第三章钻井液的流变性
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第三章 钻井液的流变性 2
第三章钻井液的流变性
第三节钻井液流变性与钻井作业的关系
一、钻井液流变性与井眼净化的关系
钻井液的主要功用之一就是清洗井底并将岩屑携带到地面上来。钻井液清洗井眼的能力除取决于循环系统的水力参数外，还取决于钻井液的性能，特别是其中的流变性能。根据喷射钻井的理论，岩屑的清除分为两个过程，一是岩屑被冲离井底，二是岩屑从环形空间被携至地面。岩屑被冲离井底的问题涉及到钻头选型和井底流场的研究，属于钻井工程的范畴，这里只讨论钻井液携带岩屑的问题。
1．层流携带岩屑的原理
首先讨论一下钻井液携带岩屑的基本原理。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。在环形空间里，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，即
υP=υf-υs
式中υP—岩屑的净上升速度，m／s；
υf—钻井液的上返速度，m／s；
υs—岩屑的滑落速度，m／s。
上式两边同除以υf，可得
υP/υf＝1－υs/υf
通常将υP/υf称做携带比，并用该比值表示井筒的净化效率。显然，提高携带比的途径是：提高钻井液在环空的上返速度υf，降低岩屑的滑落速度υs。但如果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度对携岩至关重要。研究表明，岩屑的滑落速度除与岩屑尺寸、岩屑密度、钻井液密度和流态等因素有关外，还与钻井液的有效粘度成反比。
为了研究岩屑在井筒内上升的过程，曾用玻璃
井筒进行实验观察，实验中用扁平的圆形铝片代替
岩屑。结果表明，当钻井液处于不同流态时，岩屑
第三章 钻井液的流变性20110905
P58
牛顿内摩擦定律的推导
轻油 水 胶水
牛顿内摩擦定律
液体流动时，液体层与层之间的内摩擦 力（F）的大小与液体的性质及温度有关， 并与液层间的接触面积（S）和剪切速率 （γ）成正比，而与接触面上的压力无关
牛顿内摩擦定律
表达式 F=µSγ
τ = F/S = µ γ
是Pa⋅s 1 cp = 1 m Pa⋅s µ 水=1.0087 m Pa⋅s
假塑性流体的基本参数
流性指数n
– 相当于动切应力，无因次 – 通过控制较低的n值，有利于形成平板型层流，保证
钻井液具有良好的剪切稀释性能 – n值控制范围： 0.4∼0.7 ∼
K值（稠度系数）
– 相当于低剪切速率下的表观粘度 – 与流体在剪切速率为1 s-1时的粘度有关。K值可反映
其可泵性和携岩能力 – K值的单位为Pa⋅sn
动切力（屈服值）
塑性流体流变曲线中 的直线段在τ 轴上的 截距 它反映了钻井液在层 流流动时，粘土颗粒 之间及高分子聚合物 分子之间相互作用力 的大小，亦即形成空 间网架结构能力的大 小
动切力（屈服值）
主影响要因素 钻井液中的固相含量、分 散度 粘土颗粒的ζ电位和水化 程度（电解质、处理剂） 粘土颗粒吸附处理剂的情 况（稀释剂） 高分子聚合物处理剂（大 分子形成的网架结构）
一般用初切力和终切力来表示静切应力 的相对值 初切力：钻井液在经过充分搅拌后，静 置1分钟（或10秒钟）测得的静切力 终切力：钻井液在经过充分搅拌后，静 置10分钟测得的静切力
钻井液-第3章(钻井液流变性)
L.Z.J
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第1页
Drilling Fluids
§3-1液体流动的特点及其分析
Characteristics and analysis of fluids flow 一、基本概念:
1.剪切速率(γ Shear rate)与剪切应力(τ shear stress)
cm dV s 1 ( ) d x cm s
Static
plug transition flow P-L）zone
laminar turbulent flow(L-T) flow
流体流速增加
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L.Z.J
第6页
Drilling Fluids
二．钻井液流动特点及分析
1.牛顿流体(Newtonion fluid)
① ② 无结构、均匀质点，如油类、 清水。 τ 流变曲线为一条过原点直线, b 符合τ=ηγ。 τ>0、γ>0施加很小的切应 力就发生流动。 η为常数,不随γ变化 τa γ=τ/γ=tgα α
1 Im
1 2
1 2 c
2
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第21页
Drilling Fluids
三种常用流变模式与实测流变曲线
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Drilling Fluids
§3-1液体流动的特点及其分析
Characteristics and analysis of fluids flow 一、基本概念:
1.剪切速率(γ Shear rate)与剪切应力(τ shear stress)
cm dV s 1 ( ) d x cm s
Static
plug transition flow P-L）zone
laminar turbulent flow(L-T) flow
