钻井液-第3章(钻井液流变性).ppt

重庆科技学院石油工程学院 Drilling Fluids 第1页 L.Z.J 第三章 钻井液流变性 Drilling Fluid Rheological Property 在外力（泵送、搅拌）作用下,液 体流动和变形的特性。 钻井液流变性指网架结构变形与流动特 性。包括粘度、切力、剪切稀释性、触变性 等。 钻井液流变性对钻井的影响: l携带岩屑，保证井底清洁。 l悬浮岩屑与重晶石 l机械钻速 l井眼规则和井下安全。 重庆科技学院石油工程学院 Drilling Fluids 第2页 L.Z.J 3-1液体流动的特点及其分析 Characteristics and analysis of fluids flow 一、基本概念: 1.剪切速率( Shear rate)与剪切应力( shear stress) 沉砂池：1020S-1 环空： 50250S-1 钻具内： 1001000S-1 钻头喷嘴： 1万10万S-1 重庆科技学院石油工程学院 Drilling Fluids 第3页 L.Z.J 2.粘滞性(viscosity) 流体流动时具有抵抗剪切变形的物理性质 。 3.牛顿内摩擦定律: 在一定的条件下，剪切应力与速梯正比 。 = = 切力与速梯成正比 粘滞系数简称粘度粘度 重庆科技学院石油工程学院 Drilling Fluids 第4页 L.Z.J 4.流变曲线与流变图 -，-， 函数关系曲线与 图。 重庆科技学院石油工程学院 Drilling Fluids 第5页 L.Z.J 5.液体类型: (1)根据牛顿内摩擦定律：牛顿液体和 非牛顿液体 (2)根据流变曲线特征： 1塑性液 2假塑性液 3牛顿液 4膨胀液 0 0 1塑性液 2假塑性液 3牛顿液 4膨胀液 0 0 重庆科技学院石油工程学院 Drilling Fluids 第6页 L.Z.J 6液体流动类型:（Non-Newtonion fluid） Static plug transition laminar turbulent flow P-L）zone flow(L-T) flow 静止塞流层流紊流 流体流速增加 重庆科技学院石油工程学院 Drilling Fluids 第7页 L.Z.J 二钻井液流动特点及分析 1.牛顿流体(Newtonion fluid) v 无结构、均匀质点，如油类 、清水。 v 流变曲线为一条过原点直线, 符合=。 v 0、0施加很小的切应 力就发生流动。 v 为常数,不随变化 =/=tg a b a ab b 重庆科技学院石油工程学院 Drilling Fluids 第8页 L.Z.J 静止 塞流 层流 紊流 s 2.塑性液(Plastic fluid): (大多数泥 浆) v 存在不流动区 b v 紊流区: a b 重庆科技学院石油工程学院 Drilling Fluids 第9页 L.Z.J a=a/a=tgab=b/b=tgb a b a ab b s 剪切稀释性(shear thinning ) 钻井液表观(视）粘度 （AVApparent viscosity） 随速梯（流速）增大而降低 的性质。 a、b-某速梯下的粘度 -表观（视）粘度。 重庆科技学院石油工程学院 Drilling Fluids 第10页 L.Z.J a b a ab b s 剪切稀释性(shear thinning ) 原因：在速梯增大时，网架结构被拆 散，结构粘度降低所致。 意义：具有剪切稀释性的钻井液，在 速梯较低时有较大的表观粘度，有 利于悬浮和携带岩屑。而在速梯较 大时又有较小的表观粘度，这有利 于降低流动阻力，减少功率损耗。 重庆科技学院石油工程学院 Drilling Fluids 第11页 L.Z.J 3.假塑性液(Pseudo-plastic fluid) （聚合物钻井液、油包水乳化钻井液为典型的假塑性液） v流变曲线为过原点 的指数曲线； v施加很小切应力发 生流动，无s或很 小; v具有剪切稀释性。 a b a ab b 重庆科技学院石油工程学院 Drilling Fluids 第12页 L.Z.J 4.膨胀性液体(dilatant fluid) l 淀粉液体为典型 的膨胀性液体； l 流变曲线为指数 曲线与假塑性液 体相似，但凹凸 方向相反； l 粘度随速梯增加 而增加剪切 增稠。 a a b a b b 重庆科技学院石油工程学院 Drilling Fluids 第13页 L.Z.J 3-2 钻井液流变模式及评价 Drilling fluid rheological models evaluation 一、宾汉模式(Bingham 1919 ) =0+s s 0 重庆科技学院石油工程学院 Drilling Fluids 第14页 L.Z.J 一、宾汉模式(Bingham 1919 ) =0+s 1.s-塑性粘度PV(plastic viscosity )Pa.s or mPa.s 意义: s=(-0 )/ 反映了液相与液相之间、固相与液相之间、固相 与 固相之间的摩擦力。 影响:固相性质及含量，液相性质。 控制:通常通过清除钻屑来降低。 