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第三章钻井液的流变性第1页，此课件共53页哦第三章第三章 钻井液的流变性钻井液的流变性流变性：流变性：是指在外力作用，物质发生流动和变形的特性；对钻井液 而言，其流动性是主要的方面。与钻井液流变性有关的钻井问题：与钻井液流变性有关的钻井问题：（1）携带岩屑，保证井底和井眼的清洁；（2）悬浮岩屑与重晶石；（3）提高钻井速度 （4）保持井眼规则和保证井下安全。第2页，此课件共53页哦第一节第一节 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单位距离流速的增量。第3页，此课件共53页哦第一节第一节 基本概念基本概念 在钻井过程中，钻井液在各个部位的剪切速率不同：沉砂池处：10-20s-1；环形空间：50250s-1；钻杆内：1001 000 s-1；钻头喷嘴处：10 000-100 000 s-1第4页，此课件共53页哦第一节第一节 基本概念基本概念二、剪切应力：流体单位面积上的内摩擦力。=F/A Pa 式中：F-流体的内摩擦力 N A-面积 m2 三、流变曲线：描述与关系的曲线四、流变模式/流变方程：描述与关系的数学关系式第5页，此课件共53页哦第一节第一节 基本概念基本概念 牛顿流体：=塑性流体：=0+p 假塑性流体：=K n n1 五、表观粘度/总粘度 a 1、定义：剪切应力与对应剪切速率之比 a =/无特殊说明，a是指=1022 s-1时的 a 2、几何意义：a=tg()第6页，此课件共53页哦第二节第二节 基本流型及其特点基本流型及其特点 牛顿流型：牛顿流体 膨胀流型：膨胀性流体 塑性流型：塑性流体 假塑性流型：假塑性流体 卡森流型：卡森流体流型：根据流体流动时剪切应力与剪切速率之间的关系。流体可以分为不同的类型。第7页，此课件共53页哦第二节第二节 基本流型及其特点基本流型及其特点一、塑性流体一、塑性流体1 1、流变曲线、流变曲线1s第8页，此课件共53页哦第二节第二节 基本流型及其特点基本流型及其特点（1 1）曲线不过原点，在）曲线不过原点，在轴上有一截距轴上有一截距s s 扩散双电层斥力 水化膜弹性斥力 静电吸引力 范德华引力 形状：片状 层面：负电荷（多）端面：正电荷/负电荷（少）粘土颗粒间粘土颗粒间作用力作用力粘土颗粒粘土颗粒特点特点第9页，此课件共53页哦第二节第二节 基本流型及其特点基本流型及其特点 粘土颗粒的连接方式：粘土颗粒的连接方式：假设开始时颗粒呈单个分散状态，当斥力逐渐下降时，三种连接方式的出现顺序为：第10页，此课件共53页哦第二节第二节 基本流型及其特点基本流型及其特点 不过原点的原因：不过原点的原因：由于颗粒间以端-端和（或）端-面连 接，形成网架结构，要使体系流动，就必破坏这种网架结构。s物理意义：物理意义：反映钻井液在静止时形成网架结构的强弱（2 2）在低剪切速率范围内，为曲线段）在低剪切速率范围内，为曲线段 流体开始流动后，存在以下一对矛盾：结构拆散 结构恢复在低剪切速率下，结构拆散速度 结构恢复速度产生同样所需减少 /第11页，此课件共53页哦第二节第二节 基本流型及其特点基本流型及其特点（3 3）在中、高剪切速率范围内，为直线段）在中、高剪切速率范围内，为直线段当达到某一值时结构拆散速度=结构恢复速度网架结构数量不变产生同样所需不变/可供拆散的网架结构数量 结构拆散速度体系中游离的颗粒数量 结构恢复速度第12页，此课件共53页哦第二节第二节 基本流型及其特点基本流型及其特点 2 2、宾汉模式、宾汉模式 =0+p 式中：0：动切力或屈服值，Pa p：塑性粘度，Pa.S （1 1）塑性粘度）塑性粘度 p p 物理意义物理意义：反映流体在层流下达到动平衡时，固相颗粒之间、固相颗粒与液相之间以及液相内部内摩擦力的大小。