流体流速增加
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Drilling Fluids
二．钻井液流动特点及分析
1.牛顿流体(Newtonion fluid)
① ② 无结构、均匀质点，如油类、 清水。 τ 流变曲线为一条过原点直线, b 符合τ=ηγ。 τ>0、γ>0施加很小的切应 力就发生流动。 η为常数,不随γ变化 τa γ=τ/γ=tgα α
1 Im
1 2
1 2 c
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三种常用流变模式与实测流变曲线
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钻井液工艺原理3-钻井液流变性
第三章 钻井液的流变性
Chapter 3 The Rheology of Drilling Fluids
本章重点： 1. 流型数学模型 2. 流变参数 3. 流变性能的调节与维护
1
1
第一节 钻井液的流动类型和基本概念
1. 流动类型
塞流 层流 紊流
Plug Flow Laminar Flow Turbulent Flow
漏斗粘度计示意图
1
8
第二节 基本流型及其分析
一、流体分类
根据“τ-γ”关系，将流体分为：
钻井液大多属塑性或假塑性流型
1
9
二、流体分析
基本假设：
连续介质 均质性 不可压缩性 层流
1
10
1、牛顿内摩擦定律与牛顿流体
牛顿内摩擦定律 τ=F/A=η(dv/dr)
η — 表征流体粘性的比例系数，简称牛顿粘度。 F — 内摩擦力。 牛顿流体
1
16
卡森流体
流变模型：τ1/2 = τc1/2 + η1/2 γ1/2
r1/2
流变曲线：
• γ1/2-τ1/2 作图，为一条直线。
• γ -τ作图，为直线与曲线之和。
模式讨论 τ1/2 = τc1/2 + η1/2 γ1/2
0
τ
1/2 c
τ 1/2
γ 0， τ τc 能够反映多数钻井液具有 r
Chapter 3 The Rheology of Drilling Fluids
本章重点： 1. 流型数学模型 2. 流变参数 3. 流变性能的调节与维护
1
1
第一节 钻井液的流动类型和基本概念
1. 流动类型
塞流 层流 紊流
Plug Flow Laminar Flow Turbulent Flow
漏斗粘度计示意图
1
8
第二节 基本流型及其分析
一、流体分类
根据“τ-γ”关系，将流体分为：
钻井液大多属塑性或假塑性流型
1
9
二、流体分析
基本假设：
连续介质 均质性 不可压缩性 层流
1
10
1、牛顿内摩擦定律与牛顿流体
牛顿内摩擦定律 τ=F/A=η(dv/dr)
η — 表征流体粘性的比例系数，简称牛顿粘度。 F — 内摩擦力。 牛顿流体
1
16
卡森流体
流变模型：τ1/2 = τc1/2 + η1/2 γ1/2
r1/2
流变曲线：
• γ1/2-τ1/2 作图，为一条直线。
• γ -τ作图，为直线与曲线之和。
模式讨论 τ1/2 = τc1/2 + η1/2 γ1/2
0
τ
1/2 c
τ 1/2
γ 0， τ τc 能够反映多数钻井液具有 r
第三章 钻井液的流变性
n 600 300 200 100 6 3 γ 1022 511 340.7 170.3 10.22 5.11
(2) 剪切应力与粘度计读数成正比：
τ = 0.511θ Pa
第三节 流变参数测量与计算
二、流变参数确定
作图法
做τ –γ流变曲线 判断流型 确定参数
计算法
判断流型 计算公式推导 计算
第三节 流变参数测量与计算
（1）曲线过原点
原因
无网架结构 脆弱且不连续的网架结构
（2）曲线无直线段
原因：随γ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。
1
2 3 流动方向
1
2 3
第二节 基本流型及其特点
2、幂律模式 τ = Kγn
式中：K ：稠度系数，Pa.Sn n ：流性指数， 无因次， 0≺n ≺ 1
η ∞ -----极限高剪切粘度（水眼粘度），mPa·s (1)卡森动切力τc
物理意义：反映钻井液网架结构的强弱
影响因素与调整：同τ0 (1)极限高剪切粘度η ∞
物理意义：反映钻井液内摩擦力的强弱
影响因素与调整：同η p
第二节 基本流型及其特点
四、流型判断 1、作图法
（1）多点测试（ τ， γ） （2） 分别以τ和 γ为坐标轴绘图
)2 100
c 0.2432 (
(2) 剪切应力与粘度计读数成正比：
τ = 0.511θ Pa
第三节 流变参数测量与计算
二、流变参数确定
作图法
做τ –γ流变曲线 判断流型 确定参数
计算法
判断流型 计算公式推导 计算
第三节 流变参数测量与计算
（1）曲线过原点
原因
无网架结构 脆弱且不连续的网架结构
（2）曲线无直线段
原因：随γ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。
1
2 3 流动方向
1
2 3
第二节 基本流型及其特点
2、幂律模式 τ = Kγn
式中：K ：稠度系数，Pa.Sn n ：流性指数， 无因次， 0≺n ≺ 1
η ∞ -----极限高剪切粘度（水眼粘度），mPa·s (1)卡森动切力τc
物理意义：反映钻井液网架结构的强弱
影响因素与调整：同τ0 (1)极限高剪切粘度η ∞
