鉆井液流變參數(shù)的計(jì)算及應(yīng)用

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上鉆井液的流變參數(shù)與鉆井工程有著密切的關(guān)系，是鉆井液重要性能之一。因此，在鉆井過(guò)程中必須對(duì)其流變性進(jìn)行測(cè)量和調(diào)整，以滿(mǎn)足鉆井的需要。鉆井液的流變參數(shù)主要包括塑性粘度、漏斗粘度、表觀粘度、動(dòng)切力和靜切力、流性指數(shù)、稠度系數(shù)等。 一、旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)的構(gòu)造及工作原理旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)是目前現(xiàn)場(chǎng)中廣泛使用的測(cè)量鉆井液流變性的儀器。它由電動(dòng)機(jī)、恒速裝置、變速裝置、測(cè)量裝置和支架箱體等五部分組成。恒速裝置和變速裝置合稱(chēng)旋轉(zhuǎn)部分。在旋轉(zhuǎn)部件上固定一個(gè)能旋轉(zhuǎn)的外筒。測(cè)量裝置由測(cè)量彈簧、刻度盤(pán)和內(nèi)筒組成。內(nèi)筒通過(guò)扭簧固定在機(jī)體上、扭簧上附有刻度盤(pán)，如圖41所示。通常將外筒稱(chēng)為轉(zhuǎn)子，內(nèi)筒稱(chēng)為懸錘。測(cè)定

2、時(shí)，內(nèi)筒和外筒同時(shí)浸沒(méi)在鉆井液中，它們是同心圓筒，環(huán)隙1mm左右。當(dāng)外筒以某一恒速旋轉(zhuǎn)時(shí)，它就帶動(dòng)環(huán)隙里的鉆井液旋轉(zhuǎn)。由于鉆井液的粘滯性，使與扭簧連接在一起的內(nèi)筒轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度。根據(jù)牛頓內(nèi)摩擦定律，轉(zhuǎn)動(dòng)角度的大小與鉆井液的粘度成正比，于是，鉆井液粘度的測(cè)量就轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)筒轉(zhuǎn)角的測(cè)量。轉(zhuǎn)角的大小可從刻度盤(pán)上直接讀出，所以這種粘度計(jì)又稱(chēng)為直讀式旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)。轉(zhuǎn)子和懸錘的特定幾何結(jié)構(gòu)決定了旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)轉(zhuǎn)子的剪切速率與其轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。按照范氏儀器公司設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)子、懸錘組合(兩者的間隙為117mm)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與剪切速率的關(guān)系為：1 r/min1.703s-1 （41）旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)的刻度盤(pán)讀數(shù) (為圓周上的度數(shù)，不考

3、慮單位)與剪切應(yīng)力(單位為Pa)成正比。當(dāng)設(shè)計(jì)的扭簧系數(shù)為3.87×10-5時(shí)，兩者之間的關(guān)系可表示為： 0.511 (-2)旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)有兩速型和多速型兩種。兩速型旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)用600 rmin和300 rmin這兩種固定的轉(zhuǎn)速測(cè)量鉆井液的剪切應(yīng)力，它們分別相當(dāng)于1022s-1和511s-1的剪切速率(由式4-1計(jì)算而得)。但是，僅在以上兩個(gè)剪切速率下測(cè)量剪切應(yīng)力具有一定的局限性，因?yàn)樗鶞y(cè)得的參數(shù)不能反映鉆井液在環(huán)形空間剪切速率范圍內(nèi)的流變性能。因此，目前國(guó)內(nèi)外已普遍使用多速型旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)。六速粘度計(jì)是目前最常用的多速型粘度計(jì)，該粘度計(jì)的六種轉(zhuǎn)速和與之相對(duì)應(yīng)的剪切速率見(jiàn)表4-1表-1 轉(zhuǎn)

4、速與剪切速率的對(duì)應(yīng)關(guān)系轉(zhuǎn)速（r/min）60030020010063剪切速率s-11022511340.7170.310.225.11為了連續(xù)測(cè)量各種剪切速率下的剪切應(yīng)力，NL Baroib公司又研制出從1r/min至600r/min可連續(xù)變速的286型粘度計(jì)。對(duì)于抗高溫深井鉆井液，常用高溫高壓流變儀等測(cè)定高溫高壓條件下的流變性能。二、流變參數(shù)的測(cè)量與計(jì)算直讀公式推導(dǎo) ）表觀粘度的測(cè)量與計(jì)算根據(jù)表觀粘度的定義，某一剪切速率下的表現(xiàn)粘度可用下式表示：a/ (0.511N /1.703N)×(1000)(300N)/N (43)式中 N表示轉(zhuǎn)速，單位為rmin；N表示轉(zhuǎn)速為N時(shí)的刻度盤(pán)讀

