钻井液的流变性幻灯片.ppt

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1、钻井液的流变性第1页，共71页，编辑于2022年，星期三2 钻井液流变性 钻井液造壁性 钻井液处理剂 钻 井 液 体 系 核心内容本章内容第2页，共71页，编辑于2022年，星期三1.1.掌握有关的基本概念；掌握有关的基本概念；2.2.常用流型的特点、流变参数的意义、常用流型的特点、流变参数的意义、影响因素、计算及调整；影响因素、计算及调整；3.3.了解钻井液流变性与钻井的关系了解钻井液流变性与钻井的关系本章要点第3页，共71页，编辑于2022年，星期三 在在外外力力作作用用，物物质质发发生生流流动动和和变变形形的的特特性性；对对钻钻井井液液而而言言，其其流流动性是主要的方面。动性是主要的方面

2、。该该 特特 性性 通通 常常 用用 钻钻 井井 液液 的的 流流 变变 曲曲 线线和和塑塑 性性 粘粘 度度(Plastic(Plastic Viscosity)Viscosity)、动动切切力力(Yield(Yield Point)Point)、静静切切力力(Gel(Gel Strength)Strength)、表观粘度表观粘度(Apparent Viscosity)(Apparent Viscosity)等流变参数来进行描述。等流变参数来进行描述。第一节 基本概念 流变性流变性第4页，共71页，编辑于2022年，星期三 （1 1）携带岩屑，保证井底和井眼的清洁；）携带岩屑，保证井底和井眼

3、的清洁；（2 2）悬浮岩屑与重晶石；）悬浮岩屑与重晶石；（3 3）提高钻井速度；）提高钻井速度；（4 4）保持井眼规则和保证井下安全。）保持井眼规则和保证井下安全。第一节 基本概念 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第5页，共71页，编辑于2022年，星期三 指垂直于流速方向上单位距离流速的增量，指垂直于流速方向上单位距离流速的增量，=dv/dx=dv/dx，流速单位：流速单位：m/sm/s；距离单位：；距离单位：m m。因此剪切速率：。因此剪切速率：1/s1/s。流速越大，剪切速率越大。流速越大，剪切速率越大。第一节 基本概念 一、剪切速率一、剪切速率/速度梯度速度梯度

4、 第6页，共71页，编辑于2022年，星期三 在钻井过程中，钻井液在各个部位的剪切速率不同：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：沉砂池处：10-20s10-20s-1-1 ；环形空间：环形空间：5050250s 250s-1-1 ；钻杆内：钻杆内：1001001 000 s1 000 s-1-1 ；钻头喷嘴处：钻头喷嘴处：10 000-100 000 s10 000-100 000 s-1-1。剪切速率与流速成正比。剪切速率与流速成正比。第一节 基本概念 一、剪切速率一、剪切速率/速度梯度速度梯度 第7页，共71页，编辑于2022年，星期三l液流中各层的流速不同，故层与层之

5、间必然存在着相互作用。由于液流中各层的流速不同，故层与层之间必然存在着相互作用。由于液体内部内聚力的作用，流速较快的液层会带动流速较慢的相邻液液体内部内聚力的作用，流速较快的液层会带动流速较慢的相邻液层，而流速较慢的液层又会阻碍流速较快的相邻液层。这样在层，而流速较慢的液层又会阻碍流速较快的相邻液层。这样在流流速不同的各液层之间会发生内摩擦作用速不同的各液层之间会发生内摩擦作用，即出现成对的内，即出现成对的内摩擦力摩擦力(即剪切力即剪切力)，阻碍液层剪切变形。通常将，阻碍液层剪切变形。通常将液体流动时所液体流动时所具有的抵抗剪切变形的物理性质称做液体的粘滞性具有的抵抗剪切变形的物理性质称做液体

6、的粘滞性。第一节 基本概念 二、剪切应力二、剪切应力 第8页，共71页，编辑于2022年，星期三 剪切应力：流体：流体单单位面位面积积上的内摩擦力上的内摩擦力 牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律：液体流动时，液体层与层之间的：液体流动时，液体层与层之间的内摩接力内摩接力(F F)的大小与液体的性质及温度有关，并与液层间的大小与液体的性质及温度有关，并与液层间的接触面积的接触面积(S S)和剪切速率和剪切速率()成正比，而与接触面上的压成正比，而与接触面上的压力无关：力无关：F F=SS （3-13-1）内摩擦力内摩擦力F F除以接触面积除以接触面积S S即得液体内的剪切应力，即：即得液体内的剪切应力

