1、第三章第三章 鉆井液的流變性鉆井液的流變性本章要點(diǎn)：本章要點(diǎn)：1、掌握有關(guān)的基本概念；2、常用流型的特點(diǎn)、流變參數(shù)的意義、影響因素、計算及調(diào)整；3、了解鉆井液流變性與鉆井的關(guān)系第三章第三章 鉆井液的流變性鉆井液的流變性流變性：流變性：是指在外力作用，物質(zhì)發(fā)生流動和變形的特性； 對鉆井液 而言，其流動性是主要的方面。與鉆井液流變性有關(guān)的鉆井問題：與鉆井液流變性有關(guān)的鉆井問題： （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）提高鉆井速度 （4）保持井眼規(guī)則和保證井下安全。第一節(jié)第一節(jié) 基本概念基本概念 =dv/dx s-1一、剪切速率/速度梯度 ：指垂直于流速方向上單位距

2、離流速的增量。第一節(jié)第一節(jié) 基本概念基本概念 在鉆井過程中，鉆井液在各個部位的剪切速率不同： 沉砂池處：10-20s-1 ； 環(huán)形空間：50250s -1 ； 鉆桿內(nèi)：1001 000 s-1 ； 鉆頭噴嘴處：10 000-100 000 s-1第一節(jié)第一節(jié) 基本概念基本概念二、剪切應(yīng)力：流體單位面積上的內(nèi)摩擦力。 =F/A Pa 式中：F-流體的內(nèi)摩擦力 N A-面積 m2 三、流變曲線：描述與關(guān)系的曲線四、流變模式/流變方程：描述與關(guān)系的數(shù)學(xué)關(guān)系式第一節(jié)第一節(jié) 基本概念基本概念 牛頓流體： = 塑性流體： = 0+ p 假塑性流體： = K n n1 五、表觀粘度/總粘度 a 1、定義：剪

3、切應(yīng)力與對應(yīng)剪切速率之比 a = / 無特殊說明， a是指=1022 s-1時的 a 2、幾何意義： a=tg()第二節(jié)第二節(jié) 基本流型及其特點(diǎn)基本流型及其特點(diǎn) 牛頓流型：牛頓流體 膨脹流型 ：膨脹性流體 塑性流型：塑性流體 假塑性流型：假塑性流體 卡森流型：卡森流體流型：根據(jù)流體流動時剪切應(yīng)力與剪切速率之間的關(guān)系。 流體可以分為不同的類型。第二節(jié)第二節(jié) 基本流型及其特點(diǎn)基本流型及其特點(diǎn)一、塑性流體一、塑性流體1 1、流變曲線、流變曲線1s第二節(jié)第二節(jié) 基本流型及其特點(diǎn)基本流型及其特點(diǎn)（1 1）曲線不過原點(diǎn)，在）曲線不過原點(diǎn)，在軸上有一截距軸上有一截距s s 擴(kuò)散雙電層斥力 水化膜彈性斥力 靜

4、電吸引力 范德華引力 形狀：片狀 層面：負(fù)電荷（多） 端面：正電荷/負(fù)電荷（少）粘土顆粒粘土顆粒間作用力間作用力粘土顆粒粘土顆粒特點(diǎn)特點(diǎn)第二節(jié)第二節(jié) 基本流型及其特點(diǎn)基本流型及其特點(diǎn) 粘土顆粒的連接方式：粘土顆粒的連接方式： 假設(shè)開始時顆粒呈單個分散狀態(tài)，當(dāng)斥力逐漸下降時，三種連接方式的出現(xiàn)順序?yàn)椋?第二節(jié)第二節(jié) 基本流型及其特點(diǎn)基本流型及其特點(diǎn) 不過原點(diǎn)的原因：不過原點(diǎn)的原因：由于顆粒間以端-端和（或）端-面連 接，形成網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，要使體系流動， 就必破壞這種網(wǎng)架結(jié)構(gòu) 。 s物理意義：物理意義：反映鉆井液在靜止時形成網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)弱（2 2）在低剪切速率范圍內(nèi)，為曲線段）在低剪切速率范圍內(nèi)，為曲

