【采矿】钻井液的流变性ppt课件

1、钻井液的流变性乌效鸣中国地质大学武汉工程学院勘基系2004年.钻井液的流变性概述钻井液流变性Rheological Properties of Drilling Fluids 是指在外力作用下，钻井液发生流动和变形的特性，其中流动是主要的方面。该特性通常用钻井液的流变曲线和塑性粘度Plastic Viscosity、动切力Yield Point、静切力Gel Strength、表观粘度Apparent Viscosity等流变参数来进展描画的。.钻井液的流变性概述 钻井液流变性是钻井液的一项根本性能，它在处理以下钻井问题是起着非常重要的作用：1携带岩屑，保证井底和井眼的清洁；2悬浮岩屑；3提高

2、机械钻速；4坚持井眼的规那么和保证井下平安。.内容概要钻井液的流变性对钻井任务的影响 流变类型与流变参数 不同钻井液流型的构成机理分析 钻井液流变性的丈量 .钻井液的流变性对钻井任务的影响 钻井液的流变性对钻井任务的影响主要表达在悬碴、护壁、减阻、提高钻速和冷却钻具5个方面。 动画演示1悬碴、护壁动画演示2提高钻速.钻井液的流变性对钻井任务的影响钻井液的主要功能之一就是清洗井底并将岩屑携带到地面上来。钻井液清洗井眼的才干除取决于循环系统的水力参数外，还取决于钻井液的性能，特别是其中的流变性能。岩屑的去除分两个过程，一是岩屑被冲离井底，二是岩屑从环形间隙被携带到地面。.钻井液的流变性对钻井任务的

3、影响对于破碎的不稳定井壁，利用较粘稠的泥浆还可以起到较好的粘结护壁作用。絮流液流对井壁有较强的冲蚀作用，容易引起易塌地层垮塌，不利于井壁稳定。其缘由是絮流时液流质点的运动方向是絮乱的和无规那么的，而且流速高，具有较大的动能。因此，在钻井液循环时，普通应坚持在层流形状，尽量防止出现絮流。对于非牛顿流体，普通采用综合雷诺数Re来判别流态。将钻井液按塑性流体思索，当Re2000时为絮流。假设按Re2000，即可推导出临界返速的公式。.钻井液的流变性对钻井任务的影响但是，泥浆的粘稠性大又有不利的方面：使井底碎岩效率降低，这种影响主要表如今钻头喷嘴处的絮流流动阻力对钻速的影响。钻井液粘度越大，絮流流动阻

4、力越大，从而降低了钻头在井底的碎岩效率。添加泥浆循环的流动阻力；增大对井壁的液压力激动破坏。井内液柱压力是指在起下钻和钻进过程中，由于钻柱上下运动、泥浆泵开动等缘由，使得井内液柱压力发生忽然变化升高或降低，给井内添加一个附加压力正值或负值的景象。 .流变类型与流变参数 4种流型，9个流变参数1、牛顿流体绝对粘度2、宾汉流体静切力、动切力、塑性粘度、表观粘度3、幂律流体流性指数、稠度指数4、卡森流体极限高剪粘度、卡森动切力.1、牛顿流体牛顿方程：式中：单位面积上的内摩擦力，或称为剪切应力，Pa； 剪切速率或流速梯度，s-1； 牛顿粘度或称为动力粘度，Pas,(1Pas=1000cP=1000mP

5、as)。.1、牛顿流体 图1 典型牛顿流体流变图 气体、水、甘油、硅油、油(除高剪切速率下的高粘 度油外)、低分子化合物溶液等均属于牛顿流体。.2、宾汉流体塑性流体与粘塑性流体 塑性流体其流变曲线为不经过原点O的一条直线，如图2所示。它表示这种流体具有一定的颗粒浓度，在静止形状下构成颗粒之间的内部构造，加外力进展剪切时，要破坏构造后才干开场流动。例如，泥浆中粘土颗粒的外形很不规那么，外表性质也很不均匀，因此颗粒之间容易彼此粘结，构成网状构造。倘假设颗粒的浓度足够大，网状构造可以在泥浆中布满整个空间，那么要使这种泥浆发生流动，就必需在一定程度上破坏这种延续构造。 .塑性流体图2 塑性流体 理想的

