第二章 第5節(jié)流變性及其調(diào)整課件

歡迎大家光臨大家好第五節(jié)鉆井液的流變性及其調(diào)整一、鉆井液的基本流型及其特點(diǎn)二、鉆井液流變參數(shù)的測(cè)量及其調(diào)整三、鉆井液流變性與鉆井作業(yè)的關(guān)系四、鉆井液降粘劑鉆井液流變性（RheologicalPropertiesofDrillingFluids）：

指在外力作用下，鉆井液發(fā)生流動(dòng)和變形的特性，其中流動(dòng)性是主要的方面。該特性通常是用鉆井液的流變曲線和塑性粘度（PlasticViscosity）﹑動(dòng)切力（YieldPoint）﹑靜切力（GelStrength）﹑表觀粘度（ApparentViscosity）等流變參數(shù)來進(jìn)行描述的。鉆井液流變性是鉆井液的一項(xiàng)基本性能，它在解決下列鉆井問題時(shí)起著十分重要的作用：（1）攜帶巖屑，保證井底和井眼的清潔；（2）懸浮巖屑與重晶石；（3）提高機(jī)械鉆速；（4）保持井眼規(guī)則和保證井下安全。一、鉆井液的基本流型及其特點(diǎn)流體流動(dòng)的基本概念

水中各點(diǎn)的流速不同，可以設(shè)想將其分成許多薄層。通過管道中心線上的點(diǎn)作一條流速的垂線，自中心線上的點(diǎn)沿垂線向管壁移動(dòng)位置，隨著位置的變化流速也在發(fā)生變化。

①剪切速率：如果在垂直于流速的方向上取一段無限小的距離dx，流速由v變化到v+dv，則比值dv/dx表示在垂直于流速方向上單位距離流速的增量，即流速梯度，又稱剪切速率，用符號(hào)g來表示，單位為s–1。

鉆井液循環(huán)在不同部位，流速不同，剪切速率也不相同。流速越大之處剪切速率越高，反之則越低。一般情況下，沉砂池處剪切速率為最低，大約在1020s-1；環(huán)形空間50250s-1；鉆桿內(nèi)1001000s-1；鉆頭噴嘴處最高，大約在10000100000s-1。一、鉆井液的基本流型及其特點(diǎn)流體流動(dòng)的基本概念②粘滯性：液流中各層的流速不同，故層與層之間必然存在著相互作用。由于液體內(nèi)部?jī)?nèi)聚力的作用，流速較快的液層會(huì)帶動(dòng)流速較慢的相鄰液層，而流速較慢的液層又會(huì)阻礙流速較快的相鄰液層。這樣在流速不同的各液層之間會(huì)發(fā)生內(nèi)摩擦作用，即出現(xiàn)成對(duì)的內(nèi)摩擦力，阻礙液層剪切變形。通常將液體流動(dòng)時(shí)所具有的抵抗剪切變形的物理性質(zhì)稱作液體的粘滯性。③牛頓內(nèi)摩擦定律：液體流動(dòng)時(shí)，液體層與層之間的內(nèi)摩擦力（F）的大小與液體的性質(zhì)及溫度有關(guān)，并與液層間的接觸面積（S）和剪切速率（g）成正比，而與接觸面上的壓力無關(guān)，即F=mSg。④剪切應(yīng)力τ：內(nèi)摩擦力F除以接觸面積S即得液體內(nèi)的剪切應(yīng)力τ

，剪切應(yīng)力可理解為單位面積上的剪切力，即τ=F/S。⑤粘度m：

衡量液體粘滯性大小的物理量，m

=τ/g

，單位Pa.s，mPa.s；工程上常用厘泊（cP）來表示，1cP=1mPa.s。20℃時(shí)，水的粘度為1.0087mPa.s一、鉆井液的基本流型及其特點(diǎn)流體流動(dòng)的基本概念⑥牛頓流體（NewtonianFluid）：將剪切應(yīng)力與剪切速率的關(guān)系遵守牛頓內(nèi)摩擦定律的流體，稱為牛頓流體。如水、酒精等大多數(shù)純液體、輕質(zhì)油、低分子化合物溶液以及低速流動(dòng)的氣體等均為牛頓流體。⑦非牛頓流體（non-NewtonianFluid）：將剪切應(yīng)力與剪切速率的關(guān)系不遵守牛頓內(nèi)摩擦定律的流體，稱為非牛頓流體。如高分子聚合物的濃溶液和懸浮液等一般為非牛頓流體。大多數(shù)鉆井液屬于非牛頓流體。2.流變模式和流變曲線：（1）流變模式：描述剪切應(yīng)力與剪切速率關(guān)系的數(shù)學(xué)關(guān)系式，稱為流變方程，習(xí)慣上又稱為流變模式。

（2）流變曲線：描述剪切應(yīng)力與剪切速率關(guān)系的圖線，稱為流變曲線。習(xí)慣上用τ對(duì)γ作圖而得。

一、鉆井液的基本流型及其特點(diǎn)流體流動(dòng)的基本概念3.流體的基本流型：按照流體流動(dòng)時(shí)剪切速率與剪切應(yīng)力之間的關(guān)系，流體可以劃分為不同的類型，即所謂流型。除牛頓流型外，根據(jù)所測(cè)出的流變曲線形狀的不同，又可將非牛頓流體歸納為塑性流型、假塑性流型和膨脹流型。以上四種基本流型的流變曲線如圖所示。符合這四種流型的流體分別叫做牛頓流體、塑性流體、假塑性流體和膨脹性流體。（1）牛頓流體：①流變方程：=m

g

②意義：當(dāng)牛頓流體在外力作用下流動(dòng)時(shí)，剪切應(yīng)力與剪切速率成正比。③流體特點(diǎn)：當(dāng)t﹥0時(shí)，g﹥0，因此只要對(duì)牛頓流體施加一個(gè)外力，即使此力很小，也可以產(chǎn)生一定的剪切速率，即開始流動(dòng)；其粘度不隨剪切速率的增減而變化。一、鉆井液的基本流型及其特點(diǎn)塑性流體（1）塑性流體：如高粘土含量的鉆井液、油漆和高含蠟原油等。（2）靜切應(yīng)力ts：塑性流體當(dāng)g=0時(shí)，t0。也就是說，它不是加很小的剪切應(yīng)力就開始流動(dòng)，而是必須加一定的力才開始流動(dòng)，這種使流體開始流動(dòng)的最低剪切應(yīng)力（ts）稱為靜切應(yīng)力（又稱靜切力、切力或凝膠強(qiáng)度）。（3）塑性粘度（表示為mp或PV）：

