钻井液术语与单位.doc

钻井液常用术语及国际单位制单位简介钻井液常用术语及国际单位制单位简介“钻井液是钻井工程的血液”，非常形象地描述了钻井液在钻井工程中的重要性。如同“血液”一样，钻井液的研究和现场应用需要用各种术语来描述钻井液的组成和性能，也需要用各种理论和公式来描述钻井液的性能，因而需要计量单位。由于美国一直是世界石油大国，也是钻井大国，因此，所设计和使用的很多钻井液测试仪器及计量单位均采用了英制单位。随着标准化工作的日益普及和深入，国内有关钻井液的计量单位在国家标准、行业标准及企业标准中均采用了国家法定计量单位，即国际单位制单位。英制和国际单位制单位之间的不同，在实际应用中经常造成如何把英制计量单位换算成国国际单位制计量单位的问题。为此，本文除讨论有关钻井液的常用术语外，还要讨论钻井液中常用的习惯计量单位和国际单位制单位之间的换算。一、钻井液体系分类美国石油学会(American Petroleum Institute, 简称API)和国际钻井承包商协会(International Association of Drilling Contractors，简称IADC)把钻井液体系分为九大类，其中前六类为水基钻井液。1、不分散钻井液体系(None-Dispersed Drilling Fluid System)所谓不分散钻井液是指通常用来钻浅部井段的钻井液，如开钻钻井液、自然造浆钻井液、轻微处理钻井液等。在这类钻井液体系中，一般不使用稀释剂和分散剂，以防止钻屑和粘土颗粒的分散。2、分散钻井液体系(Dispersed Drilling Fluid System)在较深的井深钻井过程中，若需要较高的密度，或井下情况较为复杂时，钻井液一般使用木质素磺酸盐、褐煤或丹宁类产品来分散。这些产品和类似的产品是有效的解絮凝剂和降滤失剂。经常使用含钾的化学品来提高钻井液的页岩抑制能力。通常使用一些特殊的化学品来调整或维护钻井液性能。3、钙处理钻井液体系(Calcium Treated Drilling Fluid System)在淡水钻井液中加入钙、镁等二价阳离子时，可抑制地层粘土和页岩的膨胀。高浓度的可溶性钙离子通常用来控制易坍塌页岩和井眼扩大，并防止地层损害。熟石灰(氢氧化钙)、石膏(硫酸钙)或氯化钙是钙处理钻井液体系的主要组份。石膏钻井液具有9.510.5的pH值和2 lb/bbl4 lb/bbl(600mg/l1200 mg/l钙)的过量石膏；低石灰钻井液具有11.012.0的pH值和1 lb/bbl2 lb/bbl(2.86 kg/m35.71 kg/m3)的过量石灰，而高石灰钻井液则含有5 lb/bbl15 lb/bbl(14.29 kg/m342.86 kg/m3)的过量石灰。一些特殊产品用来分别控制钻井液的不同性能。钙处理钻井液体系可抗盐和硬石膏的污染，但胶凝敏感且在高温下易导致固化作用。4、聚合物钻井液体系(Polymer Drilling Fluid System)长链高分子量聚合物用于钻井液中，或是包被钻屑以防止其分散，或是提高粘度和降低滤失量。包括丙烯酰胺、纤维素和天然树胶基产品在内的多种类型的聚合物均可用于此目的。通常使用氯化钾或氯化钠等抑制性盐以提供更强的页岩抑制能力。这种钻井液体系通常要求含有尽可能低浓度的膨润土，并且对钙、镁等二价离子很敏感。大多数聚合物的抗高温能力一般低于300F(149C)，但在一定的条件下可用于更高的井底温度。需要说明的是，这一API和IADC(也包括很多国外钻井液技术服务公司)对“聚合物钻井液”的描述，与国内所指的“聚合物钻井液”有所不同。在国内，聚合物钻井液中的聚合物一般是指高分子量聚丙烯酰胺及其衍生物等，不包括纤维素和天然树胶类产品。5、低固相钻井液体系(Low Solids Drilling Fluid System)在低固相钻井液体系中控制固相含量和类型，总固相含量不应超过6%10%的范围，粘土含量应为约3%或更低；而钻屑和膨润土含量比值应低于2:1。低固相钻井液体系一般以聚合物类添加剂作为增粘剂或膨润土增效剂使用，并且是不分散的钻井液体系。低固相钻井液体系的主要优点是可显著提高机械钻速。6、盐水钻井液体系(Saltwater Drilling Fluid System)这里所指的盐水钻井液体系包括了若干种类型的钻井液。饱和盐水钻井液体系中的氯离子浓度接近190,000mg/l(饱和)，通常用来钻盐岩地层；盐水钻井液体系中的氯离子浓度为10,000mg/l以上；氯离子含量较低的钻井液通常称之为微咸水或海水钻井液体系。盐水钻井液通常用微咸水、海水或地层盐水配制。用淡水或微咸水配制的钻井液需加入盐(氯化钠或氯化钾等)以达到所需矿化度。