6、宾汉塑性流体，普通是一些含较高固相且颗粒均匀的悬浮体，如一些矿浆、油墨、油漆等。.塑性流体式中： 静切力， Pa；p 塑性粘度，Pas。塑性流体有两个流变参数，即塑性粘度p及静切力 表观粘度：.粘塑性流体由于固相颗粒的高度不均匀(如粘土)，在外表引力与斥力作用下易构成构造，在低剪切速率下其流变曲线(本来是直线)往往偏离直线，构成曲线变化，当剪切速率添加至层流段时才成直线变化(图3)，这种流体称为粘塑性流体。 .粘塑性流体图3 粘塑流体流动图 属于粘塑性流体的有泥浆、沥青、某些原油、水泥浆等，粘度高的牛顿流体也表现出粘塑性流体的性质。 .粘塑性流体图中AB为凹向轴的曲线，BD为直线段，BD延伸线

7、与轴的交点为C，OC坏，此时产生像塞子一样的流动，故称为塞流。随着的逐渐升高，构造逐渐破坏，表观粘度也逐渐变小，此段流变曲线为一曲线变化。B点之后处于较稳定的层流段，此时粘塑流体内部的构造破坏与构成处于平衡形状，BD为不断线段，表示有一个稳定的塑性粘度值。而D点之后，由于流速快，剪切速率高，就转为紊流态了。0表示此流体运动时构造的存在及其数值的大小。.粘塑性流体 与式(2)比较，此式也是直线方程，截距为0，而不是s。即此宾汉方程只能代表流变曲线的层流直线段，而不能代表低剪切速率下的塞流曲线段。粘塑性流变参数有两个，即塑性粘度p，及动切力(或叫屈服值)0。.粘塑性流体仿牛顿粘度表示法，求粘塑流体

8、的表观粘度值： 图3中，在ABD线上任何一点F1、F2与原点O的连线OF1、OF2斜率的倒数均表示表观粘度值。剪切速率越高，表观粘度越低。这种表观粘度随剪切速率升高而降低的景象，可称为剪切稀释作用。泥浆剪切稀释作用的好坏可用动塑比(动切力/塑性粘度)来表示，动塑比越大，表示剪切稀释作用越好。参与高分子处置剂的低固相泥浆(特别是参与XC生物聚合物)，可使塑性粘度添加慢而动切力添加快，能提高泥浆的动塑比。.3、幂律流体 图4 幂律流体流变曲线 用高分子处置剂处置的低固相泥浆及聚合物钻井液，也多属于假塑流体，或介于宾汉体与假塑体之间。浓的淀粉糊、一些矿浆、高固相含量的涂料等属于膨胀流体。.幂律流体式

9、中：K稠度系数，或称为幂律系数，Pasn；n流性指数，或称为幂律指数，无单位。K值是粘度的度量，但不等于粘度值，而粘度越高，K值也越高。在剪切速率一定范围内，n值可当作常数处置。n值是非牛顿性的度量，n值越低或越高曲线也越弯曲，非牛顿性也越强，泥浆n值普通在0.5以下为好。上式中，当n1时为膨胀流体。因此，幂律流体又区分为假塑流体与膨胀流体两种，其中最常见的是假塑流体。.假塑流体如图4所示，假塑流体的流变曲线为凹向轴的曲线OAB，曲线OAB 是膨胀流体(在高剪切速率下接近于直线)。它经过原点O，表示一加外力即产生流动，不存在静切力。随着剪切速率的不断升高，其表观粘度是不断下降的，属于剪切稀释液

10、。 表观粘度：.假塑流体当n1时，0tg1，01时，45，为膨胀流体。因此n值和K值是假塑流体的两个流变参数。长链高分子聚合物悬浮体是典型的假塑流体。静止时分子链恣意相互纠缠，但由于静电斥力占优势，不易构成构造。运动时，分子链趋向于平行流动方向，顺序陈列，运动阻力减小，随剪切速率添加，这一趋势添加，加上分子链能够断裂，因此表观粘度减少。.卡森流体 卡森方式是假定凝聚生长条状的棒状物，在剪切下特别是在高剪切速率下能分解为原始短颗粒。 式中： 恣意剪切速率或每分钟转数(rpm)下表观粘度， Pas； 剪切速率为无穷大时的表观粘度，Pas； 剪切速率，s-1； 屈服值或卡森动切力，Pa。 .卡森流体

