钻井液流变学

1、 钻井液流变学钻井液流变学 主讲: 睢文云 石油工程技术研究院 2007年9月 主要内容主要内容 u流体的基本流型及其特点流体的基本流型及其特点 u钻井液流变参数及其计算钻井液流变参数及其计算 u钻井液流变性与钻井作业相关计算钻井液流变性与钻井作业相关计算 以表示，单位s-1 液体中各层的流速不同。如果在垂液体中各层的流速不同。如果在垂 直于流速方向上取一段无限小的距直于流速方向上取一段无限小的距 离离dxdx，流速由，流速由v v变化到变化到v+dvv+dv，那么比，那么比 值值dv/dxdv/dx即为即为 剪切速率大，表示液流中各层之间剪切速率大，表示液流中各层之间 流速的变化大；反之，流

2、速的变化流速的变化大；反之，流速的变化 小。小。 x dx v+dv v 水在河面的流速分布 =f/s= =f/s= - 数学表达式数学表达式 遵守牛顿内摩擦定律的流体。 水、酒精、大多数纯液体、轻质油、低分子化合物溶液以及低 速流动的气体等 不遵守牛顿内摩擦定律的流体。 高分子聚合物的浓溶液和悬浮液等 二、流体的基本流型二、流体的基本流型 塑性流体塑性流体 假塑性流体假塑性流体 膨胀性流体膨胀性流体 3 2 1 4 剪切速率 剪切应力 1-牛顿流体牛顿流体 2-假塑性流体假塑性流体 3-塑性流体塑性流体 4-膨胀性流体膨胀性流体 各种流体的特点各种流体的特点 0 0时，时，0 0，即施加一个

3、外力，就开始流动。，即施加一个外力，就开始流动。 粘度不随剪切速率的增减而变化。粘度不随剪切速率的增减而变化。 ：流变曲线凹向剪切应力轴，静止时，所含有的颗粒是分散的，当剪切应：流变曲线凹向剪切应力轴，静止时，所含有的颗粒是分散的，当剪切应 力增大时，部分颗粒会纠缠在一起形成网架结构，使流动阻力增大。力增大时，部分颗粒会纠缠在一起形成网架结构，使流动阻力增大。 ：稍加外力即发生流动，粘度随剪切速率（或剪切应力）增加而增大，静止：稍加外力即发生流动，粘度随剪切速率（或剪切应力）增加而增大，静止 时又恢复原状。（比较少见，不作研究）时又恢复原状。（比较少见，不作研究） c-30 m-11 与钻井液

4、相关的流体与钻井液相关的流体 u塑性流体塑性流体 特点特点：必须加一定的力才开始流动，这种使流体开始流动必须加一定的力才开始流动，这种使流体开始流动 的最低剪切应力的最低剪切应力s称为静切应力称为静切应力（静切力、凝胶强度）（静切力、凝胶强度）。 动切应力动切应力 yp （简称（简称 动切力动切力 或屈服值或屈服值 ） p即即 pv） 剪切应力 剪切速率 1-牛顿流体牛顿流体 2-假塑性流体假塑性流体 3-塑性流体塑性流体 4-膨胀性流体膨胀性流体 = 0+p 宾汉模式宾汉模式 塑性流体流变模式塑性流体流变模式 0 s 1 1、塑性粘度和动切力、塑性粘度和动切力 塑性粘度塑性粘度 它是塑性流体

5、的性质，不随剪切速率而变化。代号它是塑性流体的性质，不随剪切速率而变化。代号p p（ pvpv），单位），单位pa.spa.s 物理意义物理意义: :剪切应力克服结构力的状态下剪切应力克服结构力的状态下, ,流体内部纯机械摩擦所形成流体内部纯机械摩擦所形成 的流动阻力。反映了在的流动阻力。反映了在层流层流情况下，钻井液中网架结构的破坏情况下，钻井液中网架结构的破坏 和恢复处于动平衡时，固相颗粒之间、固相与液相之间及连续液和恢复处于动平衡时，固相颗粒之间、固相与液相之间及连续液 相内部的摩擦作用的强弱。相内部的摩擦作用的强弱。 影响因素：影响因素： 钻井液中固相含量钻井液中固相含量 粘土的分散程