7、，即：=F F/S=S=Pa Pa （3-23-2）式中：式中：F F-流体的内摩擦力，流体的内摩擦力，N N S S-面积，面积，m m2 2粘滞系数粘滞系数，单位是单位是PasPas，实际生活中一般采用，实际生活中一般采用mPasmPas。1cP1cP1mPas1mPas第一节 基本概念 二、剪切应力二、剪切应力 第9页，共71页，编辑于2022年，星期三n 通常将通常将剪切应力与剪切速率的关系剪切应力与剪切速率的关系遵守牛顿内摩擦定律遵守牛顿内摩擦定律的流体，称为牛顿流体；的流体，称为牛顿流体；n不遵守牛顿内摩擦定律的流体，称为非牛顿流体。水、酒精不遵守牛顿内摩擦定律的流体，称为非牛顿流

8、体。水、酒精等大多数纯液体、轻质油、低分子化合物溶液以及低速流动等大多数纯液体、轻质油、低分子化合物溶液以及低速流动的气体等均为牛顿流体，高分子聚合物的浓溶液和悬浮液等的气体等均为牛顿流体，高分子聚合物的浓溶液和悬浮液等一般为非牛顿流体。一般为非牛顿流体。大多数钻井液都属于非牛顿流体大多数钻井液都属于非牛顿流体。第一节 基本概念 二、剪切应力二、剪切应力 第10页，共71页，编辑于2022年，星期三n剪切应力和剪切速率是流变学的两个剪切应力和剪切速率是流变学的两个基本概念，钻井液流变性的核心问题基本概念，钻井液流变性的核心问题就是研究各种钻井液的剪切应力与剪就是研究各种钻井液的剪切应力与剪切速

9、率之间的关系。切速率之间的关系。n这种关系可以用数学关系式表示，也可这种关系可以用数学关系式表示，也可以作出曲线来表示。若用数学关系式表示以作出曲线来表示。若用数学关系式表示时，称为时，称为流变方程流变方程，习惯上又称为，习惯上又称为流流变模式变模式，如式，如式(32)(32)就是牛顿流体的流就是牛顿流体的流变模式。若用图线来表示时，就称为变模式。若用图线来表示时，就称为流流变曲线变曲线。流变曲线：描述 和 之间的曲线流变模式/流变方程：描述 和 之间的数学关系第一节 基本概念 三、流变模式和流变曲线三、流变模式和流变曲线第11页，共71页，编辑于2022年，星期三牛顿流体：牛顿流体：=塑性流

10、体：塑性流体：=0+p假塑性流体：假塑性流体：=K n n1 目前广泛使用的多数钻井液为塑性流体（宾汉流体）和假塑性流体。目前广泛使用的多数钻井液为塑性流体（宾汉流体）和假塑性流体。第一节 基本概念 四、流体的基本流型四、流体的基本流型 第12页，共71页，编辑于2022年，星期三牛顿流型：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：流型：根据流体流动时剪切应力根据流体流动时剪切应力与剪切速率与剪切速率之间的关系，流体可之间的关系，流体可以分为不同的类型：以分为不同的类型：第二节 基本流型及其特点第13页，共71页，编辑于2022年，星期三1

11、1、流变曲线、流变曲线1s高粘土含量的钻井液、高粘土含量的钻井液、高含蜡原油和油漆等高含蜡原油和油漆等都属于塑性流体。都属于塑性流体。第二节 基本流型及其特点 一、塑性流体一、塑性流体第14页，共71页，编辑于2022年，星期三（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 粘土矿物具有片状或棒状结构，形状很不规则，颗粒之间粘土矿物具有片状或棒状结构，形状很不规则，颗粒之间容易彼此连接在一起，形成空间网架结构容易彼此连接在一起，形成空间网架结构粘土颗粒间粘土颗粒间作用力作用力第二节 基本流型及其特点 一、塑性流体一、塑性流体扩散双电层斥力水化膜弹性斥力 范德华引力/

