钻井液完井液化学3、4章

1、1第三章、钻井液的流变性第三章、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. 几种流型的概念和数学模型。几种流型的概念和数学模型。2. 流变参数的胶体化学性质。流变参数的胶体化学性质。3. 流变性测量原理和流变参数直读公式。流变性测量原理和流变参数直读公式。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. 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。2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. 流体的流动类型流体的流动类型 稳稳 定定 流

2、：流： 流场中任何点的流动参量不随时间改变，但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可以不同的流动。不同点的流动参量可以不同的流动。 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：流场中任何点的流动参量不但随位置不同而不稳定流：流场中任何点的流动参量不但随位置不同而变，而且随时间不同也在改变的流动。变，而且随时间不同也在改变的流动。 特特 点：旧的流动条件刚改变到新的流动稳定条件建点：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。立之间的流动。 如：流体刚开始流动时；管道横断面变宽、变窄处。如：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

3、流动流动类型3稳定流动类型的变化稳定流动类型的变化 塞流塞流 Plug Flow-流体象塞子一样流动，流速为常数流体象塞子一样流动，流速为常数.稳定流稳定流 层流层流 Laminar Flow-流体分层运动。任意流层与相邻流流体分层运动。任意流层与相邻流 层方向相层方向相 同，流速不同。同，流速不同。 紊流紊流 Turbulent Flow-流体内形成无数小旋涡。任一定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。点的流速，其大小、方向都在进行着不规则的、连续的变化。塞塞 流流层层 流流紊紊 流流42. 基本概念（预备知识）基本概念（预备知识） 剪切速率剪

4、切速率 Shear Rate同义名称：速梯、剪率、切变率，流速梯度。同义名称：速梯、剪率、切变率，流速梯度。常用符号：常用符号：、D、dv/dr定定 义：义： = dv/dr = 垂直于流动方向上单位距离内的垂直于流动方向上单位距离内的 流速增量。流速增量。意意 义：义： dv/dr 增大，液流各层间的速度变化大；反增大，液流各层间的速度变化大；反之则小。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

5、杆内部：钻杆内部：1001000s-1 钻头水眼：钻头水眼：10007000s-15 剪切应力剪切应力 Shear Stress同义名称：剪应力、切应力。同义名称：剪应力、切应力。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。剪切应力越小。剪切应力 内摩擦力内摩擦力单单 位：位： = F/A = dyn/cm2；Pa。 1Pa =1N/m2= 10dyn/cm26 流变曲线流变曲线 Consistency Curve定定 义：速梯与切应力关系曲

6、线。义：速梯与切应力关系曲线。表示方法：三种表示法。表示方法：三种表示法。000Q；V；n P；P； 7 粘度粘度 Viscosity同义名称：有效粘度、视粘度。同义名称：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-1 = dyn.s/cm2 = 泊泊 1泊泊 = 100cp = 100mPa.s = 1dyn.s/cm2=0.1Pa.s8几何意义几何意义1.流变曲线上某点与原点相连直流变曲线上某点与原点相连直线斜率的倒数线斜率的倒数A = 1/tg = A / A 越大，越大，

7、越小越小图中：图中： A B0AB2 10AB 219漏斗粘度漏斗粘度 Funnel Viscosity定定 义：定体积泄流时间。义：定体积泄流时间。单单 位：秒；位：秒；s类类 型：型： 马氏漏斗粘度马氏漏斗粘度 Marsh Funnel Viscosity定义：定义：1500ml 流出流出946ml 的时间。的时间。标准：清水测量值：标准：清水测量值：260.5s 中国漏斗粘度中国漏斗粘度定义：定义：700ml流出流出500ml的时间。的时间。标准：标准：清水测量值：清水测量值：150.5s10漏斗粘度反映流变性的优缺点漏斗粘度反映流变性的优缺点 优点：优点： 简单易行简单易行 缺点：缺点

8、： 测定过程中流速梯度测定过程中流速梯度在变化在变化 没有考虑流体密度的没有考虑流体密度的影响影响11剪切稀释性剪切稀释性 钻井液的有效粘度随剪切速率增加而降低的钻井液的有效粘度随剪切速率增加而降低的现象。现象。特点：剪切速率是变量；粘度是变量。特点：剪切速率是变量；粘度是变量。 可用可用YP/PV ,n, Im等来表征。等来表征。12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，将流体分关系，将流体分为：为： 向应,，体粘弹震凝体触变间有关的流体与膨胀假塑性塑性体关的流体与时非牛顿流体牛粘性流体流体力）

