1、12022-3-27 钻井液流变性是钻井液的一项基本性能，钻井液流变性是钻井液的一项基本性能，在解决在解决 (1)(1)携带岩屑，保证井底和井服的清洁；携带岩屑，保证井底和井服的清洁；(2)(2)悬浮岩屑与重晶石；悬浮岩屑与重晶石；(3)(3)提高机械钻速；提高机械钻速；(4)(4)保持井眼规则和保证井下安全起着十分重要的保持井眼规则和保证井下安全起着十分重要的作用。钻井液的某些流变参数还直接用于钻井作用。钻井液的某些流变参数还直接用于钻井环空水力学的有关计算。环空水力学的有关计算。 22022-3-27第一节第一节 流体的基本流型及其特点流体的基本流型及其特点一、流体流动的基本概念一、流体流
2、动的基本概念 1 1剪切速率和剪切应力剪切速率和剪切应力液体与固体区别液体与固体区别: : 加很小的力就能使液体发生变形，而只要力作用的时间相加很小的力就能使液体发生变形，而只要力作用的时间相当长，很小的力能使液体发生很大的变形。当长，很小的力能使液体发生很大的变形。32022-3-27 钻井液在循环过程中，在各个部位的流速不同，剪钻井液在循环过程中，在各个部位的流速不同，剪切速率不相同。流速越大剪切速率越高。一般情况下，切速率不相同。流速越大剪切速率越高。一般情况下，沉砂池处剪切速率最低，大约在沉砂池处剪切速率最低，大约在101020s20s-1-1；环形空间；环形空间5050250s250
3、s-1-1；钻杆内；钻杆内100100 1000s 1000s-1-1；钻头喷嘴处最高；钻头喷嘴处最高，大约在，大约在1000010000100000s100000s-1-1。 42022-3-27 剪切速率剪切速率：沿垂直于流沿垂直于流速方向上单位距离上流速的速方向上单位距离上流速的改变量或增加量。改变量或增加量。表达式如下：表达式如下：流速分布特流速分布特点点dxdv 单位为单位为：s s-1-1; ; 流体各层之间流速不同，层流体各层之间流速不同，层与层之间存在相互作用。与层之间存在相互作用。液体内部内聚力的作用，流液体内部内聚力的作用，流速较快的液层带动流速较慢的相邻液层，流速较慢的速
4、较快的液层带动流速较慢的相邻液层，流速较慢的液层阻碍流速较快的相邻液层。液层阻碍流速较快的相邻液层。52022-3-27牛顿内摩擦定律：牛顿内摩擦定律： 内摩擦力内摩擦力F F除以接触面积除以接触面积S S即得液体内的即得液体内的剪切应力剪切应力 ，剪切应力理解为单位面积上的剪切力。，剪切应力理解为单位面积上的剪切力。 是量度液体粘滞性大小的物理量，粘度。单位是量度液体粘滞性大小的物理量，粘度。单位为为PaPas s或或mPamPas s。 62022-3-27 物理意义：产生单位剪切速率所需要的剪切应力。物理意义：产生单位剪切速率所需要的剪切应力。 越大，表示产生单位剪切速率所需要的剪切应力
5、越大。越大，表示产生单位剪切速率所需要的剪切应力越大。粘度是液体的性质，不同液体有不同的粘度是液体的性质，不同液体有不同的值。值。与温度与温度有关，一般随温度的升高而降低。有关，一般随温度的升高而降低。72022-3-27剪切应力和剪切速率是流变学中的两个基本慨念，剪切应力和剪切速率是流变学中的两个基本慨念，钻井液流变性的核心问题钻井液流变性的核心问题是研究各种钻井液的剪切应力是研究各种钻井液的剪切应力与剪切速率之间的关系。用数学关系式表示称为流变方与剪切速率之间的关系。用数学关系式表示称为流变方程，又称为流变模式，用图纸来表示称为流变曲线。程，又称为流变模式，用图纸来表示称为流变曲线。820
6、22-3-27流变方程流变方程流变曲线流变曲线92022-3-273 3流体的基本流型流体的基本流型 按照流体流动时剪切速率与剪切应力之间的关系，按照流体流动时剪切速率与剪切应力之间的关系，流体可以划分为不同的流型。除牛顿流型外，根据所测流体可以划分为不同的流型。除牛顿流型外，根据所测出的流变曲线形状的不同，将非牛顿流体的流型归纳为出的流变曲线形状的不同，将非牛顿流体的流型归纳为塑性流型、假塑性流型和膨胀流型塑性流型、假塑性流型和膨胀流型。以上四种基本流型。以上四种基本流型的流变曲线见图的流变曲线见图3-43-4。符合这四种流型的流体分别叫做。符合这四种流型的流体分别叫做牛顿流体、塑性流体、假