物理意义：反映钻井液内摩擦力的强弱
影响因素与调整：同η p
第二节 基本流型及其特点
四、流型判断 1、作图法
（1）多点测试（ τ， γ） （2） 分别以τ和 γ为坐标轴绘图
)2 100
c 0.2432 (
钻井液的流变性—流体流动的基本流型
1、钻井液的切力和触变性 （1）静切力τs
钻井液静切力又称凝胶强度。凝胶强度和黏土矿物类型 有关，取决于单位体积中结构链环的数目（结构密度）和单 个链环的强度，其物理意义是钻井液静止时破坏其内部单位 面积上的网架结构所需要的剪切力，Pa。
知识点3：钻井液流变参数
钻井液中结构链环数取决于黏土颗粒的浓度， 黏土颗粒的浓度与黏土含量及黏土颗粒的分散度 有关。单个链环的强度取决于黏土颗粒间的吸力， 与黏土颗粒的ζ电位及吸附水化膜等因素有关。
知识点3：钻井液流变参数
影响动切力的因素主要有粘土矿物的类型和含量、电解质的浓度、 降粘剂的含量等。降低动切力最有效的方法是加入适量的降粘剂，也 可以加入清水或稀浆来降低动切力，如果引起动切力增大是因为Ca2+、 Mg2+污染所致，则应去除这些离子；提高动切力可加入预水化膨润 土浆或加入聚合物，对于钙处理钻井液或盐水钻井液，可通过适当增 加Ca2+、Na+浓度来提高动切力。一般，非加重钻井液塑性粘度控制 在5~12mPa·s，动切力控制在1.4~14.4Pa。
μ——粘滞系数，黏度，Pa·s。
dx
知识点1：流体流动的基本概念
在实际应用中一般用mPa·s表示液体黏度， 1Pa·s=1000 mPa·s，例如20℃，水的黏度是 1.0087mPa·s。
上式为牛顿内摩擦力数学表达式；遵循牛顿内摩 擦定律的流体为牛顿流体；不遵守牛顿内摩擦定律流 体为非牛顿流体。大多数钻井液属于非牛顿流体。
钻井液静切力又称凝胶强度。凝胶强度和黏土矿物类型 有关，取决于单位体积中结构链环的数目（结构密度）和单 个链环的强度，其物理意义是钻井液静止时破坏其内部单位 面积上的网架结构所需要的剪切力，Pa。
知识点3：钻井液流变参数
钻井液中结构链环数取决于黏土颗粒的浓度， 黏土颗粒的浓度与黏土含量及黏土颗粒的分散度 有关。单个链环的强度取决于黏土颗粒间的吸力， 与黏土颗粒的ζ电位及吸附水化膜等因素有关。
知识点3：钻井液流变参数
影响动切力的因素主要有粘土矿物的类型和含量、电解质的浓度、 降粘剂的含量等。降低动切力最有效的方法是加入适量的降粘剂，也 可以加入清水或稀浆来降低动切力，如果引起动切力增大是因为Ca2+、 Mg2+污染所致，则应去除这些离子；提高动切力可加入预水化膨润 土浆或加入聚合物，对于钙处理钻井液或盐水钻井液，可通过适当增 加Ca2+、Na+浓度来提高动切力。一般，非加重钻井液塑性粘度控制 在5~12mPa·s，动切力控制在1.4~14.4Pa。
μ——粘滞系数，黏度，Pa·s。
dx
知识点1：流体流动的基本概念
在实际应用中一般用mPa·s表示液体黏度， 1Pa·s=1000 mPa·s，例如20℃，水的黏度是 1.0087mPa·s。
上式为牛顿内摩擦力数学表达式；遵循牛顿内摩 擦定律的流体为牛顿流体；不遵守牛顿内摩擦定律流 体为非牛顿流体。大多数钻井液属于非牛顿流体。
第三章钻井液的流变性
τs
γ
第一节 钻井液的流动状态和基本概念
切应力继续增大，并超过τ 切应力继续增大，并超过τs时，塑性流体不能均 匀剪切，粘度随切应力的增加而 匀剪切， 降低，即图中曲线段； 降低，即图中曲线段；继续增加 τ 切应力， 切应力，粘度不随切应力的增加 降低，图中直线段； 而降低，图中直线段； 塑性粘度（ µ p 或PV）：不 塑性粘度（ PV）：不 ）： 随切力或流速梯度改变的粘度。 随切力或流速梯度改变的粘度。 动切力（YP）： ）：直线段延长 动切力（YP）：直线段延长 线与切应力的交点（τ0）为动 线与切应力的交点（ 切应力或叫屈服值。 切应力或叫屈服值。
第一节 钻井液的流动状态和基本概念
流体的基本流型
在实验过程中， 在实验过程中，人们发现除牛顿流体外还有一 些表现粘度异常的非牛顿流体， 些表现粘度异常的非牛顿流体，即不遵守牛顿内摩 擦定律的流体。 擦定律的流体。 按照流体流动时剪切速率与剪切应力之间的关 可以划分为不同的流型。 系，可以划分为不同的流型。根据流变曲线形状的 不同，可将流体的流型归纳为一下四种： 不同，可将流体的流型归纳为一下四种： 牛顿流体 非牛顿流 塑性流体 体 四种流型 假塑性流体 膨胀性流体
塑性流体机理分析
τ
随着结构拆散程度增大，拆散速度逐渐减小， 随着结构拆散程度增大，拆散速度逐渐减小， 结构恢复速度相应增加。因此， 结构恢复速度相应增加。因此，当剪切速率增至一 定程度， 定程度，结构破坏的速度和恢复的速度保持相等 τ0 即达到动态平衡) (即达到动态平衡)时，结构拆散的程度将不再随剪 τs 切速率增加而发生变化，相应地粘度也不发生变化。 切速率增加而发生变化，相应地粘度也不发生变化。 该粘度即钻井液的塑性粘度 塑性粘度。 该粘度即钻井液的塑性粘度。因为该参数不随剪切 γ 应力和剪切速率而改变， 应力和剪切速率而改变，所以对钻井液的水力计算 是很重要的。 是很重要的。
钻井液流变性
模式讨论
τ- τ 0 = ηp γ
或者 η= ηp + τ0/ γ
γ 0， τ τ0
能够反映多数钻井液具有内部结构情况。
γ ，η
γ， η ηp
能够反映多数钻井液的剪切稀释性。
能够反映出钻井液的极限粘度。
低剪切速率下： τ实> τ宾 表明模型拟合实际曲线有较大偏差.