當(dāng)剪切應(yīng)力超過ts時(shí)，在初始階段剪切應(yīng)力和剪切速率的關(guān)系不是一條直線，表明此時(shí)塑性流體還不能均勻地被剪切，粘度隨剪切速率增大而降低（圖中曲線段）。繼續(xù)增加剪切應(yīng)力，當(dāng)其數(shù)值大到一定程度之后，粘度不再隨剪切速率增大而發(fā)生變化，此時(shí)流變曲線變成直線（圖中直線段）。此直線段的斜率稱為塑性粘度（表示為mp或PV）。（4）動(dòng)切應(yīng)力t0：延長(zhǎng)直線段與剪切應(yīng)力軸相交于一點(diǎn)t0，通常將t0（亦可表示為YP）稱為動(dòng)切應(yīng)力（又稱動(dòng)切力或屈服值）。塑性粘度和動(dòng)切力是鉆井液的兩個(gè)重要流變參數(shù)。一、鉆井液的基本流型及其特點(diǎn)塑性流體（6）塑性流體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)例如，當(dāng)端面帶正電荷時(shí)，板面與端面就由于靜電吸引力占優(yōu)勢(shì)而彼此連接；當(dāng)加入可溶性電解質(zhì)時(shí)，則由于其中的陽離子壓縮雙電層使z電位降低，從而降低了雙電層斥力，于是引起端-面連接；如果加入的電解質(zhì)足夠多，雙電層斥力降至某種程度之后，則會(huì)發(fā)生面-面連接。一、鉆井液的基本流型及其特點(diǎn)塑性流體（8）流變曲線分析①曲線段：在鉆井液開始流動(dòng)以后，由于初期的剪切速率較低，結(jié)構(gòu)的拆散速度大于其恢復(fù)速度，拆散程度隨剪切速率增加而增大，因此表現(xiàn)為粘度隨剪切速率增加而降低；②直線段：隨著結(jié)構(gòu)拆散程度增大，拆散速度逐漸減小，結(jié)構(gòu)恢復(fù)速度相應(yīng)增加。因此，當(dāng)剪切速率增至一定程度，結(jié)構(gòu)破壞的速度和恢復(fù)的速度保持相等（即達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡）時(shí)，結(jié)構(gòu)拆散的程度將不再隨剪切速率增加而發(fā)生變化，相應(yīng)地粘度亦不再發(fā)生變化。該粘度即鉆井液的塑性粘度。因?yàn)樵搮?shù)不隨剪切應(yīng)力和剪切速率而改變，所以對(duì)鉆井液的水力計(jì)算是很重要的。從賓漢模式可以得出：mp=

(t-t0)/g，塑性粘度的單位為mPas。一、鉆井液的基本流型及其特點(diǎn)假塑性流體（1）假塑性流體：某些鉆井液、高分子化合物的水溶液以及乳狀液等均屬于假塑性流體。

（2）流體特點(diǎn)：施加極小的剪切應(yīng)力就能產(chǎn)生流動(dòng)，不存在靜切應(yīng)力，它的粘度隨剪切應(yīng)力的增大而降低。

（3）流變曲線特點(diǎn)分析：①曲線過原點(diǎn)

原因：無網(wǎng)架結(jié)構(gòu)；有脆弱不連續(xù)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，一經(jīng)拆散不易恢復(fù)，故一觸即動(dòng)。②無直線段：γ↑，dτ/dγ↓，即剪切應(yīng)力與剪切速率之比總是變化的。（4）假塑性流體的流變模式：t=Kgn

（0<n<1） 又稱冪律模式（PowerLowModel）。n為流性指數(shù)和K為稠度系數(shù)，是假塑性流體的兩個(gè)重要流變參數(shù)。一、鉆井液的基本流型及其特點(diǎn)冪律模式和賓漢模式的比較在中等和較高的剪切速率范圍內(nèi)，冪律模式和賓漢模式均能較好地表示實(shí)際鉆井液的流動(dòng)特性，然而在環(huán)形空間的較低剪切速率范圍內(nèi)，冪律模式比賓漢模式更接近實(shí)際鉆井液的流動(dòng)特性。因此，盡管賓漢模式一直是國(guó)內(nèi)外鉆井液工藝中最常用的流變模式，但目前認(rèn)為，采用冪律模式能夠比賓漢模式更好地表示鉆井液在環(huán)空的流變性，并能更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)環(huán)空壓降和進(jìn)行有關(guān)的水力參數(shù)計(jì)算。在鉆井液設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用中，這兩種流變模式往往同時(shí)使用。二、鉆井液流變參數(shù)的測(cè)量與調(diào)控流變參數(shù)及其調(diào)控方法鉆井液的流變參數(shù)包括塑性粘度、動(dòng)切力、靜切力、流性指數(shù)、稠度系數(shù)、漏斗粘度、表觀粘度、剪切稀釋性、動(dòng)塑比和觸變性，以及卡森流變流變參數(shù)、赫-巴流變模式三參數(shù)等。1.漏斗粘度（FunnelViscosity）在鉆井過程中需要經(jīng)常測(cè)定的重要參數(shù)。由于測(cè)定方法簡(jiǎn)便，可直觀反映鉆井液粘度的大小。①用鉆井液量杯的上端（500mL）與下端（200mL）準(zhǔn)確量取700mL鉆井液，將左手食指堵住漏斗口，使鉆井液通過篩網(wǎng)后流入漏斗中。②將鉆井液量杯500mL的一端置于漏斗口的下方；在松開左手食指的同時(shí)，右手按動(dòng)秒表。注意在鉆井液流出過程中，應(yīng)始終使漏斗保持直立。（1）測(cè)試步驟：二、鉆井液流變參數(shù)的測(cè)量與調(diào)控流變參數(shù)及其調(diào)控方法③待鉆井液量杯500ml的一端流滿時(shí)，按動(dòng)秒表記錄所需時(shí)間。所記錄的時(shí)間即漏斗粘度，其單位為s。漏斗粘度計(jì)的準(zhǔn)確度常用純水進(jìn)行校正。在常溫下，純水的漏斗粘度為150.2s。

（2）局限性：①在鉆井液從漏斗口流出的過程中，隨著漏斗中液面逐漸降低，流速不斷減小，因此不能在某一固定的剪切速率下進(jìn)行粘度測(cè)定。因此，使漏斗粘度不能象從旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)得的數(shù)據(jù)那樣作數(shù)學(xué)處理，也無法與其它流變參數(shù)進(jìn)行換算。②漏斗粘度只能用來判別在鉆井作業(yè)期間各個(gè)階段粘度變化的趨向，它不能說明鉆井液粘度變化的原因，也不能作為對(duì)鉆井液進(jìn)行處理的依據(jù)。即便如此，漏斗粘度至今仍然與其它流變參數(shù)結(jié)合在一起，共同表征鉆井液的流變性。二、鉆井液流變參數(shù)的測(cè)量與調(diào)控流變參數(shù)及其調(diào)控方法（4）調(diào)整方法：①降低mp：通過合理使用固控設(shè)備、加水稀釋或化學(xué)絮凝等方法，盡量減少固相含量。②提高mp：加入低造漿率粘土、重晶石、混入原油或適當(dāng)提高pH值等均可提高mp。另外增加聚合物處理劑的濃度使鉆井液的液相粘度提高，也可起到提mp的作用。3.動(dòng)切力t0