12、静电吸引力等第15页，共71页，编辑于2022年，星期三 不不过过原原点点的的原原因因：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 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(流型动画)在低剪切速率下，可供拆散的网架结构较多，结构拆散速度结构恢复速度在低剪切速率下，可供拆散的网架结构较多，结构拆散速度结构恢复速度拆散程度随剪切速率增加而增大拆散程度随剪切速率增加而增大 /(/(表观粘度表观粘度)第二节 基本流

13、型及其特点 一、塑性流体一、塑性流体第16页，共71页，编辑于2022年，星期三（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 结构恢复速度第二节 基本流型及其特点 一、塑性流体一、塑性流体第17页，共71页，编辑于2022年，星期三 宾汉模式宾汉模式(适合于中、高剪切速率适合于中、高剪切速率)=0+p 式中：式中：0：动切力或屈服值：动切力或屈服值(Yield Point)，Pa p：塑性粘度，：塑性粘度，Pas，实际中使用，实际中使

14、用mPas （1）塑性粘度）塑性粘度p 物理意义：物理意义：反映流体在层流下达到动平衡（网架结构的拆散反映流体在层流下达到动平衡（网架结构的拆散速度等于其恢复速度）时，速度等于其恢复速度）时，固相颗粒之间、固相颗粒与液相之间以固相颗粒之间、固相颗粒与液相之间以及液相内部内摩擦力及液相内部内摩擦力的大小。的大小。第二节 基本流型及其特点 一、塑性流体一、塑性流体2 2、宾汉模式、宾汉模式第18页，共71页，编辑于2022年，星期三影响因素影响因素 A、固相含量、固相含量 固相颗粒数目固相颗粒数目 塑性粘度塑性粘度p 第二节 基本流型及其特点 一、塑性流体一、塑性流体B、固相分散度、固相分散度 固

15、相颗粒数目固相颗粒数目 塑性粘度塑性粘度p C、固相类型、固相类型 活性固相：在水中分散性强的固相，如膨润土活性固相：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，如钻屑惰性固相：在水中分散性弱的固相，如钻屑活性固相含量活性固相含量 固相分散度固相分散度 塑性粘度塑性粘度 p （固相含量一定）（固相含量一定）第19页，共71页，编辑于2022年，星期三E、温度、温度 液相粘度液相粘度 塑性粘度塑性粘度 p D、液相粘度、液相粘度 内摩擦力内摩擦力 塑性粘度塑性粘度 p 第二节 基本流型及其特点 一、塑性流体一、塑性流体使用固控设备使用固控设备使用化学絮凝剂使用化学絮凝剂加水稀

16、释加水稀释pp 调整调整加预水化膨润土加预水化膨润土 加增粘剂加增粘剂第20页，共71页，编辑于2022年，星期三（2 2）动切力）动切力0 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钻井液在层流状态下达到动平衡时形成网架结构网架结构的强弱的强弱。影响因素影响因素B、活性固相含量、活性固相含量 固相分散度固相分散度 网架结构数目网架结构数目 动切力动切力0C、降粘剂、降粘剂 动切力动切力0D、高分子聚合物、高分子聚合物 动切力动切力0第二节 基本流型及其特点 一、塑性流体一、塑性流体A、固相含量、固相含量 网架结构数目网架结构数目 动切力动切力0第21页，共71页，编辑于202

17、2年，星期三0电解质浓度CC0E、电解质的影响、电解质的影响第二节 基本流型及其特点 一、塑性流体一、塑性流体第22页，共71页，编辑于2022年，星期三0电解质浓度电解质浓度CCa2+Na+原因：原因：CC0，电解质浓度，电解质浓度C 压缩扩散双电层压缩扩散双电层 电动电位电动电位颗粒间斥力颗粒间斥力 形成面面连接形成面面连接,固相分散度固相分散度 0第二节 基本流型及其特点 一、塑性流体一、塑性流体第23页，共71页，编辑于2022年，星期三第二节 基本流型及其特点 一、塑性流体一、塑性流体第24页，共71页，编辑于2022年，星期三00调整调整 加预水化膨润土加预水化膨润土 加高分子聚合