11、卡森斜率：卡森斜率越高，表示泥浆的剪切稀释作用越好，而值等于截距(图5)。 图5 卡森方式图 卡森流体的两个主要流变参数是卡森动切力 和极限高剪粘度 。.不同钻井液流型的构成机理分析 泥浆流动时的剪切应力与剪切速率之间的关系用流变方程和流变曲线来表达。如第二章所述，不同泥浆的流变关系大体上可以分为四种实际流型，即牛顿流型、宾汉流型、幂律流型和卡森流型。一种详细泥浆的实践流型与哪一种实际流型较相近，就以为它属于该实际流型。泥浆的流型主要取决于构成泥浆的资料组成及其它们的含量。.不同钻井液流型的构成机理分析 动画演示3流型构成机理.不同钻井液流型的构成机理分析粘土含量较少的细分散泥浆比较接近于牛顿

12、流型，其剪切应力主要由相互无衔接力的粘土微粒及水分子之间的摩擦力构成。由牛顿流型关系式(1)可知，反映该类泥浆粘稠性的流变参数是牛顿粘度。由于普通泥浆在未加稀释剂和高聚物加量很少的情况下存在粘土颗粒之间的结合力，具有一定程度的网架构造。因此，泥浆在发生流动之前需求抑制一定的构造力。其流型用宾汉流型来反映较为适宜。由宾汉流型关系式(2)可知，反映该类泥浆粘稠性的流变参数是动切力o和塑性粘度p。 .不同钻井液流型的构成机理分析当泥浆中的线形高聚物或类似油微粒的可变形物质含量较高，并且泥浆构造力很低时，可以用幂律关系来描画泥浆流型。这种流型的切应力随剪切速率的变化不是线性关系，而是由快到慢呈幂指数关

13、系，也就是说流动慢时切力添加得快，流动快时切力添加得慢。其缘由是线形高聚物等在流动中具有顺流方向性。流速越大，顺流方向性越强，阻力添加得越慢。由幂律流型关系式(8)可知，反映该类泥浆粘稠性的流变参数是稠度系数K和流型指数n。.不同钻井液流型的构成机理分析对于许多泥浆而言，既存在着粘土颗粒的空间网架，又有线形高聚物或类似的物质，也就是说既存在构造力，又有剪切稀释作用。因此，用卡森流型来反映其流变关系更为适宜。由卡森流型关系式(10)可知，反映该类泥浆粘稠性的流变参数是卡森动切力c和卡森高剪粘度。.钻井液流变性的丈量 1、漏斗粘度计 图7 漏斗粘度计.漏斗粘度计将漏斗呈垂直，用手握紧并用食指堵住管

14、口。然后用量筒两端，分别装200ml和500ml泥浆倒入漏斗。将量筒500ml一端朝上放在漏斗下面，放开食指，同时启动秒表记时，记录流满500ml泥浆所需的时间，即为所测泥浆的粘度。仪器运用前，运用清水进展校正。该仪器丈量清水的粘度为150.5秒。假设误差在1秒以内，可用下式计算泥浆的实践粘度。.ZNN型旋转粘度计 动力部分双速同步电机、电源 变速部分可变六速转/分 6 100 200 300 600 丈量部分扭力弹簧、刻度盘与内外筒组成丈量系统。 图8 旋转粘度计.ZNN型旋转粘度计部分放大图实物全图图9 旋转粘度计实物与部分放大图.ZNN型旋转粘度计任务原理液体放置在两个同心圆筒的环隙空间

15、内，电机经过传动安装带动外筒恒速旋转，借助于被测液体的粘滞性作用于内筒一定的转矩，带动与扭力弹簧相连的内筒一个角度。该转角的大小与液体的粘性成正比，于是液体的粘度丈量转换为内筒转角的丈量。图10 旋转粘度计任务原理.ZNN型旋转粘度计操作顺序将刚搅拌好的泥浆倒入样品杯刻度线处350ml，立刻放置于托盘上，上升托盘使液面至外筒刻度线处。拧紧手轮，固定托盘。如用其它样品杯，筒底部与杯底之间不应低于1.3mm。迅速从高速到低速进展丈量，待刻度盘读数稳定后，分别记录各转速下的读数。.ZNN型旋转粘度计操作顺序测静切力时，应先用600转/分搅拌10s，静置10s钟后将变速手把置于3转/分，读出刻度盘上最大读数，即为初切力。再用600转/分搅拌10s，静置10min后将变速手把置于3转/分，读出刻度盘上最大读数，即为终切力。实验终了后，封锁电源，松开托盘，移开量杯。悄然卸下内外筒，清洗内外筒并