钻井液的流变性

1、第三章 钻井液的流变性,2,钻井液流变性,钻井液造壁性,钻井液处理剂,钻 井 液 体 系,核心内容,1.掌握有关的基本概念； 2.常用流型的特点、流变参数的意义、影响因素、计算及调整； 3.了解钻井液流变性与钻井的关系,在外力作用，物质发生流动和变形的特性；对钻井液而言，其流动性是主要的方面。 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)等流变参数来进行描述。,流变性,（1）携带岩屑，保证井底和井眼的清洁； （2）悬浮岩屑与重晶石； （3）提高

2、钻井速度； （4）保持井眼规则和保证井下安全。,与钻井液流变性有关的钻井问题,指垂直于流速方向上单位距离流速的增量，=dv/dx， 流速单位：m/s；距离单位：m。因此剪切速率：1/s。 流速越大，剪切速率越大。,一、剪切速率/速度梯度,在钻井过程中，钻井液在各个部位的剪切速率不同： 沉砂池处：10-20s-1 ； 环形空间：50250s -1 ； 钻杆内：1001 000 s-1 ； 钻头喷嘴处：10 000-100 000 s-1。 剪切速率与流速成正比。,一、剪切速率/速度梯度,液流中各层的流速不同，故层与层之间必然存在着相互作用。由于液体内部内聚力的作用，流速较快的液层会带动流速较慢的

3、相邻液层，而流速较慢的液层又会阻碍流速较快的相邻液层。这样在流速不同的各液层之间会发生内摩擦作用，即出现成对的内摩擦力(即剪切力)，阻碍液层剪切变形。通常将液体流动时所具有的抵抗剪切变形的物理性质称做液体的粘滞性。,二、剪切应力,剪切应力：流体单位面积上的内摩擦力 牛顿内摩擦定律：液体流动时，液体层与层之间的 内摩接力(F)的大小与液体的性质及温度有关，并与液层间 的接触面积(S)和剪切速率()成正比，而与接触面上的压 力无关： F=S （3-1） 内摩擦力F除以接触面积S即得液体内的剪切应力，即： =F/S= Pa （3-2） 式中：F-流体的内摩擦力，N S-面积，m2 粘滞系数，单位是P

4、as，实际生活中一般采用mPas。1cP1mPas,二、剪切应力,通常将剪切应力与剪切速率的关系遵守牛顿内摩擦定律的流体，称为牛顿流体； 不遵守牛顿内摩擦定律的流体，称为非牛顿流体。水、酒精等大多数纯液体、轻质油、低分子化合物溶液以及低速流动的气体等均为牛顿流体，高分子聚合物的浓溶液和悬浮液等一般为非牛顿流体。大多数钻井液都属于非牛顿流体。,二、剪切应力,剪切应力和剪切速率是流变学的两个基本概念，钻井液流变性的核心问题就是研究各种钻井液的剪切应力与剪切速率之间的关系。 这种关系可以用数学关系式表示，也可以作出曲线来表示。若用数学关系式表示时，称为流变方程，习惯上又称为流变模式，如式(32)就是

5、牛顿流体的流变模式。若用图线来表示时，就称为流变曲线。,流变曲线：描述 和 之间的曲线,流变模式/流变方程：描述 和 之间的数学关系,三、流变模式和流变曲线,牛顿流体： = 塑性流体： = 0+ p 假塑性流体： = K n n1,目前广泛使用的多数钻井液为塑性流体（宾汉流体）和假塑性流体。,四、流体的基本流型,牛顿流型：牛顿流体 膨胀流型 ：膨胀性流体 塑性流型：塑性流体 假塑性流型：假塑性流体 卡森流型：卡森流体,流型：根据流体流动时剪切应力与剪切速率之间的关系，流体可以分为不同的类型：,1、流变曲线,高粘土含量的钻井液、高含蜡原油和油漆等都属于塑性流体。,一、塑性流体,（1）曲线不过原点

