钻井液与完井液讲稿.ppt

《钻井液与完井液讲稿.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《钻井液与完井液讲稿.ppt（79页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、关于钻井液与完井液第一页，讲稿共七十九页哦2第一节、第一节、钻井液的流动状态和基本概念钻井液的流动状态和基本概念1.流体的流动类型流体的流动类型 稳稳 定定 流：流：流场中任何点的流动参量不随时间改变，但不同流场中任何点的流动参量不随时间改变，但不同点的流动参量可以不同的流动。点的流动参量可以不同的流动。特特 点：点：稳定流动是连续性的。稳定流动是连续性的。不稳定流：流场中任何点的流动参量不但随位置不同而变，而且随不稳定流：流场中任何点的流动参量不但随位置不同而变，而且随时间不同也在改变的流动。时间不同也在改变的流动。特特 点：旧的流动条件刚改变到新的流动稳定条件建立之点：旧的流动条件刚改变到

2、新的流动稳定条件建立之间的流动。间的流动。如：流体刚开始流动时；管道横断面变宽、变窄处。如：流体刚开始流动时；管道横断面变宽、变窄处。第二页，讲稿共七十九页哦3稳定流动类型的变化稳定流动类型的变化 塞流塞流 Plug Flow-流体象塞子一样流动，流速为常数流体象塞子一样流动，流速为常数.稳定流稳定流 层流层流 Laminar Flow-流体分层运动。任意流层与相邻流流体分层运动。任意流层与相邻流 层方向相层方向相 同，流速不同。同，流速不同。紊流紊流 Turbulent Flow-流体内形成无数小旋涡。任一定流体内形成无数小旋涡。任一定 点的流速，点的流速，其大小、方向都在进行着不规则的、连

3、续的变化。其大小、方向都在进行着不规则的、连续的变化。塞塞 流流层层 流流紊紊 流流第三页，讲稿共七十九页哦42.基本概念（预备知识）基本概念（预备知识）剪切速率剪切速率 Shear Rate同义名称：速梯、剪率、切变率，流速梯度。同义名称：速梯、剪率、切变率，流速梯度。常用符号：常用符号：、D、dv/dr定定 义：义：=dv/dr=垂直于流动方向上单位距离内的垂直于流动方向上单位距离内的 流流速增量。速增量。意意 义：义：dv/dr 增大，液流各层间的速度变化大；反之则小。增大，液流各层间的速度变化大；反之则小。单单 位：位：=速度速度/距离距离=cm/s/cm=1/s=s-1钻井液循环系统

4、中各部位剪切速率范围为钻井液循环系统中各部位剪切速率范围为:沉砂罐处：沉砂罐处：1020s-1 环形空间：环形空间：50250s-1 钻杆内部：钻杆内部：1001000s-1 钻头水眼：钻头水眼：10007000s-1第四页，讲稿共七十九页哦5 剪切应力剪切应力 Shear Stress同义名称：剪应力、切应力。同义名称：剪应力、切应力。常用符号：常用符号：定定 义：义：=F/A=液层单位面积上的剪切力。液层单位面积上的剪切力。意意 义：义：越大，液流各层所受的作用力越大；反之，越小。越大，液流各层所受的作用力越大；反之，越小。剪切应力剪切应力 内摩擦力内摩擦力单单 位：位：=F/A=dyn/

5、cm2；Pa。1Pa=1N/m2=10dyn/cm2第五页，讲稿共七十九页哦6 流变曲线流变曲线 Consistency Curve定定 义：速梯与切应力关系曲线。义：速梯与切应力关系曲线。表示方法：三种表示法。表示方法：三种表示法。000Q；V；n P；P；第六页，讲稿共七十九页哦7 粘度粘度 Viscosity同义名称：有效粘度、视粘度。同义名称：有效粘度、视粘度。常用符号：常用符号：定定 义：义：=/(单位剪切速率的剪切应力单位剪切速率的剪切应力)。单单 位：位：=/=dyn/cm2/s-1=dyn.s/cm2=泊泊 1泊泊=100cp=100mPa.s=1dyn.s/cm2=0.1Pa

6、.s第七页，讲稿共七十九页哦8几何意义几何意义A.流变曲线上某点与原点相连直线斜流变曲线上某点与原点相连直线斜率的倒数率的倒数A=1/tg =A/A 越大，越大，越小越小图中：图中：A B0AB2 10AB 21第八页，讲稿共七十九页哦9漏斗粘度漏斗粘度 Funnel Viscosity定定 义：定体积泄流时间。义：定体积泄流时间。单单 位：秒；位：秒；s类类 型：型：马氏漏斗粘度马氏漏斗粘度 Marsh Funnel Viscosity定义：定义：1500ml 流出流出946ml 的时间。的时间。标准：清水测量值：标准：清水测量值：260.5s 中国漏斗粘度中国漏斗粘度定义：定义：700ml

