钻井课程-钻井液与完井液

1、整理课件1钻井课程钻井课程钻井液与完井液钻井液与完井液整理课件2成成 绩绩 分分 布布1 1、出勤率（、出勤率（10%10%） （每次出勤听课，无迟到、早退、缺课者：（每次出勤听课，无迟到、早退、缺课者：1010分）分）2 2、作业（作业（20%20%） （每次独立完成作业，并提交作业：（每次独立完成作业，并提交作业：2020分）分）3 3、提问（、提问（10%10%） （回答问题正确率达（回答问题正确率达80%80%以上：以上：1010分）分）4 4、期末考试（、期末考试（60%60%） （期末考试成绩（期末考试成绩100100分：分：6060分）分） 整理课件3 钻井液流变性钻井液流变性

2、钻井液造壁性钻井液造壁性 钻井液处理剂钻井液处理剂 钻钻 井井 液液 体体 系系1 核心内容核心内容整理课件4 第一章第一章 绪绪 论论 本章要求掌握本章要求掌握： 钻井液、完井液功用、类型和组成。钻井液、完井液功用、类型和组成。 钻井液、完井液的性能及其测试。钻井液、完井液的性能及其测试。 钻井液、完井液的发展概况。钻井液、完井液的发展概况。 2整理课件5第一节第一节 钻井液、完井液的功用类型组成钻井液、完井液的功用类型组成 钻井液钻井液 凡钻进中一切有助于从井眼产生和清除钻屑凡钻进中一切有助于从井眼产生和清除钻屑 的流体（液、气、液的流体（液、气、液+ +气）。气）。广义完井液广义完井液

3、一切与产层接触的流体（各种盐水、一切与产层接触的流体（各种盐水、 聚合物溶液、钻井液、泡沫等）。聚合物溶液、钻井液、泡沫等）。狭义完井液狭义完井液 钻开油气层的钻井液。钻开油气层的钻井液。3整理课件61. 1. 钻井液的主要作用（钻井液的主要作用（简图简图）携带、悬浮岩屑控制压力形成泥饼破岩、清岩保护油气层传递水功率4整理课件71. 1. 钻井液的主要作用（钻井液的主要作用（具体内容具体内容）保持清洁；控制压力；保持清洁；控制压力；冷却润滑；防止垮塌；冷却润滑；防止垮塌；避免损害；取准资料；避免损害；取准资料；传递功率；承受重量。传递功率；承受重量。5整理课件8第二节第二节 钻井液的组成和类型

4、钻井液的组成和类型2. 2. 钻井液的组成钻井液的组成 分散相分散相+ +分散介质分散介质+ +化学处理剂化学处理剂 连续相连续相+ +不连续相不连续相 液相液相+ +固相固相+ +化学处理剂化学处理剂 6整理课件9 某种水基钻井液组分为：某种水基钻井液组分为：水水 + + 膨润土膨润土 + + 处理剂处理剂 100ml 5g 1g用组分表示的配方为：用组分表示的配方为：5%5%膨润土浆膨润土浆+1%+1%处理剂处理剂配方表示的特点：配方表示的特点： 用用W/VW/V百分数表示组分。百分数表示组分。 不考虑处理剂的体积。不考虑处理剂的体积。7整理课件10水基钻井液的典型组成水基钻井液的典型组成

5、8整理课件11油基钻井液的典型组成油基钻井液的典型组成9整理课件123. 3. 钻井液的类型钻井液的类型通常根据分散介质分为三大类：通常根据分散介质分为三大类： 水基钻井液（水基钻井液（Water-Base Drilling FluidsWater-Base Drilling Fluids） 油基钻井液（油基钻井液（Oill-Base Drilling FluidsOill-Base Drilling Fluids） 气基钻井液（气基钻井液（Gas-Base Drilling FluidsGas-Base Drilling Fluids）10整理课件13 %10Oil:)Water/Oil(%

6、4)WW(S%;7)VV(S:)FAPAM(L/mg120Ca:)CaCL/()V/W%(1NaCL:)(L/mg120Ca%;1NaCL:367222混混油油低低固固相相石石灰灰石石膏膏钙钙处处理理海海水水饱饱和和盐盐水水淡淡水水水水基基浆浆固固浆浆固固 %.:)/(%.%;:)/(90OilWO10Water10OilOW一一般般油油基基油油包包水水油油基基11整理课件14钻井液密度钻井液密度钻井液流变性钻井液流变性钻井液滤失造壁性钻井液滤失造壁性钻井液的钻井液的pH值和碱度值和碱度钻井液的含砂量钻井液的含砂量钻井液的固相含量钻井液的固相含量钻井液膨润土含量钻井液膨润土含量钻井液滤液分析钻

7、井液滤液分析第二节第二节 钻井液的性能及其测试钻井液的性能及其测试12整理课件15第三节第三节 钻井液技术的发展钻井液技术的发展 1. 1. 初步形成时期初步形成时期 1888-1928 1888-1928年；年； 2. 2. 快速发展时期快速发展时期 1928-1948 1928-1948年；年； 3. 3. 高速发展时期高速发展时期 1948-1965 1948-1965年；年； 4. 4. 科学化科学化 时期时期 1965 1965年年- -现在。现在。13整理课件16发展发展水基钻井液水基钻井液清水清水 分散钻井液分散钻井液 抑制性钻井液抑制性钻井液 不分散聚不分散聚合物钻井液合物钻井

8、液油基钻井液油基钻井液原油原油 柴油为连续相钻井液柴油为连续相钻井液 油包水乳化钻油包水乳化钻井液井液14整理课件17国内钻井液技术发展特点国内钻井液技术发展特点同样经历了这些阶段同样经历了这些阶段, ,但滞后一定时间但滞后一定时间; ;水基体系的研究应用比油基体系多水基体系的研究应用比油基体系多; ;深井水基钻井液、防塌钻井液、聚合物钻井液深井水基钻井液、防塌钻井液、聚合物钻井液理论较成熟；理论较成熟；成功研制了一些钻井液处理剂；成功研制了一些钻井液处理剂；成功应用了一些钻井液体系，如三磺体系，两成功应用了一些钻井液体系，如三磺体系，两性离子聚合物体系、聚磺体系等；性离子聚合物体系、聚磺体系

