3-钻井液流变性

1 18
三、剪切稀释性
定义 钻井液的有效粘度随剪切速率增加而降低的现象。
实质：高剪切作用破坏了体系内部结构，使总的粘滞性 降低。
表示法：动塑比 τo / ηp
意义：越大，钻井液的剪切稀释性越强。
因为比值大，表明结构多（τo大），固含低（ηp小）， 体系受剪切稀释明显。 显然：只要能形成结构的钻井液，均有剪切稀释性。
漏斗粘度计示意图
1
8
第二节
一、流体分类
基本流型及其分析
根据“τ-γ”关系，将流体分为：
钻井液大多属塑性或假塑性流型
1 9
二、流体分析
基本假设：

连续介质


均质性
不可压缩性 层流
1
10
1、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
1 30
作用：
τo的大小反映了钻井液wenku.baidu.com屑能力的大小。τo大， 说明层流时结构强度大，流核面积大，携屑能力强， 反之弱。
测量方法：
用旋转粘度仪测600转和300转的数据，代入 宾汉公式或相应的直读公式计算而得。 τo =5.11（φ300-PV）
1 31
3、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：
1
19

作用：
(1)判断携屑能力：强者—好，有利低速带砂。 (2)估计钻头水眼处的粘度大小：强者—小，有利 水力喷射钻井。
即 环形空间：γ低，ηa大，有利于携带钻屑
钻头水眼：γ大，ηa小，有利于水力破岩
一般要求钻井液的剪切稀释能力强。
0.36～0.48 Pa/mPa· s
太小，携岩能力差；太强，引起泵压显著提高
液 -液分子间内摩擦阻力；
特点： ηp不随dv/dr变化而变化。
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影响因素：
固相含量：固含 ηp ； 分散度：分散度 ηp ； 液相粘度：液相粘度 ηp ；
它直接反映了钻井液中固相含量的高低及分散程度。
调整ηp 的方法：
根据影响因素升、降ηp 。
1 35
作用：衡量判断钻井液中固相含量的高低及分散程度。 高则有害，低则有利。
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）
③若是高聚物吸附土粒形成桥联结构，恢复快，但最 终结构强度弱。
钻井液对触变性的要求：
①结构恢复要快（有利钻屑悬浮，防止沉砂）
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
钻井液流变参数及实际调整
1. 静切力τs
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。
表示方法：触变性 = 初切力 - 终切力
或者 = 初切力/ 终切力
低密度钻井液：触变性=1分钟静切力/10分钟静切力 τ1’/ τ10’
高密度钻井液：触变性=10秒钟静切力-10分钟静切力 τ10’’/ τ10’
网架结构的强弱----凝胶强度的大小----触变性
1
22
低密度钻井液终切和初切的测量：
1 20
塑性流体：
0
p
剪切稀释性越强
剪切稀释性越强
n 假塑性流体：
卡森流体： 一般钻井要求：

0

剪切稀释性越强
p
0 . 36 0 . 48 Pa / mPa . s
n 0 .4 0 .7
2 6 mPa .s
四、 触变性
定义：
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
0 r τ c1/2 τ 1/2
γ 0， τ τc 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 η 极限粘度。 能够反映出钻井液的
统一名称：屈服值、屈服点。 定义：流体开始呈现层流流动时所需要
0
τs τ0
τ
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。
1 12
流型图
ηp —— 塑性粘度 Plastic Viscosity 定 单 义：产生单位剪切速率所需要的剪切应力。 位：公制：dyn.s/cm2、泊、厘泊。 国际：Pa.s、mPa.s 常用的其它符号： ηs、PV
• 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
0
τc
τ
卡森流体流变曲线
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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。
r
0

