鉆井液流變性

關(guān)于鉆井液流變性1112第一節(jié)鉆井液的流動(dòng)類型和基本概念1.流動(dòng)類型塞流

PlugFlow層流

LaminarFlow紊流

TurbulentFlow第2頁,共59頁，2024年2月25日，星期天13塞流層流紊流穩(wěn)定流動(dòng)類型的變化塞流：流體象塞子一樣流動(dòng)，流速為常數(shù)。層流：流體分層運(yùn)動(dòng)。任意流層與相鄰流層方向相同，流速不同。紊流：流體內(nèi)形成無數(shù)小旋渦。任一定點(diǎn)的流速，其大小、方向都在進(jìn)行著不規(guī)則的、連續(xù)的變化。第3頁,共59頁，2024年2月25日，星期天142.基本概念

剪切速率

ShearRate統(tǒng)一名稱：速梯、剪率、切變率。常用符號(hào)：γ、D、dv/dx、dv/dr定義：γ=dv/dr=垂直于流動(dòng)方向上單位距離內(nèi)的流速增量。意義：dv/dr增大，液流各層間的速度變化大；反之則小。單位：γ=速度/距離=cm/s/cm=1/s=s-1鉆井液循環(huán)系統(tǒng)中各部位剪切速率范圍為:

沉砂罐處：10~20s-1

環(huán)形空間：50~250s-1

鉆桿內(nèi)部：100~1000s-1

鉆頭水眼：1000~7000s-1第4頁,共59頁，2024年2月25日，星期天15

剪切應(yīng)力

ShearStress統(tǒng)一名稱：剪應(yīng)力、切應(yīng)力。常用符號(hào)：τ定義：τ=F/A=液層單位面積上的剪切力。意義：τ越大，液流各層所受的作用力越大；反之，越小。單位：τ=F/A=dyn/cm2；Pa。

1Pa=10dyn/cm2第5頁,共59頁，2024年2月25日，星期天16

流變曲線

ConsistencyCurve定義：速梯與切應(yīng)力關(guān)系曲線。表示方法：三種表示法。000ττγγγ；Q；V；nτ；

P；P；流變曲線表示法第6頁,共59頁，2024年2月25日，星期天17

粘度

Viscosity統(tǒng)一名稱：有效粘度、視粘度。常用符號(hào)：η定義：η=τ/γ=單位剪切速率的剪切應(yīng)力。單位：η=τ/γ=dyn/cm2/s-1=dyn.s/cm2=泊

1泊=100mPa.s=100cp=1dyn.s/cm2第7頁,共59頁，2024年2月25日，星期天18

漏斗粘度

FunnelViscosity定義：定體積泄流時(shí)間。單位：秒；s。類型：

馬氏漏斗粘度

MarshFunnelViscosity定義：1500ml流出946ml的時(shí)間。標(biāo)準(zhǔn)：清水測量值：26±0.5s

中國漏斗粘度定義：700ml流出500ml的時(shí)間。標(biāo)準(zhǔn)：清水測量值：15±0.5s漏斗粘度計(jì)示意圖第8頁,共59頁，2024年2月25日，星期天19第二節(jié)基本流型及其分析一、流體分類根據(jù)“τ-γ”關(guān)系，將流體分為：鉆井液大多屬塑性或假塑性流型第9頁,共59頁，2024年2月25日，星期天110二、流體分析基本假設(shè)：

連續(xù)介質(zhì)

均質(zhì)性

不可壓縮性

層流第10頁,共59頁，2024年2月25日，星期天1111、牛頓內(nèi)摩擦定律與牛頓流體

牛頓內(nèi)摩擦定律τ=F/A=η(dv/dr)η—表征流體粘性的比例系數(shù)，簡稱牛頓粘度。

F—內(nèi)摩擦力。牛頓流體流變性符合牛頓內(nèi)摩擦定律的流體。類型舉例：水、甘油、單相液體等。流變曲線：通過原點(diǎn)的直線。

特點(diǎn)：η=τ/γ=C（常數(shù)）

第11頁,共59頁，2024年2月25日，星期天1122.非牛頓流體

塑性流體

PlasticFluids數(shù)學(xué)模型：τ-τ0=ηpγ流變曲線：有截距的直線。流變參數(shù)：

τ0——?jiǎng)忧袘?yīng)力YieldStress統(tǒng)一名稱：屈服值、屈服點(diǎn)。定義：流體開始呈現(xiàn)層流流動(dòng)時(shí)所需要的剪切應(yīng)力。常用符號(hào)：τ0；YP單位：dyn/cm2、Pa幾何意義：直線截距的切應(yīng)力值。

