《岩土钻掘工程学——钻井液与岩土工程浆液》

粘塑性流体
2
1
0
s τ
τ 0
不流
塞流
层流
紊流
属于粘塑性流 体的有泥浆、 沥青、某些原 油、水泥浆等， 粘度高的牛顿 流体也表现出 粘塑性流体的 性质。
图3 粘塑流体流动图
粘塑性流体
图中AB为凹向轴的曲线，BD为直线段，BD延 长线与轴的交点为C，OC坏，此时产生像塞子 一样的流动，故称为塞流。随着的逐步升高， 结构逐步破坏，表观粘度也逐渐变小，此段流 变曲线为一曲线变化。B点之后处于较稳定的层 流段，此时粘塑流体内部的结构破坏与形成处 于平衡状态，BD为一直线段，表示有一个稳定 的塑性粘度值。而D点之后，由于流速快，剪切 速率高，就转为紊流态了。 τ0 表示此流体运动时结构的存在及其数值的大 小。
钻井液的流变性
乌效鸣
中国地质大学（武汉） 中国地质大学（武汉）工程学院勘基系 2004年 年
钻井液的流变性概述 钻井液的流变性
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。
流变类型与流变参数
4种流型，9个流变参数 种流型， 个流变参数 种流型 1、牛顿流体（绝对粘度） 、牛顿流体（绝对粘度） 2、宾汉流体（静切力、动切力、塑性粘度、 、宾汉流体（静切力、动切力、塑性粘度、 表观粘度） 表观粘度） 3、幂律流体（流性指数、稠度指数） 、幂律流体（流性指数、稠度指数） 4、卡森流体（极限高剪粘度、卡森动切力） 、卡森流体（极限高剪粘度、卡森动切力）
塑性流体
C2 C1 A B
理想的宾汉塑性 流体， 流体，一般是一 些含较高固相且 颗粒均匀的悬浮 如一些矿浆、 体，如一些矿浆、 油墨、油漆等。 油墨、油漆等。
τ s
2 θ
1 θ
0
· γ
图2 塑性流体
塑性流体
τ = τ s + η p ⋅ γ&
τ
τ −τ s ηp = γ&
式中： s ——静切力 Pa；ηp ——塑性粘度 静切力， 塑性粘度，Pa·s。 静切力 塑性粘度
塑性流体有两个流变参数，即塑性粘度 塑性流体有两个流变参数，即塑性粘度ηp及静 切力 τ s 表观粘度： 表观粘度： τ τ s +ηp τ =ηp + s & ηA = = γ γ& γ&
粘塑性流体
由于固相颗粒的高度不均匀(如粘土)，在 表面引力与斥力作用下易形成结构，在低 剪切速率下其流变曲线(本来是直线)往往 偏离直线，形成曲线变化，当剪切速率增 加至层流段时才成直线变化(图3)，这种流 体称为粘塑性流体 粘塑性流体。 粘塑性流体
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 钻井液清洗井眼的 能力除取决于循环系统的水力参数外， 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， 取决于钻井液的性能，特别是其中的流变 性能。 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。
3、幂律流体 、
假塑流体
膨胀流体
'
θ 2
1 θ
'
θ 4
θ 3
Hale Waihona Puke Baidu
0
图4 幂律流体流变曲线
用高分子处理剂 处理的低固相泥浆 及聚合物钻井液， 也多属于假塑流体， 或介于宾汉体与假 塑体之间。 浓的淀粉糊、一 些矿浆、高固相含 量的涂料等属于膨 胀流体。
幂律流体
τ = K ⋅ γ&
n
式中：K——稠度系数 稠度系数，或称为幂律系数，Pa·sn ；n—— 稠度系数 流性指数，或称为幂律指数，无单位。 流性指数 K值是粘度的度量，但不等于粘度值，而粘度越高，K值 也越高。在剪切速率一定范围内，n值可当作常数处理。 n值是非牛顿性的度量，n值越低或越高曲线也越弯曲， 非牛顿性也越强，泥浆n值一般在0.5以下为好。 上式中，当n<1时为假塑流体； 当 n=1时为牛顿流体； 当 当 时为假塑流体； 时为牛顿流体； 时为假塑流体 时为牛顿流体 n>1时为膨胀流体。因此，幂律流体又区分为假塑流体 时为膨胀流体。 假塑流体与 时为膨胀流体 假塑流体 膨胀流体两种，其中最常见的是假塑流体。 膨胀流体
1、牛顿流体 、
牛顿方程： 牛顿方程：
式中：——单位面积上的内摩擦力，或称 τ 为剪切应力，Pa；& －剪切速率或流速梯 γ 度，s-1 ；η ——牛顿粘度或称为动力粘度， Pa·s,(1Pa·s=1000cP=1000mPa·s)。
τ = η ⋅ γ&
1、牛顿流体 、
100 甘油
10
水
1.0 空气
不同钻井液流型的形成机理分析
动画演示3－－流型形成机理 动画演示 －－流型形成机理 －－
不同钻井液流型的形成机理分析
粘土含量较少的细分散泥浆比较接近于牛顿流 型，其剪切应力主要由相互无连接力的粘土微 粒及水分子之间的摩擦力构成。由牛顿流型关 由牛顿流型关 系式(1)可知 可知， 系式 可知 ， 反映该类泥浆粘稠性的流变参数 是牛顿粘度η。 是牛顿粘度 。 由于一般泥浆（在未加稀释剂和高聚物加量很 少的情况下）存在粘土颗粒之间的结合力，具 有一定程度的网架结构。因此，泥浆在发生流 动之前需要克服一定的结构力。其流型用宾汉 由宾汉流型关系式(2)可 流型来反映较为合适。由宾汉流型关系式 可 由宾汉流型关系式 知，反映该类泥浆粘稠性的流变参数是动切力 τo和塑性粘度 p。 和塑性粘度η
2 η ∞
1
2 0 0.04 0.08 0.12 0.16
·
1 2
图5 卡森模式图
卡森流体的两个主要流变参数是卡森动切 1 2 τ c和极限高剪粘度η ∞。 力
不同钻井液流型的形成机理分析