18、物加高分子聚合物加适量的电解质加适量的电解质加降粘剂加降粘剂加水稀释加水稀释消除引起消除引起0升高的电解质升高的电解质l国外资料指出，对于非加重钻井液，塑性粘度国外资料指出，对于非加重钻井液，塑性粘度p一般应控制在一般应控制在512mPas，动切力，动切力0应控制在应控制在1.414.4Pa。第二节 基本流型及其特点 一、塑性流体一、塑性流体第25页，共71页，编辑于2022年，星期三第二节 基本流型及其特点 一、塑性流体一、塑性流体第26页，共71页，编辑于2022年，星期三第二节 基本流型及其特点 一、塑性流体一、塑性流体第27页，共71页，编辑于2022年，星期三1 1、流变曲线、流变曲

19、线第二节 基本流型及其特点 二、假塑性流体二、假塑性流体/幂律流体幂律流体第28页，共71页，编辑于2022年，星期三原因原因1 12 23 31 12 23 3流动流动方向方向（1 1）曲线过原点）曲线过原点无网架结构无网架结构脆弱且不连续的网架结构脆弱且不连续的网架结构（2 2）曲线无直线段）曲线无直线段原因：随原因：随增大，体系中形状不规则的粒子沿流动方向转增大，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。向和变形，流动阻力减小。第二节 基本流型及其特点 二、假塑性流体二、假塑性流体/幂律流体幂律流体第29页，共71页，编辑于2022年，星期三 =Kn 式中：式中：K：稠度

20、系数，：稠度系数，Pasn n：流性指数，：流性指数，无因次，无因次，0 n 1 （1）流性指数）流性指数n 物理意义：物理意义：反映流体偏离牛顿流体的程度。反映流体偏离牛顿流体的程度。n 越小，越小，表明越偏离牛顿流体。表明越偏离牛顿流体。第二节 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2 2、幂律模式、幂律模式第30页，共71页，编辑于2022年，星期三（2）稠度系数）稠度系数K 物理意义：物理意义：主要反映钻井液粘度的大小，主要反映钻井液粘度的大小，K越大，粘度越大。越大，粘度越大。影响因素及调整影响因素及调整:同塑性粘度同塑性粘度 p。影响因素及调整影响因素及调

21、整 =0+p =p =K n =K 凡是影响凡是影响0的因素必然影响的因素必然影响n，但影响方向相反，既使，但影响方向相反，既使0 使使n 第二节 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 0 0 n 1第31页，共71页，编辑于2022年，星期三宾汉模式的局限性：宾汉模式的局限性：适合在适合在中、高剪切速率中、高剪切速率 范围范围描述钻井液的流变性。描述钻井液的流变性。幂律模式的局限性：幂律模式的局限性：适合在适合在低、中剪切速率低、中剪切速率范围描述钻井液的流变性。范围描述钻井液的流变性。卡森模式：卡森模式：卡森卡森(Casson)(Casson)模式是模式是195

22、91959年由卡森首先提出的，最初主要应用年由卡森首先提出的，最初主要应用 于油漆、于油漆、颜料和塑料等工业中。颜料和塑料等工业中。19791979年，美国人劳增年，美国人劳增(Lauzon)(Lauzon)和里德和里德(Reid)(Reid)首次将卡森模式用于钻井液流首次将卡森模式用于钻井液流变性的研究中。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、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。中剪切区的测定结果预测高剪切速率下的流变特性。第二节 基本流型及其特点三、卡森流体三、卡森流体第32页，

23、共71页，编辑于2022年，星期三1 1、流变曲线、流变曲线1/21/2第二节 基本流型及其特点三、卡森流体三、卡森流体第33页，共71页，编辑于2022年，星期三 1/2=c1/2+1/21/2 式中：式中：c-卡森动切力卡森动切力(卡森屈服值卡森屈服值)，Pa；-极限高剪切粘度（水眼粘度），极限高剪切粘度（水眼粘度），mPas2 2、卡森模式、卡森模式第二节 基本流型及其特点三、卡森流体三、卡森流体第34页，共71页，编辑于2022年，星期三(1)卡森动切力卡森动切力c 物理意义：物理意义：反映钻井液网架结构的强弱反映钻井液网架结构的强弱 影响因素与调整：影响因素与调整：同同0 (2)极限

