Chapter-3-钻井液流变参数与钻井作业的关系

Test41.Density2.Solidcontent3.Methylenebluetest4.Formationporepressure5.Mudhydrostaticpressure6.RheologyofDrillingFluids7.laminarflowregime8.shearrate9.shearstress10.Flowmodels11.APIAnswers1.密度2.固相含量3.亚甲基蓝测试4.地层孔隙压力5.钻井液静液柱压力6.Viscosity（粘度）7.钻井液流变学8.层流9.剪切速率10.剪切应力11.AmericanPetroleumInstitute美国石油学会钻井液流变特性TheRheologyofDrillingFluids一、基本概念1.流变学（Rheology）:流变公式，流变曲线例，牛顿流体：2.剪切速率γ(Shearrate,s-1)或速度梯度,(velocitygradient)和剪切应力τ(shearstress,Pa)3.粘度μ（Viscosity,Pa.s），是牛顿流体的流变参数。由于Pa·s单位太大，在实际应用中一般用mPa·s表示液体的粘度。例如，在20℃时，水的粘度μ＝1.0087mPa·s。在工程应用中，μ的常用单位为厘泊(cP)，1cP=1mPa·s。二、流动类型与流变参数FlowTypesandFlowparameters纯粘性体与时间无关的牛顿流体宾汉塑性流体非牛顿流体幂律流体假塑性流体膨胀性流体带屈服值幂律流体带屈服值假塑性流体带屈服值膨胀性流体与时间有关的触变性流体振凝性流体粘弹性体多种类型塑性流型、假塑性性流型和膨胀流型。以上四种基本流型的流变曲线见图。符合这四种流型的分别叫牛顿流体、塑性流体、假塑性流体和膨胀性流体。1.四种基本流型ps式中：s—静切力（凝胶强度Gelstrength），Pa；p—塑性粘度(plasticviscosity)，Pa·s。。可见，塑性流体有两个流体参数，即塑性粘度和静切力。psθθτ012AsC2C1·γB2.宾汉塑性流体BinghamPlasticFluids（2）粘塑性流体p0①当剪切应力超过τs时，在初始阶段剪切应力和剪切速率的关系不是一条直线；继续增加剪切应力，当其数值大到一定程度之后，粘度不再随剪切速率增大而发生变化，此时流变曲线变成直线。②此直线段的斜率称为塑性粘度(表示为或PV)。延长直线段与剪切应力轴相交于一点τ0，(亦可表示为YP)称为动切应力(常简称为动切力或屈服值yieldpoint)，是将粘塑流体看成塑性流体，使粘度变为常数(即塑性粘度)所需的最小切应力。③τ0表示此流体运动时结构的存在及其数值的大小。塑性粘度和动切力是钻井液的两个重要流变参数。p幂律流体的流变曲线为通过原点O的曲线，可用幂函数或叫幂律模式来表示：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时为假塑性流体；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。3.PseudoplasticFluids（假塑性流体）幂律流体（Powerlaw）nKθθθ0'假塑流体膨胀流体'23θ14幂律流体流变曲线某些钻井液、高分子化合物的水溶液以及乳状液等均属于假塑性流体。