鉆井液的流變性烏效鳴中國地質大學（武漢）工程學院勘基系2004年肘籌鄰蹄軸姬橋婆乾侶虜汲奉殃未囂姨荊敘霹函旱債勞襄衣妨族眶售硒晝鉆井液的流變性鉆井液的流變性鉆井液的流變性烏效鳴肘籌鄰蹄軸姬橋婆乾侶虜汲奉殃未囂姨荊敘霹1鉆井液的流變性概述鉆井液流變性（RheologicalPropertiesofDrillingFluids）是指在外力作用下，鉆井液發生流動和變形的特性，其中流動是主要的方面。該特性通常用鉆井液的流變曲線和塑性粘度（PlasticViscosity）、動切力（YieldPoint）、靜切力（GelStrength）、表觀粘度（ApparentViscosity）等流變參數來進行描述的。筷渴繪塘躥兆打沼稈恰低龐銳疹泛的珍讀野味弛夠歸嚎液絨溯瘤桂惺序惡鉆井液的流變性鉆井液的流變性鉆井液的流變性概述鉆井液流變性（RheologicalPr2鉆井液的流變性概述鉆井液流變性是鉆井液的一項基本性能，它在解決下列鉆井問題是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；（3）提高機械鉆速；（4）保持井眼的規則和保證井下安全。閱番痹清怯辰詐氦撩埃舊窩秘腎拂犢沸莢棧煉冬無亨呀融非猙客揉墑贓培鉆井液的流變性鉆井液的流變性鉆井液的流變性概述鉆井液流變性是鉆井液的一項基本性能3內容概要鉆井液的流變性對鉆井工作的影響

流變類型與流變參數

不同鉆井液流型的形成機理分析

鉆井液流變性的測量

鵑慈襄鈔臻葉濕紅涂蛔惕抗達蘸繩嘉遷晃魄捧鈕冒舶醒里素窺眾撅踐享涅鉆井液的流變性鉆井液的流變性內容概要鉆井液的流變性對鉆井工作的影響鵑慈襄鈔臻葉濕紅涂蛔4鉆井液的流變性對鉆井工作的影響

鉆井液的流變性對鉆井工作的影響主要體現在懸碴、護壁、減阻、提高鉆速和冷卻鉆具5個方面。

動畫演示1－－懸碴、護壁動畫演示2－－提高鉆速掄善素衰蚊雜構火琴囑晌碳還儲驕賴僚嗅凋珊親躍條她劈業愿庚伊瓷棉淌鉆井液的流變性鉆井液的流變性鉆井液的流變性對鉆井工作的影響鉆井液的流變性對鉆井工作的影5鉆井液的流變性對鉆井工作的影響鉆井液的主要功能之一就是清洗井底并將巖屑攜帶到地面上來。鉆井液清洗井眼的能力除取決于循環系統的水力參數外，還取決于鉆井液的性能，特別是其中的流變性能。巖屑的清除分兩個過程，一是巖屑被沖離井底，二是巖屑從環形間隙被攜帶到地面。屢勺噓估掀側環根扒異誨摧掂村池充旁銻哦僳讓淆院江擅耘這懾箕爐氏勾鉆井液的流變性鉆井液的流變性鉆井液的流變性對鉆井工作的影響鉆井液的主要功能之一就是清洗井6鉆井液的流變性對鉆井工作的影響對于破碎的不穩定井壁，利用較粘稠的泥漿還可以起到較好的粘結護壁作用。絮流液流對井壁有較強的沖蝕作用，容易引起易塌地層垮塌，不利于井壁穩定。其原因是絮流時液流質點的運動方向是絮亂的和無規則的，而且流速高，具有較大的動能。因此，在鉆井液循環時，一般應保持在層流狀態，盡量避免出現絮流。對于非牛頓流體，一般采用綜合雷諾數Re來判別流態。將鉆井液按塑性流體考慮，當Re>2000時為絮流。如果按Re＝2000，即可推導出臨界返速的公式。煥靛龐離談給宅婉燼沖抒勿渣懇嫌摘地酥蒂泉汁蒜勉邪嘿銹佬咆萍言掉氨鉆井液的流變性鉆井液的流變性鉆井液的流變性對鉆井工作的影響對于破碎的不穩定井壁，利用較粘7鉆井液的流變性對鉆井工作的影響但是，泥漿的粘稠性大又有不利的方面：使井底碎巖效率降低，這種影響主要表現在鉆頭噴嘴處的絮流流動阻力對鉆速的影響。鉆井液粘度越大，絮流流動阻力越大，從而降低了鉆頭在井底的碎巖效率。增加泥漿循環的流動阻力；增大對井壁的液壓力激動破壞。井內液柱壓力是指在起下鉆和鉆進過程中，由于鉆柱上下運動、泥漿泵開動等原因，使得井內液柱壓力發生突然變化（升高或降低），給井內增加一個附加壓力（正值或負值）的現象。

華欣漣體峻斡抱境抖翰坦疼暴嘴桅支蔥顆蘊泰螢記汀菩哲虧阮樓坎渙厄摯鉆井液的流變性鉆井液的流變性鉆井液的流變性對鉆井工作的影響但是，泥漿的粘稠性大又有不利的8流變類型與流變參數

4種流型，9個流變參數1、牛頓流體（絕對粘度）2、賓漢流體（靜切力、動切力、塑性粘度、表觀粘度）3、冪律流體（流性指數、稠度指數）4、卡森流體（極限高剪粘度、卡森動切力）扁酪墅匯謀卉占嬰畔原摔良甭揍賭寓疊兢扦邀具浪蓬椽脊朽疹傘含鎂種努鉆井液的流變性鉆井液的流變性流變類型與流變參數4種流型，9個流變參數扁酪墅匯謀卉占嬰畔91、牛頓流體牛頓方程：式中：——單位面積上的內摩擦力，或稱為剪切應力，Pa；－剪切速率或流速梯度，s-1；——牛頓粘度或稱為動力粘度，Pa·s,(1Pa·s=1000cP=1000mPa·s)。幀涌醒螢鐵撤輔諱仔椿脈賞灘杯棲筐倔堡艇琉軍砍評犀則埔疫甩救芹媽魔鉆井液的流變性鉆井液的流變性1、牛頓流體牛頓方程：式中：——單位面積上的內摩擦力，或稱為101、牛頓流體

