钻井液流变学
钻井液工艺学-第三章
第二节
数学表达式：
钻井液的基本流型及特点
y
第二节
钻井液的基本流型及特点
流型判断（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
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
漏斗粘度 Funnel Viscosity 定 单 类 义：定体积泄流时间。 位：秒；s 型：
第四节 钻井液流变性与钻井作业的关系
三.钻井液流变性与井壁稳定的关系
流态对井壁稳定的影响：层流比紊流有利于井壁稳定。
第四节 钻井液流变性与钻井作业的关系
四.钻井液流变性与钻速的关系
第四节 钻井液流变性与钻井作业的关系
五.钻井液流变性与井内压力激动的关系
下钻: 当钻头在井内向下运动时，钻井液被推动着向上流动。这时钻头 处的压力等于钻头以上钻井液的流动阻力与该段钻井液的静液柱压力 。超出静液柱压力的部分被称为“激动压力”。这是造成井漏的原因之 一。 起钻:相反，当钻头在井内向上运动时，钻井液向下流动。这时钻头处 的压力等于钻头以上钻井液的静液柱压力减去该段钻井液的流动阻力 。低于静液柱压力的部分被称为“抽吸压力”。这是诱发井喷、井塌的 原因之一。 主要控制措施： 控制起下钻速度； 降低钻井液粘切。
μ a=τ/γ ，mPa· s
第三节
流变参数测量与计算
某一剪切速率下的表观粘度可用下式表示：
μ a=（300ѲN）/N
N—表示转速，单位为r/min； ѲN—表示转速为N时的刻度盘读数。 在评价钻井液的性能时，为便于比较，如果没有特别注明某一剪切速率， 一般是指测定600r/min时的表观粘度，即：
μp
Chapter 2-钻井液流变性能
钻井液常用流型：
① 牛顿流体(Newtonian Fluids) ② 宾汉流体(Bingham Plastic Flow) ③ 幂律流体(Power law flow) ④ 卡森流体(Casson flow)
１、牛顿流体
①
这类流体有如下特点：当τ>O时，γ>0，因此只要对牛顿流体施 加一个外力，即使此力很小，也可以产生一定的剪切速率，即 开始流动。 其粘度不随剪切速率的增减而变化。
为了确定内摩擦力与哪些因素有关，牛顿通过大量实 验研究提出了液体内摩擦定律，通常称为牛顿内摩擦定律。 其内容为：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( )成正比，即:
F S
μ –viscosity, the frictional resistance ;
典型牛顿流体流变图分析
不同物质有不同粘度。
牛顿流体流变图，其流变曲线均为通过原点O的一条直线，
但粘度越高(如甘油，在15℃时为2.33Pa· s)，其斜率越大，
即流变曲线与x轴的夹角越大。粘度越低(如空气，在 15℃时为0.0182╳10-3Pa· s)，其斜率越小。
水的动力粘度，15℃时为1.1405×10－3 Pa· s，20℃时为
是指在外力作用下，钻井液发生流动和变形的特性。
该特性通常用钻井液的流变公式、流变曲线和流变参数，如
塑性粘度（Plastic Viscosity）、动切力（Yield Point）、 静切力（Gel Strength）、表观粘度（Apparent Viscosity） 等来进行描述的。
流变参数是流变方程的常数。
用前，应用清水进行校正。该仪器测量清水 的粘度为15±0.5秒。若误差在±1秒以内，可用下 式计算泥浆的实际粘度。
第三章 钻井液的流变性20110905
牛顿内摩擦定律的基本参数
剪切力
– 由于液体内部内聚力的作用，在流速不同的各
液层之间发生内摩擦作用，出现成对的内摩擦 力，称为剪切力
液体的粘滞性
– 液体流动时所具有的抵抗剪切变形的物理性质
牛顿内摩擦定律的基本参数
钻井液粘度(总粘度）
– 钻井液流动时固体颗粒之间，固体颗粒与液
体之间，以及液体分子之间的内摩擦力 内摩擦力的总 内摩擦力 反应
宾汉塑性流体流变参数的测量与计算 P71
动切力τ0 τ0 = 0.511 (θ300− µp) τ0 = τ600 − µp γ600 = 0.511θ600 − [0.511 (θ600 − θ300) / (1022 − 511)] (1022) = 0.511 (2 θ300− θ600) = 0.511(θ300− µp)
剪切稀释性
τ = τ0 + µp γ µa = τ / γ= τ0/ γ + µp =结构粘度+塑性粘度
塑性流体和假塑性流体的表观粘度随着剪 切速率的增加而降低的特性称为剪切稀释 性 动切力与塑性粘度的比值（简称动塑比） 能够表示剪切稀释性的强弱 τ0 / µp的值越大，剪切稀释性越强
调整钻井液剪切稀释性能的意义
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）
第三章 钻井液的流变性
钻井液流变学基础简介
Fan-35旋转粘度计的仪器常数
1.)