1 13
真实泥浆与不同流型的比较
统一名称：屈服值、屈服点。 定义：流体开始呈现层流流动时所需要
0
τs τ0
τ
的剪切应力。
常用符号： τ0；YP 单 位：dyn/cm2、Pa 几何意义：直线截距的切应力值。
1 12
流型图
ηp —— 塑性粘度 Plastic Viscosity 定 单 义：产生单位剪切速率所需要的剪切应力。 位：公制：dyn.s/cm2、泊、厘泊。 国际：Pa.s、mPa.s 常用的其它符号： ηs、PV
1
2
塞流：流体象塞子一样流动，流速为常数。 层流：流体分层运动。任意流层与相邻流层方向相 同，流速不同。 紊流：流体内形成无数小旋涡。任一定点的流速，其大小、方向都 在进行着不规则的、连续的变化。
塞 流
层
流
紊 流
稳定流动类型的变化
1 3
2. 基本概念
剪切速率 Shear Rate
钻井液工艺原理 第3章
提纲
第一章 第二章 第四章 第五章 钻井液概论 粘土矿物及胶体化学基础 钻井液滤失造壁性及润滑性 钻井液配浆材料和处理剂
第三章 钻井液流变性
第六章
第七章 第八章 第九章 第十章
水基钻井液
油基钻井液 钻井液固相控制 井下复杂的钻井液措施 保护油气层的钻井液完井液
第十一章
钻井液技术新进展
第三章 钻井液流变性
在结构恢复过程中，需要一定的时间来完成这种定向作用。恢复结构所需的时
稳定流动类型的变化 塞流 Plug Flow---流体象塞子一样流动，流速为常数. 稳定流 层流 Laminar Flow---流体分层运动。任意流层与相邻流
层方向相 同，流速不同。
紊流 Turbulent Flow---流体内形成无数小旋涡。任一定点的
流速，其大小、方向都在进行着不规则的、连续的变化。
钻井液流变性概念
钻井液流变性是指在外力作用下，钻井液发生流动和变形的 特性，其中流动性是主要的。钻井液的流变性通常用钻井液的流变 曲线和塑性粘度、动切力、静切力、表观粘度、稠度系数、流性 指数等流变参数来描述。钻井液流变性是钻井液的一项基本性能。
钻井液的流变参数还直接用于钻井环空水力学的有关计算。因此，
6
流变曲线 Consistency Curve
定 义：速梯与切应力关系曲线。 表示方法：三种表示法。
第一章 第二章 第四章 第五章 钻井液概论 粘土矿物及胶体化学基础 钻井液滤失造壁性及润滑性 钻井液配浆材料和处理剂
第三章 钻井液流变性
第六章
第七章 第八章 第九章 第十章
水基钻井液
油基钻井液 钻井液固相控制 井下复杂的钻井液措施 保护油气层的钻井液完井液
第十一章
钻井液技术新进展
第三章 钻井液流变性
在结构恢复过程中，需要一定的时间来完成这种定向作用。恢复结构所需的时
稳定流动类型的变化 塞流 Plug Flow---流体象塞子一样流动，流速为常数. 稳定流 层流 Laminar Flow---流体分层运动。任意流层与相邻流
层方向相 同，流速不同。
紊流 Turbulent Flow---流体内形成无数小旋涡。任一定点的
流速，其大小、方向都在进行着不规则的、连续的变化。
钻井液流变性概念
钻井液流变性是指在外力作用下，钻井液发生流动和变形的 特性，其中流动性是主要的。钻井液的流变性通常用钻井液的流变 曲线和塑性粘度、动切力、静切力、表观粘度、稠度系数、流性 指数等流变参数来描述。钻井液流变性是钻井液的一项基本性能。
钻井液的流变参数还直接用于钻井环空水力学的有关计算。因此，
6
流变曲线 Consistency Curve
定 义：速梯与切应力关系曲线。 表示方法：三种表示法。
《钻井液的流变性》课件
压力和深度
压力和深度的变化也会影响钻井液的流变性。
常见的钻井液流变性问题
1 黏度过高或过低
黏度过高会造成固相沉积，引起管柱卡钻或井壁塌方；而黏度过低会影响泥浆的冷却、 润滑和固定井壁。
2 过早凝胶或过度凝胶
过早凝胶会导致剪切值增加，极大影响钻井深度和孔眼直径；而过度凝胶会影响增黏剂 的使用，延长凝结时间。
结语
通过对钻井液流变性的学习，目的在于更好地掌握钻井液的基本概念，进而 在油气钻井工作中更加游刃有余。感谢大家的收听！
钻井液的流变性
钻井液是油气钻井过程中必不可少的一种液体。本课程将介绍钻井液的流变 性，从而帮助大家更好地理解和掌握钻井液。
钻井液的定义和作用
定义
钻井液是通过混合化学品和水制成的一种特殊液体， 在油气钻井过程中用于洗井和携带回钻头的碎屑。
作用
钻井液能够保持钻井的稳定性，减少摩擦，防止井 壁塌落，同时还能冷却和润滑钻头。
3 沉降过快或过慢
沉降过快会影响回收切屑和防塌性；而沉降过慢会导致沉积物沿着井壁流回钻头。
改善钻井液流变性的措施
增加抑制剂
抑制剂常用于减少泥浆增稠剂 对黏度的影响，也可减少氧化 和其他不利影响。
ຫໍສະໝຸດ Baidu
增加控制剂
控制剂可增加泥浆的流动性和 润滑性，也可减少黏度，提高 流动性。
增加增黏剂
钻井液的流变性—钻井液流变性与钻井作业的关系
知识点1：钻井液流变性与井眼净化的关系
3、平板型层流
提高岩屑携带效率取决于如何消除岩屑翻转现
象，采用改变尖峰型流速分布来实现。研究表明，
通过调节钻井液流变性能，增大
0 p
或减小n值，
可使钻井液流速剖面由尖峰转为平缓。
知识点1：钻井液流变性与井眼净化的关系
知识点1：钻井液流变性与井眼净化的关系
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。通常，使用低固相钻井液，控制环 空速度0.5~0.6m/s可满足携带岩屑。既使泵压保持合适范 围，又可降低钻井液在钻柱内和环空压力损失，充分利用了 水力功率。解决了低粘度钻井液有效携带岩屑问题，尽管黏 度较低，只要保证 较高，使钻井液0p处于平板型层流，一 般能实现高效携带岩屑，保持井眼清洁，避免紊流时对井壁 的冲蚀，有利于井眼稳定。
项目三：钻井液的流变性
任务二： 钻井液流变性与钻井作业的关系
课程名称：泥浆材料检测与应用
知识点 01 钻井液流变性与井眼净化的关系 知识点 02 钻井液流变性与井壁稳定的关系 知识点 03 钻井液流变性的其它影响
