，用一定速度梯度范围(γ1～γ2)内表观黏度的降低率×100%(γ1，γ2表示 γ 速度梯度，ηαγ表示速梯对应的表观黏度)表示钻井液的剪切稀释性是最本质的方法，3个参数如果能代表钻井液的剪切稀释性就应该和×100%保持一致，YP/PV，Im，n的变化应该和×100%的变化保持一致，即×100%增大，YP/PV、Im增大，n 降低;×100%降低，YP/PV、Im降低，n增大;而且增大或降低的趋势和幅度应吻合。

2 剪切稀释性现场数据分析和相关性讨论

以白－3HF井、S112－6H井、文101－17C井和桥43－3井为例，对相关钻井液剪切稀释性参数进行了计算分析，并对其相关性进行了讨论。

2.1 白－3HF井钻井液流变性数据

白－3HF井是中国石化中原油田分公司在白庙构造主体北部白12区块部署的一口致密砂岩气开发井，井型为水平井，水平段长1 000 m，完钻井深为5 086 m。为保证水平井段的安全钻井施工，四开井段使用油基钻井液，基本配方为:85份柴油+15份CaCl2水(浓度25%)+2.2%乳化剂SMEMUL-1+0.8%乳化剂 SMEMUL －2+0.5%SMWET润湿剂+3%有机土SMOGEL－D+1.5%CaO+2%降滤失剂SMFLA－O+适量重晶石，以四开4 470～5 086 m井段油基钻井液流变数据见表1，流变性数据随井深分布趋势作图1。

表1 白－3HF井钻井液相关流变数据

图1 钻井液井剪切稀释性随井深分布趋势

2.2 S112－6H 井钻井液流变数据

S112－6H井是位于新疆库车县境内西北油田分公司部署在塔河油田区志留系柯坪塔格组构造位置的一口滚动开发井，钻探的主要目的层为志留系柯坪塔格组，井身结构为三开(50/800/4784/5904)，完钻井深为5 094.2 m。此井一开、二开井段使用的是聚合物聚磺钻井液，三开为造斜水平段，造斜段泥浆体系为聚磺聚胺混油泥浆体系:搬土浆 +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);由于水平井段井眼轨迹不平滑以及地层盐水污染泥浆严重造成卡钻，解卡后更换为油基泥浆:基液(9∶1)+(2%～5%)有机土 +(3%～5%)主乳化剂 +(2%～4%)辅乳化剂+(3%～5%)降滤失剂+(1%～3%)油基提切剂+(1%～3%)油基封堵剂+(1%～3%)超细凝胶封堵剂+(4%～6%)生石灰粉+(1%～3%)超细碳酸钙+重晶石。该井跟踪数据井段为5 295～5 904米，其中5 295～5 841米井段为水基聚磺钻井液体系，5 845～5 904米井段为油基钻井液体系，S112－6H井剪切稀释性数据见表2，井的水基聚磺钻井液随井深分布变化趋势见图2，油基钻井液随井深分布变化趋势见图3。

表2 S112－6H井钻井液相关流变数据

图2 水基聚磺钻井液剪切稀释性随井深分布变化趋势

图3 油基钻井液剪切稀释性随井深分布变化趋势

2.3 文101－17C井钻井液流变数据

文101－17C井流变数据随井深分布变化趋势见图4。

图4 文101－17C井钻井液剪切稀释性随井深分布趋势

文101－17C井位于中原油田东濮凹陷中央隆起带文留构造，为开窗侧钻井，井深2 525米，侧钻点2 000米，钻井液体系为聚合物钻井液:老浆 +0.6%Na2CO3+0.2%NaOH +0.5%CPS－2000+0.5%LV －CMC+1%AOP －1+0.2%ZSC－201，此井跟踪数据为侧钻点开始到完钻各井段现场实测数据，文101－17C井流变数据见表3。

表3 文101－17C井钻井液相关流变数据

2.4 桥43－3井钻井液流变数据

桥43－3井为部署在桥口构造桥43断块区上的一口油藏评价井，为评价桥43南块沙三上8至沙三中1含油气情况。设计井深为3 390米，后又加深钻进至3 520米，所用钻井液体系为聚磺钾盐钻井液。此井流变数据来自目的层前后现场取样监测数据，见表4。桥43－3井剪切稀释性随井深分布趋势见图5。

表4 桥43－3井相关流变数据

从4口井的剪切稀释性随井深变化趋势可以看出，γ300～γ600速梯区间对应的 YP/PV和 Im与相应速梯区间的△ηa/ηa变化趋势、变化幅度完全一致，而n的变化趋势与它们正好相反;γ100～γ600速梯区间对应的 Im与△ηa/ηa变化趋势、变化幅度也完全一致，但Im，△ηa/ηa曲线和YP/TV曲线变化趋势不完全相符。Im(γ100～γ600)与Im(γ100～γ600)变化趋势也不相同。在水基和油基钻井液中的规律是一样的。说明只有在相同速梯区间对应的剪切稀释性参数才有相关性。江小玲得出Im与动塑比不一致的结论，是因为Im公式是对应γ100～γ600速梯范围的公式，与常用的动塑比、流性指数对应的速梯范围γ300～γ600不一致。

图5 文101－17C井剪切稀释性随井深分布趋势

3 结论

1)YP/PV，n，Im都能表征钻井液的剪切稀释性，但其本身有局限性，常用的YP/PV和n只能准确表征钻井液在γ300～γ600速梯区间的剪切稀释性，而不能准确表征其他速梯区间的剪切稀释性，Im对应不同的速梯区间有不同的值，只能准确表征相应速梯区间的剪切稀释性。

2)γ300～γ600速梯区间对应的 Im与 YP/PV、n具有很好的相关性，其他速梯区间对应的Im与YP/PV、n相关性不强。说明只有在相同速梯区间对应的剪切稀释性参数才有相关性。

3)Im是卡森模式下的特性参数，其大小取决于τc/η∞，而η∞通常被称之为钻头“水眼黏度”，所以用Im表征钻井液的剪切稀释性更贴近实际，而且Im表征钻井液剪切稀释性的范围要比YP/PV和n宽。

［1］黄汉仁，杨坤鹏，罗平亚.泥浆工艺原理［M］.北京:石油工业出版社，1981:26 －55.

［2］鄢捷年.钻井液工艺学［M］.山东东营:中国石油大学出版社，2006:57－78.

［3］李烘乾.泥浆动塑比与剪切稀释能力的关系［J］.西部探矿工程，1994，6(6):65 －66.

［4］王平全.不同流变模式下钻井液剪切稀释性评价［J］.天然气工业，1997，17(6):43 －45.

［5］江小玲，雷宗明，刘佳.钻井液流变参数相关性研究［J］.钻采工艺，2010，33(4):15 －19.