γττ0τs0真實(shí)泥漿塑性體流型圖第12頁,共59頁，2024年2月25日，星期天113ηp——塑性粘度PlasticViscosity定義：產(chǎn)生單位剪切速率所需要的剪切應(yīng)力。常用的其它符號(hào)：ηs、PV單位：公制：dyn.s/cm2、泊、厘泊。國際：Pa.s、mPa.s模式討論

τ-τ0=ηpγ或者η=ηp+τ0/γγ0，τ

τ0能夠反映多數(shù)鉆井液具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)情況。γ，η

能夠反映多數(shù)鉆井液的剪切稀釋性。γ，η

ηp

能夠反映出鉆井液的極限粘度。

低剪切速率下：τ實(shí)>τ賓表明模型擬合實(shí)際曲線有較大偏差.第13頁,共59頁，2024年2月25日，星期天114真實(shí)泥漿與不同流型的比較

r0真實(shí)泥漿與不同流型的比較第14頁,共59頁，2024年2月25日，星期天115

假塑性流體

PseudoplasticFluids

流變模式：τ=Kγn

流變曲線：過原點(diǎn)凸向切應(yīng)力軸的曲線。

為什么過原點(diǎn)？曲線無直線段？原因：隨γ增大，體系中形狀不規(guī)則的粒子沿流動(dòng)方向轉(zhuǎn)向和變形，流動(dòng)阻力減小。第15頁,共59頁，2024年2月25日，星期天116流變參數(shù)：

K——稠度系數(shù)意義：反映流體的粘滯性。越大，流體越難流動(dòng)。單位：dyn.sn/cm2n——流型指數(shù)意義：偏離牛頓流體的程度。模式討論

τ=Kγn或者η=Kγn-1γ0，τ

0不符合大多數(shù)鉆井液具有屈服應(yīng)力的特點(diǎn)。γ

，η

能夠反映鉆井液的剪切稀釋性。γ

，η

0無極限粘度，不符合鉆井液情況。

τ0r第16頁,共59頁，2024年2月25日，星期天117

卡森流體流變模型：τ1/2=τc1/2+η

1/2γ1/2流變曲線：

γ1/2-τ1/2

作圖，為一條直線。

γ-τ作圖，為直線與曲線之和。模式討論τ1/2=τc1/2+η

1/2γ1/2γ0，τ

τc能夠反映多數(shù)鉆井液具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)情況。γ

，η

能夠反映多數(shù)鉆井液的剪切稀釋性。γ

，η

η

能夠反映出鉆井液的極限粘度?？ㄉ黧w流變曲線ττc00τ1/2τc1/2r1/2r第17頁,共59頁，2024年2月25日，星期天118賓漢模式的局限性：適合在中剪切速率范圍描述鉆井液的流變性。

冪律模式的局限性：適合在低、中剪切速率范圍描述鉆井液的流變性.卡森模式：卡森(Casson)模式是1959年由卡森首先提出的，最初主要用于油漆、顏料和塑料等工業(yè)中。1979年，美國人勞增(Lauzon)和里德(Reid)首次將卡森模式用于鉆井液流變性的研究中。卡森模式不但在低剪切區(qū)和中剪切區(qū)有較好的精確度，還可以利用低、中剪切區(qū)的測定結(jié)果預(yù)測高剪切速率下的流變特性。第18頁,共59頁，2024年2月25日，星期天119三、剪切稀釋性定義鉆井液的有效粘度隨剪切速率增加而降低的現(xiàn)象。實(shí)質(zhì)：高剪切作用破壞了體系內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使總的粘滯性降低。表示法：動(dòng)塑比τo/ηp

意義：越大，鉆井液的剪切稀釋性越強(qiáng)。因?yàn)楸戎荡螅砻鹘Y(jié)構(gòu)多（τo大），固含低（ηp?。?，體系受剪切稀釋明顯。顯然：只要能形成結(jié)構(gòu)的鉆井液，均有剪切稀釋性。第19頁,共59頁，2024年2月25日，星期天120作用：(1)判斷攜屑能力：強(qiáng)者—好，有利低速帶砂。(2)估計(jì)鉆頭水眼處的粘度大?。簭?qiáng)者—小，有利水力噴射鉆井。即環(huán)形空間：γ低，ηa大，有利于攜帶鉆屑鉆頭水眼：γ大，ηa小，有利于水力破巖一般要求鉆井液的剪切稀釋能力強(qiáng)。0.36～0.48Pa/mPa·s太小，攜巖能力差；太強(qiáng)，引起泵壓顯著提高第20頁,共59頁，2024年2月25日，星期天塑性流體：假塑性流體：卡森流體：一般鉆井要求：第21頁,共59頁，2024年2月25日，星期天122四、觸變性定義：表示方法：觸變性=初切力-終切力