9、法性流体时体间无流体顿tf(13二、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141、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) 表征流体粘性的比例系数，表征流体粘性的比例系数，简称牛顿粘度。简称牛顿粘度。 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流变性符合牛顿内摩擦定律的流体。的流体。类型举例：水、甘油、单相液类型举例：水、甘油、单相液体等。体等。流变曲线：通过原点的直线。流变曲线：通过原点的直线。 特点：特

10、点： = / =C（常数）（常数） Frdvdrr0稠液体稠液体稀液体稀液体152. 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）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 Fluids数学模型：数学模型： = 0 +s 流变曲线：在切应力轴有截距的直线。流变曲线：在切应力轴有截距的直线。流变参数：流变参数： 动切应力动切应力 Yield Stress同意名称：屈服值、屈服点。同意名称：屈服值、屈服点。定定 义：流体开始呈现层流流动

11、时所需要的剪切应力。义：流体开始呈现层流流动时所需要的剪切应力。常用符号：常用符号： 0；YP单单 位：位：dyn/cm2、Pa几何意义：直线截距的切应力值。几何意义：直线截距的切应力值。 00塑性体塑性体16 塑性粘度塑性粘度 Plastic Viscosity定定 义：塑性流体与其结构强弱无关的粘度。义：塑性流体与其结构强弱无关的粘度。常用符号：常用符号： s、PV单单 位：公制：位：公制：dyn.s/cm2、泊、厘泊。、泊、厘泊。 国际：国际：Pa.s、mPa.s模式讨论模式讨论 - 0 = s 或者或者 = s+ 0/ 优点：优点： 0， 0 能够反映多数钻井液具有内部结构情况。能够反

12、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 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表明模型拟合实际曲线有较大偏差偏差.17真实泥浆与不同流型的比较真实泥浆与不同流型的比较 r0 0 s钻井液钻井液宾汉流体宾汉流体假塑性流体假塑性流体18假塑性流体假塑性流体 Pseudoplastic Fluids流变模式：流变模式： = Kn流变曲线：过原点凸向切应力轴的曲线。流变曲线：过原点凸向切应力轴的曲线。流变参数：流变参数： 稠度系数稠度

13、系数 K意义：反映流体的粘滞性。意义：反映流体的粘滞性。K越大，流体越难流动。越大，流体越难流动。单位：单位：dyn.sn/cm2 流型指数流型指数 n意义：偏离牛顿流体的程度。意义：偏离牛顿流体的程度。模式讨论模式讨论 = Kn 或者或者 = Kn-1 0， 0 不符合大多数钻井液具有屈服应力的特点。不符合大多数钻井液具有屈服应力的特点。 ， 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 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。 0rn1n119 卡森流体卡森流体Casson fluid流变模型：流变模型：1/2 = c1/2 + 1/2 1/2流变曲线

14、：流变曲线： 1/2 1/2 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。模式讨论模式讨论 1/2 = c1/2 + 1/2 1/2 0， 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。 Im= 1 / c00 1/2 c1/2r1/2r20赫巴流型赫巴流型流变模式流变模式说明说明对于动切力较高的聚合物钻井液，特别是在环空较对于动切力较高的聚合物钻井液，特别是在环空较低剪切速率下，它往往比宾

15、汉模式和幂律模式更接低剪切速率下，它往往比宾汉模式和幂律模式更接近于钻井液的流变性。因其为三参数方程，参数计近于钻井液的流变性。因其为三参数方程，参数计算较复杂。算较复杂。nyK21(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 (，t ） 触变性流体触变性流体 Thixotropy 实验现象：流体摇动并静止后形成凝胶，再次摇动后恢复实验现象：流体摇动并静止后形成凝胶，再次摇动后恢复到原有状态。到原有状态。 通俗定义：恒温恒压下，流体搅拌后变稀，静止后变稠的通俗定义：恒温恒压下，流体搅拌后变稀，静止后变稠的特性。特性。 一般定义：一般定义： 在一定速梯下

16、，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。 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22 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：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胶形成凝胶 结构。结构。搅拌时：网架结构逐步被拆散。搅拌时：网架结构逐步被拆散。显然，凝胶结构显然，凝胶结构 =

17、 f ( 固含、固相类型、温度、时间、剪切过程、处理固含、固相类型、温度、时间、剪切过程、处理剂类型）剂类型）触变性的两个特点：触变性的两个特点：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. 结构的变化与时间紧密相关。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23 触变性的表示和测量触变性的表示和测量表示原理：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。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。表示方法：表示方法： 触变性触变性 = 初切力初切力/终切力（旋

18、转粘度计或浮筒切力计）终切力（旋转粘度计或浮筒切力计） 触变环面积大小触变环面积大小.具体表示：具体表示： 触变性触变性 = 初切力初切力/终切力终切力 = 10秒钟静切力秒钟静切力/10分钟静切力分钟静切力 =10“/ 10 = G10”/G10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24浮筒切力计浮筒切力计25(补充补充) 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

