鉆井液第3章(鉆井液流變性)課件

1、鉆井液第3章(鉆井液流變性)鉆井液第3章(鉆井液流變性)3-1液體流動(dòng)的特點(diǎn)及其分析Characteristics and analysis of fluids flow一、基本概念: 1.剪切速率( Shear rate)與剪切應(yīng)力( shear stress)沉砂池：1020S-1 環(huán)空： 50250S-1 鉆具內(nèi)： 1001000S-1 鉆頭噴嘴： 1萬10萬S-1 3-1液體流動(dòng)的特點(diǎn)及其分析Characteristic 2.粘滯性(viscosity) 流體流動(dòng)時(shí)具有抵抗剪切變形的物理性質(zhì)。 3.牛頓內(nèi)摩擦定律:在一定的條件下，剪切應(yīng)力與速梯正比。 = = 切力與速梯成正比粘滯系數(shù)簡(jiǎn)

2、稱粘度 2.粘滯性(viscosity) 4.流變曲線與流變圖-，-， 函數(shù)關(guān)系曲線與圖。鉆井液第3章(鉆井液流變性)5.液體類型:(1)根據(jù)牛頓內(nèi)摩擦定律：牛頓液體和 非牛頓液體(2)根據(jù)流變曲線特征：1塑性液2假塑性液3牛頓液4膨脹液01塑性液2假塑性液3牛頓液4膨脹液05.液體類型:1塑性液2假塑性液3牛頓液4膨脹液6液體流動(dòng)類型:（Non-Newtonion fluid） Static plug transition laminar turbulent flow P-L）zone flow(L-T) flow 靜止塞流層流紊流流體流速增加6液體流動(dòng)類型:（Non-Newtonion f

3、lui二鉆井液流動(dòng)特點(diǎn)及分析1.牛頓流體(Newtonion fluid)無結(jié)構(gòu)、均勻質(zhì)點(diǎn)，如油類、清水。流變曲線為一條過原點(diǎn)直線,符合=。0、0施加很小的切應(yīng)力就發(fā)生流動(dòng)。為常數(shù),不隨變化 =/=tgabaabb二鉆井液流動(dòng)特點(diǎn)及分析1.牛頓流體(Newtonion f靜止塞流層流紊流s2.塑性液(Plastic fluid): (大多數(shù)泥漿)存在不流動(dòng)區(qū)b紊流區(qū):ab靜止塞流層流紊流s2.塑性液(Plastic fluia=a/a=tgab=b/b=tgbabaabbs剪切稀釋性(shear thinning ) 鉆井液表觀(視）粘度（AVApparent viscosity）隨速梯（流速

4、）增大而降低的性質(zhì)。a、b-某速梯下的粘度 -表觀（視）粘度。a=a/a=tgab=b/b=tgbababaabbs剪切稀釋性(shear thinning )原因：在速梯增大時(shí)，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)被拆散，結(jié)構(gòu)粘度降低所致。意義：具有剪切稀釋性的鉆井液，在速梯較低時(shí)有較大的表觀粘度，有利于懸浮和攜帶巖屑。而在速梯較大時(shí)又有較小的表觀粘度，這有利于降低流動(dòng)阻力，減少功率損耗。abaabbs剪切稀釋性(shear thinn3.假塑性液(Pseudo-plastic fluid)（聚合物鉆井液、油包水乳化鉆井液為典型的假塑性液）流變曲線為過原點(diǎn)的指數(shù)曲線；施加很小切應(yīng)力發(fā)生流動(dòng)，無s或很小;具有剪切稀釋性。