6、度粘土的分散程度 高分子聚合物处理剂高分子聚合物处理剂 提高液相粘度提高液相粘度 （浓度越高，（浓度越高， p越高；相对分子量越大，越高；相对分子量越大， p越高）越高） 4假塑性流体假塑性流体 特点：特点：施加极小的剪切应力就能产生流动，不存在静切应力；施加极小的剪切应力就能产生流动，不存在静切应力； 粘度随剪切应力的增大而降低；粘度随剪切应力的增大而降低； 区别区别：塑性流体塑性流体当剪切速率增大到一定程度，剪切应力与剪切当剪切速率增大到一定程度，剪切应力与剪切 速率之比为一常数，流变曲线为直线；速率之比为一常数，流变曲线为直线； 假塑性流体假塑性流体剪切应力与剪切速率之比总是变化的，流变

7、剪切应力与剪切速率之比总是变化的，流变 曲线无直线段曲线无直线段 = kn 幂律模式幂律模式 假塑性流体流变模式假塑性流体流变模式 稠度系数稠度系数 流性指流性指 数数 4宾汉模式与幂律模式的比较宾汉模式与幂律模式的比较 1、在中等和较高的剪切速率范围内在中等和较高的剪切速率范围内, , 幂律模式和宾汉模式均幂律模式和宾汉模式均 能较好地表示实际钻井液的流变特性。能较好地表示实际钻井液的流变特性。 2 2、环形空间环形空间的较低剪切速率范围内幂律方程比宾汉公式更能的较低剪切速率范围内幂律方程比宾汉公式更能 接近钻井液的真实流动性。接近钻井液的真实流动性。 钻井液设计和现场应用中，这两种流变模式

8、往往都同时使用。钻井液设计和现场应用中，这两种流变模式往往都同时使用。 10 20 30 剪切速率剪切速率/（范氏粘度计）（范氏粘度计）/r/min-1 切应力切应力/范氏指针读值范氏指针读值 幂率模式幂率模式 宾汉模式宾汉模式 实际钻井液实际钻井液 50100 150 动切力动切力 定义：定义：它反映钻井液在层流流动时，粘土颗粒之间及它反映钻井液在层流流动时，粘土颗粒之间及 高分子聚合物分子之间相互作用力的大小，即形成空高分子聚合物分子之间相互作用力的大小，即形成空 间网架结构能力的强弱。间网架结构能力的强弱。 代号代号0 （yp），），单位：单位：pa 凡是影响钻井液形成结构的因素，均会影

9、响凡是影响钻井液形成结构的因素，均会影响0 值。值。 影响因素：影响因素： 粘土矿物类型核和浓度；粘土矿物类型核和浓度； 电解质电解质-絮凝程度增大，增加动切力絮凝程度增大，增加动切力 降粘剂降粘剂拆散网架结构，降低动切力拆散网架结构，降低动切力 实际应用中，调整钻井液宾汉模式流变参数的方法：实际应用中，调整钻井液宾汉模式流变参数的方法： 降低降低p： 合理使用固控设备，加水稀释或化学絮凝合理使用固控设备，加水稀释或化学絮凝减少固含减少固含 提高提高 p： 加入粘土、重晶石、混入原油，加入粘土、重晶石、混入原油， 适当提高适当提高ph、增加聚合物浓度、增加聚合物浓度 降低降低0 加入降粘剂、清

10、水、稀浆加入降粘剂、清水、稀浆 如由如由ca 2+、mg 2+等污染引起用沉淀法除去等污染引起用沉淀法除去 提高提高0 加入预水化膨润土浆、增大高分子聚合物加量加入预水化膨润土浆、增大高分子聚合物加量 钙处理或盐水钻井液适当增加钙处理或盐水钻井液适当增加ca 2+、mg 2+浓度浓度 2、表观粘度和剪切稀释性、表观粘度和剪切稀释性 定义定义：在某一剪切速率下，剪切应力与剪切速率之比。：在某一剪切速率下，剪切应力与剪切速率之比。 又称有效粘度。单位又称有效粘度。单位pa.spa.s，通常使用，通常使用mpa.smpa.s 即a=av=/ 由宾汉方程，塑性流体的表观粘度可表示为由宾汉方程，塑性流体