7、流出流出500ml的时间。的时间。标准：标准：清水测量值：清水测量值：150.5s第九页，讲稿共七十九页哦10漏斗粘度反映流变性的优缺点漏斗粘度反映流变性的优缺点优点：优点：简单易行简单易行缺点：缺点：测定过程中流速梯度在变化测定过程中流速梯度在变化没有考虑流体密度的影响没有考虑流体密度的影响第十页，讲稿共七十九页哦11剪切稀释性剪切稀释性 钻井液的有效粘度随剪切速率增加而降低的钻井液的有效粘度随剪切速率增加而降低的现象。现象。特点：剪切速率是变量；粘度是变量。特点：剪切速率是变量；粘度是变量。可用可用YP/PV ,n,Im等来表征。等来表征。第十一页，讲稿共七十九页哦12第二节、第二节、基本

8、流型及其分析基本流型及其分析一、流体分类一、流体分类 根据根据“应力应力 应变（流动）（应变（流动）（）”关系，将流体分为：关系，将流体分为：第十二页，讲稿共七十九页哦13二、流体分析二、流体分析 对流体研究对象的基本假设：对流体研究对象的基本假设：连续介质连续介质 均质性均质性 不可压缩性不可压缩性 层流层流第十三页，讲稿共七十九页哦141、牛顿内摩擦定律与牛顿流、牛顿内摩擦定律与牛顿流体体 牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律=F/A=(dv/dr)表征流体粘性的比例系数，表征流体粘性的比例系数，简称牛顿粘度。简称牛顿粘度。F 内摩擦力。内摩擦力。牛顿流体牛顿流体 流变性符合牛顿内摩擦定律流变性符

9、合牛顿内摩擦定律的流体。的流体。类型举例：水、甘油、单相液类型举例：水、甘油、单相液体等。体等。流变曲线：通过原点的直线。流变曲线：通过原点的直线。特点：特点：=/=C（常数）（常数）Frdvdrr0稠液体稠液体稀液体稀液体第十四页，讲稿共七十九页哦152.非牛顿流体非牛顿流体 剪切应力与剪切速率不呈线形关系的流体。剪切应力与剪切速率不呈线形关系的流体。（1）流变特性与时间无关的非牛顿流体）流变特性与时间无关的非牛顿流体特点：特点：与与呈单值对应关系。呈单值对应关系。塑性流体塑性流体 Plastic Fluids数学模型：数学模型：=0+s 流变曲线：有截距的直线。流变曲线：有截距的直线。流变

10、参数：流变参数：动切应力动切应力 Yield Stress同意名称：屈服值、屈服点。同意名称：屈服值、屈服点。定定 义：流体开始呈现层流流动时所需要的剪切应力。义：流体开始呈现层流流动时所需要的剪切应力。常用符号：常用符号：0；YP单单 位：位：dyn/cm2、Pa几何意义：直线截距的切应力值。几何意义：直线截距的切应力值。0s0塑性体塑性体第十五页，讲稿共七十九页哦16 塑性粘度塑性粘度 Plastic Viscosity定定 义：塑性流体与其结构强弱无关的粘度。义：塑性流体与其结构强弱无关的粘度。常用符号：常用符号：s、PV单单 位：公制：位：公制：dyn.s/cm2、泊、厘泊。、泊、厘泊

11、。国际：国际：Pa.s、mPa.s模式讨论模式讨论 -0=s 或者或者 =s+0/优点：优点：0，0 能够反映多数钻井液具有内部结构情况。能够反映多数钻井液具有内部结构情况。，能够反映多数钻井液的剪切稀释性。能够反映多数钻井液的剪切稀释性。，s 能够反映出钻井液的极限粘度。能够反映出钻井液的极限粘度。缺点：缺点：低剪切速率下：低剪切速率下：实实 宾宾 表明模型拟合实际曲线有较大偏差表明模型拟合实际曲线有较大偏差.第十六页，讲稿共七十九页哦17真实泥浆与不同流型的比较真实泥浆与不同流型的比较 r0 0 s钻井液钻井液宾汉流体宾汉流体假塑性流体假塑性流体第十七页，讲稿共七十九页哦18假塑性流体假塑

12、性流体 Pseudoplastic Fluids流变模式：流变模式：=Kn流变曲线：过原点凸向切应力轴的曲线。流变曲线：过原点凸向切应力轴的曲线。流变参数：流变参数：稠度系数稠度系数 K意义：反映流体的粘滞性。意义：反映流体的粘滞性。K越大，流体越难流动。越大，流体越难流动。单位：单位：dyn.sn/cm2 流型指数流型指数 n意义：偏离牛顿流体的程度。意义：偏离牛顿流体的程度。模式讨论模式讨论 =Kn 或者或者 =Kn-1 0，0 不符合大多数钻井液具有屈服应力的特点。不符合大多数钻井液具有屈服应力的特点。，能够反映钻井液的剪切稀释性。能够反映钻井液的剪切稀释性。，0 无极限粘度，不符合钻井

13、液情况。无极限粘度，不符合钻井液情况。0rn 1n 1第十八页，讲稿共七十九页哦19 卡森流体卡森流体casson fluid流变模型：流变模型：1/2=c1/2+1/2 1/2流变曲线：流变曲线：1/2 1/2 作图，为一条直线。作图，为一条直线。作图，为直线与曲线之和。作图，为直线与曲线之和。模式讨论模式讨论 1/2=c1/2+1/2 1/2 0，c 能够反映多数钻井液具有内能够反映多数钻井液具有内 部结构情况。部结构情况。，能够反映多数钻井液的剪切能够反映多数钻井液的剪切 稀释性。稀释性。，能够反映出钻井液的极限粘度。能够反映出钻井液的极限粘度。c00 1/2 c1/2r1/2r第十九页