5、abaabb3.假塑性液(Pseudo-plastic fluid)（4.膨脹性液體(dilatant fluid)淀粉液體為典型的膨脹性液體；流變曲線為指數(shù)曲線與假塑性液體相似，但凹凸方向相反；粘度隨速梯增加而增加剪切增稠。aababb4.膨脹性液體(dilatant fluid)淀粉液體為典型3-2 鉆井液流變模式及評(píng)價(jià)Drilling fluid rheological models evaluation一、賓漢模式(Bingham 1919 ) =0+ss03-2 鉆井液流變模式及評(píng)價(jià)Drilling fluid一、賓漢模式(Bingham 1919 ) =0+s1.s-塑性粘度PV(

6、plastic viscosity )Pa.s or mPa.s 意義: s=(-0 )/反映了液相與液相之間、固相與液相之間、固相與固相之間的摩擦力。 影響:固相性質(zhì)及含量，液相性質(zhì)。 控制:通常通過清除鉆屑來降低。一、賓漢模式(Bingham 1919 ) =一、賓漢模式(Bingham 1919 ) =0+s2.0-動(dòng)切應(yīng)力，YP (Yield Point) ，Pa. 意義:用以表示鉆井液流動(dòng)時(shí)鉆井液中粘土網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度 反映了鉆井液攜帶和懸浮鉆屑的能力。 影響:形成網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的因素，如粘土含量及性質(zhì)、聚合物、電解質(zhì)等。 控制: 提高動(dòng)切力：加上述物質(zhì)； 降低動(dòng)切力：加拆散結(jié)構(gòu)的物質(zhì)如：降

7、粘劑、反絮凝劑等。 一、賓漢模式(Bingham 1919 ) =一、賓漢模式(Bingham 1919 ) =0+s3.視粘度表達(dá)式: =0/+s =g +s 結(jié)構(gòu)粘度定義為g =0/由此表明采用賓漢模式的視粘度由結(jié)構(gòu)粘度和塑性粘度構(gòu)成，其所占的比例不同對(duì)鉆井液的流變性影響很大。討論：兩種鉆井液在某相同的速梯下視粘度相同，其懸浮攜帶鉆屑的性能是否相同？例：(1) =25+10=35mPa.s (2) =10+25=35mPa.s一、賓漢模式(Bingham 1919 ) =二、冪律模式(Bingham 1928) (Power law model )表達(dá)式：=Kn （指數(shù)方程）1. n流性指

8、數(shù)(無因次n1) 意義：當(dāng)n1時(shí)為膨脹流體。對(duì)大多數(shù)鉆井液，n0.52. Vs計(jì)算：顆粒沉降流態(tài):鉆屑顆粒沉滑時(shí),邊界液流所呈的狀態(tài).顆粒雷諾數(shù)-Re.p (partical Reynolds Number )二、鉆井液攜帶鉆屑能力計(jì)算1.鉆屑輸送比: 鉆屑上升速度與Vs計(jì)算：Re.p2000紊流沉降Vs計(jì)算：Re.p1 層流沉降.環(huán)空視粘度計(jì)算公式 賓漢模式 冪律模式 卡森模式 環(huán)空視粘度計(jì)算公式 賓漢冪律卡森井眼凈化計(jì)算機(jī)框圖基本數(shù)據(jù)計(jì)算環(huán)空流態(tài)式（18）計(jì)算VsRep2000式（19）計(jì)算Vs式（16）計(jì)算RepRep1式（17）計(jì)算Vs計(jì)算Vt計(jì)算Rt流態(tài)層流紊流YNYN井眼凈化計(jì)算機(jī)

9、框圖基本數(shù)據(jù)計(jì)算環(huán)空流態(tài)式（18）計(jì)算VsRe三鉆井液密度的計(jì)算鉆井液密度( Density)靜態(tài)測(cè)量三鉆井液密度的計(jì)算鉆井液密度( Density)靜態(tài)當(dāng)量循環(huán)泥漿密度（ E.C.D Equivalent Circulating Density）由于鉆井液循環(huán)流動(dòng)所產(chǎn)生附加壓力的相當(dāng)密度。單位：E.C.D、f kg/m3；PPa；Lm單位：E.C.D、f g/cm3；PMPa；Lm當(dāng)量循環(huán)泥漿密度（ E.C.D Equivalent四、鉆井液流變性與井內(nèi)壓力激動(dòng)鉆井液的井內(nèi)壓力激動(dòng) 起下鉆和鉆井過程中，由于鉆柱的上下移動(dòng)、泥漿泵的開動(dòng)等原因，使井內(nèi)液柱壓力產(chǎn)生突然變化（升高或降低），給井內(nèi)增

