钻井液中的固相

1、1,钻井液与完井液Drilling and Completion Fluids李 方CNPC钻井液重点研究室（西南石油大学）,2,成 绩 分 布,1、出勤率（10%） （每次出勤听课，无迟到、早退、缺课者：10分） 2、作业（20%） （每次独立完成作业，并提交作业：20分） 3、提问（10%） （回答问题正确率达80%以上：10分） 4、期末考试（60%） （期末考试成绩100分：60分）,3,课程学时分布,钻井液概论(3学时) 粘土矿物和粘土胶体化学基础（6学时） 钻井液的流变性（6学时） 钻井液的滤失和润滑性能（5学时） 钻井液配浆材料与处理剂（5学时） 水基钻井液（5学时） 油基钻井液

2、（4学时） 对付井下复杂情况的钻井液技术（4学时） 保护油气层的钻井液技术(2学时) 钻井液固相控制（自学）,4,钻 井 液 与 完 井 液,钻井液流变性,钻井液造壁性,钻井液处理剂,钻 井 液 体 系,1,核心内容,5,第一章 绪 论,本章要求掌握： 钻井液、完井液功用、类型和组成。 钻井液、完井液的性能及其测试。 钻井液、完井液的发展概况。,2,6,第一节 钻井液、完井液的功用类型组成,钻井液 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+气）。 广义完井液 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）。 狭义完井液 钻开油气层的钻井液。,3,7,1. 钻井

3、液的主要作用（简图）,8,8,1. 钻井液的主要作用（具体内容）,保持清洁；控制压力； 冷却润滑；防止垮塌； 避免损害；取准资料； 传递功率；承受重量。,9,9,第二节 钻井液的组成和类型,2. 钻井液的组成 分散相+分散介质+化学处理剂 连续相+不连续相 液相+固相+化学处理剂,4,10,组分举例,某种水基钻井液组分为： 水 + 膨润土 + 处理剂 100ml 5g 1g 用组分表示的配方为： 5%膨润土浆+1%处理剂 配方表示的特点： 用W/V百分数表示组分。 不考虑处理剂的体积。,5,11,水基钻井液的典型组成,12,油基钻井液的典型组成,13,3. 钻井液的类型,通常根据分散介质分为三

4、大类： 水基钻井液（Water-Base Drilling Fluids） 油基钻井液（Oill-Base Drilling Fluids） 气基钻井液（Gas-Base Drilling Fluids）,6,14,7,15,钻井液密度 钻井液流变性 钻井液滤失造壁性 钻井液的pH值和碱度 钻井液的含砂量 钻井液的固相含量 钻井液膨润土含量 钻井液滤液分析,第二节 钻井液的性能及其测试,16,第三节 钻井液技术的发展,1. 初步形成时期 1888-1928年； 2. 快速发展时期 1928-1948年； 3. 高速发展时期 1948-1965年； 4. 科学化 时期 1965年-现在。,10,

5、17,发展 水基钻井液 清水 分散钻井液 抑制性钻井液 不分散聚合物钻井液 油基钻井液 原油 柴油为连续相钻井液 油包水乳化钻井液,18,国内钻井液技术发展特点,同样经历了这些阶段,但滞后一定时间; 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、聚合物钻井液理论较成熟； 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，两性离子聚合物体系、聚磺体系等； 研制了大量钻井液性能评价仪器； 计算机应用相对滞后。,19,1. 初步发展时期 自然造浆阶段,主要解决问题： 携带钻屑 控制地层压力 典型技术： 水+钻屑+地面土 使用重晶石、铁矿粉（1920年),11,20,

6、2. 快速发展时期 细分散泥浆阶段,主要解决问题： 泥浆性能的稳定 井壁稳定 典型技术： 性能测定仪器研制出来 使用膨润土、单宁、烧碱、褐煤,12,21,3. 高速发展阶段 粗分散泥浆阶段,主要解决问题： 石膏、盐污染 温度影响 典型技术： 各种盐水、钙处理泥浆 油基泥浆 处理剂品种16大类,13,22,4. 科学发展时期 聚合物不分散钻井液阶段,主要解决问题： 快速钻井 保护油气层 典型技术： 不分散低固相钻井液 气体钻井 保护油气层的完井液,14,23,第二章 粘土矿物和粘土胶体化学基础,本章要求重点掌握内容： 1. 几种粘土矿物的晶体构造特点及其水化性质。 2. 扩散双电层理论和电解质对

