鉆井液的流變性

1、鉆井液的流變性鉆井液的流變性鉆井液的流變性鉆井液的流變性概述l鉆井液流變性（Rheological Properties of Drilling Fluids ）是指在外力作用下，鉆井液發(fā)生流動和變形的特性，其中流動是主要的方面。該特性通常用鉆井液的流變曲線和塑性粘度（Plastic Viscosity）、動切力（Yield Point）、靜切力（Gel Strength）、表觀粘度（Apparent Viscosity）等流變參數(shù)來進行描述的。鉆井液的流變性鉆井液的流變性概述 鉆井液流變性是鉆井液的一項基本性能，它在解決下列鉆井問題是起著十分重要的作用：l（1）攜帶巖屑，保證井底和井眼的清潔

2、；l（2）懸浮巖屑；l（3）提高機械鉆速；l（4）保持井眼的規(guī)則和保證井下安全。內(nèi)容概要l鉆井液的流變性對鉆井工作的影響鉆井液的流變性對鉆井工作的影響 l流變類型與流變參數(shù)流變類型與流變參數(shù) l不同鉆井液流型的形成機理分析不同鉆井液流型的形成機理分析 l鉆井液流變性的測量鉆井液流變性的測量 鉆井液的流變性對鉆井工作的影響鉆井液的流變性對鉆井工作的影響 l鉆井液的流變性對鉆井工作的影響主鉆井液的流變性對鉆井工作的影響主要體現(xiàn)在懸碴、護壁、減阻、提高鉆要體現(xiàn)在懸碴、護壁、減阻、提高鉆速和冷卻鉆具速和冷卻鉆具5個方面。個方面。 動畫演示動畫演示1懸碴、護壁懸碴、護壁動畫演示動畫演示2提高鉆速提高鉆速

3、鉆井液的流變性對鉆井工作的影響鉆井液的流變性對鉆井工作的影響l鉆井液的主要功能之一就是清洗井底并將巖屑攜帶到地面上來。鉆井液清洗井眼的鉆井液清洗井眼的能力除取決于循環(huán)系統(tǒng)的水力參數(shù)外，還能力除取決于循環(huán)系統(tǒng)的水力參數(shù)外，還取決于鉆井液的性能，取決于鉆井液的性能，特別是其中的流變特別是其中的流變性能。性能。巖屑的清除分兩個過程，一是巖屑被沖離井底，二是巖屑從環(huán)形間隙被攜帶到地面。鉆井液的流變性對鉆井工作的影響鉆井液的流變性對鉆井工作的影響l對于破碎的不穩(wěn)定井壁，利用較粘稠的泥漿還利用較粘稠的泥漿還可以起到較好的粘結護壁作用可以起到較好的粘結護壁作用。絮流液流對井壁有較強的沖蝕作用，容易引起易塌地

4、層垮塌，不利于井壁穩(wěn)定。其原因是絮流時液流質點的運動方向是絮亂的和無規(guī)則的，而且流速高，具有較大的動能。因此，在鉆井液循環(huán)時，一因此，在鉆井液循環(huán)時，一般應保持在層流狀態(tài)，盡量避免出現(xiàn)絮流。般應保持在層流狀態(tài)，盡量避免出現(xiàn)絮流。對于非牛頓流體，一般采用綜合雷諾數(shù)Re來判別流態(tài)。將鉆井液按塑性流體考慮，當Re2000時為絮流。如果按Re2000，即可推導出臨界返速的公式。鉆井液的流變性對鉆井工作的影響鉆井液的流變性對鉆井工作的影響但是，泥漿的粘稠性大又有不利的方面：l使井底碎巖效率降低使井底碎巖效率降低，這種影響主要表現(xiàn)在鉆頭噴嘴處的絮流流動阻力對鉆速的影響。鉆井液粘度越大，絮流流動阻力越大，從

5、而降低了鉆頭在井底的碎巖效率。l增加增加泥漿循環(huán)的流動阻力阻力；l增大增大對井壁的液壓力激動破壞液壓力激動破壞。井內(nèi)液柱壓力是指在起下鉆和鉆進過程中，由于鉆柱上下運動、泥漿泵開動等原因，使得井內(nèi)液柱壓力發(fā)生突然變化（升高或降低），給井內(nèi)增加一個附加壓力（正值或負值）的現(xiàn)象。 流變類型與流變參數(shù)流變類型與流變參數(shù) 4種流型，種流型，9個流變參數(shù)個流變參數(shù)1、牛頓流體、牛頓流體（絕對粘度）（絕對粘度）2、賓漢流體、賓漢流體（靜切力、動切力、塑性粘度、（靜切力、動切力、塑性粘度、表觀粘度）表觀粘度）3、冪律流體、冪律流體（流性指數(shù)、稠度指數(shù)）（流性指數(shù)、稠度指數(shù)）4、卡森流體、卡森流體（極限高剪粘度