为提高粘度以改善井眼清洁能力并降低滤失量，盐水钻井液体系通常使用诸如凹凸棒石、CMC、淀粉和其他各种特殊产品。7、油基钻井液体系(Oil-Based Drilling Fluid System)油基钻井液体系在需要钻井液的稳定性和抑制性的情况下使用，例如高温井、深井、易卡钻和井壁不稳定的井的钻井中。油基钻井液体系可分为两类：1) 逆乳化钻井液：即为油包水钻井液，一般以氯化钙盐水为乳化相，以油为连续相。油包水钻井液的液相可含有高达50%的盐水。采用不同的添加剂浓度、盐水含量和盐水矿化度以控制流变性、滤失量和乳状液稳定性。2) 全油钻井液：液相为油，通常用作取心液。尽管地层水要进入到这种钻井液中，但没有人为地加入水或盐水。为提高粘度，全油钻井液需要更高质量的胶凝剂。专门的油基钻井液添加剂包括：乳化剂、润湿剂(一般为脂肪酸和胺衍生物)、高分子量脂肪酸盐、表面活性剂、胺处理的有机材料、有机土和石灰等。8、合成基钻井液体系(Synthetic Drilling Fluid System)合成基钻井液具有油基钻井液的性能，但没有环境危害。合成基钻井液的主要类型有醚基、酯基、聚a-烯烃基和异构化a-烯烃基钻井液。它们对环境无影响，可直接排放到海上，不会形成油膜，且可生物降解。9、空气、雾、泡沫和充气钻井液体系(Air, Mist, Foam and Gas Drilling Fluid System)这类钻井液体系通常称之为气基钻井液体系，主要包括：1) 干燥空气或天然气钻井流体：以可清除钻屑的速率注入干燥空气或天然气至井眼内；2) 雾钻井流体：注入到空气流中的发泡剂与地层水混合并覆盖钻屑以防止软泥环的形成，并清除钻屑；3) 泡沫钻井液：用表面活性剂，也可用膨润土或聚合物，形成强携带能力的泡沫；4) 充气钻井液：钻井液中注入空气(降低流体静压头)，清除井眼中的钻屑。表1-1 水基钻井液体系体系对粘土的处理抑制性实例主要处理剂所用阳离子清水地层粘土分散在水中无分散体系用分散剂充分分散粘土无膨润土浆膨润土/CMC膨润土/FCLS膨润土铁铬盐 FCLS褐煤 LIGNITE单宁 TANNIN羧甲基纤维素 CMC粗分散体系用无机盐抑制粘土的分散弱石灰钻井液石膏钻井液盐水、饱和盐水钻井液膨润土/海水钻井液膨润土铁铬盐 FCLS羧甲基纤维素 CMC石灰 Ca(OH)2石膏 CaSO4盐 NaClNa+Ca+聚合物体系阴离子聚 合物体系用阴离子型高聚物和无机盐抑制粘土的膨胀和分散较强聚合物钻井液氯化钾聚合物钻井液钾石灰聚合物钻井液聚丙烯酰胺及其衍生物 PAM,PHPA,KPAM,NH4PAM氯化钾 KCl石灰 Ca(OH)2K+Na+Ca+阳离子聚合物体系用阳离子型高聚物和有机季铵盐抑制粘土的膨胀和分散强CPDFMI CATCBF阳离子高聚物 CHM,MI CAT季铵盐 NW1,CLM低分子量阳离子聚合物PTA,CAT聚合物和有机季铵盐中的季铵基团无粘土体系不加膨润土，完全抑制地层粘土强无机盐或碱钻井液盐水钻井液羟基氧化铝钻井液阴、阳离子聚合物 钻井液化工副产品钻井液氢氧化物 Fe(OH)3,Mg(OH)2,Zn(OH)2,CaCl2MgSO4,水玻璃等羟基氧化铝阴、阳离子聚合物生物聚合物混合盐,甲酸盐等无机或有机阳离子二、钻井液添加剂的分类及功能IADC所属钻井液分委会认可的钻井液添加剂依据其功能分为18类。如果某添加剂有多种功能，则按其主要功能分类。1、碱度、pH控制剂(Alkalinity, pH Control Additives)用来控制钻井液的酸度或碱度的产品即为碱度、pH控制剂。常用的产品包括石灰、烧碱、纯碱和碳酸氢钠，也包括其他的普通酸和碱。2、杀菌剂(Bactericides)用来防止淀粉、生物聚合物等有机添加剂细菌降解的产品。3、除钙剂(Calcium Reducers) 用来降低海水中的钙离子浓度、处理水泥污染和地层中的硬石膏、石膏污染的产品，如纯碱、碳酸氢钠、烧碱和某些多磷酸盐等。4、防腐剂(Corrosion Inhibitors)在控制钻井液pH值的条件下，用来控制腐蚀、中和钻井液中有害酸气和防止结垢的产品。一般的防腐剂是胺基或磷酸盐基产品，也有其他专门配制的化学产品。5、消泡剂(Defoamers)用来减少钻井液发泡作用的产品，特别是在盐水钻井液和饱和盐水钻井液中。6、乳化剂(Emulsifiers)这类产品用来使两种互不相溶的液体成为非均匀混合物(乳状液)。这类产品包括：用于油基钻井液中的脂肪酸和胺基化学产品和用于水基钻井液中的清洁剂、脂肪酸盐、有机酸、水溶性表面活性剂等。这类生产品根据不同的用途，可以是阴离子型、非离子型或阳离子型的化学产品。