钻井液完井液化学2

1第三章、钻井液的流变性Chapter3TheRheologyofDrillingFluids本章要求重点掌握：1.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。2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可以不同的流动。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。非稳定流动稳定流动流动类型3稳定流动类型的变化塞流PlugFlow---流体象塞子一样流动，流速为常数.稳定流层流LaminarFlow---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TurbulentFlow---流体内形成无数小旋涡。任一定点的流速，其大小、方向都在进行着不规则的、连续的变化。塞流层流紊流42.基本概念（预备知识）剪切速率ShearRate同义名称：速梯、剪率、切变率，流速梯度。常用符号：γ、D、dv/dr定义：γ=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：γ=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：10~20s-1环形空间：50~250s-1钻杆内部：100~1000s-1钻头水眼：1000~7000s-15剪切应力ShearStress同义名称：剪应力、切应力。常用符号：τ定义：τ=F/A=液层单位面积上的剪切力。意义：τ越大，液流各层所受的作用力越大；反之，越小。剪切应力内摩擦力单位：τ=F/A=dyn/cm2；Pa。1Pa=1N/m2=10dyn/cm26流变曲线ConsistencyCurve定义：速梯与切应力关系曲线。表示方法：三种表示法。000ττγγQ；V；nP；P；7粘度Viscosity同义名称：有效粘度、视粘度。常用符号：η定义：η=τ/γ(单位剪切速率的剪切应力)。单位：η=τ/γ=dyn/cm2/s-1=dyn.s/cm2=泊1泊=100cp=100mPa.s=1dyn.s/cm2=0.1Pa.s8几何意义1.流变曲线上某点与原点相连直线斜率的倒数ηA=1/tg=τA/γA越大，η越小图中：ηAηB2.流变曲线上某点与原点相连直线的斜率ηA=tg=τA/γA越大，η越大图中：ηAηB0τγAB21τγ0AB219漏斗粘度FunnelViscosity定义：定体积泄流时间。单位：秒；s类型：马氏漏斗粘度MarshFunnelViscosity定义：1500ml流出946ml的时间。标准：清水测量值：26±0.5s中国漏斗粘度定义：700ml流出500ml的时间。标准：清水测量值：15±0.5s10漏斗粘度反映流变性的优缺点•优点：–简单易行•缺点：–测定过程中流速梯度在变化–没有考虑流体密度的影响11剪切稀释性——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。可用YP/PV,n,Im等来表征。12第二节、基本流型及其分析一、流体分类根据“应力~应变（流动）（τ~γ）”关系，将流体分为：向应,，，体粘弹震凝体触变间有关的流体与膨胀假塑性塑性体关的流体与时非牛顿流体牛粘性流体流体力）法性流体时体间无流体顿tηf(γ(τ13二、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141、牛顿内摩擦定律与牛顿流体牛顿内摩擦定律τ=F/A=η(dv/dr)η—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：η=τ/γ=C（常数）Frdvdrrτ0稠液体稀液体152.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：τ与γ呈单值对应关系。塑性流体PlasticFluids数学模型：τ=τ0+ηsγ流变曲线：在切应力轴有截距的直线。流变参数：动切应力YieldStress同意名称：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：τ0；YP单位：dyn/cm2、Pa几何意义：直线截距的切应力值。γττ00塑性体16塑性粘度PlasticViscosity定义：塑性流体与其结构强弱无关的粘度。常用符号：ηs、PV单位：公制：dyn.s/cm2、泊、厘泊。国际：Pa.s、mPa.s模式讨论τ-τ0=ηsγ或者η=ηs+τ0/γ优点：γ0，ττ0能够反映多数钻井液具有内部结构情况。γ，η能够反映多数钻井液的剪切稀释性。γ，ηηs能够反映出钻井液的极限粘度。缺点：低剪切速率下：τ实τ宾表明模型拟合实际曲线有较大偏差.17真实泥浆与不同流型的比较r00s钻井液宾汉流体假塑性流体18假塑性流体PseudoplasticFluids流变模式：τ=Kγn流变曲线：过原点凸向切应力轴的曲线。流变参数：稠度系数K意义：反映流体的粘滞性。K越大，流体越难流动。单位：dyn.sn/cm2流型指数n意义：偏离牛顿流体的程度。模式讨论τ=Kγn或者η=Kγn-1γ0，τ0不符合大多数钻井液具有屈服应力的特点。γ，η能够反映钻井液的剪切稀释性。γ，η0无极限粘度，不符合钻井液情况。τ0rn﹤1n﹥119卡森流体Cassonfluid流变模型：τ1/2=τc1/2+η1/2γ1/2流变曲线：γ1/2~τ1/2作图，为一条直线。