5、數(shù)；a表現(xiàn)粘度，mPa·s。利用式(-3)，可將任意剪切速率(或轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速)下測(cè)得的刻度盤(pán)讀數(shù)換算成表觀粘度，常用的六種轉(zhuǎn)速的換算系數(shù)見(jiàn)表-2表-2 刻度讀數(shù)與表觀粘度的換算系數(shù)轉(zhuǎn)速/r·min-160030020010063換算系數(shù)0.51.01.53.050.0100.0例如，在300r/min時(shí)測(cè)得刻度盤(pán)讀數(shù)為36，則該剪切速率下的表觀粘度等與36×1.036（mPa·s）；若在6r/min時(shí)測(cè)得刻度盤(pán)讀數(shù)為4.5，則該剪切速率下的表現(xiàn)粘度等于4.5×50.0225（mPa·s）在評(píng)價(jià)鉆井液的性能時(shí)，為了便于比較，如果沒(méi)有特別注

6、明某一剪切速率，一般是指測(cè)定600 r/min時(shí)的表觀粘度，即e(1/2)600 (44)使用旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)定表觀粘度和其它流變參數(shù)步驟如下：(1)將預(yù)先配好的鉆井液進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，然后倒入量杯中，使液面與粘度計(jì)外筒的刻度線相齊。(2)將粘度計(jì)轉(zhuǎn)速設(shè)置在600r/min，待刻度盤(pán)穩(wěn)定后讀取數(shù)據(jù)。(3)再將粘度計(jì)轉(zhuǎn)速分別設(shè)置在300、200、100、6和3rmin，待刻度盤(pán)穩(wěn)定后讀取數(shù)據(jù)。(4)計(jì)算各流變參數(shù)。必要時(shí)，通過(guò)將刻度盤(pán)讀數(shù)換算成、將轉(zhuǎn)速換算成，繪制出鉆井液的流變曲線。）塑性流體流變參數(shù)的測(cè)量與計(jì)算由測(cè)得的600r/min和300r/min的刻度盤(pán)讀數(shù)，可以利用以下公式求得塑性粘度和動(dòng)切力

7、：p600300 (45)00.511(300p) (46)式中p的單位為mPa·s，0的單位為Pa。其推導(dǎo)過(guò)程如下：如前所述，塑性粘度是塑性流體流變曲線中直線段的斜率，600r/min和300 r/min所對(duì)應(yīng)的剪切應(yīng)力應(yīng)該在直線段上。因此p(600300)(600300)0.511(600300)(1022511)×1000600300依據(jù)賓漢模式，0p，因此0600p6000.5116000.511(600300)(1022511)×10000.511(2300600)0.511(300p)此外，塑性流體的靜切力用以下方法測(cè)得：將經(jīng)充分?jǐn)嚢璧你@井液靜置1mi

8、n(或10s)，在3rmin的剪切速率下讀取刻度盤(pán)的最大偏轉(zhuǎn)值；再重新攪拌鉆井液，靜置10min后重復(fù)上述步驟并讀取最大偏轉(zhuǎn)值。最后進(jìn)行以下計(jì)算；初切(初)0.5113（1min或10s） (7)終切(終)0.5113(10min) (8)式中，初和終的單位均為Pa。）假塑性流體流變參數(shù)的測(cè)量與計(jì)算同樣地，由測(cè)得的600 r/min和300 r/min的刻度盤(pán)讀數(shù)，可分別兩式求得冪律模式的兩個(gè)流變參數(shù)，即流性指數(shù)(n)和稠度系數(shù)(K)：n3.3221g(600/300) (9)K(O.511 300)/511n (10)式中，n為無(wú)因次量；K的單位為Pa·sn。 以上兩式的推導(dǎo)過(guò)程如

9、下：將冪律模式等號(hào)兩邊同時(shí)取對(duì)數(shù)，得到lglgKnlg以lg為縱坐標(biāo)，以lg為橫坐標(biāo)，得一直線方程，在該直線上任意取兩點(diǎn)，解聯(lián)立方程：lg1lgKnlg1lg2lgKnlg2可得n(lg2lg1)(lg2lg1)1g(21)lg(21) 式中，2、1、2、1是對(duì)應(yīng)于兩種不同轉(zhuǎn)速時(shí)的粘度計(jì)刻度盤(pán)讀數(shù)和剪切速率。若將600r/min和300r/min的有關(guān)數(shù)據(jù)代入上式，可得：nlg(600/300)lg(1022511)3.322lg(600/300)由冪律公式Kn ，若取N300 r/min，則3001.703×300511(s-1)；又由3000.511300，如果K的單位取mPa&