5、線段 流體開始流動后，存在以下一對矛盾： 結(jié)構(gòu)拆散 結(jié)構(gòu)恢復(fù)在低剪切速率下，結(jié)構(gòu)拆散速度 結(jié)構(gòu)恢復(fù)速度產(chǎn)生同樣所需減少 / 第二節(jié)第二節(jié) 基本流型及其特點(diǎn)基本流型及其特點(diǎn)（3 3）在中、高剪切速率范圍內(nèi)，為直線段）在中、高剪切速率范圍內(nèi)，為直線段當(dāng)達(dá)到某一值時結(jié)構(gòu)拆散速度 = 結(jié)構(gòu)恢復(fù)速度網(wǎng)架結(jié)構(gòu)數(shù)量不變產(chǎn)生同樣所需不變/ 可供拆散的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)數(shù)量 結(jié)構(gòu)拆散速度體系中游離的顆粒數(shù)量 結(jié)構(gòu)恢復(fù)速度第二節(jié)第二節(jié) 基本流型及其特點(diǎn)基本流型及其特點(diǎn) 2 2、賓漢模式、賓漢模式 = 0+ p 式中： 0 ：動切力或屈服值，Pa p ：塑性粘度， Pa.S （1 1）塑性粘度）塑性粘度 p p 物理意義物理

6、意義：反映流體在層流下達(dá)到動平衡時，固相顆粒之間、 固相顆粒與液相之間以及液相內(nèi)部內(nèi)摩擦力的大小。 影響因素影響因素 A、固相含量 固相顆粒數(shù)目 塑性粘度 p 第二節(jié)第二節(jié) 基本流型及其特點(diǎn)基本流型及其特點(diǎn)E、溫度 液相粘度 塑性粘度 p B、固相分散度 固相顆粒數(shù)目 塑性粘度 p C、固相類型 活性固相：在水中分散性強(qiáng)的固相，如膨潤土 惰性固相：在水中分散性弱的固相，如鉆屑活性固相含量 固相分散度 塑性粘度 p （固相含量 一定）D、液相粘度 內(nèi)摩擦力 塑性粘度 p 第二節(jié)第二節(jié) 基本流型及其特點(diǎn)基本流型及其特點(diǎn)使用固控設(shè)備使用化學(xué)絮凝劑加水稀釋 p p 調(diào)整調(diào)整加預(yù)水化般土 加增粘劑第二節(jié)

7、第二節(jié) 基本流型及其特點(diǎn)基本流型及其特點(diǎn)E、電解質(zhì)的影響（2）動切力）動切力0 物理意義物理意義：鉆井液在層流狀態(tài)下達(dá)到動平衡時形成網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)弱。 影響因素影響因素A、固相含量 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)數(shù)目 動切力0B、活性固相含量 固相分散度 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)數(shù)目 動切力0C、降粘劑 動切力0D、高分子聚合物 動切力0第二節(jié)第二節(jié) 基本流型及其特點(diǎn)基本流型及其特點(diǎn)0電解質(zhì)濃度CC0第二節(jié)第二節(jié) 基本流型及其特點(diǎn)基本流型及其特點(diǎn)0電解質(zhì)濃度CCa2+Na+原因：原因：電解質(zhì)濃度C 壓縮擴(kuò)散雙電層 電動電位顆粒間斥力 形成網(wǎng)架結(jié)構(gòu) ，0電解質(zhì)濃度C 壓縮擴(kuò)散雙電層 電動電位顆粒間斥力 形成面面連接 ， 固相分散度，