项目三：钻井液流变性
任务 02 钻井液流变性与钻井作业的关系
知识点 1 钻井液流变性与井眼净化的关系
一、钻井液流变性与岩屑和加重剂悬浮
钻进过程中，接单根、设备故障等原因，钻井液停止循环。 要求钻井液体系岩屑和加重剂悬浮，或以极慢速度下沉，避免 沉砂卡钻。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，钻井液很快达到一定切力值，有利于悬浮岩屑和加 重剂。
钻井液的流变性
属于牛顿流体。
1 000
10 000 · , -1
图1
典型牛顿流体流变图
2、宾汉流体
（塑性流体与粘塑性流体）
塑性流体
其流变曲线为不通过原点O的一条直线，如图2所 示。它表示这种流体具有一定的颗粒浓度，在静止状 态下形成颗粒之间的内部结构，加外力进行剪切时， 要破坏结构后才能开始流动。例如，泥浆中粘土颗粒 的形状很不规则，表面性质也很不均匀，因此颗粒之 间容易彼此粘结，形成网状结构。倘若颗粒的浓度足 够大，网状结构能够在泥浆中布满整个空间，那么要 使这种泥浆发生流动，就必须在一定程度上破坏这种 连续结构。
钻井液的流变性概述
钻井液流变性（Rheological Properties of Drilling Fluids ）是指在外力作用下，钻 井液发生流动和变形的特性，其中流动是主 要的方面。该特性通常用钻井液的流变曲线 和塑性粘度 （ Plastic Viscosity ）、 动切力 （Yield Point）、静切力（Gel Strength）、 表观粘度（Apparent Viscosity）等流变参数 来进行描述的。
塑性流体
C2 C1 A B
理想的宾汉塑性流 体，一般是一些含 较高固相且颗粒均 匀的悬浮体，如一
τs
些矿浆、油墨、油
漆等。
· γ
θ2
θ1
0
图2
1 000
10 000 · , -1
图1
典型牛顿流体流变图
2、宾汉流体
（塑性流体与粘塑性流体）
塑性流体
其流变曲线为不通过原点O的一条直线，如图2所 示。它表示这种流体具有一定的颗粒浓度，在静止状 态下形成颗粒之间的内部结构，加外力进行剪切时， 要破坏结构后才能开始流动。例如，泥浆中粘土颗粒 的形状很不规则，表面性质也很不均匀，因此颗粒之 间容易彼此粘结，形成网状结构。倘若颗粒的浓度足 够大，网状结构能够在泥浆中布满整个空间，那么要 使这种泥浆发生流动，就必须在一定程度上破坏这种 连续结构。
钻井液的流变性概述
钻井液流变性（Rheological Properties of Drilling Fluids ）是指在外力作用下，钻 井液发生流动和变形的特性，其中流动是主 要的方面。该特性通常用钻井液的流变曲线 和塑性粘度 （ Plastic Viscosity ）、 动切力 （Yield Point）、静切力（Gel Strength）、 表观粘度（Apparent Viscosity）等流变参数 来进行描述的。
塑性流体
C2 C1 A B
理想的宾汉塑性流 体，一般是一些含 较高固相且颗粒均 匀的悬浮体，如一
τs
些矿浆、油墨、油
漆等。
· γ
θ2
θ1
0
图2
第三章钻井液的流变性.
0
：动切力或屈服值，Pa
η p ：塑性粘度， Pa.S
（1）塑性粘度η
p
①物理意义：反映流体在层流下达到动平衡时，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的大小。 ②影响因素 A、固相含量 固相颗粒数目 塑性粘度η p
第二节 基本流型及其特点
B、固相分散度 C、固相类型 固相颗粒数目 塑性粘度η p
（3）提高钻井速度
（4）保持井眼规则和保证井下安全。
第一节 基本概念
一、剪切速率/速度梯度γ ：指垂直于流速方向上单位
距离流速的增量。
γ=dv/dx
s-1
第一节 基本概念
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：10-20s-1 ； 环形空间：50～250s -1 ； 钻杆内：100～1 000 s-1 ； 钻头喷嘴处：10 000-100 000 s-1
Pa· S
600 300
mPa· S
第三节 流变参数测量与计算
0 p 600 p
600
0.511 600 ( 600 300 ) 103 1022
0.511 (2 300 600 ) 0.511 ( 300 p)
在600rpm下转1min静止10min测3rpm的切力第四节钻井液流变性与钻井的关系携岩及悬浮井壁稳定钻井速度抽吸压力与激动压力泥浆泵泵压与排量流变性与钻井关系第四节钻井液流变性与钻井的关系钻井液流态层流特点一钻井液流变性与携岩的关系层流过度流紊流1层流及其携岩特点成层流动流速低速度剖面呈尖峰物第四节钻井液流变性与钻井的关系层流携岩特点1对井壁冲刷作用小有利于井壁稳定2存在转动靠壁现象携岩效率低第四节钻井液流变性与钻井的关系紊流特点层流携岩特点1无转动靠壁现象携岩效率2对井壁冲刷作用大3岩屑滑落速度大4循环压耗大2紊流及其携岩特点流体质点作无规则运动流速大速梯小速度剖面扁平第四节钻井液流变性与钻井的关系3平板型层流流速低速度剖面扁平对井壁冲刷作用小携岩效率高平板型层流特点携岩特点等速核直径d塑性流体
：动切力或屈服值，Pa
η p ：塑性粘度， Pa.S
（1）塑性粘度η
p
①物理意义：反映流体在层流下达到动平衡时，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的大小。 ②影响因素 A、固相含量 固相颗粒数目 塑性粘度η p
第二节 基本流型及其特点
B、固相分散度 C、固相类型 固相颗粒数目 塑性粘度η p
（3）提高钻井速度
（4）保持井眼规则和保证井下安全。
第一节 基本概念
一、剪切速率/速度梯度γ ：指垂直于流速方向上单位
距离流速的增量。
γ=dv/dx
s-1
第一节 基本概念