6、、卡森動切力）（極限高剪粘度、卡森動切力）1、牛頓流體牛頓流體牛頓方程：牛頓方程：式中：單位面積上的內(nèi)摩擦力，或稱為剪切應力，Pa； 剪切速率或流速梯度，s-1； 牛頓粘度或稱為動力粘度，Pas,(1Pas=1000cP=1000mPas)。1、牛頓流體牛頓流體 水10010.10.0101.010,0.1 Pa10100甘油,-1空氣1 00010 000圖圖1 典型牛頓流體流變圖典型牛頓流體流變圖 氣體、水、甘氣體、水、甘油、硅油、油油、硅油、油(除高剪切速率除高剪切速率下的高粘下的高粘 度度油外油外)、低分子、低分子化合物溶液等化合物溶液等均屬于牛頓流均屬于牛頓流體。體。2、賓漢流體賓漢

7、流體（塑性流體塑性流體與粘塑性流體）與粘塑性流體） l塑性流體塑性流體其流變曲線為不通過原點O的一條直線，如圖2所示。它表示這種流體具有一定的顆粒濃度，在靜止狀態(tài)下形成顆粒之間的內(nèi)部結構，加外力進行剪切時，要破壞結構后才能開始流動。例如，泥漿中粘土顆粒的形狀很不規(guī)則，表面性質也很不均勻，因此顆粒之間容易彼此粘結，形成網(wǎng)狀結構。倘若顆粒的濃度足夠大，網(wǎng)狀結構能夠在泥漿中布滿整個空間，那么要使這種泥漿發(fā)生流動，就必須在一定程度上破壞這種連續(xù)結構。 塑性流體s12A1CC2B0圖圖2 塑性流體塑性流體 理想的賓漢塑性理想的賓漢塑性流體，一般是一流體，一般是一些含較高固相且些含較高固相且顆粒均勻的懸浮

8、顆粒均勻的懸浮體，如一些礦漿、體，如一些礦漿、油墨、油漆等。油墨、油漆等。塑性流體ps式中： 靜切力靜切力， Pa；p 塑性粘度塑性粘度，Pas。ssp塑性流體有兩個流變參數(shù)，即塑性粘度塑性流體有兩個流變參數(shù)，即塑性粘度p及靜及靜切力切力 s表觀粘度：表觀粘度：sppsA粘塑性流體l由于固相顆粒的高度不均勻(如粘土)，在表面引力與斥力作用下易形成結構，在低剪切速率下其流變曲線(本來是直線)往往偏離直線，形成曲線變化，當剪切速率增加至層流段時才成直線變化(圖3)，這種流體稱為粘塑性流體粘塑性流體。 粘塑性流體不流0塞流層流0s紊流12圖圖3 粘塑流體流動圖粘塑流體流動圖 屬于粘塑性流體的有泥漿、

9、瀝青、某些原油、水泥漿等，粘度高的牛頓流體也表現(xiàn)出粘塑性流體的性質。 粘塑性流體l圖中AB為凹向軸的曲線，BD為直線段，BD延長線與軸的交點為C，OC壞，此時產(chǎn)生像塞子一樣的流動，故稱為塞流。隨著的逐步升高，結構逐步破壞，表觀粘度也逐漸變小，此段流變曲線為一曲線變化。B點之后處于較穩(wěn)定的層流段，此時粘塑流體內(nèi)部的結構破壞與形成處于平衡狀態(tài)，BD為一直線段，表示有一個穩(wěn)定的塑性粘度值。而D點之后，由于流速快，剪切速率高，就轉為紊流態(tài)了。l0表示此流體運動時結構的存在及其數(shù)值的大表示此流體運動時結構的存在及其數(shù)值的大小。小。粘塑性流體 p0與式(2)比較，此式也是直線方程，截距為0，而不是s。即此

10、賓漢方程只能代表流變曲線的層流直線段，而不能代表低剪切速率下的塞流曲線段。粘粘塑性流變參數(shù)有兩個，即塑性粘度塑性流變參數(shù)有兩個，即塑性粘度p，及動切力及動切力(或叫屈服值或叫屈服值)0。粘塑性流體l仿牛頓粘度表示法，求粘塑流體的表觀粘度值： 00ppA 圖3中，在ABD線上任何一點F1、F2與原點O的連線OF1、OF2斜率的倒數(shù)均表示表觀粘度值。剪切速率越高，表觀粘度越低。這種表觀粘度隨剪切速率升高而降低表觀粘度隨剪切速率升高而降低的現(xiàn)象，可稱為剪切稀釋作用的現(xiàn)象，可稱為剪切稀釋作用。泥漿剪切稀釋作用的好壞可用動塑比動塑比(動切力動切力/塑性粘度塑性粘度)來表示，動塑比越大，表示剪切稀釋作用越