11、的表观粘度可表示为: : a= p + 0 0/ /= p +p +结构 结构 由幂律方程，假塑性流体的表观粘度可表示为由幂律方程，假塑性流体的表观粘度可表示为: : a= kn-1 塑性流体的表观粘度是流体在流动过程中所表现出的塑性流体的表观粘度是流体在流动过程中所表现出的总粘度总粘度。 对于钻井液来说，它既包括流体内部由于摩擦作用所引起的粘度，又包括对于钻井液来说，它既包括流体内部由于摩擦作用所引起的粘度，又包括 粘土颗粒之间及高分子聚合物分子之间由于形成空间网架结构所引起的粘粘土颗粒之间及高分子聚合物分子之间由于形成空间网架结构所引起的粘 度度。后者被称为。后者被称为结构粘度结构粘度 随

12、着剪切速率的增加，结构粘度不断减小，当剪切速率达到很高值（如钻随着剪切速率的增加，结构粘度不断减小，当剪切速率达到很高值（如钻 头水眼处），结构粘度趋于零，可理解为，头水眼处），结构粘度趋于零，可理解为，塑性粘度是剪切速率极高时的塑性粘度是剪切速率极高时的 表观粘度。表观粘度。 定义定义：塑性流体和假塑性流体的表观粘度随剪切速率：塑性流体和假塑性流体的表观粘度随剪切速率 的增加而降低的特性。的增加而降低的特性。 在钻井液工艺中，常用动切力与塑性粘度的比值（简称在钻井液工艺中，常用动切力与塑性粘度的比值（简称动动 塑比塑比）表示剪切稀释性的强弱，动塑比（）表示剪切稀释性的强弱，动塑比（ 0/ p

13、） ）越大剪 越大剪 切稀释性越强。切稀释性越强。 0/ p=0.36-0.48 当采用幂律模式表征钻井液流变性时，当采用幂律模式表征钻井液流变性时，n值大小可反映剪值大小可反映剪 切稀释性的强弱。随切稀释性的强弱。随n逐渐减小，逐渐减小， a减小，剪切稀释性越减小，剪切稀释性越 于增强。于增强。 一般认为，为了保持钻井液能有效携带岩屑，一般认为，为了保持钻井液能有效携带岩屑，n=0.4-0.7较较 为适宜。为适宜。 剪切稀释性剪切稀释性 a= p + 0/ a= kn-1 3、切力和触变性、切力和触变性 切力切力: :钻井液的切力是指静切应力钻井液的切力是指静切应力, ,其胶体化学实质是胶凝

14、强度其胶体化学实质是胶凝强度, , 即表示钻井液在静止状态下形成的空间网架结构的强度。即表示钻井液在静止状态下形成的空间网架结构的强度。 物理意义物理意义：当钻井液静止时，破坏钻井液内部单位面积上的结：当钻井液静止时，破坏钻井液内部单位面积上的结 构所需要的剪切力。构所需要的剪切力。单位：单位：papa ss是静切应力的极限值，即真实意义上的胶凝强度是静切应力的极限值，即真实意义上的胶凝强度 影响因素影响因素： 粘土矿物类型、含量及分散度粘土矿物类型、含量及分散度 选用的聚合物处理剂及浓度；选用的聚合物处理剂及浓度； 无机电解质及其浓度等无机电解质及其浓度等 触变性：触变性： 是指搅拌后钻井液

15、变稀（即切力降低），静置后又变稠的性质。是指搅拌后钻井液变稀（即切力降低），静置后又变稠的性质。 一般一般用终切与初切之差相对表示钻井液触变性的强弱。用终切与初切之差相对表示钻井液触变性的强弱。 几种典型触变性曲线图几种典型触变性曲线图 12 3 4 曲线曲线1：恢复结构所需时间短，最：恢复结构所需时间短，最 终切力相当高。终切力相当高。 基本不随静止时间的延长而增大。基本不随静止时间的延长而增大。 具有很强的悬浮钻屑的能力，易造成重新开具有很强的悬浮钻屑的能力，易造成重新开 泵困难。泵困难。 较快的强凝胶较快的强凝胶 曲线曲线2：较慢的强凝胶较慢的强凝胶 曲线曲线3：较快的弱凝胶较快的弱凝胶