7、电动电势的影响。 3. 胶体体系的基本概念。 4. 分散度、比表面的概念。 5. 聚结稳定性和沉降稳定性概念及其影响因素。,15,24,粘土胶体化学基础(Fundaments of clay colloid chemistry),粘土胶体化学：在一般胶体化学规律指导下，专门研究粘土胶体的生成、破坏和物理化学性质的科学。 狭义胶体：胶体大小（三维中任一维尺寸在1-100m之间）的微粒分散在另一种连续介质中所形成的分散体系。 广义胶体：包括粗分散体系（悬浮体、乳状液、泡沫）；溶胶；高分子真溶液；缔合胶体。 学习本章的意义: 粘土是配浆的基础材料 钻井液是粘土-水的溶胶-悬浮体 地层造浆、井壁稳定、

8、储层保护等均与地层粘土矿物有关。,25,几个基本概念 1. 相和相界面 相 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。 相界面 相与相之间的宏观物理界面。 在相互接触的两相中： 若一相为气体，相界面称为表面。 若是液/固分界面，称为界面。,16,26,2.分散相与分散介质 分 散 相 在多相分散体系中，被分散的物 质。 分 散 介质 分散相所在的连续介质。 例如：钻井液中，粘土颗粒分散在水中。 粘土为分散相； 水为分散介质。,17,27,分散度和比表面 分散度 分散相的分散程度。 比表面 单位体积（重量）物质的总表面积。 比表面 = S/V = S/W

9、,18,28,3.吸附作用,吸附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。 吸附质被吸附的物质 吸附剂吸附吸附质的物质 按吸附的作用力性质不同，可将吸附分为： 物理吸附 化学吸附,29,第一节 粘土矿物的晶体构造与性质,粘 土：主要由粘土矿物和少量非粘土矿物组成的 细粒粘滞土状物质。 特点：粒度 5微米. 成分：粘土矿物（蒙托石等）+ 非粘土矿物（石英、长石等）+ 胶体矿物（蛋白石等）。 粘土矿物：含水的层状及层 链状铝硅酸盐总称。 特点：具有相对固定的化学组成和确定的内部结构 内部格子构造。,19,30,粘土矿物的晶格构造和特点,常见的粘土矿物(clay minerals) 高

10、岭土（Kaolinite） 蒙脱石(Montmorillonite) 伊利石(illite) 化学组成,31,一、粘土矿物的两种基本构造单元,1.硅氧四面体与硅氧四面体片 硅氧四面体 由一个硅原子和四个等距的氧原子组成的正四面体。硅原子在四面体的中心，氧原子在四面体的顶点。 图中： 基底氧：四面体底面三个氧原子。 顶端氧：四面体顶点一个氧原子。 O-O距离：2.61埃。 Si-O距离：1.61埃。, 硅原子, 氧原子,20,32, 硅氧四面体片 单个四面体与若干个相邻四面体通过底面氧相连，构成平面连续的四面体晶格。 四面体片特点： 由SiO4彼此连接而成的Si4O10的无限重复的六方网格。 所

11、有基底氧排列在同一个平面上。 所有顶端氧在另一个平面上。 平面投影形成正六角形的三层空心六角环网格。 四面体片在粘土中不能独立存在。, 硅原子, 氧原子,Si4O10 最小重复单元分子式,21,33,2. 铝氧八面体与铝氧八面体片, 铝氧（氢氧，Al O(OH)）八面体 铝原子处于正八面体中心，六个氧原子或氢氧原子处于八面体顶点。 图中： O-O距离：2.60埃。 OH-OH距离：2.94埃。, 铝原子, 氢氧原子,22,34, 铝氧（氢氧）八面体片 单个八面体与相邻的八面体通过共用晶棱连接起来，顶端和底端氧原子则构成两个平行的平面（每个八面体同相邻的六个其它八面体通过共用氧（氢氧）连接。 两

12、种八面体（片） 二八面体（铝氧片） 每三个八面体中心只有二个中心被Al3+、Fe3+占据（1/3空位）。 三八面体（镁氧片）每三个八面体中心全被Mg3+、Fe3+充填（无空位）。, 氢氧原子, 铝原子,Al4(OH)12 最小重复单位分子式,23,35,3. 晶片的结合, 晶层 四面体片和八面体片沿C轴按一定 比例相互重合，通过共用氧原子连接 形成电中性的统一结构层。 晶体 许多单位晶层在C轴方向上按一定 距离反复重合而成。 单位晶胞 能代表晶体性质的单位层内最小物 质组合。常以a、b轴范围表示其大小。 C轴间距 某一晶面与相邻晶层的对应晶面间的距离。 晶格取代 晶体结构中四面体的Si4+ 被

13、Al3+取代,或铝氧八面体的Al3+被Fe2+、Mg2+等取代，其结果是晶体结构不变，晶体带负电。,C,a,C 间距,b,24,36,二、几种粘土矿物的晶体构造,1. 高岭石（Kaolinite) 晶体结构 1：1型 单元晶层由一层四面体片和一层八面体片组成，所有硅氧四面体的尖顶都朝向八面体，通过共用氧原子连接成晶层。若干个晶层在C轴方向上层层重叠，而在a、b轴方向上连续延伸。 特点 晶层间连接紧密（晶层一面为“O”层，一面为“OH”层，易形成氢键。） 水化分散性差，矿物较稳定。 C轴间距=7.2埃。 晶胞分子式：Al4Si4O10(OH)8,-6 +12 -10 +16 -12 - =0,6