14、，讲稿共七十九页哦20赫巴流型赫巴流型流变模式流变模式说明说明对于动切力较高的聚合物钻井液，特别是在环空较低对于动切力较高的聚合物钻井液，特别是在环空较低剪切速率下，它往往比宾汉模式和幂律模式更接近于钻剪切速率下，它往往比宾汉模式和幂律模式更接近于钻井液的流变性。因其为三参数方程，参数计算较复杂。井液的流变性。因其为三参数方程，参数计算较复杂。参数计算参数计算第二十页，讲稿共七十九页哦21(2)流变特性与时间有关的非牛顿流体流变特性与时间有关的非牛顿流体特点：特点：=f(，t）触变性流体触变性流体 Thixotropy 实验现象：流体摇动并静止后形成凝胶，再次摇动后恢复到实验现象：流体摇动并静

15、止后形成凝胶，再次摇动后恢复到原有状态。原有状态。通俗定义：恒温恒压下，流体搅拌后变稀，静止后变稠的特通俗定义：恒温恒压下，流体搅拌后变稀，静止后变稠的特性。性。一般定义：一般定义：在一定速梯下，剪切应力随作用时间在一定速梯下，剪切应力随作用时间 增加而减小的特性。增加而减小的特性。胶化定义：等温情况下，流体状态发生胶化定义：等温情况下，流体状态发生 凝胶凝胶溶胶溶胶凝胶可逆转变凝胶可逆转变 的特性。的特性。0t牛顿体震凝体触变体第二十一页，讲稿共七十九页哦22 触变性机理触变性机理 流体内部的粘土粒子因其物化原因易形成网架结构。流体内部的粘土粒子因其物化原因易形成网架结构。静止后：粒子为了满

16、足表面静电饱和，在自由能最小部位自行排列而形成凝静止后：粒子为了满足表面静电饱和，在自由能最小部位自行排列而形成凝胶胶 结构。结构。搅拌时：网架结构逐步被拆散。搅拌时：网架结构逐步被拆散。显然，凝胶结构显然，凝胶结构=f(固含、固相类型、温度、时间、剪切过程、处理剂类固含、固相类型、温度、时间、剪切过程、处理剂类型）型）触变性的两个特点：触变性的两个特点：A.形成结构到拆散结构，或反之，在等温情况下是可逆的，可重复的。形成结构到拆散结构，或反之，在等温情况下是可逆的，可重复的。B.结构的变化与时间紧密相关。结构的变化与时间紧密相关。静置静置静置静置搅拌搅拌搅拌搅拌第二十二页，讲稿共七十九页哦2

17、3 触变性的表示和测量触变性的表示和测量表示原理：用流体恢复内部网架结构所需时间和最终的静切应力大小表示。表示原理：用流体恢复内部网架结构所需时间和最终的静切应力大小表示。表示方法：表示方法：触变性触变性=初切力初切力/终切力（旋转粘度计或浮筒切力计）终切力（旋转粘度计或浮筒切力计）触变环面积大小触变环面积大小.具体表示：具体表示：低密度钻井液：触变性低密度钻井液：触变性=初切力初切力/终切力终切力=1分钟静切力分钟静切力/10分钟静切力分钟静切力 即：触变性即：触变性=1/10=G1/G10高密度钻井液：触变性高密度钻井液：触变性=10秒钟静切力秒钟静切力/10分钟静切力分钟静切力=10“/

18、10=G10”/G10较快的强凝胶较快的强凝胶较慢的强凝胶较慢的强凝胶较快的弱凝胶较快的弱凝胶较慢的弱凝胶较慢的弱凝胶sstt平坦型凝胶平坦型凝胶递增型凝胶递增型凝胶良好型凝胶良好型凝胶脆弱型凝胶脆弱型凝胶第二十三页，讲稿共七十九页哦24第三节、第三节、钻井液流变参数的胶体化学性质钻井液流变参数的胶体化学性质学习意义：学习意义：分散介质间吸引力。分散介质间吸引力。流变性流变性=f(流动阻力）流动阻力）分散相与介质粘附力。分散相与介质粘附力。反映钻井液自身结构强弱反映钻井液自身结构强弱 分散相之间吸力、斥力。分散相之间吸力、斥力。（可通过化学处理改变）（可通过化学处理改变）即：化学处理即：化学处

19、理改变体系内部结构（胶化性质）改变体系内部结构（胶化性质）改变流动阻力改变流动阻力 改变钻井液流变性改变钻井液流变性因此，通过钻井液流变性变化，可以分析：因此，通过钻井液流变性变化，可以分析：化学处理剂作用后，钻井液体系中分散相结构的微观变化。化学处理剂作用后，钻井液体系中分散相结构的微观变化。钻井液体系的稳定性。钻井液体系的稳定性。寻求符合生产实际所需要的钻井液配方，满足钻井工程的需要。寻求符合生产实际所需要的钻井液配方，满足钻井工程的需要。第二十四页，讲稿共七十九页哦25一、钻井液的静切应力和动切应力一、钻井液的静切应力和动切应力1.静切力静切力s定义：定义：钻井液静止后形成的凝胶结构强度