泥浆流动时的剪切应力与剪切速率之间的 关系用流变方程和流变曲线来表达。如第 二章所述，不同泥浆的流变关系大体上可 以分为四种理论流型，即牛顿流型、宾汉 流型、幂律流型和卡森流型。一种具体泥 浆的实际流型与哪一种理论流型较相近， 就认为它属于该理论流型。泥浆的流型主 要取决于构成泥浆的材料组成及其它们的 含量。
= η∞ 2 + τ c 2 ⋅ γ&
1
1
1
2
卡森流体
卡森斜率：
C s = tgθ = η
1 2
1 2
12
10
1/2 c
γ&
−1
2
=η
1
2
⋅ γ&
1
2
8 6 4
170.3s-1
θ
1 002s-1
卡森斜率越高， 卡森斜率越高，表示泥浆的 剪切稀释作用越好， 剪切稀释作用越好，而值 等于截距(图 。 等于截距 图5)。
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 使井底碎岩效率降低 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 阻力； 增加 阻力 增大对井壁的液压力激动破坏 液压力激动破坏。井内液柱压力 增大 液压力激动破坏 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。
粘塑性流体
仿牛顿粘度表示法，求粘塑流体的表观粘度值：
τ τ τ 0 + η p ⋅ γ& =ηp + 0 ηA = = γ& γ& γ& 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 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。 的现象，可称为剪切稀释作用
粘塑性流体
τ = τ 0 + η p ⋅ γ&
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 粘 塑性流变参数有两个，即塑性粘度η 塑性流变参数有两个， 即塑性粘度 p， 及动切力(或叫屈服值 或叫屈服值)τ 及动切力 或叫屈服值 0。
0.1 0.01 0 1 10 100
气体、水、甘 油、硅油、油 (除高剪切速率 下的高粘 度 油外)、低分子 化合物溶液等 均属于牛顿流 体。
10 000 · , -1
, 0.1 Pa
1 000
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， 塑性流体 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
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、 要体现在悬碴、护壁、减阻、提高钻 速和冷却钻具5个方面 个方面。 速和冷却钻具 个方面。 动画演示1－－悬碴、 动画演示 －－悬碴、护壁 －－悬碴 动画演示2－－提高钻速 提高钻速 动画演示
钻井液的流变性对钻井工作的影响
卡森流体
卡森模式是假定凝聚成长条状的棒状物， 卡森模式 在剪切下特别是在高剪切速率下能分解为 原始短颗粒。
η
1
2
η 式中： ——任意剪切速率或每分钟转数(rpm)下表 η ——剪切速率为无穷大时的表观粘 观粘度， Pa·s； ∞ & τ 度，Pa·s；γ ——剪切速率，s-1； c ——屈服值或卡森 动切力，Pa。
假塑流体
如图4所示，假塑流体的流变曲线为凹向轴的曲 假塑流体的流变曲线为凹向轴的曲 线 OAB， 曲线 OA’B’ 是膨胀流体 (在高剪切速率 下接近于直线)。它通过原点O，表示一加外力 即产生流动，不存在静切力。随着剪切速率的 不断升高，其表观粘度是不断下降的，属于剪 切稀释液。 表观粘度：
τ K ⋅ γ& n ηA = = = K ⋅ γ& n −1 γ& γ&
假塑流体
当n<1时，0<tgβ<1，0°<β<45°，为假塑流体； n=1时，β=45°，为牛顿流体(图1可见)，n>1时， β>45°，为膨胀流体。 因此n值和 值是假塑流体的两个流变参数 值和K值是假塑流体的两个流变参数 值和 值是假塑流体的两个流变参数。 长链高分子聚合物悬浮体是典型的假塑流体。 静止时分子链任意相互纠缠，但由于静电斥力 占优势，不易形成结构。运动时，分子链趋向 于平行流动方向，顺序排列，运动阻力减小， 随剪切速率增加，这一趋势增加，加上分子链 可能断裂，因此表观粘度减少。
泥浆剪切稀释作用的好坏可用动塑比 动切力 塑性粘度 动塑比(动切力 塑性粘度)来 动塑比 动切力/塑性粘度 表示，动塑比越大， 表示剪切稀释作用越好 。 加入高分子 动塑比越大， 动塑比越大 表示剪切稀释作用越好。 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。
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 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 可以起到较好的粘结护壁作用 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 因此， 因此 在钻井液循环时， 般应保持在层流状态， 尽量避免出现絮流。 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。
钻井液的流变性概述 钻井液的流变性
钻井液流变性是钻井液的一项基本性能， 它在解决下列钻井问题是起着十分重要的 作用： （1）携带岩屑，保证井底和井眼的清洁； （2）悬浮岩屑； （3）提高机械钻速； （4）保持井眼的规则和保证井下安全。
内容概要
钻井液的流变性对钻井工作的影响 流变类型与流变参数 不同钻井液流型的形成机理分析 钻井液流变性的测量