关于钻井液流变性课件
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关于钻井液流变性
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
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。
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 流变特性。
1
18
三、剪切稀释性
定义 钻井液的有效粘度随剪切速率增加而降低的现象。 实质：高剪切作用破坏了体系内部结构，使总的粘滞性
降低。 表示法：动塑比 τo / ηp 意义：越大，钻井液的剪切稀释性越强。 因为比值大，表明结构多（τo大），固含低（ηp小），
1泊 = 100mPa.s =100cp = 1dyn.s/cm2
1
7
漏斗粘度 Funnel Viscosity
定 义：定体积泄流时间。
单 位：秒；s。
类 型：
马氏漏斗粘度 Marsh Funnel Viscosity
定义：1500ml 流出946ml 的时间。 标准：清水测量值：26±0.5s 中国漏斗粘度 定义：700ml流出500ml的时间。 标准：清水测量值：15±0.5s
流变性符合牛顿内摩擦定律的流体。 类型举例：水、甘油、单相液体等。 流变曲线：通过原点的直线。
特点： η= τ/ γ=C（常数）
1
11
2. 非牛顿流体
塑性流体 Plastic Fluids
数学模型： τ- τ0 = ηp γ 流变曲线：有截距的直线。 流变参数：
τ0 —— 动切应力 Yield Stress
统一名称：屈服值、屈服点。
γ
塑性体 真实泥浆
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
流型图
单 位：dyn/cm2、Pa
几何意义：直线截距的切应力值。
1
12
ηp —— 塑性粘度 Plastic Viscosity
定 义：产生单位剪切速率所需要的剪切应力。 常用的其它符号： ηs、PV 单 位：公制：dyn.s/cm2、泊、厘泊。
内部结构情况。
γ ，η 能够反映多数钻井液的剪 切稀释性。
γ，η η 能够反映出钻井液的极限 粘度。
0 τc
τ
卡森流体流变曲线
1
17
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. 卡森模式：
卡森(Casson)模式是1959年由卡森首先提出的，最初主要 用于油漆、颜料和塑料等工业中。1979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。
国际：Pa.s、mPa.s 模式讨论 τ- τ0 = 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 能够反映多数钻井液的剪切稀释性。 γ， η ηp 能够反映出钻井液的极限粘度。
低剪切速率下： τ实> τ宾 ຫໍສະໝຸດ Baidu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
r
0
真实泥浆与不同流型的比较
1
14
假塑性流体 Pseudoplastic Fluids
流变模式： τ = Kγn 流变曲线：过原点凸向切应力轴的曲线。
为什么过原点？
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
15
流变参数：
1
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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
反之，越小。 单 位： τ= F/A = dyn/cm2；Pa。
1Pa = 10dyn/cm2
1
5
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。
γ
τ
τ ；P；P；
0
τ
0
γ
0
γ ；Q；V；n
流变曲线表示法
1
6
粘度 Viscosity
统一名称：有效粘度、视粘度。 常用符号：η 定 义： η= τ/ γ= 单位剪切速率的剪切应力。 单 位： η= τ/ γ= dyn/cm2/s-1 = dyn.s/cm2 = 泊
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
统一名称：速梯、剪率、切变率。
常用符号：γ、D、dv/dx、dv/dr
定义： γ= dv/dr = 垂直于流动方向上单位距离内的流速增量。
意义： dv/dr 增大，液流各层间的速度变化大；反之则小。
单 位： γ = 速度/距离 = cm/s/cm = 1/s = s-1
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
K——稠度系数
意义：反映流体的粘滞性。越大，流体越难流动。
单位：dyn.sn/cm2
n——流型指数
r
意义：偏离牛顿流体的程度。
模式讨论 τ = Kγn 或者 η= Kγn-1
γ 0， τ 0 不符合大多数钻井液具有屈
服应力的特点。
0
τ
γ ，η 能够反映钻井液的剪切稀释性。
γ， η 0 无极限粘度，不符合钻井液情况。
钻井液循环系统中各部位剪切速率范围为:
沉砂罐处：10~20s-1
环形空间：50~250s-1
钻杆内部：100~1000s-1
钻头水眼：1000~7000s-1
1
4
剪切应力 Shear Stress 统一名称：剪应力、切应力。 常用符号：τ 定 义： τ= F/A = 液层单位面积上的剪切力。 意 义：τ越大，液流各层所受的作用力越大；
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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
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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。
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 流变特性。
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三、剪切稀释性
定义 钻井液的有效粘度随剪切速率增加而降低的现象。 实质：高剪切作用破坏了体系内部结构，使总的粘滞性
