第六章 钻井液的流变性

第六章钻井液的流变性

钻井液的流变性是钻井液的一项最基本性能，它是指在外力作用下，钻井液发生流动变形的特性。该特性通常用钻井液的流变曲线、表观粘度、塑性粘度、动切力、静切力等流变参数来进行描述的。它在解决1、岩屑携带，保证井底和井眼清洁；2、悬浮岩屑和加重材料；3、保持井眼规则和保障井下安全；4、提高机械钻速等钻井问题时起着十分重要的作用。另外，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。对钻井液流变性的深入研究有利于对油气井钻井液流变参数的优化设计和合理调控。

一、流体流变性的概念

1、流体流动的特点

流体流动实际上是流体随时间连续变形的过程。液体的流动变形是因为液体受到剪切作用引起的剪切变形。既液体在大小相等、方向相反、而作用线相距很近的两个力作用下，液体内部指点发生相对错动。以河水流动的速度分布为例，可以看到，越靠近河岸，流速越小，河中心处流速最大。水在管道中流速分布与河水相似，管道中心流速最大，靠近管壁处速度为零。可以想象，如果把管道内流动的水沿着管道半径的方向由内向外分成若干层，每一层流速是不同的。

如图6—1所示。液流中各层的流速不同这个现象，通常用剪切速率（或称速度梯度）这个物理量来描述。

图6-1在圆形管道中水的流速分布

a —流速分布示意图

b —流速分布曲线

2、剪切速率和剪切应力

如前所述，液体在管内流动时，在垂直于流速方向上，由内向外流速逐渐减小。若液体液层之间的距离为dx，各液层的速度差为dv，则垂直于流速方向不同液层流速的变化可以表示为dv/dx，那么dv/dx叫速度梯度即剪切速率。其物理意义是在垂直于流速方向上，单位距离流速的增量。物理单位为S-1钻井液在循环系统的不同位置剪切速率值如下：

沉砂池： 10 —20 S-1

环形空间： 50 —250 S -1

钻杆内： 100—1000 S-1

钻头喷嘴处： 104 —105 S-1

液体流动时表现出的速度梯度，是液体内存在内摩擦作用的结果。根据牛顿内摩擦定律：液体流动时，液层之间的内摩擦力F与液层之间的接触面积S和剪切速率γ成正比。既：

F=μSγ

上式两边除以接触面积S，并设τ=F/S 则：

τ=μγ

上式中τ反映了液体流动时，液层之间单位接触面积上的内摩擦力，我们叫它剪切应力。单位Pa。μ是反映液体拈滞性的大小的物理量，通常称为粘度。其物理意义是产生单位剪切速率所需要的剪切应力。显然，液体粘度越大产生单位剪切速率所需要的剪切应力就越大。粘度大小取决于液体本身的性质和环境的温度。单位Pa.S,工程上常用单位为cp。1cp=1mPa.S。

3、流变曲线和流变方程

剪切应力和剪切速率是流变学中两个基本概念，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。这种关系可以用图线表示，也可以用数学关系式表示。所谓流变曲线就是剪切速率与剪切应力的关系曲线。流变曲线是通过实验测得的数据直接绘制而成，因此能直观反映流体的流动规律，但不便于做定量分析研究。流变方程是根据实验获得的流变曲线，用解析几何的方法抽象出来的描述流体流动特性的代数方程。

对于非牛顿流体用流变方程只能近似反映它的流变特性，与流体的实际流动情况是有一定误差的。

二、流体的基本流型

根据流体流动时剪切速率与剪切应力之间的关系，流体可分为牛顿流体、塑性流体、假塑性流体和膨胀流体。如图6-2所示。

图6-2 四种基本流型的流变曲线

1、 牛顿流体

牛顿流体是最简单的一类流体，其剪切应力与剪切速率的关系遵循牛顿内摩擦定律。流变曲线是通过原点的一条直线。这类流体的流动特性是加很小的力便开始流动，粘度不随剪切速率改变。水、酒精等大多数纯液体以及轻质油、低分子化合物溶液均属于牛顿流体。描述牛顿流体流变性的流变方程为：

