1、關于流變性及其調整第一張，PPT共七十五頁，創作于2022年6月第五節 鉆井液的流變性及其調整一、 鉆井液的基本流型及其特點二、 鉆井液流變參數的測量及其調整三、 鉆井液流變性與鉆井作業的關系四、 鉆井液降粘劑第二張，PPT共七十五頁，創作于2022年6月 鉆井液流變性（Rheological Properties of Drilling Fluids）： 指在外力作用下，鉆井液發生流動和變形的特性，其中流動性是主要的方面。該特性通常是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

2、Viscosity）等流變參數來進行描述的。 鉆井液流變性是鉆井液的一項基本性能，它在解決下列鉆井問題時起著十分重要的作用： （1）攜帶巖屑，保證井底和井眼的清潔； （2）懸浮巖屑與重晶石； （3）提高機械鉆速； （4）保持井眼規則和保證井下安全。 第三張，PPT共七十五頁，創作于2022年6月1. 剪切速率和剪切應力（Shear Rate and Shear Stress）：液體和固體不同，液體具有流動性。就是說，加很小的力就能使液體發生變形，而且只要力作用的時間相當長，很小的力就能使液體發生很大的變形。 一、 鉆井液的基本流型及其特點流體流動的基本概念 以河水在水面的流速分布為例，可以觀察

3、到越靠近河岸，流速越小，河中心處流速最大。 管道中水的流速分布是中心處流速最大，越向周圍流速越小，靠近管壁處流速為零。流速剖面形狀為拋物線。從立體來看，它象一個套筒望遠鏡或拉桿天線。 第四張，PPT共七十五頁，創作于2022年6月一、鉆井液的基本流型及其特點流體流動的基本概念 水中各點的流速不同，可以設想將其分成許多薄層。通過管道中心線上的點作一條流速的垂線，自中心線上的點沿垂線向管壁移動位置，隨著位置的變化流速也在發生變化。 剪切速率：如果在垂直于流速的方向上取一段無限小的距離dx，流速由v變化到v+dv，則比值dv/dx表示在垂直于流速方向上單位距離流速的增量，即流速梯度，又稱剪切速率，用

4、符號g 來表示，單位為s1。 鉆井液循環在不同部位，流速不同，剪切速率也不相同。流速越大之處剪切速率越高，反之則越低。 一般情況下，沉砂池處剪切速率為最低，大約在1020s-1；環形空間50250 s-1；鉆桿內1001000 s-1；鉆頭噴嘴處最高，大約在10000100000 s-1。 第五張，PPT共七十五頁，創作于2022年6月一、鉆井液的基本流型及其特點流體流動的基本概念 粘滯性：液流中各層的流速不同，故層與層之間必然存在著相互作用。由于液體內部內聚力的作用，流速較快的液層會帶動流速較慢的相鄰液層，而流速較慢的液層又會阻礙流速較快的相鄰液層。這樣在流速不同的各液層之間會發生內摩擦作用

5、，即出現成對的內摩擦力，阻礙液層剪切變形。通常將液體流動時所具有的抵抗剪切變形的物理性質稱作液體的粘滯性。 牛頓內摩擦定律：液體流動時，液體層與層之間的內摩擦力（F）的大小與液體的性質及溫度有關，并與液層間的接觸面積（S）和剪切速率（g）成正比，而與接觸面上的壓力無關，即 F = m S g 。剪切應力 ：內摩擦力F除以接觸面積S即得液體內的剪切應力 ，剪切應力可理解為單位面積上的剪切力，即 = F/S 。粘度m ： 衡量液體粘滯性大小的物理量， m = / g ，單位Pa.s，mPa.s；工程上常用厘泊（cP）來表示，1cP=1mPa.s。20時，水的粘度為1.0087mPa.s第六張，PP

6、T共七十五頁，創作于2022年6月一、鉆井液的基本流型及其特點流體流動的基本概念 牛頓流體（Newtonian Fluid）：將剪切應力與剪切速率的關系遵守牛頓內摩擦定律的流體，稱為牛頓流體。如水、酒精等大多數純液體、輕質油、低分子化合物溶液以及低速流動的氣體等均為牛頓流體。 非牛頓流體（non-Newtonian Fluid）：將剪切應力與剪切速率的關系不遵守牛頓內摩擦定律的流體，稱為非牛頓流體。如高分子聚合物的濃溶液和懸浮液等一般為非牛頓流體。大多數鉆井液屬于非牛頓流體。 2. 流變模式和流變曲線 ：（1）流變模式：描述剪切應力與剪切速率關系的數學關系式，稱為流變方程，習慣上又稱為流變模式

7、。 （2）流變曲線：描述剪切應力與剪切速率關系的圖線，稱為流變曲線。習慣上用對作圖而得。 第七張，PPT共七十五頁，創作于2022年6月一、鉆井液的基本流型及其特點流體流動的基本概念 3. 流體的基本流型： 按照流體流動時剪切速率與剪切應力之間的關系，流體可以劃分為不同的類型，即所謂流型。除牛頓流型外，根據所測出的流變曲線形狀的不同，又可將非牛頓流體歸納為塑性流型、假塑性流型和膨脹流型。以上四種基本流型的流變曲線如圖所示。符合這四種流型的流體分別叫做牛頓流體、塑性流體、假塑性流體和膨脹性流體。（1）牛頓流體：流變方程： = m g 意義：當牛頓流體在外力作用下流動時，剪切應力與剪切速率成正比。

8、流體特點：當t0時，g0，因此只要對牛頓流體施加一個外力，即使此力很小，也可以產生一定的剪切速率，即開始流動；其粘度不隨剪切速率的增減而變化。 第八張，PPT共七十五頁，創作于2022年6月一、鉆井液的基本流型及其特點流體流動的基本概念 3. 流體的基本流型：（2）膨脹流體：比較少見。流變方程：=n（n 1）流動特點：a. 稍加外力即發生流動；b. 粘度隨剪切速率（或剪切應力）增加而增大，靜置時又恢復原狀；c. 與假塑性流體相反，其流變曲線凹向剪切應力軸；d. 這種流體在靜止狀態時，所含有的顆粒是分散的；當剪切應力增大時，部分顆粒會糾纏在一起形成網架結構，使流動阻力增大。第九張，PPT共七十五