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：10-20s-1 ； 环形空间：50～250s -1 ； 钻杆内：100～1 000 s-1 ； 钻头喷嘴处：10 000-100 000 s-1
Pa· S
600 300
mPa· S
第三节 流变参数测量与计算
0 p 600 p
600
0.511 600 ( 600 300 ) 103 1022
0.511 (2 300 600 ) 0.511 ( 300 p)
在600rpm下转1min静止10min测3rpm的切力第四节钻井液流变性与钻井的关系携岩及悬浮井壁稳定钻井速度抽吸压力与激动压力泥浆泵泵压与排量流变性与钻井关系第四节钻井液流变性与钻井的关系钻井液流态层流特点一钻井液流变性与携岩的关系层流过度流紊流1层流及其携岩特点成层流动流速低速度剖面呈尖峰物第四节钻井液流变性与钻井的关系层流携岩特点1对井壁冲刷作用小有利于井壁稳定2存在转动靠壁现象携岩效率低第四节钻井液流变性与钻井的关系紊流特点层流携岩特点1无转动靠壁现象携岩效率2对井壁冲刷作用大3岩屑滑落速度大4循环压耗大2紊流及其携岩特点流体质点作无规则运动流速大速梯小速度剖面扁平第四节钻井液流变性与钻井的关系3平板型层流流速低速度剖面扁平对井壁冲刷作用小携岩效率高平板型层流特点携岩特点等速核直径d塑性流体
钻井液流变性概述
钻井液流变性概述
摘要：
钻井液在石油钻井中起着十分重要的作用，深入研究钻井液的性能，对油气井钻井液流变参数的优化设计和有效调控是钻井液工艺技术有十分重要的指导意义。根据API 推荐的钻井液性能测试标准，钻井液的常规性能包括：密度、漏斗粘度、塑性粘度、动切力、静切力、API 滤失量、HTHP 滤失量、PH 值、碱度、含砂量、固相含量、膨润土含量和滤液中的各种离子的质量浓度等。本文主要对钻井液的流变性进行综述，包括钻井液的流型及流变参数、钻井液流变性与携岩原理及井壁稳定性的关系。
关键词：钻井液 流变性 流型 携岩原理
一．钻井液在石油钻井中的作用
（1）从井底清除岩屑（2）冷却和润滑钻头及钻柱（3）造壁功能（4）控制地层压力（5）循环停止时悬浮岩屑和加重材料，防止下沉（6）从所钻地层获得资料（7）传递水力功率
二．钻井液的类型
分散钻井液 钙处理钻井液 盐水钻井液 饱和盐水钻井液 聚合物钻井液 甲基聚合物钻井液 合成基钻井液 气体型钻井液 保护油气层的钻井液
三．钻井液的流变性
钻井液的流变性是指在外力作用下，钻井液发生流动和变形的特性。
流体分为牛顿型流体和非牛顿型流体，非牛顿型流体又分为塑性流体、假塑性流体、膨胀性流体。现场使用钻井液多为塑性、假塑性流体。
1．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。 流变方程：
dv dx
τμ
=
其流动特点：加很小的剪切力就能流动，而且流速梯度与切应力成正比。在层流区域内，粘度不随切力流速梯度变化，为常量。
2．非牛顿流体
（1）塑性流体
钻井液的流变性
塑性流体其流变曲线为不通过原点O的一条直线， 如图2所示。它表示这种流体具有一定的颗粒浓 度，在静止状态下形成颗粒之间的内部结构， 加外力进行剪切时，要破坏结构后才能开始流 动。例如，泥浆中粘土颗粒的形状很不规则， 表面性质也很不均匀，因此颗粒之间容易彼此 粘结，形成网状结构。倘若颗粒的浓度足够大， 网状结构能够在泥浆中布满整个空间，那么要 使这种泥浆发生流动，就必须在一定程度上破 坏这种连续结构。
钻井液的流变性对钻井工作的影响
对于破碎的不稳定井壁，利用较粘稠的泥浆还 可以起到较好的粘结护壁作用。絮流液流对井 壁有较强的冲蚀作用，容易引起易塌地层垮塌， 不利于井壁稳定。其原因是絮流时液流质点的 运动方向是絮乱的和无规则的，而且流速高， 具有较大的动能。因此，在钻井液循环时，一 般应保持在层流状态，尽量避免出现絮流。对 于非牛顿流体，一般采用综合雷诺数 Re 来判别 流态。将钻井液按塑性流体考虑，当Re>2000时 为絮流。如果按 Re ＝ 2000 ，即可推导出临界返 速的公式。
钻井液的流变性对钻井工作的影响
但是，泥浆的粘稠性大又有不利的方面： 使井底碎岩效率降低，这种影响主要表现在钻 头喷嘴处的絮流流动阻力对钻速的影响。钻井 液粘度越大，絮流流动阻力越大，从而降低了 钻头在井底的碎岩效率。 增加泥浆循环的流动阻力； 增大对井壁的液压力激动破坏。井内液柱压力 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 生突然变化（升高或降低），给井内增加一个 附加压力（正值或负值）的现象。
钻井液的流变性
钻井液的流变性对钻井工作的影响
钻井液的流变性对钻井工作的影响主
要体现在悬碴、护壁、减阻、提高钻 速和冷却钻具5个方面。 动画演示1－－悬碴、护壁 动画演示2－－提高钻速
钻井液的流变性对钻井工作的影响
钻井液的主要功能之一就是清洗井底并将 岩屑携带到地面上来。钻井液清洗井眼的 能力除取决于循环系统的水力参数外，还 取决于钻井液的性能，特别是其中的流变 性能。岩屑的清除分两个过程，一是岩屑 被冲离井底，二是岩屑从环形间隙被携带 到地面。
粘塑性流体
0 p
与式(2)比较，此式也是直线方程，截 距为τ0，而不是τs。即此宾汉方程只能 代表流变曲线的层流直线段，而不能 代表低剪切速率下的塞流曲线段。粘 塑性流变参数有两个，即塑性粘度 ηp， 及动切力(或叫屈服值)τ0。
粘塑性流体
仿牛顿粘度表示法，求粘塑流体的表观粘度值：
卡森流体
卡森斜率：
1 2
1 2
12 10
1/2 c
C s tg
1
2
1
2
1
2
8 6 4
170.3s-1
θ
1 002s-1
卡森斜率越高，表示泥浆的 剪切稀释作用越好，而值
2 η∞
1
2 0 0.04 0.08 0.12 0.16
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θ
第二节 基本流型及其特点
流型：根据流体流动时剪切应力τ与剪切速率γ之间的关系，
