钻井液第3章fuxi

第三章 钻井液流变性 流体基本流型
按照流体流动时剪切速率与剪切应力之间的关系，流体可以划分为不同的类
型，即所谓流型。除牛顿流型外，根据所测出的流变曲线形状，又可将非牛
顿流体归纳为塑性流型、假塑性流型和膨胀流型
符合这四种流型的流体分别叫做
牛顿流体、塑性流体、假塑性流体和
膨胀性流体
1—牛顿流体；2—假塑性流体；3—塑性流体；4—膨胀流体
F
dv r dr
τ
稠液体
稀液体
0
r
8
非牛顿流体
剪切应力与剪切速率不呈线形关系的流体。 （1）流变特性与时间无关的非牛顿流体 γ 塑性体 特点： τ与γ呈单值对应关系。 塑性流体 Plastic Fluids 数学模型： τ = τ0 +ηs γ 流变曲线：在切应力轴有截距的直线。 流变参数： 动切应力 Yield Stress τ 0 τ0 同意名称：屈服值、屈服点。 定 义：流体开始呈现层流流动时所需要的剪切应力。 常用符号： τ0；YP 单 位：dyn/cm2、Pa 几何意义：直线截距的切应力值。
固相含量：固含 ηs ；
分散度：分散度 ηs ； 液相粘度：液相粘度 ηs ；
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第三章 钻井液流变性
常用的流变参数 静切力τs
表示钻井液在静止状态下形成的空间网架结构的强度，凝胶结构强度。 当钻井液静止时，破坏钻井液内部单位面积上的结构所需的剪切力
塑性流体的流动特性中τs是静切应力的极限值，即真实意 义上的胶凝强度。但结构强度的大小与时间因素有关，要想测得 τs，必须花费相当长的时间。API规定用初切力和终切力来表示 静切应力的相对值： 初切力是钻井液在经过充分搅拌后，静臵10秒钟（或1分钟） 测得的静切力（简称为初切）；终切力是钻井液在经过充分搅拌 后，静臵10分钟测得的静切力（简称为终切） 钻井液静切力的主要影响因素有：粘土矿物的类型、含量及 分散度；所选用的聚合物处理剂及其浓度；无机电解质及浓度等。
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。任一定点的
流速，其大小、方向都在进行着不规则的、连续的变化。
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剪切应力 Shear Stress
同义名称：剪应力、切应力。 常用符号：τ 定 意 单 义： τ= F/A = 液层单位面积上的剪切力。 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 位： τ= F/A = dyn/cm2；Pa。 1Pa =1N/m2= 10dyn/cm2
（2-5）
n为流性指数；K为稠度系数，Pa· n。该式为假塑性流体的流变模式，称为 s
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

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第三章 钻井液流变性
常用的流变参数
表观粘度(有效粘度、视粘度）
定义： η= τ/ γ 意义：钻井液作层流流动时，表观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）表示的表观粘度： 宾 汉 体：η= ηs+ τ0/ γ 假塑性体：η= K(γ)n-1 卡 森 体：η= [(η)1/2 +(τ0/ γ）1/2]1/2 塑性流体的表观粘度等于塑性粘度与由动切力和剪切速率所决定的那部分 粘度（即 τ0 / γ)之和
塞 流
层
流
紊 流
4
2. 基本概念（预备知识）
剪切速率 Sh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。 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
四种基本流型曲线
第三章 钻井液流变性 塑性流体-宾汉模式
高粘土含量的钻井液、油漆和高含蜡 原油等都属于塑性流体。与牛顿流体不同， 塑性流体当γ＝0时，τ≠0。也就是说， 它不是加很小的剪切应力就开始流动，而 是必须加一定的力才开始流动，这种使流 体开始流动的最低剪切应力τs称为静切 应力，又称静切力、切力或凝胶强度
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第三章 钻井液流变性 流体基本流型
从牛顿流体的流变方程和流变曲线可以看出，这类流体有如下特点： 当τ>0时，γ >0 ，因此只要对牛顿流体施加一个外力，即使此力很小， 也可以产生一定的剪切速率，即开始流动。此外，其粘度不随剪切速率 的增减而变化。
不遵守牛顿内摩擦定律的流体，称为非牛顿流体。
目前广泛使用的多数钻井液为塑性流体和假塑性流体。
钻井液流变性概念
钻井液流变性是指在外力作用下，钻井液发生流动和变形的
特性，其中流动性是主要的。钻井液的流变性通常用钻井液的流变
曲线和塑性粘度、动切力、静切力、表观粘度、稠度系数、流性 指数等流变参数来描述。钻井液流变性是钻井液的一项基本性能。
钻井液的流变参数还直接用于钻井环空水力学的有关计算。因此，
τ0为层流流动条件下固体颗粒之间吸引力的量度； τs为静止条件下固体颗粒之间吸引力的量度；
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第三章 钻井液流变性
常用的流变参数
在钻井液工艺中，常用动切力与塑性粘度的比值（简称 动塑比）表示剪切稀释性的强弱。
对式（2-7）稍作分析便可发现τ0 / μp的值越大，剪切稀释性越强。 为了能够在高剪率下有效地破岩和在低剪率下有效地携带岩屑，要求钻井 液具有较高的动塑比。根据现场经验和平板型层流流核直径的有关计算， 一般情况下将动塑比控制在0.36～0.48 Pa / mPas是比较适宜的
塑性流体 假塑性流体 牛顿流体 膨胀流体 τs
四种基本流型的曲线 从塑性流体的流变曲线可以看出，当剪切应力超过τs时，在初始阶段剪切 应力和剪切速率的关系不是一条直线，表明此时塑性流体还不能均匀地被剪切， 粘度随剪切速率增大而降低，继续增加剪切应力，当其数值大到一定程度之后， 粘度不再随剪切速率增大而发生变化，此时流变曲线变成直线，即图中直线段。 此直线段的斜率称为塑性粘度μp 。