20、。钻井液静止后形成的凝胶结构强度。钻井液从静止到开始塞流流动所需要的最小剪切应力。钻井液从静止到开始塞流流动所需要的最小剪切应力。影响因素：影响因素：单个链环的强度单个链环的强度 颗粒间引力颗粒间引力 电位、水化膜厚度。电位、水化膜厚度。结构链环数目结构链环数目/单位体积（结构密度）单位体积（结构密度）颗粒浓度、分颗粒浓度、分散度。散度。调整方法：调整方法：升升s 提高提高 c、分散度，降低、分散度，降低 、水化膜厚度。、水化膜厚度。降降s 与上相反。与上相反。第二十五页，讲稿共七十九页哦26静切力的实际应用静切力的实际应用（1）悬浮岩屑和加重材料）悬浮岩屑和加重材料悬浮岩屑（球形）所需静切力

21、为：悬浮岩屑（球形）所需静切力为：s（dyn/cm2)=980d(岩岩-浆浆）/6 d-颗粒直径，颗粒直径，cm经验数据：经验数据：初切力初切力=26 Pa时，可达到良好的悬浮能力。时，可达到良好的悬浮能力。终切力终切力=2初切力，属于良好型触变体。初切力，属于良好型触变体。终切力终切力=5初切力，属于递增型触变体。此时，会造成泵压过高，易压漏地层。初切力，属于递增型触变体。此时，会造成泵压过高，易压漏地层。（2）影响井内液柱压力激动（阅读）。影响井内液柱压力激动（阅读）。G=重力重力-浮力浮力s第二十六页，讲稿共七十九页哦272.动切应力动切应力0 0（YPYP）定义：钻井液开始作层流流动时

22、，必须要的最小剪切应力。定义：钻井液开始作层流流动时，必须要的最小剪切应力。实质：层流流动时，流体内部结构一部分被拆散，另一部分重新实质：层流流动时，流体内部结构一部分被拆散，另一部分重新恢复。当拆散恢复。当拆散 与恢复速度相等时，保留的那部分内部结与恢复速度相等时，保留的那部分内部结构所产生的剪切阻力。构所产生的剪切阻力。0 0与与s s的区别：的区别：0 0为层流流动条件下固体颗粒之间吸引力的量度；为层流流动条件下固体颗粒之间吸引力的量度；s s为静止条件下固体颗粒之间吸引力的量度；为静止条件下固体颗粒之间吸引力的量度；第二十七页，讲稿共七十九页哦28影响因素（类似于静切力）：影响因素（类

23、似于静切力）：单个链环的强度单个链环的强度 颗粒间引力颗粒间引力 电位、水化膜厚度。电位、水化膜厚度。结构链环数目结构链环数目/单位体积（结构密度）单位体积（结构密度）颗粒浓度、分散度。颗粒浓度、分散度。调整方法：调整方法：升升o 提高提高 c、分散度，降低、分散度，降低 、水化膜厚度，加增粘剂。、水化膜厚度，加增粘剂。降降o 冲稀、加降粘剂拆结构。冲稀、加降粘剂拆结构。第二十八页，讲稿共七十九页哦29二、钻井液的粘度二、钻井液的粘度1.有效粘度（视粘度）有效粘度（视粘度）定义：定义：=/意义：意义：钻井液作层流流动时，有效粘度等于以下四部分内摩擦力的微观统计结钻井液作层流流动时，有效粘度等于

24、以下四部分内摩擦力的微观统计结果：果：固固 固颗粒间内摩擦阻力；固颗粒间内摩擦阻力；固固 液相分子间内摩擦阻力；液相分子间内摩擦阻力；液液 液分子间内摩擦阻力；液分子间内摩擦阻力；固相结构固相结构 液相分子间内摩擦阻力；液相分子间内摩擦阻力；几种流体（模式）表示的有效粘度：几种流体（模式）表示的有效粘度：宾宾 汉汉 体：体：=s+0/假塑性体：假塑性体：=K()n-1 卡卡 森森 体：体：=()1/2+(0/）1/22第二十九页，讲稿共七十九页哦302.宾汉体的塑性粘度宾汉体的塑性粘度s定义：层流流动时，流体内部网状结构的破坏与恢复处于动态平衡时，定义：层流流动时，流体内部网状结构的破坏与恢复

25、处于动态平衡时，以下三以下三 部分内摩擦力的微观统计结果：部分内摩擦力的微观统计结果：固固 固颗粒间内摩擦阻力；固颗粒间内摩擦阻力；固固 液相分子间内摩擦阻力；液相分子间内摩擦阻力；液液 液分子间内摩擦阻力；液分子间内摩擦阻力；特点：特点：s不随不随dv/dr变化而变化。变化而变化。影响因素：影响因素：固相含量：固含固相含量：固含 s ；分散度：分散度分散度：分散度 s ；液相粘度：液相粘度液相粘度：液相粘度 s ；调整调整s 的方法：的方法：根据影响因素升、降根据影响因素升、降s。第三十页，讲稿共七十九页哦313.假塑性体的假塑性体的 n、k稠度系数稠度系数 k：k=f(液相、固相含量及其性

