钻井液与完井液
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1
第一节、 钻井液的流动状态和基本概念
1. 流体的流动类型
流动类型非 稳稳 定定 流流 动动
稳 定 流： 流场中任何点的流动参量不随时间改变，但 不同点的流动参量可以不同的流动。
特 点： 稳定流动是连续性的。 不稳定流：流场中任何点的流动参量不但随位置不同而
变，而且随时间不同也在改变的流动。 特 点：旧的流动条件刚改变到新的流动稳定条件建
常用符号： τ0；YP 单 位：dyn/cm2、Pa
几何意义：直线截距的切应力值。
15
塑性粘度 Plastic Viscosity
定 义：塑性流体与其结构强弱无关的粘度。
常用符号： ηs、PV 单 位：公制：dyn.s/cm2、泊、厘泊。
国际：Pa.s、mPa.s
模式讨论 τ- τ0 = ηs γ 优点：
τ=F/A=η(dv/dr)
F
η — 表征流体粘性的比例系数， r
简称牛顿粘度。
F — 内摩擦力。
牛顿流体
流变性符合牛顿内摩擦定律
τ
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。
0
特点： η= τ/ γ=C（常数）
dv dr
稠液体 稀液体
r
14
2. 非牛顿流体
剪切应力与剪切速率不呈线形关系的流体。
单 位： γ = 速度/距离 = cm/s/cm = 1/s = s-1 钻井液循环系统中各部位剪切速率范围为: 沉砂罐处：10~20 s-1 环形空间：50~250 s-1 钻杆内部：100~1000 s-1 钻头水眼：1000~7000 s-1
4
剪切应力 Shear Stress
同义名称：剪应力、切应力。
γ
τ
P；P；
0
τ
0
γ
0
Q；V；n
6
粘度 Viscosity
同义名称：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
1泊 = 100cp = 100mPa.s = 1dyn.s/cm2=0.1Pa.s
7
几何意义
γ
A
τ
A
1
B
2
0
τ
A.流变曲线上某点与原点相连直 线斜率的倒数
ηA = 1/tg = τA / γA 越大，η越小
图中： ηA < ηB
1
B
2
0
γ
B.流变曲线上某点与原点相连直 线的斜率
ηA = tg = τA / γA 越大，η越大 图中： ηA > ηB
8
漏斗粘度 Funnel Viscosity
第三章、钻井液的流变性
Chapter 3 The Rheology of Drilling Fluids
本章要求重点掌握： 1. 几种流型的概念和数学模型。 2. 流变参数的胶体化学性质。 3. 流变性测量原理和流变参数直读公式。 4. 钻井液流变性与钻井工程的关系。 5. 钻井液流变性能的调节与维护。
流变模式： τ = Kγn
流变曲线：过原点凸向切应力轴的曲线。 流变参数： 稠度系数 K
r
n﹥1
意义：反映流体的粘滞性。K越大，流体越难流动。
单位：dyn.sn/cm2 流型指数 n
n﹤1
意义：偏离牛顿流体的程度。
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；反之，
越小。剪切应力
内摩擦力
单 位： τ= F/A = dyn/cm2；Pa。
1Pa =1N/m2= 10dyn/cm2
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。
牛顿流体
塑性体
流体
粘性流体非牛顿流体 与与时时间间有无关关的的流流 震 触膨 假体体 凝 变塑 胀体 体性 体
粘弹性流(τ体~ f(γ ，η ，t，法向应力—）非牛顿体
12
二、流体分析
对流体研究对象的基本假设：
连续介质 均质性 不可压缩性 层流
13
1、牛顿内摩擦定律与牛顿流 体
பைடு நூலகம்
牛顿内摩擦定律
点的流速，其大小、方向都在进行着不规则的、连续的变化。
塞流
层流
紊流
3
2. 基本概念（预备知识）
剪切速率 Shear Rate 同义名称：速梯、剪率、切变率，流速梯度。
常用符号：γ、D、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。
（1）流变特性与时间无关的非牛顿流体
特点： τ与γ呈单值对应关系。
γ
塑性流体 Plastic Fluids
塑性体
数学模型： τ = τ0 +ηs γ 宾汉模型
流变曲线：有截距的直线。
流变参数：
动切应力 Yield Stress 同意名称：屈服值、屈服点。
0 τ0 τs
τ
定 义：流体开始呈现层流流动时所需要的剪切应力。
立之间的流动。 如：流体刚开始流动时；管道横断面变宽、变窄处。
2
稳定流动类型的变化
塞流 Plug Flow---流体象塞子一样流动，流速为常数.
稳定流 层流 Laminar Flow---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 Turbulent Flow---流体内形成无数小旋涡。任一定
• 优点：
– 简单易行
• 缺点：
– 测定过程中流速梯度在变化 – 没有考虑流体密度的影响
10
剪切稀释性
—— 钻井液的有效粘度随剪切速率增加而降低的 现象。
特点：剪切速率是变量；粘度是变量。 可用YP/PV ,n, Im等来表征。
11
第二节、
基本流型及其分析
一、流体分类
根据“应力 — 应变（流动）（ τ~γ）”关系，将流体 分为：
或者 η= ηs+ 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 ηs 能够反映出钻井液的极限粘度。 缺点：
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.
