1、鉆井液的流變性烏效鳴中國地質大學武漢工程學院勘基系2004年.鉆井液的流變性概述鉆井液流變性Rheological Properties of Drilling Fluids 是指在外力作用下，鉆井液發生流動和變形的特性，其中流動是主要的方面。該特性通常用鉆井液的流變曲線和塑性粘度Plastic Viscosity、動切力Yield Point、靜切力Gel Strength、表觀粘度Apparent Viscosity等流變參數來進展描畫的。.鉆井液的流變性概述 鉆井液流變性是鉆井液的一項根本性能，它在處理以下鉆井問題是起著非常重要的作用：1攜帶巖屑，保證井底和井眼的清潔；2懸浮巖屑；3提高

2、機械鉆速；4堅持井眼的規那么和保證井下平安。.內容概要鉆井液的流變性對鉆井任務的影響 流變類型與流變參數 不同鉆井液流型的構成機理分析 鉆井液流變性的丈量 .鉆井液的流變性對鉆井任務的影響 鉆井液的流變性對鉆井任務的影響主要表達在懸碴、護壁、減阻、提高鉆速和冷卻鉆具5個方面。 動畫演示1懸碴、護壁動畫演示2提高鉆速.鉆井液的流變性對鉆井任務的影響鉆井液的主要功能之一就是清洗井底并將巖屑攜帶到地面上來。鉆井液清洗井眼的才干除取決于循環系統的水力參數外，還取決于鉆井液的性能，特別是其中的流變性能。巖屑的去除分兩個過程，一是巖屑被沖離井底，二是巖屑從環形間隙被攜帶到地面。.鉆井液的流變性對鉆井任務的

3、影響對于破碎的不穩定井壁，利用較粘稠的泥漿還可以起到較好的粘結護壁作用。絮流液流對井壁有較強的沖蝕作用，容易引起易塌地層垮塌，不利于井壁穩定。其緣由是絮流時液流質點的運動方向是絮亂的和無規那么的，而且流速高，具有較大的動能。因此，在鉆井液循環時，普通應堅持在層流形狀，盡量防止出現絮流。對于非牛頓流體，普通采用綜合雷諾數Re來判別流態。將鉆井液按塑性流體思索，當Re2000時為絮流。假設按Re2000，即可推導出臨界返速的公式。.鉆井液的流變性對鉆井任務的影響但是，泥漿的粘稠性大又有不利的方面：使井底碎巖效率降低，這種影響主要表如今鉆頭噴嘴處的絮流流動阻力對鉆速的影響。鉆井液粘度越大，絮流流動阻

4、力越大，從而降低了鉆頭在井底的碎巖效率。添加泥漿循環的流動阻力；增大對井壁的液壓力激動破壞。井內液柱壓力是指在起下鉆和鉆進過程中，由于鉆柱上下運動、泥漿泵開動等緣由，使得井內液柱壓力發生忽然變化升高或降低，給井內添加一個附加壓力正值或負值的景象。 .流變類型與流變參數 4種流型，9個流變參數1、牛頓流體絕對粘度2、賓漢流體靜切力、動切力、塑性粘度、表觀粘度3、冪律流體流性指數、稠度指數4、卡森流體極限高剪粘度、卡森動切力.1、牛頓流體牛頓方程：式中：單位面積上的內摩擦力，或稱為剪切應力，Pa； 剪切速率或流速梯度，s-1； 牛頓粘度或稱為動力粘度，Pas,(1Pas=1000cP=1000mP

5、as)。.1、牛頓流體 圖1 典型牛頓流體流變圖 氣體、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屬于牛頓流體。.2、賓漢流體塑性流體與粘塑性流體 塑性流體其流變曲線為不經過原點O的一條直線，如圖2所示。它表示這種流體具有一定的顆粒濃度，在靜止形狀下構成顆粒之間的內部構造，加外力進展剪切時，要破壞構造后才干開場流動。例如，泥漿中粘土顆粒的外形很不規那么，外表性質也很不均勻，因此顆粒之間容易彼此粘結，構成網狀構造。倘假設顆粒的濃度足夠大，網狀構造可以在泥漿中布滿整個空間，那么要使這種泥漿發生流動，就必需在一定程度上破壞這種延續構造。 .塑性流體圖2 塑性流體 理想的