19、=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。 （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）改变流动阻力改变流动阻力 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

20、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。26一、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. 静切力静切力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。 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、分颗粒浓度、分散度。散度。调整方法：调整方法： 升升s 提高提高 c

21、 、分散度，降低、分散度，降低 、水化膜厚度。、水化膜厚度。 降降s 与上相反。与上相反。27静切力的实际应用静切力的实际应用（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（dyn/cm2) = 980d( 岩岩- 浆浆）/6 d-颗粒直径，颗粒直径，cm经验数据：经验数据：初切力初切力 =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初切力，属于递增型触变体。此时，会造成泵压过高，易初切力，属于递增型触变体。此时，会造成泵压过高

22、，易压漏地层。压漏地层。（2） 影响井内液柱压力激动（阅读）。影响井内液柱压力激动（阅读）。G =重力重力-浮力浮力s282. 动切应力动切应力0 0（YPYP）定义：钻井液开始作层流流动时，必须要的最小剪切应定义：钻井液开始作层流流动时，必须要的最小剪切应力。力。实质：宾汉模式中的一个流变参数。没有准确的物理意实质：宾汉模式中的一个流变参数。没有准确的物理意义义,不能直接测定出不能直接测定出,但可计算出其大小但可计算出其大小.0 0与与s s的区别：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

23、；为静止条件下固体颗粒之间吸引力的量度；29影响因素（类似于静切力）：影响因素（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、水化膜电位、水化膜厚度。厚度。 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、分散度。分散度。调整方法：调整方法： 升升o 提高提高 c、分散度，降低、分散度，降低 及水化膜厚度，加增及水化膜厚度，加增粘剂。粘剂。 降降o 冲稀、加降粘剂拆结构。冲稀、加降粘剂拆结构。30二、钻井液的粘度二、钻井液的粘度1. 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，有

24、效粘度等于以下四部分内摩擦力的微钻井液作层流流动时，有效粘度等于以下四部分内摩擦力的微观统计结果：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； 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）表示的有效粘度：几种流体（模式）表示的有效粘度： 宾宾 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 +(c/ ）1/22312. 宾汉体的塑性粘度宾汉体的塑性粘度s定义：层流流动时，流体内部网状结构的

25、破坏与恢复处于动定义：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，态平衡时，以下三以下三 部分内摩擦力的微观统计结果：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不随不随dv/dr变化而变化。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 ； 分散度：分散度分散度：分散度 s ； 液相粘度：液相粘度液相粘度：液相粘度 s ；调整调整s 的方法：的方法： 根据影响因素升、降根据影响因素升、降s 。323. 假塑性体的假

26、塑性体的 n、k稠度系数稠度系数 k：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= f (内部结构强弱）内部结构强弱） n反映了流体的非牛顿性强弱，反映了流体的非牛顿性强弱，n越小，流体越小，流体非牛顿性越强。非牛顿性越强。降降 k值方法（提值方法（提 k方法相反）方法相反）： 降低固体含量；降低固体含量； 稀释或者除砂；稀释或者除砂；调整调整 n值方法：值方法：降降 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 加入清水、降粘剂等；加入清水、降粘剂等；33牛顿流体牛顿流体 = 塑性流体塑性流体 = 0

27、+s 假塑性流体假塑性流体 = Kn卡森流体卡森流体1/2 = c1/2 + 1/2 1/2常见流型及流变曲线常见流型及流变曲线34第三节、第三节、 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基本假设：基本假设：所测液体为牛顿流体，在所测液体为牛顿流体，在600rpm下下为层流为层流。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，当外筒旋转时，内外筒之间充满被测钻井液，当外筒旋转时，由于流体的粘性带动同轴内筒转动，使扭力弹簧由于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，由此反应

28、不同流体的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。剪切应力大小。 因为内、外筒尺寸和外筒转速确定了内筒外因为内、外筒尺寸和外筒转速确定了内筒外表面的剪切速率，而读值大小反映内筒外表面的表面的剪切速率，而读值大小反映内筒外表面的剪切应力，所以，可根据测得的剪切应力，所以，可根据测得的“”关系计算关系计算钻井液的流变参数。钻井液的流变参数。 r1drr2r1r2Lh35旋转粘度计旋转粘度计362、基本计算公式推导：、基本计算公式推导：设外筒转速为设外筒转速为 n时时,半径为半径为 r的液层的角速度为的液层的角速度为 则则角速度梯度为角速度梯度为: d/dr 线速度梯度为线速度梯度为

