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1、“雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。Test 4Density Solid content Methylene blue test Formation pore pressureMud hydrostatic pressureRheology of Drilling Fluidslaminar flow regimeshear rate shear stress Flow modelsAPIAnswers密度密度 固相含量固相含量亚甲基蓝测试亚甲基蓝测试地层孔隙压力
2、地层孔隙压力钻井液静液柱压力钻井液静液柱压力Viscosity （粘度）（粘度）钻井液流变学钻井液流变学层流层流剪切速率剪切速率剪切应力剪切应力American Petroleum Institute 美国石油学会美国石油学会钻井液流变特性钻井液流变特性The Rheology of Drilling Fluids“雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。一、基本概念一、基本概念流变学（流变学（Rheology）:流变公式，流变曲线流变公式，流变曲线 例，牛顿流体：例，牛
3、顿流体：剪切速率剪切速率 (Shear rate, s-1 )或速度梯度或速度梯度, (velocity gradient)和剪切应力和剪切应力(shear stress, Pa)粘度粘度 （Viscosity, Pa.s），是牛顿流体的流变参数。），是牛顿流体的流变参数。由于由于Pas单位太大，在实际应用中一般用单位太大，在实际应用中一般用mPas表示液体的粘度。例如，表示液体的粘度。例如，在在20时，水的粘度时，水的粘度 1.0087mPas。在工程应用中，。在工程应用中， 的常用的常用单位为单位为厘泊厘泊(cP)，1cP=1 mPas。“雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治
4、中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。二、流动类型与流变参数二、流动类型与流变参数Flow Types and Flow parameters纯纯粘粘性性体体与与时时间间无无关关的的牛顿流体牛顿流体宾汉塑性流体宾汉塑性流体非非牛牛顿顿流流体体幂律流体幂律流体假塑性流体假塑性流体膨胀性流体膨胀性流体带屈服值幂律流体带屈服值幂律流体带屈服值假带屈服值假塑性流体塑性流体带屈服值膨带屈服值膨胀性流体胀性流体与时间有与时间有关的关的触变性流体触变性流体振凝性流体振凝性流体粘弹性体粘弹性体多种类型多种类型“雪亮工程是以区（县）、乡
5、（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。塑性流型、假塑性性流型和膨胀流型塑性流型、假塑性性流型和膨胀流型。以上四种基本流型。以上四种基本流型的流变曲线见图。符合这四种流型的分别叫牛顿流体、塑的流变曲线见图。符合这四种流型的分别叫牛顿流体、塑性流体、假塑性流体和膨胀性流体。性流体、假塑性流体和膨胀性流体。1. 四种基本流型四种基本流型“雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。
6、ps式中：式中：s 静切力（凝胶强度静切力（凝胶强度Gel strength），），Pa； p塑性粘度塑性粘度(plastic viscosity)，Pas 。 。 可见，塑性流体有两个流体参数，即可见，塑性流体有两个流体参数，即塑性粘度塑性粘度 和静切力和静切力 。ps012AsC2C1B2. 宾汉塑性流体宾汉塑性流体 Bingham Plastic Fluids “雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。“雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平