7、降滤失剂(Filtrate Reducers)降滤失剂用来降低钻井液的滤失量。滤失量是钻井液中的液相通过滤饼进入到地层的量度。这类产品包括：膨润土、褐煤、CMC、PAC、预胶化淀粉等。8、絮凝剂(Flocculants)这类产品用来提高钻井液的粘度，提高膨润土的造浆率，在低固相钻井液中澄清液相或使固相脱水，也可使钻井液中的胶体颗粒聚束或成絮凝物并使其沉降。这类产品包括：盐(或盐水)、熟石灰、石膏、丙烯酰胺基高聚物等。9、发泡剂(Foaming Agents)这类产品通常作为表面活性剂在有水的情况下发泡。发泡剂可使空气或天然气用于钻水层。10、堵漏材料(Lost Circulation Materials)堵漏材料的主要功能是封堵漏失层，隔离井眼表面和地层，以便在随后的作业中不会再造成钻井液的漏失。11、润滑剂(Lubricants)这类产品用来降低钻井液的摩阻系数，以便降低扭矩和阻力。各种油、合成基液体、石墨、表面活性剂、乙二醇、甘油以及其他化学产品。12、解卡剂(Pipe-Freeing Agents)注入解卡剂至预测的卡点以降低摩阻并提高润滑性，因而达到解卡的目的。解卡剂通常含有清洁剂、脂肪酸盐、油、表面活性剂和其他化学产品。13、页岩抑制剂(Shale Control Inhibitors)可溶性钙盐、钾盐等无机盐和一些有机化合物因降低页岩的水化作用而具有页岩抑制性。在钻水敏性页岩地层时，页岩抑制剂用来防止页岩的坍塌和井眼的扩大。14、表面活性剂(Surface Active Agents)顾名思义，表面活性剂降低接触面(水-油、水-固体、水-空气等)之间的界面张力。表面活性剂可以是乳化剂、破乳剂、润湿剂、絮凝剂或解絮凝剂，取决于使用时的表面情况。15、高温稳定剂(Temperature Stability Agents)用来提高钻井液在高温条件下的流变性能和滤失性能稳定性，并在高温条件下持续发挥其功能的处理剂。这类处理剂包括：丙烯酸盐聚合物、磺化聚合物和共聚物，以及褐煤、木质素磺酸盐和丹宁基添加剂。16、稀释剂、分散剂(Thinners, Dispersants)这类处理剂用来改变钻井液中的固相含量和粘度之间的相互关系，也可用于降低静切力，提高钻井液的“可泵性”，等等。丹宁(栲胶)、各种多磷酸盐、褐煤和木质素磺酸盐等可作为稀释剂或解絮凝剂使用。稀释剂的主要功能是作为解絮凝剂降低粘土颗粒之间的吸引力(絮凝作用)，这种力造成高粘度和胶凝强度。17、增粘剂(Viscosifiers)用来提高粘度以保证钻井液的更好的井眼清洁能力和悬浮固相能力的处理剂，包括膨润土、CMC、PAC、凹凸棒土和高分子量聚合物等。18、加重材料(Weighting Materials)具有高密度的重晶石、氧化铁、碳酸钙及类似的产品用来提高钻井液密度，以控制地层压力，防止地层坍塌等。三、钻井液性能常用术语1、钻井液密度(Drilling Fluid Density)单位体积钻井液所含物质的质量，用钻井液密度计测定，用D表示，单位为g/cm3、kg/m3。常用的英制单位有：ppg(lb/gal)、pcf(lb/ft3)、梯度(lb/in2/1000ft)。各种密度单位之间的换算见公式(3-1-1)至(3-1-6)和图3-1。钻井液密度单位换算：g/cm3 = 0.12ppg (3-1-1)ppg = 0.01924梯度 (3-1-2)g/cm3 = 0.016pcf (3-1-3)pcf = 0.144梯度 (3-1-4)g/cm3 = 0.0023梯度 (3-1-5)图3-1 钻井液密度单位换算2、漏斗粘度(Funnel Viscosity)一定量的钻井液从规定的漏斗粘度计中流出所需的时间，用马氏漏斗测定，用FV表示，单位为s/l。马氏漏斗容量(至筛网底部)为1,500ml；原来量流出体积的刻度杯容量为1quart(夸脱，946ml)，现已改用1,000ml杯。s/quart和s/l之间不能进行换算。3、表观粘度(Apparent Viscosity)钻井液在一定剪切速率下的剪切应力与剪切速率比值，用直读式粘度计测定，用AV表示，单位为mPas。表观粘度是塑性粘度与动切力的函数。用直读式粘度计测定流变性时，表观粘度的计算：12AV = F600 (3-3-1)式中：F600直读式粘度计600r/min读值。表观粘度的常用习惯单位为厘泊(cp)，mPas与cp数值相等。4、塑性粘度(Plastic Viscosity)钻井液在层流条件下，剪切应力与剪切速率成线性关系时的斜率值，用直读式粘度计测定，用PV表示，单位为mPas。