29、: rd /dr据牛顿内摩擦定律，则半径为据牛顿内摩擦定律，则半径为 r的液层转动所需的力为：的液层转动所需的力为： F= (2rh) rd/dr维持外筒恒速转动的力矩为维持外筒恒速转动的力矩为: M=rF= 2 h r3 d/dr37变换后代入边界条件积分变换后代入边界条件积分: r1r2Mdr/r3= 02 h d 式中式中为外筒转动角速度为外筒转动角速度: =2 n/60(弧度弧度/秒秒)积分后：积分后： =M(r22-r12)/4 h r12r22 (1)作用于内筒表面单位面积上的力作用于内筒表面单位面积上的力： =M/r1S内内=M / ( 2r12h ) (2)(2)/(1)则内筒

30、表面液流的速度梯度为：则内筒表面液流的速度梯度为： =/=2r22 / (r22 - r12) = r22n / 15 (r22 - r12) （3） 式中式中: 外筒旋转角速度；外筒旋转角速度； n 外筒每分钟转速；外筒每分钟转速； r1 、 r2 内、外筒半径内、外筒半径; M 维持外筒旋转的力矩维持外筒旋转的力矩.38仪器的仪器的r1、r2、h为定值为定值当当 （n）一定时，则）一定时，则为定值；为定值；M可测出，可测出，M=m 为读值，格；为读值，格； m为扭力弹簧每转动一格所代表的扭矩。为扭力弹簧每转动一格所代表的扭矩。测出一组测出一组 n() (M、)39二、钻井液流变参数的确定二

31、、钻井液流变参数的确定1. 仪器参数的确定仪器参数的确定常用仪器：常用仪器：Fann-35型旋转粘度计。型旋转粘度计。仪器参数：仪器参数： r2 r1 r2/r1 h m cm cm cm 格格 dyn.cm/格格 1.8415 1.7245 1.0678 3.8 300 380 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。 n. rpm 600 300 200 100 6 3 r. s-1 1022 511 340.7 170.3 10.2

32、2 5.11 40又根据测定扭距又根据测定扭距 M = m，得到仪器最大测定扭距：，得到仪器最大测定扭距：Mmax = 300 380 = 114000 dyn.cm将其代入将其代入 =M / ( 2r12h )，得：，得：max = 1533 dyn/cm2由此可得到仪器系数：由此可得到仪器系数：C = max/ = 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 = 5.11 =1.703 n因此，可以利用以上关系导出钻井液流变参数的计算公式。因此，可以利用以上关系导出钻井液流变参数的计算公式。41流变参数计

33、算流变参数计算例：例：宾汉模式宾汉模式：解方程组：解方程组 1= 0+s1 2= 0+s2得到得到 s= (2- 1)/(2- 1) 0=(1 2- 2 1)/(2- 1)指数模式指数模式: 解方程组解方程组 1=k 1n 2=k 2n 得到得到: n=(lg 2-lg 1)/(lg 2- lg 1) k=10(lg 1lg 2-lg2lg 1)/(lg 2- lg 1) 422. 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 AV() =600/2 mPa.s 牛顿流体牛顿流体 Newtonian Fluids： = 300 = 600/2 mPa.s 宾汉塑性流体宾汉塑性流体 Bi

34、ngham Fluids PV(s) =600- 300 mPa.s YP (0) = 0.511 (300- s) Pa 43假塑性体假塑性体 Power Law Fluids n = 3.322 lg(600 /300) K = 0.511300 /511n Pa.sn卡森流体卡森流体 Casson Fluids = 1.43 (6001/2 - 1001/2) 2 mPa.s c = 0.24 (2.45100 1/2-6001/2 )2 Pa静切力静切力: =0.5113 Pa44nyKn511/ )(511. 0)/()lg(322. 3511. 03300330036003赫赫-巴

35、流体流变参数计算巴流体流变参数计算45例题例题用用Fann-35旋转粘度计测出某钻井液的旋转粘度计测出某钻井液的600=52， 300=35，则：，则：AV=600/2=26 mPa.sPV=600-300=17 mPa.sYP= 0.511 (300- s) =9.2 Pan=3.322 lg(600 /300)=0.57K= 0.511300 /511n =0.511 Pa.s0.5746测定时应注意的问题测定时应注意的问题:1、应快速从高速档测到低速档；、应快速从高速档测到低速档；2、初切力和终切力的测定应在、初切力和终切力的测定应在600rpm下搅下搅拌拌1分钟后分别静置分钟后分别静置

36、10S和和10min后读取后读取3的的最大值；最大值；3、有时需搅拌加温后测定。、有时需搅拌加温后测定。47思考题思考题1、旋转粘度计以牛顿内摩擦定律为基础，为何可、旋转粘度计以牛顿内摩擦定律为基础，为何可用来测定非牛顿流体的流变特性？用来测定非牛顿流体的流变特性？2、旋转粘度计的端面效应对测试结果有何影响？、旋转粘度计的端面效应对测试结果有何影响？48第四节、第四节、 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主要体现在下列几钻井液流变性能与钻井工程的关系主要体现在下列几个方面：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