9、等；研制了大量钻井液性能评价仪器；研制了大量钻井液性能评价仪器；计算机应用相对滞后。计算机应用相对滞后。15整理课件181. 1. 初步发展时期初步发展时期 自然造浆阶段自然造浆阶段主要解决问题：主要解决问题： 携带钻屑携带钻屑 控制地层压力控制地层压力典型技术：典型技术： 水水+ +钻屑钻屑+ +地面土地面土 使用重晶石、铁矿粉（使用重晶石、铁矿粉（19201920年年) )16整理课件192. 2. 快速发展时期快速发展时期 细分散泥浆阶段细分散泥浆阶段主要解决问题：主要解决问题： 泥浆性能的稳定泥浆性能的稳定 井壁稳定井壁稳定典型技术：典型技术： 性能测定仪器研制出来性能测定仪器研制出来

10、 使用膨润土、单宁、烧碱、褐煤使用膨润土、单宁、烧碱、褐煤17整理课件203. 3. 高速发展阶段高速发展阶段 粗分散泥浆阶段粗分散泥浆阶段主要解决问题：主要解决问题： 石膏、盐污染石膏、盐污染 温度影响温度影响典型技术：典型技术： 各种盐水、钙处理泥浆各种盐水、钙处理泥浆 油基泥浆油基泥浆 处理剂品种处理剂品种1616大类大类18整理课件214. 4. 科学发展时期科学发展时期 聚合物不分散钻井液阶段聚合物不分散钻井液阶段主要解决问题：主要解决问题： 快速钻井快速钻井 保护油气层保护油气层典型技术：典型技术： 不分散低固相钻井液不分散低固相钻井液 气体钻井气体钻井 保护油气层的完井液保护油气

11、层的完井液19整理课件22第二章第二章 粘土矿物和粘土胶体化学基础粘土矿物和粘土胶体化学基础本章要求重点掌握内容本章要求重点掌握内容：1. 1. 几种粘土矿物的晶体构造特点及其水化性质。几种粘土矿物的晶体构造特点及其水化性质。2. 2. 扩散双电层理论和电解质对电动电势的影响。扩散双电层理论和电解质对电动电势的影响。3. 3. 胶体体系的基本概念。胶体体系的基本概念。4. 4. 分散度、比表面的概念。分散度、比表面的概念。5. 5. 聚结稳定性和沉降稳定性概念及其影响因素。聚结稳定性和沉降稳定性概念及其影响因素。 20整理课件23几个基本概念几个基本概念1. 1. 相和相界面相和相界面相相 物

12、质的物理化学性质都完全相同的均匀部分。物质的物理化学性质都完全相同的均匀部分。 体系中有两个或两个以上的相，称为多相体系。体系中有两个或两个以上的相，称为多相体系。相界面相界面 相与相之间的宏观物理界面。相与相之间的宏观物理界面。 在相互接触的两相中在相互接触的两相中： 若一相为气体，相界面称为表面。若一相为气体，相界面称为表面。 若是液若是液/ /固分界面，称为界面。固分界面，称为界面。21整理课件24分分 散散 相相 在多相分散体系中，被分散的物在多相分散体系中，被分散的物 质。质。分分 散散 介质介质 分散相所在的连续介质。分散相所在的连续介质。例如例如：钻井液中，粘土颗粒分散在水中。：

13、钻井液中，粘土颗粒分散在水中。 粘土为分散相；粘土为分散相； 水为分散介质。水为分散介质。22整理课件25分散度和比表面分散度和比表面分散度分散度 分散相的分散程度。分散相的分散程度。比表面比表面 单位体积（重量）物质的总表面积。单位体积（重量）物质的总表面积。比表面比表面 = S/V = S/W= S/V = S/WL11 颗颗粒粒平平均均直直径径分分散散度度23整理课件26 吸附吸附物质在两相界面上自动浓集（界面浓物质在两相界面上自动浓集（界面浓度大于内部浓度）的现象。度大于内部浓度）的现象。 吸附质吸附质被吸附的物质被吸附的物质 吸附剂吸附剂吸附吸附质的物质吸附吸附质的物质 按吸附的作用

14、力性质不同，可将吸附分为：按吸附的作用力性质不同，可将吸附分为： 物理吸附物理吸附 化学吸附化学吸附24整理课件27第一节第一节 粘土矿物的晶体构造与性质粘土矿物的晶体构造与性质 粘粘 土土：主要由粘土矿物和少量非粘土矿物组成的：主要由粘土矿物和少量非粘土矿物组成的 细粒粘滞土细粒粘滞土状物质。状物质。 特点：粒度特点：粒度 5 蒙脱石蒙脱石 高岭石。高岭石。 永久负电荷主要分布在粘土晶层层面上。永久负电荷主要分布在粘土晶层层面上。36整理课件392 . 2 . 可变负电荷可变负电荷 表面电荷表面电荷来源来源： 晶体端面的晶体端面的Al Al OH OH键键 例如：在碱性条件：例如：在碱性条件

15、： 端面吸附端面吸附OHOH- -、SiOSiO3 3 2-2-等无机阴离子，或有机阴离子等无机阴离子，或有机阴离子聚电解质。聚电解质。Al O-. H+OH-SiO3 2-37整理课件403. 3. 正电荷正电荷 表面电荷表面电荷来源来源：当：当PH8PH8时时, Al , Al O H O H Al Al+ +OH+OH- -特点特点: : 受环境受环境PHPH值影响值影响 。 正电荷正电荷 300 3000 0C C，释放出结晶水。，释放出结晶水。2. 2. 吸附水吸附水（束缚水）（束缚水）定义：由于分之间力和静电引力吸附极性水分子而在粘土表面上形成的定义：由于分之间力和静电引力吸附极性

