水泥浆流动计算

第一章 API水泥浆流动计算方法在现场的应用

第一节 水泥浆流变模式判别

1. 水泥浆流变参数测定：

在API标准仪器上用不同转速获得相应读数，由此绘制流变

曲线，判别流型模式后计算n'、k'（用于幂率模式）和

τy、η值（用于宾汉模式）。

2. 剪切速率和剪切应力计算：

对于典型的R1-B1结合仪器弹簧系数

剪切速率和剪切应力的计算如下：

水泥浆剪切速率-----γ=1.7023N

水泥浆剪切应力-----τ=0.01065θ

式中：

N---------粘度计转速 r/min

θ---------粘度计读数

γ--------剪切速率 s-1

τ--------剪切应力 lbf/ft2

3. 幂率模式和宾汉模式判别方法如下：

1）将水泥浆在N为300，200，100，6，3和它们的读数θ以及γ和τ列表。

2）将γ-τ绘制线性坐标图和双对数坐标图，由其坐标图确定流型模式。

A）幂率模式：在双对数坐标图上，数据呈直线趋势。

B）宾汉模式：在线性坐标图上，数据呈直线趋势。

4API spec 10(July 1,1990)给定了水泥浆在管内和环空压力降最高塞流泵速以及最小紊流泵速的计算标准。

第二节幂率模式在现场的计算程序

1水泥浆体系流变模式判别和计算要求：

1）已知水泥浆体系和井眼资料数据：

水泥浆密度16.4ppg,水泥浆粘度计读数如表3-1-1。

在8”井眼，下5-1/2“套管，下深1000ft,在5BBL/min

排量条件下计算下列问题。

2）计算：

（1）环空1000 ft 的压力降

（2）环空紊流最低泵速

（3）环空塞流最高泵速

3）解：

(1) 水泥浆体系粘度计转速和相应读数以及剪切速率

和剪切应力如下表：

(2) 分别绘制剪切速率和剪切应力线性和双对数曲线图

τ

γ

图3-1-2双对数坐标Array

τ

（3）剪切速率和剪切应力数据在双对数图趋向直线，该体系是幂率模式。

2计算方法：

（1）在双对数坐标上通过各点的最佳直线上选择两点求斜率。

幂率流型：

n’= log(θ)/log(N)

n’=(log4.5-log2.5)/（log100-log25)

= 0.4240

K =g c*截距

式中： K-------流体稠度指数Ns n'/m2

gc-------通用换算系数32.174 lbmft/lbfs2

当取剪切速率为1.0处时，它的截距为0.066，所以

K/gc=0.066

k'=K/gc((2n'+1)/4n')^n'

k'=0.07471

（2）计算平均流速：

v=17.16*Q/(D h2-D p2)

（3）计算雷诺数N re.gen：

Nre.gen=(1.86*V2-n'*ρ)/K'(96/D E)n'

当计算的Nre.gen的值小于表3-1-2的临界雷诺数，

该流态处于层流状态;如果大于临界雷诺数，则流

体处于紊流。f 值由相应的雷诺数N re.gen和n'的

图上找到。f值也可用下列公式计算：

f = 16/Nre.gen

由n’值从表3-1-2找到临界雷诺数N Recri。

图3-1-3 幂率模式摩阻系数与雷诺数图

（4）计算环空压力降：△P=0.03875fρLV2/D E

(5) 计算紊流最低排量和塞流的最高允许排量： Qmin =0.05828(Dh2-D2P)((Nrecrik'(96/D E)n'/

(1.86ρ))(1/2-n')

Q PF=0.05828(Dh2-D2P)((53.7634(96/DE)n'/

(ρ))(1/2-n')

3幂率模式计算程序，见下表：

第三节宾汉模式在现场的计算程序

1水泥浆体系流变模式判别和计算要求：

1）水泥浆体系和井眼数据：

水泥浆密度14.56ppg，粘度计转速和相应读数以及

剪切速率和剪切应力如表3-1-4。

井眼8”，套管5.5”，环空长度1000ft。

2）计算要求：

(1)环空压力降

(2)塞流最大泵速

(3) 紊流最低泵速

3)判别程序：

(1) 水泥浆粘度计转速N和相应读数θ以及剪切速率γ

和剪切应力τ列表3-1-4。

(2) 绘制线性坐标图和双对数坐标图

分别绘制剪切速率和剪切应力线性和双对数曲线图

图3-1-4

线性坐标

τγ

图3-1-5 双对数坐标

τ

γ

(3) 模式判别：剪切速率和剪切应力在线性坐标各点趋于

直线，该水泥浆体系是宾汉模式。

2. 计算程序：

1) 确定流变参数：

在线性坐标图上可以找到屈服应力τy和塑性粘度η。

线性坐标的截距等于屈服值τy，而η=斜率*32.174（lbm/ft.s）

在计算层流和紊流时需要引进赫氏（Hedstrom)雷诺数N he。

屈服剪切应力τy=0.483lbf/ft2

直线斜率slope=0.00056

水泥浆塑性粘度η=0.01798lbm/ft2

2）计算平均流速：V=17.16*Q/(D2h-D2P)

3) 计算雷诺数N re.gen=0.6234*D E Vρ/η

4) 计算赫氏雷诺数 Nhe

对于宾汉塑性流体，单用雷诺数N'Re不足于判断是紊流

还是层流，需要计算赫兹数（Hedstrom)，计算公式如下：

Nhe = 1.6714*τy*De2*ρ/η2由赫氏给出在层流区宾汉塑性流体的雷诺数N'Re与范氏

摩檫系数f之间的对应关系，见图3-1-6。

用于流动阻力 计算的临界雷诺数N're.cri是计算出来的

赫氏线和牛顿流体紊流曲线的交点。f 值也由牛顿流体

紊流曲线读出。

从图上查得N're.cri=8500

从图上查得f = 0.008