26、质）液相、固相含量及其性质）流性指数流性指数 n：n=f(内部结构强弱）内部结构强弱）n反映了流体的非牛顿性强弱，反映了流体的非牛顿性强弱，n越小，流体非牛越小，流体非牛顿性越强。顿性越强。降降 k值方法（提值方法（提 k方法相反）：方法相反）：降低固体含量；降低固体含量；稀释或者除砂；稀释或者除砂；调整调整 n值方法：值方法：降降 n 加入活性膨润土、无机盐、高分子聚合物等；加入活性膨润土、无机盐、高分子聚合物等；提提 n 加入清水、降粘剂等；加入清水、降粘剂等；第三十一页，讲稿共七十九页哦32第四节、第四节、钻井液流变参数的确定钻井液流变参数的确定一、旋转粘度计原理和基本计算公式一、旋转粘

27、度计原理和基本计算公式1.内、外筒式旋转粘度计原理内、外筒式旋转粘度计原理 内外筒之间充满被测钻井液，当外筒旋转时，内外筒之间充满被测钻井液，当外筒旋转时，通过流体的粘性带动同轴内筒转动，使扭力弹簧扭通过流体的粘性带动同轴内筒转动，使扭力弹簧扭转一定角度至平衡为止，由此反应不同流体的剪切转一定角度至平衡为止，由此反应不同流体的剪切应力大小。应力大小。因为内、外筒尺寸和外筒转速确定了内筒外表面因为内、外筒尺寸和外筒转速确定了内筒外表面的剪切速率，而读值大小反映内筒外表面的剪切应力，的剪切速率，而读值大小反映内筒外表面的剪切应力，所以，可根据测得的所以，可根据测得的“”关系计算钻井液的关系计算钻井

28、液的流变参数。流变参数。R1drR2R1RLh第三十二页，讲稿共七十九页哦332.旋转粘度计基本计算公式旋转粘度计基本计算公式 将线速度梯度代入牛顿内摩擦定律，并考虑内筒外表面将线速度梯度代入牛顿内摩擦定律，并考虑内筒外表面切应力，可推得以下旋转粘度计的基本公式：切应力，可推得以下旋转粘度计的基本公式：=M/(2R12h)=2R22 /(R22-R12)=R22n/15(R22-R12)式中，式中，外筒旋转角速度；外筒旋转角速度；n 外筒每分钟转速；外筒每分钟转速；R1、R2 内、外筒半径内、外筒半径;M 维持外筒旋转的力矩维持外筒旋转的力矩.第三十三页，讲稿共七十九页哦34二、钻井液流变参数

29、的确定二、钻井液流变参数的确定1.仪器参数的确定仪器参数的确定常用仪器：常用仪器：Fan-35型旋转粘度计。型旋转粘度计。仪器参数：仪器参数：R2 R1 R2/R1 h k cm cm cm 格格 dyn.cm/格格 1.8415 1.7245 1.0678 3.8 300 380 将仪器参数代入将仪器参数代入=R22n/15(R22-R12)中，得到：中，得到：=1.703 n利用该式，可以计算出不同转速下的剪切速率。利用该式，可以计算出不同转速下的剪切速率。r/min 600 300 200 100 6 3 r.s-1 1022 511 340.7 170.3 10.22 5.11 第三十

30、四页，讲稿共七十九页哦35又根据测定扭距又根据测定扭距 M=k，得到仪器最大测定扭距：，得到仪器最大测定扭距：Mmax=300 380=114000 dyn.cm将其代入将其代入=M/(2R12h)，得：，得：max=1533 dyn/cm2由此，可得到仪器扭簧系数：由此，可得到仪器扭簧系数：C=/=1533/300=5.11 dyn/cm2/格格综上可见，我们已经得到了如下公式：综上可见，我们已经得到了如下公式：=C=5.11 =1.703 n 流变参数精确计算公式（根据直线的两点法则推得）流变参数精确计算公式（根据直线的两点法则推得）因此，可以利用这些公式导出钻井液流变参数的直读计算公式。

31、因此，可以利用这些公式导出钻井液流变参数的直读计算公式。第三十五页，讲稿共七十九页哦362.不同流体的流变参数直读公式不同流体的流变参数直读公式牛顿流体牛顿流体 Newtonian Fluids：=300=600/2 mPa.s宾汉塑性流体宾汉塑性流体 Bingham Model s=600-300 mPa.s =600/2 mPa.s 0=0.511(300-s)Pa 假塑性体假塑性体 Power Law Model n=3.322 lg(600/300)K=0.511300/511n Pa.sn卡森流体卡森流体 Casson Model =1.43 (6001/2-1001/2)2 mPa

