第三章钻井液的流变性

第三章钻井液的流变性本章要点：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第三章钻井液的流变性流变性：是指在外力作用，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。与钻井液流变性有关的钻井问题：（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。第一节基本概念一、剪切速率/速度梯度γ：指垂直于流速方向上单位距离流速的增量。γ=dv/dxs-1第一节基本概念在钻井过程中，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第一节基本概念二、剪切应力τ：流体单位面积上的内摩擦力。τ=F/APa式中：F-----流体的内摩擦力NA-----面积m2三、流变曲线：描述τ与γ关系的曲线四、流变模式/流变方程：描述τ与γ关系的数学关系式第一节基本概念牛顿流体：τ=ηγ塑性流体：τ=τ0+ηpγ假塑性流体：τ=Kγnn1膨胀性流体：τ=Kγnn1五、表观粘度/总粘度ηa1、定义：剪切应力τ与对应剪切速率γ之比ηa=τ/γ无特殊说明，ηa是指γ=1022s-1时的ηa2、几何意义：τγθηa=tg(θ)第二节基本流型及其特点流型：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。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：卡森流体第二节基本流型及其特点一、塑性流体1、流变曲线τγγ1τs第二节基本流型及其特点（1）曲线不过原点，在τ轴上有一截距τs扩散双电层斥力水化膜弹性斥力静电吸引力范德华引力形状：片状层面：负电荷（多）端面：正电荷/负电荷（少）粘土颗粒间作用力粘土颗粒特点第二节基本流型及其特点粘土颗粒的连接方式：假设开始时颗粒呈单个分散状态，当斥力逐渐下降时，三种连接方式的出现顺序为：①②③第二节基本流型及其特点不过原点的原因：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：结构拆散结构恢复在低剪切速率下，结构拆散速度结构恢复速度产生同样△γ所需△τ减少△τ/△γ＞第二节基本流型及其特点（3）在中、高剪切速率范围内，为直线段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γ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/△γ第二节基本流型及其特点2、宾汉模式τ=τ0+ηpγ式中：τ0：动切力或屈服值，Paηp：塑性粘度，Pa.S（1）塑性粘度ηp①物理意义：反映流体在层流下达到动平衡时，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。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）D、液相粘度内摩擦力塑性粘度ηpE、温度液相粘度塑性粘度ηp第二节基本流型及其特点③调整加预水化般土加增粘剂使用固控设备使用化学絮凝剂加水稀释ηpηp第二节基本流型及其特点（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A、固相含量网架结构数目动切力τ0B、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τ0D、电解质的影响第二节基本流型及其特点τ0电解质浓度CC0第二节基本流型及其特点原因：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，τ0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，τ0τ0电解质浓度CCa2+Na+第二节基本流型及其特点③调整加预水化般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τ0τ0第二节基本流型及其特点二、假塑性流体/幂律流体1、流变曲线τγ第二节基本流型及其特点（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。原因123123流动方向第二节基本流型及其特点2、幂律模式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（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。τ00n1第二节基本流型及其特点三、卡森流体宾汉模式的局限性：适合在中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1、流变曲线τ1/2γ1/2第二节基本流型及其特点2、卡森模式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·s(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(1)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ηp第二节基本流型及其特点四、流型判断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2、线性回归法（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。