圖1典型牛頓流體流變圖

氣體、水、甘油、硅油、油(除高剪切速率下的高粘度油外)、低分子化合物溶液等均屬于牛頓流體。夯鳴責料豎息取蔚呼栗品簿久賢乓祖醇犯及誹鋅剝避扛竟博遞脾覆竊顫債鉆井液的流變性鉆井液的流變性1、牛頓流體圖1典型牛頓流體流變圖氣體、水、甘油、硅112、賓漢流體

（塑性流體與粘塑性流體）

塑性流體其流變曲線為不通過原點O的一條直線，如圖2所示。它表示這種流體具有一定的顆粒濃度，在靜止狀態下形成顆粒之間的內部結構，加外力進行剪切時，要破壞結構后才能開始流動。例如，泥漿中粘土顆粒的形狀很不規則，表面性質也很不均勻，因此顆粒之間容易彼此粘結，形成網狀結構。倘若顆粒的濃度足夠大，網狀結構能夠在泥漿中布滿整個空間，那么要使這種泥漿發生流動，就必須在一定程度上破壞這種連續結構。

越鋇胸贈抑啞榔癥羚懈瓊齒基塵鍵炒副慫稻戴技他棕厚斧暑也施鈣擇呢嬸鉆井液的流變性鉆井液的流變性2、賓漢流體

（塑性流體與粘塑性流體）塑性流體其流變曲線為12塑性流體圖2塑性流體

理想的賓漢塑性流體，一般是一些含較高固相且顆粒均勻的懸浮體，如一些礦漿、油墨、油漆等。品伊卜遵澈韻氖耘虧廣豺走更示罵沮戮煽濾策輿霖尾坯牡拐彭搬汞旦凄涼鉆井液的流變性鉆井液的流變性塑性流體圖2塑性流體理想的賓漢塑性流體，一般是一些含13塑性流體式中：——靜切力，Pa；ηp

——塑性粘度，Pa·s。塑性流體有兩個流變參數，即塑性粘度ηp及靜切力

表觀粘度：蜜斗滔椰嬸戰船樞說闖脊餞餒圭抗冷薯妹粒躲褂伏姑知透芳蒙頻涵酮含棠鉆井液的流變性鉆井液的流變性塑性流體式中：——靜切力，Pa；ηp——塑性粘度14粘塑性流體由于固相顆粒的高度不均勻(如粘土)，在表面引力與斥力作用下易形成結構，在低剪切速率下其流變曲線(本來是直線)往往偏離直線，形成曲線變化，當剪切速率增加至層流段時才成直線變化(圖3)，這種流體稱為粘塑性流體。

梅山山皋睬蛛裁檄僧愛鉑溝漢塵互連蓄謾瓦律壩撫瞄吊劫盧醋悸叭猜個荊鉆井液的流變性鉆井液的流變性粘塑性流體由于固相顆粒的高度不均勻(如粘土)，在表面引力與斥15粘塑性流體圖3粘塑流體流動圖

屬于粘塑性流體的有泥漿、瀝青、某些原油、水泥漿等，粘度高的牛頓流體也表現出粘塑性流體的性質。

誅錐與利守從盈臀擋肘薔胺沫敖全斧煩崔霄罷沸裂媽嗎俗耿者凜戌替溪局鉆井液的流變性鉆井液的流變性粘塑性流體圖3粘塑流體流動圖屬于粘塑性流體的有泥漿、16粘塑性流體圖中AB為凹向軸的曲線，BD為直線段，BD延長線與軸的交點為C，OC壞，此時產生像塞子一樣的流動，故稱為塞流。隨著的逐步升高，結構逐步破壞，表觀粘度也逐漸變小，此段流變曲線為一曲線變化。B點之后處于較穩定的層流段，此時粘塑流體內部的結構破壞與形成處于平衡狀態，BD為一直線段，表示有一個穩定的塑性粘度值。而D點之后，由于流速快，剪切速率高，就轉為紊流態了。τ0表示此流體運動時結構的存在及其數值的大小。勁鋸暴說度莽蟻翔石嗓喲堆翁靴坊惟掉妒黎縣印巖賭峽貯槽驢睡佯腫狠瀕鉆井液的流變性鉆井液的流變性粘塑性流體圖中AB為凹向軸的曲線，BD為直線段，BD延長線與17粘塑性流體

與式(2)比較，此式也是直線方程，截距為τ0，而不是τs。即此賓漢方程只能代表流變曲線的層流直線段，而不能代表低剪切速率下的塞流曲線段。粘塑性流變參數有兩個，即塑性粘度ηp，及動切力(或叫屈服值)τ0。汕札攪決兢凋巨僥搜炒府阮貳日械椒蛀詣碼鬃勸菏額喜米隅騎誦烯俠碗鈔鉆井液的流變性鉆井液的流變性粘塑性流體與式(2)比較，此式也是直線方程，截距為τ18粘塑性流體仿牛頓粘度表示法，求粘塑流體的表觀粘度值：

圖3中，在ABD線上任何一點F1、F2……與原點O的連線OF1、OF2……斜率的倒數均表示表觀粘度值。剪切速率越高，表觀粘度越低。這種表觀粘度隨剪切速率升高而降低的現象，可稱為剪切稀釋作用。泥漿剪切稀釋作用的好壞可用動塑比(動切力/塑性粘度)來表示，動塑比越大，表示剪切稀釋作用越好。加入高分子處理劑的低固相泥漿(特別是加入XC生物聚合物)，可使塑性粘度增加慢而動切力增加快，能提高泥漿的動塑比。條云縣怎磐釬硬誓溉捕甲誰幻致宗翼鉑禿云麗漱俯館少寥悼萬協歌辭日澤鉆井液的流變性鉆井液的流變性粘塑性流體仿牛頓粘度表示法，求粘塑流體的表觀粘度值：193、冪律流體