16、 曲线曲线4：较慢的弱凝胶较慢的弱凝胶 10min l初切与终切表示钻井液触变性的方法具有一定的局限性。 低固相不分散聚合物钻井液的切力和低固相不分散聚合物钻井液的切力和 触变性比较容易满足钻井工艺要求。触变性比较容易满足钻井工艺要求。 流变参数计算流变参数计算 1 1、表观粘度、表观粘度a 某一剪切速率下的表观粘度可用下式表示：某一剪切速率下的表观粘度可用下式表示： a=/=0.511n/1.703n（1000）=300 n /n 式中：式中：n-转速，转速，r/min n-转速为转速为n时的刻度盘读数时的刻度盘读数 a-表观粘度，表观粘度，mpa.smpa.s 通常采用通常采用600600

17、转的表观粘度即转的表观粘度即a=（1/2） 600 2 2、塑性粘度、塑性粘度p 、动切力、动切力0 =0.511 刻度读数与刻度读数与剪切应力成正比。剪切应力成正比。 p= 600- 300 推导公式推导公式 0= 0.511（ 300 p） p单位单位mpa.s , 0 单位单位pa 剪切速率与转子转速关系：剪切速率与转子转速关系：1 1转转/ /分分 =1.703s=1.703s-1 -1 300 /n-换算系数 塑性流体塑性流体 = 0+p 0= - p =600-p 600 =0.511 600- 0.511(600- 300 )/(1022-511) (1022) =0.511(2

18、300 - 600) =0.511(300 - p) p = ( 600-300)/(600 300) = 0.511(600- 300 )/(1022-511) (1000) = 600- 300 公式推导公式推导塑性粘度是塑性塑性粘度是塑性 流体流变曲线中流体流变曲线中 直线段的斜率直线段的斜率 3 3、流性指数、流性指数n n、稠度系数、稠度系数k k值值 n= 3.322lg(600/ 300 ) 无因次量无因次量 （ 0.511 300 ) 511 n 单位 单位pa.s n = kn 幂律模式幂律模式 两边取对数解方程两边取对数解方程 假塑性流体假塑性流体 需要指出需要指出: :使

19、用使用600600和和300300 计算的计算的n n和和 k k值值, ,其对应的剪切速率与钻井液在钻杆其对应的剪切速率与钻井液在钻杆 内的流动大致相当内的流动大致相当, ,可称为中等剪切速率可称为中等剪切速率 条件下的条件下的n n和和k k值。值。 随着剪切速率减小，钻井液随着剪切速率减小，钻井液n n值趋于减小，值趋于减小， k k值趋于增大。值趋于增大。 4 4、卡森动切力、卡森动切力cc 、极限高剪切粘度、极限高剪切粘度 卡森模式：卡森模式：1/2 1/2= = c c1/2 1/2+ + 1/2 1/2 19591959年由年由cassoncasson提出提出 19791979年

20、美国人年美国人lauzonlauzon和和reidreid首次用于钻井液流变性研究中。首次用于钻井液流变性研究中。 不但在低剪切区和中剪切区有较好的精确度，还可以利用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。低、中剪切区的测定结果预测高剪切速率下的流变特性。 适用于各种钻井液类型，能近似描述钻井液在高剪切速率适用于各种钻井液类型，能近似描述钻井液在高剪切速率 下的流动性，从而弥补传统模式的不足。下的流动性，从而弥补传统模式的不足。 计算公式：计算公式： c c1/2 1/2=0.493 =0.493 （66100 100） ）1/2

21、1/2- - 600 6001/2 1/2 1/2 1/2=1.195 =1.195（ 600 6001/2 1/2- - 100 1001/2 1/2） ） cc 、 的物理意义和影响因素 的物理意义和影响因素 c： 表示钻井液内表示钻井液内可供拆散的网架结构强度可供拆散的网架结构强度，是流体，是流体 开始开始 流动时的极限动切力，其大小可反映钻井液携带与悬浮流动时的极限动切力，其大小可反映钻井液携带与悬浮 钻屑的能力。钻屑的能力。 影响因素影响因素：能够影响胶体化学点化学性质的物质（降粘剂、能够影响胶体化学点化学性质的物质（降粘剂、 电解质、絮凝剂的等）、固相含量、外界条件电解质、絮凝剂的