8、0第二節(jié)第二節(jié) 基本流型及其特點(diǎn)基本流型及其特點(diǎn)00調(diào)整調(diào)整 加預(yù)水化般土 加高分子聚合物加適量的電解質(zhì)加降粘劑加水稀釋消除引起0升高的電解質(zhì)第二節(jié)第二節(jié) 基本流型及其特點(diǎn)基本流型及其特點(diǎn)二、假塑性流體二、假塑性流體/冪律流體冪律流體1 1、流變曲線、流變曲線第二節(jié)第二節(jié) 基本流型及其特點(diǎn)基本流型及其特點(diǎn)原因123123流動方向（1）曲線過原點(diǎn)）曲線過原點(diǎn)無網(wǎng)架結(jié)構(gòu)脆弱且不連續(xù)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)（2）曲線無直線段）曲線無直線段原因：隨增大，體系中形狀不規(guī)則的粒子沿流動方向轉(zhuǎn)向和變形，流動阻力減小。第二節(jié)第二節(jié) 基本流型及其特點(diǎn)基本流型及其特點(diǎn) 2、冪律模式、冪律模式 = Kn 式中：K ：稠度系數(shù)，P

9、a.Sn n ：流性指數(shù)， 無因次， 0 n 1 （1 1）流性指數(shù)）流性指數(shù)n n 物理意義：反映流體偏離牛頓流體的程度。 n 越小， 表明越偏離牛頓流體第二節(jié)第二節(jié) 基本流型及其特點(diǎn)基本流型及其特點(diǎn)（2 2）稠度系數(shù)）稠度系數(shù)K K 物理意義：主要反映鉆井液粘度的大小，K越大，粘度越大。 影響因素及調(diào)整 同塑性粘度 p。 0 0 n 1影響因素及調(diào)整 = 0+ p = p = K n = K 凡是影響0的因素必然影響n ，但影響方向相反，既使0 使n第二節(jié)第二節(jié) 基本流型及其特點(diǎn)基本流型及其特點(diǎn)三、卡森流體三、卡森流體 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

10、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，最初主要應(yīng) 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。第二節(jié)第二節(jié) 基本流型及其特點(diǎn)基本流型及其特點(diǎn)1、流變曲線、流變曲線1/21/2第二節(jié)第二節(jié) 基本流型及其特點(diǎn)基本流型及其特點(diǎn)2、卡森模式、卡森模式 1/2 = c1/2+ 1/21/2 式中： c -卡森動切力(卡森屈服

11、值)，Pa； -極限高剪切粘度（水眼粘度），mPas (1)卡森動切力c 物理意義：反映鉆井液網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)弱 影響因素與調(diào)整：同0 (1)極限高剪切粘度 物理意義：反映鉆井液內(nèi)摩擦力的強(qiáng)弱 影響因素與調(diào)整：同 p第二節(jié)第二節(jié) 基本流型及其特點(diǎn)基本流型及其特點(diǎn)四、流型判斷四、流型判斷1、作圖法 （1）多點(diǎn)測試（ ， ） （2） 分別以和 為坐標(biāo)軸繪圖 （3） 結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)流變曲線進(jìn)行判斷 第二節(jié)第二節(jié) 基本流型及其特點(diǎn)基本流型及其特點(diǎn)2、線性回歸法（1）多點(diǎn)測試（ ， ）（2）假設(shè)流變模式后進(jìn)行線性回歸 = 0+ p = K n 1/2 = c1/2+ 1/21/2（3）檢驗(yàn) 相關(guān)系數(shù)r計 臨界相關(guān)

12、系數(shù)r臨，假設(shè)成立。第三節(jié)第三節(jié) 流變參數(shù)測量與計算流變參數(shù)測量與計算一、測量儀器及原理一、測量儀器及原理 1、漏斗粘度計漏斗容積：750ml原理：測定一定鉆井液（ 500ml ）從漏斗下端流出所需的時間。第三節(jié)第三節(jié) 流變參數(shù)測量與計算流變參數(shù)測量與計算范氏粘度計（外筒轉(zhuǎn)）2、旋轉(zhuǎn)粘度計、旋轉(zhuǎn)粘度計二速六速無級調(diào)速范氏粘度計：內(nèi)筒轉(zhuǎn)第三節(jié)第三節(jié) 流變參數(shù)測量與計算流變參數(shù)測量與計算 測量原理測量原理: (1) 剪切速率與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n成正比： = 1.703n S-1 n 600 300 200 100 6 3 1022 511 340.7 170.3 10.22 5.11 (2) 剪切應(yīng)力與粘