37、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。 可以说影响钻井工程的各个环节。可以说影响钻井工程的各个环节。491. 影响钻井速度影响钻井速度 Eckel指出，在其它因素不变时，钻速与钻头处雷诺数指出，在其它因素不变时，钻速与钻头处雷诺数的的0.5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，钻速的表达式为：Vm2 = Vm1(Ne2/Ne1)1/2 因为其它因素不变时，雷诺

38、数与钻井液粘度成反比：因为其它因素不变时，雷诺数与钻井液粘度成反比：Ne dv / 对于宾汉塑性体：对于宾汉塑性体： Ne dv / s 所以：所以： Vm2 = Vm1( s1 / s2 )1/2 该式说明了钻井液的流变参数对钻速的影响关系。该式说明了钻井液的流变参数对钻速的影响关系。50举例举例 某钻井液的塑性粘度某钻井液的塑性粘度 s为为32mPa.s，平均钻速为，平均钻速为6米米/小时，在不改变其它因素时，降低小时，在不改变其它因素时，降低 s到到8mPa.s，则钻速，则钻速变化为：变化为：Vm2 = 6(32/8)1/2 = 12 米米/小时小时 钻速提高钻速提高2倍。如果钻进倍。如

39、果钻进1000米井段，用米井段，用32mPa.s的的钻井液要用钻井液要用100小时，则用小时，则用8mPa.s的钻井液只需要的钻井液只需要50小时。小时。512. 影响环空岩屑携带影响环空岩屑携带 对岩屑输送比的影响对岩屑输送比的影响 岩屑输送比：岩屑输送比： Rt = (V-Vs) / V = 1-Vs / V 井眼净化良好的条件：井眼净化良好的条件： Rt 0.5 即：即：V 2Vs 式中，式中，Rt 岩屑输送比；岩屑输送比； V 钻井液平均上返速度；钻井液平均上返速度；V = 12.7Q / ( D22-D12 ) Vs 岩屑颗粒沉降速度；岩屑颗粒沉降速度；Vs与颗粒雷诺数与颗粒雷诺数R

40、e相关。相关。 当当Re 3时，时， Vs = 326800ds2 ( s- f ) / 当当 3 Re 300 时，时， Vs = 2.95 ds ( s- f ) / f 1/2 由此可见，井眼净化与钻井液流变性能中的有效粘度由此可见，井眼净化与钻井液流变性能中的有效粘度 紧密相关。紧密相关。5253 影响层流条件下岩屑携带影响层流条件下岩屑携带 层流携带岩屑的特点：岩屑翻转上升。层流携带岩屑的特点：岩屑翻转上升。 层流携带岩屑缺陷的实质：力矩效应。层流携带岩屑缺陷的实质：力矩效应。 改进方法：将尖峰形改为平板形层流。改进方法：将尖峰形改为平板形层流。 平板形层流携岩原理：平板形层流携岩原

41、理： 流核直径：流核直径：由上式可见，由上式可见， 0 / s ， d0 钻井液流速钻井液流速剖面变平坦剖面变平坦 翻转力矩效应减小。翻转力矩效应减小。)dD(3V24)dD(ds020 F2F1Ld0dD5455钻井液有效地携带岩屑的流变参数取值范围：钻井液有效地携带岩屑的流变参数取值范围：对于宾汉流体：对于宾汉流体： 0 / s = 3.6 4.78 dyn/cm2/mPa.s 0 / s = 0.36 0.478 Pa/mPa.s 0 =1.5 3 Pa对于假塑性体：对于假塑性体： 根据根据600 /300 = 1022 n/511n =2n，得到动塑比与流型指数的关系：，得到动塑比与流

42、型指数的关系： 0 / s= 0.5（ 300 - s ）/ （600 -300 ）=（1-2n-1）/ (2 n-1) 因此，因此， n = 0.4 0.7对于卡森流体：对于卡森流体： c =1.0 2.5 Pa 注意：提高注意：提高0 0 / / s s 的关键是降低的关键是降低塑性粘度塑性粘度 s s 。 563. 影响井壁稳定影响井壁稳定 钻井液流变性对井壁稳定的影响主要是指对井壁的冲蚀作用。钻井液流变性对井壁稳定的影响主要是指对井壁的冲蚀作用。Walker定义用侵蚀指数定义用侵蚀指数EI表示：表示： 层流时：层流时： EI = 0+12 sV/ (D2 -D1) +0.5 0 EI