16、水分子而在粘土表面上形成的一层水化膜。一层水化膜。特点：温度特点：温度1101100 0C C，释放出吸附水。包括：薄膜水、毛细管水、胶体水。，释放出吸附水。包括：薄膜水、毛细管水、胶体水。3. 3. 自由水自由水定义：粘土颗粒孔隙或孔道中存在的水。定义：粘土颗粒孔隙或孔道中存在的水。42整理课件45二、粘土的水化和水化膨胀二、粘土的水化和水化膨胀1. 1. 几个名称概念几个名称概念粘土水化粘土水化 粘土矿物遇水后，在其颗粒表面吸附水分子形成水化膜的过粘土矿物遇水后，在其颗粒表面吸附水分子形成水化膜的过程。程。粘土膨胀粘土膨胀 水分子进入粘土矿物晶层间，其体积由小变大的过程。水分子进入粘土矿物

17、晶层间，其体积由小变大的过程。粘土分散粘土分散 水分子进入粘土矿物晶层间，使粘土由大颗粒变为小颗粒的水分子进入粘土矿物晶层间，使粘土由大颗粒变为小颗粒的过程。过程。粘土收缩粘土收缩 在高温作用下，粘土矿物吸附的水分子逐渐蒸发，其体积由在高温作用下，粘土矿物吸附的水分子逐渐蒸发，其体积由大变小的过程。大变小的过程。43整理课件462. 2. 引起粘土矿物水化的原因引起粘土矿物水化的原因 靠静电吸附水分子产生水化靠静电吸附水分子产生水化 靠氢键吸附水分子产生水化靠氢键吸附水分子产生水化44整理课件473. 3. 粘土水化的过程粘土水化的过程两个水化过程：表面水化和渗透水化。两个水化过程：表面水化和

18、渗透水化。 表面水化表面水化定定 义义：粘土矿物晶层表面吸附水分子和补偿阳离子吸：粘土矿物晶层表面吸附水分子和补偿阳离子吸附水附水 分子、增大晶层间距的过程。分子、增大晶层间距的过程。影响因素影响因素：影响表面水化膨胀的三种力：影响表面水化膨胀的三种力： a. a. 晶层间的范德华力；晶层间的范德华力； b. b. 水化能；水化能； c. c. 晶层间的静电引力。晶层间的静电引力。45整理课件48表面水化特点：表面水化特点： 主要推动力：表面水化能（水的吸附能）。主要推动力：表面水化能（水的吸附能）。 表面吸附的水分子只有两个水分子厚度，体积膨胀小。表面吸附的水分子只有两个水分子厚度，体积膨胀

19、小。 产生的膨胀压大（产生的膨胀压大（2000 -4000kg/cm2000 -4000kg/cm2 2) )。46整理课件49 渗透水化渗透水化 特点特点： 主要推动力：双电层斥力。主要推动力：双电层斥力。 体积膨胀大。体积膨胀大。 膨胀压较小。膨胀压较小。47整理课件50 (1)因粘土晶体的部位不同，水化膜的厚度因粘土晶体的部位不同，水化膜的厚度 也不相同。也不相同。 (2)粘土矿物不同，水化作用的强弱也不同。粘土矿物不同，水化作用的强弱也不同。 (3)因粘土吸附的交换性阳离子不同，其水因粘土吸附的交换性阳离子不同，其水 化程度有很大差别化程度有很大差别(如钙蒙脱石，钠蒙脱石，见下如钙蒙脱

20、石，钠蒙脱石，见下 图图)。48整理课件5149整理课件52第四节第四节 粘土粘土 水悬浮体的稳定性水悬浮体的稳定性一、电动现象一、电动现象莱斯实验莱斯实验 实验中观察到两个现象：实验中观察到两个现象： 粘土颗粒通过细砂层向阳极移动，并粘土颗粒通过细砂层向阳极移动，并沉积起来。沉积起来。 水通过粘土团块的毛细管向阴极流动。水通过粘土团块的毛细管向阴极流动。 总结这两种实验现象，得到两个概念：总结这两种实验现象，得到两个概念： 电泳电泳：在电场作用下，分散相微粒在：在电场作用下，分散相微粒在介质中向某一电极移动的现象。介质中向某一电极移动的现象。 电渗电渗：在电场作用下，液体对固定的：在电场作用

21、下，液体对固定的带电荷的固体表面作相对运动的现象带电荷的固体表面作相对运动的现象。 显然，电泳和电渗都是外加直流电场显然，电泳和电渗都是外加直流电场于胶体体系引起的运动现象于胶体体系引起的运动现象。莱斯实验装置莱斯实验装置土粒土粒水水电电泳泳电电渗渗+-50整理课件53二、界面双电层二、界面双电层1. 1. 胶体颗粒扩散双电层胶体颗粒扩散双电层胶粒周围带有电荷后，会出现如下现象：胶粒周围带有电荷后，会出现如下现象： 反离子扩散分布于胶粒周围，形成扩反离子扩散分布于胶粒周围，形成扩散双电层。散双电层。 扩散双电层结构扩散双电层结构 扩散双电层扩散双电层 从固体表面到过剩反离子为零处。从固体表面到

22、过剩反离子为零处。 吸附层吸附层 固体表面紧密吸引着的部分反离子所固体表面紧密吸引着的部分反离子所构成。构成。 扩散层扩散层其余反离子扩散地分布在液相中所构成。其余反离子扩散地分布在液相中所构成。 滑动面滑动面 吸附层与扩散层错开的界面。吸附层与扩散层错开的界面。 胶核：胶核：固体表面固体表面 胶粒：胶粒：胶核胶核+ +吸附层吸附层 扩散双电层结构扩散双电层结构-滑动面滑动面吸附层吸附层扩散层扩散层距离距离粘土粘土51整理课件54 离子的分布离子的分布 双电层内既有同号离子，双电层内既有同号离子，又有反离子，其分布如右又有反离子，其分布如右图所示。图所示。 双电层电荷必须平衡。双电层电荷必须平