14、OH 4Al 4O+2OH 4Si 6O,氧,氢氧,铝,硅,25,37,2. 蒙脱石（Montmorillonite) 晶体结构 2：1型 两层四面体片中间夹一层八面体片。每个四面体尖顶均指向中央的八面体，通过共用的氧连接成晶层。若干个晶层按一定距离在C轴方向上重叠构成晶体。 晶胞分子式：Al4Si8O20(OH)4 特点 晶格取代 主要在八面体中：Mg2+ Al3+ 补偿阳离子：Na+、Ca2+ 阳离子交换容量高： 70-130 毫克当量/100克土 水化能力强。,6O 4Si 4O+2OH 4Al 4O+2OH 4Si 6O,氧,氢氧,铝,硅,14 埃,26,38,3. 伊利石（illit

15、e) 晶体结构 2：1型+K+ 晶体结构类似与蒙脱石的晶体结构。 区别： A 、晶格取代比蒙脱石多，且主要发 生在四面体片中。 B 、 补偿阳离子主要为K+。 C 、 单位晶胞电荷数比蒙脱石的高 1-1.5倍。 特点 A、 单位晶胞电荷数高：0.6-1.8。 B、单位层之间由分之间力和K+连接。 C、 阳离子交换容量低： CEC=20-40 meg/100g土 D、水化能力弱。,氧,氢氧,铝,硅,K+,10 埃,27,39,课 程 小 结,C轴间距,层间阳离子,28,40,粘土的电性,一、粘土晶体的电荷及其来源 1. 永久负电荷 构造电荷 来源：晶格取代产生过剩负电荷。 如： 四面体：Al3+

16、 Si4+；八面体：Mg2+ Ai3+。 特点： 永久负电荷主要受晶格取代影响，不受PH影响。 蒙托石的永久负电荷：主要来源于铝氧八面体，少部分来源于硅氧四面体。 伊利石的永久负电荷：主要来源于硅氧四面体，少部分来源于铝氧八面体。 高岭石几乎无永久负电荷。 永久负电荷大小排序： 伊利石蒙脱石高岭石。 永久负电荷主要分布在粘土晶层层面上。,29,41,2 . 可变负电荷 表面电荷 来源： 晶体端面的Al OH键 例如：在碱性条件： 端面吸附OH-、SiO3 2-等无机阴离子，或有机阴离子聚电解质。,Al O-. H+,OH- SiO3 2-,30,42,3. 正电荷 表面电荷 来源：当PH8时,

17、 Al O H Al+OH- 特点: 受环境PH值影响 。 正电荷负电荷，因此，粘土一般带负电。,31,43,二、粘土的交换性阳离子和阳离子交换容量CEC Cation Exchange Capacity 1. 交换性阳离子 粘土表面带负电，为了保持电中性，必然从分散介质中吸附等量的阳离子。这些阳离子吸附于粘土上，可以被分散介质中其它阳离子所交换的阳离子。 2. 粘土的阳离子交换容量CEC 定义：分散介质的PH=7时，从粘土上所能交换下来的阳离子总量。 通过测定粘土的阳离子交换容量，可以了解粘土表面所带的负电荷. 特点：矿物种类不同，CEC有很大差别。 蒙脱石：70 130 meg/100g土

18、 伊利石：20 40 meg/100g土 高岭石：3 15 meg/100g土 粘土的阳离子交换容量及吸附的阳离子的种类对粘土的胶体活性影响较大。,32,44,二、粘土的交换性阳离子和阳离子交换容量CEC Cation Exchange Capacity,3.粘土阳离子交换容量的测定 测定粘土阳离子交换容量的方法很多，经典的方法是醋酸铵淋洗法，其基本原理如下： 淋洗剂为醋酸铵NH4Ac，NH4+可交换出粘土中的ca 2+和Mg2+等阳离子，其作用可用图211表示。,45,4.影响粘土阳离子交换容量大小的因素 (1)粘土矿物的本性 (2)粘土的分散度 (3)溶液的酸碱度,二、粘土的交换性阳离子和

19、阳离子交换容量CEC Cation Exchange Capacity,46,粘土的水化作用,一、粘土矿物的水分 1. 结晶水 定义：粘土矿物晶体构造的一部分。又叫结构水。 特点：温度 3000C，释放出结晶水。 2. 吸附水（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一层水化膜。随粘土颗粒一起运动，成为束缚水。 特点：温度1100C，释放出吸附水。包括：薄膜水、毛细管水、胶体水。 3. 自由水 定义：粘土颗粒孔隙或孔道中存在的水。不受粘土束缚，可以自由运动。,33,47,二、粘土的水化和水化膨胀 1. 几个名称概念 粘土水化 粘土矿物遇水后，在其颗粒表面吸附水分