提纲
第一章 第二章 第四章 第五章 钻井液概论 粘土矿物及胶体化学基础 钻井液滤失造壁性及润滑性 钻井液配浆材料和处理剂
第三章 钻井液流变性
第六章
第七章 第八章 第九章 第十章
水基钻井液
油基钻井液 钻井液固相控制 井下复杂的钻井液措施 保护油气层的钻井液完井液
第十一章
钻井液技术新进展
第三章 钻井液流变性
剪切稀释特性是一种优质钻井液必须具备的性能，因为它既能充分 发挥钻头的水马力，有利于提高钻速，而在环形空间又能很好的携带钻 屑。如果 μa随γ增加而降低的幅度越大，剪切稀释性越强
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第三章 钻井液流变性
常用的流变参数
宾汉体的塑性粘度ηs
定义：层流流动时，流体内部网状结构的破坏与恢复处于动态平衡时，以 下三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； 特点：表示泥浆中固相含量的多少，受絮凝作用的影响不大。反映的是泥 浆在高剪切速率下的流变性。 ηs不随dv/dr变化而变化。 影响因素：
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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。
γ
τ
P；P；
0
τ
0
γ
0
Q；V；n
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牛顿内摩擦定律与牛顿流体
牛顿内摩擦定律 τ=F/A=η(dv/dr) η — 表征流体粘性的比例系数， 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。 特点： η= τ/ γ=C（常数）
应力与剪切速率之比为一常数，而假塑性流
体剪切应力与剪切速率之比总是变化的，即 在流变曲线中无直线段。
图2.3 四种基本流型的曲线
某些钻井液、高分子化合物的水溶液以及乳状液等均属于假塑性流体。其流变曲线是通 过原点并凸向剪切应力轴的曲线。
第三章 钻井液流变性
假塑性流体-幂律模式
假塑性流体服从如下式所示的幂律方程，即
第三章 钻井液流变性 塑性流体-宾汉模式
延长直线段与剪切应力轴相交于一点 τ 0，通常将 τ 0称为动切应力， 又称动切力或屈服值。塑性粘度和动切力是钻井液的两个重要流变参数。
0 p
式中：τ0为动切力，Pa；μp钻井工作流体的塑性粘度， mPa〃s 式Bingham Model，并将塑性流体称为宾汉塑性流体。
K n
式中 幂律模式Power Low Model。n值和K值是假塑性流体的两个重要流变参数 幂律模式和宾汉模式的比较 宾汉模式一直是国内外钻井液工艺中 最常用的流变模式，在中等和较高的剪切 速率范围内，幂律模式和宾汉模式均能较 好地表示实际钻井液的流动特性，然而在 环形空间的较低剪切速率范围内，幂律模 式比宾汉模式更接近实际钻井液的流动特 性。
增加而发生变化，即塑性粘度不随剪切速率发生变化（直线段）
第三章 钻井液流变性
假塑性流体-幂律模式
塑性流体
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。 假塑性流体和塑性流体的区别在于：塑 性流体当剪切速率增大到一定程度时，剪切
假塑性流体 牛顿流体 膨胀流体 τs
（2-3）
此式即是塑性流体的流变模式。因是宾汉首先提出的，该式常称为宾汉模
水基钻井液主要由粘土、水和处理剂所组成。一般情况下，钻井液中的粘 土颗粒都在不同程度上处在一定的絮凝状态。要使钻井液开始流动，就必须施 加一定的剪切应力，破坏絮凝时形成的连续网架结构（曲线段）。这个力即静 切应力，它反映了所形成结构的强弱。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。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，即达到动态平衡时，结构拆散的程度将不再随剪切速率
第三章 钻井液流变性
常用的流变参数
表观粘度和剪切稀释性 塑性流体和假塑性流体的表观粘度随着剪切速率的增加而降 低的特性称为剪切稀释性。
钻井液在不同的位臵，剪切速率不同。
一般情况下，沉砂池处剪切速率最低，大约在10～20 s-1 ，钻具内100～ 1000 s-1；在钻头水眼处，剪切速率高达10，000~100，000 s-1，钻井液变得很 稀；而在环形空间，当剪切速率为50~250 s-1时，钻井液又变得比较稠。
a P
0
（2-7）
第三章 钻井液流变性
常用的流变参数 切力和触变性
所谓钻井液的触变性Thixotropic Behavior ，是指搅拌后钻井液变 稀（即切力降低），静臵后又变稠的这种性质。一般用终切与初切之差 相对表示钻井液触变性的强弱。
对触变性的机理可作如下解释：在触变体系中一般都存在空间网架结构。在 剪切作用下，当结构被拆散后，只有颗粒的某些部位相互接触时才能彼此重新 粘结起来，即结构的恢复要求在颗粒的相互排列上有一定的几何关系。因此， 在结构恢复过程中，需要一定的时间来完成这种定向作用。恢复结构所需的时 间和最终的凝胶强度（即切力）的大小），可更为真实地反映某种流体触变性 的强弱
对钻井液流变性的深入研究，以及对每口油气井钻井液流变参数的优化 设计和有效调控是钻井液工艺技术十分重要的内容
第三章 钻井液流变性 钻井液流变性作用 ①携岩（保证井底和井眼的清洁） ②悬浮岩屑和重晶石 ③提高钻速
④防止井漏和井塌（保证井眼规则） ⑤有效地发挥固控设备的效能
⑥防止气侵（保证井眼规则）
静切力示意 图τs
G =重力-浮力
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第三章 钻井液流变性
常用的流变参数 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：