13、度計讀數(shù)成正比： = 0.511 Pa第三節(jié)第三節(jié) 流變參數(shù)測量與計算流變參數(shù)測量與計算作圖法計算法二、流變參數(shù)確定二、流變參數(shù)確定做 流變曲線判斷流型確定參數(shù)判斷流型計算公式推導(dǎo)計算第三節(jié)第三節(jié) 流變參數(shù)測量與計算流變參數(shù)測量與計算1、塑性流體流變參數(shù)計算、塑性流體流變參數(shù)計算300600300600p5111022)(511. 030060010)(300600-3PaS300600mPaS第三節(jié)第三節(jié) 流變參數(shù)測量與計算流變參數(shù)測量與計算p0600600p102210)(511. 03300600600)2(511. 0600300)(511. 0300pPa第三節(jié)第三節(jié) 流變參數(shù)測量與

14、計算流變參數(shù)測量與計算2 2、假塑性流體流變參數(shù)計算、假塑性流體流變參數(shù)計算lglglgnK nKlglg第三節(jié)第三節(jié) 流變參數(shù)測量與計算流變參數(shù)測量與計算1212lglglglgn300600lg322.3nnnnK511511. 0300600600nKK第三節(jié)第三節(jié) 流變參數(shù)測量與計算流變參數(shù)測量與計算100200lg322.3nnnnK170511. 010010010036lg322.3nnnnK11. 5511. 0333第三節(jié)第三節(jié) 流變參數(shù)測量與計算流變參數(shù)測量與計算3、卡森流體流變參數(shù)計算、卡森流體流變參數(shù)計算 1/2 = c1/2+ 1/21/2 1/21/22100600

15、)(428.12600100)6(2432.0c第三節(jié)第三節(jié) 流變參數(shù)測量與計算流變參數(shù)測量與計算4 4、表觀粘度、表觀粘度 a及剪切稀釋性及剪切稀釋性 （1）表觀粘度 a a定義：剪切應(yīng)力與對應(yīng)剪切速率之比 a = / 無特殊說明， a是指=1022 s-1時的 a 60036006006002110211022511. 01022a第三節(jié)第三節(jié) 流變參數(shù)測量與計算流變參數(shù)測量與計算（2 2）剪切稀釋性）剪切稀釋性 定義：表觀粘度隨剪切速率增大而降低的特性。 鉆井對剪切稀釋性要求：要求鉆井液具有較強(qiáng)的剪切稀釋性。 環(huán)形空間： 低， a大，有利于攜帶鉆屑 鉆頭水眼： 大， a小，有利于水力破巖

16、第三節(jié)第三節(jié) 流變參數(shù)測量與計算流變參數(shù)測量與計算0pannaKK11nnaKK11牛頓流體： = a = 塑性流體： = 0+ p假塑性流體： = K n n1第三節(jié)第三節(jié) 流變參數(shù)測量與計算流變參數(shù)測量與計算剪切稀釋性越強(qiáng)p0剪切稀釋性越強(qiáng)n剪切稀釋性越強(qiáng)smPaPap./48.036.007.04.0nsmPa.62 剪切稀釋性影響因素：塑性流體：假塑性流體：卡森流體：一般鉆井要求：第三節(jié)第三節(jié) 流變參數(shù)測量與計算流變參數(shù)測量與計算5、切力、切力與觸變性與觸變性 （1）切力 定義：指靜切力，表示鉆井液在靜止?fàn)顟B(tài)下網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)弱。 切力隨靜止時間的變化而變化（見右圖）， 塑性流體靜切力s是