7、台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。（2）粘塑性流体）粘塑性流体p0 当剪切应力超过当剪切应力超过s时，在初始阶段剪切应力和剪切速率的关系时，在初始阶段剪切应力和剪切速率的关系不是一条直线；继续增加剪切应力，当其数值大到一定程度之不是一条直线；继续增加剪切应力，当其数值大到一定程度之后，粘度不再随剪切速率增大而发生变化，此时流变曲线变成后，粘度不再随剪切速率增大而发生变化，此时流变曲线变成直线。直线。 此直线段的斜率称为此直线段的斜率称为塑性粘度塑性粘度(表示为表示为 或或PV)。延长直线段与。延长直线段与剪切应力轴相交于一点剪
8、切应力轴相交于一点0， (亦可表示为亦可表示为YP)称为称为动切应力动切应力(常简常简称为动切力或屈服值称为动切力或屈服值yield point)，是将粘塑流体看成塑性流体，是将粘塑流体看成塑性流体，使粘度变为常数使粘度变为常数(即塑性粘度即塑性粘度)所需的最小切应力。所需的最小切应力。 0表示此流体表示此流体运动时结构的存在及其数值的大小运动时结构的存在及其数值的大小。塑性粘度和塑性粘度和动切力动切力是钻井液的两个重要流变参数。是钻井液的两个重要流变参数。 p“雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用
9、为重点的“群众性治安防控工程”。幂律流体的流变曲线为通过原点幂律流体的流变曲线为通过原点O的曲线，的曲线， 可用幂函数或叫幂律模式来表示：可用幂函数或叫幂律模式来表示：式中：式中：K稠度系数，或称为幂律系数，稠度系数，或称为幂律系数，Pasn； n流性指数，或称为幂律指流性指数，或称为幂律指数，无单位。数，无单位。K值是粘度的度量，但不等于粘度值，而值是粘度的度量，但不等于粘度值，而粘度越高，粘度越高，K值也越高值也越高。在剪切速率一定范围内，在剪切速率一定范围内，n值可当作常数处理。值可当作常数处理。n值是非牛顿性的值是非牛顿性的度量，度量，n值越低或越高曲线也越弯曲，非牛顿性也越强，值越低
10、或越高曲线也越弯曲，非牛顿性也越强，泥浆泥浆n值值一般在一般在0.5以下为好。以下为好。上式中，当上式中，当n1时时为膨胀流体。因此，幂律流体又区分为为膨胀流体。因此，幂律流体又区分为假塑流体假塑流体与与膨胀流体膨胀流体两种。两种。3. Pseudoplastic Fluids（假塑性流体）（假塑性流体） 幂律流体（幂律流体（Power law）nK“雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。0假塑流体膨胀流体2314幂律流体流变曲线幂律流体流变曲线某些钻井液、高分子化合物
11、的水溶液以及乳状液等均某些钻井液、高分子化合物的水溶液以及乳状液等均属于假塑性流体。属于假塑性流体。 “雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。“雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。 1. Marsh Funnel（马氏漏斗粘度计）（马氏漏斗粘度计）:仪器使用前，应用清水进行校正。该仪器仪器使用前，应用清水进行校正。该仪器测量清水的粘度为测量清水
12、的粘度为150.5秒。若误差在秒。若误差在1秒以内，可用下式计算泥浆的实际粘秒以内，可用下式计算泥浆的实际粘度。度。实测清水粘度实测泥浆粘度实际粘度15三、钻井液流变性的测量三、钻井液流变性的测量“雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。2. Direct-Indicating Viscometers“雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。3. C
13、alculation of rheological parameters)(1000511. 0)(511. 0mPaPaNN（1）Principle:)(703. 11srpmWhere, =the dial reading under N(rpm);Where, =the dial reading under N(rpm); rpm=rotation per minute. rpm=rotation per minute.N“雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。（
