第二章 钻井液(2)

（2）宾汉流体模式
.
0 s
有效粘度函数
.
s
0
.
s为塑性粘度（PV），mPa.s ；0为动切应力（又称屈服 值YP），Pa
s=600－300 (mPa.s) 0=0.511(300-s) (Pa)
600 , mPa.s
2
第二章 钻井液
第三节 钻井液的工艺性能
流动特性：＝0时，=s，s为静切应力（凝胶强度） Gel strength
. n1
.
K y /
K为稠度系数，Pa.sn；n为流性指数，无因次；y为静切 应力，Pa。
第二章 钻井液
第三节 钻井液的工艺性能
说明 对于动切力较高的聚合物钻井液，特别是在 环空较低剪切速率下，它往往比宾汉模式和 幂律模式更接近于钻井液的流变性。因其为 三参数方程，参数计算较复杂。
y 0.5113 n 3.322lg[( 600 3 ) /(300 3 )] K 0.511(300 3 ) / 511n
（4）卡森流体模式
１/２
1
1
11
2
2
22
c
有效粘度函数：
1
1
1
1 .2
2
Hale Waihona Puke Baidu
2
2
c
/
c１/２
为卡森极限高剪粘度，mPa.s； c为卡森动切应力（或称卡森屈服值）， Pa
１/２
第二章 钻井液
第三节 钻井液的工艺性能
1
1
11
2
2 c
2 2
c:卡森动切力 ：极限高剪粘度
1/2 c
0.4775[(6100 )1/ 2
搅拌时：网架结构逐步被拆散。 触变性的两个特点： A. 形成结构到拆散结构，或反之，可逆的，可重复的。 B. 结构的变化与时间紧密相关。
第三节 钻井液的工艺性能
钻井液流变性：是钻井液在流动过程的流变性和静止状态下的流体力 学表现。如钻井液的塑性粘度、动切力、表观粘度（有效粘度）、静 切力和触变性等性能都属流变性参数。 泥浆的流变性对钻井的影响： 影响携带岩屑的效率 影响悬浮岩屑与重晶石的能力 影响机械钻速 影响井眼规则和井下安全
1. 流变曲线、流变模型及参数计算。 2. 流变参数的胶体化学性质。 3. 钻井液流变性与钻井工程的关系。
第二章 钻井液
第三节 钻井液的工艺性能
1. 流变曲线、流变模型及参数计算
剪切速率与剪切应力
剪切速率(shear rate)
：在垂直于流动方向上
单位距离内流速的增量
(
dv / dx
)。速度梯度
剪 切 应 力 (shear
stress) ： 液 体 流 动 过
程中，单位面积上抵抗
流动的内摩擦力。
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第三节 钻井液的工艺性能
（6）考虑温度和压力的流变模式
.
K n Exp( Ap B / T )
p——压力；T——温度；A、B——常数 带有屈服应力的钻井液，上式可以改写成如下形式：
.
0 K n Exp( Ap B / T )
第二章 钻井液
第三节 钻井液的工艺性能
钻井液与流变方程是二个不同的概念。钻井液是流 动实体，而流变方程是用于描述这个实体的数学模型； 流动实体只能有一个，而数学模型可以有多个，只是 描述精度各不相同，但最好的数学模型与流动实体之 间仍有差异。 工程中常用“宾汉”、“幂律”、“卡森”模型来 描述钻井液的流变特性。
第二章 钻井液
第三节 钻井液的工艺性能
钻井液流变曲线
牛顿流体： 剪切应力与剪切速率成正比。 塑性流体(宾汉流体): 适合于水基钻井液体系 假塑性流体(幂律流体): 适合于高分子聚合物体系 膨胀流体 粘度随剪切速率的增大而增高。
钻井液流变方程（本构方程）
..
( )
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第三节 钻井液的工艺性能
（1）牛顿液体
.
：剪切应力dyn/cm2 γ:剪切速率:s-1 μ:粘度（Poise、泊)
剪切速率γ
1dyn/cm2=1x10-5N/10-4m2=0.1Pa 1 poise=1 dynes.s/cm2=0.1 Pa.s 1cp=0.01poise=0.001Pa.s=1mPa.s
0 切应力：
1/ 600
2
]
(Pa)1/ 2
1/ 2
1.195(610/02
1/2 300
)
(mPa.s)1/ 2
卡森模式的另一特征参数是剪切稀释指数Im
Im
1
100
(
c
2
1 )2
Im值大小于反映钻井液剪切稀释性的强弱
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第三节 钻井液的工艺性能
（5）赫—巴流体模式
.n
K y
有效粘度函数：
〈s时，塑性流体象固体一样，不会发生流动 〉s时，塑性流体，粘度随剪切应力的变化而降低 直线段：直线的斜率为塑性粘度;直线与轴的交点称为0
第二章 钻井液
第三节 钻井液的工艺性能
（3）幂律流体模式
.n
K
有效粘度函数：
.
. n1
K
修正幂律流体 Herschel-Bulkley Model
n 3.32 log 600 3 300 3
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第三节 钻井液的工艺性能
一、钻井液的流变性能 二、钻井液的失水造壁性能 三、钻井液的其它性能 一、钻井液的流变性能(rheological properties of DF)
泥浆流变性影响钻速、泵压、排量、岩屑的携带 与悬浮、固井质量等。控制泥浆的流变性是泥浆工艺 的重点之一。
第二章 钻井液
0.5
K 511n (600 3)
K为稠度系数，Pa.sn；n为流性指数。n是无因次量
n 3.32 log 600 300
k
0.511600
1022 n
(Pa.sn )
流动特性分析: 施加极小的切应力就发生流动，
没有静切应力，而且粘度随切应力 的增加而降低。
第二章 钻井液
第三节 钻井液的工艺性能
第二章 钻井液
第三节 钻井液的工艺性能
流变特性与时间有关的非牛顿流体 特点：
f ( ,t)
符合这种关系的流体称为触变性流体。绝大多数的 钻井液都具有这种流变特性。
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第三节 钻井液的工艺性能
触变性
触变性机理 流体内部的粘土粒子因其物化原因易形成网架结构。
静止后：粒子为了满足表面静电饱和，在自由能最小部位自行排列 而形成凝胶 结构。
•参数计算（范氏旋转粘度计） 旋转粘度计原理;
＝1.703 N (s-1)
=0.511 (Pa) μ＝ 300 (mPa.s)
内外筒之间充满被测钻井液， 当外筒旋转时，通过流体的粘 性带动同轴内筒转动，使扭力 弹簧扭转一定角度至平衡为止，
由此反应不同流体的剪切应力
大小。
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第三节 钻井液的工艺性能