9、頁，創作于2022年6月一、鉆井液的基本流型及其特點塑性流體 （1）塑性流體：如高粘土含量的鉆井液、油漆和高含蠟原油等。（2）靜切應力ts ：塑性流體當g = 0時，t 0。也就是說，它不是加很小的剪切應力就開始流動，而是必須加一定的力才開始流動，這種使流體開始流動的最低剪切應力（ts）稱為靜切應力（又稱靜切力、切力或凝膠強度）。（3）塑性粘度（表示為mp或PV）： 當剪切應力超過ts時，在初始階段剪切應力和剪切速率的關系不是一條直線，表明此時塑性流體還不能均勻地被剪切，粘度隨剪切速率增大而降低（圖中曲線段）。繼續增加剪切應力，當其數值大到一定程度之后，粘度不再隨剪切速率增大而發生變化，此時流

10、變曲線變成直線（圖中直線段）。此直線段的斜率稱為塑性粘度（表示為mp或PV）。 （4）動切應力t0 ：延長直線段與剪切應力軸相交于一點t0，通常將t0（亦可表示為YP）稱為動切應力（又稱動切力或屈服值）。塑性粘度和動切力是鉆井液的兩個重要流變參數。 第十張，PPT共七十五頁，創作于2022年6月一、鉆井液的基本流型及其特點塑性流體 （5）塑性流體的流變模式 ：塑性流體流變曲線的直線段即可用下面的直線方程進行描述： t = t0 + mp g 因為是賓漢首先提出的，該式常稱為賓漢模式（Bingham Model），并將塑性流體稱為賓漢塑性流體。 （6）塑性流體的內部結構 水基鉆井液主要由粘土、水

11、和處理劑所組成。粘土礦物具有片狀或棒狀結構，形狀很不規則，顆粒之間容易彼此連接在一起，形成空間網架結構。粘土顆?？赡艹霈F三種不同連接方式，即面-面（Face to Face）、端-面（Edge to Face）和端-端（Edge to Edge）連接。這是由于粘土顆粒表面的性質（帶電性和水化膜）極不均勻引起的。片狀的粘土顆粒有兩種不同的表面，即帶永久負電荷的板面和既可能帶正電荷也可能帶負電荷的端面，這樣粘土表面在溶液中就可能形成兩種不同的雙電層。一般說來，粘土膠體顆粒的相互作用受三種力的支配，即雙電層斥力、靜電吸引力和范德華引力。粘土顆粒間凈的相互作用力是斥力和吸力的代數和，因此在不同條件下，

12、會產生以上三種不同的連結方式。第十一張，PPT共七十五頁，創作于2022年6月一、鉆井液的基本流型及其特點塑性流體 （6）塑性流體的內部結構 例如，當端面帶正電荷時，板面與端面就由于靜電吸引力占優勢而彼此連接；當加入可溶性電解質時，則由于其中的陽離子壓縮雙電層使z電位降低，從而降低了雙電層斥力，于是引起端-面連接；如果加入的電解質足夠多，雙電層斥力降至某種程度之后，則會發生面-面連接。 第十二張，PPT共七十五頁，創作于2022年6月一、鉆井液的基本流型及其特點塑性流體 （7）聚結、絮凝和分散、解絮凝 三種不同的連接方式將產生不同的后果。 面-面連接會導致形成較厚的片，即顆粒分散度降低，這一過

13、程通常稱為聚結（Aggregation）。 端-面與端-端連接則形成三維的網架結構，特別是當粘土含量足夠高時，能夠形成布滿整個空間的連續網架結構，膠體化學上稱作凝膠結構，這一過程通常稱為絮凝（Flocculation）。 與聚結和絮凝相對應的相反過程分別叫作分散（Dispersion）和解絮凝（Deflocculation）。 一般情況下，鉆井液中的粘土顆粒都在不同程度上處在一定的絮凝狀態。因此，要使鉆井液開始流動，就必須施加一定的剪切應力，破壞絮凝時形成的這種連續網架結構。這個力即靜切應力，由于它反映了所形成結構的強弱，因此又將靜切應力稱為凝膠強度。 第十三張，PPT共七十五頁，創作于202

14、2年6月一、鉆井液的基本流型及其特點塑性流體 （8）流變曲線分析 曲線段：在鉆井液開始流動以后，由于初期的剪切速率較低，結構的拆散速度大于其恢復速度，拆散程度隨剪切速率增加而增大，因此表現為粘度隨剪切速率增加而降低； 直線段：隨著結構拆散程度增大，拆散速度逐漸減小，結構恢復速度相應增加。因此，當剪切速率增至一定程度，結構破壞的速度和恢復的速度保持相等（即達到動態平衡）時，結構拆散的程度將不再隨剪切速率增加而發生變化，相應地粘度亦不再發生變化。該粘度即鉆井液的塑性粘度。因為該參數不隨剪切應力和剪切速率而改變，所以對鉆井液的水力計算是很重要的。從賓漢模式可以得出：mp = (t -t0) / g

15、，塑性粘度的單位為mPas。 第十四張，PPT共七十五頁，創作于2022年6月一、鉆井液的基本流型及其特點假塑性流體 （1）假塑性流體：某些鉆井液、高分子化合物的水溶液以及乳狀液等均屬于假塑性流體。 （2）流體特點：施加極小的剪切應力就能產生流動，不存在靜切應力，它的粘度隨剪切應力的增大而降低。 （3）流變曲線特點分析： 曲線過原點 原因：無網架結構；有脆弱不連續的網架結構，一經拆散不易恢復，故一觸即動。 無直線段： ，d/d ，即剪切應力與剪切速率之比總是變化的。（4）假塑性流體的流變模式：t = K g n （0n 1） 又稱冪律模式（Power Low Model）。n 為流性指數和K

