《岩土钻掘工程学――钻井液与岩土工程浆液》

钻井液的流变性乌效鸣中国地质大学（武汉）工程学院勘基系2004年钻井液的流变性概述钻井液流变性（RheologicalPropertiesofDrillingFluids）是指在外力作用下，钻井液发生流动和变形的特性，其中流动是主要的方面。该特性通常用钻井液的流变曲线和塑性粘度（PlasticViscosity）、动切力（YieldPoint）、静切力（GelStrength）、表观粘度（ApparentViscosity）等流变参数来进行描述的。钻井液的流变性概述钻井液流变性是钻井液的一项基本性能，它在解决下列钻井问题是起着十分重要的作用：（1）携带岩屑，保证井底和井眼的清洁；（2）悬浮岩屑；（3）提高机械钻速；（4）保持井眼的规则和保证井下安全。内容概要钻井液的流变性对钻井工作的影响流变类型与流变参数不同钻井液流型的形成机理分析钻井液流变性的测量钻井液的流变性对钻井工作的影响钻井液的流变性对钻井工作的影响主要体现在悬碴、护壁、减阻、提高钻速和冷却钻具5个方面。动画演示1－－悬碴、护壁动画演示2－－提高钻速钻井液的流变性对钻井工作的影响钻井液的主要功能之一就是清洗井底并将岩屑携带到地面上来。钻井液清洗井眼的能力除取决于循环系统的水力参数外，还取决于钻井液的性能，特别是其中的流变性能。岩屑的清除分两个过程，一是岩屑被冲离井底，二是岩屑从环形间隙被携带到地面。钻井液的流变性对钻井工作的影响对于破碎的不稳定井壁，利用较粘稠的泥浆还可以起到较好的粘结护壁作用。絮流液流对井壁有较强的冲蚀作用，容易引起易塌地层垮塌，不利于井壁稳定。其原因是絮流时液流质点的运动方向是絮乱的和无规则的，而且流速高，具有较大的动能。因此，在钻井液循环时，一般应保持在层流状态，尽量避免出现絮流。对于非牛顿流体，一般采用综合雷诺数Re来判别流态。将钻井液按塑性流体考虑，当Re2000时为絮流。如果按Re＝2000，即可推导出临界返速的公式。钻井液的流变性对钻井工作的影响但是，泥浆的粘稠性大又有不利的方面：使井底碎岩效率降低，这种影响主要表现在钻头喷嘴处的絮流流动阻力对钻速的影响。钻井液粘度越大，絮流流动阻力越大，从而降低了钻头在井底的碎岩效率。增加泥浆循环的流动阻力；增大对井壁的液压力激动破坏。井内液柱压力是指在起下钻和钻进过程中，由于钻柱上下运动、泥浆泵开动等原因，使得井内液柱压力发生突然变化（升高或降低），给井内增加一个附加压力（正值或负值）的现象。流变类型与流变参数4种流型，9个流变参数1、牛顿流体（绝对粘度）2、宾汉流体（静切力、动切力、塑性粘度、表观粘度）3、幂律流体（流性指数、稠度指数）4、卡森流体（极限高剪粘度、卡森动切力）1、牛顿流体牛顿方程：式中：——单位面积上的内摩擦力，或称为剪切应力，Pa；－剪切速率或流速梯度，s-1；——牛顿粘度或称为动力粘度，Pa·s,(1Pa·s=1000cP=1000mPa·s)。1、牛顿流体水10010.10.0101.010,0.1Pa10100甘油·,-1空气100010000图1典型牛顿流体流变图气体、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属于牛顿流体。2、宾汉流体（塑性流体与粘塑性流体）塑性流体其流变曲线为不通过原点O的一条直线，如图2所示。它表示这种流体具有一定的颗粒浓度，在静止状态下形成颗粒之间的内部结构，加外力进行剪切时，要破坏结构后才能开始流动。例如，泥浆中粘土颗粒的形状很不规则，表面性质也很不均匀，因此颗粒之间容易彼此粘结，形成网状结构。倘若颗粒的浓度足够大，网状结构能够在泥浆中布满整个空间，那么要使这种泥浆发生流动，就必须在一定程度上破坏这种连续结构。塑性流体τs12A1Cγ·C2B0θθ图2塑性流体理想的宾汉塑性流体，一般是一些含较高固相且颗粒均匀的悬浮体，如一些矿浆、油墨、油漆等。