c
τ__切力(Pa) φ__读数 c__ 仪器常数(0.511) γ __剪切速率(S-1) N__转数 c 1 __ 系数(1.70341)
200 341 100 170 6 10.2 3 5.1
2.) γ=c1×N
N
(转/分)
600
1022
300 511
α
600 3.322 lg 300
lgK
(无因次)
k 0.511
600
1022 n
0.511
300
511n
lgγ lgγ1
lgγ2
(Pa· n) S
其他流变参数的测量
• 表观粘度的测量
表观粘度按严格定义是 特定剪切速率的粘度.即:
表 0.511 1000 1.7034 N
= (2φ300－φ600)×0.511 =(φ300－ηs )×0.511 (Pa)
τo
γ
γ1
γ2
幂率模式流变参数的测量
关键是建立对数座标 τ=Kγn ( 两边取对数) lgτ=lg k+n lgγ
lgτ
lg 2 lg 1 n lg 2 lg 1
lgτ2
α
lg(c2 ) lg(c1 ) lg(1022 ) lg(511)
凡遵循该模式的流体叫牛顿流体。
γ
2.流体流型分类简表
纯 粘 性 流 体
与 剪 切 时 间 无 关 有 关
牛
非 牛 顿 流 体
顿
塑性流体 假塑性流体 膨胀性流体
流
体
带屈服值的假塑性流体
触变形流体
震凝性流体
钻井液工艺原理3-钻井液流变性
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
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 表明模型拟合实际曲线有较大偏差.
• 作用：衡量钻井液的宏观流动性。
• 测量方法：用旋转粘度仪。
• 现场习惯用600转数据的1/2值表示， AV=φ600/2。
1
33
宾汉体的塑性粘度ηp
定义：层流流动时，流体内部网状结构的破坏与 恢复处于动态平衡时，以下三部分内摩擦力 的微观统计结果： 固 -固颗粒间内摩擦阻力； 固 -液相分子间内摩擦阻力； 液 -液分子间内摩擦阻力；
体系受剪切稀释明显。 显然：只要能形成结构的钻井液，均有剪切稀释性。
1
19
作用：
(1)判断携屑能力：强者—好，有利低速带砂。
(2)估计钻头水眼处的粘度大小：强者—小，有利 水力喷射钻井。
即 环形空间：γ低，ηa大，有利于携带钻屑 钻头水眼：γ大，ηa小，有利于水力破岩
一般要求钻井液的剪切稀释能力强。
1Pa = 10dyn/cm2
钻井液-第3章(钻井液流变性)
a
τs γa γb
第9页
γ
重庆科技学院石油工程学院
Drilling Fluids
剪切稀释性(shear thinning )—
原因：在速梯增大时，网架结构被拆散， 结构粘度降低所致。 意义：具有剪切稀释性的钻井液，在速τb
梯较低时有较大的表观粘度，有利
于悬浮和携带岩屑。而在速梯较大 时又有较小的表观粘度，这有利于
τb
τa a
b
γa
重庆科技学院石油工程学院
γb
γ
L.Z.J
第11页
Drilling Fluids
4.膨胀性液体(dilatant fluid)
淀粉液体为典型的膨
胀性液体；
流变曲线为指数曲线
τb τa a
b
与假塑性液体相似，
但凹凸方向相反； 粘度随速梯增加而增 加——剪切增稠。
L.Z.J
L.Z.J
重庆科技学院石油工程学院
第19页
Drilling Fluids
流变参数:
1.τc―卡森屈服值（Casson yield point -CP) 意义:反映泥浆的结构强弱及携带悬 浮能力,实测接近初始凝胶强度 (γ→0. τ→τc ) 2.η∝―极限高剪粘度（infinite shear viscosity- IV ）,水眼粘度、紊流 粘度. 意义:表示体系的纯粹内摩擦性质 （粘滞性）,数值上等于剪切速 率为无穷大时的有效（视）粘 度。（γ→∝ η→η∝ ）
