钻井液流变模式确定
深水条件下气制油合成基钻井液流变性和流变模式研究
件下 ， 高剪切速率 时气 制油合成基 钻井液 的剪切应 力
随 着 压 力 的 升 高 而 增 加 且 增 加 幅 度 越 来 越 大 ； 剪 切 低 速 率 下 剪 切 应 力 受 压 力 的影 响 较 小 。
表 ｌ 低 温 条 件 下 （ ℃ ） 制 油 合 成 基 钻 井 液 流 变数 据 ４ 气
Ａｂ ｔ ａ ｔ ｎ ｄｅ ｐ ｔ ｒ ｄｒｌｉ ｇ，ｔ ｃ ｌｅ ｅ ｏ ｓｒ ｃ ：Ｉ ｅ ｗａ ｅ ｉｌｎ ｈｅ ｈａ ｌｎｇ ｓ ｆ
ｄ ｉｌｎ ｌ ｉ ａ ｅ ｒ ｏ ｅ ｅ ｐｅ ａ ｕｒ ｎｄ ｈｉ ｒｌｉ ｇ ｆｕ ｄｓｆ ｃ ｄ ａ ｅ ｌ ｗ ｒｔ ｍ ｒ ｔ ｅａ ｇｈ ｐ ｅ ｓ ｒ ． Ｒｈｅ ｏ ｉａ ｏ ｒ ｙ ａ ｏｄ ｌｏ ｒｓｕｅ ｏｌ ｇ ｃ ｌｐｒ ｐｅ ｔ ｎｄ ｍ ｅ ｆ ＧＴ Ｌ ｂ ｓ ｄ ｄ ｉｌｎｇ ｆｕｉ ｒ ｔ ｄｉｄ ｉ ｂ ａ ｏｒ ． Ｔｈｅ ａ ｅ ｒｌｉ ｌ ｄ ａ ｅ ｓ ｕ ｅ ｎ Ｌａ ｏｒ ｔ ｙ ｅ ｐ ｒｍ ｅ ｔ ｌｒ ｓ ｔ ｈｏ ｅ ｈａ ｎ ｌ ｗ ｅ ｅ ｐ ｒ — ｘ ｅ ｉ ｎ ａ ｅ ｕｌｓｓ ｗ ｄ ｔ ｔｉ ｏ ｒｔ ｍ ｅ ａ ｔｒ ｕ ｅ， ｔ ｈ ａ ｔ ｅ ｓ ｎ ｒ ａ ｅ ｉｈ ｈｅ ｉ ｒ ａ ｅ ｈｅ ｓ ｅ ｒ ｓ ｒ ｓ ｉ ｃ ｅ ｓ ｄ ｗ ｔ ｔ ｎｃ ｅ ｓ ｏｆｐ ｅ ｓ ｒ ｔ ｈｉ ｈｅ ｒ ｒ ｔ ｒ ｓ ｕ ｅ ａ ｇｈ ｓ ａ ａ ｅ， ｗｈｉｅ ｔ ｅ ｐ ｅ ｓ ｅ ｌ ｈ ｒ ｓ ｕｒ ｈ ｄ １ｔｌ ｎｆｕ ｎ ｅ ｏ ｈ ａ ｔ ｅ ｓ ｔ ｏ ｅ ｈｅ ｒ ａ ｉｔｅ ｉ ｌ ｅ ｃ ｎ ｓ ｅ ｒ ｓ ｒ ｓ ａ ｌ ｗ ｒ ｓ ａ ｒｔ ａ ｅ；ｔ ｅ ａ ａ ｅ ｉ ｃ ｓ ｔ ｎｄ ｐｌ ｓ ｉ ｉｃ ｓｔ ｎ ｈ ｐｐ ｒ ｎｔｖ ｓ ｏ ｉｙ ａ ａ ｔｃ ｖ ｓ ｏ ｉｙ ｉ — ｃ ｅ ｓ ｄ ｗ ｉｈ ｔ ｎ ｒ ａ ｅｏｆｐｒ ｓ ｕ ｅ ａ ｄ ｄ ｃ ｅ ｓ ｄ ｒ ａ ｅ ｔ ｈｅ ｉ ｃ ｅ ｓ ｅ ｓ ｒ ｎ ｅ ｒ ａ ｅ ｗｉｈ ｔ ｎｃ ｅ ｓ ｅ ｐｅ ａ ｕ ｅ ｔ ｍ ｐ ｒ ｔ ｒ ｎｄ ｔ ｈｅ ｉ ｒ ａ ｅ ｏｆｔ ｍ ｒｔｒ ； ｅ ｅａｕｅａ ｐｒ ｓ ｕ ｅ ｈａ ｉｔｅ ｅ ｆ ｃ ｓ ｏ ｅ ｄ ｐｏ ｎ ， ｗ ｈ ｃ ｅ ｓ ｒ ｄ ｌｔｌ ｆｅ ｔ ｎ ｙｉｌ ｉ ｔ ｉ ｈ ｂｅ ｐｒ ｐ ｔｏ ｏ ｃ ｎｔｏｌｄ ｗ ｎ ｈ ｅｐｒ ｓ ｕ ｅ Ｒｈｅ ｏｇ ｏ ｉｉ ｕｓ ｔ ｏ ｒ ｏ ｏｌ ｅ ｓ ｒ ． ｏｌ — ｉ ａ ｃ ｖ ｅ ｒ ｓ ｅ ｒ ｓ ｔ ｓ ｗ ｅ ｔ ｔ ｃ ｌ ｕｒ ｅ ｒ ｇ ｅ ｓ ｄ ｅ ｕｌｓ ｈｏ ｄ ｈａ Ｂｉ ｇｈ ｍ ｎ ａ
基于遗传算法的钻井液流变模式参数计算
第１ 期
天 然 气 勘 探 与 开 发
的繁殖、 变异 、 竞争等方法进行 的信息交换优胜劣汰 ， 从 而一步步逼近问题最优解 的一种方 法 Ｊ 。通过模
可随机产生 ， 称为进化第一代。 （ ３ ） 遗传操作
拟 自然进化过程搜索最 优解 的方法可广泛应用于参
数的最优化拟合 。 假设实测数据为（ ｙ ， ， ． ｒ ） ， （ ｙ ： ， ： ） …， （ ， ． 『 ） ，
遗传算法是对群体的反复迭代操作 ， 因此需要建 立一个初始 的迭代群 体 ， 群体 的大小视具体 问题而 定， 对较小 的优化问题可选择 １ ０— ２ ０个个体 ， 而复杂
一
使用 Ｍ Ａ Ｔ Ｌ Ａ Ｂ中的 Ｇ Ａ Ｔ Ｏ Ｏ Ｌ 工具箱 进行遗传 算法迭代计算 。Ｇ Ａ Ｔ Ｏ Ｏ Ｌ工具箱中的参数选择为： 以 最小二乘 目 标 函数 （ ６ ） 、 （ ７ ） 、 （ ８ ） 为适应度 函数 ； 各模
其中 ｍ为实测数据个数 。为找到适合的参数使得拟 合 出的模式曲线与实测数据的误差最小 ， 可对三个流
变模式分别构造最ｄ ＂ －乘 目 标 函数 ：
（ １ ） 幂律 模 式 ：
ｋ ， ｎ ） ＝ｌ ∑（ 一 ）