或者=初切力/終切力低密度鉆井液：觸變性=1分鐘靜切力/10分鐘靜切力τ1’/τ10’高密度鉆井液：觸變性=10秒鐘靜切力-10分鐘靜切力τ10’’/τ10’網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)弱----凝膠強(qiáng)度的大小----觸變性第22頁,共59頁，2024年2月25日，星期天低密度鉆井液終切和初切的測量：高速攪拌10min;初切測量：在600rpm下轉(zhuǎn)1min，靜止1min

或10s，測3rpm的切力。終切測量：在600rpm下轉(zhuǎn)1min，靜止10min，測3rpm的切力第23頁,共59頁，2024年2月25日，星期天124影響因素：①粒子濃度↗，結(jié)構(gòu)恢復(fù)快、強(qiáng)，觸變性強(qiáng)。②ζ電位↗，結(jié)構(gòu)恢復(fù)慢、弱，觸變性弱。③若是高聚物吸附土粒形成橋聯(lián)結(jié)構(gòu)，恢復(fù)快，但最終結(jié)構(gòu)強(qiáng)度弱。鉆井液對(duì)觸變性的要求：①結(jié)構(gòu)恢復(fù)要快（有利鉆屑懸浮，防止沉砂）②最終切力要適當(dāng)（防止開泵阻力大，壓力激動(dòng)）第24頁,共59頁，2024年2月25日，星期天125第25頁,共59頁，2024年2月25日，星期天126第三節(jié)鉆井液流變參數(shù)及實(shí)際調(diào)整1.靜切力τs定義：鉆井液靜止后形成的凝膠結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。鉆井液從靜止到開始塞流流動(dòng)所需要的最小剪切應(yīng)力。

第26頁,共59頁，2024年2月25日，星期天127影響因素：單個(gè)鏈環(huán)的強(qiáng)度顆粒間引力——電位、水化膜厚度h

ζ低，水化膜薄，吸力占優(yōu)勢，τs大。結(jié)構(gòu)鏈環(huán)數(shù)目/單位體積（結(jié)構(gòu)密度）顆粒濃度c、分散度含量大，分散度高，τs大。處理劑的種類和加量調(diào)整方法：升τs——提高c、分散度，降低、水化膜厚度h。降τs——與上相反。第27頁,共59頁，2024年2月25日，星期天128靜切力的實(shí)際應(yīng)用（1）懸浮巖屑和加重材料

懸浮巖屑（球形）所需靜切力為：

τs（dyn/cm2)=d(

巖-

漿）/6τs(mg/cm2)=1000d(

巖-

漿）/6經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)：初切力=2～6Pa時(shí)，可達(dá)到良好的懸浮能力。終切力=

2初切力，屬于良好型觸變體。終切力≥5初切力，屬于遞增型觸變體。此時(shí)，會(huì)造成泵壓過高，易壓漏地層。（2）影響井內(nèi)液柱壓力激動(dòng)τs第28頁,共59頁，2024年2月25日，星期天129設(shè)鉆井液密度為1.2,重晶石密度為4.2,重晶石粉的顆粒直徑為0.01mm～0.10mm,問懸浮重晶石粉顆粒該鉆井液至少應(yīng)具有多大的切力值？例題：τs=1000d(

巖-漿）/6

=1000d(

巖-漿）/6=1000×0.01×(4.2-1.2)/6=5(mg/cm2)第29頁,共59頁，2024年2月25日，星期天1302.動(dòng)切應(yīng)力τ0（YP）定義：鉆井液開始作層流流動(dòng)時(shí)，必須要的最小剪切應(yīng)力。實(shí)質(zhì)：層流流動(dòng)時(shí)，流體內(nèi)部結(jié)構(gòu)一部分被拆散，另一部分重新恢復(fù)。當(dāng)拆散與恢復(fù)速度相等時(shí)，保留的那部分內(nèi)部結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的剪切阻力。τ0與τs的區(qū)別：