Drilling Fluids
第三章 钻井液流变性 Drilling Fluid Rheological Property
——在外力（泵送、搅拌）作用下,液体 流动和变形的特性。 钻井液流变性指网架结构变形与流动特性。 包括粘度、切力、剪切稀释性、触变性等。
Chapter 3-钻井液流变参数与钻井作业的关系
纯 粘 性 体
带屈服值幂律流体
带屈服值假 塑性流体
带屈服值膨 胀性流体
触变性流体 振凝性流体 多种类型
1. 四种基本流型
塑性流型、假塑性性流型和膨胀流型。以上四种基本流型 的流变曲线见图。符合这四种流型的分别叫牛顿流体、塑 性流体、假塑性流体和膨胀性流体。
Test 4
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
Answers
1.
2. 3.
Density Solid content Methylene blue test Formation pore pressure Mud hydrostatic pressure Rheology of Drilling Fluids laminar flow regime
。
（2）粘塑性流体
① 当剪切应力超过τs时，在初始阶段剪切应力和剪切速率的关系 不是一条直线；继续增加剪切应力，当其数值大到一定程度之 后，粘度不再随剪切速率增大而发生变化，此时流变曲线变成 直线。 ② 此直线段的斜率称为塑性粘度(表示为 p 或PV)。延长直线段与 剪切应力轴相交于一点τ0， (亦可表示为YP)称为动切应力(常简 称为动切力或屈服值yield point)，是将粘塑流体看成塑性流体， 使粘度变为常数(即塑性粘度)所需的最小切应力。 ③ τ0表示此流体运动时结构的存在及其数值的大小。塑性粘度和 动切力是钻井液的两个重要流变参数。
15 实测泥浆粘度 实际粘度 实测清水粘度
2. Direct-Indicating Viscometers
3. Calculation of rheological parameters
第三章钻井液的流变性
第一节 钻井液的流动状态和基本概念
2. 基本概念
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： 表达式如下：
= dv dx
单位为： 单位为：s-1; 流体各层之间流速不同， 流体各层之间流速不同，层 与层之间必然存在相互作用。 与层之间必然存在相互作用。由 于液体内部内聚力的作用， 于液体内部内聚力的作用，流速 较快的液层会带动流速较慢的相邻液层， 较快的液层会带动流速较慢的相邻液层，而流速较慢的液层又会 阻碍流速较快的相邻液层。 阻碍流速较快的相邻液层。
τ
γ
假塑性流体
假塑性流体和塑性流体 的一个重要区别在于： 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， 程度时，剪切应力与剪切速 率之比为一常数， 率之比为一常数，在这个范 流变曲线为直线； 围，流变曲线为直线；而假 塑性流体剪切应力与剪切速 率之比总是变化的， 率之比总是变化的，即在流 变曲线中无直线段。 变曲线中无直线段。
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
τ0
τs
γ
第一节 钻井液的流动状态和基本概念
塑性流体流变模式与流变曲线
τ = τ0 + µp ×γ
钻井液的流变性—流体流动的基本流型
知识点2：非牛顿流体的基本流型
假塑性流体