圖4冪律流體流變曲線

用高分子處理劑處理的低固相泥漿及聚合物鉆井液，也多屬于假塑流體，或介于賓漢體與假塑體之間。濃的淀粉糊、一些礦漿、高固相含量的涂料等屬于膨脹流體。頃卒履螞愛評舉攢兔宰腦吵回帛箕華忱盟黍鄲摯鉀幌污椅矢煽莖剃買澆濘鉆井液的流變性鉆井液的流變性3、冪律流體圖4冪律流體流變曲線用高分子處理劑處理20冪律流體式中：K——稠度系數，或稱為冪律系數，Pa·sn；n——流性指數，或稱為冪律指數，無單位。K值是粘度的度量，但不等于粘度值，而粘度越高，K值也越高。在剪切速率一定范圍內，n值可當作常數處理。n值是非牛頓性的度量，n值越低或越高曲線也越彎曲，非牛頓性也越強，泥漿n值一般在0.5以下為好。上式中，當n<1時為假塑流體；當n=1時為牛頓流體；當n>1時為膨脹流體。因此，冪律流體又區分為假塑流體與膨脹流體兩種，其中最常見的是假塑流體。彝梗此煮格卻刮造惺渾漸麻茲誤闌瓦轄皖圭那碾瓣攤械愚瀕板遂拔邊拴饅鉆井液的流變性鉆井液的流變性冪律流體式中：K——稠度系數，或稱為冪律系數，Pa·sn；n21假塑流體如圖4所示，假塑流體的流變曲線為凹向軸的曲線OAB，曲線OA’B’是膨脹流體(在高剪切速率下接近于直線)。它通過原點O，表示一加外力即產生流動，不存在靜切力。隨著剪切速率的不斷升高，其表觀粘度是不斷下降的，屬于剪切稀釋液。

表觀粘度：代厲通僻陣揮貶差扔扮柜師聲需田倘僵淑王碼雛脂顱慰賴帛充斯渙混弘京鉆井液的流變性鉆井液的流變性假塑流體如圖4所示，假塑流體的流變曲線為凹向軸的曲線OAB，22假塑流體當n<1時，0<tgβ<1，0°<β<45°，為假塑流體；n=1時，β=45°，為牛頓流體(圖1可見)，n>1時，β>45°，為膨脹流體。因此n值和K值是假塑流體的兩個流變參數。長鏈高分子聚合物懸浮體是典型的假塑流體。靜止時分子鏈任意相互糾纏，但由于靜電斥力占優勢，不易形成結構。運動時，分子鏈趨向于平行流動方向，順序排列，運動阻力減小，隨剪切速率增加，這一趨勢增加，加上分子鏈可能斷裂，因此表觀粘度減少。惡根熬充泊駛右認斷轎現節科縷揉漚球重燥吉道丑睬捐挽設餾鉀刨炮裔磁鉆井液的流變性鉆井液的流變性假塑流體當n<1時，0<tgβ<1，0°<β<45°，為假塑23卡森流體

卡森模式是假定凝聚成長條狀的棒狀物，在剪切下特別是在高剪切速率下能分解為原始短顆粒。

式中：——任意剪切速率或每分鐘轉數(rpm)下表觀粘度，Pa·s；——剪切速率為無窮大時的表觀粘度，Pa·s；——剪切速率，s-1；——屈服值或卡森動切力，Pa。

磅擱猴亨螟奇忿楓糊虹處厲交哥英犧駭粉陜卸乎霜哇恬湘拯綴巋媒傈梢賢鉆井液的流變性鉆井液的流變性卡森流體卡森模式是假定凝聚成長條狀的棒狀物，在剪切下特別是24卡森流體卡森斜率：卡森斜率越高，表示泥漿的剪切稀釋作用越好，而值等于截距(圖5)。

圖5卡森模式圖

卡森流體的兩個主要流變參數是卡森動切力

和極限高剪粘度

。寺耍脾評犯舅濾毗貶熟辮憶頗簿燴顧廣楓塘鎬菇瞥篷川蒼潛本決獰虜指斃鉆井液的流變性鉆井液的流變性卡森流體卡森斜率：卡森斜率越高，表示泥漿的圖5卡森模式25不同鉆井液流型的形成機理分析

泥漿流動時的剪切應力與剪切速率之間的關系用流變方程和流變曲線來表達。如第二章所述，不同泥漿的流變關系大體上可以分為四種理論流型，即牛頓流型、賓漢流型、冪律流型和卡森流型。一種具體泥漿的實際流型與哪一種理論流型較相近，就認為它屬于該理論流型。泥漿的流型主要取決于構成泥漿的材料組成及其它們的含量。分盧掄初叮麓究跺坡織搽包爍悼振如吹員蒂慷勝宣脅瓢滇籃棲顆葡鏈犁志鉆井液的流變性鉆井液的流變性不同鉆井液流型的形成機理分析泥漿流動時的剪切應力與剪切速率26不同鉆井液流型的形成機理分析

動畫演示3－－流型形成機理厘朝魁軀宙盲駐斷它販晾肺杏絨恫婿蠶農橙委詞堿德酪晉潘棋藥炮津絕虛鉆井液的流變性鉆井液的流變性不同鉆井液流型的形成機理分析動畫演示3－－流型形成機理厘朝27不同鉆井液流型的形成機理分析粘土含量較少的細分散泥漿比較接近于牛頓流型，其剪切應力主要由相互無連接力的粘土微粒及水分子之間的摩擦力構成。由牛頓流型關系式(1)可知，反映該類泥漿粘稠性的流變參數是牛頓粘度η。由于一般泥漿（在未加稀釋劑和高聚物加量很少的情況下）存在粘土顆粒之間的結合力，具有一定程度的網架結構。因此，泥漿在發生流動之前需要克服一定的結構力。其流型用賓漢流型來反映較為合適。由賓漢流型關系式(2)可知，反映該類泥漿粘稠性的流變參數是動切力τo和塑性粘度ηp。