6、，在轴上有一截距s 粘土矿物具有片状或棒状结构，形状很不规则，颗粒之间容易彼此连接在一起，形成空间网架结构,粘土颗粒间作用力,一、塑性流体,扩散双电层斥力 水化膜弹性斥力 范德华引力/静电吸引力等,不过原点的原因：由于颗粒间以端-端和（或）端-面连接，形成网架结构，要使体系流动，就必破坏这种网架结构。 s物理意义：反映钻井液在静止时形成网架结构的强弱。 （2）在低剪切速率范围内，为曲线段 流体开始流动后，存在以下一对矛盾： 结构拆散 结构恢复(流型动画),在低剪切速率下，可供拆散的网架结构较多，结构拆散速度结构恢复速度,拆散程度随剪切速率增加而增大 / (表观粘度) ,一、塑性流体,（3）在中

7、、高剪切速率范围内，为直线段,当达到某一值时 结构拆散速度 = 结构恢复速度 网架结构数量不变 产生同样所需不变 / ,一、塑性流体,宾汉模式 (适合于中、高剪切速率) = 0+ p 式中： 0 ：动切力或屈服值(Yield Point)，Pa p ：塑性粘度， Pas，实际中使用mPas （1）塑性粘度p 物理意义：反映流体在层流下达到动平衡（网架结构的拆散速度等于其恢复速度）时，固相颗粒之间、固相颗粒与液相之间以及液相内部内摩擦力的大小。,一、塑性流体,2、宾汉模式,影响因素 A、固相含量 固相颗粒数目 塑性粘度p,一、塑性流体,B、固相分散度 固相颗粒数目 塑性粘度p,C、固相类型 活性

8、固相：在水中分散性强的固相，如膨润土 惰性固相：在水中分散性弱的固相，如钻屑,活性固相含量 固相分散度 塑性粘度 p （固相含量一定）,E、温度 液相粘度 塑性粘度 p,D、液相粘度 内摩擦力 塑性粘度 p,一、塑性流体,使用固控设备 使用化学絮凝剂 加水稀释,p,p ,调整,加预水化膨润土 加增粘剂,（2）动切力0 物理意义：钻井液在层流状态下达到动平衡时形成网架结构的强弱。 影响因素,B、活性固相含量 固相分散度 网架结构数目 动切力0,C、降粘剂 动切力0,D、高分子聚合物 动切力0,一、塑性流体,A、固相含量 网架结构数目 动切力0,0,电解质浓度C,C0,E、电解质的影响,一、塑性流

9、体,原因： CC0，电解质浓度C 压缩扩散双电层 电动电位,颗粒间斥力 形成网架结构 ，0,CC0，电解质浓度C 压缩扩散双电层 电动电位,颗粒间斥力 形成面面连接 , 固相分散度 0,一、塑性流体,一、塑性流体,0,0,调整,加预水化膨润土 加高分子聚合物 加适量的电解质,加降粘剂 加水稀释 消除引起0升高的电解质,国外资料指出，对于非加重钻井液，塑性粘度p一般应控制在512mPas，动切力0应控制在1.414.4Pa。,一、塑性流体,一、塑性流体,一、塑性流体,1、流变曲线,二、假塑性流体/幂律流体,原因,1,2,3,1,2,3,流动 方向,（1）曲线过原点,无网架结构 脆弱且不连续的网架

10、结构,（2）曲线无直线段,原因：随增大，体系中形状不规则的粒子沿流动方向转向和变形，流动阻力减小。,二、假塑性流体/幂律流体, = Kn 式中：K ：稠度系数，Pasn n ：流性指数， 无因次， 0n 1 （1）流性指数n 物理意义：反映流体偏离牛顿流体的程度。 n 越小， 表明越偏离牛顿流体。,二、假塑性流体/幂律流体,2、幂律模式,（2）稠度系数K 物理意义：主要反映钻井液粘度的大小，K越大，粘度越大。 影响因素及调整: 同塑性粘度 p。,影响因素及调整, = 0+ p = p, = K n = K ,凡是影响0的因素必然影响n ，但影响方向相反，既使0 使n,二、假塑性流体/幂律流体,