塑性粘度是钻井液流动时的内部流动阻力，与钻井液所含固相的类型、数量和大小有关。用直读式粘度计测定流变性时，塑性粘度的计算：PV = F600F300 (3-4-1)式中：F300直读式粘度计300r/min读值。塑性粘度的常用习惯单位为厘泊(cp)，mPas与cp数值相等。5、动切力(Yield Point)钻井液在层流条件下，剪切应力与剪切速率成线性关系时的结构强度，用直读式粘度计测定，用YP表示，单位为Pa。动切力是钻井液初始流动时的阻力，或是使钻井液开始流动所需的应力。用直读式粘度计测定流变性时，动切力的计算：YP = AVPV (3-5-1)12或 YP = (F300PV) (3-5-2)动切力的英制单位为lb/100ft2，国际单位制单位为Pa，两个单位之间的换算关系为：Pa = 0.48lb/100ft2，考虑到直读式粘度计读值精确度，在中华人民共和国国家标准水基钻井液现场测试程序中，两个单位之间的换算系数定为0.5。6、静切力(Gel Strength)钻井液在静止时的胶凝强度，用初切和终切来描述，用直读式粘度计测定，初切和终切分别用G10s和G10min来表示，单位为Pa。静切力用来表底钻井液的形成凝胶体的能力。用直读式粘度计测定时，钻井液静止10s后的3r/min读值的一半即为初切，钻井液静止10min后的3r/min读值的一半则为终切。用直读式粘度计测定流变性时，静切力的计算：12G10s = F310s (3-6-1)12G10min = F310min (3-6-2)式中：F310s静止10s后，直读式粘度计3r/min读值；F310min静止10min后，直读式粘度计3r/min读值动切力的英制单位为lb/100ft2，国际单位制单位为Pa，两个单位之间的换算关系为：Pa = 0.5lb/100ft2。7、n、K值(n,K Value)n、K是用幂律模式描述假塑性流体的两个流变参数。n为流型指数，无量纲。n值反映钻井液的非牛顿性程度，n值越接近1，流体越接近牛顿流体；n值越小，剪切减稠性能越明显。K为稠度系数，单位为Pasn。K值反映钻井液的稠度，是钻井液直观流动性的表现。钻井液中的固相含量越高，颗粒越小，K值越大。K值小，有利于提高机械钻速，但不利于井眼清洁。n、K值的计算：n (3-7-1)K (3-7-2)式中：t2 高剪切速率下的剪切应力读值；t1 低剪切速率下的剪切应力读值；g2 高剪切速率，r/min；g1 低剪切速率，r/min。用直读式粘度计测定流变性时，则把3-7-1和3-7-2式简化为：n3.32 log (3-7-3)K (3-7-4)K值的常用习惯单位为dynesn/cm3，英制单位为lbsn/100ft2，这几种单位之间的换算关系为：Pasn10dynesn/cm32 lbsn/100ft2。8、滤失量(Fluid Loss或Filtration)在规定的试验条件下，钻井液通过过滤介质在30min内滤出的滤液量，用滤失仪测定，用FL表示，单位为ml/30min。滤失仪分为低温低压(室温，压力为690kPa)滤失仪和高温高压(测试温度取决于钻井的井底温度，压差为3.45MPa)滤失仪两种，用前者测定的滤失量称为API滤失量(API FL)，而用后者测定的滤失量则称为高温高压滤失量(HTHP FL)。9、滤饼(Filtrate Cake)测定钻井液滤失量时过滤介质上的沉积物称为滤饼，用滤饼厚度和质量描述其状况。滤饼厚度：用缓慢水流冲洗后的滤饼厚度，单位为mm。滤饼质量：用“硬、软、韧、致密、坚固、疏松”等来描述。10、pH值(pH Value)钻井液(或滤液)中氢离子浓度(mol/l)的负对数值。pH=7为中性，pH7为酸性，pH7为碱性。11、固相含量和液相含量(Solid and Liquid Content)钻井液中溶解的和悬浮的固体总量称为固相含量，液体(包括水和油)总量称为液相含量，用蒸馏法测定，分别用Vs、Vw、Vo表示，单位均为体积百分数。固相含量和液相含量的计算：Vw (3-10-1)Vo (3-10-2)Vs = 100(Vw + Vo) (3-10-3)式中：V 蒸馏所用样品体积，cm3；Vw 水体积百分数，%；Vw 蒸馏所得水体积，cm3；Vo 油体积百分数，%；Vo 蒸馏所得油体积，cm3；Vs 固相体积百分数，%。(注：Vs包括了钻井液中的悬浮固相和溶解的物质的量，如盐。因此，只有对未处理的淡水钻井液，这一固相体积百分数才是悬浮固相的体积百分数。)悬浮固相含量(体积百分数)的计算：Vss = VsVw() (3-10-4)式中：Vss 悬浮固相体积百分数，%；Cs 氯离子浓度，mg/l。