17、靜切力的極限值。1、較快的強(qiáng)凝膠 2、較慢的強(qiáng)凝膠 3 3、較快的弱凝膠、較快的弱凝膠 4、較慢的弱凝膠 第三節(jié)第三節(jié) 流變參數(shù)測量與計算流變參數(shù)測量與計算初終3511.0初3511.0終觸變性評價：觸變性評價：以終切和初切的差值來表示終切和初切的測量：終切和初切的測量：A、高速攪拌10min;B、初切測量：在600rpm下轉(zhuǎn)1min，靜止10s，測3rpm的切力終切測量：在600rpm下轉(zhuǎn)1min，靜止10min ，測3rpm的切力第四節(jié)第四節(jié) 鉆井液流變性與鉆井的關(guān)系鉆井液流變性與鉆井的關(guān)系攜巖及懸浮攜巖及懸浮井壁穩(wěn)定井壁穩(wěn)定鉆井速度鉆井速度抽吸壓力與激動壓力濾失性泥漿泵泵壓與排量流變性與

18、流變性與鉆井關(guān)系鉆井關(guān)系第四節(jié)第四節(jié) 鉆井液流變性與鉆井的關(guān)系鉆井液流變性與鉆井的關(guān)系鉆井液流態(tài)層流特點(diǎn)層流特點(diǎn)一、鉆井液流變性與攜巖的關(guān)系一、鉆井液流變性與攜巖的關(guān)系塞流層流過度流紊流1、層流及其攜巖特點(diǎn)、層流及其攜巖特點(diǎn)成層流動流速低速度剖面呈“尖峰”物線第四節(jié)第四節(jié) 鉆井液流變性與鉆井的關(guān)系鉆井液流變性與鉆井的關(guān)系層流攜巖特點(diǎn)層流攜巖特點(diǎn)1、對井壁沖刷作用小， 有利于井壁穩(wěn)定2、存在“轉(zhuǎn)動靠壁”現(xiàn)象， 攜巖效率低 F1F2F3F4第四節(jié)第四節(jié) 鉆井液流變性與鉆井的關(guān)系鉆井液流變性與鉆井的關(guān)系紊流特點(diǎn)紊流特點(diǎn)層流攜巖特點(diǎn)層流攜巖特點(diǎn)1、無“轉(zhuǎn)動靠壁”現(xiàn)象，攜巖效率高2、對井壁沖刷作用大3、

19、巖屑滑落速度大4、循環(huán)壓耗大2、紊流及其攜巖特點(diǎn)、紊流及其攜巖特點(diǎn)流體質(zhì)點(diǎn)作無規(guī)則運(yùn)動流速大、速梯小速度剖面扁平第四節(jié)第四節(jié) 鉆井液流變性與鉆井的關(guān)系鉆井液流變性與鉆井的關(guān)系3、平板型層流、平板型層流流速低速度剖面扁平對井壁沖刷作用小 攜巖效率高平板型層平板型層流特點(diǎn)流特點(diǎn)攜巖特點(diǎn)攜巖特點(diǎn) 等速核直徑d0越大，攜巖效率越高：p0 d0動塑比塑性流體：適合值在0.36-0.48Pa/mPas第四節(jié)第四節(jié) 鉆井液流變性與鉆井的關(guān)系鉆井液流變性與鉆井的關(guān)系適合值在0.4-0.7鉆井液靜止時能有效將鉆屑和加重劑懸浮起來，或很慢的下沉。鉆井對鉆井液懸浮能力的要求：懸浮能力影響因素：靜切力和觸變性GF浮F切sdgdgd223136161切浮FFG冪律流體：n d0二、鉆井液流變性與懸浮鉆屑和加重劑的關(guān)系鉆井液流變性與懸浮鉆屑和加重劑的關(guān)系第四節(jié)第四節(jié) 鉆井液流變性與鉆井的關(guān)系鉆井液流變性與鉆井的關(guān)系 式中： d-顆粒直徑 1-固相密度 -鉆井液密度 s-鉆井液靜切力6)(1gds第四節(jié)第四節(jié) 鉆井液流變性與鉆井的關(guān)系鉆井液流變性與鉆井的關(guān)系grgrgr230343434grgrgrrg)(313131033032grg)(310根據(jù)上述公式我們就可以計算懸