22、等）、固相含量、外界条件 （温度、压力）都能影响（温度、压力）都能影响c。 c一一 般低于宾汉动切力般低于宾汉动切力0，与初始静切力接近，与初始静切力接近。 0.6-3pa ：简称简称高剪切粘度高剪切粘度，表示钻井液体系中内摩擦作用的强度，表示钻井液体系中内摩擦作用的强度， 常用来近似表示钻井液在钻头喷嘴处紊流状态下的流动阻力。常用来近似表示钻井液在钻头喷嘴处紊流状态下的流动阻力。 又被称为又被称为水眼粘度水眼粘度。 影响因素：影响因素：固相类型及含量、分散度、液相粘度等固相类型及含量、分散度、液相粘度等 物理意义：物理意义：类似于宾汉模式中的塑性粘度。类似于宾汉模式中的塑性粘度。 低固相聚合

23、物钻井液的低固相聚合物钻井液的 一般较低，一般较低，2-6mpa.s， 密度较高的分散钻井液密度较高的分散钻井液 15 mpa.s 5 5、郝谢尔、郝谢尔- -巴尔克莱三参数流变模式（简略）巴尔克莱三参数流变模式（简略） y =0.511 3 n =3.322lg （600-3）/（300-3） k=0.511（ 300-3 ）/511n = y+ kn 根据喷射钻井理论，岩屑清除分为两个过程：根据喷射钻井理论，岩屑清除分为两个过程： 一是岩屑冲离井底；二是岩屑从环形空间被携带至地面。一是岩屑冲离井底；二是岩屑从环形空间被携带至地面。 机理机理：v vp p= v= va a-v-vs s v

24、p vp-岩屑净上升速度，岩屑净上升速度，m/sm/s va va-钻井液的上返速度，钻井液的上返速度，m/sm/s vs vs-岩屑的滑落速度，岩屑的滑落速度，m/sm/s 岩屑携带比（输送比）：岩屑携带比（输送比）：rtrt= = v vp p/v/va a=1-v=1-vs s/v/va a 岩屑的滑落速度相关因素岩屑的滑落速度相关因素 ：岩屑尺寸、岩屑密度、钻井液密度岩屑尺寸、岩屑密度、钻井液密度 流态，并流态，并与有效粘度成反比与有效粘度成反比。 净化效率净化效率 1、层流携带岩屑原理、层流携带岩屑原理 f3 f2 f1 f4 f4f2, f3f1 岩屑翻转岩屑翻转 岩屑翻转现象不利

25、于携岩岩屑翻转现象不利于携岩 延长时间延长时间 起钻遇卡起钻遇卡 下钻遇阻下钻遇阻 下钻下不到底下钻下不到底 2 2、紊流携带岩屑原理、紊流携带岩屑原理 原理：原理：钻井液在作紊流流动时，岩屑不存在转动和滑落现象，几钻井液在作紊流流动时，岩屑不存在转动和滑落现象，几 乎都能携至地面，环形空间岩屑较少。乎都能携至地面，环形空间岩屑较少。 缺点：缺点： 岩屑滑落速度比在层流时大；岩屑滑落速度比在层流时大； 使钻头水马力降低，不利于喷射钻井；使钻头水马力降低，不利于喷射钻井； 紊流时的高流速对井壁冲刷严重，不能很好地形成泥饼，紊流时的高流速对井壁冲刷严重，不能很好地形成泥饼， 易引起易塌地层的井壁垮

26、塌。易引起易塌地层的井壁垮塌。 3 3、平板形层流、平板形层流 流态特点：流态特点：液流周围呈层流流动状态，液流周围呈层流流动状态， 中央是一个速度剖面较为平齐的等速核中央是一个速度剖面较为平齐的等速核 即即流核流核。 -如何在层流状态下解决携带岩屑问题如何在层流状态下解决携带岩屑问题 n.5 n.0 n 环形空间环形空间cm 液流速度液流速度m.s-1 .2 .0 .8 .6 .4 .2 d d0 0 p p （d d） vava p p （d d） 式中：井径，式中：井径，cm；d钻杆或钻铤外径，钻杆或钻铤外径，cm 流核直径流核直径 环空液流逐渐变为平板形层流环空液流逐渐变为平板形层流