24、高剪切粘度极限高剪切粘度 物理意义：物理意义：反映钻井液内摩擦力的强弱反映钻井液内摩擦力的强弱 影响因素与调整：影响因素与调整：同同 p2 2、卡森模式、卡森模式第二节 基本流型及其特点三、卡森流体三、卡森流体第35页，共71页，编辑于2022年，星期三l赫谢尔赫谢尔巴尔克莱巴尔克莱(HerschelBulkely)(HerschelBulkely)三参数流变模式简称赫三参数流变模式简称赫巴模式，又称为带有动切力巴模式，又称为带有动切力(或屈服值或屈服值)的幂律模式，或经修的幂律模式，或经修正的幂律模式。正的幂律模式。19771977年该模式首次用于钻井液流变性的研究。年该模式首次用于钻井液流

25、变性的研究。l实际钻井液：实际钻井液：实际钻井液的流变曲线一般都不通过原点，即实际钻井液的流变曲线一般都不通过原点，即或多或少都存在一个极限动切力。只有当外力达到或超过这或多或少都存在一个极限动切力。只有当外力达到或超过这一极限动切力后，流体才开始流动。一极限动切力后，流体才开始流动。第二节 基本流型及其特点四、赫谢尔四、赫谢尔巴尔克莱三参数流变模式巴尔克莱三参数流变模式第36页，共71页，编辑于2022年，星期三l宾汉模式：宾汉模式：宾汉模式的动切力宾汉模式的动切力0 0是一外推值，它一般会高于实是一外推值，它一般会高于实际钻井液的极限动切力。际钻井液的极限动切力。l幂律模式：幂律模式：幂律

26、模式流变曲线通幂律模式流变曲线通过原点，极限动切力为零，因过原点，极限动切力为零，因此这两种传统模式均不能反映此这两种传统模式均不能反映实际钻井液的这一特性。实际钻井液的这一特性。第二节 基本流型及其特点四、赫谢尔四、赫谢尔巴尔克莱三参数流变模式巴尔克莱三参数流变模式第37页，共71页，编辑于2022年，星期三l结论：结论：幂律模式和宾汉模式与实际钻井液的流变曲线都有所幂律模式和宾汉模式与实际钻井液的流变曲线都有所出入，相对而言实际流变曲线与宾汉模式流变曲线的偏差出入，相对而言实际流变曲线与宾汉模式流变曲线的偏差较大，而与幂律模式流变曲线较为接近。为了能更准确的较大，而与幂律模式流变曲线较为接

27、近。为了能更准确的表示钻井液的流变曲线，需要对幂律流体进行改进或修正，表示钻井液的流变曲线，需要对幂律流体进行改进或修正，赫巴模式就是一种修正的幂律模式赫巴模式就是一种修正的幂律模式。第二节 基本流型及其特点四、赫谢尔四、赫谢尔巴尔克莱三参数流变模式巴尔克莱三参数流变模式第38页，共71页，编辑于2022年，星期三l赫巴模式的数学表达式为：赫巴模式的数学表达式为：=y+Kn式中：式中：y表示该模式的动切力；表示该模式的动切力；n和和K的意义和幂律模式相同。的意义和幂律模式相同。第二节 基本流型及其特点四、赫谢尔四、赫谢尔巴尔克莱三参数流变模式巴尔克莱三参数流变模式第39页，共71页，编辑于20

28、22年，星期三1、作图法、作图法 （1）多点测试（）多点测试（，）（2）分别以分别以和和 为坐标轴绘图为坐标轴绘图 （3）结合标准流变曲线进行判断结合标准流变曲线进行判断 第二节 基本流型及其特点五、流型判断五、流型判断第40页，共71页，编辑于2022年，星期三（1）多点测试（）多点测试（，）（2）假设流变模式后进行线性回归）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）检验 相关系数相关系数R计计 临界相关系数临界相关系数R临临，假设成立。，假设成立。参考文献：参考文献：LG植物胶无固相钻井液的流变性研究植物胶无固相钻井液的流变性研究第二节 基本