43、= s 0 / s +12 V/ (D2 -D1) +0.5 0 / s EI值越大，冲蚀性越强。由上面公式可见钻井液流变参数对其影值越大，冲蚀性越强。由上面公式可见钻井液流变参数对其影响关系。响关系。574. 影响岩屑和加重物质的悬浮影响岩屑和加重物质的悬浮 在牛顿流体中的颗粒只要其密度大于流体密度，就必然会以一定速度下在牛顿流体中的颗粒只要其密度大于流体密度，就必然会以一定速度下沉。但是，岩屑颗粒在钻井液中的情况却不同。由于静切力和动切力的存在，沉。但是，岩屑颗粒在钻井液中的情况却不同。由于静切力和动切力的存在，即使颗粒密度大于钻井液密度，颗粒也不会发生沉降。只有当颗粒与流体满即使颗粒密度

44、大于钻井液密度，颗粒也不会发生沉降。只有当颗粒与流体满足一定条件时，颗粒才会下沉。因此，颗粒除了自然沉降外，还具有一种切足一定条件时，颗粒才会下沉。因此，颗粒除了自然沉降外，还具有一种切应力悬浮状态。应力悬浮状态。 流体静止状态下的静应力悬浮状态流体静止状态下的静应力悬浮状态 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（dyn/cm2) = 980d( 岩岩- 浆浆）/6 由上式可以计算静止状态下，悬浮岩屑颗粒所需要的静切应力。由上式可以计算静止状态下，悬浮岩屑颗粒所需要的静切应力。G =重力重力-浮力浮力s58流体运动状态下的动切应力悬浮流体运动状态下的动切应力悬浮 （

45、阅读）（阅读）岩屑颗粒在钻井液中的沉降速度为：岩屑颗粒在钻井液中的沉降速度为：Vs = d s 0.0702g d s ( s - f ) - 0 若颗粒处于临界状态，有若颗粒处于临界状态，有0.0702g d s ( s - f ) - 0 =0即颗粒悬浮的临界条件为：即颗粒悬浮的临界条件为： s / f =14.25 0 / ( g d s f) +1颗粒悬浮的判别准则为：颗粒悬浮的判别准则为： s / f 14.25 0 / ( g d s f) +1 在钻井工程中，尤其是在水平井的施工中，在钻井工程中，尤其是在水平井的施工中，动切应力的悬浮作动切应力的悬浮作用对于避免岩屑沉积是非常有益

46、的用对于避免岩屑沉积是非常有益的。习题习题4、5、860第四章、钻井液的滤失和润滑性能第四章、钻井液的滤失和润滑性能The Filtration Properties and Lubricity of Drilling Fluids 本章要求：本章要求： 1.1.掌握三个（瞬时、静、动）失水概念。掌握三个（瞬时、静、动）失水概念。 2.2.了解失水造壁性与钻井工程的关系。了解失水造壁性与钻井工程的关系。 3.3.掌握静失水方程及其影响因素。掌握静失水方程及其影响因素。 4.4.了解钻井液润滑性参数及测定方法。了解钻井液润滑性参数及测定方法。61第一节第一节 钻井液的失水造壁性能钻井液的失水造壁

47、性能62一、失水造壁性的基本概念一、失水造壁性的基本概念1. 水基钻井液中的水水基钻井液中的水 水基钻井液水基钻井液 =水水+ 固相固相+处理剂处理剂 钻井液中的水由三部分组成：钻井液中的水由三部分组成： 结晶水（化学结合水）结晶水（化学结合水） 粘土矿物晶体构造的组成部分。粘土矿物晶体构造的组成部分。吸附水（束缚水）吸附水（束缚水） 被固相颗粒吸附的水。被固相颗粒吸附的水。 自由水自由水 钻井液中可自由运动的水。钻井液中可自由运动的水。 特点：占总水量中的绝大部分。特点：占总水量中的绝大部分。吸附水吸附水结晶水结晶水自由水自由水632. 滤失与造壁性的概念滤失与造壁性的概念 为了防止地层流体

48、进入井内，钻井液液柱压力为了防止地层流体进入井内，钻井液液柱压力必须大于地层流体的压力，同时，地层具有一定的必须大于地层流体的压力，同时，地层具有一定的渗透性，因此，钻井液总是趋向于向地层漏失或滤渗透性，因此，钻井液总是趋向于向地层漏失或滤失。失。滤失滤失 钻井液中只有液相进入地层的现象。钻井液中只有液相进入地层的现象。漏失漏失 钻井液的固相和液相都要进入地层的现钻井液的固相和液相都要进入地层的现象。象。失水失水 钻井液中的自由水在压差作用下向地层钻井液中的自由水在压差作用下向地层或滤膜滤失渗透的过程。或滤膜滤失渗透的过程。642. 滤失与造壁性的概念滤失与造壁性的概念泥饼泥饼( (滤饼滤饼)