某些钻井液、高分子化合物的水溶液以及乳状液均属 于假塑性流体。其流变曲线通过原点凸向剪切应力轴的曲线。 流动特点是施加极小的剪切应力就能产生流动，不存在静切 力，黏度随剪切应力增大而降低。
K n
K——稠度系数， Pa·sn； n——流性指数，n<1。
上式为假塑性流体的流变模式，也成为幂律公式。
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。
知识点3：钻井液流变参数
3、塑性粘度和动切力的控制 影响塑性粘度的因素主要有钻井液固相含量，钻井
液中粘土的分散程度，高分子处理剂的使用等。可通过 降低钻井液的固相含量、加水稀释或化学絮凝等方法降 低塑性粘度；可以加入粘土、重晶石、混入原油或适当 提高pH值提高塑性粘度；也可以通过增加聚合物处理 剂的浓度提高塑性粘度，同时可以提高动切。
（2）塑性粘度（ηp或PV）
钻井液的塑性粘度是塑性流体的性质，不随剪切速率变化，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态平衡时， 悬浮颗粒之间、固相颗粒与液相之间以及连续相内部的摩擦作用的强 弱。在钻井的过程中合理控制好塑性粘度，利于安全、优质、快速、 低耗地进行钻井。
知识点3：钻井液流变参数
知识点3：钻井液流变参数
2、 钻井液的黏度和剪切稀释性
1）钻井液的粘度 （1）漏斗黏度
钻井液流变学
τ = τ 0+µp γ τ 0= τ- µpγ
=τ600-µp γ600
[ =0.511 θ600- 0.511(θ600- θ300 )/(1022-511)] (1022)
) =0.511(2θ300 - θ600
= ( 0.511 θ300 - µp)
3、流性指数n、稠度系数K值
假塑性流体
岩屑的滑落速度相关因素 ：岩屑尺寸、岩屑密度、钻井液密度 流态，并与有效粘度成反比。
F3
F1
F2 F4
F4>F2, F3>F1
岩屑翻转
岩屑翻转现象不利于携岩 延长时间 起钻遇卡 下钻遇阻 下钻下不到底
2、紊流携带岩屑原理
原理：钻井液在作紊流流动时，岩屑不存在转动和滑落现象，几 乎都能携至地面，环形空间岩屑较少。
塑性流体 假塑性流体 膨胀性流体
3
剪
1
切
2
应
4
力
τ
剪切速率γ
1-牛顿流体 2-假塑性流体 3-塑性流体 4-膨胀性流体
各种流体的特点
牛顿流体： 当τ＞0时，γ＞0，即施加一个外力，就开始流动。 粘度不随剪切速率的增减而变化。
假塑性流体：流变曲线凹向剪切应力轴，静止时，所含有的颗粒是分散的，当剪切应 力增大时，部分颗粒会纠缠在一起形成网架结构，使流动阻力增大。
n= 3.322lg(θ600/ θ300 ) 无因次量
Ｋ＝（ 0.511 θ300 )／ 511 n 单位Pa.S n
需要指出:使用θ600和θ300 计算的n和
K值,其对应的剪切速率与钻井液在钻杆内 τ= Kγn
的流动大致相当,可称为中等剪切速率条
件下的n和K值。
幂律模式
《钻井液的流变性》课件
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。
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
增黏剂可增加泥浆的黏度，增 强其切削能力，减少切屑量。
流变性的基本概念
黏度
黏度是描述钻井液流动阻力的一个重要参数。
剪切速率
剪切速率是指钻井液在流动时所受到的剪切力 的大小。
剪切应力
剪切应力是指钻井液在流动状态下具有的剪切 性。
变形能力
变形能力是指钻井液在承受一定的应力后所产 生的形变能力。
衡量钻井液流变性的常用方法
1
旋转粘度计
