钻井液工艺学3

2009年8月ZHOUCY重庆科技学院化工院§3-1钻井液的流动状态和基本概念一、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。非稳定流动稳定流动流动类型2009年8月ZHOUCY重庆科技学院化工院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。静止塞流层流紊流液体流速增加2009年8月ZHOUCY重庆科技学院化工院二、基本概念1.剪切速率(γShearrate)与剪切应力(τshearstress)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、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-12009年8月ZHOUCY重庆科技学院化工院剪切应力ShearStress同义名称：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。单位：单位：τ=F/A=dyn/cm2；Pa。1Pa=1N/m2=10dyn/cm22009年8月ZHOUCY重庆科技学院化工院2.粘滞性(viscosity)——液体流动时具有抵抗剪切变形的物理性质。3.牛顿内摩擦定律（NewtonionLaw):——在一定的条件下，切力与速梯正比。τ∝γτ=ηγη=τ／γη—粘滞系数简称粘度2009年8月ZHOUCY重庆科技学院化工院4.液体类型:(1)根据牛顿内摩擦定律：牛顿液体和非牛顿液体(2)根据流变曲线特征：1—塑性液2—假塑性液3—牛顿液4—膨胀液02009年8月ZHOUCY重庆科技学院化工院三、钻井液流动特点及分析1.牛顿液(Newtonionfluid)①无结构、均匀质点，如油类、清水。②流变曲线为一条过原点直线,符合τ=ηγ。③τ0、γ0施加很小的切应力就发生流动。④η为常数,不随γ变化γ=τ/γ=tgαabτaγγaγbτb2009年8月ZHOUCY重庆科技学院化工院2.塑性液(Plasticfluid):(大多数钻井液)①存在不流动区ττs、γ=0、τ≠0②τs—静切力：反映静态结构强度。③过度区(塞一层):结构拆散,不能被均匀剪切.④层流区(直线段)静止塞流层流紊流s2009年8月ZHOUCY重庆科技学院化工院剪切稀释性(shearthinning)—原因：在速梯增大时，网架结构被拆散，结构粘度降低所致。意义：具有剪切稀释性的钻井液，在速梯较低时有较大的表观粘度，有利于悬浮和携带岩屑。而在速梯较大时又有较小的表观粘度，这有利于降低流动阻力，减少功率损耗。2009年8月ZHOUCY重庆科技学院化工院3.假塑性液(Pseudo-plasticfluid)（聚合物钻井液、油包水乳化钻井液为典型的假塑性液）①流变曲线为过原点的指数曲线；②施加很小切应力发生流动，无τs或很小;③具有剪切稀释性。abτaγγaγbτb2009年8月ZHOUCY重庆科技学院化工院4.膨胀性液体(dilatantfluid)流变曲线为指数曲线与假塑性液体相似，但凹凸方向相反；粘度随速梯增加而增加——剪切增稠。abτaγbτb2009年8月ZHOUCY重庆科技学院化工院一、宾汉模式(Bingham1919)τ=τ0+ηpγ§3-2钻井液流变模式Drillingfluidrheologicalmodelsevaluationγτsτ0τ2009年8月ZHOUCY重庆科技学院化工院1.ηp-塑性粘度PV(plasticviscosity)Pa.sormPa.s意义:ηp=(τ-τ0)/γ反映了液相之间，固液之间和固相与固相之间的摩擦力。影响:固相性质及含量，液相性质。控制:通常通过清除钻屑来降低。2009年8月ZHOUCY重庆科技学院化工院2.τ0-动切应力YP(YieldPoint)Pa.意义:用以表示钻井液流动时钻井液中粘土网架结构的强度反映了钻井液携带和悬浮钻屑的能力。影响:形成网架结构的因素，如粘土含量及性质、聚合物、电解质等。控制:提高动切力：加上述物质；降低动切力：加拆散结构的物质如：降粘剂、反絮凝剂等。2009年8月ZHOUCY重庆科技学院化工院3.视粘度表达式:η`=τ0/γ+ηp=ηg+ηp结构粘度定义为ηg=τ0/γ讨论：两种钻井液在某相同的速梯（剪切速率）下视粘度相同，其悬浮携带钻屑的性能是否相同？由此表明采用宾汉模式的视粘度由结构粘度和塑性粘度构成，其所占的比例不同对钻井液的流变性影响很大。2009年8月ZHOUCY重庆科技学院化工院二、幂律模式(Bingham1928)(Powerlawmodel)表达式：τ=kγn（指数方程）1.n―流性指数意义：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。在大多数钻井液中，n1，反映了液体非牛顿性的强弱，即结构性强弱。影响与控制：与动切应力类似。2.k—稠度系数(consistencyindex)Pa.sn意义:反映液体的稀稠程度，与粘滞性有关。影响与控制：与塑性粘度相同。2009年8月ZHOUCY重庆科技学院化工院三、赫－巴模式Herschel-Bulkely(修正幂律模式)τ=τy+Kγn流变参数：τy―屈服值；故又称带屈服值的幂律模式（三参数），K，n同幂律模式参数。