（YieldPoint）（1）定義：塑性流體流變曲線中的直線段在t軸上的截距。（2）物理意義：反映了鉆井液在層流流動(dòng)時(shí)，粘土顆粒之間及高分子聚合物分子之間相互作用力的大小，亦即形成空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)能力的大小。（3）影響因素：二、鉆井液流變參數(shù)的測(cè)量與調(diào)控流變參數(shù)及其調(diào)控方法（3）影響因素：①粘土礦物的類型和濃度：在常見的粘土礦物中，蒙脫石最容易水化膨脹和分散，并形成網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。隨著鉆井液中蒙脫石濃度增加，塑性粘度上升比較緩慢，但動(dòng)切力會(huì)大幅度上升。相對(duì)而言，高嶺石和伊利石等粘土礦物對(duì)動(dòng)切力的影響較小。②電解質(zhì)：在鉆進(jìn)過程中，如果有一定量的NaCl、CaSO4、水泥等無機(jī)電解質(zhì)進(jìn)入鉆井液，均會(huì)引起鉆井液絮凝程度增大，從而增加動(dòng)切力。③降粘劑：大多數(shù)降粘劑的作用原理都是吸附到粘土顆粒的邊面上，使邊面帶一定的負(fù)電荷，于是拆散網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。因此，降粘劑的作用主要是降低動(dòng)切力，而不是降低塑性粘度。（4）調(diào)整方法：①降低t0：最有效的方法是加入適合于本體系的降粘劑，以拆散鉆井液中已形成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。如果是因Ca2+、Mg2+

等污染引起的t0升高，則可用沉淀方法除去這些離子。此外，用清水或稀漿稀釋也可起到降t0的作用。②提高t0：可加入預(yù)水化膨潤(rùn)土漿，或增大高分子聚合物的加量。對(duì)于鈣處理鉆井液或鹽水鉆井液，可通過適當(dāng)增加Ca2+、Na+

濃度來達(dá)到提t(yī)0的目的。二、鉆井液流變參數(shù)的測(cè)量與調(diào)控流變參數(shù)及其調(diào)控方法（3）影響因素：類似τ0。主要受形成網(wǎng)架結(jié)構(gòu)因素的影響，如加入高分子聚合物，或加入適量無機(jī)電解質(zhì)時(shí)，會(huì)使形成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)增強(qiáng)，n值便相應(yīng)減小。（4）調(diào)整方法：主要是降低n值。①最常用的方法是加入XC生物聚合物等流性改進(jìn)劑，或在鹽水鉆井液中添加預(yù)水化膨潤(rùn)土。②適當(dāng)增加無機(jī)鹽的含量也可起到降n值的效果，但這樣往往會(huì)對(duì)鉆井液的穩(wěn)定性造成一定的影響。③通過增加膨潤(rùn)土含量和礦化度來降n值，一般來講并不是好的方法，而應(yīng)優(yōu)先考慮選用適合于本體系的聚合物處理劑來達(dá)到降低n值的目的。二、鉆井液流變參數(shù)的測(cè)量與調(diào)控流變參數(shù)及其調(diào)控方法5.稠度系數(shù)K（1）定義：假塑性流體在剪切速率為1s-1時(shí)的粘度。τ

=kγ-1

。

（2）物理意義：K值愈大，粘度愈高。對(duì)于鉆井液，K值可反映其可泵性。若K值過大，將造成重新開泵困難。若K值過小，又將對(duì)攜巖不利。（3）影響因素：主要受體系中固體含量和液相粘度的影響，同時(shí)也受結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響。當(dāng)固體含量或聚合物處理劑的濃度增大時(shí)，K值相應(yīng)增大。（4）調(diào)整方法：①降低K值：最有效的方法是通過加強(qiáng)固相控制或加水稀釋以降低鉆井液中的固相含量。②提高K值：可添加適量聚合物處理劑，或?qū)㈩A(yù)水化膨潤(rùn)土加入鹽水鉆井液或鈣處理鉆井液中（K值提高，n值下降）；也可加入重晶石粉等惰性固體物質(zhì)（K值提高，n值基本不變）。

降低K值類似于降低鉆井液的粘度，有利于提高鉆速；提高K值類似于增大鉆井液的粘度，這有利于清潔井眼和消除井塌引起的井下復(fù)雜情況，因此K值并非越低越好，有時(shí)需要適當(dāng)提高K值。

二、鉆井液流變參數(shù)的測(cè)量與調(diào)控流變參數(shù)及其調(diào)控方法剪切稀化性能的表示方法：對(duì)于塑性流體：常用動(dòng)切力與塑性粘度的比值（動(dòng)塑比）表示剪切稀化性的強(qiáng)弱。t0

/mp的值越大，剪切稀化性越強(qiáng)。工藝要求：為了能夠在高剪率下有效地破巖和在低剪率下有效地?cái)y帶巖屑，要求鉆井液具有較高的動(dòng)塑比。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)和平板型層流流核直徑的有關(guān)計(jì)算，一般情況下將動(dòng)塑比控制在0.360.48Pa/mPas是比較適宜的。對(duì)于假塑性流體：用n值的大小反映剪切稀化性的強(qiáng)弱。當(dāng)n=1時(shí)，ma等于K，表明此時(shí)的表觀粘度是一個(gè)與剪切速率無關(guān)的常數(shù)，此時(shí)的流體為牛頓流體。隨流性指數(shù)n值逐漸減小，流體的流動(dòng)性偏離牛頓流體越來越遠(yuǎn)，ma隨g增加而降低的幅度也不斷增大，即剪切稀化性趨于增強(qiáng)。工藝要求：一般認(rèn)為，為了保證鉆井液能有效地?cái)y帶巖屑，將n值保持在0.40.7是較為適宜的。二、鉆井液流變參數(shù)的測(cè)量與調(diào)控流變參數(shù)及其調(diào)控方法7.切力（GelStrength）（1）定義：指靜切應(yīng)力，其膠體化學(xué)實(shí)質(zhì)是膠凝強(qiáng)度，它表示鉆井液在靜止?fàn)顟B(tài)下形成的空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。（2）物理意義：當(dāng)鉆井液靜止時(shí)，破壞鉆井液內(nèi)部單位面積上的結(jié)構(gòu)所需的剪切力，單位為Pa。（3）表示法：用初切力和終切力來表示靜切應(yīng)力的相對(duì)值。初切力是鉆井液在經(jīng)過充分?jǐn)嚢韬?，靜置10秒鐘測(cè)得的靜切力（簡(jiǎn)稱為初切）；終切力是鉆井液在經(jīng)過充分?jǐn)嚢韬?，靜置10分鐘測(cè)得的靜切力（簡(jiǎn)稱為終切）。τ/Pat/min10ab局限性：初切和終切相同的鉆井液，其最終的凝膠強(qiáng)度不一定相同。二、鉆井液流變參數(shù)的測(cè)量與調(diào)控流變參數(shù)及其調(diào)控方法8.觸變性（ThixotropicBehavior）