10、加一個(gè)附加壓力（正值或負(fù)值）的現(xiàn)象。影響激動(dòng)壓力的因素：鉆柱運(yùn)動(dòng)速度鉆頭及鉆柱的泥包程度環(huán)形空間的間隙、井深泥漿性能（粘度、切力）四、鉆井液流變性與井內(nèi)壓力激動(dòng)鉆井液的井內(nèi)壓力激動(dòng)四、鉆井液流變性與井內(nèi)壓力激動(dòng)下鉆: 當(dāng)鉆頭在井內(nèi)向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，鉆井液被推動(dòng)著向上流動(dòng)。這時(shí)鉆頭處的壓力等于鉆頭以上鉆井液的流動(dòng)阻力與該段鉆井液的靜液柱壓力。超出靜液柱壓力的部分被稱為“激動(dòng)”。這是造成井漏的原因之一。起鉆: 相反，當(dāng)鉆頭在井內(nèi)向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，鉆井液向下流動(dòng)。這時(shí)鉆頭處的壓力等于鉆頭以上鉆井液的靜液柱壓力減去該段鉆井液的流動(dòng)阻力。低于靜液柱壓力的部分被稱為“抽吸壓力”。這是誘發(fā)井噴、井塌的原因之一。 主要控

11、制措施：控制起下鉆速度；降低鉆井液粘切。四、鉆井液流變性與井內(nèi)壓力激動(dòng)下鉆: 當(dāng)四、鉆井液流變性與井內(nèi)壓力激動(dòng)開泵時(shí)的壓力激動(dòng): 由于鉆井液具有觸變性，停止循環(huán)后，鉆井液中的粘土顆粒隨停泵時(shí)間增加，被拆散的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)恢復(fù)強(qiáng)度增加，靜切力升高，開泵泵壓將超過正常循環(huán)所需的泵壓，造成壓力激動(dòng)。 主要控制措施：開泵操作平穩(wěn)；降低鉆井液粘切。Q Ps P0 P1 P2M1M2Ps、P0、分別為克服靜、動(dòng)切力所需壓力；P1、P2分別為鉆井液靜止若干時(shí)間之后所需壓力。四、鉆井液流變性與井內(nèi)壓力激動(dòng)開泵時(shí)的壓力激動(dòng):Q Ps 鉆井液流變性的一般要求對(duì)于非加重鉆井液： 塑性粘度（PV):512mPa.s 動(dòng)切力

12、（YP):1.414.4Pa YP/PV=376478（1/s） 流型指數(shù)n：0.4-0.7 卡森屈服值:0.6-3Pa 極限高剪粘度：:2-6mPa.s靜切力： 0.5112（Pa）漏斗粘度T=2.2PV (S)鉆井液流變性的一般要求對(duì)于非加重鉆井液： 習(xí)題1.根據(jù)旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)基本公式，用600 、100推導(dǎo)出卡森參數(shù)計(jì)算公式、c。2.旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)讀數(shù)： 600=26.8 300 =16.5 200=14.5 100 =9 6=4.5 3=4.2（1）用坐標(biāo)紙畫出實(shí)際與三模式的流變曲線,并進(jìn)行對(duì)比哪一流變模式更準(zhǔn)確。（2）計(jì)算三套流變參數(shù)及m。 鉆頭8 1/2 、鉆鋌7 (15根9.1m)鉆桿5 ，井深3500m，排量Q=20