低密度固相含量(体积百分数)的计算：Vlg = 100rf +(rbrf)Vss100D(rfro)Vo (3-10-5)式中：Vlg低密度固相体积百分数，%；D 钻井液密度，g/cm3；rf 滤液密度，g/cm3(氯化钠水溶液，rf =1+0.00000109Cs)；rb 加重材料密度，g/cm3；rlg低密度固相密度，g/cm3；ro 油密度，g/cm3。加重材料含量(体积百分数)的计算：Vb = VssVlg (3-10-6)式中：Vb 加重材料体积百分数，%。低密度固相、加重材料和悬浮固相浓度的计算：Clg = 9.96rlgVlg (3-10-7)Cb = 9.96rbVb (3-10-8)Css = Clg + Cb (3-10-7)式中：Clg 低密度固相浓度，kg/m3；Cb 加重材料浓度，kg/m3；Clg 悬浮固相浓度，kg/m3。12、含砂量(Sands Content)钻井液中粒径大于75mm(200目)的固相颗粒含量，用含砂量测定仪测定，用体积百分数表示。13、亚甲基蓝容量(Methylene Blue Test)用0.1mol/l亚甲基蓝溶液滴定每毫升钻井液至终点时所消耗的亚甲基蓝溶液的毫升数，用MBT表示，单位为ml/ml。MBT = (3-12-1)Be = 14.3MBT (3-12-2)式中：MBT亚甲基蓝容量，ml/ml；Vm 亚甲基蓝溶液消耗体积，ml；V 钻井液样品体积，ml；Be 膨润土当量，g/l或kg/m3。(注：由式3-12-2计算得到的膨润土当量不等于钻井液中的商品膨润土含量。钻屑中的粘土矿物也吸附一定量的亚甲基蓝，因而对此膨润土当量也有贡献。)14、碱度(Alkalinity)1) 钻井液碱度钻井液酚酞碱度(Pm)：以酚酞溶液为指示剂(滴定终点pH值为8.3)滴定每毫升钻井液所消耗的0.01mol/l硫酸溶液的毫升数，以Pm表示，单位为ml/ml。2) 钻井液滤液碱度钻井液滤液碱度分为酚酞碱度和甲基橙碱度：滤液酚酞碱度(Pf)：以酚酞为指示剂(滴定终点pH值为8.3)滴定每毫升钻井液滤液所消耗的0.01mol/l硫酸溶液的毫升数，以Pf表示，单位为ml/ml。滤液甲基橙碱度(Mf)：以甲基橙为指示剂(滴定终点pH值为4.3)滴定每毫升钻井液滤液所消耗的0.01mol/l硫酸溶液的毫升数，以Mf表示，单位为ml/ml。(1) 滤液中氢氧根、碳酸根、碳酸氢根离子浓度的估算：滤液中氢氧根、碳酸根、碳酸氢根离子浓度可用表3-13-1估算。表3-13-1 滤液中氢氧根、碳酸根、碳酸氢根离子浓度的估算OH-(mg/l)CO3-2(mg/l)HCO3-(mg/l)Pf0001220Mf2PfMf01200Pf1220(Mf2Pf)2PfMf01200Pf02PfMf340(2PfMf)1200(MfPf)0PfMf340Mf00(2) 钻井液中石灰含量的计算：由钻井液碱度、滤液碱度、钻井液液相含量测定结果，按式3-13-1计算钻井液中的石灰含量：CL0.742(PmFwPf) (3-13-1)式中：CL钻井液中的石灰含量，kg/m3；Fw钻井液中的水体积分数(FwVw/100)。3) P1/P2碱度测定法P1：取1ml钻井液滤液和25ml去离子水于滴瓶中，加入2ml 0.1mol/l氢氧化钠溶液，充分搅拌(若pH值小于11.4,再加入2ml氢氧化钠溶液)；加入3ml 10%氯化钡溶液，边搅拌边加入酚酞指示剂溶液后，立即用0.02mol/l盐酸溶液滴定至终点，所消耗的盐酸溶液毫升数即为P1，单位为ml/ml。P2：用同量去离子水和试剂配制的参比样品所消耗的0.02mol/l盐酸溶液毫升数即为P2，单位为ml/ml。根据水溶液中碳酸盐的化学平衡，用下列公式计算滤液中的氢氧根、碳酸根和碳酸氢根离子的浓度：(1) P1P2：COH-340(P1P2) (3-13-2)CCO3-21200Pf(P1P2) (3-13-3)(2) P1P2：CHCO3-1220(P2P1) (3-13-4)CCO3-21200Pf (3-13-5)式中，COH- 钻井液中OH-浓度，mg/l；CCO3-2钻井液中CO3-2浓度，mg/l；CHCO3-钻井液中HCO3-浓度，mg/l。4) 钻井液滤液碱度测定方法对比钻井液滤液碱度的两种测定方法(Pf/Mf和P1/P2)的优缺点对比见表3-13-2。表3-13-2 钻井液滤液碱度测定方法对比方 法优 点缺 点Pf/Mfa) 传统的方法b) 用一个样品滴定二次a) Mf滴定中有干扰b) 通常碳酸氢根测定结果偏高P1/P2a) 消除Mf滴定中的干扰a) 用三个样品滴定三次b) 碱的测定很关键c) 使用有毒物质(BaCl2)15、氯离子浓度(Chloride Concentration)测定方法：以铬酸钾溶液为指示剂，用硝酸银标准溶液(0.0282mol/l)滴定一定量的滤液至溶液颜色由黄色变为橙红色并能保持30s即为滴定终点。