（1）定義：指攪拌后鉆井液變稀（即切力降低），靜置后又變稠的這種性質(zhì)。（2）機(jī)理解釋：在觸變體系中一般都存在空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。在剪切作用下，結(jié)構(gòu)被攪散；在結(jié)構(gòu)恢復(fù)過程中，需要一定的時(shí)間來完成。（3）表示法：一般用終切與初切之差相對(duì)表示鉆井液觸變性的強(qiáng)弱。局限性：初切和終切相同的鉆井液，其最終的切力相差較大。若用恢復(fù)結(jié)構(gòu)所需的時(shí)間和最終的凝膠強(qiáng)度（即切力）的大小，可更為真實(shí)地反映某種流體觸變性的強(qiáng)弱。1——快、強(qiáng)凝膠；2——慢、強(qiáng)凝膠；3——快、弱凝膠；4——慢、弱凝膠。二、鉆井液流變參數(shù)的測(cè)量與調(diào)控流變參數(shù)的測(cè)量與計(jì)算1.旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)的構(gòu)造及工作原理（1）構(gòu)造：旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)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旋轉(zhuǎn)部分。在旋轉(zhuǎn)部件上固定一個(gè)外筒，即外筒旋轉(zhuǎn)。測(cè)量裝置由測(cè)量彈簧部件、刻度盤和內(nèi)筒組成。內(nèi)筒通過扭簧固定在機(jī)體上，扭簧上附有刻度盤。通常將外筒稱為轉(zhuǎn)子，內(nèi)筒稱為懸錘。（2）原理：測(cè)定時(shí)，內(nèi)筒和外筒同時(shí)浸沒在鉆井液中，它們是同心圓筒，環(huán)隙1.17mm。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上直接讀出，所以這種粘度計(jì)又稱為直讀式旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)。二、鉆井液流變參數(shù)的測(cè)量與調(diào)控流變參數(shù)的測(cè)量與計(jì)算1.旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)的構(gòu)造及工作原理（1）構(gòu)造：旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)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旋轉(zhuǎn)部分。在旋轉(zhuǎn)部件上固定一個(gè)外筒，即外筒旋轉(zhuǎn)。測(cè)量裝置由測(cè)量彈簧部件、刻度盤和內(nèi)筒組成。內(nèi)筒通過扭簧固定在機(jī)體上，扭簧上附有刻度盤。通常將外筒稱為轉(zhuǎn)子，內(nèi)筒稱為懸錘。（2）工作原理：測(cè)定時(shí)，內(nèi)筒和外筒同時(shí)浸沒在鉆井液中，它們是同心圓筒，環(huán)隙1.17mm。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上直接讀出，所以這種粘度計(jì)又稱為直讀式旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)。二、鉆井液流變參數(shù)的測(cè)量與調(diào)控流變參數(shù)的測(cè)量與計(jì)算（3）測(cè)量原理：①剪切速率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系：1轉(zhuǎn)/分（常用rpm表示）=1.703s-1；②刻度盤讀數(shù)q（q為圓周上的度數(shù)，單位可略去）與剪切應(yīng)力t（單位為Pa）成正比。當(dāng)設(shè)計(jì)的扭簧系數(shù)為3.8710-5時(shí)，兩者之間的關(guān)系可表示為：t=0.511q （Pa）。

（4）六種轉(zhuǎn)速和與之相對(duì)應(yīng)的剪切速率：600rpm（1022s-1）、300rpm（511s-1）、200rpm（340.7s-1）、100rpm（170.3s-1）、6rpm（10.22s-1）和3rpm（5.11s-1）。（5）常用旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)：①六速的Fann35A型粘度計(jì)；②NLBaroid公司研制的從1rpm至600rpm可連續(xù)變速的286型粘度計(jì)；③Fann50C型和ReoChan7400型高溫高壓流變儀。二、鉆井液流變參數(shù)的測(cè)量與調(diào)控流變參數(shù)的測(cè)量與計(jì)算2.表觀粘度的測(cè)量與計(jì)算（1）任一剪切速率下的表觀粘度：ma=t/g=(0.511qN

/1.703N)(1000)=(300qN)

/N利用該式，可將任意剪切速率（或轉(zhuǎn)速）下測(cè)得的刻度盤讀數(shù)換算成表觀粘度。常用的六種轉(zhuǎn)速的換算系數(shù)如下。

轉(zhuǎn)速（rpm）60030020010063換算系數(shù)0.51.01.53.050.0100.0（2）鉆井液的表觀粘度：在評(píng)價(jià)鉆井液的性能時(shí)，如果沒有特別注明某一剪切速率，一般是指測(cè)定600r/min時(shí)的表觀粘度，即ma=(1/2)q600二、鉆井液流變參數(shù)的測(cè)量與調(diào)控流變參數(shù)的測(cè)量與計(jì)算（3）使用旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)定表觀粘度和其它流變參數(shù)的試驗(yàn)步驟：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6003r/min，待刻度盤穩(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3r/min，按步驟（2）進(jìn)行測(cè)定；④計(jì)算各流變參數(shù)（計(jì)算方法將在下面討論）。必要時(shí)，通過將刻度盤讀數(shù)換算成t，將轉(zhuǎn)速換算成g，繪制出鉆井液的流變曲線。二、鉆井液流變參數(shù)的測(cè)量與調(diào)控流變參數(shù)的測(cè)量與計(jì)算3.賓漢塑性流體流變參數(shù)的測(cè)量與計(jì)算（1）由測(cè)得的600轉(zhuǎn)/分和300轉(zhuǎn)/分的刻度盤讀數(shù)，可求得塑性粘度（mp）和動(dòng)切力（t0

）：mp=q600-q300；

t0=0.511(q300-mp)

（2）推導(dǎo)過程：塑性粘度是塑性流體流變曲線中直線段的斜率，600轉(zhuǎn)/分和300轉(zhuǎn)/分所對(duì)應(yīng)的剪切應(yīng)力應(yīng)該在直線段上。mp=(t600-t300)/(g600-g300)=[0.511(q600-q300)/(1022-511)](1000)=q600-q300；依據(jù)賓漢模式t0=t-mpg，得t0=t600-mpg600=0.511q600-[0.511(q600-q300)/(1022-511)](1022)=0.511(2q300-q600)=0.511(q300-mp)

二、鉆井液流變參數(shù)的測(cè)量與調(diào)控流變參數(shù)的測(cè)量與計(jì)算（3）賓漢塑性流體的靜切力測(cè)定方法：將經(jīng)充分?jǐn)嚢璧你@井液靜置10秒鐘，在3轉(zhuǎn)/分的剪率下讀取刻度盤的最大偏轉(zhuǎn)值；再重新攪拌鉆井液，靜置10分鐘后重復(fù)上述步驟并讀取最大偏轉(zhuǎn)值。計(jì)算：初切（t初）=0.511q3（10秒）終切（t終）=0.511q3（10分鐘）單位：Pa4.假塑性流體流變參數(shù)的測(cè)量與計(jì)算（1）由測(cè)得的600轉(zhuǎn)/分和300轉(zhuǎn)/分的刻度盤讀數(shù)，可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）：n=3.322lg(q600/q300)；

K=(0.511q300)/511n

式中，n為無因次量；K的單位為Pasn。二、鉆井液流變參數(shù)的測(cè)量與調(diào)控流變參數(shù)的測(cè)量與計(jì)算（2）推導(dǎo)過程：將冪律模式等號(hào)兩邊同時(shí)取對(duì)數(shù)，得到lgt=lgK+nlgg；

以lgt為縱坐標(biāo)，lgg為橫坐標(biāo)作圖可得一條直線。該直線在縱坐標(biāo)軸上的截距為lgK，斜率為n。在直線上任取兩點(diǎn)（lgt1，lgg1；lgt2，lgg2），代入上式得到聯(lián)立方程lgt1

=lgK+nlgg1lgt2

=lgK+nlgg2

解此聯(lián)立方程可得

n=(lgt2

-lgt1)/(lgg2-lgg1)=lg(q2/q1)/lg(g2/g1) 若將600轉(zhuǎn)/分和300轉(zhuǎn)/分的有關(guān)數(shù)據(jù)代入，可得：n=(lgt2