10、#183;sn，則K/n(0.511300)511n 例4-1 使用旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)，測(cè)得某種鉆井液的60036，30026，試求該鉆井液的表觀粘度、塑性粘度、動(dòng)切力、流性指數(shù)和稠度系數(shù)。解：將測(cè)得的刻度盤(pán)讀數(shù)分別代入有關(guān)公式，可求得：e(1/2)6000.5×3618(mPa·s)p600300362610(mPa·s)00.511(300p)0.511×(2610)8.18(Pa)n3.3221g(600/300)3.322lg(36/26)0.47K(O.511 300)/511n(0.511× 26)5110.470.71(Pa·s

11、n)需要指出，以上使用600和300計(jì)算的n、K值，其對(duì)應(yīng)的剪切速率與鉆井液在鉆桿內(nèi)的流動(dòng)情況大致相當(dāng)，可稱(chēng)為中等剪切速率條件下的n、K值。然而，人們更關(guān)心的是環(huán)形空間的n、K值，因?yàn)樗鼈冎苯佑绊戙@井液懸浮和攜帶鉆屑的能力，并且是計(jì)算環(huán)空壓降和判別流型的重要參數(shù)。較低剪切速率下的n、K值同樣可以根據(jù)六速粘度計(jì)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，第二、三組的鉆速分別為200、100 rmin和6、3rmin，其計(jì)算式：n3.322 lg(200100) (11)K(0.511100)170n (12)n3.322 1g(63) (13)K(0.5ll3)5.11n (14)例4-2 用旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)得某鉆井液在6

12、00、300、200、100、6和3rmin的刻度盤(pán)讀數(shù)分別為36、28、22、17、5.5和4.5，試分成三組計(jì)算鉆井液的流性指數(shù)和稠度系數(shù)。解；第一組轉(zhuǎn)速為600、300rmin，在例4-1中已求得n10.47，K10.71Pa·sn。第二、三組的鉆速分別為200、100r/min 和6、3rmin，分別代入（3-18）(3-21)可求出對(duì)應(yīng)的n、K值。n23.3221g(200100)3.322×lg(2217)0.37K2(0.511100)170n(0.511×17)170n1.30(Pa·sn)n33.3221g(63)3.322×

13、lg(5.54.5)0.29K3(0.5ll3)5.11n(0.511×4.5)5.110.291.43(Pa·sn)從以上計(jì)算結(jié)果可知，隨著剪切速率減小，鉆井液的n值趨于減小，K值趨于增大。為了更準(zhǔn)確地測(cè)定鉆井液在環(huán)空的n、K值，可首先用286型無(wú)級(jí)變速流變儀，在11022s-1剪切速率范圍內(nèi)測(cè)出10個(gè)以上的點(diǎn)，然后果用計(jì)算的方法確定環(huán)空的n、K值。例如，先取剪切速率為80120s-1兩點(diǎn)，或通過(guò)計(jì)算確定其n、K值。再用下式求出鉆井液在環(huán)空的剪切速率：環(huán)(2n1)3n12n/(D2D1) (15)式中 環(huán)環(huán)空的剪切速率，s-1；n環(huán)空運(yùn)速，cm/s；D2鉆桿外徑，cm；D

14、1并眼直徑，cm。如果求出的環(huán)正好在所取的80120s-1 剪切速率范圍內(nèi)，則表明所確定的n、K值是比較淮確的。若環(huán)未落在此范圍內(nèi)，則另取一段按同樣程序試算，直至環(huán)落入所取的剪切速率范圍時(shí)為止。）卡森流變參數(shù)的測(cè)量與計(jì)算卡森流變參數(shù)c和h同樣使用旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)得，測(cè)量時(shí)的轉(zhuǎn)速一船選用600r/min和100 r/min(分別相當(dāng)于剪切速率1022s-1和170s-1)。經(jīng)推導(dǎo)，其計(jì)算式如下：c1/20.493(6100)1/26001/2 (16)h1/21.195(6001/21001/2) (17)式中 c的單位為Pa；h的單位為mPa·s。例4-3 密度為1.228g/cm3的分

15、散鉆井液，用旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)得其60076，10025.5，試汁算該鉆井液的卡森模式參數(shù)c和h。解：將已知條件代入式(3-24)和(3-25)，可分別求得；c1/20.493(6100)1/26001/20.439×(6×25.5)1/2761/21.800(Pa)1/2c3.24(Pa)h1/21.195(6001/21001/2)1.195(761/225.51/2)4.383(mPas)1/2h19.21mPa·s經(jīng)驗(yàn)表明，在使用低固相聚合物鉆井液時(shí)，為了滿(mǎn)足快速、安全鉆井的要求，將卡森流變參數(shù)保持在以下范圍內(nèi)是必要的，并且也是可能的，即c0.63.0Pa；h2.06.0