16、為稠度系數，是假塑性流體的兩個重要流變參數。 第十五張，PPT共七十五頁，創作于2022年6月一、鉆井液的基本流型及其特點冪律模式和賓漢模式的比較 在中等和較高的剪切速率范圍內，冪律模式和賓漢模式均能較好地表示實際鉆井液的流動特性，然而在環形空間的較低剪切速率范圍內，冪律模式比賓漢模式更接近實際鉆井液的流動特性。因此，盡管賓漢模式一直是國內外鉆井液工藝中最常用的流變模式，但目前認為，采用冪律模式能夠比賓漢模式更好地表示鉆井液在環空的流變性，并能更準確地預測環空壓降和進行有關的水力參數計算。在鉆井液設計和現場實際應用中，這兩種流變模式往往同時使用。 第十六張，PPT共七十五頁，創作于2022年6

17、月二、鉆井液流變參數的測量與調控 流變參數及其調控方法 鉆井液的流變參數包括塑性粘度、動切力、靜切力、流性指數、稠度系數、漏斗粘度、表觀粘度、剪切稀釋性、動塑比和觸變性，以及卡森流變流變參數、赫-巴流變模式三參數等。 1. 漏斗粘度（Funnel Viscosity） 在鉆井過程中需要經常測定的重要參數。由于測定方法簡便，可直觀反映鉆井液粘度的大小。 用鉆井液量杯的上端（500mL）與下端（200mL）準確量取700mL鉆井液，將左手食指堵住漏斗口，使鉆井液通過篩網后流入漏斗中。 將鉆井液量杯500mL的一端置于漏斗口的下方；在松開左手食指的同時，右手按動秒表。注意在鉆井液流出過程中，應始終使

18、漏斗保持直立。 （1）測試步驟：第十七張，PPT共七十五頁，創作于2022年6月二、鉆井液流變參數的測量與調控 流變參數及其調控方法 待鉆井液量杯500 ml的一端流滿時，按動秒表記錄所需時間。 所記錄的時間即漏斗粘度，其單位為s。漏斗粘度計的準確度常用純水進行校正。在常溫下，純水的漏斗粘度為15 0.2 s。 （2）局限性： 在鉆井液從漏斗口流出的過程中，隨著漏斗中液面逐漸降低，流速不斷減小，因此不能在某一固定的剪切速率下進行粘度測定。因此，使漏斗粘度不能象從旋轉粘度計測得的數據那樣作數學處理，也無法與其它流變參數進行換算。 漏斗粘度只能用來判別在鉆井作業期間各個階段粘度變化的趨向，它不能說

19、明鉆井液粘度變化的原因，也不能作為對鉆井液進行處理的依據。即便如此，漏斗粘度至今仍然與其它流變參數結合在一起，共同表征鉆井液的流變性。 第十八張，PPT共七十五頁，創作于2022年6月二、鉆井液流變參數的測量與調控 流變參數及其調控方法 2. 塑性粘度 （Plastic Viscosity） （1）定義：塑性流體流變曲線直線段的斜率，不隨剪切速率而變化。（2）物理意義：反映了在層流情況下，鉆井液中網架結構的破壞與恢復處于動平衡時，懸浮的固相顆粒之間、固相顆粒與液相之間以及連續液相內部的內摩擦作用的強弱。 （3）影響因素：固相含量（主要因素）：一般情況下，隨著鉆井液密度升高，由于固體顆粒逐漸增多

20、，顆粒的總表面積不斷增大，所以顆粒間的內摩擦力也會隨之而增加。 粘土的分散程度：當粘土含量相同時，其分散度愈高，塑性粘度愈大。 高分子聚合物處理劑：鉆井液中加入高分子聚合物處理劑會提高液相粘度，從而使塑性粘度增大。顯然，其濃度愈大，塑性粘度愈高；分子量愈大，塑性粘度愈高。 第十九張，PPT共七十五頁，創作于2022年6月二、鉆井液流變參數的測量與調控 流變參數及其調控方法 （4）調整方法：降低mp：通過合理使用固控設備、加水稀釋或化學絮凝等方法，盡量減少固相含量。 提高mp：加入低造漿率粘土、重晶石、混入原油或適當提高pH值等均可提高mp。另外增加聚合物處理劑的濃度使鉆井液的液相粘度提高，也可

21、起到提mp的作用。 3. 動切力 t0 （Yield Point） （1）定義：塑性流體流變曲線中的直線段在t 軸上的截距。 （2）物理意義：反映了鉆井液在層流流動時，粘土顆粒之間及高分子聚合物分子之間相互作用力的大小，亦即形成空間網架結構能力的大小。 （3）影響因素：第二十張，PPT共七十五頁，創作于2022年6月二、鉆井液流變參數的測量與調控 流變參數及其調控方法 （3）影響因素：粘土礦物的類型和濃度：在常見的粘土礦物中，蒙脫石最容易水化膨脹和分散，并形成網架結構。隨著鉆井液中蒙脫石濃度增加，塑性粘度上升比較緩慢，但動切力會大幅度上升。相對而言，高嶺石和伊利石等粘土礦物對動切力的影響較小。

22、電解質：在鉆進過程中，如果有一定量的NaCl、CaSO4、水泥等無機電解質進入鉆井液，均會引起鉆井液絮凝程度增大，從而增加動切力。 降粘劑：大多數降粘劑的作用原理都是吸附到粘土顆粒的邊面上，使邊面帶一定的負電荷，于是拆散網架結構。因此，降粘劑的作用主要是降低動切力，而不是降低塑性粘度。 （4）調整方法：降低t0：最有效的方法是加入適合于本體系的降粘劑，以拆散鉆井液中已形成的網架結構。如果是因Ca2+、Mg2+ 等污染引起的t0升高，則可用沉淀方法除去這些離子。此外，用清水或稀漿稀釋也可起到降t0的作用。 提高t0：可加入預水化膨潤土漿，或增大高分子聚合物的加量。對于鈣處理鉆井液或鹽水鉆井液，可