23、衡。 离子分布离子分布反离子反离子过剩反离子过剩反离子同号离子同号离子0Xnn052整理课件552. 2. 双电层中的电势（位）双电层中的电势（位） 表面电势表面电势 定义：定义：从固体表面到均匀液相内的电势降。从固体表面到均匀液相内的电势降。特点：特点： 固体表面电势最大。固体表面电势最大。 表面电势随离表面距离的增大表面电势随离表面距离的增大而大致依指数关系降低。而大致依指数关系降低。 电动电势电动电势定义：定义：从滑动面到均匀液相的电势降。从滑动面到均匀液相的电势降。特点：特点： 胶粒带电越多，胶粒带电越多，电位越高。电位越高。 大小取决于吸附层内的静电荷数。大小取决于吸附层内的静电荷数

24、。0 x053整理课件56 电势方程式电势方程式 赫斯公式赫斯公式( (Helmhohz Smoluchouski) )对于片状离子：对于片状离子： =(4v/DE)3002对对 于于 球球 离离 子：子： =(6v/DE)3002 式中式中： 介质粘度；介质粘度； v v 电泳速度；电泳速度； E E 电位梯度；电位梯度；D D 液体介电常数液体介电常数54整理课件57 3. 3. 电解质对电解质对电位的影响电位的影响 电解质压缩双电层作用电解质压缩双电层作用 电泳实验表明，任何电解质加入，都要影响电泳速度，从而影响电泳实验表明，任何电解质加入，都要影响电泳速度，从而影响电位值。电位值。1=

25、 2120 x电解质压缩恒定表面电势双电层电解质压缩恒定表面电势双电层1Rb Rb+ + K K+ + Na Na+ + Li Li+ +BaBa+ Sr Sr+ Ca Ca+ Mg Mg+62整理课件65本次作业本次作业1. 1. 钻井液的主要功用有哪些钻井液的主要功用有哪些? ?2. 2. 粘土矿物的晶格取代指的是什么粘土矿物的晶格取代指的是什么? ? 其结果如何其结果如何? ?3.3.粘土端面可否带正电粘土端面可否带正电? ? 为什么为什么? ?4.4.什么叫表面水化和渗透水化什么叫表面水化和渗透水化? ? 它们的主要驱动力和特点各是什么它们的主要驱动力和特点各是什么? ?5.5.什么是

26、粘土的什么是粘土的CEC ? CEC ? 测定它们有何意义测定它们有何意义? ?6.6.从硅氧四面体和铝氧八面体出发从硅氧四面体和铝氧八面体出发, ,简述高岭石、蒙托石、伊利石的晶体结构。简述高岭石、蒙托石、伊利石的晶体结构。63整理课件66第三章第三章 钻井液的流变性钻井液的流变性Chapter 3 The Rheology of Drilling Fluids本章要求重点掌握：本章要求重点掌握：1. 1. 流动原理及其几种流型的概念和数学模型。流动原理及其几种流型的概念和数学模型。2. 2. 流变参数的胶体化学性质。流变参数的胶体化学性质。3. 3. 流变性测量原理和流变参数直读公式。流变

27、性测量原理和流变参数直读公式。4. 4. 钻井液流变性与钻井工程的关系。钻井液流变性与钻井工程的关系。5. 5. 钻井液流变性能的调节与维护。钻井液流变性能的调节与维护。64整理课件67第一节第一节 钻井液的流动状态和基本概念钻井液的流动状态和基本概念1. 1. 流体的流动类型流体的流动类型 稳稳 定定 流流： 流场中任何点的流动参量不随时间改变，流场中任何点的流动参量不随时间改变，但不同点的流动参量是可以不同的流动。但不同点的流动参量是可以不同的流动。特特 点点： 稳定流动是连续性的。稳定流动是连续性的。 不稳定流不稳定流：流场中任何点的流动参量不但随位置不同：流场中任何点的流动参量不但随位

28、置不同而变，而且随时间不同也在改变的流动。而变，而且随时间不同也在改变的流动。特特 点点：旧的流动条件刚改变到新的流动稳定条件建立之：旧的流动条件刚改变到新的流动稳定条件建立之间的流动。间的流动。 如如：流体刚开始流动时；管道横断面变宽、变窄处。：流体刚开始流动时；管道横断面变宽、变窄处。 非稳定流动稳定流动流动类型65整理课件68 稳定流动类型的变化稳定流动类型的变化 塞流塞流 Plug Flow 稳定流稳定流 层流层流 Laminar Flow 紊流紊流 Turbulent Flow塞塞 流流层层 流流紊紊 流流稳定流动类型的变化稳定流动类型的变化66整理课件69塞流塞流：流体象塞子一样流

29、动，流速为常数。：流体象塞子一样流动，流速为常数。层流层流：流体分层运动。任意流层与相邻流层方向相：流体分层运动。任意流层与相邻流层方向相 同，流速同，流速不同。不同。紊流紊流：流体内形成无数小旋涡。任一定点的流速，其大小、：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。方向都在进行着不规则的、连续的变化。67整理课件702. 2. 基本概念基本概念（预备知识）（预备知识） 剪切速率剪切速率 Shear Rate统一名称统一名称：速梯、剪率、切变率速梯、剪率、切变率。常用符号常用符号：、D、dv/dx、dv/dr定定 义义： = dv/dr = 垂直于流动方