氯离子浓度计算：C Cl- (3-14-1)CNaCl1.65 C Cl- (3-14-2)式中：C Cl- 滤液中的Cl-浓度，mg/l；CNaCl 滤液中的NaCl含量，mg/l；VAgNO3 滴定所消耗的硝酸银溶液体积，ml； V 滤液样品体积，ml。注：若滤液中的氯离子浓度超过10,000mg/l，可使用每毫升相当于0.01g氯离子的硝酸银溶液(0.282mol/l)，此时，把(3-14-1)式中的系数1,000改为10,000。16、总硬度(Total Hardness)钻井液滤液的硬度主要是由于钙、镁离子的存在而引起的。以硬度指示剂溶液1-(1-羟基-4-甲基-2-苯偶氮)-2-萘酚-4-磺酸为指示剂，用0.01mol/l的EDTA(二水合乙二胺四乙酸二钠盐)标准溶液滴定一定量的滤液至颜色不再由红变蓝的变化即为滴定终点。为解决由深颜色组份引起的滴定终点分不清的问题，可用次氯酸钠等氧化剂氧化这些组份。若怀疑滤液中有铁离子存在，三乙醇胺、四乙烯基戊胺和水的混合液(体积比为1:1:2)是一种合适的掩蔽剂。以Ca+计的总硬度的计算：HT (3-15-1)式中：HT以Ca+计的总硬度，mg/l；VE滴定所消耗的EDTA体积，ml；V 滤液样品体积，ml。17、钙离子浓度(Calcium Concentration)滤液中的钙离子浓度测定与总硬度测定相似，差别有二：一是滴定前调节pH至1213，使镁离子以氢氧化镁形式沉淀；二是以钙指示剂作为指示剂。钙离子浓度的计算：CCa+ (3-16-1)式中：CCa+Ca+浓度，mg/l；VE 滴定所消耗的EDTA体积，ml；V 滤液样品体积，ml。17、镁离子浓度(Magnesium Concentration)滤液总硬度和钙离子浓度测定结果可计算出滤液中的镁离子浓度。镁离子浓度的计算：CMg+ 0.6(HTCCa+ ) (3-17-1)式中：CMg+ Mg+浓度，mg/l。19、润滑性(Lubricity)钻井液的润滑性即为降低钻柱和滤饼(或井壁、套管)及钻井液内部相对运动摩擦力的量度。目前测定钻井液润滑性的常用仪器有两种：极压润滑仪和LEM仪。20、电稳定性(Electrical Stability)在试验条件下，油包水钻井液开始破乳时的电压称之为破乳电压，用破乳电压仪测定，单位为伏特(V)。四、钻井液常用术语1、胶体(Colloid)物质的亚微米分散状态。在胶体体系中，由单一大分子或较小分子聚结体组成的物质分散至表面力成为决定其性质的重要因素的程度。在胶体体系中，颗粒的大小和电荷决定其不同现象，如布朗运动。胶体颗粒的直径范围为110-7510-5cm(0.0010.5mm)。而在有些乳状液中的液珠尺寸可能在微米范围之内。2、絮凝作用(Flocculation)钻井液中的粘土颗粒的疏松结合的过程。粘土片状颗粒的絮凝物可以是边边或边面连接形成的网状结构或由高分子量聚合物交联引起的疏松团块。絮凝作用使钻井液的粘度，特别是动切力和静切力增加。3、絮凝剂(Flocculant)使钻井液发生絮凝作用的物质，如电解质、高分子量天然或合成聚合物等。4、胶凝作用(Gelation)胶体化学上的胶凝作用是指，胶体溶液受温度或电解质的影响，失去流动性而成凝胶的作用。钻井液中的胶凝作用是指，钻井液中的粘土颗粒形成一种连续的网状结构的过程，如含有较高浓度膨润土的钻井液易发生胶凝作用。5、聚结作用(Aggregation)钻井液中的粘土颗粒堆积成团块的过程。粘土片状颗粒的聚结物是面面结合形成的堆积物。聚结作用的结果使钻井液的粘度和静切力降低。6、分散作用(Dispersion)钻井液中的固相(主要是粘土矿物)颗粒成为更小颗粒的过程。分散作用使颗粒的比表面积增加，因而提高钻井液的粘度和静切力。絮凝作用、聚结作用和分散作用的示意图见图4-1、图4-2和图4-3。图4-1 粘土颗粒的分散、絮凝和聚结作用示意图图4-2 低分子量解絮凝剂和高分子量絮凝剂的作用示意图图4-2 钙离子对粘土颗粒的作用示意图7、连续相(Continuous Phase)能完全包围胶体、液珠等分散相的液相，也称为分散介质、分散外相等。8、分散相(Dispersed Phase)完全被连续相包围的分散微粒(固体、液体或气体)，也称为分散物质、分散内相等。9、乳状液(Emulsion)两种或多种通常互不相溶的液体，通过机械搅拌或加入少量乳化剂而悬浮或分散形成的持久性多相液体混合物。