32、.s c=0.24 (2.45100 1/2-6001/2)2 Pa第三十六页，讲稿共七十九页哦37第五节、第五节、钻井液流变性能与钻井工程的关系钻井液流变性能与钻井工程的关系 钻井液流变性能与钻井工程的关系主要体现在下列几个方面：钻井液流变性能与钻井工程的关系主要体现在下列几个方面：影响钻井速度；影响钻井速度；影响环空携带岩屑能力；影响环空携带岩屑能力；影响井壁稳定；影响井壁稳定；影响岩屑和加重物质的悬浮；影响岩屑和加重物质的悬浮；影响井内压力激动；影响井内压力激动；影响钻进泵压和排量；影响钻进泵压和排量；影响固井质量。影响固井质量。第三十七页，讲稿共七十九页哦381.影响钻井速度影响钻井速

33、度 Eckel指出，在其它因素不变时，钻速与钻头处雷诺数的指出，在其它因素不变时，钻速与钻头处雷诺数的0.5次方次方成正比：成正比：Vm=f(Ne)1/2 设有两种钻井液，钻速的表达式为：设有两种钻井液，钻速的表达式为：Vm2=Vm1(Ne2/Ne1)1/2 因为其它因素不变时，雷诺数与钻井液粘度成正比：因为其它因素不变时，雷诺数与钻井液粘度成正比：Ne dv/对于宾汉塑性体：对于宾汉塑性体：Ne dv/s 所以：所以：Vm2=Vm1(s1/s2)1/2 该式说明了钻井液的流变参数对钻速的影响关系。该式说明了钻井液的流变参数对钻速的影响关系。第三十八页，讲稿共七十九页哦39举例举例 某钻井液的

34、塑性粘度某钻井液的塑性粘度 s为为32mPa.s，平均钻速为，平均钻速为6米米/小时，小时，在不改变其它因素时，降低在不改变其它因素时，降低 s到到8mPa.s，则钻速变化为：，则钻速变化为：Vm2=6(32/8)1/2=12 米米/小时小时 钻速提高钻速提高2倍。如果钻进倍。如果钻进1000米井段，用米井段，用32mPa.s的钻井液的钻井液要用要用100小时，则用小时，则用8mPa.s的钻井液只需要的钻井液只需要50小时，小时，第三十九页，讲稿共七十九页哦402.影响环空岩屑携带影响环空岩屑携带 对岩屑输送比的影响对岩屑输送比的影响 岩屑输送比：岩屑输送比：Rt=(V-Vs)/V=1-Vs/

35、V 井眼净化良好的条件：井眼净化良好的条件：Rt 0.5 即：即：V 2Vs 式中，式中，Rt 岩屑输送比；岩屑输送比；V 钻井液平均上返速度；钻井液平均上返速度；V=12.7Q/(D22-D12)Vs 岩屑颗粒沉降速度；岩屑颗粒沉降速度；Vs与颗粒雷诺数与颗粒雷诺数Re相关。相关。当当Re 3时，时，Vs=326800ds2(s-f)/当当 3 Re 300 时，时，Vs=2.95 ds(s-f)/f 1/2 由此可见，井眼净化与钻井液流变性能中的有效粘度由此可见，井眼净化与钻井液流变性能中的有效粘度 紧密相关。紧密相关。第四十页，讲稿共七十九页哦41第四十一页，讲稿共七十九页哦42 影响层

36、流条件下岩屑携带影响层流条件下岩屑携带 层流携带岩屑的特点：岩屑翻转上升。层流携带岩屑的特点：岩屑翻转上升。层流携带岩屑缺陷的实质：力矩效应。层流携带岩屑缺陷的实质：力矩效应。改进方法：将尖峰形改为平板形层流。改进方法：将尖峰形改为平板形层流。平板形层流携岩原理：平板形层流携岩原理：流核直径：流核直径：由上式可见，由上式可见，0/s ，d0 钻井液流速钻井液流速剖面变平坦剖面变平坦 翻转力矩效应减小。翻转力矩效应减小。F2F1Ld0dD第四十二页，讲稿共七十九页哦43第四十三页，讲稿共七十九页哦44钻井液有效地携带岩屑的流变参数取值范围：钻井液有效地携带岩屑的流变参数取值范围：对于宾汉流体：对

37、于宾汉流体：0/s=3.6 4.78 dyn/cm2/mPa.s 0/s=0.36 0.478 Pa/mPa.s 0=1.5 3 Pa对于假塑性体：对于假塑性体：根据根据600/300=1022 n/511n=2n，得到动塑比与流型指数的关系：，得到动塑比与流型指数的关系：0/s=0.5（300-s）/（600-300）=（1-2n-1）/(2 n-1)因此，因此，n=0.4 0.7对于卡森流体：对于卡森流体：c=1.0 2.5 Pa 注意：提高注意：提高0 0/s s 的关键是降低的关键是降低塑性粘度塑性粘度 s s 。第四十四页，讲稿共七十九页哦453.影响井壁稳定影响井壁稳定 钻井液流变

38、性对井壁稳定的影响主要是指对井壁的冲蚀作用。钻井液流变性对井壁稳定的影响主要是指对井壁的冲蚀作用。Walker定义定义用侵蚀指数用侵蚀指数EI表示：表示：层流时：层流时：EI=0+12 sV/(D2-D1)+0.5 0 EI=s 0/s+12 V/(D2-D1)+0.5 0/s EI值越大，冲蚀性越强。由上面公式可见钻井液流变参数对其影响关系。值越大，冲蚀性越强。由上面公式可见钻井液流变参数对其影响关系。第四十五页，讲稿共七十九页哦464.影响岩屑和加重物质的悬浮影响岩屑和加重物质的悬浮 在牛顿流体中的颗粒只要其密度大于流体密度，就必然会以一定速度下沉。但是，岩在牛顿流体中的颗粒只要其密度大于