6、賓漢塑性流體，普通是一些含較高固相且顆粒均勻的懸浮體，如一些礦漿、油墨、油漆等。.塑性流體式中： 靜切力， Pa；p 塑性粘度，Pas。塑性流體有兩個流變參數，即塑性粘度p及靜切力 表觀粘度：.粘塑性流體由于固相顆粒的高度不均勻(如粘土)，在外表引力與斥力作用下易構成構造，在低剪切速率下其流變曲線(本來是直線)往往偏離直線，構成曲線變化，當剪切速率添加至層流段時才成直線變化(圖3)，這種流體稱為粘塑性流體。 .粘塑性流體圖3 粘塑流體流動圖 屬于粘塑性流體的有泥漿、瀝青、某些原油、水泥漿等，粘度高的牛頓流體也表現出粘塑性流體的性質。 .粘塑性流體圖中AB為凹向軸的曲線，BD為直線段，BD延伸線

7、與軸的交點為C，OC壞，此時產生像塞子一樣的流動，故稱為塞流。隨著的逐漸升高，構造逐漸破壞，表觀粘度也逐漸變小，此段流變曲線為一曲線變化。B點之后處于較穩定的層流段，此時粘塑流體內部的構造破壞與構成處于平衡形狀，BD為不斷線段，表示有一個穩定的塑性粘度值。而D點之后，由于流速快，剪切速率高，就轉為紊流態了。0表示此流體運動時構造的存在及其數值的大小。.粘塑性流體 與式(2)比較，此式也是直線方程，截距為0，而不是s。即此賓漢方程只能代表流變曲線的層流直線段，而不能代表低剪切速率下的塞流曲線段。粘塑性流變參數有兩個，即塑性粘度p，及動切力(或叫屈服值)0。.粘塑性流體仿牛頓粘度表示法，求粘塑流體

8、的表觀粘度值： 圖3中，在ABD線上任何一點F1、F2與原點O的連線OF1、OF2斜率的倒數均表示表觀粘度值。剪切速率越高，表觀粘度越低。這種表觀粘度隨剪切速率升高而降低的景象，可稱為剪切稀釋作用。泥漿剪切稀釋作用的好壞可用動塑比(動切力/塑性粘度)來表示，動塑比越大，表示剪切稀釋作用越好。參與高分子處置劑的低固相泥漿(特別是參與XC生物聚合物)，可使塑性粘度添加慢而動切力添加快，能提高泥漿的動塑比。.3、冪律流體 圖4 冪律流體流變曲線 用高分子處置劑處置的低固相泥漿及聚合物鉆井液，也多屬于假塑流體，或介于賓漢體與假塑體之間。濃的淀粉糊、一些礦漿、高固相含量的涂料等屬于膨脹流體。.冪律流體式

9、中：K稠度系數，或稱為冪律系數，Pasn；n流性指數，或稱為冪律指數，無單位。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。在剪切速率一定范圍內，n值可當作常數處置。n值是非牛頓性的度量，n值越低或越高曲線也越彎曲，非牛頓性也越強，泥漿n值普通在0.5以下為好。上式中，當n1時為膨脹流體。因此，冪律流體又區分為假塑流體與膨脹流體兩種，其中最常見的是假塑流體。.假塑流體如圖4所示，假塑流體的流變曲線為凹向軸的曲線OAB，曲線OAB 是膨脹流體(在高剪切速率下接近于直線)。它經過原點O，表示一加外力即產生流動，不存在靜切力。隨著剪切速率的不斷升高，其表觀粘度是不斷下降的，屬于剪切稀釋液

10、。 表觀粘度：.假塑流體當n1時，0tg1，01時，45，為膨脹流體。因此n值和K值是假塑流體的兩個流變參數。長鏈高分子聚合物懸浮體是典型的假塑流體。靜止時分子鏈恣意相互糾纏，但由于靜電斥力占優勢，不易構成構造。運動時，分子鏈趨向于平行流動方向，順序陳列，運動阻力減小，隨剪切速率添加，這一趨勢添加，加上分子鏈能夠斷裂，因此表觀粘度減少。.卡森流體 卡森方式是假定凝聚生長條狀的棒狀物，在剪切下特別是在高剪切速率下能分解為原始短顆粒。 式中： 恣意剪切速率或每分鐘轉數(rpm)下表觀粘度， Pas； 剪切速率為無窮大時的表觀粘度，Pas； 剪切速率，s-1； 屈服值或卡森動切力，Pa。 .卡森流體