30、向上单位距离内的流速增量。垂直于流动方向上单位距离内的流速增量。意意 义义： dv/dr 增大，液流各层间的速度变化大；反之则小。增大，液流各层间的速度变化大；反之则小。单单 位位： = 速度速度/ /距离距离 = 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钻井液循环系统中各部位剪切速率范围为: : 沉砂罐处：沉砂罐处：1020s-1 环形空间：环形空间：50250s-1 钻杆内部：钻杆内部：1001000s-1 钻头水眼：钻头水眼：10007000s-168整理课件71 剪切应力剪切应力 Shear Stress统一名称统一名称：剪应力、切应力剪应力、切应力。

31、常用符号常用符号：定定 义义： = F/A = 液层单位面积上的剪切力。液层单位面积上的剪切力。意意 义义：越大，液流各层所受的作用力越大；反之，越大，液流各层所受的作用力越大；反之，越小。越小。单单 位位： = F/A = dyn/cm2；Pa。 1Pa = 10dyn/cm269整理课件72 流变曲线流变曲线 Consistency CurveConsistency Curve定定 义义：速梯与切应力关系曲线。：速梯与切应力关系曲线。表示方法表示方法：三种表示法。：三种表示法。000 ；Q；V；n ； P；P； 流变曲线表示法流变曲线表示法70整理课件73 粘度粘度 Viscosity统一

32、名称统一名称：有效粘度、视粘度有效粘度、视粘度。常用符号常用符号：定定 义义： = / = 单位剪切速率的剪切应力。单位剪切速率的剪切应力。单单 位位： = / = dyn/cm2/s-2 = 泊泊 1泊泊 = 271整理课件74几何意义几何意义A = 1/tg = A / A 越大，越大，越小越小图中：图中： A B0AB2 10AB 21有效粘度几何意义有效粘度几何意义72整理课件75 漏斗粘度漏斗粘度 Funnel ViscosityFunnel Viscosity定定 义义：定体积泄流时间定体积泄流时间。单单 位位：秒；秒；s s。类类 型型： 马氏漏斗粘度马氏漏斗粘度 Marsh F

33、unnel ViscosityMarsh Funnel Viscosity定义定义：1500ml 1500ml 流出流出946ml 946ml 的时间的时间。标准标准： 中国漏斗粘度中国漏斗粘度定义定义：700ml700ml流出流出500ml500ml的时间的时间。标准标准：漏斗粘度计示意图漏斗粘度计示意图73整理课件76第二节第二节 基本流型及其分析基本流型及其分析一、流体分类一、流体分类 根据根据“应力应力 应变（流动）（应变（流动）（ -）”关系，将流体分为：关系，将流体分为： 非牛顿体，法向应力），粘弹性流体震凝体触变体与时间有关的流体膨胀体假塑性塑性体与时间无关的流体非牛顿流体牛顿流

34、体粘性流体流体tf( (74整理课件77二、流体分析二、流体分析 对流体研究对象的基本假设对流体研究对象的基本假设： 连续介质连续介质 均质性均质性 不可压缩性不可压缩性 层流层流75整理课件781 1、牛顿内摩擦定律与牛顿流体、牛顿内摩擦定律与牛顿流体 牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律=F/A=(dv/dr)=F/A=(dv/dr) 表征流体粘性的比例系数，简称表征流体粘性的比例系数，简称牛顿粘度。牛顿粘度。 F F 内摩擦力。内摩擦力。 牛顿流体牛顿流体 流变性符合牛顿内摩擦定律的流体。流变性符合牛顿内摩擦定律的流体。类型举例类型举例：水、甘油、单相液体等。：水、甘油、单相液体等。流变曲线流变

35、曲线：通过原点的直线。：通过原点的直线。 特点特点： = / =C= / =C（常数）（常数） 液体流动示意图及流变曲线液体流动示意图及流变曲线Frdvdrr0稠液体稠液体稀液体稀液体76整理课件792. 2. 非牛顿流体非牛顿流体 剪切应力与剪切速率不呈线形关系的流体。剪切应力与剪切速率不呈线形关系的流体。（1 1）流变特性与时间无关的非牛顿流体）流变特性与时间无关的非牛顿流体特点特点： 与与呈单值对应关系。呈单值对应关系。 塑性流体塑性流体 Plastic FluidsPlastic Fluids数学模型数学模型： - - 0 0 = = s s 流变曲线流变曲线：有截距的直线。：有截距的

36、直线。流变参数流变参数： 0 0 动切应力动切应力 Yield StressYield Stress统一名称统一名称：屈服值、屈服点。：屈服值、屈服点。定定 义义：流体开始呈现层流流动时所需要：流体开始呈现层流流动时所需要 的剪切应力。的剪切应力。常用符号常用符号： 0 0；YPYP单单 位位：dyn/cmdyn/cm2 2、PaPa几何意义几何意义：直线截距的切应力值。：直线截距的切应力值。 0s0真实泥浆真实泥浆塑性体塑性体流型图流型图77整理课件80s s 塑性粘度塑性粘度 Plastic ViscosityPlastic Viscosity定定 义义：产生单位剪切速率所需要的剪切应力。

37、：产生单位剪切速率所需要的剪切应力。常用符号常用符号： s s、PVPV单单 位位2 2、泊、厘泊。、泊、厘泊。模式讨论模式讨论 - - 0 0 = = s s 或者或者 = = s s+ + 0 0/ / 优点优点： 0 0， 0 0 能够反映多数钻井液具有内部结构情况。能够反映多数钻井液具有内部结构情况。 ， 能够反映多数钻井液的剪切稀释性。能够反映多数钻井液的剪切稀释性。 ， s s 能够反映出钻井液的极限粘度。能够反映出钻井液的极限粘度。缺点缺点： 低剪切速率下低剪切速率下： 实实 宾宾 表明模型拟合实际曲线有较大偏差表明模型拟合实际曲线有较大偏差. .78整理课件81真实泥浆与不同流