影响因素影响因素 A、固相含量 固相颗粒数目 塑性粘度 p 第13页，此课件共53页哦第二节第二节 基本流型及其特点基本流型及其特点E、温度 液相粘度 塑性粘度 p B、固相分散度 固相颗粒数目 塑性粘度 p C、固相类型 活性固相：在水中分散性强的固相，如膨润土 惰性固相：在水中分散性弱的固相，如钻屑活性固相含量 固相分散度 塑性粘度 p （固相含量 一定）D、液相粘度 内摩擦力 塑性粘度 p 第14页，此课件共53页哦第二节第二节 基本流型及其特点基本流型及其特点使用固控设备使用化学絮凝剂加水稀释 p p 调整调整加预水化般土 加增粘剂第15页，此课件共53页哦第二节第二节 基本流型及其特点基本流型及其特点E、电解质的影响（2）动切力）动切力0 物理意义物理意义：钻井液在层流状态下达到动平衡时形成网架结构的强弱。影响因素影响因素A、固相含量 网架结构数目 动切力0B、活性固相含量 固相分散度 网架结构数目 动切力0C、降粘剂 动切力0D、高分子聚合物 动切力0第16页，此课件共53页哦第二节第二节 基本流型及其特点基本流型及其特点0电解质浓度CC0第17页，此课件共53页哦第二节第二节 基本流型及其特点基本流型及其特点0电解质浓度CCa2+Na+原因：原因：电解质浓度C 压缩扩散双电层 电动电位颗粒间斥力 形成网架结构，0电解质浓度C 压缩扩散双电层 电动电位颗粒间斥力 形成面面连接，固相分散度，0第18页，此课件共53页哦第二节第二节 基本流型及其特点基本流型及其特点00调整调整 加预水化般土 加高分子聚合物加适量的电解质加降粘剂加水稀释消除引起0升高的电解质第19页，此课件共53页哦第二节第二节 基本流型及其特点基本流型及其特点二、假塑性流体二、假塑性流体/幂律流体幂律流体1 1、流变曲线、流变曲线第20页，此课件共53页哦第二节第二节 基本流型及其特点基本流型及其特点原因123123流动方向（1）曲线过原点）曲线过原点无网架结构脆弱且不连续的网架结构（2）曲线无直线段）曲线无直线段原因：随增大，体系中形状不规则的粒子沿流动方向转向和变形，流动阻力减小。第21页，此课件共53页哦第二节第二节 基本流型及其特点基本流型及其特点 2、幂律模式、幂律模式 =Kn 式中：K：稠度系数，Pa.Sn n：流性指数，无因次，0n 1 （1 1）流性指数）流性指数n n 物理意义：反映流体偏离牛顿流体的程度。n 越小，表明越偏离牛顿流体第22页，此课件共53页哦第二节第二节 基本流型及其特点基本流型及其特点（2 2）稠度系数）稠度系数K K 物理意义：主要反映钻井液粘度的大小，K越大，粘度越大。影响因素及调整 同塑性粘度 p。0 0 n 1影响因素及调整 =0+p =p =K n =K 凡是影响0的因素必然影响n，但影响方向相反，既使0 使n第23页，此课件共53页哦第二节第二节 基本流型及其特点基本流型及其特点三、卡森流体三、卡森流体 宾汉模式的局限性：适合在中剪切速率 范围描述钻井液的流变性。幂律模式的局限性：适合在低、中剪切速率 范围描述钻井液的流变性 卡森模式：卡森(Casson)模式是1959年由卡森首先提出的，最初主要应 用于油漆、颜料和塑料等工业中。1979年，美国人劳增(Lauzon)和里德(Reid)首次将卡森模式 用于钻井液流变性的研究中。卡森模式不但在低剪切区和中剪切区有较好的精确度，还 可以利用低、中剪切区的测定结果预测高剪切速率下的流 变 特性。