16
假塑性流体 Pseudoplastic Fluids
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
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漏斗粘度反映流变性的优缺点
第一节、 钻井液的流动状态和基本概念
1. 流体的流动类型
流动类型非 稳稳 定定 流流 动动
稳 定 流： 流场中任何点的流动参量不随时间改变，但 不同点的流动参量可以不同的流动。
特 点： 稳定流动是连续性的。 不稳定流：流场中任何点的流动参量不但随位置不同而
变，而且随时间不同也在改变的流动。 特 点：旧的流动条件刚改变到新的流动稳定条件建
常用符号： τ0；YP 单 位：dyn/cm2、Pa
几何意义：直线截距的切应力值。
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塑性粘度 Plastic Viscosity
定 义：塑性流体与其结构强弱无关的粘度。
常用符号： ηs、PV 单 位：公制：dyn.s/cm2、泊、厘泊。
国际：Pa.s、mPa.s
模式讨论 τ- τ0 = ηs γ 优点：
τ=F/A=η(dv/dr)
F
η — 表征流体粘性的比例系数， r
简称牛顿粘度。
F — 内摩擦力。
牛顿流体
流变性符合牛顿内摩擦定律
τ
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。
0
特点： η= τ/ γ=C（常数）
dv dr
稠液体 稀液体
r
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2. 非牛顿流体
剪切应力与剪切速率不呈线形关系的流体。
单 位： γ = 速度/距离 = cm/s/cm = 1/s = s-1 钻井液循环系统中各部位剪切速率范围为: 沉砂罐处：10~20 s-1 环形空间：50~250 s-1 钻杆内部：100~1000 s-1 钻头水眼：1000~7000 s-1
4
剪切应力 Shear Stress
同义名称：剪应力、切应力。
γ
τ
P；P；
0
τ
0
γ
0
Q；V；n
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粘度 Viscosity
同义名称：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
1泊 = 100cp = 100mPa.s = 1dyn.s/cm2=0.1Pa.s
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几何意义
γ
A
τ
A
1
B
2
0
τ
A.流变曲线上某点与原点相连直 线斜率的倒数
ηA = 1/tg = τA / γA 越大，η越小
图中： ηA < ηB
1
B
2
0
γ
B.流变曲线上某点与原点相连直 线的斜率
ηA = tg = τA / γA 越大，η越大 图中： ηA > ηB
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漏斗粘度 Funnel Viscosity
第三章、钻井液的流变性
Chapter 3 The Rheology of Drilling Fluids
本章要求重点掌握： 1. 几种流型的概念和数学模型。 2. 流变参数的胶体化学性质。 3. 流变性测量原理和流变参数直读公式。 4. 钻井液流变性与钻井工程的关系。 5. 钻井液流变性能的调节与维护。
流变模式： τ = Kγn
流变曲线：过原点凸向切应力轴的曲线。 流变参数： 稠度系数 K
r
n﹥1
意义：反映流体的粘滞性。K越大，流体越难流动。
单位：dyn.sn/cm2 流型指数 n
n﹤1
意义：偏离牛顿流体的程度。
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；反之，
越小。剪切应力
内摩擦力
单 位： τ= F/A = dyn/cm2；Pa。
1Pa =1N/m2= 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。
牛顿流体
塑性体
流体
粘性流体非牛顿流体 与与时时间间有无关关的的流流 震 触膨 假体体 凝 变塑 胀体 体性 体
粘弹性流(τ体~ f(γ ，η ，t，法向应力—）非牛顿体
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二、流体分析
对流体研究对象的基本假设：
连续介质 均质性 不可压缩性 层流
13
1、牛顿内摩擦定律与牛顿流 体
பைடு நூலகம்
牛顿内摩擦定律
点的流速，其大小、方向都在进行着不规则的、连续的变化。
塞流
层流
紊流
3
2. 基本概念（预备知识）
剪切速率 Shear Rate 同义名称：速梯、剪率、切变率，流速梯度。
常用符号：γ、D、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。
（1）流变特性与时间无关的非牛顿流体
特点： τ与γ呈单值对应关系。
γ
塑性流体 Plastic Fluids
塑性体
数学模型： τ = τ0 +ηs γ 宾汉模型
流变曲线：有截距的直线。
流变参数：
动切应力 Yield Stress 同意名称：屈服值、屈服点。
0 τ0 τs
τ
定 义：流体开始呈现层流流动时所需要的剪切应力。
立之间的流动。 如：流体刚开始流动时；管道横断面变宽、变窄处。
2
稳定流动类型的变化
塞流 Plug Flow---流体象塞子一样流动，流速为常数.
稳定流 层流 Laminar Flow---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 Turbulent Flow---流体内形成无数小旋涡。任一定
• 优点：
– 简单易行
• 缺点：
– 测定过程中流速梯度在变化 – 没有考虑流体密度的影响
10
剪切稀释性
—— 钻井液的有效粘度随剪切速率增加而降低的 现象。
特点：剪切速率是变量；粘度是变量。 可用YP/PV ,n, Im等来表征。
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第二节、
基本流型及其分析
一、流体分类
根据“应力 — 应变（流动）（ τ~γ）”关系，将流体 分为：
或者 η= ηs+ 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 ηs 能够反映出钻井液的极限粘度。 缺点：
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.
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假塑性流体 Pseudoplastic Fluids
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
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漏斗粘度反映流变性的优缺点