1、第三章 钻井液的流变性,钻井液的流变性,各种流型的机理 常用流变参数的物理意义、工程意义、影响因素和调整技术 如何通过流变性能的分析，找出钻井液存在的问题，提出解决办法 如何提高钻井液携带岩屑和洗井的效率 钻井液流变性能与安全优质高速钻井的关系,钻井液的流变性,F=ma m:kg a:m/s2 1N=1kgm/ s2 1kgf=m gn=9.80665N 1dyn(达因）=10-5N,P=F/A P=Pa=1N/m2=1kg m-1s-2 1at(工程大气压）=1kgf/cm2 =98.0665kPa 1dyn(达因）/ cm2 =0.1Pa 1泊= 1dyn(达因） s/ cm2 =0.1P
2、a s,钻井液的流变性,钻井液流变性在外力作用下，钻井液发生流动和变形的特性，其中流动性是主要的方面 钻井液流变性的表征钻井液的流变曲线塑性粘度、动切力静切力表观粘度等流变参数,第三章 钻井液的流变性,钻井液流变性与钻井工程关系 携带岩屑，保证井底和井眼的清洁 保证钻井液固相含量的有效控制 悬浮岩屑与重晶石 提高机械钻速 保持井眼规则和保证井下安全 钻井环空水力学计算,P58,牛顿内摩擦定律的推导,轻油 水 胶水,牛顿内摩擦定律,液体流动时，液体层与层之间的内摩擦力（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（g）成正比，而与接触面上的压力无关,牛顿内摩擦定律,表达
3、式 F = m S g t = F/S = m g t 的单位是Pa，g 的单位是s-1，m 的单位是Pas 1 cp = 1 m Pas m 水=1.0087 m Pas,牛顿内摩擦定律的基本参数,剪切速率 在垂直于流速方向上单位距离dx流速的增量 （dv/dx），称为剪切速率，单位为s1 钻井循环系统剪切速率的分布情况 P58 沉砂池处：1020s-1 环形空间：50250 s-1 钻杆内：1001000 s-1 钻头喷嘴：10000100000 s-1,牛顿内摩擦定律的基本参数,剪切力 由于液体内部内聚力的作用，在流速不同的各液层之间发生内摩擦作用，出现成对的内摩擦力，称为剪切力 液体的
4、粘滞性 液体流动时所具有的抵抗剪切变形的物理性质,牛顿内摩擦定律的基本参数,钻井液粘度(总粘度） 钻井液流动时固体颗粒之间，固体颗粒与液体之间，以及液体分子之间的内摩擦力的总反应,钻井液粘度的基本构成,液体分子之间的内摩擦力（纯分散介质的粘度，构成塑性粘度） 固体颗粒与液体之间和固体颗粒之间的内摩擦力（在悬浮体的粘度中固相含量是主要影响因素，构成塑性粘度） 固体颗粒之间的相互作用力（因分散相颗粒之间的相互作用或空间网架结构而增加的流动阻力，构成结构粘度）,漏斗粘度,定义：1夸脱钻井液的流出时间称为漏斗粘度 特点：测定方法简便，可直观反映钻井液粘度的大小 ，包括塑性粘度和结构粘度,表观粘度,定义
5、 表观粘度又称为有效粘度（Effective Viscosity）。它是在某一剪切速率下，剪切应力与剪切速率的比值 ma = t / g 常用单位为mPas 表观粘度=塑性粘度 +结构粘度,影响钻井液粘度的基本因素,固相含量 粘土的分散度 粘土颗粒间的相互作用 高分子处理剂的性质、分子量和浓度,钻井液空间网架结构形成机理,粘土颗粒浓度相当高，土粒之间的平均距离短 粘土颗粒形状不规则，表面性质不均匀 粘土颗粒表面带有电荷 高分子增粘剂自身或与粘土颗粒共同作用形成网架结构 网架结构的实质是粘土颗粒间的相互作用,高分子化学处理剂对粘度的 影响机理,改变粘土颗粒的表面性质、 电位和吸附水化膜的厚度（影