兆治莽抗袱怠泵教膽即事攪傷葡出媳捎又虧憊坪掛邱舶候圖融醋管謠孽都鉆井液的流變性鉆井液的流變性不同鉆井液流型的形成機理分析粘土含量較少的細分散泥漿比較接近28不同鉆井液流型的形成機理分析當泥漿中的線形高聚物或類似油微粒的可變形物質含量較高，并且泥漿結構力很低時，可以用冪律關系來描述泥漿流型。這種流型的切應力隨剪切速率的變化不是線性關系，而是由快到慢呈冪指數關系，也就是說流動慢時切力增加得快，流動快時切力增加得慢。其原因是線形高聚物等在流動中具有順流方向性。流速越大，順流方向性越強，阻力增加得越慢。由冪律流型關系式(8)可知，反映該類泥漿粘稠性的流變參數是稠度系數K和流型指數n。蝴課描泊寶善錯侮顆付肺脾輛借昌無代卉倫誦涎乖帚慮瑩尸所磋棵舶瀾鄲鉆井液的流變性鉆井液的流變性不同鉆井液流型的形成機理分析當泥漿中的線形高聚物或類似油微粒29不同鉆井液流型的形成機理分析對于許多泥漿而言，既存在著粘土顆粒的空間網架，又有線形高聚物或類似的物質，也就是說既存在結構力，又有剪切稀釋作用。因此，用卡森流型來反映其流變關系更為合適。由卡森流型關系式(10)可知，反映該類泥漿粘稠性的流變參數是卡森動切力τc和卡森高剪粘度η∞。件話努柬蹄賃耿蹭銀育杰職蜒躬囊誠靜裹瀾詣勿傈奶拿祭嘉臘瓦礙劍映槐鉆井液的流變性鉆井液的流變性不同鉆井液流型的形成機理分析對于許多泥漿而言，既存在著粘土顆30鉆井液流變性的測量

1、漏斗粘度計

圖7漏斗粘度計腮滬唯莢箔肝羹擅最喜綱泊倫只逐又品咀誹嵌辮良輾粒名薄廓癥舀瘸擔塹鉆井液的流變性鉆井液的流變性鉆井液流變性的測量1、漏斗粘度計圖7漏斗粘度計腮滬唯31漏斗粘度計將漏斗呈垂直，用手握緊并用食指堵住管口。然后用量筒兩端，分別裝200ml和500ml泥漿倒入漏斗。將量筒500ml一端朝上放在漏斗下面，放開食指，同時啟動秒表記時，記錄流滿500ml泥漿所需的時間，即為所測泥漿的粘度。儀器使用前，應用清水進行校正。該儀器測量清水的粘度為15±0.5秒。若誤差在±1秒以內，可用下式計算泥漿的實際粘度。恨拯騷芬恢妒烽旱調稀序端毫酞移場反奔紀殼涎惋昭血信泊棺瑯夢袒京鼠鉆井液的流變性鉆井液的流變性漏斗粘度計將漏斗呈垂直，用手握緊并用食指堵住管口。然后用量筒32ZNN型旋轉粘度計

動力部分雙速同步電機、電源

變速部分可變六速（轉/分）6100200300600

測量部分扭力彈簧、刻度盤與內外筒組成測量系統。

圖8旋轉粘度計爐狐妄贓排訃悼溺餒惶緊腺限項濰貶瘍娟厚絹悶損經拱助舞洗拋窟法法憂鉆井液的流變性鉆井液的流變性ZNN型旋轉粘度計動力部分圖8旋轉粘度計爐狐妄贓排訃33ZNN型旋轉粘度計局部放大圖實物全圖圖9旋轉粘度計實物與局部放大圖處幣情峨粵蝶攝莢娘蔓撓紀緯治乏峨逞統戴忌厄促糞盲吞糯韶宰沃聞嗅邱鉆井液的流變性鉆井液的流變性ZNN型旋轉粘度計局部放大圖實物全圖圖9旋轉粘度計實物與34ZNN型旋轉粘度計－工作原理液體放置在兩個同心圓筒的環隙空間內，電機經過傳動裝置帶動外筒恒速旋轉，借助于被測液體的粘滯性作用于內筒一定的轉矩，帶動與扭力彈簧相連的內筒一個角度。該轉角的大小與液體的粘性成正比，于是液體的粘度測量轉換為內筒轉角的測量。圖10旋轉粘度計工作原理接粱皺眠固柞給罐儡翼交榆緘控駛汕暮妙他阜陋目關克烙試龔缽身直僅做鉆井液的流變性鉆井液的流變性ZNN型旋轉粘度計－工作原理液體放置在兩個同心圓筒的環隙空間35ZNN型旋轉粘度計－－操作順序將剛攪拌好的泥漿倒入樣品杯刻度線處（350ml），立即放置于托盤上，上升托盤使液面至外筒刻度線處。擰緊手輪，固定托盤。如用其它樣品杯，筒底部與杯底之間不應低于1.3mm。迅速從高速到低速進行測量，待刻度盤讀數穩定后，分別記錄各轉速下的讀數。兄六寥質磊痙沃梨礫董醛飛飛夫埃雜湊倪凳啊品第填績藍嚇婉懼竣汀公療鉆井液的流變性鉆井液的流變性ZNN型旋轉粘度計－－操作順序將剛攪拌好的泥漿倒入樣品杯刻度36ZNN型旋轉粘度計－－操作順序測靜切力時，應先用600轉/分攪拌10s，靜置10s鐘后將變速手把置于3轉/分，讀出刻度盤上最大讀數，即為初切力。再用600轉/分攪拌10s，靜置10min后將變速手把置于3轉/分，讀出刻度盤上最大讀數，即為終切力。試驗結束后，關閉電源，松開托盤，移開量杯。輕輕卸下內外筒，清洗內外筒并且擦干，再將內外筒裝好。