1.MarshFunnel（马氏漏斗粘度计）: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15三、钻井液流变性的测量2.Direct-IndicatingViscometers3.Calculationofrheologicalparameters)(1000511.0)(511.0mPaPaNN（1）Principle:)(703.11srpmWhere,=thedialreadingunderN(rpm);rpm=rotationperminute.N（2）塑性流体和粘塑性流体:表观粘度:（mPa•s）塑性粘度：（mPa•s）动切力:（Pa）静切力（初切）（10s）：（Pa）终切（10min）：（Pa）60021a300600P)2(511.0)(511.06003003000p3511.0初3511.0终（3）幂律流体流性指数:（无因次）300600lg322.3n稠度指数:（Pa.Sn）nk511511.0600lglglgnK钻井液流变性要点：1.流变学（Rheology)；2.剪切速率(shearrate)，剪切应力(shearstress)；3.流变模式（方程）flowmodel(equation)、流变曲线(curve)；4.牛顿流体的特点；5.宾汉流体－塑性流体：静切力(Gelstrength)、塑性粘度(plasticviscosity)；6.宾汉流体－粘塑性流体：静切力、塑性粘度、动切力(yieldpoint)；7.幂律流体及其参数：稠度系数K，流性指数n；8.钻井液流变特性的测量（阅读P38－39旋转粘度计测量原理）。钻井液常用的流变参数及其调控方法1．漏斗粘度在钻井过程中，钻井液的漏斗粘度(FunnelViscosity)是需要经常测定的重要参数。漏斗粘度与其它流变参数的测定方法不同。其它流变参数一般使用按APl标准设计的旋转粘度计，在某一固定的剪切速率下进行测定，而漏斗粘度使用一种特制的漏斗粘度计来测量。漏斗粘度只能用来判别在钻井作业期间各个阶段粘度变化的趋向。2.1塑性粘度μp和动切力τ0塑性粘度μp反映了在层流情况下，钻井液中网架结构的破坏与恢复处于动平衡时，悬浮的固相颗粒之间、固相颗粒与液相之间以及连续相内部的内摩擦作用的强弱。影响塑性粘度的主要因素：①钻井液中的固相含量；②钻井液中粘土的分散度；③高分子聚合物处理剂。2.1塑性粘度μp和动切力τ0动切力τ0：是塑性流体流变曲线中的直线段在τ轴上的截距。它反映了钻井液在层流流动时，粘土颗粒之间及高分子聚合物分子之间相互作用力的大小，即形成空间网架结构能力的强弱。其主要影响因素有：①粘土矿物的类型和浓度②电解质③降粘剂:大多数降粘剂的作用原理都是吸附到粘土颗粒的端面上，使端面带一定的负电荷，于是拆散网架结构。因此，降粘剂的作用主要是降低动切力，而不是降低塑性粘度。2.2塑性粘度的调控在实际应用中，调整钻井液宾汉模式流变参数的一般方法可概括为：(1)降低μP通过合理使用固控设备、加水稀释或化学絮凝等方法，尽量减少固相含量。(2)提高μP加入低造浆率粘土、重晶石、混入原油或适当提高pH值等均可提高μP。另外增加聚合物处理剂的浓度使钻井液的液相粘度提高，也可起到提高μP的作用。(3)降低τ0最有效的方法是适量加入降粘剂(也称稀释剂)，以拆散钻井液中已形成的网架结构。如果是因Ca2＋、Mg2+等污染引起的τ0升高，则可用沉淀方法除去这些离子。此外，用清水或稀浆稀释也可起到降τ0的作用。(4)提高τ0可加入预水化膨润土浆，或增大高分子聚合物的加量。对于钙处理钻井液或盐水钻井液，可通过适当增加Ca2＋、Na+浓度来达到提τ0的目的。2.2动切力τ0的调控①在幂律模式中，指数n表示假塑性流体在一定剪切速率范围内所表现出的非牛顿性的程度，因此通常将n称为流性指数。水、甘油等牛顿流体的n值等于1。钻井液的n值一般均小于1。n值越小，表示钻井液的非牛顿性越强。②随n值减小，曲线的曲率变大，表明流体的流变性偏离牛顿流体越来越远。流性指数是一个无因次量。3．流性指数n和稠度系数K在钻井液设计中，经常要确定流性指数的合理范围，一般希望有较低的n值，以确保钻井液具有良好的剪切稀释性能；K值则与钻井液的粘度、切力联系在一起。