14、2）塑性流体和粘塑性流体）塑性流体和粘塑性流体:表观粘度表观粘度: （mPas） 塑性粘度：塑性粘度： （mPas）动切力动切力: （Pa）静切力（初切）（静切力（初切）（10s） ： （Pa）终切（终切（10min）：）： （Pa）60021a300600P)2(511. 0)(511. 06003003000p3511. 0初3511. 0终“雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。（3）幂律流体）幂律流体流性指数流性指数 : （无因次）（无因次）300600lg32
15、2. 3n稠度指数稠度指数: （Pa.Sn）nk511511. 0600lglglgnK “雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。钻井液流变性要点：钻井液流变性要点：o流变学（流变学（Rheology)；o剪切速率剪切速率(shear rate)，剪切应力，剪切应力(shear stress)；o流变模式（方程）流变模式（方程）flow model (equation)、流变曲线、流变曲线(curve)；o牛顿流体的特点；牛顿流体的特点；o宾汉流体塑性流体：静切力宾汉流
16、体塑性流体：静切力(Gel strength)、塑性粘度、塑性粘度(plastic viscosity)；o宾汉流体粘塑性流体：静切力、塑性粘度、动切力宾汉流体粘塑性流体：静切力、塑性粘度、动切力(yield point)；o幂律流体及其参数：稠度系数幂律流体及其参数：稠度系数K，流性指数，流性指数n；o钻井液流变特性的测量（阅读钻井液流变特性的测量（阅读P3839旋转粘度计测量原理）。旋转粘度计测量原理）。钻井液常用的流变参数及其钻井液常用的流变参数及其调控方法调控方法1漏斗粘度漏斗粘度 在钻井过程中，钻井液的漏斗粘度在钻井过程中，钻井液的漏斗粘度(Funnel Viscosity)是需要经
17、常测定的重要参数。是需要经常测定的重要参数。 漏斗粘度与其它流变参数的测定方法不同。其它流变漏斗粘度与其它流变参数的测定方法不同。其它流变参数一般使用按参数一般使用按APl标准设计的旋转粘度计，在某一固定的标准设计的旋转粘度计，在某一固定的剪切速率下进行测定，而漏斗粘度使用一种特制的漏斗粘剪切速率下进行测定，而漏斗粘度使用一种特制的漏斗粘度计来测量。度计来测量。 漏斗粘度只能用来判别在钻井作业期间各个阶漏斗粘度只能用来判别在钻井作业期间各个阶段粘度变化的趋向。段粘度变化的趋向。 “雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安
18、全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。2.1 塑性粘度塑性粘度p p和动切力和动切力0 0塑性粘度塑性粘度p反映了在层流情况下，钻井液中网架结反映了在层流情况下，钻井液中网架结构的破坏与恢复处于动平衡时，悬浮的固相颗粒之构的破坏与恢复处于动平衡时，悬浮的固相颗粒之间、固相颗粒与液相之间以及连续相内部的内摩擦间、固相颗粒与液相之间以及连续相内部的内摩擦作用的强弱。影响塑性粘度的主要因素：作用的强弱。影响塑性粘度的主要因素：钻井液中的固相含量；钻井液中的固相含量；钻井液中粘土的分散度；钻井液中粘土的分散度；高分子聚合物处理剂。高分子聚合物处理剂。“雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社
19、区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。2.1 塑性粘度塑性粘度p p和动切力和动切力0 0动切力动切力0 0 ：是塑性流体流变曲线中的直线段在：是塑性流体流变曲线中的直线段在轴上的轴上的截距。它反映了钻井液在层流流动时，粘土颗粒之间及高截距。它反映了钻井液在层流流动时，粘土颗粒之间及高分子聚合物分子之间相互作用力的大小，即形成空间网架分子聚合物分子之间相互作用力的大小，即形成空间网架结构能力的强弱。其主要影响因素有：结构能力的强弱。其主要影响因素有：粘土矿物的类型和浓度粘土矿物的类型和浓度电解质电解质降粘剂
