第三章 钻井液的流变性

而假塑性流体剪切应力与剪切速率之比总是变化的，
在流变曲线中无直线段。
石油工程学院
23
2018/10/12
假塑性流体流变模式与流变曲线
假塑性流体服从下 式所示的幂律方程，即 该式为假塑性流体的流 变模式，习惯上称为幂律 模式,式中的n(流性指数) 和是K(稠度系数)是假塑性 流体的两个重要流变参数。
钻井液流变性是钻井液的一项基本性能，
在解决 (1)携带岩屑，保证井底和井服的清洁；
(2)悬浮岩屑与重晶石；(3)提高机械钻速；(4)
保持井眼规则和保证井下安全起着十分重要的 作用。钻井液的某些流变参数还直接用于钻井 环空水力学的有关计算。
2018/10/12
石油工程学院
1
第一节 流体的基本流型及其特点
2018/10/12
石油工程学院
9
膨胀流体比较少见。流动特点是：稍加外力发生
流动；粘度随剪切速率(或剪切应力)增加而增大，静
臵时又恢复原状。与假塑性流体相反，其流变曲线凹
向剪切应力轴。膨胀流体在静止状态时，所含有的颗
粒是分散的。剪切应力增大，部分颗粒会纠缠在一起
形成网架结构，增大流动阻力。目前广泛使用的多数
影响K值的主要因素：受体系中固含和液相粘度 的影响，同时也受结构强度的影响。当固体含量或 聚合物处理剂的浓度增大时，K值相应增大；
τs
2018/10/12
τ
0
石油工程学院
33
影响动切力的因素主要有
（1）粘土矿物的类型和浓度。在常见的粘土矿物中，
蒙脱石最容易水化膨胀和分散、并形成网架结构。随
着钻井液中蒙脱石浓度增加，塑性粘度上升比较缓慢，
动切力上升很快。高岭石和伊利石等粘土矿物对动切
力的影响较小。钻井液需要提高动切力时，可选用膨
一、流体流动的基本概念
1．剪切速率和剪切应力 液体与固体区别: 加很小的力就能使液体发生变形，而只要力作用的时间相 当长，很小的力能使液体发生很大的变形。
2018/10/12
石油工程学院
2
钻井液在循环过程中，在各个部位的流速不同，剪
切速率不相同。流速越大剪切速率越高。一般情况下， 沉砂池处剪切速率最低，大约在10～20s-1；环形空间
2018/10/12
石油工程学院
27
第二节 钻井液流变参数的测量与调控
钻井液的流变性能除塑性粘度、动切力、
静切力、流性指数和稠度系数外，还包括漏斗 粘度、表观粘度、剪切稀释性、动塑比和触变 性等。
2018/10/12
石油工程学院
28
一、钻井液常用的流变参数及其调控方法 1.漏斗粘度
在钻井过程中，钻井液漏斗粘度需 要经常测定。由于测定方法简便，可直 观反映钻井液粘度的大小。漏斗粘度计 的外观如图3-7所示。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API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度计来 测量。
塑性粘度越高；相对分子质量越大，塑性粘度越高。
2018/10/12
石油工程学院
32
动切力
动切力(屈服值)是塑性流体流变曲线中的直线段 在τ轴上的截距。动切力反映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，即形成空间网架结构能力的强弱。影响钻井液
形成结构的因素，影响动切力值。
构恢复速度相应增加。当剪切速率增至一定程度，结
构破坏的速度和恢复的速度保持相等(达到动态平衡)
时，结构拆散的程度不再随剪切速率增加而发生变化，
粘度也不发生变化。该粘度为钻井液的塑性粘度。塑
性粘度不随剪切应力和剪切速率改变，对钻井液的水
力计算是很重要的。
2018/10/12
石油工程学院
21
假塑性流体
稀释或化学絮凝等方法，尽量减少固相含量。 （2）提高塑性粘度：应用低造浆粘土配浆，加入加
重剂、混油、提高PH值、加入高分子聚合物等。
2018/10/12
石油工程学院
36
（3）降低动切力：最有效的方法加入降粘剂，若 由钙镁离子侵入，可加入沉淀剂，除去钙镁离子。 （4）提高动切力： 可加入预水化膨润土浆，或增 大高分聚合物的加量。对于钙处理钻井液或盐水钻井 液，可通过适当增加钙钠离子浓度。
2018/10/12
石油工程学院
7
流变方程
流变曲线
2018/10/12
石油工程学院
8
3．流体的基本流型
按照流体流动时剪切速率与剪切应力之间的关系， 流体可以划分为不同的流型。除牛顿流型外，根据所测 出的流变曲线形状的不同，将非牛顿流体的流型归纳为 塑性流型、假塑性流型和膨胀流型。以上四种基本流型 的流变曲线见图3-4。符合这四种流型的流体分别叫做 牛顿流体、塑性流体、假塑性流体和膨胀性流体。
属于塑性流体。水基钻井液主要由粘土、水和处理 剂所组成。粘土矿物具有片状或棒状结构，形状不 规则，颗粒之间容易彼此连接在一起。形成空间网 架结构。粘上颗粒可能出现三种不同连接方式，面面、端—面和端—端连接。
2018/10/12
石油工程学院
17
三种不同的连接方式将产生不同的后果。面—
面连接会导致形成较厚的片，颗粒分散度降低，通
25
四、膨胀型流体
膨胀型流体特点:粘度随剪 切速率增加而增加，静止 时又恢复原状；也没有静 切应力。与假塑性流体相 反。流变曲线凹向剪切应 力轴。
2018/10/12
石油工程学院
26
膨胀型流体机理分析
静止时，粒子是分散的， 剪切速率增加时，粒子排列 变乱，有些粒子被搅在一起 形成网架结构，架子搭得越 多，流动阻力越大，粘度随 剪切速率的增加而增大。
τ
0
度。
2018/10/12
石油工程学院
14