第三节流变参数测量与计算一、测量仪器及原理1、漏斗粘度计原理：测定一定钻井液（500ml）从漏斗下端流出所需的时间。漏斗容积：750ml第三节流变参数测量与计算2、旋转粘度计二速六速无级调速范氏粘度计：内筒转范氏粘度计（外筒转）第三节流变参数测量与计算测量原理:(1)剪切速率γ与转子转速n成正比：γ=1.703nS-1n60030020010063γ1022511340.7170.310.225.11(2)剪切应力与粘度计读数成正比：τ=0.511θPa第三节流变参数测量与计算二、流变参数确定做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作图法计算法第三节流变参数测量与计算1、塑性流体流变参数计算300600300600p5111022)(511.030060010)(300600-3Pa.S300600mPa.S第三节流变参数测量与计算p0600600p102210)(511.03300600600)2(511.0600300)(511.0300pPa第三节流变参数测量与计算2、假塑性流体流变参数计算lglglgnKnKlglg第三节流变参数测量与计算1212lglglglgn300600lg322.3nnnnK511511.0300600600nKK第三节流变参数测量与计算100200lg322.3nnnnK170511.010010010036lg322.3nnnnK11.5511.0333第三节流变参数测量与计算3、卡森流体流变参数计算τ1/2=τc1/2+η∞1/2γ1/2τ1/2γ1/22100600)(428.12600100)6(2432.0c第三节流变参数测量与计算4、表观粘度ηa及剪切稀释性（1）表观粘度ηaηa定义：剪切应力τ与对应剪切速率γ之比ηa=τ/γ无特殊说明，ηa是指γ=1022s-1时的ηa60036006006002110211022511.01022a第三节流变参数测量与计算（2）剪切稀释性①定义：表观粘度随剪切速率增大而降低的特性。②钻井对剪切稀释性要求：要求钻井液具有较强的剪切稀释性。环形空间：γ低，ηa大，有利于携带钻屑钻头水眼：γ大，ηa小，有利于水力破岩第三节流变参数测量与计算牛顿流体：τ=ηγηa=η塑性流体：τ=τ0+ηpγ假塑性流体：τ=Kγnn1膨胀性流体：τ=Kγnn10pannaKK11nnaKK11第三节流变参数测量与计算③剪切稀释性影响因素：塑性流体：假塑性流体：卡森流体：④一般钻井要求：剪切稀释性越强p0剪切稀释性越强n剪切稀释性越强smPaPap./48.036.007.04.0nsmPa.62第三节流变参数测量与计算5、切力τ与触变性（1）切力τ定义：指静切力，表示钻井液在静止状态下网架结构的强弱。切力随静止时间的变化而变化（见右图），塑性流体静切力τs是静切力的极限值。1、较快的强凝胶2、较慢的强凝胶3、较快的弱凝胶4、较慢的弱凝胶第三节流变参数测量与计算触变性评价：以终切和初切的差值来表示终切和初切的测量：A、高速搅拌10min;B、初切测量：在600rpm下转1min，静止10s，测3rpm的切力终切测量：在600rpm下转1min，静止10min，测3rpm的切力初终3511.0初3511.0初第四节钻井液流变性与钻井的关系携岩及悬浮井壁稳定钻井速度抽吸压力与激动压力滤失性泥浆泵泵压与排量流变性与钻井关系第四节钻井液流变性与钻井的关系一、钻井液流变性与携岩的关系塞流层流过度流紊流1、层流及其携岩特点成层流动流速低速度剖面呈“尖峰”物线钻井液流态层流特点第四节钻井液流变性与钻井的关系层流携岩特点1、对井壁冲刷作用小，有利于井壁稳定2、存在“转动靠壁”现象，携岩效率低F1F2F3F4第四节钻井液流变性与钻井的关系2、紊流及其携岩特点流体质点作无规则运动流速大、速梯小速度剖面扁平紊流特点层流携岩特点1、无“转动靠壁”现象，携岩效率高2、对井壁冲刷作用大3、岩屑滑落速度大4、循环压耗大第四节钻井液流变性与钻井的关系3、平板型层流流速低速度剖面扁平对井壁冲刷作用小携岩效率低平板型层流特点携岩特点等速核直径d0越大，携岩效率越高：塑性流体：p0d0适合值在0.36-0.48Pa/mPa.s动塑比第四节钻井液流变性与钻井的关系幂律流体：nd0适合值在0.4-0.7二、钻井液流变性与悬浮钻屑和加重剂的关系钻井液静止时能有效将钻屑和加重剂悬浮起来，或很慢的下沉。钻井对钻井液悬浮能力的要求：悬浮能力影响因素：静切力和触变性GF浮F切sdgdgd223136161切浮FFG第四节钻井液流变性与钻井的关系式中：d-----颗粒直径ρ1-----固相密度ρ-----钻井液密度τs-----钻井液静切力6)(1gds第四节钻井液流变性与钻井的关系三、钻井液流变性与井壁稳定的关系流态对井壁稳定的影响：层流比紊流有利于井壁稳定紊流：钻井液上返速度≻Vc层流：钻井液上返速度≺Vc临界流速Vc：)()(1052.2100101002032dDdDVppc