11、好動塑比越大，表示剪切稀釋作用越好。加入高分子處理劑的低固相泥漿(特別是加入XC生物聚合物)，可使塑性粘度增加慢而動切力增加快，能提高泥漿的動塑比。3、冪律流體、冪律流體 0假塑流體膨脹流體2341圖圖4 冪律流體流變曲線冪律流體流變曲線 l用高分子處理劑處理的低固相泥漿及聚合物鉆井液，也多屬于假塑流體，或介于賓漢體與假塑體之間。l濃的淀粉糊、一些礦漿、高固相含量的涂料等屬于膨脹流體。冪律流體nK式中：K稠度系數(shù)稠度系數(shù)，或稱為冪律系數(shù)，Pasn；n流性指數(shù)流性指數(shù)，或稱為冪律指數(shù)，無單位。K值是粘度的度量，但不等于粘度值，而粘度越高，K值也越高。在剪切速率一定范圍內(nèi)，n值可當作常數(shù)處理。n值

12、是非牛頓性的度量，n值越低或越高曲線也越彎曲，非牛頓性也越強，泥漿n值一般在0.5以下為好。上式中，當當n1時為膨脹流體。時為膨脹流體。因此，冪律流體又區(qū)分為假塑流體假塑流體與膨脹流體膨脹流體兩種，其中最常見的是假塑流體。假塑流體l如圖4所示，假塑流體的流變曲線為凹向軸的曲假塑流體的流變曲線為凹向軸的曲線線OAB，曲線曲線OAB 是膨脹流體是膨脹流體(在高剪切速率下接近于直線)。它通過原點O，表示一加外力即產(chǎn)生流動，不存在靜切力。隨著剪切速率的不斷升高，其表觀粘度是不斷下降的，屬于剪切稀釋液。 表觀粘度：1nnAKK假塑流體l當n1時，0tg1，01時，45，為膨脹流體。l因此n值和值和K值是

13、假塑流體的兩個流變參數(shù)值是假塑流體的兩個流變參數(shù)。l長鏈高分子聚合物懸浮體是典型的假塑流體。靜止時分子鏈任意相互糾纏，但由于靜電斥力占優(yōu)勢，不易形成結構。運動時，分子鏈趨向于平行流動方向，順序排列，運動阻力減小，隨剪切速率增加，這一趨勢增加，加上分子鏈可能斷裂，因此表觀粘度減少?？ㄉ黧w卡森流體 l卡森模式卡森模式是假定凝聚成長條狀的棒狀物，在剪切下特別是在高剪切速率下能分解為原始短顆粒。 21212121c式中： 任意剪切速率或每分鐘轉數(shù)(rpm)下表觀粘度， Pas； 剪切速率為無窮大時的表觀粘度，Pas； 剪切速率，s-1； 屈服值或卡森動切力，Pa。 c卡森流體卡森流體l卡森斜率：21

14、212121tgCs卡森斜率越高，表示泥漿的卡森斜率越高，表示泥漿的剪切稀釋作用越好，而值剪切稀釋作用越好，而值等于截距等于截距(圖圖5)。 00.040.080.120.1612-170.3s864210-211 002s-11212-11/2c圖圖5 卡森模式圖卡森模式圖 l卡森流體的兩個主要流變參數(shù)是卡森動切卡森流體的兩個主要流變參數(shù)是卡森動切力力 和極限高剪粘度和極限高剪粘度 。c21不同鉆井液流型的形成機理分析不同鉆井液流型的形成機理分析 l泥漿流動時的剪切應力與剪切速率之間的關系用流變方程和流變曲線來表達。如第二章所述，不同泥漿的流變關系大體上可以分為四種理論流型，即牛頓流型、賓漢

15、流型、冪律流型和卡森流型。一種具體泥漿的實際流型與哪一種理論流型較相近，就認為它屬于該理論流型。泥漿的流型主要取決于構成泥漿的材料組成及其它們的含量。不同鉆井液流型的形成機理分析不同鉆井液流型的形成機理分析 動畫演示動畫演示3流型形成機理流型形成機理不同鉆井液流型的形成機理分析不同鉆井液流型的形成機理分析l粘土含量較少的細分散泥漿比較接近于牛頓流型，其剪切應力主要由相互無連接力的粘土微粒及水分子之間的摩擦力構成。由牛頓流型關由牛頓流型關系式系式(1)可知，反映該類泥漿粘稠性的流變參數(shù)可知，反映該類泥漿粘稠性的流變參數(shù)是牛頓粘度是牛頓粘度。l由于一般泥漿（在未加稀釋劑和高聚物加量很少的情況下）存