38、型的比较真实泥浆与不同流型的比较 r0真实泥浆与不同流型的比较真实泥浆与不同流型的比较79整理课件82 假塑性流体假塑性流体 Pseudoplastic FluidsPseudoplastic Fluids流变模式流变模式： = K = Kn n流变曲线流变曲线：过原点凸向切应力轴的曲线。：过原点凸向切应力轴的曲线。（因其延长线与坐标轴交点似乎有一个动切力，故称其名）流变参数流变参数： KK稠度系数稠度系数意义意义：反映流体的粘滞性。：反映流体的粘滞性。K K越大，流体越难流动。越大，流体越难流动。单位单位n n/cm/cm2 2 n n流型指数流型指数 意义意义：偏离牛顿流体的程度。：偏离牛

39、顿流体的程度。模式讨论模式讨论 = K = Kn n 或者或者 = K= Kn-1n-1 0 0， 0 0 不符合大多数钻井液具有屈服应力的特不符合大多数钻井液具有屈服应力的特点。点。 ， 能够反映钻井液的剪切稀释性。能够反映钻井液的剪切稀释性。， 0 0 无极限粘度，不符合钻井液情况。无极限粘度，不符合钻井液情况。 0r80整理课件83 卡森流体卡森流体流变模型流变模型：1/21/2 = = c c1/21/2 + + 1/21/2 1/21/2流变曲线流变曲线： 1/21/2-1/21/2 作图，为一条直线。作图，为一条直线。 - -作图，为直线与曲线之和。作图，为直线与曲线之和。模式讨论

40、模式讨论 1/21/2 = = c c1/21/2 + + 1/21/2 1/21/2 0 0， c c 能够反映多数钻井液具有内能够反映多数钻井液具有内 部结构情况。部结构情况。 ， 能够反映多数钻井液的剪切能够反映多数钻井液的剪切 稀释性。稀释性。， 能够反映出钻井液的极限粘度。能够反映出钻井液的极限粘度。卡森流体流变曲线卡森流体流变曲线c00 1/2 c1/2r1/2r81整理课件84三、剪切稀释性三、剪切稀释性 1 1、定义、定义 钻井液的有效粘度随剪切速率增加而降钻井液的有效粘度随剪切速率增加而降低的现象。低的现象。特点特点：剪切速率是变量；粘度是变量。：剪切速率是变量；粘度是变量。

41、表示法表示法：动塑比：动塑比 或或 YP/PVYP/PV意义意义： YP/PVYP/PV越大，钻井液的剪切稀释性越强。越大，钻井液的剪切稀释性越强。82整理课件852 2、 流变特性与时间有关的非牛顿流体流变特性与时间有关的非牛顿流体特点特点： =f (=f (，t t ） 触变性流体触变性流体 ThixotropyThixotropy 实验现象：流体摇动并静止后形成凝胶，再次摇动后恢复到原有实验现象：流体摇动并静止后形成凝胶，再次摇动后恢复到原有状态。状态。 通俗定义：恒温恒压下，流体搅拌后变稀，静止后变稠的特性。通俗定义：恒温恒压下，流体搅拌后变稀，静止后变稠的特性。 一般定义：一般定义：

42、A. A. 在一定速梯下，剪切应力随作用时间在一定速梯下，剪切应力随作用时间 增加而减小的特性。增加而减小的特性。B. B. 在一定速梯下，剪切应力随静置时间在一定速梯下，剪切应力随静置时间 增加而增大的特性。增加而增大的特性。 胶化定义：等温情况下，流体状态发生胶化定义：等温情况下，流体状态发生 凝胶凝胶溶胶溶胶凝胶可逆转变凝胶可逆转变 的特性。的特性。0t牛顿体震凝体触变体83整理课件86 触变性机理触变性机理 流体内部的粘土粒子因其物化原因易形成网架结构。流体内部的粘土粒子因其物化原因易形成网架结构。静止后静止后：粒子为了满足表面静电饱和，在自由能最小部位自行排列而形成凝：粒子为了满足表

43、面静电饱和，在自由能最小部位自行排列而形成凝胶结构。胶结构。搅拌时搅拌时：网架结构逐步被拆散。：网架结构逐步被拆散。 显然，凝胶结构显然，凝胶结构 = f ( = f ( 固含、固相类型、温度、时间、剪切过程、固含、固相类型、温度、时间、剪切过程、处理剂类型）处理剂类型）触变性的两个特点触变性的两个特点：A. A. 形成结构到拆散结构，或反之，在等温情况下是可逆的，可重复的。形成结构到拆散结构，或反之，在等温情况下是可逆的，可重复的。B. B. 借结构的变化与时间紧密相关。借结构的变化与时间紧密相关。静置静置静置静置搅拌搅拌搅拌搅拌84整理课件87 触变性的表示和测量触变性的表示和测量表示原理

44、表示原理：用流体恢复内部网架结构所需时间和最终的静切应力大小表示。：用流体恢复内部网架结构所需时间和最终的静切应力大小表示。表示方法表示方法：触变性：触变性 = = 初切力初切力 - - 终切力终切力 或者或者 触变性触变性 = = 初切力初切力/ / 终切力终切力具体表示具体表示： 低密度钻井液低密度钻井液：触变性：触变性 = = 初切力初切力/ /终切力终切力 =1=1分钟静切力分钟静切力/10/10分钟静切力分钟静切力 即：触变性即：触变性 = = 11/ / 1010 = G = G11/G/G1010高密度钻井液高密度钻井液：触变性：触变性 = 10= 10秒钟静切力秒钟静切力/10

