钻井液的流变性

第三章钻井液的流变性2钻井液流变性钻井液造壁性钻井液处理剂钻井液体系核心内容本章内容1.掌握有关的基本概念；2.常用流型的特点、流变参数的意义、影响因素、计算及调整；3.了解钻井液流变性与钻井的关系本章要点在外力作用，物质发生流动和变形的特性；对钻井液而言，其流动性是主要的方面。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。第一节基本概念流变性（1）携带岩屑，保证井底和井眼的清洁；（2）悬浮岩屑与重晶石；（3）提高钻井速度；（4）保持井眼规则和保证井下安全。第一节基本概念与钻井液流变性有关的钻井问题指垂直于流速方向上单位距离流速的增量，γ=dv/dx，流速单位：m/s；距离单位：m。因此剪切速率：1/s。流速越大，剪切速率越大。第一节基本概念一、剪切速率/速度梯度γ在钻井过程中，钻井液在各个部位的剪切速率不同：沉砂池处：10-20s-1；环形空间：50～250s-1；钻杆内：100～1000s-1；钻头喷嘴处：10000-100000s-1。剪切速率与流速成正比。第一节基本概念一、剪切速率/速度梯度γ液流中各层的流速不同，故层与层之间必然存在着相互作用。由于液体内部内聚力的作用，流速较快的液层会带动流速较慢的相邻液层，而流速较慢的液层又会阻碍流速较快的相邻液层。这样在流速不同的各液层之间会发生内摩擦作用，即出现成对的内摩擦力(即剪切力)，阻碍液层剪切变形。通常将液体流动时所具有的抵抗剪切变形的物理性质称做液体的粘滞性。第一节基本概念二、剪切应力τ剪切应力τ：流体单位面积上的内摩擦力牛顿内摩擦定律：液体流动时，液体层与层之间的内摩接力(F)的大小与液体的性质及温度有关，并与液层间的接触面积(S)和剪切速率(γ)成正比，而与接触面上的压力无关：F=μSγ（3-1）内摩擦力F除以接触面积S即得液体内的剪切应力，即：τ=F/S=μγPa（3-2）式中：F-----流体的内摩擦力，NS-----面积，m2μ——粘滞系数，单位是Pa·s，实际生活中一般采用mPa·s。1cP＝1mPa·s第一节基本概念二、剪切应力τ通常将剪切应力与剪切速率的关系遵守牛顿内摩擦定律的流体，称为牛顿流体；不遵守牛顿内摩擦定律的流体，称为非牛顿流体。水、酒精等大多数纯液体、轻质油、低分子化合物溶液以及低速流动的气体等均为牛顿流体，高分子聚合物的浓溶液和悬浮液等一般为非牛顿流体。大多数钻井液都属于非牛顿流体。第一节基本概念二、剪切应力τ剪切应力和剪切速率是流变学的两个基本概念，钻井液流变性的核心问题就是研究各种钻井液的剪切应力与剪切速率之间的关系。这种关系可以用数学关系式表示，也可以作出曲线来表示。若用数学关系式表示时，称为流变方程，习惯上又称为流变模式，如式(3—2)就是牛顿流体的流变模式。若用图线来表示时，就称为流变曲线。流变曲线：描述τ和γ之间的曲线流变模式/流变方程：描述τ和γ之间的数学关系第一节基本概念三、流变模式和流变曲线牛顿流体：τ=μγ塑性流体：τ=τ0+μpγ假塑性流体：τ=Kγnn1膨胀性流体：τ=Kγnn1目前广泛使用的多数钻井液为塑性流体（宾汉流体）和假塑性流体。第一节基本概念四、流体的基本流型牛顿流型：牛顿流体膨胀流型：膨胀性流体塑性流型：塑性流体假塑性流型：假塑性流体卡森流型：卡森流体流型：根据流体流动时剪切应力τ与剪切速率γ之间的关系，流体可以分为不同的类型：第二节基本流型及其特点1、流变曲线τγγ1τs高粘土含量的钻井液、高含蜡原油和油漆等都属于塑性流体。第二节基本流型及其特点一、塑性流体（1）曲线不过原点，在τ轴上有一截距τs粘土矿物具有片状或棒状结构，形状很不规则，颗粒之间容易彼此连接在一起，形成空间网架结构粘土颗粒间作用力第二节基本流型及其特点一、塑性流体扩散双电层斥力水化膜弹性斥力范德华引力/静电吸引力等不过原点的原因：由于颗粒间以端-端和（或）端-面连接，形成网架结构，要使体系流动，就必破坏这种网架结构。