39、流体密度，就必然会以一定速度下沉。但是，岩屑颗粒在钻井液中的情况却不同。由于静切力和动切力的存在，即使颗粒密度大于钻井液屑颗粒在钻井液中的情况却不同。由于静切力和动切力的存在，即使颗粒密度大于钻井液密度，颗粒也不会发生沉降。只有当颗粒与流体满足一定条件时，颗粒才会下沉。因此，密度，颗粒也不会发生沉降。只有当颗粒与流体满足一定条件时，颗粒才会下沉。因此，颗粒除了自然沉降外，还具有一种切应力悬浮状态。颗粒除了自然沉降外，还具有一种切应力悬浮状态。流体静止状态下的静应力悬浮状态流体静止状态下的静应力悬浮状态 悬浮岩屑（球形）所需静切力为：悬浮岩屑（球形）所需静切力为：s（dyn/cm2)=980d(

40、岩岩-浆浆）/6 由上式可以计算静止状态下，悬浮岩屑颗粒所需要的静切应力。由上式可以计算静止状态下，悬浮岩屑颗粒所需要的静切应力。G=重力重力-浮力浮力s第四十六页，讲稿共七十九页哦47流体运动状态下的动切应力悬浮流体运动状态下的动切应力悬浮（阅读）（阅读）岩屑颗粒在钻井液中的沉降速度为：岩屑颗粒在钻井液中的沉降速度为：Vs=d s 0.0702g d s(s-f)-0 若颗粒处于临界状态，有若颗粒处于临界状态，有0.0702g d s(s-f)-0=0即颗粒悬浮的临界条件为：即颗粒悬浮的临界条件为：s/f=14.25 0/(g d s f)+1颗粒悬浮的判别准则为：颗粒悬浮的判别准则为：s/

41、f 14.25 0/(g d s f)+1 在钻井工程中，尤其是在水平井的施工中，在钻井工程中，尤其是在水平井的施工中，动切应力的悬浮作用对于避免岩动切应力的悬浮作用对于避免岩屑沉积是非常有益的屑沉积是非常有益的。第四十七页，讲稿共七十九页哦48习题习题4、8第四十八页，讲稿共七十九页哦49第四章、钻井液滤失和润滑性能第四章、钻井液滤失和润滑性能The Filtration Properties and Lubricity of Drilling Fluids 本章要求：本章要求：1.1.掌握三个（瞬、静、动）失水概念。掌握三个（瞬、静、动）失水概念。2.2.掌握五个公式。掌握五个公式。3.3

42、.熟悉七个影响因素。熟悉七个影响因素。4.4.了解失水造壁性与钻井工程的关系。了解失水造壁性与钻井工程的关系。5.5.了解钻井液润滑性参数及测定方法。了解钻井液润滑性参数及测定方法。第四十九页，讲稿共七十九页哦50一、失水造壁性的基本概念一、失水造壁性的基本概念1.水基钻井液中的水水基钻井液中的水水基钻井液水基钻井液=固相固相+水水+处理剂处理剂 钻井液中的水由三部分组成：钻井液中的水由三部分组成：结晶水（化学结合水）结晶水（化学结合水）粘土矿物晶体构造的组成部分。粘土矿物晶体构造的组成部分。吸附水（束缚水）吸附水（束缚水）由固相颗粒吸附的水化膜。由固相颗粒吸附的水化膜。自由水自由水 钻井液中

43、自由移动的水，分散介质。钻井液中自由移动的水，分散介质。特点：占总水量中的绝大部分。特点：占总水量中的绝大部分。吸附水吸附水结晶水结晶水自由水自由水第五十页，讲稿共七十九页哦51携带、悬浮岩屑携带、悬浮岩屑控制压力控制压力形成泥饼形成泥饼破岩、清岩破岩、清岩保护油气层保护油气层传递水功率传递水功率第五十一页，讲稿共七十九页哦52第五十二页，讲稿共七十九页哦532.失水与造壁的概念失水与造壁的概念 为了防止地层流体进入井内，钻井液液柱的压力必须为了防止地层流体进入井内，钻井液液柱的压力必须大于地层流体的压力，于是，钻井液总是趋向于向地层漏大于地层流体的压力，于是，钻井液总是趋向于向地层漏失或滤失

44、。失或滤失。漏失漏失 钻井液的固相和液相全部进入地层的现象。钻井液的固相和液相全部进入地层的现象。滤失滤失 钻井液中只有液相进入地层的现象。钻井液中只有液相进入地层的现象。失水失水 钻井液中的自由水在压差作用下向地层或钻井液中的自由水在压差作用下向地层或 滤滤膜滤失渗透的过程。膜滤失渗透的过程。泥饼泥饼 钻井液滤失过程中留在井壁或者滤膜上的钻井液滤失过程中留在井壁或者滤膜上的 物物质。质。造壁性造壁性 钻井液在井壁形成泥饼封护井壁的能力。钻井液在井壁形成泥饼封护井壁的能力。第五十三页，讲稿共七十九页哦543.井下失水过程井下失水过程时间时间累计失水量累计失水量T oT 1T 2T 3T 4T