45、/10分钟静切力分钟静切力=1010/ / 1010= G= G10”10”/G/G1010较快的强凝胶较快的强凝胶较慢的强凝胶较慢的强凝胶较快的弱凝胶较快的弱凝胶较慢的弱凝胶较慢的弱凝胶sstt平坦型凝胶平坦型凝胶递增型凝胶递增型凝胶良好型凝胶良好型凝胶脆弱型凝胶脆弱型凝胶85整理课件88第三节第三节 钻井液流变参数的胶体化学性质钻井液流变参数的胶体化学性质学习意义：学习意义： 分散介质间吸引力。分散介质间吸引力。流变性流变性=f(=f(流动阻力）流动阻力） 分散相与介质粘附力。分散相与介质粘附力。 反映钻井液自身结构强弱反映钻井液自身结构强弱 分散相之间吸力、斥力。分散相之间吸力、斥力。

46、（可通过化学处理改变）（可通过化学处理改变）即：化学处理即：化学处理改变体系内部结构（胶化性质）改变体系内部结构（胶化性质）改变流阻改变流阻改变钻井液流变性改变钻井液流变性因此，通过钻井液流变性变化，可以分析：因此，通过钻井液流变性变化，可以分析： 化学处理剂作用后，钻井液体系中分散相结构的微观变化。化学处理剂作用后，钻井液体系中分散相结构的微观变化。 钻井液体系的稳定性。钻井液体系的稳定性。 寻求符合生产实际所需要的钻井液配方，满足钻井工程的需要。寻求符合生产实际所需要的钻井液配方，满足钻井工程的需要。86整理课件89一、钻井液的静切应力和动切应力一、钻井液的静切应力和动切应力1. 1. 静

47、切力静切力s s定义：定义： 钻井液静止后形成的凝胶结构强度。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。钻井液从静止到开始塞流流动所需要的最小剪切应力。影响因素：影响因素： 单个链环的强度单个链环的强度 颗粒间引力颗粒间引力 电位、水化膜厚度电位、水化膜厚度h h。 结构链环数目结构链环数目/ /单位体积（结构密度）单位体积（结构密度） 颗粒浓度颗粒浓度c c、分散度。、分散度。调整方法：调整方法： 升升s s 提高提高 c c 、分散度，降低、分散度，降低 、水化膜厚度、水化膜厚度h h。 降降s s 与上相反。与上相反。87整理课件90静切力的实际应

48、用静切力的实际应用（1 1）悬浮岩屑和加重材料）悬浮岩屑和加重材料悬浮岩屑（球形）所需静切力为：悬浮岩屑（球形）所需静切力为： s s（g/cmg/cm2 2) = d() = d( 岩岩- - 浆浆）/6/6 s s（dyn/cmdyn/cm2 2) = d() = d( 岩岩- - 浆浆）/6/6经验数据：经验数据：初切力初切力 =26 Pa =26 Pa时，可达到良好的悬浮能力。时，可达到良好的悬浮能力。终切力终切力 =2 =2初切力，属于良好型触变体。初切力，属于良好型触变体。终切力终切力 =5 =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。初切力，属于递增型触变体。

49、此时，会造成泵压过高，易压漏地层。（2 2） 影响井内液柱压力激动影响井内液柱压力激动（阅读）（阅读） 静切力示意图静切力示意图G =G =重力重力- -浮力浮力s88整理课件912. 2. 动切应力动切应力0 0（YPYP）定义定义：钻井液开始作层流流动时，必须要的最小剪切应：钻井液开始作层流流动时，必须要的最小剪切应力。力。实质实质：层流流动时，流体内部结构一部分被拆散，另一：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。当拆散部分重新恢复。当拆散 与恢复速度相等时，保留与恢复速度相等时，保留的那部分内部结构所产生的剪切阻力。的那部分内部结构所产生的剪切阻力。0 0与与s s的区

50、别的区别： 0 0为层流流动条件下固体颗粒之间吸引力的量度；为层流流动条件下固体颗粒之间吸引力的量度； s s为静止条件下固体颗粒之间吸引力的量度；为静止条件下固体颗粒之间吸引力的量度；89整理课件92影响因素影响因素（类似于静切力）（类似于静切力） 单个链环的强度单个链环的强度 颗粒间引力颗粒间引力 电位、水化电位、水化膜厚度膜厚度h h。 结构链环数目结构链环数目/ /单位体积（结构密度）单位体积（结构密度） 颗粒浓度颗粒浓度c c、分散度。、分散度。调整方法调整方法： 升升s s 提高提高 c c、分散度，降低、分散度，降低 、水化膜厚度、水化膜厚度h h。 降降s s 与上相反。与上相

51、反。90整理课件93二、钻井液的粘度二、钻井液的粘度1. 1. 表观粘度表观粘度( (有效粘度、视粘度）有效粘度、视粘度）定义定义： = / = / 意义意义：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：结果： 固固 - -固颗粒间内摩擦阻力；固颗粒间内摩擦阻力； 固固 - -液相分子间内摩擦阻力；液相分子间内摩擦阻力； 液液 - -液分子间内摩擦阻力；液分子间内摩擦阻力； 固相结构固相结构 - -液相分子间内摩擦阻力。液相分子间内摩擦阻力。几种流体（模式）表示的表观粘度几种流体（模式）表示的表观粘度： 宾宾

52、汉汉 体体：= s+ 0/ 假塑性体假塑性体：= K()n-1 卡卡 森森 体体：= ( )1/2 +(0/ ）1/21/291整理课件942. 2. 宾汉体的塑性粘度宾汉体的塑性粘度s s定义定义：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，：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，以下以下三部分内摩擦力的微观统计结果：三部分内摩擦力的微观统计结果： 固固 - -固颗粒间内摩擦阻力；固颗粒间内摩擦阻力； 固固 - -液相分子间内摩擦阻力；液相分子间内摩擦阻力； 液液 - -液分子间内摩擦阻力；液分子间内摩擦阻力；特点特点： s s不随不随dv/drdv/dr变化而