10、水包油型乳状液(Emulsion，Oil-in-Water Emulsion)水为连续相、油(聚-烯烃、酯、醚、矿物油、柴油、原油等)为分散相的乳状液。水包油钻井液通常称之为乳化钻井液。11、逆(反)乳化乳状液(Invert Emulsion, Water-in-Oil Emulsion)油(聚-烯烃、酯、醚、矿物油、柴油、原油等)为连续相、水(淡水、盐水等)为分散相的乳状液。油包水钻井液通常称之为逆(反)乳化钻井液。12、胶凝(Gel)胶凝是胶体悬浮体的一种状态，在这种状态下，低于一个确定值的剪切应力不能造成持久的变形，造成持久变形的最小剪切应力即为凝胶的静切力。当分散的胶体颗粒对分散介质具有较大的亲和力即亲液能力时，通常发生胶凝，如含有较高浓度膨润土的钻井液易发生胶凝。13、凝胶(Gel)用来描述高胶体含量、高造浆率、增粘的商品粘土矿物(如膨润土、凹凸棒石等)的术语。外国钻井液服务公司和钻井液材料供应商的材料代号中的GEL通常是指商品膨润土，如M-I GEL、BARCLAY GEL、BASCO GEL等。14、水化作用(Hydration)一种物质靠吸收或吸附而增加其含水量的作用。15、亲水物(Hydrophile)、亲水性(Hydrophilic Property)亲水物即为在胶体状态下或乳状液中，被水润湿即吸引水或水粘附到其上的物质。亲水性即为一种物质对水具有亲和力或被水润湿的性能。16、亲油物(Hydrophobe)、亲油性(Hydrophobic Property)通常在胶体状态下不被水润湿的物质，也称之为憎水物。亲油性则为一种物质憎水的性能。17、亲水亲油平衡值(HydrophilicLipophilic Balance)(HLB)亲水亲油平衡是乳状液的重要性能之一。亲水亲油平衡值用来描述乳化剂对水和油的相对吸引力，很大程度上取决于给定乳化剂的化学组成和离子化特性。乳化剂的HLB与溶解性无直接的关系，但决定所要形成的乳状液的类型。HLB是乳化剂特性的一种标志，而不是乳化剂效率的标志。五、流变学常用术语1、流体(Fluid)随盛放容器的形状而改变自身形状的物质，如气体和液体。这类物质在受到除静液压力外的任何应力的情况下，产生持续增加的变形，而这种变形与在任何时刻变形的时间速率与该时刻的应力大小无关。流体依其变形特性可分为如下几个类型。1) 牛顿流体(Newtonian Fluid)剪切应力正比于剪切速率的流体。从粘度考虑，牛顿流体是基本的和最简单的流体。当超过零的压力或力作用于牛顿流体时即可开始流动。水、柴油、甘油等为牛顿流体。用直读式粘度计测定时，牛顿流体的动切力为零。2) 塑性流体(Plastic Fluid)一种较为复杂的非牛顿流体。需要一定的压力或剪切应力才能使其开始并维持流动，剪切应力与剪切速率不成正比。塞流是塑性流体的起始流动形式，并且只有在塑性流体中才能发生。大多数钻井液是塑性流体。用直读式粘度计测定的动切力大于零。3) 假塑性流体(Pseudoplastic Fluid)不具有触变性的复杂的非牛顿流休。大于零的压力或剪切应力使其开始流动；并随着剪切速率的增加，表观粘度或稠度迅速降低，直至在一给定剪切速率下粘度保持恒定。用直读式粘度计测定的动切力与宾汉塑性流体一样是正值，但真实的动切力则为零。瓜胶的淡水或盐水溶液是假塑性流体的一个实例。4) 膨胀性流体(Dilatent Fluid)膨胀性流体也称之为逆塑性流体。膨胀性流体的流变曲线是过原点的非线性稠度曲线。膨胀性流体的表观粘度随剪切速率的增加而迅速增加。用直读式粘度计测定并依此计算的动切力为负值，但真实的动切力为零。分散良好的、高固相含量的溶液，如浓淀粉溶液是膨胀性流体。5) 触变性流体(Thixotropic Fluid)触变性即为流体随时间形成胶凝强度的能力。触变性流体在静置时形成刚性或半刚性的凝胶结构，而在机械搅拌时可恢复流体状态，这种变化是可逆的。前四种流体的流变曲线见图5-1。图5-1 各种流体流变曲线对比塑性流体假塑性流体牛顿流体膨胀性流体0g2、流变性、流变学(Rheological Property，Rheology)流变学是研究流体流动和变形特性的学科。流变曲线(见图5-1)、流变模式及流变参数等可用来描述流体的流变性。3、流变参数(Rheological Parameter)表征流变性的参数，如钻井液的表观粘度、塑性粘度、动切力、静切力、稠度系数、流性指数等。4、流型(Flow Regime)流体流动时的运动状态，取决于流体的类型、性质(粘度、密度等)、体系的几何形状以及流速等。流体的流型可分为塞流、层流和紊流。