20、子形成水化膜的过程。 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。 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过程。 粘土收缩 在高温作用下，粘土矿物吸附的水分子逐渐蒸发，其体积由大变小的过程。,34,48,2. 引起粘土矿物水化的原因 靠静电吸附水分子产生水化 靠氢键吸附水分子产生水化,35,49,3. 粘土水化的过程 两个水化过程：表面水化和渗透水化。 表面水化 定 义：粘土矿物晶层表面吸附水分子和补偿阳离子吸附水 分子、增大晶层间距的过程。 影响因素：影响表面水化膨胀的三种力： a. 晶层间的范德华力； b. 水化能； c. 晶层间的静电引力。,36,5

21、0,表面水化特点： 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。 产生的膨胀压大（2000 -4000kg/cm2)。,37,51, 渗透水化 特点： 主要推动力：双电层斥力。 体积膨胀大。 膨胀压较小。,38,52,4.影响粘土水化膨胀的因素,(1)因粘土晶体的部位不同，水化膜的厚度也不相同。 层面上水化膜厚，端面上薄。 (2)粘土矿物不同，水化作用的强弱也不同。 蒙脱石、伊利石、高岭石 (3)因粘土吸附的交换性阳离子不同，其水化程度有很大差别(如钙蒙脱石，钠蒙脱石，见下图)。 Ca2+ max17A, Na+ max 40A (4)泥浆中可溶性盐

22、类及泥浆处理剂的影响 可溶性盐类，减低电位 有机处理剂的亲水基团，被粘土吸附后形成较大的水化膜。,53,54,第四节 粘土 水悬浮体的稳定性,一、电动现象 莱斯实验 实验中观察到两个现象： 粘土颗粒通过细砂层向阳极移动，并沉积起来。 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： 电泳：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。 电渗：在电场作用下，液体对固定的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于胶体体系引起的运动现象。,莱斯实验装置,土粒,水,电泳,电渗,+,-,39,55,二、界面双电层 1. 胶体颗粒扩散双电层 胶粒周

23、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，形成扩散双电层。 扩散双电层结构 扩散双电层 从固体表面到过剩反离子为零处。 吸附层 固体表面紧密吸引着的部分反离子所构成。 扩散层 其余反离子扩散地分布在液相中所构成。 滑动面 吸附层与扩散层错开的界面。 胶核：固体表面 胶粒：胶核+吸附层,扩散双电层结构,- - - - - - - - - -,滑动面,吸附层,扩散层,距离,粘土,40,56, 离子的分布 双电层内既有同号离子，又有反离子，其分布如右图所示。 双电层电荷必须平衡。,离子分布,反离子,过剩反离子,同号离子,0,X,n,n0,41,57,2. 双电层中的电势（位） 表面电

24、势 定义：从固体表面到均匀液相内的电势降。 特点： 固体表面电势最大。 表面电势随离表面距离的增大而大致依指数关系降低。 电动电势 定义：从滑动面到均匀液相的电势降。 特点： 胶粒带电越多，电位越高。 大小取决于吸附层内的静电荷数。,0,x,0,42,58, 电势方程式 赫斯公式(Helmhohz Smoluchouski) 对于片状离子： =(4v/DE)3002 对 于 球 离 子： =(6v/DE)3002 式中： 介质粘度； v 电泳速度； E 电位梯度；D 液体介电常数,43,59,3. 电解质对电位的影响 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

25、响电位值。,1= 2,1,2,0,x,电解质压缩恒定表面电势双电层,1 2,1,2,0,x,电介质压缩恒定表面电荷双电层,44,60, 恒定表面电势型双电层 吸附定势离子产生的。其表面电势由定势离子浓度决定，基本上不受其它电介质浓度的影响，所以其表面电势不变。 恒定表面电荷型双电层 由内部晶格不完整性引起的。其表面电荷由晶格内部的不完整性决定，与电解质浓度无关。 总之，这两种双电层均受电介质压缩， 电位要降低。 电解质压缩双电层机理： 加入电介质 正负离子浓度增加 过剩反离子受阻 扩散层减薄 电位降低。,45,61, 影响因素反离子浓度：浓度越高 压缩越多 电位降低越多。反离子价数：价数越高压