-lgt1)/(lgg2-lgg1)=lg(q600/q300)/lg(1022

/

511)=3.322lg(q600/q300)二、鉆井液流變參數(shù)的測(cè)量與調(diào)控流變參數(shù)的測(cè)量與計(jì)算因?yàn)镵=t/g

n，若取N=300轉(zhuǎn)/分，所以g

=1.703×300=511（s–1）；又因?yàn)閠=0.511q300，如果K的單位使用Pasn，所以

K=t/g

n=(0.511q300)/511n

注意：使用q600和q300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)，可稱為中等剪切速率條件下的n、K值。泥漿工程師更關(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)。

利用200和100r/min讀數(shù)：n=3.322lg(q200/q100)；K=(0.511q100)/170n利用6和3r/min讀數(shù)：n=3.322lg(q6/q3)；K=(0.511q3)/5.11n

二、鉆井液流變參數(shù)的測(cè)量與調(diào)控卡森流變模式1.卡森方程及其參數(shù)的物理意義（1）卡森方程：賓漢和冪律模式不能較好地描述鉆井液在高剪切速率下的流變性能。為此，一些研究者提出卡森模式。t1/2=tc1/2+h1/2

g

1/2

式中，tc—卡森動(dòng)切力（或稱卡森屈服值），Pa；

h

—極限高剪粘度，mPas；

t—剪切應(yīng)力，Pa；

g—剪切速率，s-1。將式中每一項(xiàng)分別除以g

1/2，可得1/2=h1/2+tc1/2

g-1/2

式中，h為某一剪切速率下的有效粘度，單位為mPas。

二、鉆井液流變參數(shù)的測(cè)量與調(diào)控卡森流變模式1.卡森方程及其參數(shù)的物理意義如果用平方根坐標(biāo)系作圖，卡森流變曲線是一條直線。其斜率tga分別為h1/2和tc1/2，截距分別為tc1/2和h1/2，如圖所示。二、鉆井液流變參數(shù)的測(cè)量與調(diào)控卡森流變模式（2）卡森動(dòng)切力tc

①物理意義：表示鉆井液內(nèi)可供拆散的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。從流變曲線可看出，tc是流體開始流動(dòng)時(shí)的極限動(dòng)切力，其值大小可反映鉆井液攜帶與懸浮鉆屑的能力。②影響因素：凡是能夠影響膠體體系電化學(xué)性質(zhì)的物質(zhì)（如降粘劑、電解質(zhì)、絮凝劑等）、體系中的固相含量以及外界條件（如溫度、壓力）等都可能影響tc值。高固相含量鉆井液的tc值一般較高，加入降粘劑和清水可以降低tc，加入適量電解質(zhì)和絮凝劑均可以提高tc值。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，tc一般低于賓漢動(dòng)切力t0，而與初始靜切力較為接近。（3）極限高剪粘度h

①物理意義：表示鉆井液體系中內(nèi)摩擦作用的強(qiáng)度，近似表示鉆井液在鉆頭噴嘴處紊流狀態(tài)下的流動(dòng)阻力，因此稱為水眼粘度。h

在數(shù)值上等于剪切速率為無窮大時(shí)的有效粘度（流動(dòng)阻力）。二、鉆井液流變參數(shù)的測(cè)量與調(diào)控卡森流變模式②影響因素：固相類型及含量、分散度和液相粘度等。從h

的物理意義來看，它類似于賓漢模式中塑性粘度。但在數(shù)值上它往往比塑性粘度小得多，這主要是由于在高剪切速率范圍內(nèi)，賓漢模式會(huì)出現(xiàn)較大的偏差。試驗(yàn)表明，降低h

有利于降低高剪切速率下的壓力降，提高鉆頭水馬力，也有利于從鉆頭切削面上及時(shí)地排除巖屑，從而提高機(jī)械鉆速。具有良好剪切稀化性能的低固相聚合物鉆井液的h

值一般較低，大約為2~6mPas；而密度較高的分散鉆井液，其h

值常超過15mPas。（3）剪切稀化指數(shù)Im

Im=[1+(100tc/h)1/2]2

該值為無因次量，用于表示鉆井液剪切稀釋性的相對(duì)強(qiáng)弱。實(shí)際上它是轉(zhuǎn)速為1轉(zhuǎn)/分時(shí)的有效粘度h1與h

的比值。Im越大，則剪切稀化性越強(qiáng)。分散鉆井液的Im一般小于200，而不分散聚合物鉆井液和適度絮凝的抑制性鉆井液的Im值常在300~600之間，高者可達(dá)800以上。但I(xiàn)m值過大會(huì)使泵壓升高，造成開泵困難。二、鉆井液流變參數(shù)的測(cè)量與調(diào)控卡森流變模式2.卡森流變參數(shù)的測(cè)量與計(jì)算選用600轉(zhuǎn)/分和100轉(zhuǎn)/分tc1/2=0.493[(6q100)1/2–q6001/2] ；h1/2=1.195(q6001/2–q1001/2) 式中，tc的單位為Pa，h

的單位為mPas。例3-3密度為1.22g/cm3的某種分散鉆井液，用Fann35A型旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)得其q600=76，q100=25.5，試計(jì)算該鉆井液的卡森模式參數(shù)tc和h

。解：將已知條件代入式（3-30）和（3-31），可分別求得：tc1/2=0.493[(6q100)1/2–q6001/2]=0.493×[(6×25.5)1/2–761/2]=1.800(Pa)1/2因此，tc

=3.24(Pa)；h1/2=1.195(q6001/2–q1001/2)=1.195(761/2–25.51/2)=4.383(mPas)1/2；因此，h

=19.21(mPas)在使用低固相聚合物鉆井液時(shí)，為了滿足快速、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tc

=0.6～3.0Pa；h

=2.0～6.0mPas；h環(huán)（即環(huán)空有效粘度）=20～30mPas；Im=300～600。二、鉆井液流變參數(shù)的測(cè)量與調(diào)控赫-巴三參數(shù)流變模式1.引入該模式的主要原因赫謝爾-巴爾克萊（Herschel-Bulkely）三參數(shù)流變模式簡(jiǎn)稱赫-巴模式，又稱為帶有動(dòng)切力（或屈服值）的冪律模式，或經(jīng)修正的冪律模式。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：=ty

+Kgn

式中，ty表示該模式的動(dòng)切力，n和K的意義與冪律模式相同。由于在冪律模式基礎(chǔ)上增加了ty，因而是一個(gè)三參數(shù)流變模式。①實(shí)際鉆井液的流變曲線一般都不通過原點(diǎn)，即或多或少都存在著一個(gè)極限動(dòng)切力。只有當(dāng)外力達(dá)到或超過這一極限動(dòng)切力之后，流體才開始流動(dòng)。②賓漢動(dòng)切力t0