45、5T 6 V 瞬瞬 V 动动 V 静静h=0h h=ch h h=c第五十四页，讲稿共七十九页哦55 瞬时失水瞬时失水 Spurt LossSpurt Loss 滤饼尚未完全形成之前很短时间内的失水滤饼尚未完全形成之前很短时间内的失水量。量。特点：特点：时间短（时间短（t 2t 2秒秒)；比例小比例小;大小与钻井液中固相级配、含量、压差、大小与钻井液中固相级配、含量、压差、地层渗透率、孔隙度等有关地层渗透率、孔隙度等有关第五十五页，讲稿共七十九页哦56 动失水动失水 Dynamic FiltrationDynamic Filtration 钻井液循环时的失水量。钻井液循环时的失水量。特点：特点

46、：泥饼形成、增厚与冲蚀处于动平衡。泥饼形成、增厚与冲蚀处于动平衡。（高渗透率（高渗透率 低渗透率低渗透率 =C=C）（低渗透率（低渗透率高渗透率高渗透率=C=C）失水速率大、失水量大。失水速率大、失水量大。第五十六页，讲稿共七十九页哦57 静失水静失水 Static FiltrationStatic Filtration 井下：钻井液停止循环后的失水。井下：钻井液停止循环后的失水。室内：指定静态条件下，静失水仪器测得室内：指定静态条件下，静失水仪器测得的失水。的失水。特点：特点：失水速率小；失水速率小；失水量占总失水的比例较小；失水量占总失水的比例较小；泥饼逐渐增厚（无冲蚀作用）。泥饼逐渐增厚

47、（无冲蚀作用）。第五十七页，讲稿共七十九页哦58二、失水造壁性与钻井工作的关系二、失水造壁性与钻井工作的关系1.1.失水量过大失水量过大两个害处：两个害处：导致水敏性泥页岩缩径、垮塌。导致水敏性泥页岩缩径、垮塌。油气层内粘土水化膨胀使产层渗透率下降，从油气层内粘土水化膨胀使产层渗透率下降，从而损害油气层。而损害油气层。2.2.泥饼过厚泥饼过厚两个害处：两个害处：井径缩小井径缩小 易引起起下钻遇阻遇卡。易引起起下钻遇阻遇卡。泥饼粘附卡钻。泥饼粘附卡钻。3.3.现场要求现场要求泥泥 饼饼 薄、密、韧。薄、密、韧。失水量失水量 适当（并非越小越好）。适当（并非越小越好）。对于一般地层：对于一般地层：

48、APIAPI失水：失水：10 10 15 ml/30 min 15 ml/30 min；对于水敏地层：对于水敏地层：APIAPI失水失水 5 ml/30 min 5 ml/30 min。第五十八页，讲稿共七十九页哦594.4.控制失水量原则：五严五宽控制失水量原则：五严五宽五严：五严：井深、裸眼长、矿化度低、油气层段、易塌层段；井深、裸眼长、矿化度低、油气层段、易塌层段；五宽：五宽：井浅、裸眼短、矿化度高、非油气层、稳定井段。井浅、裸眼短、矿化度高、非油气层、稳定井段。第五十九页，讲稿共七十九页哦60三、钻井液的静失水三、钻井液的静失水 Static Filtration1.1.静失水方程静失

49、水方程假设条件：假设条件：泥饼厚度泥饼厚度 h h 井眼直径；井眼直径；滤失过程为线性关系滤失过程为线性关系 K=C K=C；滤失为恒温恒压过程。滤失为恒温恒压过程。静失水方程推导：静失水方程推导：利用达西渗滤公式：利用达西渗滤公式：(1)(1)式中，式中，v vf f 滤失量，滤失量，cmcm3 3；t t 滤失时间，滤失时间，s s；k k 泥饼渗透率，泥饼渗透率，darcy;P darcy;P 滤失压力滤失压力,kg/cm,kg/cm2 2;滤液粘度，滤液粘度，mPa.smPa.s；h h 泥饼厚度，泥饼厚度，cmcm；A A 滤失面积，滤失面积，cmcm2 2。第六十页，讲稿共七十九页

50、哦61 如果一定体积的钻井液如果一定体积的钻井液Vm全部全部滤失完，则在滤失完，则在V Vm m当中，有当中，有V Vf f的滤液体积从的滤液体积从V Vm m中挤压出去，剩下中挤压出去，剩下V Vc c的泥饼体积挤不出去，于是可以得到的泥饼体积挤不出去，于是可以得到：V Vm m=V=Vf f+V+Vc c=Ah+V=Ah+Vf f (2)(2)V Vc c/V/Vf f=R=R=常数常数 (3)(3)将（将（2 2）、（）、（3 3）式代入达西公式（）式代入达西公式（1 1）中，得到：）中，得到：(4)(4)对（对（4 4）式两边积分，得）式两边积分，得：(5)(5)第六十一页，讲稿共七十