（ ２ ） 宾汉 模式 ：
ｍ ，
（ ６ ）
两个个体的部分结构加 以替换 ， 重组而产生新个体 。 交叉操作一般要求既不要太多地破坏种群 中的优 良 个体模式 ， 又要能够有效地产生一些较好 的新个体模 式 。变异操作的主要 目的是改善算法的局部搜索能 力， 并维持群体的多样性 ， 防止出现早熟现象 。
对优 化 问题解 空 问进行 编 码 ， 也就 是将 解空 间 的
使用（ ２ ） 、 （ ４ ） 、 （ ５ ） 三式分别对聚合物、 聚合醇、 正 电胶和油基 的流变模式进行线性拟合 ， 得到它们相对
钻井液流变模式的探讨
钻井液流变模式的探讨大家好，在这里我将要介绍钻井液的流变模式。
钻井液流变模式是指利用力学测试机构测量钻井液的物理属性，如流变性、粘度等，以获得对钻井液的物理性质的准确的理解。
钻井液的流变模式可以帮助我们了解钻井液的流动性、粘滞性及其他物理性质，以便更好地控制钻井过程中的流体性能。
钻井液流变模式可以分为许多种，如斯托克斯模式、威尔逊模式、完全稠度模式、速度模式等。
斯托克斯模式是以斯托克斯准则（即一定的比粘度特性）测得的一种流变模式，它可以用来测量溶液或悬浮液的高粘度物质与低粘度物质之间的关系。
威尔逊模式是基于威尔逊-穆斯塔夫定律（即一定的比粘度模型）测得的一种流变模式，它可以用来测量低粘度物质与高粘度物质之间的关系。
完全稠度模式可以用来测量悬浮液的稠度特性，它可以更准确地测量钻井液的流动性。
而速度模式是基于物体在钻井液中的移动情况测量出的，它可以有效的测量钻井液的流动性。
钻井液的流变性是维持钻井液在井喷中稳定流动的重要因素，因此对钻井液流变模式的准确测量十分重要。
为此，现代科技成果发展了多种检测钻井液流变模式的仪器和仪表，来获得准确的测量结果，使流变性受控，以达到更好的钻井效果。
钻井液的流变模式的准确测量不仅有助于确定处理钻井液的最佳方法，而且还可以帮助我们更好地理解钻井液的物理性质，进而推动钻井技术的改进。
综上，钻井液的流变模式是钻井过程中十分重要的一部分，它可以帮助我们了解钻井液的流动性、粘滞性及其他物理性质，以保证钻井过程中流体性能稳定，达到更好的钻井效果。
同时，现代科技成果也发展出许多检测仪器，以辅助更准确地测量流变模式，为钻井技术的改进提供依据。
本文就介绍了钻井液流变模式的基本情况，以及流变模式准确测量与钻井技术改进之间的关系。
希望大家更好地理解钻井液流变模式，从而推动钻井技术的进步发展。
谢谢大家！。
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
第三章 钻井液的流变性
可以利用低、中剪切区的测定结果预测高剪切速率下的流 变 特性。
第二节 基本流型及其特点
1、流变曲线 τ1/2
γ1/2
第二节 基本流型及其特点
2、卡森模式
τ 1/2 = τc1/2+ η ∞1/2γ1/2 式中： τc -------卡森动切力(卡森屈服值)，Pa；
1、塑性流体流变参数计算
p
600
300
600
300
0.511( 600 ) 300
1022 511
( 600 ) 300 10-3
600
300
Pa·S mPa·S
第三节 流变参数测量与计算
0 p
600
η ∞ -----极限高剪切粘度（水眼粘度），mPa·s (1)卡森动切力τc
物理意义：反映钻井液网架结构的强弱
影响因素与调整：同τ0 (1)极限高剪切粘度η ∞
物理意义：反映钻井液内摩擦力的强弱
影响因素与调整：同η p
第二节 基本流型及其特点
四、流型判断 1、作图法
（1）多点测试（ τ， γ） （2） 分别以τ和 γ为坐标轴绘图
线
第四节 钻井液流变性与钻井的关系
层流携岩特点 1、对井壁冲刷作用小，
有利于井壁稳定 2、存在“转动靠壁”现象，
携岩效率低
F3 F4
F1 F2
第四节 钻井液流变性与钻井的关系
2、紊流及其携岩特点
紊流特点
流体质点作无规则运动 流速大、速梯小 速度剖面扁平
层流携岩特点 1、无“转动靠壁”现象，携岩效率 高 2、对井壁冲刷作用大
钻井液流变参数计算新方法及流变模式优选