是一外推值，它一般會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于實(shí)際鉆井液的極限動(dòng)切力，而冪律模式流變曲線通過原點(diǎn)，極限動(dòng)切力為零，因此這兩種傳統(tǒng)模式均不能反映實(shí)際鉆井液的這一特性。二、鉆井液流變參數(shù)的測(cè)量與調(diào)控赫-巴三參數(shù)流變模式③有相當(dāng)多的鉆井液，特別是聚合物鉆井液都具有一定的假塑性，在較低剪切速率范圍內(nèi)，其實(shí)際流變曲線與賓漢模式流變曲線的偏差較大，而與冪律模式流變曲線較為接近。因此，采用赫-巴模式應(yīng)該是一種比較理想的選擇。由于該模式比傳統(tǒng)模式多了一個(gè)參數(shù)，不如傳統(tǒng)模式應(yīng)用方便，特別是由此而導(dǎo)出的水力學(xué)計(jì)算式相當(dāng)繁瑣，因此限制了它在現(xiàn)場(chǎng)的廣泛應(yīng)用。目前，該模式僅在對(duì)流變參數(shù)測(cè)量精度要求較高時(shí)或室內(nèi)研究中使用。τγτ0τy0τs冪律模式賓漢模式實(shí)際鉆井液二、鉆井液流變參數(shù)的測(cè)量與調(diào)控赫-巴三參數(shù)流變模式2.鉆井液的實(shí)際動(dòng)切力ty①物理意義：表示使流體開始流動(dòng)所需的最低剪切應(yīng)力。它并不是一個(gè)外推值，因此與賓漢動(dòng)切力t0的意義完全不同。②影響因素：ty值的大小主要與聚合物處理劑的類型和濃度有關(guān)，此外固相含量對(duì)它也有一定影響。③測(cè)量：由旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)3轉(zhuǎn)/分時(shí)測(cè)得的刻度盤讀數(shù)q3，可以確定ty值。3.赫巴流變參數(shù)的計(jì)算ty=0.511q3 n=3.322lg[(q600-q3)/(q300-q3)]K=0.511(q300-q3)/511n式中，ty

的單位為Pa，n為無因次量，K的單位為Pasn。三、鉆井液流變性與鉆井作業(yè)的關(guān)系鉆井液流變性與井眼凈化的關(guān)系巖屑的清除分為兩個(gè)過程，一是巖屑被沖離井底，二是巖屑從環(huán)形空間被攜至地面。鉆井液的首要功用就是沖洗井底、懸浮和攜帶巖屑。巖屑被沖離井底的問題涉及到鉆頭選型和井底流場(chǎng)的研究，屬于鉆井工程的范疇，這里只討論鉆井液攜帶巖屑的問題。1.層流攜帶巖屑的原理在環(huán)形空間里，鉆井液攜帶巖屑顆粒向上運(yùn)動(dòng)的速度取決于流體的上返速度與顆粒自身滑落速度二者之差，即vp=vf–vsvp/vf=1-(vs/vf)，vp/vf稱作攜帶比，表示井筒的凈化效率。提高攜帶比，可以通過提高vf和降低vs兩種途徑。提高vf受鉆井成本和效益的限制。因此，如何盡量降低vs對(duì)攜巖至關(guān)重要。研究表明，巖屑的滑落速度除與巖屑尺寸、巖屑密度、鉆井液密度和流態(tài)等因素有關(guān)外，還與鉆井液的有效粘度成反比。三、鉆井液流變性與鉆井作業(yè)的關(guān)系鉆井液流變性與井眼凈化的關(guān)系1.層流攜帶巖屑的原理層流時(shí)鉆井液的流速剖面為一拋物線，中心線處流速最大，兩側(cè)流速逐漸降低，而靠近井壁或鉆桿壁處的速度為零。這樣，片狀巖屑在上升過程中各點(diǎn)受力是不均勻的。中心處流速高、作用力大；靠近兩側(cè)流速低、作用力小。F4﹥F2、F3﹥F1，致使有一個(gè)力矩作用在巖屑上，使巖屑翻轉(zhuǎn)側(cè)立，向環(huán)空兩側(cè)運(yùn)移。此時(shí)，有的巖屑貼在井壁上形成厚的“假泥餅”，有的向下滑移。三、鉆井液流變性與鉆井作業(yè)的關(guān)系鉆井液流變性與井眼凈化的關(guān)系1.層流攜帶巖屑的原理巖屑下滑至一定距離后又會(huì)進(jìn)入流速較高的中心部位而向上運(yùn)移。如此周而復(fù)始，巖屑經(jīng)過曲折的路徑才被帶出井口。巖屑的這種轉(zhuǎn)動(dòng)現(xiàn)象不僅延長(zhǎng)了巖屑從井底返至地面的時(shí)間，而且容易使一些巖屑返不出地面，造成起鉆遇卡、下鉆遇阻、下鉆下不到井底等復(fù)雜情況。鉆柱轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)層流攜帶巖屑有利，鉆柱轉(zhuǎn)動(dòng)改變了層流時(shí)液流的速度分布狀況，使靠近鉆柱表面的液流速度加大，巖屑以螺旋形上升，巖屑的轉(zhuǎn)動(dòng)現(xiàn)象僅出現(xiàn)在靠近井壁的那一側(cè)。三、鉆井液流變性與鉆井作業(yè)的關(guān)系鉆井液流變性與井眼凈化的關(guān)系2.紊流攜帶巖屑的原理紊流時(shí)，巖屑不存在轉(zhuǎn)動(dòng)和滑落現(xiàn)象，幾乎全部都能攜帶到地面上來，環(huán)形空間里的巖屑比較少。紊流攜巖缺點(diǎn)：①巖屑在紊流時(shí)的滑落速度比在層流時(shí)大，這就要求鉆井液的上返速度高，泵的排量大。但這要受到泵壓和泵功率的限制，特別是當(dāng)井眼尺寸較大、井較深以及鉆井液粘度、切力較高時(shí)，更加難以實(shí)現(xiàn)。②由于沿程壓降與流速的平方成正比，功率損失與流速的立方成正比，所以用紊流攜巖還會(huì)使鉆頭的水馬力降低，不利于噴射鉆井。③紊流時(shí)的高流速對(duì)井壁沖蝕嚴(yán)重，不能很好地形成泥餅，容易引起易塌地層井壁垮塌。三、鉆井液流變性與鉆井作業(yè)的關(guān)系鉆井液流變性與井眼凈化的關(guān)系3.平板形層流攜巖原理（1）流態(tài)特點(diǎn)：液流周圍呈層流流動(dòng)狀態(tài)，中部是一個(gè)速度剖面較為平齊的等速核，即流核。塑性流體層流時(shí)流核直徑為在一定尺寸的環(huán)形空間里，流核直徑的大小與動(dòng)塑比t0/mp及上返速度v有關(guān)。其中t0/mp的影響程度更大，該比值越高，則平板化程度越大。三、鉆井液流變性與鉆井作業(yè)的關(guān)系鉆井液流變性與井眼凈化的關(guān)系3.平板形層流攜巖原理通過調(diào)節(jié)鉆井液的流變性能，增大t0/mp，減小n值可使環(huán)空液流逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槠桨逍蛯恿鳌Ｆ桨逍蛯恿鞯奶攸c(diǎn)：①可實(shí)現(xiàn)用環(huán)空返速較低的鉆井液有效地?cái)y帶巖屑。即便是使用低固相鉆井液，將環(huán)空返速保持在0.5～0.6m/s就可滿足攜巖的要求。②解決了低粘度鉆井液能有效攜巖的問題，為普遍推廣使用低固相不分散聚合物鉆井液提供了流變學(xué)上的依據(jù)。③避免了鉆井液處于紊流狀態(tài)時(shí)對(duì)井壁的沖蝕，有利于保持井壁穩(wěn)定。三、鉆井液流變性與鉆井作業(yè)的關(guān)系鉆井液流變性與井眼凈化的關(guān)系3.平板形層流攜巖原理通過調(diào)節(jié)鉆井液的流變性能，增大t0/mp，減小n值可使環(huán)空液流逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槠桨逍蛯恿?。平板型層流的特點(diǎn)：①可實(shí)現(xiàn)用環(huán)空返速較低的鉆井液有效地?cái)y帶巖屑。即便是使用低固相鉆井液，將環(huán)空返速保持在0.5～0.6m/s就可滿足攜巖的要求。②解決了低粘度鉆井液能有效攜巖的問題，為普遍推廣使用低固相不分散聚合物鉆井液提供了流變學(xué)上的依據(jù)。③避免了鉆井液處于紊流狀態(tài)時(shí)對(duì)井壁的沖蝕，有利于保持井壁穩(wěn)定。三、鉆井液流變性與鉆井作業(yè)的關(guān)系鉆井液流變性與井眼凈化的關(guān)系3.平板形層流攜巖原理使鉆井液的t0/mp

