1、鉆井液工藝學3分析 穩定流動類型的變化穩定流動類型的變化 塞流塞流 Plug Flow-流體象塞子一樣流動，流速為常數流體象塞子一樣流動，流速為常數.穩定流穩定流 層流層流 Laminar Flow-流體分層運動。任意流層與相鄰流流體分層運動。任意流層與相鄰流 層方向相層方向相 同，流速不同。同，流速不同。 紊流紊流 Turbulent Flow-流體內形成無數小旋渦。任一定流體內形成無數小旋渦。任一定 點點的流速，其大小、方向都在進行著不規則的、連續的變化。的流速，其大小、方向都在進行著不規則的、連續的變化。靜止靜止塞流塞流層流層流紊流紊流液體流速增加液體流速增加 二、基本概念二、基本概念

2、1.1.剪切速率剪切速率( ( Shear rate) )與剪切應力與剪切應力( ( shear stress) )剪切速率剪切速率 Shear Rate 同義名稱：速梯、剪率、切變率，流速梯度。同義名稱：速梯、剪率、切變率，流速梯度。 常用符號：常用符號：、dv/dr 定定 義：義： = dv/dr = 垂直于流動方向上單位距離內的流速增量。垂直于流動方向上單位距離內的流速增量。 意意 義：義： dv/dr 增大，液流各層間的速度變化大；反之則小。增大，液流各層間的速度變化大；反之則小。 單單 位：位： = 速度速度/距離距離 = cm/s/cm = 1/s = s-1鉆井液循環系統中各部位

3、剪切速率范圍為鉆井液循環系統中各部位剪切速率范圍為: 沉砂罐處：沉砂罐處：1020s-1 環形空間：環形空間：50250s-1 鉆桿內部：鉆桿內部：1001000s-1 鉆頭水眼：鉆頭水眼：10007000s-1 剪切應力剪切應力 Shear Stress同義名稱：切應力。同義名稱：切應力。常用符號：常用符號：定定 義：義： = F/A = 液層單位面積上的剪切力。液層單位面積上的剪切力。意意 義：義： 越大，液流各層所受的作用力越大；反之，越越大，液流各層所受的作用力越大；反之，越小。小。 單單 位：單位：單 位：位： = F/A = dyn/cm2；Pa。 1Pa =1N/m2= 10dy

4、n/cm2 2.2.粘滯性粘滯性(viscosity)液體流動時具有抵抗剪切變形的物理性質。液體流動時具有抵抗剪切變形的物理性質。3.3.牛頓內摩擦定律牛頓內摩擦定律（Newtonion Law):在一定的條件下，切力與速梯正比。在一定的條件下，切力與速梯正比。 = = 粘滯系數簡稱粘滯系數簡稱 4.4.液體類型液體類型: :(1)(1)根據牛頓內摩擦定律：根據牛頓內摩擦定律：牛頓液體牛頓液體和和非牛頓液體非牛頓液體(2)(2)根據流變曲線特征：根據流變曲線特征：11塑性液塑性液22假塑性液假塑性液33牛頓液牛頓液44膨脹液膨脹液三、鉆井液流動特點及分析三、鉆井液流動特點及分析 o1.牛頓液牛

5、頓液(Newtonion fluid)v無結構、均勻質點，如油類、清無結構、均勻質點，如油類、清水。水。v流變曲線為一條過原點直線流變曲線為一條過原點直線, ,符符合合=。v00、00施加很小的切應力就施加很小的切應力就發生流動。發生流動。為常數為常數, ,不隨不隨變化變化 =/=tg=/=tgabaabb 2.塑性液塑性液(Plastic fluid): (大多數鉆井液大多數鉆井液)v存在不流動區存在不流動區s s 、=0=0、00vs s靜切力：反映靜態結靜切力：反映靜態結構強度。構強度。v過度區過度區( (塞一層塞一層):):結構拆結構拆散散, ,不能被均勻剪切不能被均勻剪切. .層流區