27、l增大增大 p ， 增大流核尺寸增大流核尺寸d0； l减小减小n如同提高如同提高 p （如右图）（如右图） 仅适用 于层流 一般认为一般认为,就有效地携带岩屑而言：就有效地携带岩屑而言： 将钻井液的动塑比保持在将钻井液的动塑比保持在0.36-0.48或或n在在0.4-0.7式比较适宜的。式比较适宜的。 对低固相聚合物钻井液对低固相聚合物钻井液,保持在保持在6-12mpa.s 动塑比过小动塑比过小,会导致尖峰型层流会导致尖峰型层流; 动塑比过大动塑比过大,往往会因的增大引起泵压升高往往会因的增大引起泵压升高 相对于尖峰型层流，平板形层流具有以下特点：相对于尖峰型层流，平板形层流具有以下特点： u

28、可实现用环空返速较低的钻井液有效地携岩；可实现用环空返速较低的钻井液有效地携岩；va=0.5-0.6m/s u解决了低粘度钻井液能有效携岩的问题；解决了低粘度钻井液能有效携岩的问题； （ 保持保持 p较高，液流处于平板形层流，同时具有一定环空返速）较高，液流处于平板形层流，同时具有一定环空返速） u避免了钻井液处于紊流状态时对井壁的冲刷，避免了钻井液处于紊流状态时对井壁的冲刷， 有利于保持井壁稳定。有利于保持井壁稳定。 、钻井液视粘度、钻井液视粘度 式中式中 fv-视粘度视粘度,mpas pv-塑性粘度塑性粘度, mpas yp-动切力，动切力，pa dh-钻头直径，钻头直径，cm dp-钻杆

29、外径，钻杆外径，cm k-稠度指数稠度指数, pa.sn n-流性指数流性指数, 无因次无因次 相关计算相关计算 式中式中 d-d-岩屑直径岩屑直径,mm,mm - -岩屑密度岩屑密度, g/cm, g/cm3 3 , ,-钻井液密度钻井液密度, g/cm, g/cm3 3 fv- fv-视粘度视粘度, m pa.s, m pa.s 公式：公式：s.（） .667（ （） .333 、岩屑滑落速度、岩屑滑落速度 例例:某井钻进时测得岩屑直径某井钻进时测得岩屑直径d=12mm,=2.5 g/cm3,=1.2g/cm3,fv=16 m pa.s，求该井的岩屑滑落，求该井的岩屑滑落 速度？速度？ 解

30、：根据公式得：解：根据公式得： =0.379(m/s) 答答:该井岩屑滑落速度为该井岩屑滑落速度为0.379m/s。 当当rtrt0.50.5可满足环空净化能力可满足环空净化能力 式中式中 rt-rt-岩屑输送比岩屑输送比 v vs s-岩屑滑落速度岩屑滑落速度, m/s, m/s v va a-环空返速环空返速, m/s, m/s 经过对井眼净化能力计算，调整钻井液参数，使经过对井眼净化能力计算，调整钻井液参数，使 岩屑滑落速度岩屑滑落速度v vs s0.5 v0.5 va a, ,机械钻速不超过机械钻速不超过150m/h,150m/h, 岩屑浓度岩屑浓度c ca a小于小于0.0930.0

31、93，可实现安全钻井。，可实现安全钻井。 、岩屑输送比、岩屑输送比(井眼净化能力井眼净化能力) 例例: 某井钻进时测得某井钻进时测得vs=0.35 m/s, va=1.10 m/s,求该井求该井 的岩屑输送比的岩屑输送比,并判断岩屑进入环空的速度与携带岩并判断岩屑进入环空的速度与携带岩 屑的速度是否达到平衡屑的速度是否达到平衡? 解解: 根据公式得：根据公式得： rt=vsva .35.10 0.68 答答: 该井岩屑输送比是该井岩屑输送比是0.68, rt0.5,因此岩屑进入因此岩屑进入 环空的速度与携带岩屑的速度已经达到平衡环空的速度与携带岩屑的速度已经达到平衡. 式中式中 c ca a-