11、 0 0,n 1,宾汉模式的局限性：适合在中、高剪切速率 范围描述钻井液的流变性。 幂律模式的局限性：适合在低、中剪切速率范围描述钻井液的流变性。 卡森模式：卡森(Casson)模式是1959年由卡森首先提出的，最初主要应用 于油漆、颜料和塑料等工业中。 1979年，美国人劳增(Lauzon)和里德(Reid)首次将卡森模式用于钻井液流变性的研究中。 卡森模式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。,三、卡森流体,1、流变曲线,1/2,1/2,三、卡森流体, 1/2 = c1/2+ 1/21/2 式中： c -卡森动切力(卡森屈服值

12、)，Pa； -极限高剪切粘度（水眼粘度），mPas,2、卡森模式,三、卡森流体,(1)卡森动切力c 物理意义：反映钻井液网架结构的强弱 影响因素与调整：同0 (2)极限高剪切粘度 物理意义：反映钻井液内摩擦力的强弱 影响因素与调整：同 p,2、卡森模式,三、卡森流体,赫谢尔巴尔克莱(HerschelBulkely)三参数流变模式简称赫巴模式，又称为带有动切力(或屈服值)的幂律模式，或经修正的幂律模式。1977年该模式首次用于钻井液流变性的研究。 实际钻井液：实际钻井液的流变曲线一般都不通过原点，即或多或少都存在一个极限动切力。只有当外力达到或超过这一极限动切力后，流体才开始流动。,四、赫谢尔巴

13、尔克莱三参数流变模式,宾汉模式：宾汉模式的动切力0是一外推值，它一般会高于实际钻井液的极限动切力。 幂律模式：幂律模式流变曲线通过原点，极限动切力为零，因此这两种传统模式均不能反映实际钻井液的这一特性。,四、赫谢尔巴尔克莱三参数流变模式,结论：幂律模式和宾汉模式与实际钻井液的流变曲线都有所出入，相对而言实际流变曲线与宾汉模式流变曲线的偏差较大，而与幂律模式流变曲线较为接近。为了能更准确的表示钻井液的流变曲线，需要对幂律流体进行改进或修正，赫巴模式就是一种修正的幂律模式。,四、赫谢尔巴尔克莱三参数流变模式,赫巴模式的数学表达式为： = y +Kn 式中： y表示该模式的动切力； n和K的意义和幂

14、律模式相同。,四、赫谢尔巴尔克莱三参数流变模式,1、作图法 （1）多点测试（ ， ） （2） 分别以和 为坐标轴绘图 （3） 结合标准流变曲线进行判断,五、流型判断,（1）多点测试（ ， ） （2）假设流变模式后进行线性回归 = 0+ p = K n 1/2 = c1/2+ 1/21/2 （3）检验 相关系数R计 临界相关系数R临，假设成立。 参考文献：LG植物胶无固相钻井液的流变性研究,五、流型判断,2、线性回归法,漏斗,容积：1500或700ml,原理：测定一定钻井液（ 946ml/1500ml，500ml/700ml ） 从漏斗下端流出所需的时间。,一、测量仪器及原理,1、漏斗粘度计,Z

15、MN型马式漏斗粘度计由锥体马式漏斗、孔径1.6mm的滤网和946ml量杯组成。锥体上口直径152mm，锥体下口直径与导流管直径4.76mm，锥体长度305mm，漏斗总长356mm，筛底以下的漏斗容积1500ml。,一、测量仪器及原理,马氏漏斗,苏式漏斗粘度计 该粘度计由漏斗和量筒组成。构造如右图。量筒由隔板分成两部分，大头为500ml，小头为200ml，漏斗下端是直径为5mm，长为100mm的管子。,一、测量仪器及原理,一、测量仪器及原理,2、旋转粘度计,测量原理: (1) 剪切速率与转子转速n成正比： = 1.703n s-1 (2) 剪切应力与粘度计读数成正比： = 0.511 Pa,一、