τs物理意义：反映钻井液在静止时形成网架结构的强弱。（2）在低剪切速率范围内，为曲线段流体开始流动后，存在以下一对矛盾：结构拆散结构恢复(流型动画)在低剪切速率下，可供拆散的网架结构较多，结构拆散速度＞结构恢复速度→拆散程度随剪切速率增加而增大→△τ/△γ(表观粘度)↓第二节基本流型及其特点一、塑性流体（3）在中、高剪切速率范围内，为直线段当γ达到某一值时结构拆散速度=结构恢复速度网架结构数量不变产生同样△γ所需△τ不变△τ/△γγ可供拆散的网架结构数量结构拆散速度体系中游离的颗粒数量结构恢复速度↓第二节基本流型及其特点一、塑性流体宾汉模式(适合于中、高剪切速率)τ=τ0+ηpγ式中：τ0：动切力或屈服值(YieldPoint)，Paηp：塑性粘度，Pa·s，实际中使用mPa·s（1）塑性粘度ηp①物理意义：反映流体在层流下达到动平衡（网架结构的拆散速度等于其恢复速度）时，固相颗粒之间、固相颗粒与液相之间以及液相内部内摩擦力的大小。第二节基本流型及其特点一、塑性流体2、宾汉模式②影响因素A、固相含量固相颗粒数目塑性粘度ηp第二节基本流型及其特点一、塑性流体B、固相分散度固相颗粒数目塑性粘度ηpC、固相类型活性固相：在水中分散性强的固相，如膨润土惰性固相：在水中分散性弱的固相，如钻屑活性固相含量固相分散度塑性粘度ηp（固相含量一定）E、温度液相粘度塑性粘度ηpD、液相粘度内摩擦力塑性粘度ηp第二节基本流型及其特点一、塑性流体使用固控设备使用化学絮凝剂加水稀释ηp↑ηp↓③调整加预水化膨润土加增粘剂（2）动切力τ0①物理意义：钻井液在层流状态下达到动平衡时形成网架结构的强弱。②影响因素B、活性固相含量固相分散度网架结构数目动切力τ0C、降粘剂动切力τ0D、高分子聚合物动切力τ0第二节基本流型及其特点一、塑性流体A、固相含量网架结构数目动切力τ0τ0电解质浓度CC0E、电解质的影响第二节基本流型及其特点一、塑性流体τ0电解质浓度CCa2+Na+原因：CC0，电解质浓度C压缩扩散双电层电动电位颗粒间斥力形成网架结构，τ0CC0，电解质浓度C压缩扩散双电层电动电位颗粒间斥力形成面－面连接,固相分散度τ0第二节基本流型及其特点一、塑性流体第二节基本流型及其特点一、塑性流体τ0τ0③调整加预水化膨润土加高分子聚合物加适量的电解质加降粘剂加水稀释消除引起τ0升高的电解质↓↑国外资料指出，对于非加重钻井液，塑性粘度ηp一般应控制在5~12mPa·s，动切力τ0应控制在1.4～14.4Pa。第二节基本流型及其特点一、塑性流体第二节基本流型及其特点一、塑性流体第二节基本流型及其特点一、塑性流体1、流变曲线τγ第二节基本流型及其特点二、假塑性流体/幂律流体原因123123流动方向（1）曲线过原点无网架结构脆弱且不连续的网架结构（2）曲线无直线段原因：随γ增大，体系中形状不规则的粒子沿流动方向转向和变形，流动阻力减小。第二节基本流型及其特点二、假塑性流体/幂律流体τ=Kγn式中：K：稠度系数，Pa·snn：流性指数，无因次，0≺n≺1（1）流性指数n①物理意义：反映流体偏离牛顿流体的程度。n越小，表明越偏离牛顿流体。第二节基本流型及其特点二、假塑性流体/幂律流体2、幂律模式（2）稠度系数K①物理意义：主要反映钻井液粘度的大小，K越大，粘度越大。②影响因素及调整:同塑性粘度ηp。②影响因素及调整τ=τ0+ηpγτ=ηpγτ=Kγnτ=Kγ凡是影响τ0的因素必然影响n，但影响方向相反，既使τ0使n第二节基本流型及其特点二、假塑性流体/幂律流体τ00n1宾汉模式的局限性：适合在中、高剪切速率范围描述钻井液的流变性。幂律模式的局限性：适合在低、中剪切速率范围描述钻井液的流变性。卡森模式：①卡森(Casson)模式是1959年由卡森首先提出的，最初主要应用于油漆、颜料和塑料等工业中。