26、缩越多 电位降低越多。 反离子对恒表面电势型双电层影响,46,62, 等电态 电势等于零，胶粒不带电，电泳、电渗速度为零的状态。 再带电现象 高价反离子进入吸附层，使电势改变符号的现象。此时，胶粒电荷反号，电泳方向改变。,电解质浓度对电势的影响,-,x,1,2,电势 +,等电点,47,63,胶团结构 胶粒胶核+吸附层 胶团胶粒+扩散层 其中： 胶核：由许多分散相分之、原子和离子构成，一般具有晶体结构。 胶粒：胶核和吸附层沿滑动面与扩散层分开，但一起运动，带有电荷。 胶团：由胶粒与扩散层中的反离子构成。胶团为电中性的，分散在液体介质中便是溶胶。 例如：粘土胶团（蒙托石）结构： m (Al 3.3

27、4 Mg 0.66 )(Si8O20)(OH)4 0.66mx (0.66m-x)Na+x-xNa+,胶核,胶粒,胶团,粘土胶团结构图,48,64,. 粘土 水悬浮体的稳定性, 粘土 水悬浮体稳定性的概念 沉降稳定性 聚结稳定性 沉降稳定性：在重力作用下，分散相粒子是否容易下沉的性质。 聚结稳定性：分散相粒子是否容易自动聚结变大（自动降低分散度）的性质。 两种稳定性的关系： 因为：分散相粒子自动聚结变大 重量加大 粒子下沉 体 系失去沉降稳定性。 所以：聚结稳定性是根本的。,49,65, 影响沉降稳定性的因素 Stocks 沉降速度公式： 式中，r 粒子半径； 分散介质粘度； 粒子密度；0 分

28、散介质密度。 从上式可见，影响沉降速度v的因素为：r、 、 、 0。 说明： Stocks 沉降速度公式没有考虑钻井液凝胶强度的悬浮作用。,50,66, 影响聚结稳定性的因素 阻碍粘土颗粒聚结的因素有： 双电层斥力 ：电势越高，颗粒间斥力越大，粘土颗粒越难以聚结合并。 吸附溶剂化膜的性质：吸附溶剂化膜的粘度、弹性、厚度越大，粘土颗粒 越难以聚结合并。 引起粘土颗粒聚结的因素有： 颗粒之间的吸力（范德华力）：范德华力越大，粘土颗粒越容易聚结合并。 电解质的聚结作用： 反离子价数越高，聚结能力越强； 反离子浓度越高，聚结能力越强。 同价不同离子的聚结能力遵循感胶离子序，如碱土金属的聚结能力： Cs

29、+ Rb+ K+ Na+ Li+ Ba+ Sr+ Ca+ Mg+,51,67,聚结作用和凝胶 聚结（Aggregation）形式 面面：颗粒变大，分散度降低，不利于片架结构的形成，粘度下降。 端端端面：形成片架结构，片架结构增强，引起粘度切力增加。 凝胶（gel） 聚结严重时，体系失去了流动性，变成豆腐块状的凝胶。 形成胶凝的强度，主要取决于单位体积中片架结构的数目和每个片架结构的强度。,68,69,本次作业 1. 钻井液的主要功用有哪些? 2. 粘土矿物的晶格取代指的是什么? 其结果如何? 3.粘土端面可否带正电? 为什么? 4.什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?

30、5.什么是粘土的CEC ? 测定它们有何意义? 6.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。,52,70,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： 1. 流动原理及其几种流型的概念和数学模型。 2. 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。 4. 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。,53,71,第一节 钻井液的流动状态和基本概念,1. 流体的流动类型 稳 定 流： 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

31、同的流动。 特 点： 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变，而且随时间不同也在改变的流动。 特 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。 如：流体刚开始流动时；管道横断面变宽、变窄处。,54,72, 稳定流动类型的变化 塞流 Plug Flow 稳定流 层流 Laminar Flow 紊流 Turbulent Flow,塞 流,层 流,紊 流,稳定流动类型的变化,55,73,塞流：流体象塞子一样流动，流速为常数。 层流：流体分层运动。任意流层与相邻流层方向相 同，流速不同。 紊流：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

32、规则的、连续的变化。,56,74,2. 基本概念（预备知识） 剪切速率 Shear Rate 统一名称：速梯、剪率、切变率。 常用符号：、D、dv/dx、dv/dr 定 义： = dv/dr = 垂直于流动方向上单位距离内的流速增量。 意 义： dv/dr 增大，液流各层间的速度变化大；反之则小。 单 位： = 速度/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: 沉砂罐处：1020s-1 环形空间：50250s-1 钻杆内部：1001000s-1 钻头水眼：10007000s-1,57,75, 剪切应力 Shear Stress 统一名称：剪应力、切

33、应力。 常用符号： 定 义： = F/A = 液层单位面积上的剪切力。 意 义：越大，液流各层所受的作用力越大；反之，越小。 单 位： = F/A = dyn/cm2；Pa。 1Pa = 10dyn/cm2,58,76, 流变曲线 Consistency Curve 定 义：速梯与切应力关系曲线。 表示方法：三种表示法。,0,0,0, ；Q；V；n, ；P；P；,流变曲线表示法,59,77, 粘度 Viscosity 统一名称：有效粘度、视粘度。 常用符号： 定 义： = / = 单位剪切速率的剪切应力。 单 位： = / = dyn/cm2/s- = dyn.s/cm2 = 泊 1泊 = 1