20、降粘剂: :大多数降粘剂的作用原理都是吸附到粘土颗粒的大多数降粘剂的作用原理都是吸附到粘土颗粒的端面上，使端面带一定的负电荷，于是拆散网架结构。因端面上，使端面带一定的负电荷，于是拆散网架结构。因此，降粘剂的作用主要是降低动切力，而不是降低塑性粘此，降粘剂的作用主要是降低动切力，而不是降低塑性粘度。度。 “雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。2. 2塑性粘度的调控塑性粘度的调控在实际应用中，调整钻井液宾汉模式流变参数的一般方法可概括为：在实际应用中，调整钻井液宾汉模式
21、流变参数的一般方法可概括为：(1)降低降低P通过合理使用固控设备、加水稀释或化学絮凝等方法，尽量减少固通过合理使用固控设备、加水稀释或化学絮凝等方法，尽量减少固相含量。相含量。(2)提高提高P加入低造浆率粘土、重晶石、混入原油或适当提高加入低造浆率粘土、重晶石、混入原油或适当提高pH值等均可提高值等均可提高P。另外增加聚合物处理剂的浓度使钻井液的液相粘度提高，也可另外增加聚合物处理剂的浓度使钻井液的液相粘度提高，也可起到提高起到提高P的作用。的作用。“雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群
22、众性治安防控工程”。 (3)降低降低0 最有效的方法是适量加入降粘剂最有效的方法是适量加入降粘剂(也称稀释剂也称稀释剂)，以拆，以拆散钻井液中已形成的网架结构。如果是因散钻井液中已形成的网架结构。如果是因Ca2、Mg2+等等污染引起的污染引起的0升高，则可用沉淀方法除去这些离子。此外，升高，则可用沉淀方法除去这些离子。此外，用清水或稀浆稀释也可起到降用清水或稀浆稀释也可起到降0的作用。的作用。 (4)提高提高0 可加入预水化膨润土浆，或增大高分子聚合物的加量。可加入预水化膨润土浆，或增大高分子聚合物的加量。对于钙处理钻井液或盐水钻井液，可通过适当增加对于钙处理钻井液或盐水钻井液，可通过适当增加
23、Ca2、Na+浓度来达到提浓度来达到提0的目的。的目的。2.2 动切力动切力0的调控的调控在幂律模式中，指数在幂律模式中，指数n表示假塑性流体在表示假塑性流体在一定剪切速率范围内所表现出的非牛顿性一定剪切速率范围内所表现出的非牛顿性的程度，因此通常将的程度，因此通常将n称为称为流性指数流性指数。水、。水、甘油等牛顿流体的甘油等牛顿流体的n值等于值等于1。钻井液的。钻井液的n值一般均小于值一般均小于1。n值越小，表示钻井液值越小，表示钻井液的非牛顿性越强。的非牛顿性越强。随随n值减小，曲线的曲率变大，表明流体值减小，曲线的曲率变大，表明流体的流变性偏离牛顿流体越来越远。流性指的流变性偏离牛顿流体
24、越来越远。流性指数是一个无因次量。数是一个无因次量。3流性指数流性指数n和稠度系数和稠度系数K“雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。 在钻井液设计中，经常要确定流性指数的合理范围，在钻井液设计中，经常要确定流性指数的合理范围，一般希望有较低的一般希望有较低的n 值，以确保钻井液具有良好的剪值，以确保钻井液具有良好的剪切稀释性能；切稀释性能；K值则与钻井液的粘度、切力联系在一值则与钻井液的粘度、切力联系在一起。显然，它与流体在剪切速率为起。显然，它与流体在剪切速率为1s
25、-1时的粘度有关。时的粘度有关。K值愈大，粘度愈高，因此一般将值愈大，粘度愈高，因此一般将K值称为稠度系数。值称为稠度系数。对于钻井液，对于钻井液，K值可反映其可泵性。若值可反映其可泵性。若K值过大，将造值过大，将造成重新开泵困难。若成重新开泵困难。若K值过小，又将对携岩不利。因值过小，又将对携岩不利。因此，钻井液的此，钻井液的K应保持在一个合适的范围内。在应保持在一个合适的范围内。在SI单单位制中，位制中，K值的单位为值的单位为Pasn。 降低降低n值值最常用的方法是加入最常用的方法是加入XC生物聚合物等流生物聚合物等流性改进剂，或在盐水钻井液中添加预水化膨润土。性改进剂，或在盐水钻井液中添