23、通過適當增加Ca2+、Na+ 濃度來達到提t0的目的。 第二十一張，PPT共七十五頁，創作于2022年6月二、鉆井液流變參數的測量與調控 流變參數及其調控方法 4. 流性指數n（1）定義：在冪律模式中，用來表示假塑性流體在一定剪切速率范圍內所表現出的非牛頓性程度的指數。 （2）物理意義：反映鉆井液偏離牛頓流體的程度，n值越小，表示鉆井液的非牛頓性越強，鉆井的剪切稀化性能越好。 鉆井液的n值一般均小于1。從圖3-8不難看出，隨n值減小，曲線的曲率變大，表明流體的流變性偏離牛頓流體越來越遠。流性指數是一個無因次量。在鉆井液設計中，經常要確定流性指數的合理范圍（0.40.7），一般希望有較低的n值，

24、以確保鉆井液具有良好的剪切稀化性能，有利于攜帶巖屑，清潔井眼 。 第二十二張，PPT共七十五頁，創作于2022年6月二、鉆井液流變參數的測量與調控 流變參數及其調控方法 （3）影響因素：類似0。主要受形成網架結構因素的影響，如加入高分子聚合物，或加入適量無機電解質時，會使形成的網架結構增強，n值便相應減小。 （4）調整方法：主要是降低n值。 最常用的方法是加入XC生物聚合物等流性改進劑，或在鹽水鉆井液中添加預水化膨潤土。 適當增加無機鹽的含量也可起到降n值的效果，但這樣往往會對鉆井液的穩定性造成一定的影響。 通過增加膨潤土含量和礦化度來降n值，一般來講并不是好的方法，而應優先考慮選用適合于本體

25、系的聚合物處理劑來達到降低n值的目的。 第二十三張，PPT共七十五頁，創作于2022年6月二、鉆井液流變參數的測量與調控 流變參數及其調控方法 5. 稠度系數K（1）定義：假塑性流體在剪切速率為1s-1時的粘度。 =k -1 。 （2）物理意義：K值愈大，粘度愈高。對于鉆井液，K值可反映其可泵性。若K值過大，將造成重新開泵困難。若K值過小，又將對攜巖不利。 （3）影響因素：主要受體系中固體含量和液相粘度的影響，同時也受結構強度的影響。當固體含量或聚合物處理劑的濃度增大時，K值相應增大。 （4）調整方法：降低K值：最有效的方法是通過加強固相控制或加水稀釋以降低鉆井液中的固相含量。提高K值：可添加

26、適量聚合物處理劑，或將預水化膨潤土加入鹽水鉆井液或鈣處理鉆井液中（K值提高，n值下降）；也可加入重晶石粉等惰性固體物質（K值提高，n值基本不變）。 降低K值類似于降低鉆井液的粘度，有利于提高鉆速；提高K值類似于增大鉆井液的粘度，這有利于清潔井眼和消除井塌引起的井下復雜情況，因此K值并非越低越好，有時需要適當提高K值。 第二十四張，PPT共七十五頁，創作于2022年6月二、鉆井液流變參數的測量與調控 流變參數及其調控方法 6. 表觀粘度AV和剪切稀化性（Shear Thinner Behavior） （1）表觀粘度：又稱為有效粘度（Effective Viscosity）。它是在某一剪切速率下，

27、剪切應力與剪切速率的比值，即ma = t / g 。 表觀粘度是流體流動過程中所表現出的總粘度。對于鉆井液來說，它既包括流體內部由于內摩擦作用所引起的粘度，又包括粘土顆粒之間及高分子聚合物分子之間由于形成空間網架結構所引起的粘度。 塑性流體的表觀粘度 ma = mp + t0 / g， 假塑性流體的表觀粘度 ma = K g n1 （2）剪切稀化性：塑性流體和假塑性流體的表觀粘度隨著剪切速率的增加而降低的特性稱為剪切稀化性。 剪切稀化特性是優質鉆井液必須具備的一種性能，因為它既能充分發揮鉆頭的水馬力，有利于提高鉆速，而在環形空間又能很好的攜帶鉆屑。如果ma隨g 增加而降低的幅度越大，則認為剪切

28、稀化性越強。 第二十五張，PPT共七十五頁，創作于2022年6月二、鉆井液流變參數的測量與調控 流變參數及其調控方法 剪切稀化性能的表示方法：對于塑性流體：常用動切力與塑性粘度的比值（動塑比）表示剪切稀化性的強弱。t0 / mp的值越大，剪切稀化性越強。工藝要求：為了能夠在高剪率下有效地破巖和在低剪率下有效地攜帶巖屑，要求鉆井液具有較高的動塑比。根據現場經驗和平板型層流流核直徑的有關計算，一般情況下將動塑比控制在0.360.48 Pa / mPas是比較適宜的。對于假塑性流體：用n值的大小反映剪切稀化性的強弱。當n =1時，ma 等于K，表明此時的表觀粘度是一個與剪切速率無關的常數，此時的流體

29、為牛頓流體。隨流性指數n值逐漸減小，流體的流動性偏離牛頓流體越來越遠，ma 隨g 增加而降低的幅度也不斷增大，即剪切稀化性趨于增強。工藝要求：一般認為，為了保證鉆井液能有效地攜帶巖屑，將n值保持在0.40.7是較為適宜的。 第二十六張，PPT共七十五頁，創作于2022年6月二、鉆井液流變參數的測量與調控 流變參數及其調控方法 7. 切力 （Gel Strength）（1）定義：指靜切應力，其膠體化學實質是膠凝強度，它表示鉆井液在靜止狀態下形成的空間網架結構的強度。 （2）物理意義：當鉆井液靜止時，破壞鉆井液內部單位面積上的結構所需的剪切力，單位為Pa 。（3）表示法：用初切力和終切力來表示靜切

30、應力的相對值。 初切力是鉆井液在經過充分攪拌后，靜置10秒鐘測得的靜切力（簡稱為初切）；終切力是鉆井液在經過充分攪拌后，靜置10分鐘測得的靜切力（簡稱為終切）。 /Pat /min10ab局限性：初切和終切相同的鉆井液，其最終的凝膠強度不一定相同。第二十七張，PPT共七十五頁，創作于2022年6月二、鉆井液流變參數的測量與調控 流變參數及其調控方法 8. 觸變性（Thixotropic Behavior） （1）定義：指攪拌后鉆井液變?。辞辛档停?，靜置后又變稠的這種性質。 （2）機理解釋：在觸變體系中一般都存在空間網架結構。在剪切作用下，結構被攪散；在結構恢復過程中，需要一定的時間來完成。