7、塑性流体和膨胀性流体牛顿流体、塑性流体、假塑性流体和膨胀性流体。102022-3-27 膨胀流体比较少见。流动特点是：稍加外力发生膨胀流体比较少见。流动特点是：稍加外力发生流动；粘度随剪切速率流动；粘度随剪切速率( (或剪切应力或剪切应力) )增加而增大，静增加而增大，静置时又恢复原状。与假塑性流体相反，其流变曲线凹置时又恢复原状。与假塑性流体相反，其流变曲线凹向剪切应力轴。膨胀流体在静止状态时，所含有的颗向剪切应力轴。膨胀流体在静止状态时，所含有的颗粒是分散的。剪切应力增大，部分颗粒会纠缠在一起粒是分散的。剪切应力增大，部分颗粒会纠缠在一起形成网架结构，增大流动阻力。目前广泛使用的多数形成网
8、架结构，增大流动阻力。目前广泛使用的多数钻井液为钻井液为塑性流体和假塑性流体塑性流体和假塑性流体。 112022-3-27122022-3-27牛顿流体牛顿流体 通常将剪切应力与剪切速率的关系遵守牛顿内摩擦定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，称为律的流体，称为牛顿流体牛顿流体。 水、酒精等大多数纯液体、轻质油、低分量化合物水、酒精等大多数纯液体、轻质油、低分量化合物溶液以及低速流动的气体等均为牛顿流体。溶液以及低速流动的气体等均为牛顿流体。流动特点：流动特点：加很小的剪切力能流动，加很小的剪切力能流动，剪切应力与剪切应力与流速流速梯度成正比。在层流区域内，粘度不随切力流速
9、梯度梯度成正比。在层流区域内，粘度不随切力流速梯度变化，为变化，为常量常量。132022-3-27牛顿流体的流变模型与流变曲线牛顿流体的流变模型与流变曲线流变方程流变方程流变曲线流变曲线142022-3-27 与牛顿流体不同，当剪切速率为零时：即与牛顿流体不同，当剪切速率为零时：即剪切力剪切力00，而是，而是s s，即施加，即施加的切应力必须超过某一特定值才的切应力必须超过某一特定值才能开始流动。能开始流动。 s s为开始流动的最小切应力，为开始流动的最小切应力，称为静切力，简称切力或凝胶强称为静切力，简称切力或凝胶强度。度。s0152022-3-27 剪切应力继续增大，并超过剪切应力继续增大
10、，并超过s s时，塑性流体不时，塑性流体不能均匀剪切，粘度随剪切速率的增加而降低，图中能均匀剪切，粘度随剪切速率的增加而降低，图中曲线段；继续增加曲线段；继续增加剪切速率剪切速率，粘度不随，粘度不随剪切速率剪切速率的的增加而降低，图中直线段；增加而降低，图中直线段； 塑性粘度（塑性粘度（PVPV）：）：不随切力不随切力或流速梯度改变的粘度。或流速梯度改变的粘度。 动切力（动切力（YPYP）：）：直线段延长直线段延长线与切应力的交点为动切应力或线与切应力的交点为动切应力或叫屈服值。叫屈服值。s0162022-3-27s0 塑塑0宾汉模宾汉模式式塑性流塑性流体流变体流变曲线曲线 此式是塑性流体的流
11、变模式，该式常称为此式是塑性流体的流变模式，该式常称为宾汉模宾汉模式式，并将塑性流体称为，并将塑性流体称为宾汉塑性流体。宾汉塑性流体。172022-3-27 粘土含量高的钻井液、高含蜡原油和油漆等都粘土含量高的钻井液、高含蜡原油和油漆等都属于塑性流体。水基钻井液主要由粘土、水和处理属于塑性流体。水基钻井液主要由粘土、水和处理剂所组成。粘土矿物具有片状或棒状结构，形状不剂所组成。粘土矿物具有片状或棒状结构，形状不规则，颗粒之间容易彼此连接在一起。形成空间网规则，颗粒之间容易彼此连接在一起。形成空间网架结构。粘上颗粒可能出现三种不同连接方式，面架结构。粘上颗粒可能出现三种不同连接方式，面- -面、