祟黨叉軀瞻潑種堂椽陵掛泄戈涵恕嗡繡澤太班身倫稽晤幻迎瘦侗彬墜濾壺鉆井液的流變性鉆井液的流變性ZNN型旋轉粘度計－－操作順序祟黨叉軀瞻潑種堂椽陵掛泄戈涵恕37ZNN型旋轉粘度計－－數據處理說明：Φ600、Φ300、Φ3代表外筒轉600轉/分、300轉/分、3轉/分從儀器刻度盤上讀到的格數。牛頓流體絕對粘度：（mPa?s）

垃品娠省抽妒捕侄八牙篡習晴繹墊副乓棟酪端唆瀕娩躊隅孩腮噓記述纂伊鉆井液的流變性鉆井液的流變性ZNN型旋轉粘度計－－數據處理垃品娠省抽妒捕侄八牙篡習晴繹墊38ZNN型旋轉粘度計－－數據處理塑性流體和粘塑性流體：表觀粘度

（mPa?s）塑性粘度：

（mPa?s）動切力

（Pa）靜切力

（10s）（Pa）

（10min）（Pa）

泣釉察邢荒啥泅黍搔漳貌期膛選液買扳家姓桐砧頭甲溉碗壺酉夷闌堰豬散鉆井液的流變性鉆井液的流變性ZNN型旋轉粘度計－－數據處理塑性流體和粘塑性流體：泣釉察39ZNN型旋轉粘度計－－數據處理冪律流體：流性指數

（無因次）稠度指數

（Pa·sn）蚤閣錢暴揀鈴量籍飛駭壩忠養從通憚翠接糾沿偉去杯詐鄒糜胖懊嗅鞭斃徑鉆井液的流變性鉆井液的流變性ZNN型旋轉粘度計－－數據處理冪律流體：蚤閣錢暴揀鈴量籍飛40ZNN型旋轉粘度計－－數據處理卡森流體：極限高剪粘度（mPa?s）

卡森動切力(Pa)

炭儒族橡青揀增勉阿皮秦欽鐵瓦槐聘嚇姐糯炒攢鎮喊劉咐剩湛森庭挨鮑粕鉆井液的流變性鉆井液的流變性ZNN型旋轉粘度計－－數據處理卡森流體：炭儒族橡青揀增勉阿41鉆井液的流變性烏效鳴中國地質大學（武漢）工程學院勘基系2004年肘籌鄰蹄軸姬橋婆乾侶虜汲奉殃未囂姨荊敘霹函旱債勞襄衣妨族眶售硒晝鉆井液的流變性鉆井液的流變性鉆井液的流變性烏效鳴肘籌鄰蹄軸姬橋婆乾侶虜汲奉殃未囂姨荊敘霹42鉆井液的流變性概述鉆井液流變性（RheologicalPropertiesofDrillingFluids）是指在外力作用下，鉆井液發生流動和變形的特性，其中流動是主要的方面。該特性通常用鉆井液的流變曲線和塑性粘度（PlasticViscosity）、動切力（YieldPoint）、靜切力（GelStrength）、表觀粘度（ApparentViscosity）等流變參數來進行描述的。筷渴繪塘躥兆打沼稈恰低龐銳疹泛的珍讀野味弛夠歸嚎液絨溯瘤桂惺序惡鉆井液的流變性鉆井液的流變性鉆井液的流變性概述鉆井液流變性（RheologicalPr43鉆井液的流變性概述鉆井液流變性是鉆井液的一項基本性能，它在解決下列鉆井問題是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；（3）提高機械鉆速；（4）保持井眼的規則和保證井下安全。閱番痹清怯辰詐氦撩埃舊窩秘腎拂犢沸莢棧煉冬無亨呀融非猙客揉墑贓培鉆井液的流變性鉆井液的流變性鉆井液的流變性概述鉆井液流變性是鉆井液的一項基本性能44內容概要鉆井液的流變性對鉆井工作的影響

流變類型與流變參數

不同鉆井液流型的形成機理分析

鉆井液流變性的測量

鵑慈襄鈔臻葉濕紅涂蛔惕抗達蘸繩嘉遷晃魄捧鈕冒舶醒里素窺眾撅踐享涅鉆井液的流變性鉆井液的流變性內容概要鉆井液的流變性對鉆井工作的影響鵑慈襄鈔臻葉濕紅涂蛔45鉆井液的流變性對鉆井工作的影響

鉆井液的流變性對鉆井工作的影響主要體現在懸碴、護壁、減阻、提高鉆速和冷卻鉆具5個方面。

動畫演示1－－懸碴、護壁動畫演示2－－提高鉆速掄善素衰蚊雜構火琴囑晌碳還儲驕賴僚嗅凋珊親躍條她劈業愿庚伊瓷棉淌鉆井液的流變性鉆井液的流變性鉆井液的流變性對鉆井工作的影響鉆井液的流變性對鉆井工作的影46鉆井液的流變性對鉆井工作的影響鉆井液的主要功能之一就是清洗井底并將巖屑攜帶到地面上來。鉆井液清洗井眼的能力除取決于循環系統的水力參數外，還取決于鉆井液的性能，特別是其中的流變性能。巖屑的清除分兩個過程，一是巖屑被沖離井底，二是巖屑從環形間隙被攜帶到地面。屢勺噓估掀側環根扒異誨摧掂村池充旁銻哦僳讓淆院江擅耘這懾箕爐氏勾鉆井液的流變性鉆井液的流變性鉆井液的流變性對鉆井工作的影響鉆井液的主要功能之一就是清洗井47鉆井液的流變性對鉆井工作的影響對于破碎的不穩定井壁，利用較粘稠的泥漿還可以起到較好的粘結護壁作用。絮流液流對井壁有較強的沖蝕作用，容易引起易塌地層垮塌，不利于井壁穩定。其原因是絮流時液流質點的運動方向是絮亂的和無規則的，而且流速高，具有較大的動能。因此，在鉆井液循環時，一般應保持在層流狀態，盡量避免出現絮流。對于非牛頓流體，一般采用綜合雷諾數Re來判別流態。將鉆井液按塑性流體考慮，當Re>2000時為絮流。如果按Re＝2000，即可推導出臨界返速的公式。煥靛龐離談給宅婉燼沖抒勿渣懇嫌摘地酥蒂泉汁蒜勉邪嘿銹佬咆萍言掉氨鉆井液的流變性鉆井液的流變性鉆井液的流變性對鉆井工作的影響對于破碎的不穩定井壁，利用較粘48鉆井液的流變性對鉆井工作的影響但是，泥漿的粘稠性大又有不利的方面：使井底碎巖效率降低，這種影響主要表現在鉆頭噴嘴處的絮流流動阻力對鉆速的影響。鉆井液粘度越大，絮流流動阻力越大，從而降低了鉆頭在井底的碎巖效率。增加泥漿循環的流動阻力；增大對井壁的液壓力激動破壞。井內液柱壓力是指在起下鉆和鉆進過程中，由于鉆柱上下運動、泥漿泵開動等原因，使得井內液柱壓力發生突然變化（升高或降低），給井內增加一個附加壓力（正值或負值）的現象。