钻井液流变参数计算新方法及流变模式优选李琪;王涛;滕藤;李二洋;白磊【摘要】钻井液流变参数的准确计算和流变模式的优选是钻井液优化设计及钻井水力学计算的前提.针对常用的4种流变模式,分析了流变参数的常规算法及回归分析算法;利用0.618法非线性回归分析计算出了幂律模式和赫巴模式的流变参数,分析比较了钻井液流变模式的4种优选方法,得出拟合残差平方和方法为最有效的优选方法;开发了钻井液流变模式优选软件,可输出各流变模式的流变参数及最优流变模式,并结合实测数据进行了实例分析.【期刊名称】《西安石油大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2015(030)002【总页数】5页(P84-87,92)【关键词】钻井液;流变模式;流变参数;回归分析;软件开发【作者】李琪;王涛;滕藤;李二洋;白磊【作者单位】西安石油大学石油工程学院,陕西西安710065;西安石油大学石油工程学院,陕西西安710065;西安石油大学石油工程学院,陕西西安710065;西安石油大学石油工程学院,陕西西安710065;长庆油田采油一厂,陕西延安716029【正文语种】中文【中图分类】TE28钻井液是钻井工程的血液，在钻井过程中，钻井液的流变性可影响钻速、泵压、排量、钻井液的当量密度、岩屑的携带与悬浮以及固井质量等，直接关系到钻井安全和成本[1]。
因此，控制钻井液的流变性非常重要。
国内外学者先后提出了多种流变模式来描述钻井液的流变性，如幂律模式、宾汉模式、卡森模式及赫巴模式等。
不同流变模式的提出也带来了一个问题：对于某一给定的钻井液体系和配方，如何选择一种最适合的流变模式来描述其实际流变性。
虽然在常规井眼，钻井液的近似模拟对水力计算不会造成太大误差，但对一些特殊井眼，如小井眼，随着环空间隙的减小，环空压降对流变模式的选择变得相当敏感[2]。
另外，随着工程技术理论实践和计算机技术的发展，高效、科学、安全的钻探必须依托精确的流变参数。
因此，钻井液流变模式的优选及流变参数的计算就显得极为重要，其对评价钻井液性能、优选钻井水力参数及安全钻井等均具有重要意义。
钻井液和完井液化学—第三章 钻井液的流变性
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
0 p
此式即是塑性流体 的流变模式，该式常称 τ 为宾汉模式，并将塑性 流体称为宾汉塑性流体。
0
τ
τs
γ
塑性流体机理分析
塑性流体表现上述流动特性是与它的内部结 构分不开的。例如．水基钻井液粘土颗粒表面的 性质(带电性和水化膜)极不均匀，可能出现如图 3—5所描述的三种不同连接方式，即面—面、 端—面和端—端连接，从而形成空间网架结构。
塑性流体机理分析
τ
随着结构拆散程度增大，拆散速度逐渐减小， 结构恢复速度相应增加。因此，当剪切速率增至一 定程度，结构破坏的速度和恢复的速度保持相等 τ0 (即达到动态平衡)时，结构拆散的程度将不再随剪 τs 切速率增加而发生变化，相应地粘度也不发生变化。 该粘度即钻井液的塑性粘度。因为该参数不随剪切 γ 应力和剪切速率而改变，所以对钻井液的水力计算 是很重要的。
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等 均屑于假塑性流体。其流变 曲线是通过原点并凸向剪切 应力轴的曲线。 这类流体的流动特点：施 加极小的剪切应力就能产生 流动，不存在静切应力，它 的粘度随剪切应力的增大而 降低。
切应力继续增大，并超过τs时，塑性流体不能均 匀剪切，粘度随切应力的增加而 降低，即图中曲线段；继续增加 τ 切应力，粘度不随切应力的增加 而降低，图中直线段； 塑性粘度（ p 或PV）：不 随切力或流速梯度改变的粘度。 动切力（YP）：直线段延长 线与切应力的交点（τ0）为动 切应力或叫屈服值。
钻井液与完井液化学
第三章 钻井液的流变性
第三章 钻井液的流变性
钻井液的流变性是指钻井液流动和变形的特性。
钻井液完井液化学3、4章详解
漏斗粘度 Funnel Viscosity
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
1. 有效粘度（视粘度）