τ0為塑性流體特有的性質(zhì)，反映鉆井液作層流流動(dòng)時(shí)，粘土顆粒之間及高聚物分子之間的相互作用力

τo是常量，不隨速度梯度變化，體系定它則定

τs為靜止條件下固體顆粒之間吸引力的量度影響因素（類似于靜切力）第30頁,共59頁，2024年2月25日，星期天131作用：τo的大小反映了鉆井液攜屑能力的大小。τo大，說明層流時(shí)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大，流核面積大，攜屑能力強(qiáng)，反之弱。測量方法：用旋轉(zhuǎn)粘度儀測600轉(zhuǎn)和300轉(zhuǎn)的數(shù)據(jù)，代入賓漢公式或相應(yīng)的直讀公式計(jì)算而得。τo=5.11（φ300-PV）第31頁,共59頁，2024年2月25日，星期天1323、粘度定義：η=τ/γ意義：鉆井液作層流流動(dòng)時(shí)，表觀粘度等于以下四部分內(nèi)摩擦力的微觀統(tǒng)計(jì)結(jié)果：固——固顆粒間內(nèi)摩擦阻力；固——液相分子間內(nèi)摩擦阻力；液——液分子間內(nèi)摩擦阻力；固相結(jié)構(gòu)——液相分子間內(nèi)摩擦阻力。是鉆井液在流動(dòng)過程中實(shí)際表現(xiàn)出來的總的粘滯性第32頁,共59頁，2024年2月25日，星期天133幾種流體（模式）表示的表觀粘度：賓漢體：η=ηp+τ0/γ

假塑性體：η=K(γ)n-1

卡森體η=[(η

)1/2+(τ0/γ）1/2]2作用：衡量鉆井液的宏觀流動(dòng)性。測量方法：用旋轉(zhuǎn)粘度儀?，F(xiàn)場習(xí)慣用600轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)的1/2值表示，AV=φ600/2。第33頁,共59頁，2024年2月25日，星期天134賓漢體的塑性粘度ηp定義：層流流動(dòng)時(shí)，流體內(nèi)部網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的破壞與恢復(fù)處于動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，以下三部分內(nèi)摩擦力的微觀統(tǒng)計(jì)結(jié)果：固-固顆粒間內(nèi)摩擦阻力；固-液相分子間內(nèi)摩擦阻力；液-液分子間內(nèi)摩擦阻力；特點(diǎn)：ηp不隨dv/dr變化而變化。第34頁,共59頁，2024年2月25日，星期天135影響因素：固相含量：固含

ηp

；分散度：分散度ηp

；液相粘度：液相粘度ηp

；它直接反映了鉆井液中固相含量的高低及分散程度。調(diào)整ηp

的方法：根據(jù)影響因素升、降ηp

。第35頁,共59頁，2024年2月25日，星期天136作用：衡量判斷鉆井液中固相含量的高低及分散程度。高則有害，低則有利。PV與YP是塑性型鉆井液的兩個(gè)重要流變參數(shù)，它們直接影響流阻、壓降、水力功率的大小及井眼凈化的程度。測量方法：用旋轉(zhuǎn)粘度儀測φ600、φ300讀值。

PV=φ600-φ300mPa·s第36頁,共59頁，2024年2月25日，星期天1374.假塑性體的n、kn=f(內(nèi)部結(jié)構(gòu)強(qiáng)弱）作用：判別攜屑能力：n小，流核大，帶砂好。n=0.4～0.7好。判斷剪切稀釋性：n越小，剪切稀釋能力越強(qiáng)。（結(jié)構(gòu)多）調(diào)整n值方法：降n——加入活性膨潤土、無機(jī)鹽、高分子聚合物等；提n——加入清水、稀釋劑等。第37頁,共59頁，2024年2月25日，星期天138稠度系數(shù)k：表示假塑性鉆井液的稀稠程度。

K與粘度有關(guān)實(shí)質(zhì)：假塑性流體在一定速梯下非結(jié)構(gòu)性內(nèi)摩擦的反映作用：衡量鉆井液流動(dòng)阻力的高低及固相含量的多少

第38頁,共59頁，2024年2月25日，星期天139調(diào)整k值方法：

固相含量：固含

k

；分散度：分散度k

；液相粘度：液相粘度k

第39頁,共59頁，2024年2月25日，星期天140第四節(jié)鉆井液流變性能與鉆井工程的關(guān)系

鉆井液流變性能與鉆井工程的關(guān)系主要體現(xiàn)：

影響鉆井速度

影響環(huán)空攜帶巖屑能力

影響井壁穩(wěn)定

影響巖屑和加重物質(zhì)的懸浮

影響井內(nèi)壓力激動(dòng)