26、加预水化膨润土。 降低降低K值值最有效的方法是通过加强固相控制或加水最有效的方法是通过加强固相控制或加水稀释以降低钻井液中的固相含量。若需要适当提高稀释以降低钻井液中的固相含量。若需要适当提高K值时，可添加适量聚合物处理剂，或将预水化膨润土值时，可添加适量聚合物处理剂，或将预水化膨润土加入盐水钻井液或钙处理钻井液中加入盐水钻井液或钙处理钻井液中(K值提高，值提高，n值下值下降降)；也可加入重晶石粉等惰性固体物质；也可加入重晶石粉等惰性固体物质(K值提高，值提高，n值基本不变值基本不变)。3.1 流性指数流性指数n和稠度系数和稠度系数K的调控的调控4表观粘度和剪切稀释性表观粘度和剪切稀释性 表观
27、粘度又称为有效粘度表观粘度又称为有效粘度(Effective Viscosity)。它是。它是在某一剪切速率下，剪切应力与剪切速率的比值，在某一剪切速率下，剪切应力与剪切速率的比值，即即 a a / 式中，式中， a a表示表观粘度。当表示表观粘度。当和和的单位分别为的单位分别为Pa和和s1时，时， a a 的单位为的单位为Pas。 表观粘度是塑性粘度和结构粘度之和表观粘度是塑性粘度和结构粘度之和.“雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。由宾汉方程，塑性流体的表观粘度可
28、表示：由宾汉方程，塑性流体的表观粘度可表示： a P0/ 由幂律方程，假塑性流体的表观粘度可表示为由幂律方程，假塑性流体的表观粘度可表示为 a Kn-1 塑性流体和假塑性流体的表观粘度随着剪切速率的增加塑性流体和假塑性流体的表观粘度随着剪切速率的增加 而降低的特性称为而降低的特性称为剪切稀释性剪切稀释性(Shear Thinning Behavior)。 0/结构粘度结构粘度0/p p动塑比动塑比 0.360.48Pa/mPa.sn0.40.7“雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治
29、安防控工程”。“雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。在循环系统中，不同部位的平均剪切速率（在循环系统中，不同部位的平均剪切速率（s-1）范围：）范围：泥浆罐内泥浆罐内 15环形空间环形空间 10500钻杆钻杆 100500钻铤钻铤 7003000钻头喷嘴钻头喷嘴 10 000100 000钻井液的切力是指钻井液的切力是指静切应力静切应力。其胶体化学实质是。其胶体化学实质是胶凝强度胶凝强度，即表示钻井液在静止状态下形成的空间网架结构的强度。即表示钻井液在静止状态下形成的
30、空间网架结构的强度。其物理意义是，当钻井液静止时，破坏钻井液内部单位面其物理意义是，当钻井液静止时，破坏钻井液内部单位面积上的结构所需的剪切力，单位为积上的结构所需的剪切力，单位为Pa。前面在讨论塑性流。前面在讨论塑性流体的流动特性时，曾引用了体的流动特性时，曾引用了s这一参数。实际上这一参数。实际上s是静切应是静切应力的极限值，即真实意义上的胶凝强度。但结构强度的大力的极限值，即真实意义上的胶凝强度。但结构强度的大小与时间因素有关，要想测得小与时间因素有关，要想测得s，必须花费相当长的时间。，必须花费相当长的时间。显然，在生产现场测定该值是不现实的，于是人们规定用显然，在生产现场测定该值是不
31、现实的，于是人们规定用初切力和终切力来表示静切应力的相对值初切力和终切力来表示静切应力的相对值。5. 切力和触变性切力和触变性 初切力初切力是钻井液在经过充分搅拌后，静置是钻井液在经过充分搅拌后，静置1 min(或或10s)测得的静切力测得的静切力(简称为初切简称为初切)；终切力终切力是钻井液在经过是钻井液在经过充分搅拌后，静置充分搅拌后，静置10min测得的静切力测得的静切力(简称为终切简称为终切)。其。其测定方法将在后面介绍。测定方法将在后面介绍。 所谓所谓钻井液的触变性钻井液的触变性(Thixotropic Bahavior)，是指，是指搅拌后钻井液变稀搅拌后钻井液变稀(即切力降低即切力