31、 （3）表示法：一般用終切與初切之差相對表示鉆井液觸變性的強弱。 局限性：初切和終切相同的鉆井液，其最終的切力相差較大。若用恢復結構所需的時間和最終的凝膠強度（即切力）的大小，可更為真實地反映某種流體觸變性的強弱。 1快、強凝膠；2慢、強凝膠；3快、弱凝膠；4慢、弱凝膠。第二十八張，PPT共七十五頁，創作于2022年6月二、鉆井液流變參數的測量與調控 流變參數及其調控方法 （3）影響因素：靜切力：粘土礦物的類型、含量及分散度；所選用的聚合物處理劑及其濃度；無機電解質及其濃度等。其調控方法與動切力的調控方法基本一致。 觸變性：鉆井液的觸變性與其所形成結構的強弱和方式有關。如果膨潤土含量過高，往往

32、會導致最終的凝膠強度過高，并且這種結構的強度受粘土顆粒的z電位和吸附水化膜厚度的影響較大。如果主要是由于高分子聚合物通過在粘土顆粒上吸附架橋而形成的網架結構，一般形成速度快，強度又不是很大，類似于較快的弱凝膠。因此，低固相不分散聚合物鉆井液的切力和觸變性比較容易滿足鉆井工藝的要求。 第二十九張，PPT共七十五頁，創作于2022年6月二、鉆井液流變參數的測量與調控 流變參數的測量與計算 1. 旋轉粘度計的構造及工作原理 （1）構造：旋轉粘度計由電動機、恒速裝置、變速裝置、測量裝置和支架箱體等五部分組成。恒速裝置和變速裝置合稱旋轉部分。在旋轉部件上固定一個外筒，即外筒旋轉。測量裝置由測量彈簧部件、

33、刻度盤和內筒組成。內筒通過扭簧固定在機體上，扭簧上附有刻度盤。通常將外筒稱為轉子，內筒稱為懸錘。 （2）原理：測定時，內筒和外筒同時浸沒在鉆井液中，它們是同心圓筒，環隙1.17 mm。當外筒以某一恒速旋轉時，它就帶動環隙里的鉆井液旋轉。由于鉆井液的粘滯性，使與扭簧連接在一起的內筒轉動一個角度。根據牛頓內摩擦定律，轉動角度的大小與鉆井液的粘度成正比，于是，鉆井液粘度的測量就轉變為內筒轉角的測量。轉角的大小可從刻度盤上直接讀出，所以這種粘度計又稱為直讀式旋轉粘度計。 第三十張，PPT共七十五頁，創作于2022年6月二、鉆井液流變參數的測量與調控 流變參數的測量與計算 1. 旋轉粘度計的構造及工作原

34、理 （1）構造：旋轉粘度計由電動機、恒速裝置、變速裝置、測量裝置和支架箱體等五部分組成。恒速裝置和變速裝置合稱旋轉部分。在旋轉部件上固定一個外筒，即外筒旋轉。測量裝置由測量彈簧部件、刻度盤和內筒組成。內筒通過扭簧固定在機體上，扭簧上附有刻度盤。通常將外筒稱為轉子，內筒稱為懸錘。 （2）工作原理：測定時，內筒和外筒同時浸沒在鉆井液中，它們是同心圓筒，環隙1.17 mm。當外筒以某一恒速旋轉時，它就帶動環隙里的鉆井液旋轉。由于鉆井液的粘滯性，使與扭簧連接在一起的內筒轉動一個角度。根據牛頓內摩擦定律，轉動角度的大小與鉆井液的粘度成正比，于是，鉆井液粘度的測量就轉變為內筒轉角的測量。轉角的大小可從刻度

35、盤上直接讀出，所以這種粘度計又稱為直讀式旋轉粘度計。 第三十一張，PPT共七十五頁，創作于2022年6月二、鉆井液流變參數的測量與調控 流變參數的測量與計算 （3）測量原理：剪切速率與轉速的關系： 1 轉/分（常用rpm表示）= 1.703 s-1；刻度盤讀數q（q 為圓周上的度數，單位可略去）與剪切應力t （單位為Pa）成正比。當設計的扭簧系數為3.8710-5時，兩者之間的關系可表示為：t = 0.511 q（Pa）。 （4）六種轉速和與之相對應的剪切速率：600 rpm（1022 s-1）、300 rpm（511 s-1）、200 rpm（340.7 s-1）、100 rpm（170.3

36、 s-1）、6 rpm（10.22 s-1）和3 rpm（5.11 s-1）。 （5）常用旋轉粘度計 ：六速的Fann 35A型粘度計；NL Baroid 公司研制的從1 rpm至600 rpm可連續變速的286型粘度計；Fann 50C型和ReoChan 7400型高溫高壓流變儀。第三十二張，PPT共七十五頁，創作于2022年6月二、鉆井液流變參數的測量與調控 流變參數的測量與計算 2. 表觀粘度的測量與計算 （1）任一剪切速率下的表觀粘度 ：ma = t / g = (0.511 qN / 1.703 N) (1000) = (300 qN) / N利用該式，可將任意剪切速率（或轉速）下測

37、得的刻度盤讀數換算成表觀粘度。常用的六種轉速的換算系數如下。 轉速（ rpm ）60030020010063換算系數0.51.01.53.050.0100.0（2）鉆井液的表觀粘度 ： 在評價鉆井液的性能時，如果沒有特別注明某一剪切速率，一般是指測定600 r/min時的表觀粘度，即ma = (1/2) q600第三十三張，PPT共七十五頁，創作于2022年6月二、鉆井液流變參數的測量與調控 流變參數的測量與計算 （3）使用旋轉粘度計測定表觀粘度和其它流變參數的試驗步驟： 將預先配好的鉆井液進行充分攪拌，然后倒入量杯中，使液面與粘度計外筒的刻度線相齊； 將粘度計轉速設置在600 3r/min