6、响塑性粘度和结构粘度） 参与絮凝结构的破坏或形成（影响结构粘度） 改变液相的粘度（影响塑性粘度）,流体的基本流型,流型 按照流体流动时剪切速率与剪切应力之间的关系，将流体划分为不同的类型，称为流型 流体的基本流型 牛顿流型、塑性流型、假塑性流型和膨胀流型,流体的基本流型,牛顿流体,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 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,牛顿流体的流动特性,加很小的应力就能流动 流速梯度与切应力成正比 在层流区内，粘度不随剪切应力与剪切速率变化，是一个常量,非牛顿流体,不遵守牛顿内摩擦定律的流体，称为非牛顿
7、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 大多数钻井液属于非牛顿流体,流变模式,各种钻井液的剪切应力与剪切速率之间的关系用数学关系式表示，称为流变方程，习惯上又称为流变模式 各种钻井液的剪切应力与剪切速率之间的关系用用图线来表示，称为流变曲线,P60,塑性流体,流变模式t = t0 + mp g 高粘土含量的钻井液、油漆和高含蜡原油等都属于塑性流体 使流体开始流动的最低剪切应力（ts）称为静切应力（又称静切力、切力或凝胶强度）,第一节 流体的基本流型及其特点,第一节 流体的基本流型及其特点,塑性流体流动机理分析,水基钻井液的粘土矿物具有片状或棒状结构，形状很不规则，表面性质极不均匀
8、，颗粒之间容易彼此连接在一起，形成空间网架结构 如果颗粒浓度足够大，就能够形成布满整个容积空间的连续网架结构 要使钻井液流动，就必须破坏这种连续的网架结构,塑性流体流动机理分析,结构的拆散速度 结构的恢复速度 两个速度达到动态平衡,塑性粘度,当剪切速率增至一定程度，结构破坏的速度和恢复的速度保持相等时，结构拆散的程度将不再随剪切速率增加而发生变化，相应地粘度亦不再发生变化，该粘度即钻井液的塑性粘度 该参数不随剪切应力和剪切速率而改变，和牛顿流体一样,塑性粘度,塑性粘度反映了在层流情况下，钻井液中网架结构的破坏与恢复处于动平衡时，悬浮的固相颗粒之间、固相颗粒与液相之间以及连续液相内部的内摩擦作用
9、的强弱,影响塑性粘度的因素 钻井液中的固相含量 钻井液中粘土的分散程度 高分子聚合物处理剂（液相粘度 ）,调整塑性粘度的方法,降低mp 通过合理使用固控设备、加水稀释，尽量减少固相含量 加水,提高mp 加入高分子聚合物处理剂，使钻井液的液相粘度提高,动切力（屈服值）,塑性流体流变曲线中的直线段在t 轴上的截距 它反映了钻井液在层流流动时，粘土颗粒之间及高分子聚合物分子之间相互作用力的大小，亦即形成空间网架结构能力的大小,动切力（屈服值）,主影响要因素 钻井液中的固相含量、分散度 粘土颗粒的z电位和水化程度（电解质、处理剂） 粘土颗粒吸附处理剂的情况（稀释剂） 高分子聚合物处理剂（大分子形成的网
10、架结构）,动切力（屈服值）的调整 降低t0,加入降粘剂（或称稀释剂），以拆散钻井液中已形成的网架结构 可用沉淀方法除去有害的污染离子，如果Ca2+、Mg2+ 等 用清水或稀浆稀释,动切力（屈服值）的调整 提高t0,加入能够形成空间网架结构的高分子处理剂：XAN，正电胶，聚合物正电胶，80A51等水解聚丙烯酰胺系列高分子处理剂 控制适当的般土含量,剪切稀释性,t = t0 + mp g ma = t / g= t0/ g + mp =结构粘度+塑性粘度 塑性流体和假塑性流体的表观粘度随着剪切速率的增加而降低的特性称为剪切稀释性 动切力与塑性粘度的比值（简称动塑比）能够表示剪切稀释性的强弱 t0