降低。 表示法：动塑比 τo / ηp 意义：越大，钻井液的剪切稀释性越强。 因为比值大，表明结构多（τo大），固含低（ηp小），
1泊 = 100mPa.s =100cp = 1dyn.s/cm2
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漏斗粘度 Funnel Viscosity
定 义：定体积泄流时间。
单 位：秒；s。
类 型：
马氏漏斗粘度 Marsh Funnel Viscosity
定义：1500ml 流出946ml 的时间。 标准：清水测量值：26±0.5s 中国漏斗粘度 定义：700ml流出500ml的时间。 标准：清水测量值：15±0.5s
流变性符合牛顿内摩擦定律的流体。 类型举例：水、甘油、单相液体等。 流变曲线：通过原点的直线。
特点： η= τ/ γ=C（常数）
1
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2. 非牛顿流体
塑性流体 Plastic Fluids
数学模型： τ- τ0 = ηp γ 流变曲线：有截距的直线。 流变参数：
τ0 —— 动切应力 Yield Stress
统一名称：屈服值、屈服点。
γ
塑性体 真实泥浆
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
流型图
单 位：dyn/cm2、Pa
几何意义：直线截距的切应力值。
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ηp —— 塑性粘度 Plastic Viscosity
定 义：产生单位剪切速率所需要的剪切应力。 常用的其它符号： ηs、PV 单 位：公制：dyn.s/cm2、泊、厘泊。
内部结构情况。
γ ，η 能够反映多数钻井液的剪 切稀释性。
γ，η η 能够反映出钻井液的极限 粘度。
0 τc
τ
卡森流体流变曲线
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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. 卡森模式：
卡森(Casson)模式是1959年由卡森首先提出的，最初主要 用于油漆、颜料和塑料等工业中。1979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。
国际：Pa.s、mPa.s 模式讨论 τ- τ0 = 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 能够反映多数钻井液的剪切稀释性。 γ， η ηp 能够反映出钻井液的极限粘度。
低剪切速率下： τ实> τ宾 ຫໍສະໝຸດ Baidu明模型拟合实际曲线有较大偏差.
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真实泥浆与不同流型的比较
r
0
真实泥浆与不同流型的比较
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假塑性流体 Pseudoplastic Fluids
流变模式： τ = Kγn 流变曲线：过原点凸向切应力轴的曲线。
为什么过原点？
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。
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流变参数：
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
反之，越小。 单 位： τ= F/A = dyn/cm2；Pa。
1Pa = 10dyn/cm2
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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。
γ
τ
τ ；P；P；
0
τ
0
γ
0
γ ；Q；V；n
流变曲线表示法
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粘度 Viscosity
统一名称：有效粘度、视粘度。 常用符号：η 定 义： η= τ/ γ= 单位剪切速率的剪切应力。 单 位： η= τ/ γ= dyn/cm2/s-1 = dyn.s/cm2 = 泊
塞流
层流
紊流
稳定流动类型的变化
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2. 基本概念
剪切速率 Shear Rate
统一名称：速梯、剪率、切变率。
常用符号：γ、D、dv/dx、dv/dr
定义： γ= dv/dr = 垂直于流动方向上单位距离内的流速增量。
意义： dv/dr 增大，液流各层间的速度变化大；反之则小。
单 位： γ = 速度/距离 = cm/s/cm = 1/s = s-1
漏斗粘度计示意图
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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
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二、流体分析
基本假设：
连续介质 均质性 不可压缩性 层流
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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
K——稠度系数
意义：反映流体的粘滞性。越大，流体越难流动。
单位：dyn.sn/cm2
n——流型指数
r
意义：偏离牛顿流体的程度。
模式讨论 τ = Kγn 或者 η= Kγn-1
γ 0， τ 0 不符合大多数钻井液具有屈
服应力的特点。
0
τ
γ ，η 能够反映钻井液的剪切稀释性。
γ， η 0 无极限粘度，不符合钻井液情况。
钻井液循环系统中各部位剪切速率范围为:
沉砂罐处：10~20s-1
环形空间：50~250s-1
钻杆内部：100~1000s-1
钻头水眼：1000~7000s-1
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剪切应力 Shear Stress 统一名称：剪应力、切应力。 常用符号：τ 定 义： τ= F/A = 液层单位面积上的剪切力。 意 义：τ越大，液流各层所受的作用力越大；