定义： η= τ/ γ 意义：钻井液作层流流动时，有效粘度等于以下四部分内摩擦力的微 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；
固相结构 ~ 液相分子间内摩擦阻力；
几种流体（模式）表示的有效粘度： 宾 汉 体：η= ηs+ τ0/ γ
28
影响因素（类似于静切力）： 单个链环的强度—— 颗粒间引力—— 电位、水化膜 厚度。 结构链环数目/单位体积（结构密度）—— 颗粒浓度、 分散度。 调整方法： 升τo—— 提高 c、分散度，降低 及水化膜厚度，加增 粘剂。 降τo—— 冲稀、加降粘剂拆结构。
29
二、钻井液的粘度
16
真实泥浆与不同流型的比较
r
钻井液 假塑性流体 宾汉流体 0 s 0
17
假塑性流体 Pseudoplastic Fluids 流变模式： τ = Kγn 流变曲线：过原点凸向切应力轴的曲线。
r
流变参数： 稠度系数 K 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 0 意义：偏离牛顿流体的程度。 模式讨论 τ = Kγn 或者 η= Kγn-1 γ 0， τ 0 不符合大多数钻井液具有屈服应力的特点。 γ ，η 能够反映钻井液的剪切稀释性。 γ， η 0 无极限粘度，不符合钻井液情况。
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
恒流变合成基钻井液流变模式与流变性
ｔ
ｏ ／ ｎ
一
，
当Ｒ ￣２ ０ １＂ 环空 为层 流 ，层流压耗 为 ：Ａｆ ｖ Ｌ ｅ １０ ｖ ＜ ｔ， ｊ ｐ＝ ４ ８－ ｐ 当Ｒ ￣２ ０ 时 ， ｅ １０ ＞ 环空 为紊流 ，紊流 压耗 为 ：
线性 回归方 法 ：实 验所 获得 的 若干 数据 可记 为 ： （ ． ， Ｘ，Ｙ），
３２ 分 析ＹＰ、Ｐ ． Ｖ对 Ｅ Ｄ的 影 响 Ｃ
其中 ｔ＝ｏ＇ ｌ ｋ， ．ｌ ￣ ｇ ，ｔ ＝ ｏ ｇ
实例 ：３ ９ ｍ 套管 下深３ ０ ３． ｍ ７ ０ ｍ， 直径２ ５ ｍ １ ． ｍ，钻深３ ０ ｍ，钻 ９ ００
卡森模式 ： “ ＝ Ｉ １￣ 化 为 ｌ ｔ “＋ｘ ／”， ￣２ ｔ ＋
恒 流变 合成 基 钻 井液 基 本 配 方为 ：特 种 油 ：２ ％Ｃ Ｃ ０ ａ１ 水溶 液 ＝ ５ １＋ ． 主 乳 ＋ ％辅乳 ＋ ． ８： ５１ ％ ５ ｌ ０ ％润 湿 剂 ＋ ％有 机 土 ＋ ％降 滤 失 剂 ８ ３ ３ ＋ ％ ａ ＋ ％流 型调节 剂＋ 晶石 （ ２ Ｃ０ １ 重 加重 到 １ ６ ／ ： ． ｇ ｍ￣ １ ｃ ），基 本参 数如 表ｌ 所示 。
研 究方 向
论 文数量 （ ） 篇
比 例
教 学 岳想 与改 革 英语 教 材 、教学 模 式 教 学手 段 与测 试
３ ４ ２ ６
３ ％ ４ ％ ２％ ６
课 堂教 学 、教 参
听 力与 口语 音 标与 词ｊ １ ２ 阅读 与文化 知 识
４ ７
０ １ ７ ３
赫巴模式 ： ＝ ｋ“， Ｔ ｔ ＋ ｙ 化为 ｔ＝ ＋ ｌ Ｉ７ ，其中Ｔ：ｏ（ ＇） ｘ ｌ ｘｒ， ｇ －
钻井液流变性
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。 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：10~20s-1 环形空间：50~250s-1 钻杆内部：100~1000s-1 钻头水眼：1000~7000s-1
第三章
Chapter 3
重点：
钻井液的流变性
The Rheology of Drilling Fluids
1. 流变性概念、钻井液流变模型、流变性计算
2. 流变参数及实际调整
3. 流变性与钻井关系
1
1
第一节
钻井液的流动类型和基本概念
1. 流动类型
塞流 层流 紊流
Plug Flow Laminar Flow Turbulent Flow
1
0
τc
τ
卡森流体流变曲线
17
宾汉模式的局限性：
适合在中剪切速率 范围描述钻井液的流变性。
幂律模式的局限性： 适合在低、中剪切速率 范围描述钻井液的流变性.