真实泥浆与不同流型的比较
1 14
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。 为什么过原点？ 曲线无直线段？
原因：随γ增大，体系中形状不规则的粒子沿流动方向转向和
变形，流动阻力减小。
1
15
流变参数： K——稠度系数 意义：反映流体的粘滞性。越大，流体越难流动。 单位：dyn.sn/cm2 n——流型指数
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
高速搅拌10min;
初切测量：在600rpm下转1min，静止1min 或10s，
测3rpm的切力。 终切测量：在600rpm下转1min，静止10min ， 测3rpm的切力
初 0 . 511 3
影响因素：
①粒子浓度↗，结构恢复快、强，触变性强。
②ζ 电位↗，结构恢复慢、弱，触变性弱。
• 作用：衡量钻井液的宏观流动性。 • 测量方法：用旋转粘度仪。 • 现场习惯用600转数据的1/2值表示，AV=φ600/2。
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宾汉体的塑性粘度ηp
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；
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
终切力 ≥ 5初切力，属于递增型触变体。此时，会造成泵压过高，易压 漏地层。
（2）影响井内液柱压力激动
1 28
例题： 设钻井液密度为1.2,重晶石密度为4.2,重晶石
粉的颗粒直径为0.01mm～0.10mm ,问悬浮重晶
石粉颗粒该钻井液至少应具有多大的切力值？
τs =1000 d(岩- 浆）/6 = 1000 d ( 岩- 浆）/ 6 =1000×0.01×(4.2-1.2) / 6 2 = 5 (mg/cm )
γ
τ
τ ；P；P；
0
τ
0
γ
0
γ ；Q；V；n
流变曲线表示法
1 6
粘度 Viscosity
统一名称：有效粘度、视粘度。
常用符号：η
定
单
义： η= τ/ γ= 单位剪切速率的剪切应力。
位： η= τ/ γ= dyn/cm2/s-1 = dyn.s/cm2 = 泊
1泊 = 100mPa.s =100cp = 1dyn.s/cm2
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）
1 11
2. 非牛顿流体
塑性流体 Plastic Fluids
数学模型： τ- τ0 = ηp γ
流变曲线：有截距的直线。 流变参数：
γ
塑性体 真实泥浆
τ0 —— 动切应力 Yield Stress
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。
塞 流
层
流
紊 流
稳定流动类型的变化
1 3
2. 基本概念
剪切速率 Shear Rate
统一名称：速梯、剪率、切变率。 常用符号：γ、D、dv/dx、dv/dr
r
意义：偏离牛顿流体的程度。
模式讨论 τ = Kγn 或者 η= Kγn-1
0 τ
γ 0， τ 0 服应力的特点。 γ ，η 性。
不符合大多数钻井液具有屈 能够反映钻井液的剪切稀释
γ， η 0 情况。
无极限粘度，不符合钻井液
1 16
卡森流体
流变模型：τ1/2 = τc1/2 + η1/2 γ1/2
降τs—— 与上相反。
1 27
静切力的实际应用
（1）悬浮岩屑和加重材料
悬浮岩屑（球形）所需静切力为： τs（dyn/cm2) = d(岩- 浆）/6 τs(mg/cm2) = 1000 d(岩- 浆）/6 经验数据： 初切力 = 2～6 Pa时，可达到良好的悬浮能力。
τs
终切力 = 2初切力，属于良好型触变体。
1
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漏斗粘度 Funnel Viscosity
定 单 类 义：定体积泄流时间。 位：秒；s。 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 4
剪切应力 Shear Stress
统一名称：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。 位： τ= F/A = dyn/cm2；Pa。
1Pa = 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。
模式讨论
τ- τ0 = ηp γ
或者 η= ηp + 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
γ， η ηp
能够反映多数钻井液的剪切稀释性。
能够反映出钻井液的极限粘度。
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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真实泥浆与不同流型的比较
1
26
影响因素： 单个链环的强度 颗粒间引力—— 电位、水化膜厚度h ζ低， 水化膜薄， 吸力占优势，τs大。
结构链环数目/单位体积（结构密度）
颗粒浓度c、分散度 含量大，分散度高，τs大。 处理剂的种类和加量 调整方法：
升τs—— 提高 c 、分散度，降低 、水化膜厚度h。
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。 是钻井液在流动过程中实际表现出来的总的粘滞性
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• 几种流体（模式）表示的表观粘度：
宾 汉 体：η= ηp+ τ0/ γ
假塑性体：η= K(γ)n-1 卡森体η= [(η)1/2 +(τ0/ γ）1/2]2