重庆科技学院石油工程学院 Drilling Fluids 第15页 L.Z.J 一、宾汉模式(Bingham 1919 ) =0+s 2.0-动切应力，YP (Yield Point) ，Pa. 意义:用以表示钻井液流动时钻井液中粘土网架结构的强 度 反映了钻井液携带和悬浮钻屑的能力。 影响:形成网架结构的因素，如粘土含量及性质、聚合 物、电解质等。 控制: 提高动切力：加上述物质； 降低动切力：加拆散结构的物质如：降粘剂 、反絮凝剂等。 重庆科技学院石油工程学院 Drilling Fluids 第16页 L.Z.J 一、宾汉模式(Bingham 1919 ) =0+s 3.视粘度表达式: =0/+s =g +s 结构粘度定义为g =0/ 由此表明采用宾汉 模式的视粘度由结构 粘度和塑性粘度构成 ，其所占的比例不同 对钻井液的流变性影 响很大。 讨论：两种钻井液在某相同的速梯下视粘度相同，其悬浮 携带钻屑的性能是否相同？ 例：(1) =25+10=35mPa.s (2) =10+25=35mPa.s 重庆科技学院石油工程学院 Drilling Fluids 第17页 L.Z.J 二、幂律模式(Bingham 1928) (Power law model ) 表达式：=Kn （指数方程） 1. n流性指数(无因次n1时为膨胀流体。对大多数钻井液， n0.5 2. Vs计算： 颗粒沉降流态:钻屑颗粒沉滑时,边界液流所呈的状态. 颗粒雷诺数-Re.p (partical Reynolds Number ) 重庆科技学院石油工程学院 Drilling Fluids 第38页 L.Z.J Vs计算： Re.p2000紊流沉降 重庆科技学院石油工程学院 Drilling Fluids 第39页 L.Z.J 环空视粘度计算公式 宾汉 模式 幂律 模式 卡森 模式 重庆科技学院石油工程学院 Drilling Fluids 第40页 L.Z.J 井眼净化计算机框图 基本数据 计算环空流态 式（18）计算Vs Rep2000式（19）计算Vs 式（16）计算Rep Rep1 式（17）计算Vs计算Vt 计算Rt 流态 层流紊流 Y N Y N 重庆科技学院石油工程学院 Drilling Fluids 第41页 L.Z.J 三钻井液密度的计算 钻井液密度( Density) 静态测量 重庆科技学院石油工程学院 Drilling Fluids 第42页 L.Z.J 当量循环泥浆密度 （ E.C.D Equivalent Circulating Density） 由于钻井液循环流动所产生附加压力的相当密度。 单单位：E.C.D、f kg/m3；PPa；L m 单单位：E.C.D、f g/cm3；PMPa；L m 重庆科技学院石油工程学院 Drilling Fluids 第43页 L.Z.J 四、钻井液流变性与井内压力激动 钻井液的井内压力激动 起下钻和钻井过程中，由于钻柱的上 下移动、泥浆泵的开动等原因，使井内液 柱压力产生突然变化（升高或降低），给 井内增加一个附加压力（正值或负值）的 现象。 影响激动压力的因素： 钻柱运动速度 钻头及钻柱的泥包程度 环形空间的间隙、井深 泥浆性能（粘度、切力） 重庆科技学院石油工程学院 Drilling Fluids 第44页 L.Z.J 四、钻井液流变性与井内压力激动 下钻: 当钻头在井内向下运动时，钻井液被 推动着向上流动。这时钻头处的压力等于钻头 以上钻井液的流动阻力与该段钻井液的静液柱 压力。超出静液柱压力的部分被称为“激动”。 这是造成井漏的原因之一。 起钻: 相反，当钻头在井内向上运动时，钻 井液向下流动。这时钻头处的压力等于钻头以 上钻井液的静液柱压力减去该段钻井液的流动 阻力。低于静液柱压力的部分被称为“抽吸压 力”。这是诱发井喷、井塌的原因之一。 主要控制措施： 控制起下钻速度； 降低钻井液粘切。 重庆科技学院石油工程学院 Drilling Fluids 第45页 L.Z.J 四、钻井液流变性与井内压力激动 开泵时的压力激动: 由于钻井液具有触变性，停 止循环后，钻井液中的粘土颗 粒随停泵时间增加，被拆散的 网架结构恢复强度增加，静切 力升高，开泵泵压将超过正常 循环所需的泵压，造成压力激 动。 主要控制措施： 开泵操作平稳； 降低钻井液粘切。 Q Ps P0 P1 P2 M1 M2 Ps、P0、分别为克服静、动切力所 需压力；P1、P2分别为钻井液静止若 干时间之后所需压力。 重庆科技学院石油工程学院 Drilling Fluids 第46页 L.Z.J 钻井液流变性的一般要求 v 对于非加重钻井液： v 塑性粘度（PV):512mPa.s v 动切力（YP):1.414.4Pa v YP/PV=376478（1/s） v 流型指数n：0.4-0.7 v 卡森屈服值:0.6-3Pa v 极限高剪粘度：:2-6mPa.s v 静切力： 0.5112（Pa） v 漏斗粘度T=2.2PV (S) 重庆科技学院石油工程学院 Drilling Fluids 第47页 L.Z.J 习题 1.根据旋转粘度计基本公式，用600 、100推导出卡森参数计算公式 、c。 2.旋转粘度计读数： 600=26.8 300 =16.5 200=14.5 100 =9 6=4.5 3=4.2 （1）用坐标纸画出实际与三模式的流变曲线,并进行