達(dá)到0.36～0.48Pa/mPas，n值為0.4～0.7的要求，常采取以下措施和方法：①選用XC生物聚合物、HEC、PHP和FA-367等具有較高分子量的聚合物作為主處理劑，并保持其足夠的濃度。它們?cè)隗w系中所形成的結(jié)構(gòu)使t0值增大，盡管鉆井液的液相粘度也會(huì)相應(yīng)有所增加（即mp值同時(shí)有所增大），但由于t0值的增幅往往要大得多，故有利于動(dòng)塑比的提高。②通過有效地使用固控設(shè)備，除去鉆井液固相顆粒中密度較高、顆粒尺寸較大的部分，保留密度較低、尺寸較小的膨潤(rùn)土顆粒，以達(dá)到降低mp、提高t0/mp值的目的。③在保證鉆井液性能穩(wěn)定的情況下，通過適量地加入石灰、石膏、氯化鈣和食鹽等電解質(zhì)，以增強(qiáng)體系中固體顆粒形成網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的能力，因?yàn)榉彩怯欣诳臻g網(wǎng)架結(jié)構(gòu)增強(qiáng)的物質(zhì)都能使動(dòng)切力t0值增大。

三、鉆井液流變性與鉆井作業(yè)的關(guān)系鉆井液流變性與井眼凈化的關(guān)系3.平板形層流攜巖原理提高動(dòng)塑比的目的主要是為了解決巖屑轉(zhuǎn)動(dòng)問題，同時(shí)可增強(qiáng)鉆井液的剪切稀化性能。但如果遇到井下情況比較復(fù)雜或出現(xiàn)井塌時(shí)，還是需要適當(dāng)提高鉆井液的有效粘度并加大排量，因?yàn)橹挥羞@樣才能有效地降低巖屑滑落速度vs，提高鉆井液環(huán)空返速vf，從而提高巖屑的凈上升速度vp。通過控制t0/mp使環(huán)空液流處于平板型層流的方法只適用于層流狀態(tài)，這是因?yàn)閠0和mp都是反映鉆井液在層流流動(dòng)時(shí)的流變參數(shù)。如果通過計(jì)算，得知環(huán)空液流處于紊流狀態(tài)，則首先應(yīng)考慮通過降低環(huán)空返速或同時(shí)提高粘度、切力，使鉆井液從紊流狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閷恿鳡顟B(tài)，然后再考慮如何通過控制t0/mp使其成為平板型層流。三、鉆井液流變性與鉆井作業(yè)的關(guān)系鉆井液流變性與井壁穩(wěn)定的關(guān)系1.流態(tài)與井壁穩(wěn)定層流：液體質(zhì)點(diǎn)呈層流動(dòng)，流速剖面呈尖峰拋物線狀，對(duì)井壁的沖蝕作用小。紊流：液流質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向是紊亂的和無規(guī)則的，而且流速高，具有較大的動(dòng)能，對(duì)井壁有較強(qiáng)的沖蝕作用，容易引起一些易塌地層垮塌，不利于井壁穩(wěn)定。2.環(huán)空的臨界返速的計(jì)算（1）流態(tài)判別：對(duì)于非牛頓流體當(dāng)綜合雷諾數(shù)Re2000時(shí)為紊流，Re<2000時(shí)為層流。（2）臨界返速：按Re=2000，即可推導(dǎo)出計(jì)算臨界流速的公式三、鉆井液流變性與鉆井作業(yè)的關(guān)系鉆井液流變性與井壁穩(wěn)定的關(guān)系式中,vC—臨界返速，cm/s；mp—塑性粘度，Pas；

t0—?jiǎng)忧辛?，Pa；r—鉆井液密度，g/cm3；D—井徑，cm；d—鉆桿或鉆鋌外徑，cm。若實(shí)際環(huán)空返速大于臨界返速為紊流，反之則為層流。臨界速度在很大程度上受鉆井液的密度、塑性粘度和動(dòng)切力的影響。D/cmd/cm/g.cm3mp/mPas0/PavC/m.s-121.5912.71.2023601.3621.5912.71.099.4260.8821.5912.71.066200.76三、鉆井液流變性與鉆井作業(yè)的關(guān)系鉆井液流變性與與懸浮巖屑、加重劑的關(guān)系鉆進(jìn)過程中，在接單根或設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，鉆井液會(huì)多次停止循環(huán)。此時(shí)，要求鉆井液體系內(nèi)能迅速形成空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，將巖屑和加重劑懸浮起來，或以很慢的速度下沉；而開泵時(shí)，泵壓又不能上升太高，以防憋漏地層。提供懸浮能力的決定因素是鉆井液的靜切力和觸變性。假設(shè)巖屑和加重劑顆粒為球形，根據(jù)它們的重力與鉆井液對(duì)它們的浮力和豎向切力相平衡的關(guān)系，可以得到(1/6)p

d3

r巖

g=(1/6)p

d3

rg+p

d2s式中，d—巖屑或加重劑顆粒的直徑，m；

r巖—巖屑或加重劑的密度，kg/m3；

r—鉆井液密度，kg/m3；g—重力加速度，取g=10m/s;

s

—鉆井液的靜切力，Pa。需要的靜切力為s

=[d(r巖–r)g]/6三、鉆井液流變性與鉆井作業(yè)的關(guān)系鉆井液流變性與與懸浮巖屑、加重劑的關(guān)系例：設(shè)鉆井液的密度為1.20g/cm3，重晶石的密度為4.2g/cm3，重晶石顆粒最大直徑為0.1mm。為了能懸浮重晶石顆粒，該鉆井液至少應(yīng)具有多大的切力值？解：經(jīng)單位換算，鉆井液密度r=1.20×103kg/m3，重晶石密度r巖=4.2×103kg/m3，顆粒直徑為d=1.0×10–4m。根據(jù)上式，可求得s=[d(r巖–r)g]/6=[(1.0×10–4)(4.2×103–1.20×103)(10)]/6=0.5(Pa)如果重晶石顆粒直徑為0.2mm，那么鉆井液至少應(yīng)具備1Pa的切力，即切力增大一倍。由此可見，配制的加重鉆井液必須具備一定的切力，重晶石的粒度也不應(yīng)過大。除切力外，鉆井液還應(yīng)具有良好的觸變性。當(dāng)循環(huán)停止時(shí)，鉆井液應(yīng)很快達(dá)到一定的切力值，才會(huì)對(duì)懸浮巖屑和重晶石有利。三、鉆井液流變性與鉆井作業(yè)的關(guān)系鉆井液流變性與井內(nèi)液柱壓力激動(dòng)的關(guān)系