53、变化。变化而变化。影响因素影响因素： 固相含量：固含固相含量：固含 s s ； 分散度：分散度分散度：分散度 s s ； 液相粘度：液相粘度液相粘度：液相粘度 s s ；调整调整s s 的方法的方法：根据影响因素升、降：根据影响因素升、降s s 。92整理课件953. 3. 假塑性体假塑性体的的 n n、k k稠度系数稠度系数 k k：k =f (k =f (液相、固相含量及其性质）液相、固相含量及其性质）流性指数流性指数 n n：n= f(n= f(内部结构强弱）内部结构强弱） n n反映了流体的非牛顿强弱，反映了流体的非牛顿强弱，n n越小，流体非牛顿性月强。越小，流体非牛顿性月强。降降k

54、 k值方法值方法（与提（与提k k方法相反）：方法相反）： 增加惰性固体含量；增加惰性固体含量； 稀释或者除砂；稀释或者除砂； 加入膨润土。加入膨润土。调整调整 n n值方法值方法：降降 n n 加入活性膨润土、无机盐、高分子聚合物等；加入活性膨润土、无机盐、高分子聚合物等；提提 n n 加入清水、稀释剂等。加入清水、稀释剂等。93整理课件96第四节第四节 钻井液流变参数的确定钻井液流变参数的确定一、旋转粘度计原理和基本计算公式一、旋转粘度计原理和基本计算公式1. 1. 内、外筒式旋转粘度计原理内、外筒式旋转粘度计原理 内外筒之间充满被测钻井液，当外筒旋内外筒之间充满被测钻井液，当外筒旋转时，

55、通过流体的粘性带动同轴内筒转动，转时，通过流体的粘性带动同轴内筒转动，使扭力弹簧扭转一定角度至平衡为止，由此使扭力弹簧扭转一定角度至平衡为止，由此反应不同流体的剪切应力大小。反应不同流体的剪切应力大小。 因为内、外筒尺寸和外筒转速确定了内因为内、外筒尺寸和外筒转速确定了内筒外舴面的剪切速率，所以，可根据测得的筒外舴面的剪切速率，所以，可根据测得的“-”-”关系计算钻井液的流变参数。关系计算钻井液的流变参数。 旋转粘度计原理图旋转粘度计原理图 R1drR2R1RLh94整理课件972. 2. 旋转粘度计基本计算公式旋转粘度计基本计算公式 将线速度梯度代入牛顿内摩擦定律，并考虑内筒外表面切应力，将

56、线速度梯度代入牛顿内摩擦定律，并考虑内筒外表面切应力，可推得以下旋转粘度计的基本公式：可推得以下旋转粘度计的基本公式： =M / ( 2R12h ) =2R22 / (R22 - R12) = R22n / 15 (R22 - R12) 式中式中： 外筒旋转角速度；外筒旋转角速度； n n 外筒每分钟转速；外筒每分钟转速； R R1 1 、 R R1 1 内、外筒半径。内、外筒半径。95整理课件98二、钻井液流变参数的确定二、钻井液流变参数的确定1. 1. 仪器参数的确定仪器参数的确定常用仪器常用仪器：Fan-35SAFan-35SA型旋转粘度计。型旋转粘度计。仪器参数仪器参数： R2 R1

57、R2/R1 h k cm cm cm 1.8415 1.7245 1.0678 3.8 300 386 将仪器参数代入将仪器参数代入 =R22n / 15 (R22 - R12) 中，得到：中，得到：=1.703 n利用该式，可以计算出不同转速下的剪切速率。利用该式，可以计算出不同转速下的剪切速率。 r/min 600 300 200 100 6 3 r.s-1 1022 511 340.7 170.3 10.22 5.11 96整理课件99又根据测定扭距又根据测定扭距 M = k，得到仪器最大测定扭距：，得到仪器最大测定扭距：Mmax = 300 将其代入将其代入 =M / ( 2R12h

58、)，得：，得：max = 1533 dyn/cm2由此，可得到仪器扭簧系数：由此，可得到仪器扭簧系数：C = / = 1533/300 = 5.11 dyn/cm2/格格综上可见，我们已经得到了如下公式：综上可见，我们已经得到了如下公式： = C =1.703 n 流变参数精确计算公式（根据直线的两点法则推得）流变参数精确计算公式（根据直线的两点法则推得）因此，可以利用这些公式导出钻井液流变参数的直读计算公式。因此，可以利用这些公式导出钻井液流变参数的直读计算公式。97整理课件1002. 2. 不同流体的流变参数直读公式不同流体的流变参数直读公式 牛顿流体牛顿流体 Newtonian Flui

59、ds： = 300 = 1/2 600 宾汉塑性流体宾汉塑性流体 Bingham Model s =600- 300 =600 0 (300- 假塑性体假塑性体 Power Law Model n = 3.322 lg(600 /300)300 /511nn 卡森流体卡森流体 Casson Model 1/2 = 2.42 (6001/2 - 3001/2) (mPa.s)1/2 c1/2 (61001/2 - 6001/2 ) Pa1/298整理课件101第五节第五节 钻井液流变性能与钻井工程的关系钻井液流变性能与钻井工程的关系 钻井液流变性能与钻井工程的关系钻井液流变性能与钻井工程的关系

60、主要体现在下列几个方面主要体现在下列几个方面： 影响钻井速度；影响钻井速度； 影响环空携带岩屑能力；影响环空携带岩屑能力； 影响井壁稳定；影响井壁稳定； 影响岩屑和加重物质的悬浮；影响岩屑和加重物质的悬浮； 影响井内压力激动；影响井内压力激动； 影响钻进泵压和排量；影响钻进泵压和排量； 影响固井质量。影响固井质量。99整理课件1021. 1. 影响钻井速度影响钻井速度 EckelEckel指出，在其它因素不变时，钻速与钻头处雷诺数的指出，在其它因素不变时，钻速与钻头处雷诺数的0.50.5次方成正比：次方成正比：Vm = f(Ne)1/2 设有两种钻井液，钻速的表达式为：设有两种钻井液，钻速的表