通过测量钻井液在旋转过程中的阻力和转速来计算黏度。
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。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。
2
切变率扫描仪
通过对钻井液进行不同速度下的切变测试，得出不同剪切速率下的剪切应力，从 而描绘钻井液的流变曲线。
3
压缩仪
通过对钻井液进行压缩试验，得出钻井液的压缩模量。
影响钻井液流变性的因素
温度
钻井液的流变性会随着温度的变化而发生改变。
石油钻井液流变特性的数值模拟研究
石油钻井液流变特性的数值模拟研究一、引言石油是当今世界最重要的能源之一，而石油勘探开采中使用的钻井液是保证石油勘探开采顺利进行的关键因素之一。
目前，石油勘探开采中使用的钻井液质量越来越高，其中一个重要的目标就是要降低液体的黏度，这样才能保证由于黏度引起的流动阻力小，使得钻井液在井下工作时具有更好的流动性。
因此，本文将从钻井液流变特性的角度出发，通过数值模拟研究探讨如何降低钻井液黏度，提高其流动性。
二、流变学基础2.1 流变学定义流变学是研究物质对应力作用下产生形变的规律和性质的科学，主要关注于物质的形变行为及其中所涉及到的物理量，比如应力、应变、黏度、弹性模量等。
2.2 流变学的基本模型1. 线性模型线性流变学模型假设应力和应变成线性关系，适用于大多数流体的流变性质。
2. 非线性模型非线性模型适用于非牛顿性流体，可以更准确地预测流体的流变特性。
三、石油钻井液流变特性的数值模拟研究3.1 数值模拟方法采用有限元数值模拟方法，通过计算流体的流动速度、应力、应变和粘性等参数，来预测钻井液的流变特性。
同时，还需对其几何形状、物理性质和边界条件等进行仿真。
3.2 流变特性影响因素分析1. 温度温度是影响钻井液黏度最显著的因素之一。
随着温度升高，钻井液的黏度将会减小，而流动性则会增加。
2. 压力增加压力会导致液体黏度的增加。
因此在钻井过程中，如果液体黏度太大，就会对到井底或进行旋转等步骤带来很大的阻力。
3. 构成材料钻井液的构成材料不同，其流变特性也不同。
比如粘土类钻井液的弹性模量更高，而高分子类钻井液的平均黏度较高。
4. 剪切速率当液体施加于固体表面时，其黏度会随着剪切速率的增加而逐渐的下降。
3.3 流变特性的数值模拟结果根据数值模拟可以得到，当加入适量的聚合物或添加剂，可以大量减小钻井液的黏度，达到提高流动性的目的。
四、结论钻井液的黏度对钻井过程的稳定性直接有影响，所以对于提高其流动性具有十分重要的意义。
钻井液的流变性—钻井液流变性与钻井作业的关系
钻井液层流流动，被携带的岩屑颗粒随钻井液向上运
动，由于重力向下滑落，岩屑颗粒净上升速度取决于流体
上返速度与颗粒自身滑落速度之差。将岩屑上升速度与钻
井液上返速度比称作携带vp比，1表示( v井s )筒净化效率。
vf
vf
vp、vf、vs——分别表示岩屑净上升速度、钻井液上返速
度、岩屑滑落速度，m/s。
层流时钻井液流速剖面为抛物线 型，中心流速最大，两侧逐渐降低， 靠近井壁或钻杆壁处速度为零。片状 岩屑上升过程各点受力不均匀，中心 处流速高，作用力大；靠近两侧流速 低、作用力小。岩屑受力矩作用，翻 转侧立，向环空两侧运移。有的岩屑 贴在井壁成厚“假泥饼”，有的沿壁 下落。受两侧向上液流阻力作用，岩 屑下滑一定距离又会进入流速较高中 心部位向上运移。如a。
知识点1：钻井液流变性与井眼净化的关系
岩屑翻转现象对携带岩屑不利，延长了岩屑从井底返至 地面时间，且部分岩屑不能带出地面，造成起钻遇卡、下钻 遇阻、下钻下不到井底等复杂情况。岩屑翻转现象与岩屑形 状有关，当岩屑厚度与其直径比小于0.3或大于0.8才会出现， 此范围之外岩屑可以较顺利携带出来。