显然，它与流体在剪切速率为1s-1时的粘度有关。K值愈大，粘度愈高，因此一般将K值称为稠度系数。对于钻井液，K值可反映其可泵性。若K值过大，将造成重新开泵困难。若K值过小，又将对携岩不利。因此，钻井液的K应保持在一个合适的范围内。在SI单位制中，K值的单位为Pa·sn。降低n值最常用的方法是加入XC生物聚合物等流性改进剂，或在盐水钻井液中添加预水化膨润土。降低K值最有效的方法是通过加强固相控制或加水稀释以降低钻井液中的固相含量。若需要适当提高K值时，可添加适量聚合物处理剂，或将预水化膨润土加入盐水钻井液或钙处理钻井液中(K值提高，n值下降)；也可加入重晶石粉等惰性固体物质(K值提高，n值基本不变)。3.1流性指数n和稠度系数K的调控4．表观粘度和剪切稀释性①表观粘度又称为有效粘度(EffectiveViscosity)。它是在某一剪切速率下，剪切应力与剪切速率的比值，即μa＝τ/γ式中，μa表示表观粘度。当τ和γ的单位分别为Pa和s－1时，μa的单位为Pa·s。②表观粘度是塑性粘度和结构粘度之和.由宾汉方程，塑性流体的表观粘度可表示：μa＝μP＋τ0/γ由幂律方程，假塑性流体的表观粘度可表示为μa＝Kγn-1③塑性流体和假塑性流体的表观粘度随着剪切速率的增加而降低的特性称为剪切稀释性(ShearThinningBehavior)。τ0/γ—结构粘度τ0/μp—动塑比0.36~0.48Pa/mPa.sn0.4~0.7在循环系统中，不同部位的平均剪切速率（s-1）范围：泥浆罐内1～5环形空间10～500钻杆100～500钻铤700～3000钻头喷嘴10000～100000钻井液的切力是指静切应力。其胶体化学实质是胶凝强度，即表示钻井液在静止状态下形成的空间网架结构的强度。其物理意义是，当钻井液静止时，破坏钻井液内部单位面积上的结构所需的剪切力，单位为Pa。前面在讨论塑性流体的流动特性时，曾引用了τs这一参数。实际上τs是静切应力的极限值，即真实意义上的胶凝强度。但结构强度的大小与时间因素有关，要想测得τs，必须花费相当长的时间。显然，在生产现场测定该值是不现实的，于是人们规定用初切力和终切力来表示静切应力的相对值。5.切力和触变性初切力是钻井液在经过充分搅拌后，静置1min(或10s)测得的静切力(简称为初切)；终切力是钻井液在经过充分搅拌后，静置10min测得的静切力(简称为终切)。其测定方法将在后面介绍。所谓钻井液的触变性(ThixotropicBahavior)，是指搅拌后钻井液变稀(即切力降低)，静置后又变稠的这种性质。一般用终切与初切之差相对表示钻井液触变性的强弱。对触变性的机理可作如下解释：在触变体系中一般都存在空间网架结构。在剪切作用下，当结构被搅散后，只有颗粒的某些部位相互接触时才能彼此重新粘结起来，即结构的恢复要求在颗粒的相互排列上有一定的几何关系。因此，在结构恢复过程衣中，需要一定的时间来完成这种定向作用。恢复结构所需的时间和最终的凝胶强度(即切力)的大小，可更为真实地反映某种流体触变性的强弱。经验表明，一般情况下，能够有效悬浮重晶石的静切力为1.44Pa。钻井液流变性与钻井作业的关系一、钻井液流变性与井眼净化的关系vvvvvvv12121式中，V2—岩屑上返速度，m/s；V－钻井液上返速度，m/s；V1－岩屑在钻井液中的沉降速度，m/s；V2/V–携带比，表示井筒的净化效率。1.层流携带岩屑的原理agrv92021岩屑的沉降速度除与岩屑尺寸、岩屑密度、钻井液密度和流态等因素有关外，还与钻井液的有效粘度成反比。2.紊流携带岩屑的原理：如图3-17所示，钻井液在作紊流流动时，岩屑不存在转动和滑落现象，几乎全部都能携带到地面上来，环形空间里的岩屑比较少。但是紊流携岩也有一些缺点，主要表现在：(1)岩屑在紊流时的