流体可以分为不同的类型。 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
第二节 基本流型及其特点
一、塑性流体
1、流变曲线
τ
τs γ1 γ
第二节 基本流型及其特点
＞
结构恢复速度
△τ/ △γ
第二节 基本流型及其特点
（3）在中、高剪切速率范围内，为直线段
可供拆散的网架结构数量 γ
结构拆散速度 结构恢复速度
体系中游离的颗粒数量
当γ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△γ所需△τ不变
△τ/ △γ
第二节 基本流型及其特点
2、宾汉模式
τ = τ0+ η pγ
第三章 钻井液的流变性
本章要点：
1、掌握有关的基本概念；
2、常用流型的特点、流变参数的意义、影响
因素、计算及调整；
3、了解钻井液流变性与钻井的关系
第三章 钻井液的流变性
流变性：是指在外力作用，物质发生流动和变形的特性； 对钻井液 而言，其流动性是主要的方面。 与钻井液流变性有关的钻井问题： （1）携带岩屑，保证井底和井眼的清洁； （2）悬浮岩屑与重晶石；
（3）提高钻井速度
（4）保持井眼规则和保证井下安全。
第一节 基本概念
一、剪切速率/速度梯度γ ：指垂直于流速方向上单位距离流速的增
量。
γ=dv/dx
s-1
第一节 基本概念
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：10-20s-1 ； 环形空间：50～250s -1 ； 钻杆内：100～1 000 s-1 ； 钻头喷嘴处：10 000-100 000 s-1
② 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。
环形空间： γ 低， η a大，有利于携带钻屑 钻头水眼： γ 大， η a小，有利于水力破岩
第三节 流变参数测量与计算
牛顿流体：τ = η γ
ηa=η
塑性流体：τ = τ0+ η pγ
a p
0
n<1
K
假塑性流体： τ = K γn
式中： τ
0
：动切力或屈服值，Pa
η p ：塑性粘度， Pa.S
（1）塑性粘度η
p
①物理意义：反映流体在层流下达到动平衡时，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的大小。 ②影响因素 A、固相含量 固相颗粒数目 塑性粘度η p
第二节 基本流型及其特点
B、固相分散度 C、固相类型 活性固相：在水中分散性强的固相，如膨润土 固相颗粒数目 塑性粘度η p
n
τ0
0τ = η γ p
1
τ = Kγ
凡是影响τ0的因素必然影响n ，但影响方向相反，既使τ0
（2）稠度系数K
使n
① 物理意义：主要反映钻井液粘度的大小，K越大，粘度越大。 ②影响因素及调整
同塑性粘度η p。
第二节 基本流型及其特点
三、卡森流体
宾汉模式的局限性：适合在中剪切速率 范围描述钻井液的流变性。 幂律模式的局限性：适合在低、中剪切速率 范围描述钻井液的流变性
0 0.36 0.48Pa / m Pa s . p
n 0 . 4 0 .7
2 6m Pa s .
第三节 流变参数测量与计算
5、切力τ与触变性
（1）切力τ 定义：指静切力，表示钻井 液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（见右图）， 塑性流体 静切力τs是静切力的极限值。
原因：电解质浓度C
粒间斥力 电解质浓度C 粒间斥力 τ0 压缩扩散双电层 形成网架结构 ， τ0 压缩扩散双电层 电动电位 颗 电动电位 颗
形成面面连接 ， 固相分散度 ， τ0 Ca2+ Na+
电解质浓度C
第二节 基本流型及其特点
③调整 加预水化般土 τ0 加高分子聚合物 加适量的电解质
加降粘剂
惰性固相：在水中分散性弱的固相，如钻屑
活性固相含量 D、液相粘度 固相分散度 内摩擦力 塑性粘度η p （固相含量 一定） 塑性粘度η p
E、温度
液相粘度
塑性粘度η p
第二节 基本流型及其特点
③调整
加预水化般土 ηp 加增粘剂
使用固控设备
ηp
使用化学絮凝剂
加水稀释
第二节 基本流型及其特点
（2）动切力τ0
Pa.S
600 300
mPa.S
第三节 流变参数测量与计算
0 p 600 p
600
0.511 600 ( 600 300 ) 103 1022
0.511 2 300 600 ) ( 0.511 300 p) (
（1）曲线不过原点，在τ轴上有一截距τs
扩散双电层斥力
粘土颗粒 间作用力
水化膜弹性斥力
静电吸引力
范德华引力
粘土颗粒 特点
形状：片状 层面：负电荷（多） 端面：正电荷/负电荷（少）
第二节 基本流型及其特点
粘土颗粒的连接方式：
假设开始时颗粒呈单个分散状态，当斥力逐渐下降时 三种连接方式的出现顺序为：① ② ③
a K n 1
膨胀性流体： τ = K γn
1n n>1
K
a K n 1
1n
第三节 流变参数测量与计算
③剪切稀释性影响因素： 塑性流体：
0 剪切稀释性越强 p
假塑性流体： n 剪切稀释性越强
卡森流体：
剪切稀释性越强
④一般钻井要求：
3
3
3
n
n
n
3
第三节 流变参数测量与计算
3、卡森流体流变参数计算
τ 1/2 = τc1/2+ η ∞1/2γ1/2
τ 1/2
1.428(
c
600
100 ) 2
2
0.2432 6 ) (
100 600
γ1/2
第三节 流变参数测量与计算
4、表观粘度η a及剪切稀释性
（3）检验 相关系数r计 >临界相关系数r临，假设成立。
Байду номын сангаас
第三节 流变参数测量与计算
一、测量仪器及原理
1、漏斗粘度计
漏斗
容积：750ml
原理：测定一定钻井液（ 500ml ）从漏斗下端流出所需的时间。
第三节 流变参数测量与计算
2、旋转粘度计
二速 范氏粘度计 六速
（外筒转）
无级调速
范氏粘度计：内筒转
n 600 n 600
0.511 300 511n
第三节 流变参数测量与计算