29、流型及其特点五、流型判断五、流型判断2、线性回归法、线性回归法第41页，共71页，编辑于2022年，星期三漏斗漏斗容积：容积：15001500或或700ml700ml原理：测定一定钻井液（原理：测定一定钻井液（946ml/1500ml，500ml/700ml）从漏斗下端流出所需的时间。从漏斗下端流出所需的时间。第三节 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、漏斗粘度计第42页，共71页，编辑于2022年，星期三 ZMN型马式漏斗粘度计由型马式漏斗粘度计由锥体马锥体马式漏斗、孔径式漏斗、孔径1.6mm的滤网和的滤网和946ml量杯组成量杯组成。锥体上口直锥体上口直径

30、径152mm，锥体下口直径与，锥体下口直径与导流管直径导流管直径4.76mm，锥体长，锥体长度度305mm，漏斗总长，漏斗总长356mm，筛底以下的漏斗容积筛底以下的漏斗容积1500ml。第三节 流变参数测量与计算一、测量仪器及原理一、测量仪器及原理马氏漏斗马氏漏斗第43页，共71页，编辑于2022年，星期三 苏式漏斗粘度计苏式漏斗粘度计l该粘度计由漏斗和量筒组成。构造如右图。量筒由隔板分成两部分，该粘度计由漏斗和量筒组成。构造如右图。量筒由隔板分成两部分，大头为大头为500ml，小头为，小头为200ml，漏斗下端是直径为，漏斗下端是直径为5mm，长为，长为100mm的管子。的管子。第三节 流

31、变参数测量与计算一、测量仪器及原理一、测量仪器及原理第44页，共71页，编辑于2022年，星期三范氏粘度计范氏粘度计（外筒转）（外筒转）二速二速六速六速无级调速无级调速范氏粘度计：内筒转范氏粘度计：内筒转第三节 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2、旋转粘度计、旋转粘度计第45页，共71页，编辑于2022年，星期三 测量原理测量原理:(1)剪切速率剪切速率与转子转速与转子转速n成正比：成正比：=1.703n s-1 (2)剪切应力与粘度计读数成正比：剪切应力与粘度计读数成正比：=0.511 Pa转速,r/min36100200300600剪切速率,1/s5.1110.221

32、70.3340.65111022第三节 流变参数测量与计算一、测量仪器及原理一、测量仪器及原理第46页，共71页，编辑于2022年，星期三作图法作图法计算法计算法做做 流变曲线流变曲线判断流型判断流型确定参数确定参数判断流型判断流型计算公式推导计算公式推导计算计算第三节 流变参数测量与计算二、流变参数确定二、流变参数确定第47页，共71页，编辑于2022年，星期三10-3PasmPas5111022第三节 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二、流变参数确定二、流变参数确定第48页，共71页，编辑于2022年，星期三Pa第三节 流变参数测量与计算二、流变参数确定二、

33、流变参数确定第49页，共71页，编辑于2022年，星期三2 2、假塑性流体（幂律流体）流变参数计算、假塑性流体（幂律流体）流变参数计算第三节 流变参数测量与计算二、流变参数确定二、流变参数确定第50页，共71页，编辑于2022年，星期三第三节 流变参数测量与计算二、流变参数确定二、流变参数确定第51页，共71页，编辑于2022年，星期三3 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第三节 流变参数测量与计算二、流变参数确定二、流变参数确定第52页，共71页，编辑于2022年，星期三4、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

34、度）表观粘度 a a定义：剪切应力定义：剪切应力与对应剪切速率与对应剪切速率之比之比 a =/无特殊说明，无特殊说明，a是指是指=1022 s-1时的时的 amPas第三节 流变参数测量与计算二、流变参数确定二、流变参数确定第53页，共71页，编辑于2022年，星期三（2）剪切稀释性）剪切稀释性 定义：定义：表观粘度随剪切速率增大而降低的特性。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：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。要求钻井液具有较强的剪切稀释性。环形空间：环形空间：低，低，a大，有利于携带钻屑大，有利于携带钻屑 钻头水眼：钻头水眼：大，大，a小，有利于水