钻柱转动对层流携带岩屑有利，旋转改变了层流时液流 速度分布情况，使靠近钻柱表面液流速度加大，岩屑以螺旋 上升，如b所示。此时岩屑翻转仅发生在靠近井壁那侧。
知识点2：钻井液流变性的其它影响
影响波动压力因素除起下钻速度、钻头与钻柱的泥包程 度、环形空间的间隙、井深以外，与钻井液的黏粘度、切力 密切相关。其他条件相同时，钻井液粘度、切力增大，波动 压力会更加严重。因此，要控制钻井液流变性，起下钻和开 泵操作不宜过快过猛，开泵前最好先活动钻具，特别是钻遇 高压地层、易漏失地层或易坍塌地层，以防因波动压力而引 起的各种井下复杂情况。
石油钻井液流变学研究
石油钻井液流变学研究石油钻井液是一种用于钻井过程的重要溶液，其性质通常由其流变学特性所决定。
因此，石油钻井液的流变学研究对于钻井工程的进展与开展至关重要。
几十年来，石油钻井液流变学研究已成为了石油工业的一个重要领域，不断推动着石油工业的发展与进步。
石油钻井液的基本组成和类型石油钻井液通常由黏土、钡或铋等化合物的微细颗粒、有机聚合物、钻井液添加剂等材料组成。
根据情况不同，石油钻井液可分为水基钻井液、油基钻井液和气基钻井液三种基本类型。
流变学基本概念流变学是应用力学及物理学原理来研究物质流动、变形和应力的学科。
其重要原理主要是显性粘滞流动：所涉及物质的粘度与所作用的外界力之间的关系式往往包含不同类型的复杂度系数，并在粘度表达式中显示。
石油钻井液的流变学参数石油钻井液的流变学参数主要包括动力粘度、静力粘度、剪切应力、剪切速率、剪切应力指数等。
流变学测试技术流变学测试技术是石油钻井液流变学研究的核心内容之一。
流变性能测试通常由动态和静态两个方面组成。
动态测试指实验过程中材料的变形和应力的变化，剪切速率和剪切应力之间的关系，而静止测试则是通过应用永久型应力来评估材料的应力–应变行为，在每个特定的剪切速率下测试材料的变形。
石油钻井液流变学研究在钻井领域的应用石油钻井液流变学研究在钻井领域有着非常广泛的应用。
首先，流变学参数是评估石油钻井液性能的关键因素，因此在油气开采中广泛运用。
其次，合适的石油钻井液流变学特性能有效帮助泥浆在极端环境下获得最佳钻井效果。
石油钻井液流变学研究的发展趋势石油钻井液流变学研究的发展趋势主要体现在以下几个方面：一是应用流体力学数学模型，对石油钻井液流变学做出更为精准的预测。
二是石油钻井液流变学研究的快速高效化，以及对流变学监测和控制的进一步深入研究。
三是对石油钻井液组成及结构性质的研究，进一步细化液体体系，进一步探索新型钻井液体系的开发创新。
结语通过对石油钻井液流变学的研究，可以有效地优化油气开采过程中钻井泥浆的浆体组成和结构特征，提高钻井泥浆的性能，促进钻井工作效率的提高，这对于石油工业的未来发展具有十分重要的意义。
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 dxτμ=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0PVdv dxττμ-= 剪切力τ≠0，而是s τ，即施加的切应力必须超过某一特定值才能开始流动。
切应力继续增大，并超过s τ时，塑性流体不能均匀剪切，粘度随切应力的增加而增加，即图中曲线段；继续增加切应力，粘度不随切应力的增加而增加，图中直线段；1）s τ，静切力，是钻井液静止时单位面积上形成的连续空间网架结构强度的量度。
钻井液流变性知识2
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：
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，如一些矿浆、 油墨、油漆等。