第40頁,共59頁，2024年2月25日，星期天141在其它因素不變時(shí)，鉆速與鉆頭處雷諾數(shù)的0.5次方成正比：Vm=f(Re)1/2

設(shè)有兩種鉆井液，鉆速的表達(dá)式為：Vm2=Vm1(Re2/Re1)1/2

其它因素不變時(shí)，雷諾數(shù)與鉆井液粘度成反比：Re1/

所以：

Vm2=Vm1(

s1/

s2)1/2

1.影響鉆井速度第41頁,共59頁，2024年2月25日，星期天142舉例

某鉆井液的塑性粘度

p為32mPa.s，平均鉆速為6米/小時(shí)，在不改變其它因素時(shí)，降低p到8mPa.s，則鉆速變化為：Vm2=6(32/8)1/2=12米/小時(shí)

鉆速提高2倍。如果鉆進(jìn)1000米井段，用32mPa.s的鉆井液要用100小時(shí)，則用8mPa.s的鉆井液只需要50小時(shí)。第42頁,共59頁，2024年2月25日，星期天序號(hào)

η∞/mPa.s鉆速/m.h-111.07.6224.45.85312.94.96（2）η∞↓→易滲入微裂縫→降低壓持效應(yīng)η∞↓→

鉆速↑原因:（1）η∞↓→噴嘴處紊流阻力↓→沖擊力強(qiáng)↑如：第43頁,共59頁，2024年2月25日，星期天144對(duì)巖屑輸送比的影響

巖屑輸送比(攜帶比)：Rt=(V-Vs)/V井眼凈化良好的條件：Rt0.5即：V2Vs

式中，Rt——巖屑輸送比；V——鉆井液平均上返速度；

Vs——巖屑顆粒沉降速度；Vs雷諾數(shù)Re相關(guān)。當(dāng)Re3時(shí)，Vs=326800ds2(s-f)/

當(dāng)3<Re<300，Vs=7.13ds(s-f)0.667/(f)0.333可見，井眼凈化與粘度緊密相關(guān)。2.影響環(huán)空巖屑攜帶第44頁,共59頁，2024年2月25日，星期天145

層流攜帶巖屑的特點(diǎn)：巖屑翻轉(zhuǎn)上升。

層流攜帶巖屑缺陷的實(shí)質(zhì)：力矩效應(yīng)。紊流攜巖優(yōu)缺點(diǎn)

改進(jìn)方法：將尖峰形改為平板形層流。

流核直徑：由上式可見，τ0/

p，d0鉆井液流速剖面變平坦翻轉(zhuǎn)力矩效應(yīng)減小。流動(dòng)狀態(tài)F2F1Ld0dD第45頁,共59頁，2024年2月25日，星期天146對(duì)于賓漢流體：

τ0/

p=0.36~0.48Pa/mPa.s

τ0=1.5~3Pa對(duì)于假塑性體：

n=0.4~0.7對(duì)于卡森流體：

τc=1.0~2.5Pa

∞

=2~6mPa.s

注意：提高τ0/

p的關(guān)鍵是降低塑性粘度

p有效地?cái)y帶巖屑的流變參數(shù)取值范圍：第46頁,共59頁，2024年2月25日，星期天1473.影響井壁穩(wěn)定

指對(duì)井壁的沖蝕考慮層流,避免出現(xiàn)紊流

準(zhǔn)確計(jì)算環(huán)空臨界返速:第47頁,共59頁，2024年2月25日，星期天148密度、流變參數(shù)對(duì)臨界返速的影響D/cmd/cmρ/g.cm-3μp/mpa.sτ0/paVc/m.s-121.5912.71.223603.7621.5912.71.099.4262.5621.5912.71.066202.25第48頁,共59頁，2024年2月25日，星期天149在牛頓流體中的顆粒只要其密度大于流體密度，就必然會(huì)以一定速度下沉。鉆井液為非牛頓流體。巖屑顆粒在鉆井液中由于靜切力和動(dòng)切力的存在，即使顆粒密度大于鉆井液密度，顆粒也不會(huì)發(fā)生沉降。

懸浮巖屑（球形）所需靜切力為：τs（g/cm2)=d(

巖-

漿）/6

4.影響巖屑和加重物質(zhì)的懸浮第49頁,共59頁，2024年2月25日，星期天150運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的動(dòng)切應(yīng)力的懸浮作用巖屑顆粒在鉆井液中的沉降速度為：Vs=ds[0.0702gds(

s-f)-τ0]若顆粒處于臨界狀態(tài)，有0.0702gd