固井培训1-注水泥流变学设计原理及方法
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剪切速率
剪切应力
1、基本概念
流体流动的基本概念：流体分类
– 非牛顿流体： 特点：不满足牛顿内摩擦定律，视粘度与速 梯、时间有关系。
剪切应力
剪切速率
1、基本概念
流体流动的基本概念：流体分类 按流变性分：
– 粘弹性流体 – 纯粘性流体
• 与时间有关
– 触变性流体 – 负触变性流体
泥浆、水泥浆、隔离液： 屈服—假塑性 假塑性 塑性
注水泥流变学设计 原理与方法
西南石油学院学院石油工程学院 徐璧华
流变学与固井的关系
注水泥时井口压力是否会过大； 排量应控制到多大才能保证井下不漏； 排量应控制到多大才能保证井下不窜； 哪种情况下使用大排量或是小排量顶替 才能提高顶替效率；
关键： 确定流体流动时的流动状态 确定流体流动时的流动阻力
– 宾汉模式
• 动切力、塑性粘度
– 幂律模式
• 流性指数、稠度系数
– 赫巴模式
• 静切力、流性指数、稠度系数
3、流变模式与流变参数计算
泥浆、水泥浆流变参数的计算
– 流变参数计算原理 • 使用以测量的已知速率下的剪切应力反 推 • 方法：
沉砂池：10～20 S-1 钻杆环空：60 ～100 S-1 钻铤环空：160 ～300 S-1 钻杆内：250 ～500 S-1 钻铤内：700-1400 S-1 常规套管环空：160 ～500 S-1 小间隙套管环空：500 ～1200 S-1
1、基本概念
流体流动的基本概念：剪切应力
V F
F：反映流体内摩擦力的大小 V V F ∝S—— F= ×S—— X X 称为粘度或粘滞系数
3.101
3、流变模式与流变参数计算
流变模式 赫巴模式 罗斯模式 卡森模式 幂律模式 宾汉模式
10组密度 1.162CaCl2重晶石 泥浆
3.238
3.658
3.166
6.475
2.914
10组密度1.50 CaCl2重晶石泥浆
1.785
1.633
4.127
8.001
1.481
3、流变模式与流变参数计算
流变模式 赫巴模式 罗斯模式 卡森模式 多项式 模式 幂律模式 宾汉模式
40组水泥浆 (API法配)
4.983
7.509
11.94
6.991
13.03
23.16
32组水泥浆 (手搅法配)
4.311
10.08
22.04
5.337
8.333
43.57
6种泥浆
1.491
2.514
2.219
-----
5.609
定义：单位面积上内摩擦力的大小即为剪切应力；记为： 单位：10达因/厘米2 =1帕（ Pa ）=1000(mPa)
1、基本概念
流体流动的基本概念：流变曲线
剪切应力
剪切速率
1、基本概念
流体流动的基本概念：视粘度
V F= ×S—— X F/S =———=—— V/X
V F ∝S—— X
泥浆、水泥浆流变模式的选择
– 流变曲线观察法 – F 比值法
200 100 F 300 100
– 误差统计分析法
• 计算各转速的计算剪切应力与实测值的误差
3、流变模式与流变参数计算
泥浆、水泥浆流变参数的计算
– 流变参数的含义
• 反映流体流动规律的特征参数，流体一定后在 流变模式中是不变的。
• 与时间无关
– 有屈服应力：塑性流体、屈服—假塑性流体 – 无屈服应力：牛顿流体、假塑性流体、膨涨性流体
1、基本概念
非牛顿流体的流变性能
– 粘度（视粘度） – 静切应力 – 动切应力 – 触变性 – 剪切稀释性
2、流变测量
测量目的
– 了解流体剪切应力随剪切速率变化的规律 – 测量：剪切速率、剪切应力
主要内容
1. 2. 3.
4.
5.
6.