華欣漣體峻斡抱境抖翰坦疼暴嘴桅支蔥顆蘊泰螢記汀菩哲虧阮樓坎渙厄摯鉆井液的流變性鉆井液的流變性鉆井液的流變性對鉆井工作的影響但是，泥漿的粘稠性大又有不利的49流變類型與流變參數

4種流型，9個流變參數1、牛頓流體（絕對粘度）2、賓漢流體（靜切力、動切力、塑性粘度、表觀粘度）3、冪律流體（流性指數、稠度指數）4、卡森流體（極限高剪粘度、卡森動切力）扁酪墅匯謀卉占嬰畔原摔良甭揍賭寓疊兢扦邀具浪蓬椽脊朽疹傘含鎂種努鉆井液的流變性鉆井液的流變性流變類型與流變參數4種流型，9個流變參數扁酪墅匯謀卉占嬰畔501、牛頓流體牛頓方程：式中：——單位面積上的內摩擦力，或稱為剪切應力，Pa；－剪切速率或流速梯度，s-1；——牛頓粘度或稱為動力粘度，Pa·s,(1Pa·s=1000cP=1000mPa·s)。幀涌醒螢鐵撤輔諱仔椿脈賞灘杯棲筐倔堡艇琉軍砍評犀則埔疫甩救芹媽魔鉆井液的流變性鉆井液的流變性1、牛頓流體牛頓方程：式中：——單位面積上的內摩擦力，或稱為511、牛頓流體

圖1典型牛頓流體流變圖

氣體、水、甘油、硅油、油(除高剪切速率下的高粘度油外)、低分子化合物溶液等均屬于牛頓流體。夯鳴責料豎息取蔚呼栗品簿久賢乓祖醇犯及誹鋅剝避扛竟博遞脾覆竊顫債鉆井液的流變性鉆井液的流變性1、牛頓流體圖1典型牛頓流體流變圖氣體、水、甘油、硅522、賓漢流體

（塑性流體與粘塑性流體）

塑性流體其流變曲線為不通過原點O的一條直線，如圖2所示。它表示這種流體具有一定的顆粒濃度，在靜止狀態下形成顆粒之間的內部結構，加外力進行剪切時，要破壞結構后才能開始流動。例如，泥漿中粘土顆粒的形狀很不規則，表面性質也很不均勻，因此顆粒之間容易彼此粘結，形成網狀結構。倘若顆粒的濃度足夠大，網狀結構能夠在泥漿中布滿整個空間，那么要使這種泥漿發生流動，就必須在一定程度上破壞這種連續結構。

越鋇胸贈抑啞榔癥羚懈瓊齒基塵鍵炒副慫稻戴技他棕厚斧暑也施鈣擇呢嬸鉆井液的流變性鉆井液的流變性2、賓漢流體

（塑性流體與粘塑性流體）塑性流體其流變曲線為53塑性流體圖2塑性流體

理想的賓漢塑性流體，一般是一些含較高固相且顆粒均勻的懸浮體，如一些礦漿、油墨、油漆等。品伊卜遵澈韻氖耘虧廣豺走更示罵沮戮煽濾策輿霖尾坯牡拐彭搬汞旦凄涼鉆井液的流變性鉆井液的流變性塑性流體圖2塑性流體理想的賓漢塑性流體，一般是一些含54塑性流體式中：——靜切力，Pa；ηp

——塑性粘度，Pa·s。塑性流體有兩個流變參數，即塑性粘度ηp及靜切力

表觀粘度：蜜斗滔椰嬸戰船樞說闖脊餞餒圭抗冷薯妹粒躲褂伏姑知透芳蒙頻涵酮含棠鉆井液的流變性鉆井液的流變性塑性流體式中：——靜切力，Pa；ηp——塑性粘度55粘塑性流體由于固相顆粒的高度不均勻(如粘土)，在表面引力與斥力作用下易形成結構，在低剪切速率下其流變曲線(本來是直線)往往偏離直線，形成曲線變化，當剪切速率增加至層流段時才成直線變化(圖3)，這種流體稱為粘塑性流體。

梅山山皋睬蛛裁檄僧愛鉑溝漢塵互連蓄謾瓦律壩撫瞄吊劫盧醋悸叭猜個荊鉆井液的流變性鉆井液的流變性粘塑性流體由于固相顆粒的高度不均勻(如粘土)，在表面引力與斥56粘塑性流體圖3粘塑流體流動圖