35、力破岩小，有利于水力破岩第三节 流变参数测量与计算二、流变参数确定二、流变参数确定第54页，共71页，编辑于2022年，星期三剪切稀释性影响因素：剪切稀释性影响因素：塑性流体：塑性流体：假塑性流体：假塑性流体：卡森流体：卡森流体：一般钻井要求：一般钻井要求：第三节 流变参数测量与计算二、流变参数确定二、流变参数确定第55页，共71页，编辑于2022年，星期三5、静切力、静切力与触变性与触变性 （1）切力）切力 定义：定义：指静切力，表示钻井液指静切力，表示钻井液在静止状态下网架结构的强弱。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切力随静止时间的变化而变化（见（见右图），右图），塑

36、性流体静切力塑性流体静切力s是静切是静切力的极限值。力的极限值。1 1、较快的强凝胶、较快的强凝胶 2 2、较慢的强凝胶、较慢的强凝胶 3 3、较快的弱凝胶、较快的弱凝胶 4 4、较慢的弱凝胶、较慢的弱凝胶 第三节 流变参数测量与计算二、流变参数确定二、流变参数确定第56页，共71页，编辑于2022年，星期三触变性评价：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（配浆时）;B、初切测量：在600rpm下转10s，静止10s，测3rpm的切力终切测量：在600rpm下转10s，静止10min，测3rpm的切力第三节 流变参数测量与计算二、流变参

37、数确定二、流变参数确定第57页，共71页，编辑于2022年，星期三携岩及悬浮井壁稳定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流变性与钻井关系钻井关系第四节 钻井液流变性与钻井作业的关系第58页，共71页，编辑于2022年，星期三1.1.钻井液携带岩屑的基本原理钻井液携带岩屑的基本原理l携岩基本过程：一是岩屑被冲离井底，二是携岩基本过程：一是岩屑被冲离井底，二是岩屑从环形空间被携岩屑从环形空间被携至地面至地面。l携岩基本原理：一方面钻井液携带岩屑颗粒向上运动，另一携岩基本原理：一方面钻井液携带岩屑颗粒向上运动，另一方面岩屑颗粒由于重力作用向下滑落。方面岩屑颗粒由于重力作用向下滑落

38、。l在在环形空间环形空间里，钻井液携带岩屑颗粒向上运动的速度取决于里，钻井液携带岩屑颗粒向上运动的速度取决于流体的上返速度与颗粒自身滑落速度二者之差。流体的上返速度与颗粒自身滑落速度二者之差。第三节 流变参数测量与计算一、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 vp=vf-vs第59页，共71页，编辑于2022年，星期三第三节 流变参数测量与计算一、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第60页，共71页，编辑于2022年，星期三l综合考虑钻井的成本和效益，上返速度不能大幅度提高。因此，综合考虑钻井的成本和效益，上返速度不能大幅度提高。因此，如何尽量降低岩屑的滑落速

39、度对携岩至关重要。如何尽量降低岩屑的滑落速度对携岩至关重要。l研究表明，研究表明，岩屑的滑落速度除与岩屑尺寸、岩屑密度、岩屑的滑落速度除与岩屑尺寸、岩屑密度、钻井液密度和钻井液密度和流态流态等因素有关外，还与钻井液的等因素有关外，还与钻井液的有效粘度有效粘度成成反比。反比。第三节 流变参数测量与计算一、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第61页，共71页，编辑于2022年，星期三钻井液流态钻井液流态层流特点层流特点l塞流塞流l层流层流l平板型层流平板型层流l紊流紊流2.1 2.1 层流及其携岩特点层流及其携岩特点l成层流动成层流动l流速低流速低l速度剖面呈速度剖面呈“尖峰尖峰

40、”抛物线抛物线2.2.流态对携岩效率的影响流态对携岩效率的影响第三节 流变参数测量与计算一、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第62页，共71页，编辑于2022年，星期三层流携岩特点层流携岩特点l对井壁冲刷作用小，有利于井壁对井壁冲刷作用小，有利于井壁稳定稳定l存在存在“转动靠壁转动靠壁”现象，携岩效现象，携岩效率低率低 F1F2F3F4第三节 流变参数测量与计算一、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第63页，共71页，编辑于2022年，星期三紊流特点紊流特点2.2 2.2 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体质点作无规则运动流速大，速梯