γ~τ作图，为直线与曲线之和。模式讨论τ1/2=τc1/2+η1/2γ1/2γ0，ττc能够反映多数钻井液具有内部结构情况。γ，η能够反映多数钻井液的剪切稀释性。γ，ηη能够反映出钻井液的极限粘度。Im=η1/ηττc00τ1/2τc1/2r1/2r20赫－巴流型流变模式说明对于动切力较高的聚合物钻井液，特别是在环空较低剪切速率下，它往往比宾汉模式和幂律模式更接近于钻井液的流变性。因其为三参数方程，参数计算较复杂。nyK21(2)流变特性与时间有关的非牛顿流体特点：τ=f(γ，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：在一定速梯下，剪切应力随作用时间增加而减小的特性。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。0ηt牛顿体震凝体触变体22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.结构的变化与时间紧密相关。静置静置搅拌搅拌23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静切应力大小表示。表示方法：触变性=初切力/终切力（旋转粘度计或浮筒切力计）触变环面积大小.具体表示：触变性=初切力/终切力=10秒钟静切力/10分钟静切力=τ10“/τ10’=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τsτstt平坦型凝胶递增型凝胶良好型凝胶脆弱型凝胶24浮筒切力计25(补充)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）改变流动阻力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。26一、钻井液的静切应力和动切应力1.静切力τs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。结构链环数目/单位体积（结构密度）——颗粒浓度、分散度。调整方法：升τs——提高c、分散度，降低、水化膜厚度。降τs——与上相反。27静切力的实际应用（1）悬浮岩屑和加重材料悬浮岩屑（球形）所需静切力为：τs（dyn/cm2)=980d(岩-浆）/6d----颗粒直径，cm经验数据：初切力=2~6Pa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）。G=重力-浮力τs282.动切应力τ0（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：宾汉模式中的一个流变参数。没有准确的物理意义,不能直接测定出,但可计算出其大小.τ0与τs的区别：τ0为层流流动条件下固体颗粒之间吸引力的量度；τs为静止条件下固体颗粒之间吸引力的量度；29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。结构链环数目/单位体积（结构密度）——颗粒浓度、分散度。调整方法：升τo——提高c、分散度，降低及水化膜厚度，加增粘剂。降τo——冲稀、加降粘剂拆结构。30二、钻井液的粘度1.有效粘度（视粘度）定义：η=τ/γ意义：钻井液作层流流动时，有效粘度等于以下四部分内摩擦力的微观统计结果：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；固相结构~液相分子间内摩擦阻力；几种流体（模式）表示的有效粘度：宾汉体：η=ηs+τ0/γ假塑性体：η=K(γ)n-1卡森体：η=[(η)1/2+(τc/γ）1/2]2312.宾汉体的塑性粘度ηs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：ηs不随dv/dr变化而变化。影响因素：固相含量：固含ηs；分散度：分散度ηs；液相粘度：液相粘度ηs；调整ηs的方法：根据影响因素升、降ηs。323.假塑性体的n、k稠度系数k：k=f(液相、固相含量及其性质）流性指数n：n=f(内部结构强弱）n反映了流体的非牛顿性强弱，n越小，流体非牛顿性越强。降k值方法（提k方法相反）：降低固体含量；稀释或者除砂；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、降粘剂等；33牛顿流体τ=ηγ塑性流体τ=τ0+ηsγ假塑性流体τ=Kγn卡森流体τ1/2=τc1/2+η1/2γ1/2常见流型及流变曲线34第三节、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基本假设：所测液体为牛顿流体，在600rpm下为层流。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，由于流体的粘性带动同轴内筒转动，使扭力弹簧扭转一定角度至平衡为止，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表面的剪切速率，而读值大小反映内筒外表面的剪切应力，所以，可根据测得的“τ~γ”关系计算钻井液的流变参数。r1drr2r1r2Lh35旋转粘度计362、基本计算公式推导：设外筒转速为n时,半径为r的液层的角速度为ω则角速度梯度为:dω/dr线速度梯度为:rdω/dr据牛顿内摩擦定律，则半径为r的液层转动所需的力为：F=η(2лrh)rdω/dr维持外筒恒速转动的力