②1979年，美国人劳增(Lauzon)和里德(Reid)首次将卡森模式用于钻井液流变性的研究中。③卡森模式不但在低剪切区和中剪切区有较好的精确度，还可以利用低、中剪切区的测定结果预测高剪切速率下的流变特性。第二节基本流型及其特点三、卡森流体1、流变曲线τ1/2γ1/2第二节基本流型及其特点三、卡森流体τ1/2=τc1/2+η∞1/2γ1/2式中：τc-------卡森动切力(卡森屈服值)，Pa；η∞-----极限高剪切粘度（水眼粘度），mPa·s2、卡森模式第二节基本流型及其特点三、卡森流体(1)卡森动切力τc物理意义：反映钻井液网架结构的强弱影响因素与调整：同τ0(2)极限高剪切粘度η∞物理意义：反映钻井液内摩擦力的强弱影响因素与调整：同ηp2、卡森模式第二节基本流型及其特点三、卡森流体赫谢尔—巴尔克莱(Herschel—Bulkely)三参数流变模式简称赫—巴模式，又称为带有动切力(或屈服值)的幂律模式，或经修正的幂律模式。1977年该模式首次用于钻井液流变性的研究。实际钻井液：实际钻井液的流变曲线一般都不通过原点，即或多或少都存在一个极限动切力。只有当外力达到或超过这一极限动切力后，流体才开始流动。第二节基本流型及其特点四、赫谢尔—巴尔克莱三参数流变模式宾汉模式：宾汉模式的动切力τ0是一外推值，它一般会高于实际钻井液的极限动切力。幂律模式：幂律模式流变曲线通过原点，极限动切力为零，因此这两种传统模式均不能反映实际钻井液的这一特性。第二节基本流型及其特点四、赫谢尔—巴尔克莱三参数流变模式结论：幂律模式和宾汉模式与实际钻井液的流变曲线都有所出入，相对而言实际流变曲线与宾汉模式流变曲线的偏差较大，而与幂律模式流变曲线较为接近。为了能更准确的表示钻井液的流变曲线，需要对幂律流体进行改进或修正，赫－巴模式就是一种修正的幂律模式。第二节基本流型及其特点四、赫谢尔—巴尔克莱三参数流变模式赫－巴模式的数学表达式为：τ=τy+Kγn式中：τy——表示该模式的动切力；n和K的意义和幂律模式相同。第二节基本流型及其特点四、赫谢尔—巴尔克莱三参数流变模式1、作图法（1）多点测试（τ，γ）（2）分别以τ和γ为坐标轴绘图（3）结合标准流变曲线进行判断τγ第二节基本流型及其特点五、流型判断（1）多点测试（τ，γ）（2）假设流变模式后进行线性回归τ=τ0+ηpγτ=Kγnτ1/2=τc1/2+η∞1/2γ1/2（3）检验相关系数R计临界相关系数R临，假设成立。参考文献：LG植物胶无固相钻井液的流变性研究第二节基本流型及其特点五、流型判断2、线性回归法漏斗容积：1500或700ml原理：测定一定钻井液（946ml/1500ml，500ml/700ml）从漏斗下端流出所需的时间。第三节流变参数测量与计算一、测量仪器及原理1、漏斗粘度计ZMN型马式漏斗粘度计由锥体马式漏斗、孔径1.6mm的滤网和946ml量杯组成。锥体上口直径152mm，锥体下口直径与导流管直径4.76mm，锥体长度305mm，漏斗总长356mm，筛底以下的漏斗容积1500ml。第三节流变参数测量与计算一、测量仪器及原理马氏漏斗苏式漏斗粘度计该粘度计由漏斗和量筒组成。构造如右图。量筒由隔板分成两部分，大头为500ml，小头为200ml，漏斗下端是直径为5mm，长为100mm的管子。第三节流变参数测量与计算一、测量仪器及原理范氏粘度计（外筒转）二速六速无级调速范氏粘度计：内筒转第三节流变参数测量与计算一、测量仪器及原理2、旋转粘度计测量原理:(1)剪切速率γ与转子转速n成正比：γ=1.703×ns-1(2)剪切应力与粘度计读数成正比：τ=0.511×θPa转速,r/min36100200300600剪切速率,1/s5.1110.22170.3340.65111022第三节流变参数测量与计算一、测量仪器及原理作图法计算法做τ–γ流变曲线判断流型确定参数判断流型计算公式推导计算第三节流变参数测量与计算二、流变参数确定300600300