11、卡森斜率：卡森斜率越高，表示泥漿的剪切稀釋作用越好，而值等于截距(圖5)。 圖5 卡森方式圖 卡森流體的兩個主要流變參數是卡森動切力 和極限高剪粘度 。.不同鉆井液流型的構成機理分析 泥漿流動時的剪切應力與剪切速率之間的關系用流變方程和流變曲線來表達。如第二章所述，不同泥漿的流變關系大體上可以分為四種實際流型，即牛頓流型、賓漢流型、冪律流型和卡森流型。一種詳細泥漿的實踐流型與哪一種實際流型較相近，就以為它屬于該實際流型。泥漿的流型主要取決于構成泥漿的資料組成及其它們的含量。.不同鉆井液流型的構成機理分析 動畫演示3流型構成機理.不同鉆井液流型的構成機理分析粘土含量較少的細分散泥漿比較接近于牛頓

12、流型，其剪切應力主要由相互無銜接力的粘土微粒及水分子之間的摩擦力構成。由牛頓流型關系式(1)可知，反映該類泥漿粘稠性的流變參數是牛頓粘度。由于普通泥漿在未加稀釋劑和高聚物加量很少的情況下存在粘土顆粒之間的結合力，具有一定程度的網架構造。因此，泥漿在發生流動之前需求抑制一定的構造力。其流型用賓漢流型來反映較為適宜。由賓漢流型關系式(2)可知，反映該類泥漿粘稠性的流變參數是動切力o和塑性粘度p。 .不同鉆井液流型的構成機理分析當泥漿中的線形高聚物或類似油微粒的可變形物質含量較高，并且泥漿構造力很低時，可以用冪律關系來描畫泥漿流型。這種流型的切應力隨剪切速率的變化不是線性關系，而是由快到慢呈冪指數關

13、系，也就是說流動慢時切力添加得快，流動快時切力添加得慢。其緣由是線形高聚物等在流動中具有順流方向性。流速越大，順流方向性越強，阻力添加得越慢。由冪律流型關系式(8)可知，反映該類泥漿粘稠性的流變參數是稠度系數K和流型指數n。.不同鉆井液流型的構成機理分析對于許多泥漿而言，既存在著粘土顆粒的空間網架，又有線形高聚物或類似的物質，也就是說既存在構造力，又有剪切稀釋作用。因此，用卡森流型來反映其流變關系更為適宜。由卡森流型關系式(10)可知，反映該類泥漿粘稠性的流變參數是卡森動切力c和卡森高剪粘度。.鉆井液流變性的丈量 1、漏斗粘度計 圖7 漏斗粘度計.漏斗粘度計將漏斗呈垂直，用手握緊并用食指堵住管

14、口。然后用量筒兩端，分別裝200ml和500ml泥漿倒入漏斗。將量筒500ml一端朝上放在漏斗下面，放開食指，同時啟動秒表記時，記錄流滿500ml泥漿所需的時間，即為所測泥漿的粘度。儀器運用前，運用清水進展校正。該儀器丈量清水的粘度為150.5秒。假設誤差在1秒以內，可用下式計算泥漿的實踐粘度。.ZNN型旋轉粘度計 動力部分雙速同步電機、電源 變速部分可變六速轉/分 6 100 200 300 600 丈量部分扭力彈簧、刻度盤與內外筒組成丈量系統。 圖8 旋轉粘度計.ZNN型旋轉粘度計部分放大圖實物全圖圖9 旋轉粘度計實物與部分放大圖.ZNN型旋轉粘度計任務原理液體放置在兩個同心圓筒的環隙空間

15、內，電機經過傳動安裝帶動外筒恒速旋轉，借助于被測液體的粘滯性作用于內筒一定的轉矩，帶動與扭力彈簧相連的內筒一個角度。該轉角的大小與液體的粘性成正比，于是液體的粘度丈量轉換為內筒轉角的丈量。圖10 旋轉粘度計任務原理.ZNN型旋轉粘度計操作順序將剛攪拌好的泥漿倒入樣品杯刻度線處350ml，立刻放置于托盤上，上升托盤使液面至外筒刻度線處。擰緊手輪，固定托盤。如用其它樣品杯，筒底部與杯底之間不應低于1.3mm。迅速從高速到低速進展丈量，待刻度盤讀數穩定后，分別記錄各轉速下的讀數。.ZNN型旋轉粘度計操作順序測靜切力時，應先用600轉/分攪拌10s，靜置10s鐘后將變速手把置于3轉/分，讀出刻度盤上最大讀數，即為初切力。再用600轉/分攪拌10s，靜置10min后將變速手把置于3轉/分，讀出刻度盤上最大讀數，即為終切力。實驗終了后，封鎖電源，松開托盤，移開量杯。悄然卸下內外筒，清洗內外筒并