38、，待刻度盤穩定后讀取數據； 再將粘度計轉速分別設置在300、200、100、6和3r/min，按步驟（2）進行測定； 計算各流變參數（計算方法將在下面討論）。必要時，通過將刻度盤讀數換算成t，將轉速換算成g ，繪制出鉆井液的流變曲線。 第三十四張，PPT共七十五頁，創作于2022年6月二、鉆井液流變參數的測量與調控 流變參數的測量與計算 3. 賓漢塑性流體流變參數的測量與計算 （1）由測得的600轉/分和300轉/分的刻度盤讀數，可求得塑性粘度（mp）和動切力（t0 ）：mp = q600 - q300 ； t0 = 0.511 (q300- mp) （2）推導過程 ： 塑性粘度是塑性流體流變

39、曲線中直線段的斜率，600轉/分和300轉/分所對應的剪切應力應該在直線段上。mp = (t600- t300) / (g600 - g300) = 0.511 (q600 - q300) / (1022 - 511) (1000) = q600 - q300 ；依據賓漢模式t0 = t -mp g ，得t0 = t600 - mp g600 = 0.511q600 - 0.511 (q600 - q300) / (1022 - 511) (1022) = 0.511 (2 q300- q600) = 0.511(q300- mp) 第三十五張，PPT共七十五頁，創作于2022年6月二、鉆井液

40、流變參數的測量與調控 流變參數的測量與計算 （3）賓漢塑性流體的靜切力測定方法 ： 將經充分攪拌的鉆井液靜置10秒鐘，在3 轉/分的剪率下讀取刻度盤的最大偏轉值；再重新攪拌鉆井液，靜置10分鐘后重復上述步驟并讀取最大偏轉值。計算：初切（t初）= 0.511q3（10秒） 終切（t終）= 0.511q3（10分鐘） 單位：Pa 4. 假塑性流體流變參數的測量與計算 （1）由測得的600轉/分和300轉/分的刻度盤讀數，可求得冪律模式的兩個流變參數，即流性指數（n）和稠度系數（K） ：n = 3.322 lg (q600 /q300) ； K = (0.511 q300 ) / 511n 式中，n

41、 為無因次量；K 的單位為Pasn。 第三十六張，PPT共七十五頁，創作于2022年6月二、鉆井液流變參數的測量與調控 流變參數的測量與計算 （2）推導過程 ：將冪律模式等號兩邊同時取對數，得到 lg t = lg K + n lg g ； 以lgt 為縱坐標，lg g 為橫坐標作圖可得一條直線。該直線在縱坐標軸上的截距為lgK，斜率為n。在直線上任取兩點（lgt1，lg g1；lgt2，lg g2），代入上式得到聯立方程 lg t1 = lg K + n lg g1lg t2 = lg K + n lg g2 解此聯立方程可得 n = (lg t2 - lg t1) / (lg g2 - l

42、g g1) = lg (q2 /q1) / lg(g2 / g1)若將600轉/分和300轉/分的有關數據代入，可得： n = (lg t2 - lg t1) / (lg g2 - lg g1) = lg (q600 /q300) / lg (1022 / 511) = 3.322 lg (q600 /q300) 第三十七張，PPT共七十五頁，創作于2022年6月二、鉆井液流變參數的測量與調控 流變參數的測量與計算 因為K = t / g n，若取N =300轉/分，所以 g = 1.703300 = 511（s1）；又因為t = 0.511q300，如果K的單位使用Pasn，所以K = t

43、/ g n = (0.511 q300 ) / 511n 注意：使用q600和q300 計算的n、K 值，其對應的剪切速率與鉆井液在鉆桿內的流動情況大致相當，可稱為中等剪切速率條件下的n、K值。泥漿工程師更關心的是環形空間的n、K值，因為它們直接影響鉆井液懸浮和攜帶鉆屑的能力，并且是計算環空壓降和判別流型的重要參數。 利用200和100r/min讀數：n = 3.322 lg (q200 /q100) ； K = (0.511 q100 ) / 170n利用6和3r/min讀數：n = 3.322 lg (q6 /q3) ；K = (0.511 q3 ) / 5.11n 第三十八張，PPT共七

44、十五頁，創作于2022年6月二、鉆井液流變參數的測量與調控 卡森流變模式 1.卡森方程及其參數的物理意義 （1）卡森方程：賓漢和冪律模式不能較好地描述鉆井液在高剪切速率下的流變性能。為此，一些研究者提出卡森模式。t1/2 = tc1/2 + h1/2 g 1/2 式中，tc 卡森動切力（或稱卡森屈服值），Pa； h 極限高剪粘度，mPas； t 剪切應力，Pa； g 剪切速率，s-1。將式中每一項分別除以 g 1/2，可得 1/2 = h1/2 + tc1/2 g-1/2 式中，h為某一剪切速率下的有效粘度，單位為mPas。 第三十九張，PPT共七十五頁，創作于2022年6月二、鉆井液流變參數

45、的測量與調控 卡森流變模式 1.卡森方程及其參數的物理意義 如果用平方根坐標系作圖，卡森流變曲線是一條直線。其斜率tga 分別為h1/2 和tc1/2，截距分別為tc1/2和h1/2，如圖所示。 第四十張，PPT共七十五頁，創作于2022年6月二、鉆井液流變參數的測量與調控 卡森流變模式 （2）卡森動切力tc 物理意義：表示鉆井液內可供拆散的網架結構強度。從流變曲線可看出，tc是流體開始流動時的極限動切力，其值大小可反映鉆井液攜帶與懸浮鉆屑的能力。 影響因素：凡是能夠影響膠體體系電化學性質的物質（如降粘劑、電解質、絮凝劑等）、體系中的固相含量以及外界條件（如溫度、壓力）等都可能影響tc值。 高