6、層流區( (直線段直線段) ) 靜靜止止塞塞流流層層流流紊紊流流 s o剪切稀釋性剪切稀釋性(shear thinning )o原因原因：在速梯增大時，網架結構被拆散，結構粘度降：在速梯增大時，網架結構被拆散，結構粘度降低所致。低所致。o意義意義：具有剪切稀釋性的鉆井液，在速梯較低時有較：具有剪切稀釋性的鉆井液，在速梯較低時有較大的表觀粘度，有利于懸浮和攜帶巖屑。而在速梯較大的表觀粘度，有利于懸浮和攜帶巖屑。而在速梯較大時又有較小的表觀粘度，這有利于降低流動阻力，大時又有較小的表觀粘度，這有利于降低流動阻力，減少功率損耗。減少功率損耗。 3.假塑性液假塑性液(Pseudo-plastic fl

7、uid)（聚合物鉆井液、油包水乳化鉆井液為典型的假塑性液）（聚合物鉆井液、油包水乳化鉆井液為典型的假塑性液）v流變曲線為過原點的指流變曲線為過原點的指數曲線；數曲線；v施加很小切應力發生流施加很小切應力發生流動，無動，無s s或很小或很小; ;v具有剪切稀釋性。具有剪切稀釋性。abaabb 4.膨脹性液體膨脹性液體(dilatant fluid)l流變曲線為指數曲線流變曲線為指數曲線與假塑性液體相似，與假塑性液體相似，但凹凸方向相反；但凹凸方向相反；l粘度隨速梯增加而增粘度隨速梯增加而增加加剪切增稠剪切增稠。ababb o一、賓漢模式一、賓漢模式(Bingham 1919 ) o=0+p3-2

8、 鉆井液流變模式鉆井液流變模式 Drilling fluid rheological models evaluations0 1.1.p p- -塑性粘度塑性粘度PVPV(plastic viscosity ) Pa.s or mPa.s 意義意義: : p p=(-=(-0 0 )/)/ 反映了液相之間，固液之間和固相與固相之間反映了液相之間，固液之間和固相與固相之間 的摩擦力。的摩擦力。 影響影響: :固相性質及含量，液相性質。固相性質及含量，液相性質。 控制控制: :通常通過清除鉆屑來降低。通常通過清除鉆屑來降低。 2.0-動切應力動切應力YP (Yield Point) Pa. 意義意

9、義:用以表示鉆井液流動時鉆井液中粘土網架結構的強度用以表示鉆井液流動時鉆井液中粘土網架結構的強度 反映了鉆井液攜帶和懸浮鉆屑的能力。反映了鉆井液攜帶和懸浮鉆屑的能力。 影響影響:形成網架結構的因素，如形成網架結構的因素，如粘土含量粘土含量及及性質、聚合物、電性質、聚合物、電解質解質等。等。控制控制: 提高動切力提高動切力：加上述物質；：加上述物質；降低動切力降低動切力：加拆散結構的物質如：降粘劑、反絮凝劑等。：加拆散結構的物質如：降粘劑、反絮凝劑等。 3.視粘度表達式視粘度表達式: =0/+p =g +p 結構粘度定義結構粘度定義為為g =0/討論：討論：兩種鉆井液在某相同的速梯（剪切速率）下

10、視粘度兩種鉆井液在某相同的速梯（剪切速率）下視粘度相同，其懸浮攜帶鉆屑的性能是否相同？相同，其懸浮攜帶鉆屑的性能是否相同？ 由此表明采用由此表明采用賓漢模式賓漢模式的視粘度由的視粘度由結構粘度結構粘度和和塑性粘度塑性粘度構成，構成，其所占其所占的比例不同對鉆井液的的比例不同對鉆井液的流變性影響很大。流變性影響很大。二、冪律模式二、冪律模式(Bingham 1928) (Power law model ) 表達式：表達式：=kn （指數方程）（指數方程）1. n1. n流性指數流性指數意義意義：當當n n11 1 時為膨脹流體。時為膨脹流體。在大多數鉆井液中，在大多數鉆井液中，n1n0.5Rt

11、0.52. Vs2. Vs計算：計算：顆粒沉降流態顆粒沉降流態: :鉆屑顆粒沉滑時鉆屑顆粒沉滑時, ,邊界液流所呈的狀態邊界液流所呈的狀態. .顆粒雷諾數顆粒雷諾數-Re.p -Re.p (partical Reynolds Number ) 16.ReassfdVp 17)(32. 0afsssdV 18)()(706. 0333. 0667. 0ffsssdV 19)(9 . 2ffsssdV Re.p1 Re.p2000Re.p2000紊流沉降紊流沉降 基本數據基本數據計算環空流態計算環空流態式（式（1818）計算）計算VsVsRep2000Rep2000式（式（1919）計算）計算Vs