34、00mPa.s =100cp = 1dyn.s/cm2,60,78,几何意义,A.流变曲线上某点与原点相连直线斜率的倒数 A = 1/tg = A / A 越大，越小 图中： A B,B.流变曲线上某点与原点相连直线的斜率 A = 1/tg = A / A 越大，越大 图中： A B,0,A,B,2,1,0,A,B,2,1,有效粘度几何意义,61,79, 漏斗粘度 Funnel Viscosity 定 义：定体积泄流时间。 单 位：秒；s。 类 型： 马氏漏斗粘度 Marsh Funnel Viscosity 定义：1500ml 流出946ml 的时间。 标准：清水测量值：260.5s 中国漏

35、斗粘度 定义：700ml流出500ml的时间。 标准：清水测量值：150.5s,漏斗粘度计示意图,62,80,第二节 基本流型及其分析,一、流体分类 根据“应力 应变（流动）（ -）”关系，将流体分为：,63,81,二、流体分析,对流体研究对象的基本假设： 连续介质 均质性 不可压缩性 层流,64,82,由流体力学知，流体有四种基本流型（即牛顿流型、塑性流型、假塑性流型和膨胀流型）。钻井液大多属塑性或假塑性流型，因此就对应有相应的流变参数。,83,1、牛顿内摩擦定律与牛顿流体 牛顿内摩擦定律 =F/A=(dv/dr) 表征流体粘性的比例系数，简称牛顿粘度。 F 内摩擦力。 牛顿流体 流变性符合

36、牛顿内摩擦定律的流体。 类型举例：水、甘油、单相液体等。 流变曲线：通过原点的直线。 特点： = / =C（常数）,液体流动示意图及流变曲线,F,r,dv,dr,r,0,稠液体,稀液体,65,84,2. 非牛顿流体 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 特点： 与呈单值对应关系。 塑性流体 Plastic Fluids 数学模型： - 0 = s 流变曲线：有截距的直线。 流变参数： 0 动切应力 Yield Stress 统一名称：屈服值、屈服点。 定 义：流体开始呈现层流流动时所需要 的剪切应力。 常用符号： 0；YP 单 位：dyn/cm2、Pa

37、几何意义：直线截距的切应力值。,0,s,0,真实泥浆,塑性体,流型图,66,85,s 塑性粘度 Plastic Viscosity 定 义：产生单位剪切速率所需要的剪切应力。 常用符号： s、PV 单 位：公制：dyn.s/cm2、泊、厘泊。 国际：Pa.s、mPa.s 模式讨论 - 0 = s 或者 = s+ 0/ 优点： 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的剪切稀释性。 ， s 能够反映出钻井液的极限粘度。 缺点： 低剪切速率下： 实 宾 表明模型拟合实际曲线有较大偏差.,67,86,真实泥浆与不同流型的比较,r,0,真实泥浆与不同流型的比较,68,87

38、, 假塑性流体 Pseudoplastic Fluids 流变模式： = Kn 流变曲线：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： K稠度系数 意义：反映流体的粘滞性。K越大，流体越难流动。 单位：dyn.sn/cm2 n流型指数 意义：偏离牛顿流体的程度。 模式讨论 = Kn 或者 = Kn-1 0， 0 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。 ， 0 无极限粘度，不符合钻井液情况。,0,r,69,88, 卡森流体 流变模型：1/2 = c1/2 + 1/2 1/2 流变曲线： 1/2-1/2 作图，为一条

39、直线。 -作图，为直线与曲线之和。 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 部结构情况。 ， 能够反映多数钻井液的剪切 稀释性。 ， 能够反映出钻井液的极限粘度。,卡森流体流变曲线,c,0,0, 1/2, c1/2,r1/2,r,70,89,三、剪切稀释性,1、定义 钻井液的有效粘度随剪切速率增加而降低的现象。 特点：剪切速率是变量；粘度是变量。 实质：高剪切作用破坏了体系内部结构，使总的粘滞性降低。 表示法：动塑比 或 YP/PV 意义： YP/PV越大，钻井液的剪切稀释性越强。 因为比值大，表明结构多（o大），固含低（s小），体系受剪切稀释明

40、显。 显然：只要能形成结构的钻井液，均有剪切稀释性。,71,90,作用：判断携屑能力：强者好，有利低速带砂（结构）。 0.360.48 Pa/mPas 估计钻头水眼处的粘度大小：强者小，有利喷射。 故：一般要求钻井液的剪切稀释能力强。（太强也有害）。,91,2、 流变特性与时间有关的非牛顿流体 特点： =f (，t ） 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，静止后变稠的特性。 一般定义： A. 在一定速梯下，剪切应力随作用时间 增加而减小的特性。 B. 在一定速梯下，剪切应力随静置时间 增加而增大