46、固相含量鉆井液的tc值一般較高，加入降粘劑和清水可以降低tc，加入適量電解質和絮凝劑均可以提高tc值。實測結果表明，tc一般低于賓漢動切力t0，而與初始靜切力較為接近。 （3）極限高剪粘度h 物理意義：表示鉆井液體系中內摩擦作用的強度，近似表示鉆井液在鉆頭噴嘴處紊流狀態下的流動阻力，因此稱為水眼粘度。h 在數值上等于剪切速率為無窮大時的有效粘度（流動阻力）。第四十一張，PPT共七十五頁，創作于2022年6月二、鉆井液流變參數的測量與調控 卡森流變模式 影響因素：固相類型及含量、分散度和液相粘度等。從h 的物理意義來看，它類似于賓漢模式中塑性粘度。但在數值上它往往比塑性粘度小得多，這主要是由于在

47、高剪切速率范圍內，賓漢模式會出現較大的偏差。試驗表明，降低h 有利于降低高剪切速率下的壓力降，提高鉆頭水馬力，也有利于從鉆頭切削面上及時地排除巖屑，從而提高機械鉆速。具有良好剪切稀化性能的低固相聚合物鉆井液的h 值一般較低，大約為26 mPas；而密度較高的分散鉆井液，其h 值常超過15mPas。（3）剪切稀化指數Im Im = 1 + (100 tc / h)1/22 該值為無因次量，用于表示鉆井液剪切稀釋性的相對強弱。實際上它是轉速為1轉/分時的有效粘度h1 與h 的比值。Im 越大，則剪切稀化性越強。分散鉆井液的Im一般小于200，而不分散聚合物鉆井液和適度絮凝的抑制性鉆井液的Im值常在

48、300600之間，高者可達800以上。但Im值過大會使泵壓升高，造成開泵困難。 第四十二張，PPT共七十五頁，創作于2022年6月二、鉆井液流變參數的測量與調控 卡森流變模式 2.卡森流變參數的測量與計算 選用600轉/分和100轉/分 tc 1/2 = 0.493 (6q100)1/2 q6001/2；h1/2 = 1.195 (q6001/2 q1001/2)式中，tc 的單位為Pa，h 的單位為mPas。 例3-3 密度為1.22 g/cm3的某種分散鉆井液，用Fann 35A型旋轉粘度計測得其q600 = 76，q100 = 25.5，試計算該鉆井液的卡森模式參數tc和h 。 解：將已

49、知條件代入式（3-30）和（3-31），可分別求得：tc 1/2 = 0.493 (6q100)1/2 q6001/2 = 0.493(625.5)1/2 761/2 = 1.800 (Pa)1/2因此，tc = 3.24 (Pa) ；h1/2 = 1.195 (q6001/2 q1001/2) = 1.195 (761/2 25.51/2) = 4.383 (mPas)1/2；因此，h = 19.21(mPas) 在使用低固相聚合物鉆井液時，為了滿足快速、安全鉆井的要求，將卡森流變參數保持在以下范圍內是必要的，并且也是可能的，即tc = 0.63.0 Pa；h = 2.06.0 mPas；h

50、環（即環空有效粘度）= 2030 mPas；Im = 300600。 第四十三張，PPT共七十五頁，創作于2022年6月二、鉆井液流變參數的測量與調控 赫-巴三參數流變模式 1.引入該模式的主要原因 赫謝爾-巴爾克萊（Herschel-Bulkely）三參數流變模式簡稱赫-巴模式，又稱為帶有動切力（或屈服值）的冪律模式，或經修正的冪律模式。其數學表達式為：= ty + K g n式中，ty表示該模式的動切力，n 和K 的意義與冪律模式相同。由于在冪律模式基礎上增加了ty，因而是一個三參數流變模式。 實際鉆井液的流變曲線一般都不通過原點，即或多或少都存在著一個極限動切力。只有當外力達到或超過這一

51、極限動切力之后，流體才開始流動。 賓漢動切力t0 是一外推值，它一般會遠遠高于實際鉆井液的極限動切力，而冪律模式流變曲線通過原點，極限動切力為零，因此這兩種傳統模式均不能反映實際鉆井液的這一特性。 第四十四張，PPT共七十五頁，創作于2022年6月二、鉆井液流變參數的測量與調控 赫-巴三參數流變模式 有相當多的鉆井液，特別是聚合物鉆井液都具有一定的假塑性，在較低剪切速率范圍內，其實際流變曲線與賓漢模式流變曲線的偏差較大，而與冪律模式流變曲線較為接近。因此，采用赫-巴模式應該是一種比較理想的選擇。 由于該模式比傳統模式多了一個參數，不如傳統模式應用方便，特別是由此而導出的水力學計算式相當繁瑣，因

52、此限制了它在現場的廣泛應用。目前，該模式僅在對流變參數測量精度要求較高時或室內研究中使用。 0y0s冪律模式賓漢模式實際鉆井液第四十五張，PPT共七十五頁，創作于2022年6月二、鉆井液流變參數的測量與調控 赫-巴三參數流變模式 2. 鉆井液的實際動切力 ty物理意義：表示使流體開始流動所需的最低剪切應力。它并不是一個外推值，因此與賓漢動切力t0 的意義完全不同。 影響因素：ty 值的大小主要與聚合物處理劑的類型和濃度有關，此外固相含量對它也有一定影響。 測量：由旋轉粘度計3轉/分時測得的刻度盤讀數q3，可以確定ty 值。 3. 赫巴流變參數的計算ty = 0.511 q3 n = 3.322

53、 lg (q600- q3) /(q300- q3) K = 0.511 (q300 - q3) / 511n式中，ty 的單位為Pa，n為無因次量，K的單位為Pasn。第四十六張，PPT共七十五頁，創作于2022年6月三、鉆井液流變性與鉆井作業的關系 鉆井液流變性與井眼凈化的關系 巖屑的清除分為兩個過程，一是巖屑被沖離井底，二是巖屑從環形空間被攜至地面。鉆井液的首要功用就是沖洗井底、懸浮和攜帶巖屑。巖屑被沖離井底的問題涉及到鉆頭選型和井底流場的研究，屬于鉆井工程的范疇，這里只討論鉆井液攜帶巖屑的問題。 1. 層流攜帶巖屑的原理 在環形空間里，鉆井液攜帶巖屑顆粒向上運動的速度取決于流體的上返速