η`=τy/γ+Kγn-1γ→∞η`→0τyτ2009年8月ZHOUCY重庆科技学院化工院四、卡森模式Cassonmodel(1959.Casson.1979Lawron-Reid首用)21212121c表达式：21212121cτcτγ特点:流变曲线符合大多数钻井液的流变特征,适应范围广,低、中、高速梯；参数意义明确，准确性高。2009年8月ZHOUCY重庆科技学院化工院1.τc―卡森屈服值（Cassonyieldpoint-CP)意义:反映泥浆的结构强弱及携带悬浮能力,实测接近初始凝胶强度2.η∝―极限高剪粘度（infiniteshearviscosity-IV）,水眼粘度、紊流粘度.意义:表示体系的纯粹内摩擦性质（粘滞性）,数值上等于剪切速率为无穷大时的有效（视）粘度。（γ→∝η→η∝）流变参数:2009年8月ZHOUCY重庆科技学院化工院三种常用流变模式与实测流变曲线2009年8月ZHOUCY重庆科技学院化工院五、三种模式的优缺点dxdvs00sdxdvsndxdvk212122121dxdvc模式数字表达式优点缺点宾汉：剪切应力；屈服值塑性粘度；速梯（1）适用于中等剪切速率（2）利用可直观看出固相（3）计算简单现场易行不能及时反映环空和钻头处的情况指数k：稠度系数n:流性指数（1）能适应低速和中等时情况，准确（2）调节n、k方便（1）对高剪速的情况不能真实反映（2）现场计算复杂卡森：卡森视粘度：卡森动切力：近似水眼粘度（1）利用可影响钻速（2）利用可看出悬浮岩屑能力（1）计算复杂（2）单位换算麻烦c2009年8月ZHOUCY重庆科技学院化工院§3-3钻井液流变参数的测量与计算MeasurementandComputationofDFRheclogicalparameter一.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。2009年8月ZHOUCY重庆科技学院化工院ZNN型旋转粘度计2009年8月ZHOUCY重庆科技学院化工院旋转粘度计基本公式:(ZNN-D6仿范氏)1.τ=0.511θ(Pa)2.γ=1.703N(1/s)3.η=300θ/N(mPa.s)Fann旋转粘度计：N(RPM):60030020010063γ(1/S)：1022511340170105.112009年8月ZHOUCY重庆科技学院化工院二．常用流变参数直读公式2212122160021100221100216003003006003000300600600)(54.2242.0.428.1.511511.0lg32.3)()(511.0)()(21cmcnnssIPasmPasPaKnPaSmPaSmPa2009年8月ZHOUCY重庆科技学院化工院三、静切力及测量钻井液的切力是指静切力——静态形成泥浆结构强度(凝胶强度-GELSTRENGTH)。凝胶强度取决于单位体积中结构链下的数目和单个链环的强度，其大小反映泥浆静置时悬浮钻屑或加重剂的能力.测量：初切Φ（10s）终切Φ(10min)(Pa)2009年8月ZHOUCY重庆科技学院化工院四、钻井液的触变性（thixotropy）——切力随搅拌后的静置时间而增大的特性。反映钻井液恢复结构的速度和最终凝胶强度。意义：良好的触变性有利于悬浮钻屑和开泵。2009年8月ZHOUCY重庆科技学院化工院五、漏斗粘度（FUNNELVISCOSITY）一定体积（Marsh）钻井液流经特制漏斗所需的时间（Sec）。2009年8月ZHOUCY重庆科技学院化工院§3-4钻井液流变学的应用ApplictionsofD.FRheclogy钻井液流变性对钻井工艺的影响主要表现在以下几个方面：1）影响井底冲刷效果，从而影响钻头的破岩效率及钻速；2）影响岩屑的携带能力；3）影响加重材料的悬浮性能；4）影响井内液柱的压力激动和井壁稳定；5）影响泵压和排量；6）影响造壁性能和固井质量2009年8月ZHOUCY重庆科技学院化工院一、携带岩屑原理影响携岩的主要因素：钻井液流变性、钻屑尺寸、形状、流态。2009年8月ZHOUCY重庆科技学院化工院1.层流携带原理片状岩屑在层流中上升受力分析转动力矩效应—层流呈现抛物形，片状岩屑上升过程受力不均匀，产生力矩作用，产生岩屑翻动下滑的现象。不利影响：（1）携带时间延长（携带效率低）（2）在井壁形成假泥饼；优点：环空返速小，有利于井壁稳定和喷射钻进。2009年8月ZHOUCY重庆科技学院化工院2.紊流携岩原理紊流形成平滑的抛物形，任何形状的岩屑在上升过程中受力均匀，岩屑随上升液流而稳定上升。优点：不产生转动力矩效应；携岩效率高，井眼净化好。局限：（1）要求排量大，泵功率消耗大；（2）返速高对井壁冲刷大；（3）岩屑相对下滑速度大。2009年8月ZHOUCY重庆科技学院化工院3.平板层流携岩（Flatteningofthevelocityprofile）由尖峰型→平板型→克服转动力矩→增加流核宽度流核d0——速梯为0的区域2009年8月ZHOUCY重庆科技学院化工院平板程度→流核宽度影响因素：)(324)(0_20pspDDVDDd①V↙，d0↗,但不能小于Vs(一般0.5-0.6m/s);②τ0↗d0↗;③动塑比（τ0/ηs）↗d0↗，(一般360-4781/s)D.Dp-mV-m/sτ0-Paηs-Pa.s2009年8月ZHOUCY重庆科技学院化工院一般认为动塑比值τ0／ηs＝360～478（1／s）或流型指数n值＝0.7～