41、的特性。 胶化定义：等温情况下，流体状态发生 凝胶溶胶凝胶可逆转变 的特性。,0,t,牛顿体,震凝体,触变体,72,92, 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。 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结构。 搅拌时：网架结构逐步被拆散。 显然，凝胶结构 = f ( 固含、固相类型、温度、时间、剪切过程、处理剂类型） 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。 B. 借结构的变化与时间紧密相关。,静置,静置,搅拌,搅拌,73,93, 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

42、静切应力大小表示。 表示方法：触变性 = 初切力 - 终切力 或者 触变性 = 初切力/ 终切力 具体表示： 低密度钻井液：触变性 = 初切力/终切力 =1分钟静切力/10分钟静切力 即：触变性 = 1/ 10 = G1/G10 高密度钻井液：触变性 = 10秒钟静切力/10分钟静切力=10/ 10= G10”/G10,较快的强凝胶,较慢的强凝胶,较快的弱凝胶,较慢的弱凝胶,s,s,t,t,平坦型凝胶,递增型凝胶,良好型凝胶,脆弱型凝胶,74,94,衡量标志： 恢复结构的速度（即时间）。 最终结构的强度（即最终切力的小）。 影响因素： 粒子浓度，结构恢复快、强，触变性强。 电位，结构恢复慢、弱

43、，触变性弱。 若是端面、端端结构为主，恢复慢，但最终结构强。（需要一定时间完成定向） 若是高聚物吸附土粒形成桥联结构，恢复快，但最终结构强度弱。 钻井液对触变性的要求： 结构恢复要快（有利钻屑悬浮，防止沉砂） 最终切力要适当（防止开泵阻力大，压力激动）,95,第三节 钻井液流变参数的胶体化学性质,学习意义： 分散介质间吸引力。 流变性=f(流动阻力） 分散相与介质粘附力。 反映钻井液自身结构强弱 分散相之间吸力、斥力。 （可通过化学处理改变） 即：化学处理改变体系内部结构（胶化性质）改变流阻改变钻井液流变性 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

44、变化。 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。,75,96,一、钻井液的静切应力和动切应力 1. 静切力s 定义： 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。 影响因素： 单个链环的强度 颗粒间引力 电位、水化膜厚度h。 低， 水化膜薄， 吸力占优势，s大。 结构链环数目/单位体积（结构密度） 颗粒浓度c、分散度。含量大， 分散度高，s大。 处理剂的种类和加量 调整方法： 升s 提高 c 、分散度，降低 、水化膜厚度h。 降s 与上相反。,76,97,静切力的实际应用 （1）悬浮岩屑和加重材料 悬浮岩屑（球形）所需

45、静切力为： s（g/cm2) = d(岩- 浆）/6 s（dyn/cm2) = d(岩- 浆）/6 经验数据： 初切力 =26 Pa时，可达到良好的悬浮能力。 终切力 =2初切力，属于良好型触变体。 终切力 =5初切力，属于递增型触变体。此时，会造成泵压过高，易压漏地层。 （2） 影响井内液柱压力激动（阅读） 测量方法：用旋转粘度仪测其静止10分钟的切力。（用最低转速：每分钟3转）或用浮筒切力计。,静切力示意图,G =重力-浮力,s,77,98,2. 动切应力0（YP） 定义：钻井液开始作层流流动时，必须要的最小剪切应力。 实质：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

46、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。 0与s的区别： 0为层流流动条件下固体颗粒之间吸引力的量度； s为静止条件下固体颗粒之间吸引力的量度； 塑性流体特有的性质，反映钻井液作层流流动时，粘土颗粒之间及高聚物分子之间的相互作用力。（即结构拆散、恢复达到动平衡时的结构强度。） o是常量，不随速度梯度变化，体系定它则定。,78,99,影响因素（类似于静切力） 单个链环的强度 颗粒间引力 电位、水化膜厚度h。 结构链环数目/单位体积（结构密度） 颗粒浓度c、分散度。 处理剂的使用：吸附端面，拆散削弱结构，o 降低。 高分子聚合物的使用：吸附桥联，o升高。 调整方法： 升s 提高 c

47、、分散度，降低 、水化膜厚度h。 降s 与上相反。,79,100,作用：钻井过程中悬浮携带岩屑。（动态条件） o的大小反映了钻井液携屑能力的大小。o大，说明层流时结构强度大，流核面积大，携屑能力强，反之弱。 测量方法：用旋转粘度仪测600转和300转的数据，代入宾汉公式或相应的直读公式计算而得。 o=5.11（300-PV） o=0.511(2300-600),101,旋转粘度计,102,二、钻井液的粘度 1. 表观粘度(有效粘度、视粘度） 定义： = / 表观粘度随速梯而变，同一体系，不同速梯，i不同. 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 结果： 固 -固颗粒

