泥浆材料检测与应用：钻井液流变性与钻井的关系.docx

教学目标 与要求知识目标：了解钻井液流变性与钻井作业的关系能力目标：能够区分是钻井液的那个流变参数影响钻井作业素质目标：培养学生爱岗敬业、认真负责的职业素质教学重点 与难点重点：流变参数对钻井作业的影响难点：流变参数对钻井作业的影响处理方法：讲授、举例、讨论教学资源教材、多媒体教室、课件、图片等教学过程主题/任务/活动教学方法/教具时间分配导入新课讲授、举例钻井液的流态讲授其它因素讲授小结讲授作业/ 技能训练教学评估授课内容钻井液流变性与钻井作业的关系计划课时教 学 设 计【导入新课】通过之前的学习我们已经了解了钻井液流变性的相关知识，那么钻井液的 流变性又与我们钻井工程有何关系呢？【授课内容】一、钻井液的净化作用根据喷射钻井理论，岩屑清除分为两个过程：一是岩屑被冲离井底，二是 岩屑从环形空间被携带到地面。后者属于钻井液工艺范围。下面先来看钻井液在环空的流动状态，层流流动时，被携带的岩屑颗粒随 钻井液向上运动，由于重力向下滑落，岩屑颗粒净上升速度取决于流体上返速 度与颗粒自身滑落速度之差。将岩屑上升速度与钻井液上返速度比称作携带比, 表示井筒净化效率。vp、vf、vs分别表示岩屑净上升速度、钻井液上返速度、岩屑滑落速 度，m/so通过提高钻井液在环空的上返速度和降低岩屑滑落速度来提高携带比，提 高井眼净化效率的方法，因上返速度不能大幅提高，可降低岩屑滑落速度。岩 屑滑落速度与岩屑尺寸、岩屑密度、钻井液密度、流态有关，与钻井液有效粘 度成反比。层流时钻井液流速剖面为抛物线型，中心流速最大，两侧逐渐降低，靠近 井壁或钻杆壁处速度为零。片状岩屑上升过程中翻转侧立，向环空两侧运移。 有的岩屑贴在井壁成厚“假泥饼”，有的沿壁下落。受两侧向上液流阻力作用， 岩屑下滑一定距离又会进入流速较高中心部位向上运移。如下图：O12 525.037.550 径/niEra 2 -8 片状岩屑/E幺流时的受力情况岩屑翻转现象对携带岩屑不利，延长了岩屑上返时间，起、下钻遇卡、下 钻下不到井底等复杂情况。岩屑翻转现象与岩屑形状有关，当岩屑厚度与其直 径比小于0.3或大于0.8才会出现，此范围之外岩屑可以较顺利携带出来。而钻柱转动对层流携带岩屑也有利，旋转改变了层流时液流速度分布情况，使靠近钻柱外表液流速度加大，岩屑以螺旋上升，如图中b所示。此时岩屑翻转仅发生在靠近井壁那侧。紊流携带岩屑原理:如图中c所示，钻井液紊流流动，岩屑不存在翻转和滑落现象，几乎全部 都能携带处地面，环形空间岩屑较少。紊流的缺点是：钻井液上返速度高，泵排量大。受泵压和泵功率限制，特 别是井眼尺寸较大、井较深、钻井液粘度切力较高，更难实现。紊流携岩使钻 头水马力降低，不利于喷射钻井；紊流时的高流速对井壁冲蚀严重，不能很好 形成泥饼，使易塌地层井壁垮塌。因此，钻井液在上返过程中使用层流是合适，而层流可分为尖峰型层流和 平板型层流。通过调节钻井液流变性能，增大 令 或减小n值，可使钻井液流速剖面由尖峰转为平缓。相对于尖峰型层流和紊流，平板型层流可实现环空较低返速而有效携带岩 屑。为有效携带岩屑，钻井液尸一在0.360.48Pa/mPas 或n值在0.40.7范 围。宁过小导致尖峰型层流；色过大导致泵压显著增高。为了减小岩屑滑 落速度，钻井液有效粘度不可太低，如对于低固相聚合物钻井液来说，将np 保持在612mpas范围，即为合适。二、钻井液流变性对井壁稳定性的影响：紊流对井壁有较强冲蚀作用，易引起易塌地层垮塌，不利于井壁稳定。钻 井液循环应保持在层流状态，防止紊流。临界返速受钻井液密度、塑性粘度、 动切力影响。钻井液密度、塑性粘度、动切力减小，临界流速降低，容易形成紊流。表2-1钻井液密度和流变参数对临界返速的影响D/cmd/cmp/g , cm - 3i;p/mPa . sF0/Pavc/m - s-121.5912.71.2023603. 7621.5912.71.099.4262. 5521.5912.71.066202. 25环空返速在确定时，既要考虑携岩问题，又要注意钻井液流态，保持井壁 稳定。三、钻井液流变性对岩屑和加重剂悬浮的影响。钻井液悬浮能力取决于静切力和触变性。静切力高，钻井液形成空间网架 结构能力强，悬浮能力强。触变性好，循环停止时，钻井液很快到达一定切力 值，有利于悬浮岩屑和加重剂。井内液柱波动压力也受钻井液流变性影响。井内液柱波动压力（也称压力激动）指在起下钻和钻进过程中，由于钻柱 上下运动、钻井泵开动等原因，使井内液柱压力发生突然变化（升高或降低）, 产生附加压力的现象。钻柱具有一定体积，钻柱入井或起出时，钻井液向上或向下流动，产生附 加压力。下钻时波动压力为正值，对井内产生挤压作用，易引起井漏等复杂情 况；起钻时为负值，对井内产生抽吸作用，易引起井壁坍塌和井喷。钻井液有触变性，停止循环后，井内钻井液处于静止状态，粘土颗粒形成 的空间网架结构强度增大，切力升高，开泵时泵压超过正常循环时所需的压力, 造成激动压力。开泵时使用的排量越大，激动压力的值就越高。当钻井液开始 流动，结构逐渐被破坏泵压逐渐下降，随着排量增大，结构的破坏与恢复到达 平衡，泵压趋于平稳。如下图，Ps和P0分别为克服钻井液静切力和动切力所需要的压力；P1 和P2分别为钻井液静止假设干时间(tk t2)之后，开泵时克服钻井液切力所需的 压力。钻井液触变性使切力值随静止时间的延长而增大，P2 > Pl > POo以P1 开泵，压力沿虚线升至Ml点与流变曲线相交；以P2开泵，压力沿虚线到达 M2点与流变曲线相交；循环一定时间后，压力才恢复到对应于一定排量的稳定工作压力，此为开 泵时激动压力。影响波动压力因素除起下钻速度、钻头与钻柱的泥包程度、环形空间的间 隙、井深以外，与钻井液的黏粘度、切力密切相关。其他条件相同时，钻井液 粘度、切力增大，波动压力会更加严重。因此，要控制钻井液流变性，起下钻 和开泵操作不宜过快过猛，开泵前最好先活动钻具，特别是钻遇高压地层、易 漏失地层或易坍塌地层，以防因波动压力而引起的各种井下复杂情况。四、钻井液流变性也会影响钻速的提高。钻井液流变性是影响机械钻速的重要因素。由于钻井液有剪切稀释作用， 在钻头喷嘴处流速极高，此时，紊流流动阻力很小，液流对井底冲击力增强， 更加容易渗入钻头冲击井底岩石时形成的微裂缝中，可减小岩屑的压持效应和 井底岩石的可钻性，有利于提高钻速。课后小结