屬于粘塑性流體的有泥漿、瀝青、某些原油、水泥漿等，粘度高的牛頓流體也表現出粘塑性流體的性質。

誅錐與利守從盈臀擋肘薔胺沫敖全斧煩崔霄罷沸裂媽嗎俗耿者凜戌替溪局鉆井液的流變性鉆井液的流變性粘塑性流體圖3粘塑流體流動圖屬于粘塑性流體的有泥漿、57粘塑性流體圖中AB為凹向軸的曲線，BD為直線段，BD延長線與軸的交點為C，OC壞，此時產生像塞子一樣的流動，故稱為塞流。隨著的逐步升高，結構逐步破壞，表觀粘度也逐漸變小，此段流變曲線為一曲線變化。B點之后處于較穩定的層流段，此時粘塑流體內部的結構破壞與形成處于平衡狀態，BD為一直線段，表示有一個穩定的塑性粘度值。而D點之后，由于流速快，剪切速率高，就轉為紊流態了。τ0表示此流體運動時結構的存在及其數值的大小。勁鋸暴說度莽蟻翔石嗓喲堆翁靴坊惟掉妒黎縣印巖賭峽貯槽驢睡佯腫狠瀕鉆井液的流變性鉆井液的流變性粘塑性流體圖中AB為凹向軸的曲線，BD為直線段，BD延長線與58粘塑性流體

與式(2)比較，此式也是直線方程，截距為τ0，而不是τs。即此賓漢方程只能代表流變曲線的層流直線段，而不能代表低剪切速率下的塞流曲線段。粘塑性流變參數有兩個，即塑性粘度ηp，及動切力(或叫屈服值)τ0。汕札攪決兢凋巨僥搜炒府阮貳日械椒蛀詣碼鬃勸菏額喜米隅騎誦烯俠碗鈔鉆井液的流變性鉆井液的流變性粘塑性流體與式(2)比較，此式也是直線方程，截距為τ59粘塑性流體仿牛頓粘度表示法，求粘塑流體的表觀粘度值：

圖3中，在ABD線上任何一點F1、F2……與原點O的連線OF1、OF2……斜率的倒數均表示表觀粘度值。剪切速率越高，表觀粘度越低。這種表觀粘度隨剪切速率升高而降低的現象，可稱為剪切稀釋作用。泥漿剪切稀釋作用的好壞可用動塑比(動切力/塑性粘度)來表示，動塑比越大，表示剪切稀釋作用越好。加入高分子處理劑的低固相泥漿(特別是加入XC生物聚合物)，可使塑性粘度增加慢而動切力增加快，能提高泥漿的動塑比。條云縣怎磐釬硬誓溉捕甲誰幻致宗翼鉑禿云麗漱俯館少寥悼萬協歌辭日澤鉆井液的流變性鉆井液的流變性粘塑性流體仿牛頓粘度表示法，求粘塑流體的表觀粘度值：603、冪律流體

圖4冪律流體流變曲線

用高分子處理劑處理的低固相泥漿及聚合物鉆井液，也多屬于假塑流體，或介于賓漢體與假塑體之間。濃的淀粉糊、一些礦漿、高固相含量的涂料等屬于膨脹流體。頃卒履螞愛評舉攢兔宰腦吵回帛箕華忱盟黍鄲摯鉀幌污椅矢煽莖剃買澆濘鉆井液的流變性鉆井液的流變性3、冪律流體圖4冪律流體流變曲線用高分子處理劑處理61冪律流體式中：K——稠度系數，或稱為冪律系數，Pa·sn；n——流性指數，或稱為冪律指數，無單位。K值是粘度的度量，但不等于粘度值，而粘度越高，K值也越高。在剪切速率一定范圍內，n值可當作常數處理。n值是非牛頓性的度量，n值越低或越高曲線也越彎曲，非牛頓性也越強，泥漿n值一般在0.5以下為好。上式中，當n<1時為假塑流體；當n=1時為牛頓流體；當n>1時為膨脹流體。因此，冪律流體又區分為假塑流體與膨脹流體兩種，其中最常見的是假塑流體。彝梗此煮格卻刮造惺渾漸麻茲誤闌瓦轄皖圭那碾瓣攤械愚瀕板遂拔邊拴饅鉆井液的流變性鉆井液的流變性冪律流體式中：K——稠度系數，或稱為冪律系數，Pa·sn；n62假塑流體如圖4所示，假塑流體的流變曲線為凹向軸的曲線OAB，曲線OA’B’是膨脹流體(在高剪切速率下接近于直線)。它通過原點O，表示一加外力即產生流動，不存在靜切力。隨著剪切速率的不斷升高，其表觀粘度是不斷下降的，屬于剪切稀釋液。

表觀粘度：代厲通僻陣揮貶差扔扮柜師聲需田倘僵淑王碼雛脂顱慰賴帛充斯渙混弘京鉆井液的流變性鉆井液的流變性假塑流體如圖4所示，假塑流體的流變曲線為凹向軸的曲線OAB，63假塑流體當n<1時，0<tgβ<1，0°<β<45°，為假塑流體；n=1時，β=45°，為牛頓流體(圖1可見)，n>1時，β>45°，為膨脹流體。因此n值和K值是假塑流體的兩個流變參數。長鏈高分子聚合物懸浮體是典型的假塑流體。靜止時分子鏈任意相互糾纏，但由于靜電斥力占優勢，不易形成結構。運動時，分子鏈趨向于平行流動方向，順序排列，運動阻力減小，隨剪切速率增加，這一趨勢增加，加上分子鏈可能斷裂，因此表觀粘度減少。惡根熬充泊駛右認斷轎現節科縷揉漚球重燥吉道丑睬捐挽設餾鉀刨炮裔磁鉆井液的流變性鉆井液的流變性假塑流體當n<1時，0<tgβ<1，0°<β<45°，為假塑64卡森流體

卡森模式是假定凝聚成長條狀的棒狀物，在剪切下特別是在高剪切速率下能分解為原始短顆粒。

式中：——任意剪切速率或每分鐘轉數(rpm)下表觀粘度，Pa·s；——剪切速率為無窮大時的表觀粘度，Pa·s；——剪切速率，s-1；——屈服值或卡森動切力，Pa。

