钻井液-第3章(钻井液流变性).ppt

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: 携带岩屑，保证井底清洁。 悬浮岩屑与重晶石 机械钻速 井眼规则和井下安全。,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-1,2.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,4.流变曲线与流变图 -，-， 函数关系曲线与图。,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：,6液体流动类型:（Non-Newtonion fluid）,Static plug transition laminar turbulent flow P-L）zone flow(L-T) flow,流体流速增加,二钻井液流动特点及分析,1.牛顿流体(Newtonion fluid) 无结构、均匀质点，如油类、清水。 流变曲线为一条过原点直线,符合=。 0、0施加很小的切应力就发生流动。 为常数,不随变化 =/=tg,2.塑性液(Plastic fluid): (大多数泥浆) 存在不流动区b 紊流区:,a,b,a=a/a=tgab=b/b=tgb,a,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。,a,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。,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）,流变曲线为过原点的指数曲线； 施加很小切应力发生流动，无s或很小; 具有剪切稀释性。,4.膨胀性液体(dilatant fluid),淀粉液体为典型的膨胀性液体； 流变曲线为指数曲线与假塑性液体相似，但凹凸方向相反； 粘度随速梯增加而增加剪切增稠。,a,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,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。,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。,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,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， n1，反映了流体非牛顿性的强弱，即结构性强弱。 影响与控制：与动切应力类似。 2. K 稠度系数(consistency index) Pa.sn 意义:反映流体的稀稠程度，与粘滞性有关。 影响与控制：与粘度相同。,3.视粘度:,三、赫巴模式 Herschel-Bulkely(修正幂律模式) 77年.Zamaro-Lord 首用于钻井液,=y + Kn 流变参数： y屈服值；故又称带屈服值的幂律模式（三参数），K，n同幂律模式参数。 =y/+ Kn-1 0,四、卡森模式Casson model (1959.Casson . 1979Lawron-Reid 首用),表达式：,特点: 流变曲线符合大多数钻井液的流变特征,适应范围广,低、中、高速梯；参数意义明确，准确性高。,流变参数:,1.c卡森屈服值（Casson yield point -CP) 意义:反映泥浆的结构强弱及携带悬浮能力,实测接近初始凝胶强度(0. c ) 2.极限高剪粘度（infinite shear viscosity- IV ）,水眼粘度、紊流粘度. 意义:表示体系的纯粹内摩擦性质（粘滞性）,数值上等于剪切速率为无穷大时的有效（视）粘度。（ ）,3.剪切稀释性指数Im:,最大粘度(=1的粘度)与最小粘度( )之比值。 低固相聚合物Im=300-600为宜 (体系可达几千)。,三种常用流变模式与实测流变曲线,3-3 钻井液流变参数的测量与计算 Measurement and Computation of DF Rheclogical parameter,一.旋转粘度计 结构及工作原理 动力部分: 双速同步电机、电源 变速部分: 可变六速（转/分） 3 6 100 200 300 600 测量部分: 扭力弹簧、刻度盘与内外筒组成测量系统。,ZNN型旋转粘度计,局部放大图,旋转粘度计实物,旋转粘度计基本公式: (ZNN-D6 仿范氏) =0.511n (Pa) =1.703N (1/s) =300 n/N (mPa.s),Fann旋转粘度计： N (RPM): 600 300 200 100 6 3 (1/S)：1022 511 340 170 10 5.11,二常用流变参数直读公式,三、静切力及测量,钻井液的切力是指静切力静态形成泥浆结 构强度(凝胶强度-GEL STRENGTH)，凝胶强度取 决于单位体积中结构链下的数目和单个链环的强度 其大小反映泥浆静置时悬浮钻屑或加重剂的能力。 测量：初切3（10 s）终切3(10min ) (Pa),四、泥浆的触变性（thixotropy）,静切应力随搅拌后的静置时间增大而增大的特性。 反映钻井液恢复结构的速度和最终凝胶强度。 主要特征：恢复结构所需时间和最终凝胶强度的大小。 意义： 良好的触变性有利于悬浮钻屑和开泵。,四种钻井液典型的变性曲线,快的强凝胶,慢的强凝胶,快的弱凝胶,慢的弱凝胶,五、漏斗粘度（ FUNNEL VISCOSITY ）,一定体积（700ml)钻井液流经特制漏斗漏出500ml(Marsh 946ml）所需的时间（Sec）。,3-4 钻井液流变学的应用 Applictions of D.F Rheclogy,钻井液流变性对钻井工艺的影响主要表现在以下几个方面： 1）影响井底冲刷效果，从而影响钻头的破岩效率及钻速； 2）影响岩屑的携带能力； 3）影响加材料的悬浮； 4）影响井内液柱的压力激动和井壁稳定； 5）影响泵压和排量； 6）影响造壁性能和固井质量,一、携带岩屑原理,影响携岩的主要因素： 钻井液流变性、钻屑尺寸、形状、流态。,1.层流携带原理,转动力矩效应层流呈现抛物形过水断面特点，片状岩屑上升过程受力不均匀，产生力矩作用，产生岩屑翻转下滑的现象。 不利影响： （1）携带时间延长（携带效率低） （2）在井壁形成假泥饼； 优点：环空返速小，有利于井壁稳定和喷射钻进。,片状岩屑在层流中上升受力分析,2.紊流携岩原理,紊流平滑的抛物形过水断面，任何形状的岩屑在上升过程中受力均匀，岩屑随上升液流而稳定上升。 优点：不产生转动力矩效应；携岩效率高，井眼净化好。 局限： （1）要求排量大，泵功率消耗大； （2）返速高对井壁冲刷大； （3）岩屑相对下滑速度大。,3.平板层流携岩原理： （Flattening of the velocity profile）,由尖峰型平板型 克服转动力矩增加流核宽度,流核d0 速梯为0的区域,3.平板层流携岩原理： （Flattening of the velocity profile）,平板程度 流核宽度影响因素：,D.Dp-m V-m/s 0-Pa s-Pa.s,Vd0,但不能小于Vs (一般0.5-0.6 m/s); 0 d0 ; 动塑比（0 /s ） d0 ， (一般360-478 1/s),平板程度的判准数E值：,E 0.2-0.1符合平板层流。 一般认为动塑比值0s360478（1s）或流型指数n值0.70.4时，可以获得较好的携岩效果。 控制方法： 通过加入适量电解质、聚合物提高动切应力；通过固控设备清除无用固相（钻屑）来降低塑性粘度提高动/塑比值是最佳途径。,D.Dp-m V-m/s 0-Pa s-Pa.s,二、钻井液携带钻屑能力计算,1.钻屑输送比: 钻屑上升速度与钻井液环空返速之比。 Rt = Vt/V Vt= V-Vs Vt钻屑上升速度；Vs钻屑下滑速度 Rt =1-V/Vs 满足井眼净化要求Rt 0.5 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 ),Vs计算：,Re.p2000紊流沉降,环空视粘度计算公式,宾汉 模式,幂律 模式,卡森 模式,井眼净化计算机框图,三钻井液密度的计算,钻井液密度( Density),静态测量,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。,单位：E.C.D、f kg/m3；PPa；Lm,单位：E.C.D、f g/cm3；PMPa；Lm,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）,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。,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。,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。,钻井液流变性的一般要求,对于非加重钻井液： 塑性粘度（PV):512mPa.s 动切力（YP):1.414.4Pa YP/PV=376478（1/s） 流型指数n：0.4-0.7 卡森屈服值:0.6-3Pa 极限高剪粘度：:2-6mPa.s 静切力： 0.5112（Pa） 漏斗粘度T=2.2PV (S),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.