n 3.322 lg 0.511 K 170
100 n n n 100
6 200
100
100
n 3.322 lg 0.511 K 5.11
做τ –γ流变曲线 作图法 判断流型
确定参数
判断流型
计算法
计算公式推导
计算
第三节 流变参数测量与计算
1、塑性流体流变参数计算
p
600 600
300 300
0.511( 600 300 ) 1022 511
( 600 300 ) 10
-3
τ0
加水稀释
消除引起τ0升高的电解质
第二节 基本流型及其特点
二、假塑性流体/幂律流体
1、流变曲线
τ
γ
第二节 基本流型及其特点
（1）曲线过原点
无网架结构 原因 脆弱且不连续的网架结构
（2）曲线无直线段
原因：随γ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。 2 1 3 流动方向
1
2 3
第二节 基本流型及其特点
2、幂律模式
τ = Kγn 式中：K ：稠度系数，Pa.Sn n ：流性指数， 无因次， 0≺n ≺ 1 （1）流性指数n
① 物理意义：反映流体偏离牛顿流体的程度。 n 越小，
表明越偏离牛顿流体
第二节 基本流型及其特点
②影响因素及调整
τ = τ0+ η pγ τ = K γn
第三节 流变参数测量与计算
测量原理: (1) 剪切速率γ与转子转速n成正比： γ = 1.703n S-1
n 600
300
200
100
6
3
γ 1022 511
340.7 170.3 10.22 5.11
(2) 剪切应力与粘度计读数成正比：
τ = 0.511θ
Pa
第三节 流变参数测量与计算
二、流变参数确定
1、较快的强凝胶 3、较快的弱凝胶 2、较慢的强凝胶 4、较慢的弱凝胶
第三节 流变参数测量与计算
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
初
A、高速搅拌10min;
B、初切测量：在600rpm下转1min，静止10s，测3rpm的切力
初
0.511
3
终切测量：在600rpm下转1min，静止10min ，测3rpm的切力
，
第二节 基本流型及其特点
不过原点的原因：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 。
τs物理意义：反映钻井液在静止时形成网架结构的强弱
（2）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
在低剪切速率下，结构拆散速度 产生同样△γ所需△τ减少
变 特性。
第二节 基本流型及其特点
1、流变曲线
τ1/2
γ1/2
第二节 基本流型及其特点
2、卡森模式
τ 1/2 = τc1/2+ η ∞1/2γ1/2
式中： τc -------卡森动切力(卡森屈服值)，Pa；
η ∞ -----极限高剪切粘度（水眼粘度），mPa· s
(1)卡森动切力τc 物理意义：反映钻井液网架结构的强弱 影响因素与调整：同τ0 (1)极限高剪切粘度η ∞ 物理意义：反映钻井液内摩擦力的强弱 影响因素与调整：同η p
①物理意义：钻井液在层流状态下达到动平衡时形成网架结构的强弱。 ②影响因素 A、固相含量
B、活性固相含量
网架结构数目 固相分散度 动切力τ0 动切力τ0
动切力τ0 网架结构数目 动切力τ0
C、降粘剂
D、高分子聚合物 D、电解质的影响
第二节 基本流型及其特点
τ0
C0
电解质浓度C
第二节 基本流型及其特点
第一节 基本概念
二、剪切应力τ：流体单位面积上的内摩擦力。 τ =F/A A-----面积 Pa N m2 式中：F-----流体的内摩擦力
三、流变曲线：描述τ与γ关系的曲线
四、流变模式/流变方程：描述τ与γ关系的数学关系式
第一节 基本概念
牛顿流体：τ = η γ 塑性流体：τ = τ0+ η pγ 假塑性流体： τ = K γn 膨胀性流体： τ = K γn 五、表观粘度/总粘度η a 1、定义：剪切应力τ与对应剪切速率γ之比 η a = τ/ γ 2、几何意义： τ η a=tg(θ) γ 无特殊说明， η a是指γ=1022 s-1时的η a n<1 n>1
第二节 基本流型及其特点
四、流型判断
1、作图法 （1）多点测试（ τ， γ） （2） 分别以τ和 γ为坐标轴绘图 （3） 结合标准流变曲线进行判断
τ
γ
第二节 基本流型及其特点
2、线性回归法 （1）多点测试（ τ， γ） （2）假设流变模式后进行线性回归
τ = τ0+ η pγ
τ = K γn τ 1/2 = τc1/2+ η ∞1/2γ1/2
Pa
第三节 流变参数测量与计算
2、假塑性流体流变参数计算
K
lg
n
lg lg K n lg
lg
第三节 流变参数测量与计算
lg n lg
2 2
lg 1 K lg 1
600 300
n
K
n 3.322 lg
K
初
0.511
3
第四节 钻井液流变性与钻井的关系
携岩及悬浮 井壁稳定
流变性与
钻井关系
钻井速度
抽吸压力与激动压力 滤失性 泥浆泵泵压与排量
第四节 钻井液流变性与钻井的关系
一、钻井液流变性与携岩的关系 塞流
钻井液流态
层流 过度流 紊流
1、层流及其携岩特点
（1）表观粘度η a η a定义：剪切应力τ与对应剪切速率γ之比 η a = τ/ γ 无特殊说明， η a是指γ=1022 s-1时的η a
0.511 600 1 1 3 a 600 10 600 1022 1022 2 2
600
第三节 流变参数测量与计算
（2）剪切稀释性 ①定义：表观粘度随剪切速率增大而降低的特性。
卡森模式：①卡森(Casson)模式是1959年由卡森首先提出的，最初主要应
用于油漆、颜料和塑料等工业中。 ②1979年，美国人劳增(Lauzon)和里德(Reid)首次将卡森模式
用于钻井液流变性的研究中。
③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、中剪切区的测定结果预测高剪切速率下的流