钻井液流变性

11第三章钻井液的流变性Chapter3TheRheologyofDrillingFluids重点：1.流变性概念、钻井液流变模型、流变性计算2.流变参数及实际调整3.流变性与钻井关系12第一节钻井液的流动类型和基本概念1.流动类型塞流PlugFlow层流LaminarFlow紊流TurbulentFlow13塞流层流紊流稳定流动类型的变化塞流：流体象塞子一样流动，流速为常数。层流：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：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。142.基本概念剪切速率ShearRate统一名称：速梯、剪率、切变率。常用符号：γ、D、dv/dx、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-115剪切应力ShearStress统一名称：剪应力、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：τ=F/A=dyn/cm2；Pa。1Pa=10dyn/cm216流变曲线ConsistencyCurve定义：速梯与切应力关系曲线。表示方法：三种表示法。000ττγγγ；Q；V；nτ；P；P；流变曲线表示法17粘度Viscosity统一名称：有效粘度、视粘度。常用符号：η定义：η=τ/γ=单位剪切速率的剪切应力。单位：η=τ/γ=dyn/cm2/s-1=dyn.s/cm2=泊1泊=100mPa.s=100cp=1dyn.s/cm218漏斗粘度FunnelViscosity定义：定体积泄流时间。单位：秒；s。类型：马氏漏斗粘度MarshFunnelViscosity定义：1500ml流出946ml的时间。标准：清水测量值：26±0.5s中国漏斗粘度定义：700ml流出500ml的时间。标准：清水测量值：15±0.5s漏斗粘度计示意图19第二节基本流型及其分析一、流体分类根据“τ-γ”关系，将流体分为：钻井液大多属塑性或假塑性流型110二、流体分析基本假设：连续介质均质性不可压缩性层流1111、牛顿内摩擦定律与牛顿流体牛顿内摩擦定律τ=F/A=η(dv/dr)η—表征流体粘性的比例系数，简称牛顿粘度。F—内摩擦力。牛顿流体流变性符合牛顿内摩擦定律的流体。类型举例：水、甘油、单相液体等。流变曲线：通过原点的直线。特点：η=τ/γ=C（常数）1122.非牛顿流体塑性流体PlasticFluids数学模型：τ-τ0=ηpγ流变曲线：有截距的直线。流变参数：τ0——动切应力YieldStress统一名称：屈服值、屈服点。定义：流体开始呈现层流流动时所需要的剪切应力。常用符号：τ0；YP单位：dyn/cm2、Pa几何意义：直线截距的切应力值。γττ0τs0真实泥浆塑性体流型图113ηp——塑性粘度PlasticViscosity定义：产生单位剪切速率所需要的剪切应力。常用的其它符号：ηs、PV单位：公制：dyn.s/cm2、泊、厘泊。国际：Pa.s、mPa.s模式讨论τ-τ0=ηpγ或者η=ηp+τ0/γγ0，ττ0能够反映多数钻井液具有内部结构情况。γ，η能够反映多数钻井液的剪切稀释性。γ，ηηp能够反映出钻井液的极限粘度。低剪切速率下：τ实τ宾表明模型拟合实际曲线有较大偏差.114真实泥浆与不同流型的比较r0真实泥浆与不同流型的比较115假塑性流体PseudoplasticFluids流变模式：τ=Kγn流变曲线：过原点凸向切应力轴的曲线。为什么过原点？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。116流变参数：K——稠度系数意义：反映流体的粘滞性。