32、降低)，静置后又变稠的这种性质。，静置后又变稠的这种性质。一般用终切与初切之差相对表示钻井液触变性的强弱。一般用终切与初切之差相对表示钻井液触变性的强弱。 “雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。 对触变性的机理可作如下解释：对触变性的机理可作如下解释： 在触变体系中一般都存在空间网架结构。在剪切作用下，在触变体系中一般都存在空间网架结构。在剪切作用下，当结构被搅散后，只有颗粒的某些部位相互接触时才能彼此重当结构被搅散后，只有颗粒的某些部位相互接触时才能彼此重新粘结起来
33、，即结构的恢复要求在颗粒的相互排列上有一定的新粘结起来，即结构的恢复要求在颗粒的相互排列上有一定的几何关系。几何关系。 因此，在结构恢复过程衣中，需要一定的时间来完成这种因此，在结构恢复过程衣中，需要一定的时间来完成这种定向作用。恢复结构所需的时间和最终的凝胶强度定向作用。恢复结构所需的时间和最终的凝胶强度(即切力即切力)的的大小，可更为真实地反映某种流体触变性的强弱。大小，可更为真实地反映某种流体触变性的强弱。“雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。经验表明，一般情况
34、下，经验表明，一般情况下，能够有效悬浮重晶石的静能够有效悬浮重晶石的静切力为切力为1.44 Pa。“雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。钻井液流变性与钻井作业的关系钻井液流变性与钻井作业的关系“雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。一、钻井液流变性与井眼净化的关系一、钻井液流变性与井眼净化的关系vvvvvvv12121式中，式中，V2岩屑上返速
35、度，岩屑上返速度，m/s； V 钻井液上返速度，钻井液上返速度，m/s； V1岩屑在钻井液中的沉降速度，岩屑在钻井液中的沉降速度，m/s； V2 / V携带比，表示井筒的净化效率。携带比，表示井筒的净化效率。1. 层流携带岩屑的原理层流携带岩屑的原理agrv92021岩屑的沉降速度除与岩屑尺岩屑的沉降速度除与岩屑尺寸、岩屑密度、钻井液密度寸、岩屑密度、钻井液密度和流态等因素有关外，还与和流态等因素有关外，还与钻井液的钻井液的有效粘度有效粘度成反比。成反比。“雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点
36、的“群众性治安防控工程”。“雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。2. 紊流携带岩屑的原理：紊流携带岩屑的原理： 如图如图3-17所示，钻井液在作紊流流动时，岩所示，钻井液在作紊流流动时，岩屑不存在转动和滑落现象，几乎全部都能携带到屑不存在转动和滑落现象，几乎全部都能携带到地面上来，环形空间里的岩屑比较少。但是紊流地面上来，环形空间里的岩屑比较少。但是紊流携岩也有一些缺点，主要表现在：携岩也有一些缺点，主要表现在： (1)岩屑在紊流时的滑落速度比在层流时大，这岩屑在紊流
37、时的滑落速度比在层流时大，这就要求钻井液的上返速度高，泵的排量大。就要求钻井液的上返速度高，泵的排量大。 (2)由于沿程压降与流速的平方成正比，功率损由于沿程压降与流速的平方成正比，功率损失与流速的立方成正比。失与流速的立方成正比。 (3)紊流时的高流速对井壁冲蚀严重，不能很好紊流时的高流速对井壁冲蚀严重，不能很好地形成泥饼，容易引起易塌地层井壁垮塌。地形成泥饼，容易引起易塌地层井壁垮塌。“雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。3. 平板形层流：平板形层流：当塑性流体从
38、塞流向层流逐渐转化时，中间要经当塑性流体从塞流向层流逐渐转化时，中间要经过一种平板型层流。在这种流态下，液流周围呈层流流动状态，过一种平板型层流。在这种流态下，液流周围呈层流流动状态，中央是一个速度剖面较为平齐的等速核，即流核。中央是一个速度剖面较为平齐的等速核，即流核。 “雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。式中式中, d0一流核直径，一流核直径，cm； D井径，井径，cm； d钻杆或钻铤外径，钻杆或钻铤外径，cm； vf钻井液上返速度，钻井液上返速度，m/s。平板