剪切应力继续增大，并超过τs时，塑性流体不 能均匀剪切，粘度随剪切速率的增加而降低，图中 曲线段；继续增加剪切速率，粘度不随剪切速率的 增加而降低，图中直线段；
塑性粘度（PV）：不随切力 或流速梯度改变的粘度。 动切力（YP）：直线段延长 线与切应力的交点为动切应力或 叫屈服值。
钻井液为塑性流体和假塑性流体。
2018/10/12
石油工程学院
10
2018/10/12
石油工程学院
11
牛顿流体
通常将剪切应力与剪切速率的关系遵守牛顿内摩擦定 律的流体，称为牛顿流体。



水、酒精等大多数纯液体、轻质油、低分量化合物 溶液以及低速流动的气体等均为牛顿流体。 流动特点：加很小的剪切力能流动，剪切应力与流速 梯度成正比。在层流区域内，粘度不随切力流速梯度 变化，为常量。
加一定的剪切应力，破坏絮凝时形成的连续网架结构。
这个力为静切应力，静切应力反映所形成结构的强弱， 将静切应力称为凝胶强度。 在钻井液开始流动以后，初期的剪切速率较低，结 构的拆散速度大于恢复速度，拆散程度随剪切速率增
加而增大，粘度随剪切速率增加而降低。
2018/10/12
石油工程学院
20
随着结构拆散程度增大，拆散速度逐渐减小，结
粘度是液体的性质，不同液体有不同的µ 值。µ 与温度 有关，一般随温度的升高而降低。
2018/10/12
石油工程学院
6
2、流变模式与流变曲线
剪切应力和剪切速率是流变学中的两个基本慨念， 钻井液流变性的核心问题是研究各种钻井液的剪切应力
与剪切速率之间的关系。用数学关系式表示称为流变方
程，又称为流变模式，用图纸来表示称为流变曲线。
2018/10/12
石油工程学院
29
记录的时间为漏斗粘度，单位为s。
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，不能说明钻井液粘度变化的原因，
也不能作为对钻井液进行处理的依据。
2018/10/12
石油工程学院
30
2、塑性粘度和动切力
塑性粘度是塑性流体的性质，不随剪切速率而变 化。塑性粘度反映了在层流情况下，钻井液中网架结
2018/10/12
石油工程学院
37
3.流性指数和稠度系数
由幂律方程，假塑性流体的表现粘度表示为：

n
流型指数n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的程度。钻井液的n值一般均 小于1。n值越小，表示钻井液的非牛顿性越强。流性 指数是一个无因次量。在钻井液设计中，一般希望有 较低的n值，确保钻井液具有良好的剪切稀释性能。
2018/10/12
石油工程学院
4
牛顿内摩擦定律：
剪切应力：内摩擦力F除以接触面积S即得液体内的 剪切应力τ ，剪切应力理解为单位面积上的剪切力。
µ 是量度液体粘滞性大小的物理量，粘度。单位
为Pa·s或mPa·s。
2018/10/12
石油工程学院
5
µ物理意义：产生单位剪切速率所需要的剪切应力。
µ 越大，表示产生单位剪切速率所需要的剪切应力越大。
2018/10/12
τs
τ0
石油工程学院
15