第24页，此课件共53页哦第二节第二节 基本流型及其特点基本流型及其特点1、流变曲线、流变曲线1/21/2第25页，此课件共53页哦第二节第二节 基本流型及其特点基本流型及其特点2、卡森模式、卡森模式 1/2=c1/2+1/21/2 式中：c-卡森动切力(卡森屈服值)，Pa；-极限高剪切粘度（水眼粘度），mPas (1)卡森动切力c 物理意义：反映钻井液网架结构的强弱 影响因素与调整：同0 (1)极限高剪切粘度 物理意义：反映钻井液内摩擦力的强弱 影响因素与调整：同 p第26页，此课件共53页哦第二节第二节 基本流型及其特点基本流型及其特点四、流型判断四、流型判断1、作图法 （1）多点测试（，）（2）分别以和 为坐标轴绘图 （3）结合标准流变曲线进行判断 第27页，此课件共53页哦第二节第二节 基本流型及其特点基本流型及其特点2、线性回归法（1）多点测试（，）（2）假设流变模式后进行线性回归 =0+p =K n 1/2=c1/2+1/21/2（3）检验 相关系数r计 临界相关系数r临，假设成立。第28页，此课件共53页哦第三节第三节 流变参数测量与计算流变参数测量与计算一、测量仪器及原理一、测量仪器及原理 1、漏斗粘度计漏斗容积：750ml原理：测定一定钻井液（500ml）从漏斗下端流出所需的时间。第29页，此课件共53页哦第三节第三节 流变参数测量与计算流变参数测量与计算范氏粘度计（外筒转）2、旋转粘度计、旋转粘度计二速六速无级调速范氏粘度计：内筒转第30页，此课件共53页哦第三节第三节 流变参数测量与计算流变参数测量与计算 测量原理测量原理:(1)剪切速率与转子转速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)剪切应力与粘度计读数成正比：=0.511 Pa第31页，此课件共53页哦第三节第三节 流变参数测量与计算流变参数测量与计算作图法计算法二、流变参数确定二、流变参数确定做 流变曲线判断流型确定参数判断流型计算公式推导计算第32页，此课件共53页哦第三节第三节 流变参数测量与计算流变参数测量与计算1、塑性流体流变参数计算、塑性流体流变参数计算-3PaSmPaS第33页，此课件共53页哦第三节第三节 流变参数测量与计算流变参数测量与计算Pa第34页，此课件共53页哦第三节第三节 流变参数测量与计算流变参数测量与计算2 2、假塑性流体流变参数计算、假塑性流体流变参数计算第35页，此课件共53页哦第三节第三节 流变参数测量与计算流变参数测量与计算K第36页，此课件共53页哦第三节第三节 流变参数测量与计算流变参数测量与计算第37页，此课件共53页哦第三节第三节 流变参数测量与计算流变参数测量与计算3、卡森流体流变参数计算、卡森流体流变参数计算 1/2=c1/2+1/21/2 1/21/2第38页，此课件共53页哦第三节第三节 流变参数测量与计算流变参数测量与计算4 4、表观粘度、表观粘度 a及剪切稀释性及剪切稀释性 （1）表观粘度 a a定义：剪切应力与对应剪切速率之比 a =/无特殊说明，a是指=1022 s-1时的 a 第39页，此课件共53页哦第三节第三节 流变参数测量与计算流变参数测量与计算（2 2）剪切稀释性）剪切稀释性 定义：表观粘度随剪切速率增大而降低的特性。钻井对剪切稀释性要求：要求钻井液具有较强的剪切稀释性。环形空间：低，a大，有利于携带钻屑 钻头水眼：大，a小，有利于水力破岩第40页，此课件共53页哦第三节第三节 流变参数测量与计算流变参数测量与计算牛顿流体：=a=塑性流体：=0+p假塑性流体：=K n n1第41页，此课件共53页哦第三节第三节 流变参数测量与计算流变参数测量与计算剪切稀释性影响因素：塑性流体：假塑性流体：卡森流体：一般钻井要求：第42页，此课件共53页哦第三节第三节 流变参数测量与计算流变参数测量与计算5、切力、切力与触变性与触变性 （1）切力 定义：指静切力，表示钻井液在静止状态下网架结构的强弱。