32、环空岩屑浓度环空岩屑浓度 v vs s-岩屑滑落速度岩屑滑落速度, m/s, m/s v va a-环空返速环空返速, m/s, m/s q qc c-每秒产生的岩屑量每秒产生的岩屑量,l/s,l/s q- q-泵排量泵排量, l/s, l/s 、环空岩屑浓度、环空岩屑浓度 例例: : 某井钻进时某井钻进时, , 测得测得 va=1.10 m/s, vs=0.35 m/sva=1.10 m/s, vs=0.35 m/s, , qc=0.25 l/s, q=30 l/s,qc=0.25 l/s, q=30 l/s,求环求环 空岩屑浓度是多少空岩屑浓度是多少? ? 解解: ce: ce=0.008

33、=0.008 ca=0.0120.012 答答: : 该井的环空岩屑浓度是该井的环空岩屑浓度是 0.0120.012。 (1)(1)对于钻井液的任一流态，可用流态指数对于钻井液的任一流态，可用流态指数z z来判断层流与紊流来判断层流与紊流 的界限的界限: : u z z808808为层流为层流 z z808808为紊流为紊流 井壁能承受的流态井壁能承受的流态z z值，称为值，称为井壁稳定井壁稳定z z值值，对于不同地区，对于不同地区， 不同钻井液，其值也不同。不同钻井液，其值也不同。 (2)(2)在流体力学中可用雷诺数来判断牛顿流体的流态在流体力学中可用雷诺数来判断牛顿流体的流态; ; 对于非

34、牛顿流体来说对于非牛顿流体来说, ,一般采用综合雷诺数一般采用综合雷诺数rere来判别流体的来判别流体的 流态流态: : u re2000re2000是层流是层流 rere20002000是紊流是紊流 四、流态指数四、流态指数 式中式中 dh-钻头直径，钻头直径，cm dp-钻杆外径，钻杆外径，cm n-流性指数流性指数 k-稠度系数，稠度系数，pa.sn -钻井液密度，钻井液密度，g/cm3 例：某井钻进时测得例：某井钻进时测得n=0.6, =1.20 g/cm3, k=0.3pa.sn, dh=21.6 cm, dp=12.7 cm, va=1.2 m/s,求求z值是多少值是多少? 并判断

35、是层流还是紊流并判断是层流还是紊流? 解解:z=1517.88(21.6-12.7)0.6*1.22-0.6*1.20 5000.60.60.387*0.3 =851.62808 答答:该井的该井的z值是值是851.62,属于紊流。属于紊流。 式中：vc-临界流速，m/s dh-钻头直径，cm dp-钻杆外径，cm n-流性指数 k-稠度系数，pa.sn -钻井液密度，g/cm3 五、临界流速五、临界流速 例例: :某井某井n=0.6, k=0.25 pa.sn, dh=21.6 cm, n=0.6, k=0.25 pa.sn, dh=21.6 cm, dpdp=12.7 cm, =1.25

36、g/cm=12.7 cm, =1.25 g/cm3 3, ,求临界流速求临界流速? ? 解解: :根据公式根据公式: : vcvc=0.00508=0.00508* *（2062620626* *0.60.60.387 0.387* *0.25 0.25* *2.542.540.6 0.6） ） 1/ 1/（2-0.62-0.6） （21.6-12.721.6-12.7）0.6 0.6* *1.25 1.25 =0.985 m/s =0.985 m/s 答答: :该井的临界流速是该井的临界流速是0.985 m/s0.985 m/s。 例：已知某井的钻井液的密度为例：已知某井的钻井液的密度为1.

37、15 g/cm1.15 g/cm3 3，静钻井液，静钻井液 密度为密度为0.3 g/cm0.3 g/cm3 3，求当量循环密度？，求当量循环密度？ 解：解：ecd=+ecd=+=1.15+0.3=1.45 g/cm=1.15+0.3=1.45 g/cm3 3 答：该井当量循环密度为答：该井当量循环密度为1.45 g/cm1.45 g/cm3 3 钻井液在井底下后循环时，由于流动在井底产生的压力附加钻井液在井底下后循环时，由于流动在井底产生的压力附加 值，将其换算成钻井液的密度值，将其换算成钻井液的密度，加上静钻井液密度，加上静钻井液密度， 就是当量循环密度（就是当量循环密度（ecdecd） 六