越大，流体越难流动。单位：dyn.sn/cm2n——流型指数意义：偏离牛顿流体的程度。模式讨论τ=Kγn或者η=Kγn-1γ0，τ0不符合大多数钻井液具有屈服应力的特点。γ，η能够反映钻井液的剪切稀释性。γ，η0无极限粘度，不符合钻井液情况。τ0r117卡森流体流变模型：τ1/2=τc1/2+η1/2γ1/2流变曲线：γ1/2-τ1/2作图，为一条直线。γ-τ作图，为直线与曲线之和。模式讨论τ1/2=τc1/2+η1/2γ1/2γ0，ττc能够反映多数钻井液具有内部结构情况。γ，η能够反映多数钻井液的剪切稀释性。γ，ηη能够反映出钻井液的极限粘度。卡森流体流变曲线ττc00τ1/2τc1/2r1/2r118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：卡森(Casson)模式是1959年由卡森首先提出的，最初主要用于油漆、颜料和塑料等工业中。1979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。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。119三、剪切稀释性定义钻井液的有效粘度随剪切速率增加而降低的现象。实质：高剪切作用破坏了体系内部结构，使总的粘滞性降低。表示法：动塑比τo/ηp意义：越大，钻井液的剪切稀释性越强。因为比值大，表明结构多（τo大），固含低（ηp小），体系受剪切稀释明显。显然：只要能形成结构的钻井液，均有剪切稀释性。120作用：(1)判断携屑能力：强者—好，有利低速带砂。(2)估计钻头水眼处的粘度大小：强者—小，有利水力喷射钻井。即环形空间：γ低，ηa大，有利于携带钻屑钻头水眼：γ大，ηa小，有利于水力破岩一般要求钻井液的剪切稀释能力强。0.36～0.48Pa/mPa·s太小，携岩能力差；太强，引起泵压显著提高剪切稀释性越强p0剪切稀释性越强n塑性流体：假塑性流体：卡森流体：剪切稀释性越强7.04.0nsmPaPap./48.036.00smPa.62一般钻井要求：122四、触变性定义：表示方法：触变性=初切力-终切力或者=初切力/终切力低密度钻井液：触变性=1分钟静切力/10分钟静切力τ1’/τ10’高密度钻井液：触变性=10秒钟静切力-10分钟静切力τ10’’/τ10’网架结构的强弱----凝胶强度的大小----触变性3511.0初低密度钻井液终切和初切的测量：高速搅拌10min;初切测量：在600rpm下转1min，静止1min或10s，测3rpm的切力。终切测量：在600rpm下转1min，静止10min，测3rpm的切力124影响因素：①粒子浓度↗，结构恢复快、强，触变性强。②ζ电位↗，结构恢复慢、弱，触变性弱。③若是高聚物吸附土粒形成桥联结构，恢复快，但最终结构强度弱。钻井液对触变性的要求：①结构恢复要快（有利钻屑悬浮，防止沉砂）②最终切力要适当（防止开泵阻力大，压力激动）125126第三节钻井液流变参数及实际调整1.静切力τs定义：钻井液静止后形成的凝胶结构强度。钻井液从静止到开始塞流流动所需要的最小剪切应力。127影响因素：单个链环的强度颗粒间引力——电位、水化膜厚度hζ低，水化膜薄，吸力占优势，τs大。结构链环数目/单位体积（结构密度）颗粒浓度c、分散度含量大，分散度高，τs大。处理剂的种类和加量调整方法：升τs——提高c、分散度，降低、水化膜厚度h。降τs——与上相反。128静切力的实际应用（1）悬浮岩屑和加重材料悬浮岩屑（球形）所需静切力为：τs（dyn/cm2)=d(岩-浆）/6τs(mg/cm2)=1000d(岩-浆）/6经验数据：初切力=2～6Pa时，可达到良好的悬浮能力。终切力=2初切力，属于良好型触变体。