《岩土钻掘工程学——钻井液与岩土工程浆液》

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。
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
3、幂律流体 、
假塑流体
膨胀流体
'ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
θ 2
1 θ
'
θ 4
θ 3
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
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。
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。
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
= 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)。
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
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）
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。
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。
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。
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。
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。
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