0 塑
塑性流体流变模式与流变曲线
宾汉模 式 塑性流 体流变 曲线
τs
τ0
此式是塑性流体的流变模式，该式常称为宾汉模 式，并将塑性流体称为宾汉塑性流体。
2018/10/12
石油工程学院
16
粘土含量高的钻井液、高含蜡原油和油漆等都
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液相内部的内摩擦作用 的强弱。
2018/10/12
石油工程学院
31
影响塑性粘度的因素主要有：
(1)钻井液中的固相含量。是影响塑性粘度的主要因素。一般情 况下，随着钻井液固体颗粒逐渐增多，颗粒的总表面积不断增大， 颗粒间的内摩擦力增加。 (2)钻井液中粘土的分散程度。当粘土含量相同时，分散度越 高，塑性粘度越大。 (3)高分子聚合物处理剂。钻井液中加入高分子聚合物处理剂 提高液相粘度，增大塑性粘度。高分子聚合物处理剂浓度越高，
2018/10/12
石油工程学院
38
K值与钻井液的粘度、切力 联系在一起。K值与流体在剪切
速率为s-1时的粘度有关。
K值越大，粘度越高，一般 将K值称为稠度系数。对于钻井 液，K值反映可泵性。K值过大， 造成重新开泵困难。K值过小，
对携岩不利。 K值的单位为Pa·sn
石油工程学院
39
2018/10/12
润土。
2018/10/12
石油工程学院
34
（2）电解质：在钻井过程中无机电解质的侵入均会引
起钻井液絮凝程度增加，增加动切力。 （3）降粘剂：大多数降粘剂都是吸附在粘土端面， 使粘土带有一定的负电荷，拆散网架结构，降低动切 力。
2018/10/12
石油工程学院
35
宾汉流变模式参数调整
（1）降低塑性粘度：通过合理使用固控设备、加水
50～250s-1；钻杆内100～ 1000s-1；钻头喷嘴处最高
，大约在10000～100000s-1。
2018/10/12
石油工程学院
3
剪切速率：沿垂直于流 速方向上单位距离上流速的 改变量或增加量。 表达式如下：
流速分布特 点
γ dv dx
单位为：s-1; 流体各层之间流速不同，层 与层之间存在相互作用。液体内部内聚力的作用，流 速较快的液层带动流速较慢的相邻液层，流速较慢的 液层阻碍流速较快的相邻液层。
2018/10/12
石油工程学院
24
n:表现出流体非牛顿性程度。 一般小于1，为无因次量。钻井
液设计中经常要确定较合理的
范围，一般希望源自文库低的n值，使 钻井液具有较好的剪切稀释性 能。 K(稠度系数)：反映钻井液
剪
切 应 力 0.5 1
0.25
的可泵性以及携岩性。
2018/10/12
剪切速率
石油工程学院
某些钻井液、高分子化合 物的水溶液以及乳状液等属于
假塑性流体。流变曲线是通过
原点井凸向剪切应力轴的曲线。 这类流体的流动特点：施 加极小的剪切应力能产生流动， 不存在静切应力，粘度随剪切
速率的增大而降低。
2018/10/12
石油工程学院
22
假塑性流体和塑性流体的一个重要区别在于：塑
性流体当剪切速率增大到一定程度时，剪切应力与剪 切速率之比为一常数，在这个范围，流变曲线为直线；
常称为聚结；端—面与端—端连接形成三维的网架
结构、特别是当粘土含量足够高时，形成布满整个
空间的连续网架结构，称做凝胶结构，称为絮凝。
与聚结和絮凝相对应的相反过程分别叫做分散和解 絮凝 ，如图3-5所示。
2018/10/12
石油工程学院
18
2018/10/12
石油工程学院
19
塑性流体机理分析
一般情况下，钻井液中的粘土颗粒在不同程度上 处在一定的絮凝状态。要使钻井液开始流动，必须施
2018/10/12
石油工程学院
12
牛顿流体的流变模型与流变曲线
流变方程
流变曲线
2018/10/12
石油工程学院
13

塑性流体
与牛顿流体不同，当剪切速率为零时：即
剪切力τ≠0，而是τs，即施加 的切应力必须超过某一特定值才 能开始流动。
τs为开始流动的最小切应力，
称为静切力，简称切力或凝胶强
τs