塑性流体ps式中：——静切力，Pa；ηp——塑性粘度，Pa·s。ssp塑性流体有两个流变参数，即塑性粘度ηp及静切力s表观粘度：sppsA粘塑性流体由于固相颗粒的高度不均匀(如粘土)，在表面引力与斥力作用下易形成结构，在低剪切速率下其流变曲线(本来是直线)往往偏离直线，形成曲线变化，当剪切速率增加至层流段时才成直线变化(图3)，这种流体称为粘塑性流体。粘塑性流体ττ不流0塞流层流0s紊流12图3粘塑流体流动图属于粘塑性流体的有泥浆、沥青、某些原油、水泥浆等，粘度高的牛顿流体也表现出粘塑性流体的性质。粘塑性流体图中AB为凹向轴的曲线，BD为直线段，BD延长线与轴的交点为C，OC坏，此时产生像塞子一样的流动，故称为塞流。随着的逐步升高，结构逐步破坏，表观粘度也逐渐变小，此段流变曲线为一曲线变化。B点之后处于较稳定的层流段，此时粘塑流体内部的结构破坏与形成处于平衡状态，BD为一直线段，表示有一个稳定的塑性粘度值。而D点之后，由于流速快，剪切速率高，就转为紊流态了。τ0表示此流体运动时结构的存在及其数值的大小。粘塑性流体p0与式(2)比较，此式也是直线方程，截距为τ0，而不是τs。即此宾汉方程只能代表流变曲线的层流直线段，而不能代表低剪切速率下的塞流曲线段。粘塑性流变参数有两个，即塑性粘度ηp，及动切力(或叫屈服值)τ0。粘塑性流体仿牛顿粘度表示法，求粘塑流体的表观粘度值：00ppA图3中，在ABD线上任何一点F1、F2……与原点O的连线OF1、OF2……斜率的倒数均表示表观粘度值。剪切速率越高，表观粘度越低。这种表观粘度随剪切速率升高而降低的现象，可称为剪切稀释作用。泥浆剪切稀释作用的好坏可用动塑比(动切力/塑性粘度)来表示，动塑比越大，表示剪切稀释作用越好。加入高分子处理剂的低固相泥浆(特别是加入XC生物聚合物)，可使塑性粘度增加慢而动切力增加快，能提高泥浆的动塑比。3、幂律流体θθθθ0'假塑流体'膨胀流体2341图4幂律流体流变曲线用高分子处理剂处理的低固相泥浆及聚合物钻井液，也多属于假塑流体，或介于宾汉体与假塑体之间。浓的淀粉糊、一些矿浆、高固相含量的涂料等属于膨胀流体。幂律流体nK式中：K——稠度系数，或称为幂律系数，Pa·sn；n——流性指数，或称为幂律指数，无单位。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。在剪切速率一定范围内，n值可当作常数处理。n值是非牛顿性的度量，n值越低或越高曲线也越弯曲，非牛顿性也越强，泥浆n值一般在0.5以下为好。上式中，当n1时为假塑流体；当n=1时为牛顿流体；当n1时为膨胀流体。因此，幂律流体又区分为假塑流体与膨胀流体两种，其中最常见的是假塑流体。假塑流体如图4所示，假塑流体的流变曲线为凹向轴的曲线OAB，曲线OA’B’是膨胀流体(在高剪切速率下接近于直线)。它通过原点O，表示一加外力即产生流动，不存在静切力。随着剪切速率的不断升高，其表观粘度是不断下降的，属于剪切稀释液。表观粘度：1nnAKK假塑流体当n1时，0tgβ1，0°β45°，为假塑流体；n=1时，β=45°，为牛顿流体(图1可见)，n1时，β45°，为膨胀流体。因此n值和K值是假塑流体的两个流变参数。长链高分子聚合物悬浮体是典型的假塑流体。静止时分子链任意相互纠缠，但由于静电斥力占优势，不易形成结构。运动时，分子链趋向于平行流动方向，顺序排列，运动阻力减小，随剪切速率增加，这一趋势增加，加上分子链可能断裂，因此表观粘度减少。卡森流体卡森模式是假定凝聚成长条状的棒状物，在剪切下特别是在高剪切速率下能分解为原始短颗粒。21212121c式中：——任意剪切速率或每分钟转数(rpm)下表观粘度，Pa·s；——剪切速率为无穷大时的表观粘度，Pa·s；——剪切速率，s-1；——屈服值或卡森动切力，Pa。