井內(nèi)液柱壓力激動(dòng)：指在起下鉆和鉆進(jìn)過程中，由于鉆柱上下運(yùn)動(dòng)、泥漿泵開動(dòng)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(gè)附加壓力（正值或負(fù)值）的現(xiàn)象。1.起下鉆時(shí)的壓力激動(dòng)

由于鉆柱具有一定的體積，當(dāng)鉆柱入井時(shí)，井內(nèi)鉆井液要向上流動(dòng)；起出鉆柱時(shí)，井內(nèi)鉆井液便向下流動(dòng)以填補(bǔ)鉆柱在井內(nèi)所占的空間。鉆井液向上或向下流動(dòng)，都要給予一定的壓力以克服其沿程的阻力損失。這個(gè)壓力是由于起下鉆所引起的，它作用于井內(nèi)鉆井液，使它能夠流動(dòng)；與此同時(shí)也通過井內(nèi)液柱作用于井壁和井底，這種突然給予井內(nèi)的附加壓力就是起下鉆引起的壓力激動(dòng)。下鉆時(shí)壓力激動(dòng)為正值，起鉆時(shí)則為負(fù)值。起下鉆壓力激動(dòng)值的大小主要取決于起下鉆速度、井深、井眼尺寸、鉆頭噴嘴尺寸和鉆井液的流變參數(shù)（主要是粘度、切力和觸變性）。壓力激動(dòng)值在1500m時(shí)可能達(dá)到2～3MPa；在5000m時(shí)，壓力激動(dòng)值可能達(dá)到7～8MPa，因而對(duì)此是不能忽視的。三、鉆井液流變性與鉆井作業(yè)的關(guān)系鉆井液流變性與井內(nèi)液柱壓力激動(dòng)的關(guān)系2.開泵時(shí)的壓力激動(dòng)鉆井液具有觸變性，停止循環(huán)后，井內(nèi)鉆井液處于靜止?fàn)顟B(tài)，其中粘土顆粒所形成的空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度增大，切力升高，開泵泵壓將超過正常循環(huán)時(shí)所需要的壓力，造成壓力激動(dòng)。開泵時(shí)使用的排量越大，所造成壓力激動(dòng)的值會(huì)越高。當(dāng)鉆井液開始流動(dòng)后，結(jié)構(gòu)逐漸被破壞，泵壓逐漸下降。隨著排量的增大，結(jié)構(gòu)破壞與恢復(fù)達(dá)到平衡，這時(shí)泵壓便處于比較穩(wěn)定的工作泵壓值。例如，某井某次開泵泵壓為5MPa，鉆井液流動(dòng)一段時(shí)間后，泵壓降為4.4MPa，最后降到泥漿泵正常工作時(shí)的2.8MPa。圖中Ps和P0分別為克服鉆井液靜切力和動(dòng)切力所需要的壓力；P1和P2分別為鉆井液靜止t1、t2之后，開泵時(shí)克服鉆井液切力所需的壓力。由于鉆井液具有觸變性，切力值隨靜止時(shí)間的延長(zhǎng)而增大，因此P2

P1

Ps。若以壓力P1開泵，壓力將沿虛線升至M1點(diǎn)與流變曲線相交；若以P2開泵，則壓力沿虛線到達(dá)M2點(diǎn)與流變曲線相交。只有循環(huán)一段時(shí)間之后，壓力才恢復(fù)到對(duì)應(yīng)于一定排量的穩(wěn)定工作壓力。這就是開泵時(shí)的壓力激動(dòng)。三、鉆井液流變性與鉆井作業(yè)的關(guān)系鉆井液流變性與井內(nèi)液柱壓力激動(dòng)的關(guān)系3.壓力激動(dòng)的危害它破壞了井內(nèi)液柱壓力與地層壓力之間的平衡，破壞了井壁與井內(nèi)液柱之間的相對(duì)穩(wěn)定，容易引起井漏、井噴或井塌。4.影響因素當(dāng)其它條件（如起下鉆速度、井深、井眼尺寸鉆頭噴嘴尺寸）相同時(shí)，鉆井液粘度、切力越大，壓力激動(dòng)越嚴(yán)重。有時(shí)因井底沉砂也會(huì)使壓力激動(dòng)加劇。5.防止措施

（1）鉆遇高壓地層、容易漏失地層或容易坍塌地層時(shí)，一定要控制好鉆井液的流變性；（2）在起下鉆和開泵的操作上不宜過猛，開泵之前最好先活動(dòng)鉆具，以防止因壓力激動(dòng)而引起的各種井下復(fù)雜情況。三、鉆井液流變性與鉆井作業(yè)的關(guān)系鉆井液流變性與提高鉆速的關(guān)系鉆井液剪切稀化性能越好，鉆頭噴嘴處的紊流流動(dòng)阻力越小，液流對(duì)井底沖擊力越強(qiáng)，越容易滲入鉆頭沖擊井底巖層時(shí)所形成的微裂縫中，有利于減小巖屑的壓持效應(yīng)和井底巖石的可鉆強(qiáng)度，從而有利于提高鉆速。井號(hào)井深/m泵壓/MPar漿/g.cm-3h

/mPas機(jī)械鉆速/m.h-1岔48-76280014.71.2215.814.87岔30-25290014.71.229.716.14岔48-73270014.71.188.717.15岔15-2270014.71.187.417.73卡森極限粘度對(duì)機(jī)械鉆速的影響（4口油井的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研結(jié)果）四、鉆井液降粘劑降粘劑又稱解絮凝劑（Deflocculants）和稀釋劑（Thinners）。

鉆進(jìn)中常見問題是鉆井液稠化（即粘切↑）問題，主要講降粘劑（增粘劑從略）。

1.稠化原因：（粘度和切力↑的現(xiàn)象）根本原因是流動(dòng)機(jī)械性內(nèi)摩擦力↑和/或網(wǎng)架結(jié)構(gòu)加強(qiáng)。

總固相含↑活性固相（粘土）↑（粘土侵）分散度↑高分子—粘土網(wǎng)架結(jié)構(gòu)↑高分子濃度↑電解質(zhì)污染—絮凝結(jié)構(gòu)↑

降粘切方法：除固或加水拆網(wǎng)架（常用降粘劑）2.降粘劑作用機(jī)理（拆散網(wǎng)架）

（1）降粘劑分類網(wǎng)架分類：粘土粒間網(wǎng)架（分散鉆井液內(nèi)）高分子/粘土綜合網(wǎng)架（聚合物鉆井液中）實(shí)踐表明，降粘劑概括分為兩類，不同類別的降粘劑適用的鉆井液類型不同。

①分散型鉆井液