49、 ) 钻井液滤失过程中留在钻井液滤失过程中留在井壁或者滤膜上的物质井壁或者滤膜上的物质( (在井下有内泥饼在井下有内泥饼和外泥饼之分和外泥饼之分) )。造壁性造壁性 钻井液在井壁形成泥饼钻井液在井壁形成泥饼( (滤饼滤饼) )封堵、保护井壁的能力。封堵、保护井壁的能力。65钻井液滤失示意图钻井液滤失示意图66673. 井下失水过程井下失水过程时间时间累计失水量累计失水量T oT 1T 2T 3T 4T 5T 6 V 瞬瞬 V 动动 V 静静h=0h h=ch h h=c68 瞬时失水瞬时失水 Spurt LossSpurt Loss 滤饼尚未完全形成之前很短时间内的失水滤饼尚未完全形成之前很短

50、时间内的失水( (量量) )。特点：特点：时间短（时间短（t 2t 2秒秒) )；比例小比例小; ;大小与钻井液中固相级配、含量、压差、大小与钻井液中固相级配、含量、压差、地层渗透率、孔隙度等有关地层渗透率、孔隙度等有关69 动失水动失水 Dynamic FiltrationDynamic Filtration 钻井液循环时的失水钻井液循环时的失水( (量量) )。特点：特点： 泥饼形成、增厚与冲蚀，泥饼由高渗透率泥饼形成、增厚与冲蚀，泥饼由高渗透率 低渗透率低渗透率 , ,趋于一常数；趋于一常数； 重新开泵时重新开泵时, ,泥饼变薄，泥饼由低渗透率泥饼变薄，泥饼由低渗透率高高渗透率，直至一常

51、数；渗透率，直至一常数； 失水速率大、失水量大。失水速率大、失水量大。70 静失水静失水 Static FiltrationStatic Filtration 井下：钻井液停止循环后的失水井下：钻井液停止循环后的失水( (量量) )。 室内：指定静态条件下，静失水仪器测得室内：指定静态条件下，静失水仪器测得的失水的失水( (量量) )。特点：特点：失水速率小；失水速率小；静失水量占总失水的比例较小；静失水量占总失水的比例较小；泥饼逐渐增厚（无冲蚀作用）。泥饼逐渐增厚（无冲蚀作用）。71二、失水造壁性与钻井工作的关系二、失水造壁性与钻井工作的关系 1. 1. 失水量过大失水量过大 危害：危害：

52、导致水敏性泥页岩缩径、垮塌。导致水敏性泥页岩缩径、垮塌。 油气层内粘土水化膨胀使产层渗透率下降，从而损油气层内粘土水化膨胀使产层渗透率下降，从而损害油气层。害油气层。 2.2.泥饼过厚泥饼过厚 危害：危害： 井径缩小井径缩小 易引起起下钻遇阻、遇卡。易引起起下钻遇阻、遇卡。 泥饼粘附卡钻。泥饼粘附卡钻。 扭矩增大。扭矩增大。 易出现泥包现象。易出现泥包现象。 影响固井质量。影响固井质量。72对失水造壁性的一般要求对失水造壁性的一般要求泥泥 饼饼 薄、密、韧。薄、密、韧。失水量失水量 适当（并非越小越好）。适当（并非越小越好）。 对于一般地层：对于一般地层：APIAPI失水：失水：10 10 1

53、5 ml/ 30 min 15 ml/ 30 min； 对于水敏地层：对于水敏地层：APIAPI失水失水 5 ml/30 min 5 ml/30 min。73中压滤失仪中压滤失仪高温高压滤失仪高温高压滤失仪3、滤失量测定、滤失量测定74滤失量测定条件滤失量测定条件 API中压失水中压失水时间：时间：30分钟分钟压差：压差：100psi滤失面积：滤失面积：45.2cm2温度温度: :室温室温 HTHP失水失水时间：时间：30分钟分钟压差：压差：500psi滤失面积：滤失面积：22.6cm2温度温度: 120: 120o oC C、150150o oC C、180180o oCC754. 4. 控

54、制失水量原则：五严五宽控制失水量原则：五严五宽五严：五严：井深、裸眼长、矿化度低、油气层段、易塌层段；井深、裸眼长、矿化度低、油气层段、易塌层段；五宽：五宽：井浅、裸眼短、矿化度高、非油气层、稳定井段。井浅、裸眼短、矿化度高、非油气层、稳定井段。76三、钻井液的静失水（滤失）三、钻井液的静失水（滤失） Static Filtration1. 1. 静失水方程静失水方程假设条件：假设条件： 泥饼厚度泥饼厚度 h h 井眼直径；井眼直径； 滤失过程为线性关系滤失过程为线性关系 （滤失过程中滤饼渗透率（滤失过程中滤饼渗透率 K K为常数）；为常数）； 滤失在恒温恒压条件下进行。滤失在恒温恒压条件下进