流体的特点与类型—基本概念 流变测量 流变模式与流变参数计算 在管内或环空的流动规律 流动计算方法与步骤 在固井中影响流变计算的因素
------温度、间隙等对计算的影响
1、基本概念
流体流动的特点
V
x
V
特点：流动时分层流动、各层的速度不一样 原因：流体内部存在内摩擦力
2、流变测量
流变曲线绘制
剪切应力
剪切速率
3、流变模式与流变参数计算
Βιβλιοθήκη Baidu流体流变模式
– 概念
• 用于描述流体内部剪切应力与剪切速率的数学 方程 • 流变模式是流体内部流变规律的近似反映
– 类型
• 两参数模式：幂律、宾汉、 卡森 • 三参数模式：赫巴、罗斯 • 多参数模式：……
3、流变模式与流变参数计算
3、计算内筒处的剪切速率
V
牛
0.20944 n 2 1 (r / R)
2、流变测量
同轴旋转粘度计测量原理
– 原理： – C=.511 (Pa)
转速
600 1022 C
300 511 C
200
100
6
3
剪切 速率
切力
340.6 170.3 10.22 5.11 C C C C
定义：单位剪切速率（速度梯度）下的剪切应力； 单位：10达因.秒/厘米2=1帕秒（ Pa.S）=1000（mPa.S） 粘度是流体本身固有的特性，对于水、汽油等流体， 其粘度是不随流速、流道以及速度梯度变化的。 这一规律称为：牛顿内摩擦定律
1、基本概念
流体流动的基本概念：流体分类
– 牛顿流体： 特点：满足牛顿内摩擦定律 =
1、基本概念
流体流动的特点
1、基本概念
流体流动的基本概念：剪切速率
V 如果：各位置剪切 速率相同，则出现 情况……。
x
V x
dV dx
V
速度梯度或剪切速率
定义：垂直流速方向上的单位距离流速的变化量。 单位：S-1
1、基本概念
流体流动的基本概念：剪切速率
剪切速率分布情况：
• • • • • • •
赫－巴模式： 罗－斯模式： 卡森模式：
S K B A( C)
n
(c )
a 0 a1 a 2
1 2
1 2 0
1 2
1 m
多项式模式： 幂律模式： 宾汉模式：
K 0 P
n
3、流变模式与流变参数计算
测量仪器
– 粘度计
• 旋转粘度计：同轴、锥板…… • 毛细管粘度计
泥浆、水泥浆用： 六速、十二速旋转粘度计
2、流变测量
同轴旋转粘度计测量原理
– 结构：
R r V
M
2、流变测量
同轴旋转粘度计测量原理
– 原理： 1、测量内筒的扭矩M 2、计算内筒处的剪切应力
R r
M C 2 2r h
剪切应力
1、基本概念
流体流动的基本概念：流体分类
– 非牛顿流体： 特点：不满足牛顿内摩擦定律，视粘度与速 梯、时间有关系。
剪切应力
剪切速率
1、基本概念
流体流动的基本概念：流体分类 按流变性分：
– 粘弹性流体 – 纯粘性流体
• 与时间有关
– 触变性流体 – 负触变性流体
泥浆、水泥浆、隔离液： 屈服—假塑性 假塑性 塑性
注水泥流变学设计 原理与方法
西南石油学院学院石油工程学院 徐璧华
流变学与固井的关系
注水泥时井口压力是否会过大； 排量应控制到多大才能保证井下不漏； 排量应控制到多大才能保证井下不窜； 哪种情况下使用大排量或是小排量顶替 才能提高顶替效率；
关键： 确定流体流动时的流动状态 确定流体流动时的流动阻力
– 宾汉模式
• 动切力、塑性粘度
– 幂律模式
• 流性指数、稠度系数
– 赫巴模式
• 静切力、流性指数、稠度系数
3、流变模式与流变参数计算
泥浆、水泥浆流变参数的计算
– 流变参数计算原理 • 使用以测量的已知速率下的剪切应力反 推 • 方法：
沉砂池：10～20 S-1 钻杆环空：60 ～100 S-1 钻铤环空：160 ～300 S-1 钻杆内：250 ～500 S-1 钻铤内：700-1400 S-1 常规套管环空：160 ～500 S-1 小间隙套管环空：500 ～1200 S-1
1、基本概念
流体流动的基本概念：剪切应力
V F
F：反映流体内摩擦力的大小 V V F ∝S—— F= ×S—— X X 称为粘度或粘滞系数
3.101
3、流变模式与流变参数计算
流变模式 赫巴模式 罗斯模式 卡森模式 幂律模式 宾汉模式
10组密度 1.162CaCl2重晶石 泥浆
3.238
3.658
3.166