41、小流速大，速梯小速度剖面扁平速度剖面扁平第三节 流变参数测量与计算一、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第64页，共71页，编辑于2022年，星期三紊流携岩特点紊流携岩特点优点优点：岩屑不存在转动和滑落现象，几乎全部都能携带到地面上岩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。来，环形空间里的岩屑比较少。缺点缺点：l岩屑滑落大，要求上返速度高，泵排量大；岩屑滑落大，要求上返速度高，泵排量大；l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。所以用紊流携岩还会使钻头的水马力降低，不利

42、于成正比。所以用紊流携岩还会使钻头的水马力降低，不利于喷射钻井。喷射钻井。l紊流时的高流速对井壁冲蚀严重，容易引起易塌地层井壁垮榻。紊流时的高流速对井壁冲蚀严重，容易引起易塌地层井壁垮榻。第三节 流变参数测量与计算一、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第65页，共71页，编辑于2022年，星期三第三节 流变参数测量与计算一、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第66页，共71页，编辑于2022年，星期三2.3 平板型层流平板型层流流速低流速低速度剖面扁平速度剖面扁平对井壁冲刷作用小对井壁冲刷作用小携岩效率高（低速，携岩效率高（低速，0.50.6m/s）解决了低

43、粘度钻井液携带岩屑的问题（不分散低固相泥浆）解决了低粘度钻井液携带岩屑的问题（不分散低固相泥浆）平板型层平板型层流特点流特点携岩特携岩特点点 等速核直径等速核直径d0越大，越大，携岩效率越高携岩效率越高第三节 流变参数测量与计算一、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第67页，共71页，编辑于2022年，星期三 d0动塑比动塑比塑性流体：塑性流体：适合值在适合值在0.360.48Pa/mPas适合值在适合值在0.40.40.70.7幂律流体：幂律流体：n d0第三节 流变参数测量与计算一、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第68页，共71页，编辑于2022年，

44、星期三 为了使钻井液的动塑比达到为了使钻井液的动塑比达到0.360.48mPas的要求，常采取以的要求，常采取以下措施和方法：下措施和方法：l选用选用XC生物聚合物、生物聚合物、HEC、PHP和和FA368等高分子聚合物等高分子聚合物作为主处理剂，并保持其足够的浓度。它们在体系中形成的结构作为主处理剂，并保持其足够的浓度。它们在体系中形成的结构使动切力值增大；使动切力值增大；l通过有效地使用固控设备通过有效地使用固控设备。除去钻井液中的无用固相，降。除去钻井液中的无用固相，降低固体颗粒浓度，以达到降低塑性粘度、提高动塑比的低固体颗粒浓度，以达到降低塑性粘度、提高动塑比的目的。目的。l在保证钻井

45、液性能稳定的情况下、通过在保证钻井液性能稳定的情况下、通过适量地加入石灰、适量地加入石灰、石膏、氯化钙和食盐等电解质石膏、氯化钙和食盐等电解质，以增强体系中固体颗粒形，以增强体系中固体颗粒形成网架结构的能力。成网架结构的能力。第三节 流变参数测量与计算一、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第69页，共71页，编辑于2022年，星期三实例：松科实例：松科1井井松科松科1井二开进尺到井二开进尺到515m后，后，进行了一次大规模的调浆，进行了一次大规模的调浆，泥浆粘度从泥浆粘度从45s降低到降低到21s，日进，日进尺从尺从1215m上升到上升到2025m；调浆后；调浆后15天（至天（至5月月16日），日），进尺达进尺达300m。第三节 流变参数测量与计算四、钻井液流变性与钻速的关系四、钻井液流变性与钻速的关系第70页，共71页，编辑于2022年，星期三练习题试求：该浆的流变参数（塑性粘度、动切力、稠度系数、流塑性粘度、动切力、稠度系数、流性指数、表观粘度、卡森极限高剪粘度、卡森极限动切力性指数、表观粘度、卡森极限高剪粘度、卡森极限动切力）n,rpm60030020010063,读数27171410.55.55l习题：利用六速旋转粘度计测得某浆的读数为第三节 流变参数测量与计算第71页，共71页，编辑于2022年，星期三