55、行。静失水方程推导：静失水方程推导： 利用达西渗滤公式：利用达西渗滤公式： (1)(1) 式中，式中， v vf f 滤失量，滤失量，cmcm3 3； t t 滤失时间，滤失时间，s s； k k 泥饼渗透率，泥饼渗透率，darcy; P darcy; P 滤失压力滤失压力,kg/cm,kg/cm2 2; ; 滤液粘度，滤液粘度，mPa.smPa.s； h h 泥饼厚度，泥饼厚度，cmcm； A A 滤失面积，滤失面积，cmcm2 2。 hkAPdtdvf77 假设假设一定体积的钻井液一定体积的钻井液Vm全部全部滤失完，则在滤失完，则在V Vm m当中，有当中，有V Vf f的滤液的滤液体积从

56、体积从V Vm m中挤压出去，剩下的泥饼体积为中挤压出去，剩下的泥饼体积为V Vc c，于是可以得到，于是可以得到： V Vm m = V= Vf f + V+ Vc c = Ah + V= Ah + Vf f (2)(2) 对一钻井液而言，对一钻井液而言，V Vc c / V/ Vf f = R = = R = 常数常数 ( (3)3) 将（将（2 2）、（）、（3 3）式代入达西公式（）式代入达西公式（1 1）中，得到：）中，得到： (4)(4) 对（对（4 4）式两边积分，得）式两边积分，得： (5)(5)f2fRVkPAdtdV cf2f22fVV.kPt2VRtkPAV21 78 根

57、据假设可知，泥饼中干固体体积等于泥饼体积与泥饼中固相体积分数根据假设可知，泥饼中干固体体积等于泥饼体积与泥饼中固相体积分数Cc的乘积。即：的乘积。即： Vs =hACc（泥饼含水）（泥饼含水） 钻井液中固相体积百分数为：钻井液中固相体积百分数为：Cm=Vs /Vm= hACc/ (hA+Vf) 联立解以上两式，得：联立解以上两式，得： (6) 将将（5）式代入达西公式（）式代入达西公式（1）中，并积分得：）中，并积分得： (7) )1CC(AVhmcf )1CC(kPt2AVmcf静失水方程静失水方程792. 影响静失水的因素影响静失水的因素 V Vf f 与与t t的关系的关系 Relati

58、onship Between Filtration and TimeRelationship Between Filtration and Time理论关系：理论关系：在直角坐标上任取两点，可以得到：在直角坐标上任取两点，可以得到： )1CC(kP2CtCtAVmcf1f122f121f2fVttVttVV t1/20Vft1 1/2Vf1t2 1/2Vf2该式实际上表明了任意时刻失水量之间的关系。该式实际上表明了任意时刻失水量之间的关系。如果：如果：t1 =7.5分钟；分钟；t2 =30分钟；分钟；则：则： Vf30 = 2Vf7.580实际关系实际关系 实验发现，在直角坐标上的直线存在截距

59、实验发现，在直角坐标上的直线存在截距 正截正截距和负截距。距和负截距。原因分析：原因分析： 正截距：泥饼未形成之前钻井液喷失量较大。正截距：泥饼未形成之前钻井液喷失量较大。 负截距：喷失量很小，不足以充满滤纸和仪器排出管。负截距：喷失量很小，不足以充满滤纸和仪器排出管。 Vf 30 = 2（Vf 7.5- V- Vsp sp ）+ + V Vspsp对滤失量小的钻井液对滤失量小的钻井液：Vf 30 = 2Vf 7.5则产生较大误差。则产生较大误差。对滤失量较大的钻井液对滤失量较大的钻井液：Vf 30 = 2Vf 7.5则不会有较大误差。则不会有较大误差。t1/2VfVsP81 V Vf f 与

60、与 P P的关系的关系 Relationship Between Pressure and Filtration Relationship Between Pressure and Filtration VolumeVolume理论上：理论上： LgVLgVf f = 1/2 LgP +1/2 LgC = 1/2 LgP +1/2 LgC即：即： V Vf f P P1/21/2 条件：条件：k = k = 常数。常数。实际上：实际上： V Vf f P Px x 原因：原因：k k 常数。常数。指数指数 x x 的实质：的实质： 反映泥饼的可压缩性，反映泥饼的可压缩性，x x 越小，泥饼可压