16、在粘土顆粒之間的結合力，具有一定程度的網(wǎng)架結構。因此，泥漿在發(fā)生流動之前需要克服一定的結構力。其流型用賓漢流型來反映較為合適。由賓漢流型關系式由賓漢流型關系式(2)可可知，反映該類泥漿粘稠性的流變參數(shù)是動切力知，反映該類泥漿粘稠性的流變參數(shù)是動切力o和塑性粘度和塑性粘度p。 不同鉆井液流型的形成機理分析不同鉆井液流型的形成機理分析l當泥漿中的線形高聚物或類似油微粒的可變形物質含量較高，并且泥漿結構力很低時，可以用冪律關系來描述泥漿流型。這種流型的切應力隨剪切速率的變化不是線性關系，而是由快到慢呈冪指數(shù)關系，也就是說流動慢時切力增加得快，流動快時切力增加得慢。其原因是線形高聚物等在流動中具有順流

17、方向性。流速越大，順流方向性越強，阻力增加得越慢。由冪由冪律流型關系式律流型關系式(8)可知，反映該類泥漿粘稠性的可知，反映該類泥漿粘稠性的流變參數(shù)是稠度系數(shù)流變參數(shù)是稠度系數(shù)K和流型指數(shù)和流型指數(shù)n。不同鉆井液流型的形成機理分析不同鉆井液流型的形成機理分析l對于許多泥漿而言，既存在著粘土顆粒的空間網(wǎng)架，又有線形高聚物或類似的物質，也就是說既存在結構力，又有剪切稀釋作用。因此，用卡森流型來反映其流變關系更為合適。由卡森流型關系式由卡森流型關系式(10)可知，可知，反映該類泥漿粘稠性的流變參數(shù)是卡森動反映該類泥漿粘稠性的流變參數(shù)是卡森動切力切力c和卡森高剪粘度和卡森高剪粘度。鉆井液流變性的測量鉆

18、井液流變性的測量 l1、漏斗粘度計、漏斗粘度計 圖圖7 漏斗粘度計漏斗粘度計漏斗粘度計漏斗粘度計l將漏斗呈垂直，用手握緊并用食指堵住管口。然后用量筒兩端，分別裝200ml和500ml泥漿倒入漏斗。將量筒500ml一端朝上放在漏斗下面，放開食指，同時啟動秒表記時，記錄流滿500ml泥漿所需的時間，即為所測泥漿的粘度。l儀器使用前，應用清水進行校正。該儀器測量清水的粘度為150.5秒。若誤差在1秒以內(nèi)，可用下式計算泥漿的實際粘度。實測清水粘度實測泥漿粘度實際粘度15ZNN型旋轉粘度計型旋轉粘度計 動力部分動力部分雙速同步電機、電源雙速同步電機、電源 變速部分變速部分可變六速（轉可變六速（轉/分）分

19、）3 6 100 200 300 600 測量部分測量部分扭力彈簧、刻度盤與內(nèi)外筒組扭力彈簧、刻度盤與內(nèi)外筒組成測量系統(tǒng)。成測量系統(tǒng)。 圖圖8 旋轉粘度計旋轉粘度計ZNN型旋轉粘度計型旋轉粘度計局部放大圖局部放大圖實物全圖實物全圖圖圖9 旋轉粘度計實物與局部放大圖旋轉粘度計實物與局部放大圖ZNN型旋轉粘度計工作原理型旋轉粘度計工作原理l液體放置在兩個同心圓筒的環(huán)隙空間內(nèi)，電機經(jīng)過傳動裝置帶動外筒恒速旋轉，借助于被測液體的粘滯性作用于內(nèi)筒一定的轉矩，帶動與扭力彈簧相連的內(nèi)筒一個角度。該轉角的大小與液體的粘性成正比，于是液體的粘度測量轉換為內(nèi)筒轉角的測量。R2Rr2鋼絲或扭力彈簧RR11圖圖10 旋轉粘度計工作原理旋轉粘度計工作原理ZNN型旋轉粘度計操作順序型旋轉粘度計操作順序l將剛攪拌好的泥漿倒入樣品杯刻度線處（350ml），立即放置于托盤上，上升托盤使液面至外筒刻度線處。擰緊手輪，固定托盤。如用其它樣品杯，筒底部與杯底之間不應低于1.3mm。l迅速從高速到低速進行測量，待刻度盤讀數(shù)穩(wěn)定后，分別記錄各轉速下的讀數(shù)。ZNN型旋轉粘度計操作順序型旋轉粘度