切力随静止时间的变化而变化（见右图），塑性流体静切力s是静切力的极限值。1、较快的强凝胶 2、较慢的强凝胶 3 3、较快的弱凝胶、较快的弱凝胶 4、较慢的弱凝胶 第43页，此课件共53页哦第三节第三节 流变参数测量与计算流变参数测量与计算触变性评价：触变性评价：以终切和初切的差值来表示终切和初切的测量：终切和初切的测量：A、高速搅拌10min;B、初切测量：在600rpm下转1min，静止10s，测3rpm的切力终切测量：在600rpm下转1min，静止10min，测3rpm的切力第44页，此课件共53页哦第四节第四节 钻井液流变性与钻井的关系钻井液流变性与钻井的关系携岩及悬浮携岩及悬浮井壁稳定井壁稳定钻井速度钻井速度抽吸压力与激动压力滤失性泥浆泵泵压与排量流变性与钻流变性与钻井关系井关系第45页，此课件共53页哦第四节第四节 钻井液流变性与钻井的关系钻井液流变性与钻井的关系钻井液流态层流特点层流特点一、钻井液流变性与携岩的关系一、钻井液流变性与携岩的关系塞流层流过度流紊流1、层流及其携岩特点、层流及其携岩特点成层流动流速低速度剖面呈“尖峰”物线第46页，此课件共53页哦第四节第四节 钻井液流变性与钻井的关系钻井液流变性与钻井的关系层流携岩特点层流携岩特点1、对井壁冲刷作用小，有利于井壁稳定2、存在“转动靠壁”现象，携岩效率低 F1F2F3F4第47页，此课件共53页哦第四节第四节 钻井液流变性与钻井的关系钻井液流变性与钻井的关系紊流特点紊流特点层流携岩特点层流携岩特点1、无“转动靠壁”现象，携岩效率高2、对井壁冲刷作用大3、岩屑滑落速度大4、循环压耗大2、紊流及其携岩特点、紊流及其携岩特点流体质点作无规则运动流速大、速梯小速度剖面扁平第48页，此课件共53页哦第四节第四节 钻井液流变性与钻井的关系钻井液流变性与钻井的关系3、平板型层流、平板型层流流速低速度剖面扁平对井壁冲刷作用小 携岩效率高平板型层流平板型层流特点特点携岩特点携岩特点 等速核直径d0越大，携岩效率越高：d0动塑比塑性流体：适合值在0.36-0.48Pa/mPas第49页，此课件共53页哦第四节第四节 钻井液流变性与钻井的关系钻井液流变性与钻井的关系适合值在0.4-0.7钻井液静止时能有效将钻屑和加重剂悬浮起来，或很慢的下沉。钻井对钻井液悬浮能力的要求：悬浮能力影响因素：静切力和触变性GF浮F切幂律流体：n d0二、钻井液流变性与悬浮钻屑和加重剂的关系钻井液流变性与悬浮钻屑和加重剂的关系第50页，此课件共53页哦第四节第四节 钻井液流变性与钻井的关系钻井液流变性与钻井的关系 式中：d-颗粒直径 1-固相密度 -钻井液密度 s-钻井液静切力第51页，此课件共53页哦第四节第四节 钻井液流变性与钻井的关系钻井液流变性与钻井的关系根据上述公式我们就可以计算悬浮重晶石颗粒所需要的切力，重晶石密度4.2，钻井液密度假设1.2，重晶石颗粒最大直径假设为0.2mm，带入上述公式可得：=110-4（4.2-1.2）9.8/3=9.810-4mPa1Pa第52页，此课件共53页哦第四节第四节 钻井液流变性与钻井的关系钻井液流变性与钻井的关系三、三、钻井液流变性与井壁稳定的关系钻井液流变性与井壁稳定的关系 流态对井壁稳定的影响：层流比紊流有利于井壁稳定 临界流速Vc：紊流：钻井液上返速度 Vc层流：钻井液上返速度 Vc第53页，此课件共53页哦