· γ
τ s
2 θ
1 θ
0
图2 塑性流体
塑性流体
s p
s p
式中： s ——静切力， Pa；ηp ——塑性粘度，Pa·s。
0 0 p A p 图3中，在ABD线上任何一点F1、F2……与原点O的连线 OF1、OF2……斜率的倒数均表示表观粘度值。剪切速率越 高，表观粘度越低。这种表观粘度随剪切速率升高而降低 的现象，可称为剪切稀释作用。
泥浆剪切稀释作用的好坏可用动塑比 ( 动切力 / 塑性粘度 ) 来 表示，动塑比越大，表示剪切稀释作用越好。加入高分子 处理剂的低固相泥浆 ( 特别是加入 XC 生物聚合物 )，可使塑 性粘度增加慢而动切力增加快，能提高泥浆的动塑比。
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。
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。
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宾汉模式与幂律模式的比较
1、在中等和较高的剪切速率范围内, 幂律模式和宾汉模式均 能较好地表示实际钻井液的流变特性。
2、环形空间的较低剪切速率范围内幂律方程比宾汉公式更能 接近钻井液的真实流动性。
钻井液设计和现场应用中，这两种流变模式往往都同时使用。
切 应 力 30
/
范
氏 指
20
针 读
10
值
宾汉模式
钻井液流变学
主讲: 睢文云
石油工程技术研究院 2007年9月
主要内容
流体的基本流型及其特点 钻井液流变参数及其计算 钻井液流变性与钻井作业相关计算
第一部分 流体的流型及其特点
一、基本概念
1、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，其中流动性是主要方面。
描述参数： 塑性粘度、动切力、静切力、表观粘度等
对于钻井液来说，它既包括流体内部由于摩擦作用所引起的粘度，又包括 粘土颗粒之间及高分子聚合物分子之间由于形成空间网架结构所引起的粘
度。后者被称为结构粘度
随着剪切速率的增加，结构粘度不断减小，当剪切速率达到很高值（如钻 头水眼处），结构粘度趋于零，可理解为，塑性粘度是剪切速率极高时的 表观粘度。
剪切稀释性
塑性流体 假塑性流体 膨胀性流体
3
剪
1
切
2
应
4
力
τ
剪切速率γ
1-牛顿流体 2-假塑性流体 3-塑性流体 4-膨胀性流体
各种流体的特点
牛顿流体： 当τ＞0时，γ＞0，即施加一个外力，就开始流动。 粘度不随剪切速率的增减而变化。
假塑性流体：流变曲线凹向剪切应力轴，静止时，所含有的颗粒是分散的，当剪切应 力增大时，部分颗粒会纠缠在一起形成网架结构，使流动阻力增大。
液体流动时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 积上的压力无关。
即：F=µ Sγ
τ=F/S= µγ
---- 数学表达式
剪切应力可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，通常称 为粘度。与液体的性质及温度有关，并随 温度的升高而降低。
2、表观粘度和剪切稀释性
定义：在某一剪切速率下，剪切应力与剪切速率之比。 又称有效粘度。单位Pa.s，通常使用mPa.s
即μa=AV=τ/γ
由宾汉方程，塑性流体的表观粘度可表示为:
μa= µp + τ0/γ= µp +η结构
由幂律方程，假塑性流体的表观粘度可表示为:
μa= Kγn-1
塑性流体的表观粘度是流体在流动过程中所表现出的总粘度。
假塑性流体