1) 塞流(Plug Flow)流体以单元整体式流动，其内部无任何剪切应变，是塑性流体流动的第一阶段流动。2) 层流(Laminar Flow)流体单元沿平行于流动通道壁的固定流线上的轴向流动。层流时，把管内的流体流动可看成无数无限薄的同心圆筒形液层的流动，管壁处流速为零，轴心处流速最大。层流是牛顿流体的第一阶段流动，宾汉塑性流体的第二阶段流动。层流也称之为平行流动、流线流动或粘性流动。3) 紊流(Turbulent Flow)在某一给定点，流体流速的大小和方向始终在变化，压力不稳定且不断变化。紊流是牛顿流体的第二阶段也是最终阶段的流动，是宾汉塑性流体的第三阶段也是最终阶段的流动。5、剪切应力(Shear Stress)导致或趋于导致流体两个相邻部分在平行于它们接触面的方向上滑动所施加的力，是用来描述流体流动体流动时单位面积上的内摩擦力。6、剪切速率(Shear Rate)流体流动时两个相邻部分的滑动速率，也称之为速度梯度。7、流变模式(Rheological Flow Model)用来描述流体流变性的数学模式。除牛顿模式外，其他模式需设定一些假设条件，使流变模式在一定的条件下尽可能反映流体的真实性能。1) 牛顿模式(Newtonian Model)(5-7-1)式中：t剪切应力，Pa；g剪切速率，s-1；h表观粘度，Pas。2) 宾汉模式(Bingham Plastic Model)0 (5-7-2)式中：t剪切应力，Pa；t0动切力，Pa；g剪切速率，s-1；h表观粘度，Pas。用直读式粘度计测得600r/min、300r/min、3r/min读值，即可计算表观粘度、动切力和静切力。(1) 表观粘度的计算：AV = F600 (5-7-3)式中：AV 表观粘度，mPas；F600 直读式粘度计600r/min读值；(2) 塑性粘度的计算：PV = F600F300 (5-7-4)式中：PV 塑性粘度，mPas；F300 直读式粘度计300r/min读值。(3) 动切力的计算：YP = AVPV (5-7-5)或 YP = (F300 PV) (5-7-6)式中：YP动切力，Pa。(4) 静切力的计算：G10sF3-10s (5-7-7)G10minF3-10min (5-7-8)式中：G10s 、G10min分别为初切和终切，Pa；F3-10s、F3-10min直读式粘度计分别静止10s和10min后测定的3r/min读值。3) 幂律模式(Power Law Model)Kn (5-7-9)式中：t剪切应力，Pa；g剪切速率，s-1K稠度系数，Pasn；n流型指数，无量纲。K、n的计算：n (5-7-10)K (5-7-11)式中：t2 高剪切速率下的剪切应力读值；t1 低剪切速率下的剪切应力读值；g2 高剪切速率，r/min；g1 低剪切速率，r/min。在实际应用中，如果用F600和F300读值，则把5-7-12和5-7-13式简化为：n3.32 log (5-7-12)K (5-7-13)卜4) 三参数模式(改进的幂律模式)(Herschel-Buckley Model)t = t0+Kgn(5-7-14)式中，t 剪切应力，Pa；t0 动切力，Pag 剪切速率，s-1；K 稠度系数，PasnN 为幂律指数，无量纲。K、n的计算：n3.32 log (5-7-15)K (5-7-16)8、触变性(Thixotropy)流体随时间形成胶凝强度的能力。触变性使得流体在搅拌后变稀(静切力降低)，静置后又变稠(静切力增加)，即流体内部胶凝强度随搅拌速率的变化而变化。9、雷诺数(Reynolds Number)无因次数，用Re表示。流体在柱状管中流动时，雷诺数与管直径、流速、密庹及粘度有关。雷诺数的计算：Redvr/m (5-8-16)式中：Re雷诺数，无量纲；d 管直径，cm；v 流速，m/s；r 密度，g/cm3；m 粘度，Pas。雷诺数在确定流体流动类型(即层流或紊流)的流体水力学计算中是重要的参数。层流和紊流过渡范围大致在2,0003,000；小于2,000时为层流，大于3,000时为紊流。六、钻井液材料及其他术语1、粘土矿物(Clay Mineral)含水铝硅酸盐的总称。根据化学组成和晶体结构，可分为多种不同的粘土矿物，如高岭石、蒙脱石、伊利石、绿泥石、凹凸棒石、海泡石等。粘土矿物不溶于水，但在水化、施加剪切力等条件下，在水中分散成极小的颗粒，其大小可从亚微米至100m。不同粘土矿物的结构和特性对比见表6-1。表6-1 不同粘土矿物的结构和特性对比项 目高岭石云母蒙脱石凹凸棒石绿泥石层状1:12:12:12:12:1:1晶体结构片片片片片颗粒形状六角网状片状片状针状片状颗粒大小(m)