τ—剪切应力，Pa

μ—流体粘度，mPa.S

γ—剪切速率，S -1 2、塑性流体

从图6-2可知，塑性流体与牛顿流体不同，塑性流体当γ=0时，τ≠0。说明若使塑性流体开始流动，施加的剪切应力必须超过某一最低值，这种使流体开始流动的最低剪切应力称为静切力，用τs 表示，又叫凝胶强度。塑性流体的流变曲线不通过原点，流动的初始阶段，剪切应力与剪切速率的关系不是直线。表明此时塑性流体还没有均匀地被剪切。粘度随剪切应力的增大而降低。继续增大剪切应力，当其达到某一数值后，流变曲线变成直线，粘度不再随剪切速率增大而变化。这个粘度称为塑性粘度，用μp 或PV 表示。

黏土含量高的钻井液属于塑性流体。由于体系中黏土颗粒会在不同程度上处于一定絮凝状态。因此要使钻井液开始流动，必须施加一定剪切应力来破坏絮凝形成的网架结构。这个力就是静切力。它反映了钻井液内部凝胶强度。

钻井液开始流动后，初期随着剪切速率增大，结构拆散程度越来越大，所以表现为粘度随剪切速率增大而降低。在流变曲线上表现为曲线斜率越来越小，随着结构拆散程度增大，结构恢复速度逐渐增大。所以，当剪切速率达到一定值后，结构破坏与恢复速度达到动态平衡。此时，体系内黏土颗粒絮凝程度不再随剪切速率增加而变化，相应地粘度也不再变化。这时曲线变为直线。此时的粘度就是塑性粘度。μp 反映的是层流状态时，体系内结构拆散与恢复达到平衡时质点之间的摩擦作用大小。 延长直线段与剪切应力轴相交于τ0点，τ0点的剪切应力叫流体的动切力。动切力反映泥浆层流流动时，黏土颗粒及高聚物分子之间的相互作用力。

塑性流体流变曲线的直线段可以用直线方程表示为（幻灯片）即宾汉方程。

τ—剪切应力，Pa

μp —流体的塑性粘度，mPa.S

γ—剪切速率，S -1

τ0—动切力，Pa γ

μτ.=γ

μττ.0p +=

3、假塑性流体

高分子化合物水溶液以及乳状液属于假

塑性流体。

流变曲线：通过原点凸向剪切应力轴的曲

线。假塑性流体不存在静切力。

特性：它的黏度随剪切速率的增大而降低。

流变方程：

K —流体稠度系数，Pa.S

n n —流体的流性指数,无因次

图3-6给出了塑性流体、假塑性流体、

实际钻井液的流变曲线。由图可见，在中高剪切速率范围，宾汉方程、幂方程都能较好的反映实际钻井液的流变性。但在环形空间的低剪切速率范围幂律方程更能较好的反映实际钻井液的流变性。 三、钻井液的流变性及其调控原则

1、漏斗黏度（FV ）

漏斗黏度在钻井过程中，是要经常测定的重要参数。测定方法简单，可直观反映钻井液黏度的大小。漏斗黏度的单位为秒。是一夸脱钻井液从漏斗黏度计流出所需要的时间。

钻井液从漏斗口流出过程中，隋着漏斗中液面逐渐降低，流速不断减小，因此不能在固定剪切速率下进行黏度测定。所以对漏斗黏度不能象从旋转黏度计测得的数据那样做数学处理。也不能与其它流变参数进行换算。漏斗粘度只能用来判别在钻井作业期间各个期间各个阶段粘度变化莫测的趋向，它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。

2、塑性粘度

1）、塑性粘度的概念

从滨汉模式可知，塑性粘度是塑性流体的性质，它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。

塑性粘度的计量单位是毫帕·秒（mPa ·s ），工程上常用单位是厘泊（cp ），两者换算系数为1。

2）、影响塑性粘度的因素主要有：

①钻井液的固相相含量。这是影响塑性粘度的主要因素。一般情况下，随着固相颗粒逐渐增多，颗粒总表面积逐渐增大，所以颗粒间的内摩擦力也会随之增加。因n k γ

τ=