16、测量仪器及原理,作图法,计算法,做 流变曲线 判断流型 确定参数,判断流型 计算公式推导 计算,二、流变参数确定,10-3Pas,mPas,1、塑性流体流变参数计算,二、流变参数确定,Pa,二、流变参数确定,2、假塑性流体（幂律流体）流变参数计算,二、流变参数确定,二、流变参数确定,3、卡森流体流变参数计算 1/2 = c1/2+ 1/21/2, 1/2,1/2,二、流变参数确定,4、表观粘度 a及剪切稀释性 （1）表观粘度 a a定义：剪切应力与对应剪切速率之比 a = / 无特殊说明， a是指=1022 s-1时的 a,mPas,二、流变参数确定,（2）剪切稀释性 定义：表观粘度随剪切速率

17、增大而降低的特性。 钻井对剪切稀释性要求：要求钻井液具有较强的剪切稀释性。,环形空间： 低， a大，有利于携带钻屑 钻头水眼： 大， a小，有利于水力破岩,二、流变参数确定,剪切稀释性影响因素：,塑性流体：,假塑性流体：,卡森流体：,一般钻井要求：,二、流变参数确定,5、静切力与触变性 （1）切力 定义：指静切力，表示钻井液在静止状态下网架结构的强弱。 切力随静止时间的变化而变化（见右图）， 塑性流体静切力s是静切力的极限值。,1、较快的强凝胶 2、较慢的强凝胶 3、较快的弱凝胶 4、较慢的弱凝胶,二、流变参数确定,触变性评价：以终切和初切的差值来表示,终切和初切的测量： A、高速搅拌10mi

18、n（配浆时）; B、初切测量：在600rpm下转10s，静止10s，测3rpm的切力,终切测量：在600rpm下转10s，静止10min ，测3rpm的切力,二、流变参数确定,携岩及悬浮 井壁稳定 钻井速度 抽吸压力与激动压力 滤失性 泥浆泵泵压与排量,流变性与钻井关系,1.钻井液携带岩屑的基本原理 携岩基本过程：一是岩屑被冲离井底，二是岩屑从环形空间被携至地面。 携岩基本原理：一方面钻井液携带岩屑颗粒向上运动，另一方面岩屑颗粒由于重力作用向下滑落。 在环形空间里，钻井液携带岩屑颗粒向上运动的速度取决于流体的上返速度与颗粒自身滑落速度二者之差。,一、钻井液流变性与携岩的关系,vp=vf-vs,

19、一、钻井液流变性与携岩的关系,综合考虑钻井的成本和效益，上返速度不能大幅度提高。因此，如何尽量降低岩屑的滑落速度对携岩至关重要。 研究表明，岩屑的滑落速度除与岩屑尺寸、岩屑密度、钻井液密度和流态等因素有关外，还与钻井液的有效粘度成反比。,一、钻井液流变性与携岩的关系,钻井液流态,层流特点,塞流 层流 平板型层流 紊流,2.1 层流及其携岩特点,成层流动 流速低 速度剖面呈“尖峰”抛物线,2.流态对携岩效率的影响,一、钻井液流变性与携岩的关系,层流携岩特点 对井壁冲刷作用小，有利于井壁稳定 存在“转动靠壁”现象，携岩效率低,F1,F2,F3,F4,一、钻井液流变性与携岩的关系,紊流特点,2.2 紊流及其携岩特点,流体质点作无规则运动 流速大，速梯小 速度剖面扁平,一、钻井液流变性与携岩的关系,紊流携岩特点 优点：岩屑不存在转动和滑落现象，几乎全部都能携带到地面上来，环形空间里的岩屑比较少。 缺点： 岩屑滑落大，要求上返速度高，泵排量大； 由于沿程压降与流速的平方成正比，功率损失与流速的立方成正比。所以用紊流携岩还会使钻头的水马力降低，不利于喷射钻井。 紊流时的高流速对井壁冲蚀严重，容易引