11、/ mp的值越大，剪切稀释性越强,调整钻井液剪切稀释性能的意义,在高剪率下有效地破岩 形成平板型层流，在低剪率下有效地携带岩屑 是钻井液流变性能调整的关键 动塑比控制范围：0.360.48 Pa / mPas,调整钻井液剪切稀释性能的方法,提高动切应力t0 / mp降低塑性粘度,加入能够形成空间网架结构的高分子处理剂 控制适当的般土含量，保证适当的优质土的胶体颗粒加强固相控制，清除有害固相，保持钻井液的润滑性,钻井液的切力（静切应力）,其胶体化学实质是胶凝强度 它表示钻井液在静止状态下形成的空间网架结构的强度 其大小取决于单位体积中结构链环的密度和单个链环的强度 其物理意义是，当钻井液静止时，
12、破坏钻井液内部单位面积上的结构所需的剪切力，单位为Pa,钻井液的切力（静切应力）,一般用初切力和终切力来表示静切应力的相对值 初切力：钻井液在经过充分搅拌后，静置1分钟（或10秒钟）测得的静切力 终切力：钻井液在经过充分搅拌后，静置10分钟测得的静切力,静切力的主要影响因素,粘土矿物的类型、含量及分散度 粘土颗粒的z电位和吸附水化膜厚度 所选用的聚合物处理剂及其浓度 无机电解质及其浓度,钻井液的触变性,搅拌后钻井液变稀（即切力降低），静置后又变稠的特性 与钻井液搅拌后静止的时间有关 一般用终切与初切之差相对表示钻井液触变性的强弱,钻井液的触变性机理,在触变体系中空间网架结构的恢复要求在颗粒的相
13、互排列上有一定的几何关系 在恢复过程中，需要一定的时间来完成这种定向作用 恢复结构所需的时间和最终的凝胶强度（即切力）的大小，可更为真实地反映某种流体触变性的强弱,假塑性流体,某些钻井液、高分子化合物的水溶液以及乳状液等均属于假塑性流体 （低的固相含量） 流动特点：施加极小的剪切应力就能产生流动，不存在静切应力，它的粘度随剪切应力的增大而降低在流变曲线中无直线段 流变模式：幂律方程，即t = K g n,假塑性流体机理分析,极小的切应力就能流动，表明假塑性流体内没有连续的空间网架结构 或者即使有也不连续而且非常脆弱，被切应力拆散后不易恢复 所以粘度随切应力增加而降低 本质是这类钻井液的般土和固
14、相含量较低,假塑性流体的基本参数,流性指数n 相当于动切应力，无因次 通过控制较低的n值，有利于形成平板型层流，保证钻井液具有良好的剪切稀释性能 n值控制范围： 0.40.7 K值（稠度系数） 相当于低剪切速率下的表观粘度与流体在剪切速率为1 s-1时的粘度有关。K值可反映其可泵性和携岩能力 K值的单位为Pasn,第二节 钻井液流变参数的测量与调控,旋转粘度计的构造及工作原理 1 转/分（rpm）= 1.703 s-1 t = 0.511 q 600 rpm（1022 s-1） 300 rpm（511 s-1） 1泊= 1dyn(达因） s/ cm2 =0.1Pa s 1Pa s=1000cp
15、 P69-70,表观粘度的测量与计算 P70,ma = (1/2) q600 ma = t / g = (0.511 qN / 1.703 N) (1000) = (300 qN) / N,宾汉塑性流体流变参数的测量与计算 P71,塑性粘度mp mp = q600 - q300 mp = (t600- t300) / (g600 - g300) =0.511 (q600 - q300) / (1022 - 511) (1000) = q600 - q300,宾汉塑性流体流变参数的测量与计算 P71,动切力t0 t0 = 0.511 (q300- mp) t0 = t600 - mp g600
16、= 0.511q600 - 0.511 (q600 - q300) / (1022 - 511) (1022)= 0.511 (2 q300- q600) = 0.511(q300- mp),宾汉塑性流体流变参数的测量与计算,静切力 初切（t初）= 0.511q3（10秒或1分钟） 终切（t终）= 0.511q3（10分钟） 在3转/分的剪率下读取刻度盘的最大偏转值,第三章 钻井液的流变性,第二节钻井液流变性 与钻井作业的关系,钻井液流变性与井眼净化的关系,层流携带岩屑的原理 紊流携带岩屑的原理 平板形层流携带岩屑的原理及实现,钻井液携带岩屑的基本原理,钻井液携带岩屑颗粒向上运动 岩屑颗粒由于