39、型层流的实现：平板型层流的实现：“雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。平板型层流特点：平板型层流特点：可实现用环空返速较低的钻井液有效地携带岩屑。可实现用环空返速较低的钻井液有效地携带岩屑。解决了低粘度钻井液能有效携岩的问题，为普遍推广使用低解决了低粘度钻井液能有效携岩的问题，为普遍推广使用低固相不分散聚合物钻井液提供了流变学上的依据。固相不分散聚合物钻井液提供了流变学上的依据。避免了钻井液处于紊流状态时对井壁的冲蚀，有利于保持井避免了钻井液处于紊流状态时对井壁的冲蚀
40、，有利于保持井壁稳定。壁稳定。现场经验表明，在多数情况下，即便是使用低固相钻井液，现场经验表明，在多数情况下，即便是使用低固相钻井液，尽管粘度较低，但只要尽管粘度较低，但只要 较高，将环空返速保持在较高，将环空返速保持在0.50.6ms，就可满足携岩的要求。这样既能使泵压保，就可满足携岩的要求。这样既能使泵压保持在合理范围，又能够降低钻井液在钻柱内和环空的压力损持在合理范围，又能够降低钻井液在钻柱内和环空的压力损失，使水力功率得到充分、合理的利用。失，使水力功率得到充分、合理的利用。pd/“雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础
41、、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。p/0动塑比对流核的影响动塑比对流核的影响:一般认为，就有效地携带岩屑而言，一般认为，就有效地携带岩屑而言，将钻井液的将钻井液的0/P保持在保持在0.36-0.48Pa(mPas）或，）或，n值保持在值保持在0.40.7时是比较适宜的。时是比较适宜的。0提高有利于平板形层流的实现；但提高有利于平板形层流的实现；但过高的过高的 0 引起泵压显著升高，且超引起泵压显著升高，且超过一定值后，过一定值后，d0的增值不明显了。的增值不明显了。“雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基
42、础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。将将n值的适宜范围定为值的适宜范围定为040.7，也是同样的道理。，也是同样的道理。当然，为了减小岩屑的滑落当然，为了减小岩屑的滑落速度，钻井液的有效粘度也速度，钻井液的有效粘度也不能太低。对于低固相聚合不能太低。对于低固相聚合物钻井液，应将其保持在物钻井液，应将其保持在612mPas。 “雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。为了使钻井液的为了使钻井液的0/ P，达到，达到0.360.48Pa(mPas)的
43、要的要求，常采取以下措施和方法：求，常采取以下措施和方法： (1)选用选用XC生物聚合物、生物聚合物、HEC、PHP和和FA367等高分子聚合等高分子聚合物作为主处理剂，并保持其足够的浓度。它们在体系中所形物作为主处理剂，并保持其足够的浓度。它们在体系中所形成的结构使成的结构使0值增幅往往要大得多，故有利于动塑比的提高。值增幅往往要大得多，故有利于动塑比的提高。 (2)通过有效地使用固控设备，除去钻井液中的无用固相，降通过有效地使用固控设备，除去钻井液中的无用固相，降低固体颗粒浓度，以达到降低低固体颗粒浓度，以达到降低P、提高、提高0/ P的目的。的目的。 (3)在保证钻井液性能稳定的情况下，
44、通过适量地加入石灰、在保证钻井液性能稳定的情况下，通过适量地加入石灰、石膏、氯化钙和食盐等电解质，以增强体系中固体颗粒形成石膏、氯化钙和食盐等电解质，以增强体系中固体颗粒形成网架结构的能力，因为凡是有利于空间网架结构增强的物质网架结构的能力，因为凡是有利于空间网架结构增强的物质都能使动切力都能使动切力0值增大。值增大。“雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。二、钻井液流变性与井壁稳定的关系二、钻井液流变性与井壁稳定的关系 该式是根据非牛顿流体雷诺数该式是根据非牛顿流体雷