卡森模式：
卡森(Casson)模式是1959年由卡森首先提出的，最初主要 用于油漆、颜料和塑料等工业中。1979年，美国人劳增 (Lauzon)和里德(Reid)首次将卡森模式用于钻井液流变性 的研究中。 卡森模式不但在低剪切区和中剪切区有较好的精确度， 还可以利用低、中剪切区的测定结果预测高剪切速率下的 流变特性。
流变曲线： γ1/2-τ1/2 作图，为一条直线。
r1/2
γ -τ作图，为直线与曲线之和。
模式讨论 τ1/2 = τc1/2 + η1/2 γ1/2
实验一 水基钻井液配制及其流变性质的测定
实验一水基钻井液配制及其流变性质的测定一、原理阅读《钻井与完井工程》第三章和本指导书。
二、实验目的要求1、了解和掌握钻井液的配制过程及方法，学会按所需比重配制一定量的水基钻井液。
2、了解测定钻井液常规性能的各种仪器的测定原理，正确掌握测定钻井液常规性能的仪器设备的使用方法。
3、掌握四种常用流变模式的流变曲线绘制及流变参数的测定。
三、实验仪器及药品六速旋转粘度计、泥浆比重计和漏斗粘度计、电动搅拌机等各一台，搪瓷量杯、药物天平、安丘土、纯碱等。
四、实验内容与测定方法(一)水基钻井液的配制钻井液(泥浆)的种类很多，通常分为两种基本类型：即水基钻井液和油基钻井液。
油基钻井液是以柴油(或原油)作分散介质，水及有机土或其他的亲油粉末物质作分散相，加乳化剂等处理剂配制而成；水基钻井液是以水为分散介质，其基本组分是粘土(搬土)、水、和化学处理剂，这类钻井液发展最早，使用最广泛。
我们这里所要配制的钻井液只是其中一种最基本、最简单的水基钻井液，即般土原浆。
它的配制要点是在选定粘土的基础上，加入适量纯碱或其它处理剂，以提高粘土的造浆率。
纯碱的加量依粘土中钙的含量而异，可通过小型实验求得，一般不超过泥浆体积的1%。
加入纯碱的目的是除去粘土中的部分钙离子，使钙质膨润土转化为钠质膨润土，从而提高它的水化分散能力，使粘土颗粒分散得更细。
Ca(土)＋Ｎa２CO３=Na(土)＋CaCO３。
因此，原浆加纯碱一般呈现粘度增大，失水量减小；如果随着纯碱加入失水量反而增大，就说明纯碱加过量了。
有的粘土只加纯碱还不行，需要加少量烧碱，其作用是把粘土中氢质土转化为钠质土。
计算出配制密度为1.05的水基钻井液1000ml所需膨润土重量(一般常用的是安丘土，密度为2.20g/cm３），用药物天平称取所需安丘土。
其计算公式如下：W土——配浆所需的膨润土粉重量 g；γ浆——所配钻井液的密度 g/cm３；γ土——安丘土粉的密度 g/cm３；V浆——需配制的钻井液体积 ml。
钻井液工艺原理3-钻井液流变性
• PV与YP是塑性型钻井液的两个重要流变参数，它们直
接影响流阻、压降、水力功率的大小及井眼净化的程
度。
• 测量方法：用旋转粘度仪测φ600、φ300读值。
PV=φ600-φ300
mPa· s
1
36
4. 假塑性体的 n、k
1
1
第一节
钻井液的流动类型和基本概念
1. 流动类型
塞流 层流 紊流
Plug Flow Laminar Flow Turbulent Flow
1
2
塞流：流体象塞子一样流动，流速为常数。 层流：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：流体内形成无数小旋涡。任一定点的流速，其大小、方向都 在进行着不规则的、连续的变化。
τs =1000 d(岩- 浆）/6 = 1000 d ( 岩- 浆）/ 6 =1000×0.01×(4.2-1.2) / 6 2 = 5 (mg/cm )
1
29
2. 动切应力τ0（YP）
定义：钻井液开始作层流流动时，必须要的最小剪切应力。 实质：层流流动时，流体内部结构一部分被拆散，另一部分 重新恢复。当拆散与恢复速度相等时，保留的那部分 内部结构所产生的剪切阻力。 τ0与τs的区别： τ0为塑性流体特有的性质，反映钻井液作层流流动时， 粘土颗粒之间及高聚物分子之间的相互作用力 τo是 常量，不随速度梯度变化，体系定它则定 τs为静止条件下固体颗粒之间吸引力的量度 影响因素（类似于静切力）
②最终切力要适当（防止开泵阻力大，压力激动）
1
24
1
25
第三节
1. 静切力τs
钻井液流变参数
定义： 钻井液静止后形成的凝胶结构强度。
钻井液从静止到开始塞流流动所需要的最小剪切应力。
钻井液优选流变模式
钻井液优选流变模式王福云摘要:钻井液流变模式的合理选择和流变参数的准确计算是钻井液优化设计的前提。
文中利用范式六速旋转粘度计对石油钻井液4种流变模式：幂律模式、宾汉模式、卡森模式以及带屈服值的幂律模式进行对比和分析，并对钻井液流变模式进行优选的4种方法，即流变曲线对比法、剪切应力误差对比法、相关系数法和灰色关联分析法做了详细的阐述。
关键词:流变模式;钻井液;水力参数;流变曲线; 灰色关联分析法前言在钻探工作中，合理设计的钻井液是钻探工作成功的重要条件。
钻井液体的流变性能变化范围很大，不是一两种流变模式所能涵盖的，而不同的流变模式所诠释的流变性能不同，其流变参数也不一样。
钻井液流变模式的优选不仅对于准确计算流变参数至关重要，而且对于评价处理剂性能、优选钻井水力参数、分析研究井内净化和井壁稳定等均具有重要作用。
目前，广泛采用的钻井液流变模式有幂律模式、宾汉模式、卡森模式以及带屈服值的幂律模式。
在研究钻井液或处理剂的流变特性时，习惯做法是用六速旋转粘度计检测其在600、300、200、100、6、3rpm 时的读数，然后绘制流变曲线，这样得出的流变曲线精度不高，而且不能定性的表达与各种流变模式的拟合程度。