6.475
2.914
10组密度1.50 CaCl2重晶石泥浆
1.785
1.633
4.127
8.001
1.481
3、流变模式与流变参数计算
流变模式 赫巴模式 罗斯模式 卡森模式 多项式 模式 幂律模式 宾汉模式
40组水泥浆 (API法配)
4.983
7.509
11.94
6.991
13.03
23.16
32组水泥浆 (手搅法配)
4.311
10.08
22.04
5.337
8.333
43.57
6种泥浆
1.491
2.514
2.219
-----
5.609
定义：单位面积上内摩擦力的大小即为剪切应力；记为： 单位：10达因/厘米2 =1帕（ Pa ）=1000(mPa)
1、基本概念
流体流动的基本概念：流变曲线
剪切应力
剪切速率
1、基本概念
流体流动的基本概念：视粘度
V F= ×S—— X F/S =———=—— V/X
V F ∝S—— X
泥浆、水泥浆流变模式的选择
– 流变曲线观察法 – F 比值法
200 100 F 300 100
– 误差统计分析法
• 计算各转速的计算剪切应力与实测值的误差
3、流变模式与流变参数计算
泥浆、水泥浆流变参数的计算
– 流变参数的含义
• 反映流体流动规律的特征参数，流体一定后在 流变模式中是不变的。
• 与时间无关
– 有屈服应力：塑性流体、屈服—假塑性流体 – 无屈服应力：牛顿流体、假塑性流体、膨涨性流体
1、基本概念
非牛顿流体的流变性能
– 粘度（视粘度） – 静切应力 – 动切应力 – 触变性 – 剪切稀释性
2、流变测量
测量目的
– 了解流体剪切应力随剪切速率变化的规律 – 测量：剪切速率、剪切应力
主要内容
1. 2. 3.
4.
5.
6.
流体的特点与类型—基本概念 流变测量 流变模式与流变参数计算 在管内或环空的流动规律 流动计算方法与步骤 在固井中影响流变计算的因素
------温度、间隙等对计算的影响
1、基本概念
流体流动的特点
V
x
V
特点：流动时分层流动、各层的速度不一样 原因：流体内部存在内摩擦力
2、流变测量
流变曲线绘制
剪切应力
剪切速率
3、流变模式与流变参数计算
Βιβλιοθήκη Baidu流体流变模式
– 概念
• 用于描述流体内部剪切应力与剪切速率的数学 方程 • 流变模式是流体内部流变规律的近似反映
– 类型
• 两参数模式：幂律、宾汉、 卡森 • 三参数模式：赫巴、罗斯 • 多参数模式：……
3、流变模式与流变参数计算
3、计算内筒处的剪切速率
V
牛
0.20944 n 2 1 (r / R)
2、流变测量
同轴旋转粘度计测量原理
– 原理： – C=.511 (Pa)
转速
600 1022 C
300 511 C
200
100
6
3
剪切 速率
切力
340.6 170.3 10.22 5.11 C C C C
定义：单位剪切速率（速度梯度）下的剪切应力； 单位：10达因.秒/厘米2=1帕秒（ Pa.S）=1000（mPa.S） 粘度是流体本身固有的特性，对于水、汽油等流体， 其粘度是不随流速、流道以及速度梯度变化的。 这一规律称为：牛顿内摩擦定律
1、基本概念
流体流动的基本概念：流体分类
– 牛顿流体： 特点：满足牛顿内摩擦定律 =
1、基本概念
流体流动的特点
1、基本概念
流体流动的基本概念：剪切速率
V 如果：各位置剪切 速率相同，则出现 情况……。
x
V x
dV dx
V
速度梯度或剪切速率
定义：垂直流速方向上的单位距离流速的变化量。 单位：S-1
1、基本概念
流体流动的基本概念：剪切速率
剪切速率分布情况：
• • • • • • •
赫－巴模式： 罗－斯模式： 卡森模式：
S K B A( C)
n
(c )
a 0 a1 a 2
1 2
1 2 0
1 2
1 m
多项式模式： 幂律模式： 宾汉模式：
K 0 P
n
3、流变模式与流变参数计算
测量仪器
– 粘度计
• 旋转粘度计：同轴、锥板…… • 毛细管粘度计
泥浆、水泥浆用： 六速、十二速旋转粘度计
2、流变测量
同轴旋转粘度计测量原理
– 结构：
R r V
M
2、流变测量
同轴旋转粘度计测量原理
– 原理： 1、测量内筒的扭矩M 2、计算内筒处的剪切应力
R r
M C 2 2r h