54、度與顆粒自身滑落速度二者之差，即vp = vf vsvp / vf = 1 - ( vs / vf)，vp / vf 稱作攜帶比，表示井筒的凈化效率。提高攜帶比，可以通過提高vf和降低vs兩種途徑。提高vf受鉆井成本和效益的限制。因此，如何盡量降低vs對攜巖至關重要。 研究表明，巖屑的滑落速度除與巖屑尺寸、巖屑密度、鉆井液密度和流態等因素有關外，還與鉆井液的有效粘度成反比。 第四十七張，PPT共七十五頁，創作于2022年6月三、鉆井液流變性與鉆井作業的關系 鉆井液流變性與井眼凈化的關系 1. 層流攜帶巖屑的原理 層流時鉆井液的流速剖面為一拋物線，中心線處流速最大，兩側流速逐漸降低，而靠近井壁或

55、鉆桿壁處的速度為零。這樣，片狀巖屑在上升過程中各點受力是不均勻的。中心處流速高、作用力大；靠近兩側流速低、作用力小。F4F2、F3F1，致使有一個力矩作用在巖屑上，使巖屑翻轉側立，向環空兩側運移。此時，有的巖屑貼在井壁上形成厚的“假泥餅”，有的向下滑移。第四十八張，PPT共七十五頁，創作于2022年6月三、鉆井液流變性與鉆井作業的關系 鉆井液流變性與井眼凈化的關系 1. 層流攜帶巖屑的原理 巖屑下滑至一定距離后又會進入流速較高的中心部位而向上運移。如此周而復始，巖屑經過曲折的路徑才被帶出井口。巖屑的這種轉動現象不僅延長了巖屑從井底返至地面的時間，而且容易使一些巖屑返不出地面，造成起鉆遇卡、下鉆

56、遇阻、下鉆下不到井底等復雜情況。鉆柱轉動對層流攜帶巖屑有利，鉆柱轉動改變了層流時液流的速度分布狀況，使靠近鉆柱表面的液流速度加大，巖屑以螺旋形上升，巖屑的轉動現象僅出現在靠近井壁的那一側。 第四十九張，PPT共七十五頁，創作于2022年6月三、鉆井液流變性與鉆井作業的關系 鉆井液流變性與井眼凈化的關系 2.紊流攜帶巖屑的原理 紊流時，巖屑不存在轉動和滑落現象，幾乎全部都能攜帶到地面上來，環形空間里的巖屑比較少。 紊流攜巖缺點：巖屑在紊流時的滑落速度比在層流時大，這就要求鉆井液的上返速度高，泵的排量大。但這要受到泵壓和泵功率的限制，特別是當井眼尺寸較大、井較深以及鉆井液粘度、切力較高時，更加難以

57、實現。由于沿程壓降與流速的平方成正比，功率損失與流速的立方成正比，所以用紊流攜巖還會使鉆頭的水馬力降低，不利于噴射鉆井。 紊流時的高流速對井壁沖蝕嚴重，不能很好地形成泥餅，容易引起易塌地層井壁垮塌。 第五十張，PPT共七十五頁，創作于2022年6月三、鉆井液流變性與鉆井作業的關系 鉆井液流變性與井眼凈化的關系 3.平板形層流攜巖原理 （1）流態特點：液流周圍呈層流流動狀態，中部是一個速度剖面較為平齊的等速核，即流核。塑性流體層流時流核直徑為 在一定尺寸的環形空間里，流核直徑的大小與動塑比t0/mp及上返速度v有關。其中t0/mp的影響程度更大，該比值越高，則平板化程度越大。 第五十一張，PPT

58、共七十五頁，創作于2022年6月三、鉆井液流變性與鉆井作業的關系 鉆井液流變性與井眼凈化的關系 3.平板形層流攜巖原理 通過調節鉆井液的流變性能，增大t0/mp，減小n值可使環空液流逐漸轉變為平板型層流。 平板型層流的特點：可實現用環空返速較低的鉆井液有效地攜帶巖屑。即便是使用低固相鉆井液，將環空返速保持在0.50.6 m/s就可滿足攜巖的要求。 解決了低粘度鉆井液能有效攜巖的問題，為普遍推廣使用低固相不分散聚合物鉆井液提供了流變學上的依據。避免了鉆井液處于紊流狀態時對井壁的沖蝕，有利于保持井壁穩定。 第五十二張，PPT共七十五頁，創作于2022年6月三、鉆井液流變性與鉆井作業的關系 鉆井液流

59、變性與井眼凈化的關系 3.平板形層流攜巖原理 通過調節鉆井液的流變性能，增大t0/mp，減小n值可使環空液流逐漸轉變為平板型層流。 平板型層流的特點：可實現用環空返速較低的鉆井液有效地攜帶巖屑。即便是使用低固相鉆井液，將環空返速保持在0.50.6 m/s就可滿足攜巖的要求。 解決了低粘度鉆井液能有效攜巖的問題，為普遍推廣使用低固相不分散聚合物鉆井液提供了流變學上的依據。避免了鉆井液處于紊流狀態時對井壁的沖蝕，有利于保持井壁穩定。 第五十三張，PPT共七十五頁，創作于2022年6月三、鉆井液流變性與鉆井作業的關系 鉆井液流變性與井眼凈化的關系 3.平板形層流攜巖原理 使鉆井液的t0/mp 達到0

60、.360.48 Pa/mPas，n 值為0.40.7的要求，常采取以下措施和方法：選用XC生物聚合物、HEC、PHP和FA-367等具有較高分子量的聚合物作為主處理劑，并保持其足夠的濃度。它們在體系中所形成的結構使t0值增大，盡管鉆井液的液相粘度也會相應有所增加（即mp值同時有所增大），但由于t0值的增幅往往要大得多，故有利于動塑比的提高。通過有效地使用固控設備，除去鉆井液固相顆粒中密度較高、顆粒尺寸較大的部分，保留密度較低、尺寸較小的膨潤土顆粒，以達到降低mp、提高t0/mp值的目的。 在保證鉆井液性能穩定的情況下，通過適量地加入石灰、石膏、氯化鈣和食鹽等電解質，以增強體系中固體顆粒形成網架