45、诺数2000时推导的。时推导的。 式中，式中，c临界返速，临界返速，cms； P塑性粘度，塑性粘度，Pas； 0 动切力，动切力，Pa； 钻井液密度，钻井液密度，gcm3； D井径，井径，cm； d 钻杆或钻铤外径，钻杆或钻铤外径，cm。“雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。“雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。式中式中 ，d岩屑或加重剂颗粒
46、的直径，岩屑或加重剂颗粒的直径，m； r岩屑或加重剂的密度，岩屑或加重剂的密度，kgm3； 钻井液的密度，钻井液的密度，kgm3； s s钻井液的静切力，钻井液的静切力，Pa； g重力加速度，取重力加速度，取g10ms2。所以，需要的静切力为所以，需要的静切力为: d(r)g/6三、钻井液流变性与悬浮岩屑、加重剂的关系三、钻井液流变性与悬浮岩屑、加重剂的关系srdgdgd333)6/1 ()6/1 (“雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。四、钻井液流变性与井内液柱压力
47、激动的关系四、钻井液流变性与井内液柱压力激动的关系所谓井内液柱压力激动所谓井内液柱压力激动是指在起下钻和钻进过程中，由于钻柱是指在起下钻和钻进过程中，由于钻柱上下运动、泥浆泵开动等原因，使得井内液柱压力发生突然变上下运动、泥浆泵开动等原因，使得井内液柱压力发生突然变化化(升高或降低升高或降低)，给井内增加一个附加压力，给井内增加一个附加压力(正值或负值正值或负值)的现的现象。象。“雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。1起下钻时的压力激动起下钻时的压力激动 由于钻柱具有
48、一定的体积，当钻柱入井时，井内钻井液由于钻柱具有一定的体积，当钻柱入井时，井内钻井液要向上流动；起出钻柱时，井内钻井液便向下流动以填补钻柱要向上流动；起出钻柱时，井内钻井液便向下流动以填补钻柱在井内所占的空间。钻井液向上或向下流动，都要给予一定的在井内所占的空间。钻井液向上或向下流动，都要给予一定的压力以克服其沿程的阻力损失。这个压力是由于起下钻所引起压力以克服其沿程的阻力损失。这个压力是由于起下钻所引起的，它作用于井内钻井液，使它能够流动；与此同时也通过井的，它作用于井内钻井液，使它能够流动；与此同时也通过井内液柱作用于井壁和井底，内液柱作用于井壁和井底，这种突然给予井内的附加压力就是这种突
49、然给予井内的附加压力就是起下钻引起的压力激动。起下钻引起的压力激动。下钻时压力激动为正值，起钻时则为下钻时压力激动为正值，起钻时则为负值。起下钻压力激动值的大小主要取决于负值。起下钻压力激动值的大小主要取决于起下钻速度、井深、起下钻速度、井深、井眼尺寸、钻头喷嘴尺寸和钻井液的流变参数井眼尺寸、钻头喷嘴尺寸和钻井液的流变参数(主要是粘度、主要是粘度、切力和触变性切力和触变性)。压力激动值在。压力激动值在 1500m时可能达到时可能达到23MPa，在在5000m时可能达到时可能达到78MPa，因而对此是不能忽略的。，因而对此是不能忽略的。“雪亮工程是以区（县）、乡（镇）、村（社区）三级综治中心为指
50、挥平台、以综治信息化为支撑、以网格化管理为基础、以公共安全视频监控联网应用为重点的“群众性治安防控工程”。2开泵时的压力激动开泵时的压力激动 由于钻井液具有触变性，停止循由于钻井液具有触变性，停止循环后，井内钻井液处于静止状态，其环后，井内钻井液处于静止状态，其中粘土颗粒所形成的空间网架结构强中粘土颗粒所形成的空间网架结构强度增大，切力升高，开泵泵压将超过度增大，切力升高，开泵泵压将超过正常循环时所需要的压力，造成压力正常循环时所需要的压力，造成压力激动。例如，某井某次开泵泵压为激动。例如，某井某次开泵泵压为5MPa，钻井液流动一段时间后，泵压，钻井液流动一段时间后，泵压降为降为4.4MPa，