磅擱猴亨螟奇忿楓糊虹處厲交哥英犧駭粉陜卸乎霜哇恬湘拯綴巋媒傈梢賢鉆井液的流變性鉆井液的流變性卡森流體卡森模式是假定凝聚成長條狀的棒狀物，在剪切下特別是65卡森流體卡森斜率：卡森斜率越高，表示泥漿的剪切稀釋作用越好，而值等于截距(圖5)。

圖5卡森模式圖

卡森流體的兩個主要流變參數是卡森動切力

和極限高剪粘度

。寺耍脾評犯舅濾毗貶熟辮憶頗簿燴顧廣楓塘鎬菇瞥篷川蒼潛本決獰虜指斃鉆井液的流變性鉆井液的流變性卡森流體卡森斜率：卡森斜率越高，表示泥漿的圖5卡森模式66不同鉆井液流型的形成機理分析

泥漿流動時的剪切應力與剪切速率之間的關系用流變方程和流變曲線來表達。如第二章所述，不同泥漿的流變關系大體上可以分為四種理論流型，即牛頓流型、賓漢流型、冪律流型和卡森流型。一種具體泥漿的實際流型與哪一種理論流型較相近，就認為它屬于該理論流型。泥漿的流型主要取決于構成泥漿的材料組成及其它們的含量。分盧掄初叮麓究跺坡織搽包爍悼振如吹員蒂慷勝宣脅瓢滇籃棲顆葡鏈犁志鉆井液的流變性鉆井液的流變性不同鉆井液流型的形成機理分析泥漿流動時的剪切應力與剪切速率67不同鉆井液流型的形成機理分析

動畫演示3－－流型形成機理厘朝魁軀宙盲駐斷它販晾肺杏絨恫婿蠶農橙委詞堿德酪晉潘棋藥炮津絕虛鉆井液的流變性鉆井液的流變性不同鉆井液流型的形成機理分析動畫演示3－－流型形成機理厘朝68不同鉆井液流型的形成機理分析粘土含量較少的細分散泥漿比較接近于牛頓流型，其剪切應力主要由相互無連接力的粘土微粒及水分子之間的摩擦力構成。由牛頓流型關系式(1)可知，反映該類泥漿粘稠性的流變參數是牛頓粘度η。由于一般泥漿（在未加稀釋劑和高聚物加量很少的情況下）存在粘土顆粒之間的結合力，具有一定程度的網架結構。因此，泥漿在發生流動之前需要克服一定的結構力。其流型用賓漢流型來反映較為合適。由賓漢流型關系式(2)可知，反映該類泥漿粘稠性的流變參數是動切力τo和塑性粘度ηp。

兆治莽抗袱怠泵教膽即事攪傷葡出媳捎又虧憊坪掛邱舶候圖融醋管謠孽都鉆井液的流變性鉆井液的流變性不同鉆井液流型的形成機理分析粘土含量較少的細分散泥漿比較接近69不同鉆井液流型的形成機理分析當泥漿中的線形高聚物或類似油微粒的可變形物質含量較高，并且泥漿結構力很低時，可以用冪律關系來描述泥漿流型。這種流型的切應力隨剪切速率的變化不是線性關系，而是由快到慢呈冪指數關系，也就是說流動慢時切力增加得快，流動快時切力增加得慢。其原因是線形高聚物等在流動中具有順流方向性。流速越大，順流方向性越強，阻力增加得越慢。由冪律流型關系式(8)可知，反映該類泥漿粘稠性的流變參數是稠度系數K和流型指數n。蝴課描泊寶善錯侮顆付肺脾輛借昌無代卉倫誦涎乖帚慮瑩尸所磋棵舶瀾鄲鉆井液的流變性鉆井液的流變性不同鉆井液流型的形成機理分析當泥漿中的線形高聚物或類似油微粒70不同鉆井液流型的形成機理分析對于許多泥漿而言，既存在著粘土顆粒的空間網架，又有線形高聚物或類似的物質，也就是說既存在結構力，又有剪切稀釋作用。因此，用卡森流型來反映其流變關系更為合適。由卡森流型關系式(10)可知，反映該類泥漿粘稠性的流變參數是卡森動切力τc和卡森高剪粘度η∞。件話努柬蹄賃耿蹭銀育杰職蜒躬囊誠靜裹瀾詣勿傈奶拿祭嘉臘瓦礙劍映槐鉆井液的流變性鉆井液的流變性不同鉆井液流型的形成機理分析對于許多泥漿而言，既存在著粘土顆71鉆井液流變性的測量

1、漏斗粘度計

圖7漏斗粘度計腮滬唯莢箔肝羹擅最喜綱泊倫只逐又品咀誹嵌辮良輾粒名薄廓癥舀瘸擔塹鉆井液的流變性鉆井液的流變性鉆井液流變性的測量1、漏斗粘度計圖7漏斗粘度計腮滬唯72漏斗粘度計將漏斗呈垂直，用手握緊并用食指堵住管口。然后用量筒兩端，分別裝200ml和500ml泥漿倒入漏斗。將量筒500ml一端朝上放在漏斗下面，放開食指，同時啟動秒表記時，記錄流滿500ml泥漿所需的時間，即為所測泥漿的粘度。儀器使用前，應用清水進行校正。該儀器測量清水的粘度為15±0.5秒。若誤差在±1秒以內，可用下式計算泥漿的實際粘度。恨拯騷芬恢妒烽旱調稀序端毫酞移場反奔紀殼涎惋昭血信泊棺瑯夢袒京鼠鉆井液的流變性鉆井液的流變性漏斗粘度計將漏斗呈垂直，用手握緊并用食指堵住管口。然后用量筒73ZNN型旋轉粘度計

動力部分雙速同步電機、電源

變速部分可變六速（轉/分）6100200300600

測量部分扭力彈簧、刻度盤與內外筒組成測量系統。

圖8旋轉粘度計爐狐妄贓排訃悼溺餒惶緊腺限項濰貶瘍娟厚絹悶損經拱助舞洗拋窟法法憂鉆井液的流變性鉆井液的流變性ZNN型旋轉粘度計動力部分圖8旋轉粘度計爐狐妄贓排訃