相关文献和实测现象均表明，6、3rpm 的数据因旋转粘度计内外筒环的液体呈塞流流动而不准确，这一点对高密度钻井液尤其突出，因此不能保留其直接的读数值。
本文分别介绍和分析了对流变模式进行优选的四种方法：曲线对比法、剪切应力误差对比法、相关系数法和灰色关联分析法。
一、4种钻井液流变模型标准API中仅给出了幂律流体与宾汉流体水力参数的计算方法，这两种模式也是目前钻井界最常见的流变模式。
幂律流体（Power-Law Fuild，简称PL）服从指数规律。
聚合物钻井液一般属于这种类型。
宾汉流体（Bingham Fulid，简称BF）又称塑性流体，大多数钻井液并不是完全是宾汉型或幂律型，而恰恰是介于二者之间。
1926年，Herschel和Bulkley提出了带屈服值的幂律模式（HB 模式）。
钻井液流变模式的确定
钻井液流变模式的确定中国⽯油⼤学（钻进液⼯艺原理）实验报告实验⽇期： x 成绩：班级： x学号： x姓名： x教师：x同组者： x实验⼀钻井液流变模式确定实验⼀.实验⽬的1. 掌握六速旋转粘度计的应⽤⽅法。
2. 掌握如何判断钻井液的流型及对应流变参数的计算⽅法。
3. ⽐较各流变模式与实际流变曲线的吻合程度，弄清各种模式的特点。
4. 掌握钻井液增粘剂及降粘剂对钻井液流变性的影响。
⼆.实验原理1. 旋转粘度计⼯作原理电动机带动外筒旋转时，通过被测液体作⽤于内筒上的⼀个转矩，使与扭簧相连的内筒偏转⼀个⾓度。
根据⽜顿内摩擦定律，⼀定剪功速率下偏转的⾓度与液体的粘度成正⽐。
于是，对液体粘度的测量就转换为内筒的⾓度测量。
2. 流变曲线类型、意义。
流变曲线是指流速梯度和剪切应⼒的关系曲线。
根据曲线的形式，它可以分为⽜顿型、塑性流型、假塑性流型和膨胀性流型。
为了计算任何剪切速率下的剪切应⼒，常⽤的⽅法是使不同流变模式表⽰的理想曲线逼近实测流变曲线，这样，只需要确定两个流变参数，就可以绘出钻井液的流变曲线。
⽜顿模式反映的⽜顿液体，其数学表达式为：宾汉模式反映的是塑性液体，其数学表达式为：指数模式反映的是假塑性流体，其数学表达式为：卡森模式反映的是⼀种理想液体，其数学表达式为：实际流变曲线与那⼀种流变模式更吻合，就把实际液体看成那种流型的流体。
三、实验仪器及药品实验仪器：ZNN-D6型旋转粘度；⾼速搅拌器。
实验药品：增粘剂KPAM；降粘剂XY-27或SD-202。
四．仪器使⽤要点1.检查好仪器，要求；①刻度盘对零。
若不对零，可松开固定螺钉调零后在拧紧。
②检查同⼼度。
⾼速旋转时，外筒不得有偏摆。
③内筒底与杯距不低于1.3cm。
2.校正旋转粘度计①倒350m1⽔于钻井液杯中，置于托盘上，上升托盘，使液⾯与外筒刻度线对齐，拧紧托盘⼿轮。
②迅速从⾼速到低速依次测量。
待刻度盘读数稳定后，分别记录各转速下的稳定读数￠.要求：? 600=2.0格,? 300=1.0格。
钻井液流变模式的优选与评价
＝丁 ｏ＋２（ Ｊ 『 ０ Ｋ） ｎ
１ ． ３ ． ８ Ｓ ｉ ｓ ｋ ｏ模 式
＋
（ ７ ）
２ ． １ ． ３ 线性 回 归分析 方法
此方法 就 是 使 用 实 验 数 据 流 变 模 式 的参 数 进
（ ８ ）
（ ３ ） 便于计算流变参数和流动压降。
１ ． ３ 现有 非牛 顿流体 钻 井液 的流 变模 式
１ ． ３ ． １ 宾 汉 模 式
＝７ － ０＋ 。 ｙ １ ． ３ ． ２ 幂律 模 式
（ １ ）
１ 非牛顿流体钻 井液 的理论分析
１ ． １ 非 牛顿 流体 的概 念
ｒ＝研 １ ． ３ ． ３ 卡 森模 式 ］
顿流体流动和流变特性 的基础。按照流动时剪切速 率和剪切应力之间的关系 ， 流体可以划分为不 同的流 变模式 。好 的流变模 式应具备基 本条件是 心 ］ ：
（ １ ） 理论 上 比较 完 善 ， 能较 好 地 反 映 钻 井 液 的
流变 特性 。
（ ２ ） 适 用 范 围较 宽 广 ， 对 各 种 类 型 的钻 井 液 都
（ ３ ｊ ）
１ ． ３ ． ４ 赫 巴模 式
＝ｒ ０＋研
１ ． ３ ． ５ Ｒ Ｓ模 式¨
＝
（ ４ ）
第 一作者简介 ： 张晋凯（ １ ９ ８ Ｏ 一） ， 男， 汉族 ， 陕西西安人 ， 中国石油 大
学（ 北京 ） 博士研究生 。研究方 向： 油气井流体力 学与工程 。Ｅ — ｍａ ｉ ｌ ：
有较 好 的适应 性 。
性， 幂律模式也有少量使 用 ， 其他 流变模式 在现场
未见 使用 ， 只是用在实验 室研究 中， 现 场 用 来 评 价 调整 钻井 液 性 能 和 计 算 水 力 学 参 数 的钻 井 液 流 变 性参 数 与 实 际 钻 井 液 流 变 性 参 数 之 间存 在 很 大 误 差， 因此 给钻 井施 工 留下 了安 全 隐患 。
Landmark Wellplan钻井液流变模型选择技巧
Landmark Wellplan选择钻井液流变模型的技巧
在使用Wellplan计算磨阻扭矩的时候，会遇到选择钻井液流变模型，对于没有研究过钻井液体系知识的同志而言，这个地方稍有难度，选择不当会造成计算误差比较大，特别是在钻小井眼的时候，误差可能会达到25%以上。
笔者经过实际应用结合理论，总结了以下经验，希望能够对Wellplan的使用者有所帮助。
一、五种可选流体模型的一般常识
（1）宾汉流变模型Binhanm Plastic
宾汉流体又成塑性流体，膨润土钻井液一般属于此类。
（2）幂律流变模型Power Law
服从指数规律，一般聚合物钻井液使用该流变模型。
（3）赫巴流变模型Herschel-Bulkley
带屈服值得幂律流体模型，属于前两种模型的提点综合体。
（4）广义赫巴流变模型Generalized Herschel-Bulkley