48、间内摩擦阻力； 固 -液相分子间内摩擦阻力； 液 -液分子间内摩擦阻力； 固相结构 -液相分子间内摩擦阻力。 几种流体（模式）表示的表观粘度： 宾 汉 体：= s+ 0/ 假塑性体：= K()n-1 卡 森 体：= ()1/2 +(0/ ）1/21/2,80,103,实质：钻井液在流动过程中实际表现出来的总的粘滞性。 作用：衡量钻井液的宏观流动性。 测量方法：用旋转粘度仪。现场习惯用600转数据的1/2值表示，AV=600/2。方可将对应速梯下测得的切力值代入宾汉或指数方程求得。,104,2. 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破坏与恢复处于动态平衡时，以下三部分内摩擦力

49、的微观统计结果： 固 -固颗粒间内摩擦阻力； 固 -液相分子间内摩擦阻力； 液 -液分子间内摩擦阻力； 特点： s不随dv/dr变化而变化。 影响因素： 固相含量：固含 s ； 分散度：分散度 s ； 液相粘度：液相粘度 s ； 水溶性处理剂的粘度：水溶性处理剂的粘度 s 。 调整s 的方法：根据影响因素升、降s 。 显然，它直接反映了钻井液中固相含量的高低及分散程度。,81,105,作用：衡量判断钻井液中固相含量的高低及分散程度。 高则有害，低则有利。 PV与YP是塑性型钻井液的两个重要流变参数，它们直接影响流阻、压降、水力功率的大小及井眼净化的程度。 测量方法：用旋转粘度仪测600、300

50、读值。 PV=600-300 mPas,106,3. 假塑性体的 n、k 流性指数 n：n= f(内部结构强弱） n反映了流体的非牛顿强弱，n越小，流体非牛顿性月强。 表示假塑性流体中结构的多少及存在的形式。 当n1时：表明结构少，且不连续。n=1时，完全无结构，牛顿体。 当n0时：表明结构逐渐增多，且连续。非牛顿性越强。 作用：判别携屑能力：n小，流核大，带砂好。n=0.40.7好。 判断剪切稀释性：n越小，剪切稀释能力越强。（结构多） 调整 n值方法： 降 n 加入活性膨润土、无机盐、高分子聚合物等； 提 n 加入清水、稀释剂等。,82,107,3. 假塑性体的 n、k,稠度系数 k：k

51、=f (液相、固相含量及其性质）单位：达因秒n/厘米2 表示假塑性钻井液的稀稠程度。 由假塑性流体本构方程：=KDn可知， 当n=1时，=KD（即为牛顿体）。显然，此时K即为牛顿粘度（牛顿内摩擦系数），说明K与粘度有关。 实质：假塑性流体在一定速梯下非结构性内摩擦的反映。 作用：衡量钻井液流动阻力的高低及固相含量的多少。 降k值方法（与提k方法相反）： 增加惰性固体含量； 稀释或者除砂； 加入膨润土。,108,第四节 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 1. 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，通过流体的粘性带动同轴内筒转动，使扭力弹簧扭转一定

52、角度至平衡为止，由此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。,旋转粘度计原理图,R1,dr,R2,R1,R,L,h,83,109,2. 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，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： 外筒旋转角速度； n 外筒每分钟转速； R1 、 R1 内、外筒半径。,84,110,二、钻井液流变参数的确定 1. 仪器参数的确

53、定 常用仪器：Fan-35SA型旋转粘度计。 仪器参数： R2 R1 R2/R1 h k cm cm cm 格 dyn.cm/格 1.8415 1.7245 1.0678 3.8 300 386 将仪器参数代入 =R22n / 15 (R22 - R12) 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。 r/min 600 300 200 100 6 3 r.s-1 1022 511 340.7 170.3 10.22 5.11,85,111,又根据测定扭距 M = k，得到仪器最大测定扭距： Mmax = 300 380 = 115800 dyn.cm 将其代入 =M

54、 / ( 2R12h )，得：max = 1533 dyn/cm2 由此，可得到仪器扭簧系数：C = / = 1533/300 = 5.11 dyn/cm2/格 综上可见，我们已经得到了如下公式： = C = 5.11 =1.703 n 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。,86,112,2. 不同流体的流变参数直读公式 牛顿流体 Newtonian Fluids： = 300 = 1/2 600 mPa.s 宾汉塑性流体 Bingham Model s =600- 300 mPa.s =600/2 mPa.s 0 = 0.511(300- s) mPa.s 假塑性体 Power Law Model n = 3.322 lg(600 /300) K = 0.511300 /511n Pa.sn 卡森流体 Casson Model 1/2 = 2.42 (6001/2 - 3001/2) (mPa.s)