终切力≥5初切力，属于递增型触变体。此时，会造成泵压过高，易压漏地层。（2）影响井内液柱压力激动τs129设钻井液密度为1.2,重晶石密度为4.2,重晶石粉的颗粒直径为0.01mm～0.10mm,问悬浮重晶石粉颗粒该钻井液至少应具有多大的切力值？例题：τs=1000d(岩-浆）/6=1000d(岩-浆）/6=1000×0.01×(4.2-1.2)/6=5(mg/cm2)1302.动切应力τ0（YP）定义：钻井液开始作层流流动时，必须要的最小剪切应力。实质：层流流动时，流体内部结构一部分被拆散，另一部分重新恢复。当拆散与恢复速度相等时，保留的那部分内部结构所产生的剪切阻力。τ0与τs的区别：τ0为塑性流体特有的性质，反映钻井液作层流流动时，粘土颗粒之间及高聚物分子之间的相互作用力τo是常量，不随速度梯度变化，体系定它则定τs为静止条件下固体颗粒之间吸引力的量度影响因素（类似于静切力）131作用：τo的大小反映了钻井液携屑能力的大小。τo大，说明层流时结构强度大，流核面积大，携屑能力强，反之弱。测量方法：用旋转粘度仪测600转和300转的数据，代入宾汉公式或相应的直读公式计算而得。τo=5.11（φ300-PV）1323、粘度定义：η=τ/γ意义：钻井液作层流流动时，表观粘度等于以下四部分内摩擦力的微观统计结果：固——固颗粒间内摩擦阻力；固——液相分子间内摩擦阻力；液——液分子间内摩擦阻力；固相结构——液相分子间内摩擦阻力。是钻井液在流动过程中实际表现出来的总的粘滞性133•几种流体（模式）表示的表观粘度：宾汉体：η=ηp+τ0/γ假塑性体：η=K(γ)n-1卡森体η=[(η)1/2+(τ0/γ）1/2]2•作用：衡量钻井液的宏观流动性。•测量方法：用旋转粘度仪。•现场习惯用600转数据的1/2值表示，AV=φ600/2。134宾汉体的塑性粘度ηp定义：层流流动时，流体内部网状结构的破坏与恢复处于动态平衡时，以下三部分内摩擦力的微观统计结果：固-固颗粒间内摩擦阻力；固-液相分子间内摩擦阻力；液-液分子间内摩擦阻力；特点：ηp不随dv/dr变化而变化。135影响因素：固相含量：固含ηp；分散度：分散度ηp；液相粘度：液相粘度ηp；它直接反映了钻井液中固相含量的高低及分散程度。调整ηp的方法：根据影响因素升、降ηp。136作用：衡量判断钻井液中固相含量的高低及分散程度。高则有害，低则有利。•PV与YP是塑性型钻井液的两个重要流变参数，它们直接影响流阻、压降、水力功率的大小及井眼净化的程度。•测量方法：用旋转粘度仪测φ600、φ300读值。PV=φ600-φ300mPa·s1374.假塑性体的n、kn=f(内部结构强弱）作用：判别携屑能力：n小，流核大，带砂好。n=0.4～0.7好。判断剪切稀释性：n越小，剪切稀释能力越强。（结构多）调整n值方法：降n——加入活性膨润土、无机盐、高分子聚合物等；提n——加入清水、稀释剂等。138•稠度系数k：表示假塑性钻井液的稀稠程度。K与粘度有关实质：假塑性流体在一定速梯下非结构性内摩擦的反映作用：衡量钻井液流动阻力的高低及固相含量的多少139调整k值方法：固相含量：固含k；分散度：分散度k；液相粘度：液相粘度k140第四节钻井液流变性能与钻井工程的关系钻井液流变性能与钻井工程的关系主要体现：影响钻井速度影响环空携带岩屑能力影响井壁稳定影响岩屑和加重物质的悬浮影响井内压力激动141在其它因素不变时，钻速与钻头处雷诺数的0.5次方成正比：Vm=f(Re)1/2设有两种钻井液，钻速的表达式为：Vm2=Vm1(Re2/Re1)1/2其它因素不变时，雷诺数与钻井液粘度成反比：Re1/所以：Vm2=Vm1(s1/s2)1/21.影响钻井速度142举例某钻井液的塑性粘度p为32mPa.s，平均钻速为6米/小时，在不改变其它因素时