38、、当量循环密度六、当量循环密度 环空剪切速率：环空剪切速率：1200v1200va a/(d/(dh h-d-dp p) ) 管内剪切速率：管内剪切速率：1200v/d 1200v/d 式中式中 -剪切速率剪切速率,s,s-1 -1 d dh h-钻头直径，钻头直径，cmcm d dp p-钻杆外径，钻杆外径，cmcm v va a-环空返速环空返速, m/s, m/s v- v-管内流速，管内流速，m/sm/s 例：已知某井例：已知某井d dh h22 cm22 cm，d dp p12.7 cm12.7 cm，d=10.86cm,d=10.86cm, v va a=1.15 m/s,v=3.

39、2 m/s,=1.15 m/s,v=3.2 m/s,分别求环空和管内的剪切速率？分别求环空和管内的剪切速率？ 解：环空剪切速率：解：环空剪切速率： 1200v1200va a/(d/(dh h-d-dp p) )120012001.15/(22-12.7)=148s1.15/(22-12.7)=148s-1 -1 管内剪切速率：管内剪切速率：1200v/d1200v/d120012003.2/10.86=354 s3.2/10.86=354 s-1 -1 答：环空剪切速率是答：环空剪切速率是148s148s-1 -1, ,管内剪切速率是 管内剪切速率是354 s354 s-1 -1. . 七、

40、剪切速率七、剪切速率 例：某井依据实际地质和工程设计，井深例：某井依据实际地质和工程设计，井深h=3200m,h=3200m,地层压地层压 力力pp=34mpa,pp=34mpa,压力附加值压力附加值pepe=3mpa,=3mpa,钻头直径钻头直径dh=21.6cm,dh=21.6cm, 钻杆外径钻杆外径dpdp=12.7cm,=12.7cm,泵排量泵排量q=25l/s,q=25l/s,预计最大钻速预计最大钻速 v=85m/h,v=85m/h,岩屑直径岩屑直径d=12mm,d=12mm,岩屑密度岩屑密度2.5 g/cm2.5 g/cm3 3， 要求钻井液的动切力要求钻井液的动切力yp=3pa,

41、n=0.6,yp=3pa,n=0.6,井眼地层稳定井眼地层稳定z z值值 为为20002000，岩屑输送比，岩屑输送比rt=0.6,rt=0.6,对该井的有关参数进行对该井的有关参数进行 设计计算。设计计算。 解：解：(1)(1)钻井液密度钻井液密度 g gh h=(pp+pe)=(pp+pe)106106 =(pp+pe)=(pp+pe)106/ g106/ gh h (kg/m3) (kg/m3) =(pp+pe)=(pp+pe)106/ g106/ gh h (kg/m3) (kg/m3) (g/cm3)=(pp+pe)(g/cm3)=(pp+pe)103/ g103/ gh h=102

42、(pp+pe)/h=102(pp+pe)/h 102(pp+pe)/h=102(34+3)/3200=1.18 g/cm3102(pp+pe)/h=102(34+3)/3200=1.18 g/cm3 (2)(2)环空返速环空返速vava q=vaq=vas s= va= va(dh2(dh2dp2)dp2) q q10-3(m3/s) =10-410-3(m3/s) =10-4(dh2(dh2dp2) vadp2) va vava=(dh2=(dh2dp2)q=12.74dp2)q=12.74 vava=12.74=12.7425/(21.6225/(21.6212.72)=1.04(m/s)

43、12.72)=1.04(m/s) (3)(3)岩屑滑落速度岩屑滑落速度v vs s 根据公式得：根据公式得：v vs s=(1-rt)/ v=(1-rt)/ va a=(1-0.6)1.04=0.416 m/s=(1-0.6)1.04=0.416 m/s （4 4）环空视粘度）环空视粘度fvfv 根据公式得：根据公式得：fv=12.7mpafv=12.7mpas s (5)(5)塑性粘度塑性粘度pvpv 根据公式根据公式pv=fv-0.112=12.7-0.112pv=fv-0.112=12.7-0.112=9.825 mpa=9.825 mpas s (6)(6)稠度系数稠度系数k k 根据公式（根据公式（1111）得：）得： k=0.176pak=0.176pas sn n