或者叫修正的赫巴流变模型。
一般是只有在泡沫钻井才使用。
（5）牛顿流变模型Newtonia
切应力与剪切速率成正比关系，比如清水。
二、流变模型的选择方法
（1）输入至少3个流变实验数据，如上图右下角所示。
（2）选择流变模型。
（3）观察根据流变模型计算绘制的绿色曲线与实验点（红色X）的吻合程度，选择最吻合的模型即可。
（4）如果钻井液公司或者客户有特殊要求，则听取指令。
第一步输入流变参数
第二步尝试性选择流变
模型
第三步，观察曲
线吻合程度，确
定最佳的模型。
钻井液的流变性
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：
卡森流体
卡森斜率：
1 2
1 2
12 10
1/2 c
C s tg
1
2
1
2
1
2
8 6 4
170.3s-1
θ
1 002s-1
卡森斜率越高，表示泥浆的 剪切稀释作用越好，而值
2 η∞
1
2 0 0.04 0.08 0.12 0.16
·
1 2
等于截距(图5)。
图5 卡森模式图
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。
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。
τs
θ2
· γ
θ1
0图2 塑性流体Fra bibliotek塑性流体
s p
s p
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中国石油大学（钻进液工艺原理）实验报告实验日期： x 成绩：班级： x学号： x姓名： x教师：x同组者： x实验一钻井液流变模式确定实验一.实验目的1. 掌握六速旋转粘度计的应用方法。
2. 掌握如何判断钻井液的流型及对应流变参数的计算方法。
3. 比较各流变模式与实际流变曲线的吻合程度，弄清各种模式的特点。
4. 掌握钻井液增粘剂及降粘剂对钻井液流变性的影响。
二.实验原理1. 旋转粘度计工作原理电动机带动外筒旋转时，通过被测液体作用于内筒上的一个转矩，使与扭簧相连的内筒偏转一个角度。
根据牛顿内摩擦定律，一定剪功速率下偏转的角度与液体的粘度成正比。
于是，对液体粘度的测量就转换为内筒的角度测量。
2. 流变曲线类型、意义。
流变曲线是指流速梯度和剪切应力的关系曲线。
根据曲线的形式，它可以分为牛顿型、塑性流型、假塑性流型和膨胀性流型。
为了计算任何剪切速率下的剪切应力，常用的方法是使不同流变模式表示的理想曲线逼近实测流变曲线，这样，只需要确定两个流变参数，就可以绘出钻井液的流变曲线。
牛顿模式反映的牛顿液体，其数学表达式为：τ=ηD宾汉模式反映的是塑性液体，其数学表达式为：τ=τ0+ηp D指数模式反映的是假塑性流体，其数学表达式为：τ=K×D n卡森模式反映的是一种理想液体，其数学表达式为：τ1/2=τc1/2+η∞1/2D1/2实际流变曲线与那一种流变模式更吻合，就把实际液体看成那种流型的流体。
三、实验仪器及药品实验仪器：ZNN-D6型旋转粘度；高速搅拌器。
实验药品：增粘剂KPAM；降粘剂XY-27或SD-202。
四．仪器使用要点1.检查好仪器，要求；①刻度盘对零。
若不对零，可松开固定螺钉调零后在拧紧。
②检查同心度。
高速旋转时，外筒不得有偏摆。
③内筒底与杯距不低于。
2.校正旋转粘度计①倒350m1水于钻井液杯中，置于托盘上，上升托盘，使液面与外筒刻度线对齐，拧紧托盘手轮。
②迅速从高速到低速依次测量。
待刻度盘读数稳定后，分别记录各转速下的稳定读数￠.要求：Ø 600=格,Ø 300=格。
3.把水换成待测钻井液，重复2。
4.在钻井液中加入增粘剂搅拌10min，重复2。
5.在加入增粘剂的钻井液中加入降粘剂搅拌10min，重复2。
6.实验后，关闭电源，倒出钻井液，洗净内、外筒，擦干装好。
注意：停转后，由于静切力作用，刻度盘可能不回零，此时不需要再调零。
五.实验步骤1.熟悉旋转粘度计的使用方法。
2.检查和校正旋转粘度计。
3.测量钻井液在各剪率下的剪切应力。
六．实验数据处理剪切速率D与粘度计转速n对应关系：D=×n钻井液剪切应力与粘度计读数对应关系：τ=Ø.利用剪切速率D和剪切应力画图，判断钻井液流变模式，计算相应的流变参数，了解钻井液增粘剂和降粘剂对钻井液流变模式和流变参数的影响。
实验原始数据记录见下表，表一项目Ф600Ф300Ф200Ф100Ф6Ф3τs1/Paτs2/Pa基浆13976447×0.51112×0.511基浆+增粘剂3022201612934×0.51150×0.511表一 钻井液流变曲线测定原始数据汇总表由D=×n 以及τ= Φ带入表一数据，处理表一得到表二如下。
项目1021.8510.9340.6170.310.218 5.109τs1/Paτs2/Pa 基浆 6.643 4.599 3.577 3.066 2.044 2.044 3.577 6.132基浆+增粘剂15.3311.24210.228.176 6.132 4.59917.37425.55表二 钻井液流变曲线测定原始数据处理汇总表一、计算“基浆”和“基浆＋增粘剂”的不同流变模式参数以备画图(1)牛顿模式ητ=ηDη=1∅600η基=1∅600=1×13=6.5(mPa∙s)η增粘=12∅600=12×30=15(mPa∙s)对应曲线方程为：τ基=6.5Dτ增粘=15D(2)宾汉模式τ0 ，ηpτ=τ0+ηp