c卡森流体卡森斜率：21212121tgCs卡森斜率越高，表示泥浆的剪切稀释作用越好，而值等于截距(图5)。00.040.080.120.1612·-170.3sθ864210-2∞11002s-11212--11/2cη图5卡森模式图卡森流体的两个主要流变参数是卡森动切力和极限高剪粘度。c21不同钻井液流型的形成机理分析泥浆流动时的剪切应力与剪切速率之间的关系用流变方程和流变曲线来表达。如第二章所述，不同泥浆的流变关系大体上可以分为四种理论流型，即牛顿流型、宾汉流型、幂律流型和卡森流型。一种具体泥浆的实际流型与哪一种理论流型较相近，就认为它属于该理论流型。泥浆的流型主要取决于构成泥浆的材料组成及其它们的含量。不同钻井液流型的形成机理分析动画演示3－－流型形成机理不同钻井液流型的形成机理分析粘土含量较少的细分散泥浆比较接近于牛顿流型，其剪切应力主要由相互无连接力的粘土微粒及水分子之间的摩擦力构成。由牛顿流型关系式(1)可知，反映该类泥浆粘稠性的流变参数是牛顿粘度η。由于一般泥浆（在未加稀释剂和高聚物加量很少的情况下）存在粘土颗粒之间的结合力，具有一定程度的网架结构。因此，泥浆在发生流动之前需要克服一定的结构力。其流型用宾汉流型来反映较为合适。由宾汉流型关系式(2)可知，反映该类泥浆粘稠性的流变参数是动切力τo和塑性粘度ηp。不同钻井液流型的形成机理分析当泥浆中的线形高聚物或类似油微粒的可变形物质含量较高，并且泥浆结构力很低时，可以用幂律关系来描述泥浆流型。这种流型的切应力随剪切速率的变化不是线性关系，而是由快到慢呈幂指数关系，也就是说流动慢时切力增加得快，流动快时切力增加得慢。其原因是线形高聚物等在流动中具有顺流方向性。流速越大，顺流方向性越强，阻力增加得越慢。由幂律流型关系式(8)可知，反映该类泥浆粘稠性的流变参数是稠度系数K和流型指数n。不同钻井液流型的形成机理分析对于许多泥浆而言，既存在着粘土颗粒的空间网架，又有线形高聚物或类似的物质，也就是说既存在结构力，又有剪切稀释作用。因此，用卡森流型来反映其流变关系更为合适。由卡森流型关系式(10)可知，反映该类泥浆粘稠性的流变参数是卡森动切力τc和卡森高剪粘度η∞。钻井液流变性的测量1、漏斗粘度计图7漏斗粘度计漏斗粘度计将漏斗呈垂直，用手握紧并用食指堵住管口。然后用量筒两端，分别装200ml和500ml泥浆倒入漏斗。将量筒500ml一端朝上放在漏斗下面，放开食指，同时启动秒表记时，记录流满500ml泥浆所需的时间，即为所测泥浆的粘度。仪器使用前，应用清水进行校正。该仪器测量清水的粘度为15±0.5秒。若误差在±1秒以内，可用下式计算泥浆的实际粘度。实测清水粘度实测泥浆粘度实际粘度15ZNN型旋转粘度计动力部分双速同步电机、电源变速部分可变六速（转/分）36100200300600测量部分扭力弹簧、刻度盘与内外筒组成测量系统。图8旋转粘度计ZNN型旋转粘度计局部放大图实物全图图9旋转粘度计实物与局部放大图ZNN型旋转粘度计－工作原理液体放置在两个同心圆筒的环隙空间内，电机经过传动装置带动外筒恒速旋转，借助于被测液体的粘滞性作用于内筒一定的转矩，带动与扭力弹簧相连的内筒一个角度。该转角的大小与液体的粘性成正比，于是液体的粘度测量转换为内筒转角的测量。R2Rr2钢丝或扭力弹簧RR11图10旋转粘度计工作原理ZNN型旋转粘度计－－操作顺序将刚搅拌好的泥浆倒入样品杯刻度线处（350ml），立即放置于托盘上，上升托盘使液面至外筒刻度线处。拧紧手轮，固定托盘。如用其它样品杯，筒底部与杯底之间不应低于1.3mm。迅速从高速到低速进行测量，待刻度盘读数稳定后，分别记录各转速下的读数。ZNN型旋转粘度计－－操作顺序测静切力时，应先用600转/分搅拌10s，静置10s钟后将变速手把置于3转/分，读出刻度盘上最大读数，即为初切力。再用600转/分搅拌10s，静置10min后将变速手把置于3