17、重力作用向下滑落 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,钻井液携带岩屑的基本原理,钻井液携带岩屑颗粒向上运动的速度 vp = vf - vs 携带比vp / vf = 1 - ( vs / vf) 提高携带比主要途径：降低岩屑的滑落速度vs,层流携带岩屑的原理,层流携带岩屑的特点：流动速度剖面为一抛物线 层流携带岩屑的优点：对上返速度要求不高 层流携带岩屑的缺点：岩屑在上升过程中各点受力不均匀，使岩屑翻转 岩屑翻转造成的不良后果：在井壁上形成厚的假泥饼；携带岩屑效率低,紊流携带岩屑的原理,紊流携带岩屑的特点：流速高，速度剖面较平齐 紊流
18、携带岩屑的优点：岩屑携带能力强，井壁干净 紊流携带岩屑的缺点：岩屑在紊流时的滑落速度比在层流时大 ；泵功率损失大；对井壁冲蚀严重，紊流携岩常常受到各种条件的限制，难以采用,平板形层流携带岩屑的原理及实现,原理：在层流状态下，通过把层流时过水断面上的尖峰形流速分布“拉平”，用平板型层流来代替尖峰型层流，解决岩屑的翻转问题由于钻井液有动切应力，致使它在层流流动时有流核存在 增大流核直径，就会出现平板型层流,流核直径 的计算公式推导,环形空间流核 t = t0 + mp g t= t0 PA= t0 S A=流核环形柱截面积 S=流核环形柱表面积 P=作用在环形空间流核上的压力降 d0=流核直径,流
19、核直径 的计算公式,塑性流体层流时流核直径 的计算公式 增大t0/mp，能够使钻井液的流核尺寸增大，从尖峰形层流转变为平板型层流 同样减小n值，也可使环空液流逐渐转变为平板型层流,平板型层流的特点,在低环空返速的情况下有效地携带岩，保持井眼清洁，不会形成假井壁 对井壁的冲蚀力小 降低对设备功率的要求,实现平板型层流的工艺措施,使用能够有效提高钻井液动切力的高分子处理剂 有效地使用固控设备 ，除去有害固相 改善钻井液的的润滑性，从而降低钻井液的内摩擦力 保持合理的优质般土的含量 控制排量，保证钻井液为层流,紊流层流,降低上返速度 提高钻井液的粘度,现场问题,如果携带岩屑效果不好，井下情况复杂并出
20、现井塌时怎么办？（粘度，排量） 某油田钻进上部流砂层，经常出现砂垮，严重影响钻井，怎么办？（上返速度，动塑比） 大排量，高塑性粘度，会出现什么情况？ 表观粘度=结构粘度+塑性粘度(哪个粘度与剪切速率有关，什么情况下表观粘度随剪切速率的变化幅度最大，什么情况下最小，你希望那一种情况发生）,钻井液流变性与井壁稳定的关系,紊流液流对井壁有较强的冲蚀作用，引起易塌地层垮塌，不利于井壁稳定 在钻井液循环时一般应保持在层流状态 通过临界返速，对钻井液的流态进行判断。若实际环空返速大于临界返速为紊流，反之则为层流,钻井液流变性 与悬浮岩屑、加重剂的关系,当钻井液停止循环时，要求钻井液体系内能迅速形成空间网架
21、结构，将岩屑和加重剂悬浮起来 颗粒重力=钻井液对它们的浮力+竖向切力 悬浮颗粒所需的静切力： q = d (r岩 r) g / 6,钻井液流变性 与井内液柱压力激动的关系,定义：井内液柱压力发生突然变化，给井内增加一个附加压力（正值或负值）的现象 压力激动对钻井工程的 危害：引起井漏、井喷或井塌 影响压力激动的主要因素：钻井液的粘度、切力；在起下钻和开泵的现场操作,钻井液流变性与提高钻速的关系,钻井液在钻头喷嘴处的紊流流动阻力对钻速影响很大 表观粘度相同而动塑比不同的钻井液，喷嘴处的紊流流动阻力并不相同 通过使用剪切稀释性强的优质低固相不分散聚合物钻井液，能够降低钻头喷嘴处的紊流流动阻力，明显提高机械钻速,作业,1，4，8,