12、Vs式（式（1616）計算）計算RepRepRep1Rep1式（式（1717）計算）計算VsVs計算計算VtVt計算計算RtRt流態流態層流層流紊流紊流YNYN井眼凈化計算機框圖井眼凈化計算機框圖三鉆井液密度的計算三鉆井液密度的計算 o鉆井液密度鉆井液密度( ( Density) )Lpff100靜態測量靜態測量 LPDCEf10.當量循環泥漿密度當量循環泥漿密度（E.C.DEquivalent Circulating Density）由于鉆井液循環流動所產生附加壓力的相當密度。由于鉆井液循環流動所產生附加壓力的相當密度。o單位：單位：E.C.D、f kg/m3；PPa；LmLPDCEf100

13、.o單位：單位：E.C.D、f g/cm3；PMPa；Lm 四、鉆井液流變性與井內壓力激動四、鉆井液流變性與井內壓力激動o鉆井液的井內壓力激動鉆井液的井內壓力激動 起下鉆和鉆井過程中，由于鉆柱的上下移動、起下鉆和鉆井過程中，由于鉆柱的上下移動、泥漿泵的開動等原因，使井內液柱壓力產生突泥漿泵的開動等原因，使井內液柱壓力產生突然變化（升高或降低），給井內增加一個附加然變化（升高或降低），給井內增加一個附加壓力（正值或負值）的現象壓力（正值或負值）的現象。n影響激動壓力的因素：影響激動壓力的因素：o鉆柱運動速度鉆柱運動速度o鉆頭及鉆柱的泥包程度鉆頭及鉆柱的泥包程度o環形空間的間隙、井深環形空間的間隙

14、、井深o泥漿性能（粘度、切力）泥漿性能（粘度、切力） o下鉆下鉆: : 當鉆頭在井內向下運動時，鉆井液被推動當鉆頭在井內向下運動時，鉆井液被推動著向上流動。這時鉆頭處的壓力等于鉆頭以上鉆著向上流動。這時鉆頭處的壓力等于鉆頭以上鉆井液的流動阻力與該段鉆井液的靜液柱壓力。超井液的流動阻力與該段鉆井液的靜液柱壓力。超出靜液柱壓力的部分被稱為出靜液柱壓力的部分被稱為“激動激動”。這是。這是造成造成井漏的原因之一井漏的原因之一。o起鉆起鉆: : 相反，當鉆頭在井內向上運動時，鉆井液相反，當鉆頭在井內向上運動時，鉆井液向下流動。這時鉆頭處的壓力等于鉆頭以上鉆井向下流動。這時鉆頭處的壓力等于鉆頭以上鉆井液的

15、靜液柱壓力減去該段鉆井液的流動阻力。低液的靜液柱壓力減去該段鉆井液的流動阻力。低于靜液柱壓力的部分被稱為于靜液柱壓力的部分被稱為“抽吸壓力抽吸壓力”。這是。這是誘發井噴、井塌的原因之一誘發井噴、井塌的原因之一。o主要控制措施：主要控制措施：控制起下鉆速度控制起下鉆速度 開泵時的壓力激動開泵時的壓力激動: 由于鉆井液具有觸變性，停止循環由于鉆井液具有觸變性，停止循環后，鉆井液中的粘土顆粒隨停泵時間后，鉆井液中的粘土顆粒隨停泵時間增加，被拆散的網架結構恢復強度增增加，被拆散的網架結構恢復強度增加，靜切力升高，開泵泵壓將超過正加，靜切力升高，開泵泵壓將超過正常循環所需的泵壓，造成壓力激動。常循環所需的泵壓，造成壓力激動。 主要控制措施：主要控制措施：開泵操作平穩；開泵操作平穩； Q Q P Ps s P P0 0 P P1 1 P P2 2M M1 1M M2 2PsPs、P P0 0、分別為克服靜、動切力所分別為克服靜、動切力所需壓力需壓力；P P1 1、P P2 2分別為鉆井液靜止分別為鉆井液靜止若干時間之后所需壓力若干時間之后所需壓力。鉆井液流變性的一般要求鉆井液流變性的一般要求 o對于非加重鉆井液：對于非加重鉆井液： 塑