Dτ0=0.511(2θ300−θ600)ηp=θ600−θ300τ0基=0.511(2θ300−θ600)=0.511(2×9−13)=2.555(MPa)=2555(mPa)τ0增粘=2θ300−θ600=0.511(2×22−30)=7.154(MPa)=7154(mPa)ηp基=θ600−θ300=13−9=4(mPa∙s)ηp增粘=θ600−θ300=30−22=8(mPa∙s)对应曲线方程为：τ基=2555+4Dτ增粘=7154+8D(3)幂律模式 K ,nτ=K×D nn=3.322lg θ600 300K=0.511θ300 511nn 基=3.322lgθ600θ300=3.322lg139=0.531K 基=0.511θ300511n=0.511×9511n=0.1682n增粘=3.322lgθ600θ300=3.322lg3022=0.447K增粘=0.511θ300n=0.511×22n=0.690对应曲线方程为：τ基=0.1682×D0.531τ增粘=0.69×D0.447(4)卡森模式τc ，η∞τ1/2=τc1/2+η∞1/2D1/2η∞=(1.195(√θ600−√θ100))2τc=(0.493(√6θ100−√θ600))2η∞=(1.195(√θ600−√θ100))2=(1.195(√13−√6))2=1.909(mPa∙s)基=(0.493(√6θ100−√θ600))2=(0.493(√6×6−√13))2=1.3935(MPa)τc基=1393.5(mPa)=(1.195(√θ600−√θ100))2=(1.195(√30−√16))2=3.116(mPa∙s)η∞增粘=(0.493(√6θ100−√θ600))2=(0.493(√6×22−√30))2=4.5374(MPa)τc增粘=4537.4(mPa)对应曲线方程为：1/2=1393.51/2+1.9091/2D1/2τ基1/2=4537.41/2+3.1161/2D1/2τ增粘二、对各个方程曲线画图，完成对比，确定基浆和处理后泥浆流变模式首先将基浆实测曲线和计算所得的4条理论曲线绘于同一坐标系内=6.5Dτ基=2555+4Dτ基=0.1682×D0.531τ基1/2=1393.51/2+1.9091/2D1/2τ基可得下图图1图1 基浆流变模式确定图然后将基浆+增粘剂实测曲线和计算所得的4条理论曲线绘于同一坐标系内，τ=15D增粘=7154+8Dτ增粘=0.69×D0.447τ增粘1/2=4537.41/2+3.1161/2D1/2τ增粘可得下图图2图2 基浆+增粘剂流变模式确定图观察图1图2课容易观察得，基浆满足宾汉模式，基浆+增粘剂同样满足宾汉模式。
以下将采用方差分析法进行准确识别(1)对基浆曲线进行方差分析计算理论曲线上的各数据点值，以备方差分析使用，数据汇总如下见表三表三 基浆流变曲线方差分析数据汇总表项目1021.8510.9340.6170.310.218 5.109基浆τ/mPa664345993577306620442044牛顿模式τ/mPa6641.73320.852213.91106.9566.41733.2085宾汉模式τ/mPa6642.24598.63917.43236.22595.872575.44幂律模式τ/mPa6664.994612.673719.192573.96577.829399.901卡森模式τ/mPa6641.54700.413947.453064.751742.741636.41对以上数据进行方差分析，计算各个曲线与实测曲线的方差，可得结果见表四由表四数据可知，卡森模式理论曲线与实测曲线方差为，最小，所以基浆流变模式为卡森模式。
(2)对基浆+增粘剂曲线进行方差分析计算理论曲线上的各数据点值，以备方差分析使用，数据汇总如下见表五对以上数据进行方差分析，计算各个曲线与实测曲线的方差，可得结果见表六由表六数据可知，卡森模式理论曲线与实测曲线方差为，最小，所以基浆+增粘剂流变模式为卡森模式。
三、钻井液增粘剂对钻井液流变模式和流变参数的影响1、由此实验现象可知，增粘剂对流变模式没有造成影响，添加处理剂前后流变模式没有变化。
2、添加增粘剂对流变参数有很大影响，流变参数化对比列举如下：η基=1∅600=1×13=6.5(mPa∙s)η增粘=12∅600=12×30=15(mPa∙s)τ0基=0.511(2θ300−θ600)=0.511(2×9−13)=2.555(MPa)=2555(mPa)ηp基=θ600−θ300=13−9=4(mPa∙s)τ0增粘=2θ300−θ600=0.511(2×22−30)=7.154(MPa)=7154(mPa)ηp增粘=θ600−θ300=30−22=8(mPa∙s)n 基=3.322lgθ600300=3.322lg13=0.531K 基=0.511θ300n=0.511×9n=0.1682n增粘=3.322lgθ600θ300=3.322lg3022=0.447K增粘=0.511θ300511n=0.511×22511n=0.690η∞基=(1.195(√θ600−√θ100))2=(1.195(√13−√6))2=1.909(mPa∙s)τc基=(0.493(√6θ100−√θ600))2=(0.493(√6×6−√13))2=1.3935(MPa) =1393.5(mPa)η∞增粘=(1.195(√θ600−√θ100))2=(1.195(√30−√16))2=3.116(mPa∙s)τc增粘=(0.493(√6θ100−√θ600))2=(0.493(√6×22−√30))2=4.5374(MPa) =4537.4(mPa)观察可知，加入增粘剂后，各项流变参数数值都有大幅提升,与黏度相关参数大幅提升。