特点：施加极小的剪切应力就能产生流动，不存在静切应力； 粘度随剪切应力的增大而降低；
区别：塑性流体当剪切速率增大到一定程度，剪切应力与剪切 速率之比为一常数，流变曲线为直线；
假塑性流体剪切应力与剪切速率之比总是变化的，流变 曲线无直线段
稠度系数
假塑性流体流变模式
τ= Kγn 幂律模式
流性指 数
剪切速率大，表示液流中各层之间 流速的变化大；反之，流速的变化 小。
x
dx
v+dv v
水在河面的流速分布
3、剪切应力
剪切应力：液流中各层的流速不同，层与层之间发生内 摩擦作用，即出现成对的内摩擦力，也就是 剪切应力。阻碍液层剪切变形
液体的粘滞性：液体流动时所具有的抵抗剪切变形的物理 性质。
4、牛顿内摩擦定律
实际钻井液
幂率模式
50 100 150 剪切速率/（范氏粘度计）/r/min-1
动切力
定义：它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。 代号τ0 （YP），单位：Pa 凡是影响钻井液形成结构的因素，均会影响τ0 值。
影响因素：
➢粘土矿物类型核和浓度； ➢电解质----絮凝程度增大，增加动切力 ➢降粘剂—拆散网架结构，降低动切力
（简称 动切力 或屈服值 ）
直线段的斜率称为塑性粘度（ µp即 PV）
塑性流体流变模式
τ= τ0+µp γ 宾汉模式
剪 切 应力τ ττ0s
剪切速率γ
1-牛顿流体 2-假塑性流体 3-塑性流体 4-膨胀性流体
第二部分 钻井液流变参数及其计算
1、塑性粘度和动切力
塑性粘度 它是塑性流体的性质，不随剪切速率而变化。代号µp（ PV），单位Pa.S
实际应用中，调整钻井液宾汉模式流变参数的方法：
➢降低µp：合理使用固源自设备，加水稀释或化学絮凝—减少固含
➢提高 µp：
加入粘土、重晶石、混入原油， 适当提高PH、增加聚合物浓度
➢降低τ0
加入降粘剂、清水、稀浆 如由Ca 2+、Mg 2+等污染引起用沉淀法除去
➢提高τ0
加入预水化膨润土浆、增大高分子聚合物加量 钙处理或盐水钻井液适当增加Ca 2+、Mg 2+浓度
作用： 携带岩屑，保证井底和井眼清洁 悬浮岩屑与重晶石（各类加重材料） 提高机械钻速 保持井眼规则和保证井下安全
2、剪切速率
剪切速率：表示垂直于流速方向上单位距离流速的增量。 也称为流速梯度。以γ表示，单位s-1
液体中各层的流速不同。如果在垂 直于流速方向上取一段无限小的距 离dx，流速由v变化到v+dv，那么比 值dv/dx即为流速梯度
单位Pa，实际应用mPa.s 1cP =1mPa.s
物理意义： 产生单位剪切速率所需要的剪 切应力。
二、流体的基本流型
牛顿流体：遵守牛顿内摩擦定律的流体。
水、酒精、大多数纯液体、轻质油、低分子化合物溶液以及低 速流动的气体等
非牛顿流体：不遵守牛顿内摩擦定律的流体。
高分子聚合物的浓溶液和悬浮液等
非牛顿流体
物理意义:剪切应力克服结构力的状态下,流体内部纯机械摩擦所形成 的流动阻力。反映了在层流情况下，钻井液中网架结构的破坏 和恢复处于动平衡时，固相颗粒之间、固相与液相之间及连续液 相内部的摩擦作用的强弱。
影响因素：
➢钻井液中固相含量 ➢粘土的分散程度 ➢高分子聚合物处理剂 –提高液相粘度
（浓度越高， µp越高；相对分子量越大， µp越高）
膨胀流体：稍加外力即发生流动，粘度随剪切速率（或剪切应力）增加而增大，静止 时又恢复原状。（比较少见，不作研究）
C-30
M-11
与钻井液相关的流体
塑性流体
特点：必须加一定的力才开始流动，这种使流体开始流动 的最低剪切应力τs称为静切应力（静切力、凝胶强度）。
直线段延长线与剪切应力轴的交点τ0称为动切应力 YP
定义：塑性流体和假塑性流体的表观粘度随剪切速率 的增加而降低的特性。