12、端面、端面和端面和端端连接。端连接。182022-3-27 三种不同的连接方式将产生不同的后果。面三种不同的连接方式将产生不同的后果。面面连接会导致形成较厚的片，颗粒分散度降低，通面连接会导致形成较厚的片，颗粒分散度降低，通常称为聚结；端常称为聚结；端面与端面与端端连接形成三维的网架端连接形成三维的网架结构、特别是当粘土含量足够高时，形成布满整个结构、特别是当粘土含量足够高时，形成布满整个空间的连续网架结构，称做凝胶结构，称为絮凝。空间的连续网架结构，称做凝胶结构，称为絮凝。与聚结和絮凝相对应的相反过程分别叫做分散和解与聚结和絮凝相对应的相反过程分别叫做分散和解絮凝絮凝 ，如图，如图3-53-
13、5所示。所示。 192022-3-27202022-3-27 一般情况下，钻井液中的粘土颗粒在不同程度上一般情况下，钻井液中的粘土颗粒在不同程度上处在一定的絮凝状态。要使钻井液开始流动，必须施处在一定的絮凝状态。要使钻井液开始流动，必须施加一定的剪切应力，破坏絮凝时形成的连续网架结构。加一定的剪切应力，破坏絮凝时形成的连续网架结构。这个力为静切应力，这个力为静切应力，静切应力静切应力反映所形成结构的强弱，反映所形成结构的强弱，将静切应力称为凝胶强度。将静切应力称为凝胶强度。 在钻井液开始流动以后，初期的剪切速率较低，结在钻井液开始流动以后，初期的剪切速率较低，结构的拆散速度大于恢复速度，拆散程
14、度随剪切速率增构的拆散速度大于恢复速度，拆散程度随剪切速率增加而增大，粘度随剪切速率增加而降低。加而增大，粘度随剪切速率增加而降低。塑性流体机理分析塑性流体机理分析212022-3-27 随着结构拆散程度增大，拆散速度逐渐减小，结随着结构拆散程度增大，拆散速度逐渐减小，结构恢复速度相应增加。当剪切速率增至一定程度，结构恢复速度相应增加。当剪切速率增至一定程度，结构破坏的速度和恢复的速度保持相等构破坏的速度和恢复的速度保持相等( (达到动态平衡达到动态平衡) )时，结构拆散的程度不再随剪切速率增加而发生变化，时，结构拆散的程度不再随剪切速率增加而发生变化，粘度也不发生变化。该粘度为钻井液的塑性粘
15、度。粘度也不发生变化。该粘度为钻井液的塑性粘度。塑塑性粘度性粘度不随剪切应力和剪切速率改变，对钻井液的水不随剪切应力和剪切速率改变，对钻井液的水力计算是很重要的。力计算是很重要的。222022-3-27假塑性流体假塑性流体 某些钻井液、高分子化合某些钻井液、高分子化合物的水溶液以及乳状液等属于物的水溶液以及乳状液等属于假塑性流体。流变曲线是通过假塑性流体。流变曲线是通过原点井凸向剪切应力轴的曲线。原点井凸向剪切应力轴的曲线。 这类流体的流动特点：施这类流体的流动特点：施加极小的剪切应力能产生流动，加极小的剪切应力能产生流动，不存在静切应力，粘度随剪切不存在静切应力，粘度随剪切速率的增大而降低。
16、速率的增大而降低。232022-3-27 假塑性流体和塑性流体的一个重要区别在于：塑假塑性流体和塑性流体的一个重要区别在于：塑性流体当剪切速率增大到一定程度时，剪切应力与剪性流体当剪切速率增大到一定程度时，剪切应力与剪切速率之比为一常数，在这个范围，流变曲线为直线；切速率之比为一常数，在这个范围，流变曲线为直线；而假塑性流体剪切应力与剪切速率之比总是变化的，而假塑性流体剪切应力与剪切速率之比总是变化的，在流变曲线中无直线段。在流变曲线中无直线段。242022-3-27假塑性流体流变模式与流变曲线假塑性流体流变模式与流变曲线 假塑性流体服从下假塑性流体服从下式所示的幂律方程，即式所示的幂律方程，
17、即 该式为假塑性流体的流该式为假塑性流体的流变模式，习惯上称为幂律变模式，习惯上称为幂律模式模式, ,式中的式中的n(n(流性指数流性指数) )和是和是K(K(稠度系数稠度系数) )是假塑性是假塑性流体的两个重要流变参数。流体的两个重要流变参数。252022-3-27 n n: :表现出流体非牛顿性程度。表现出流体非牛顿性程度。一般小于一般小于1 1，为无因次量。钻井，为无因次量。钻井液设计中经常要确定较合理的液设计中经常要确定较合理的范围，一般希望较低的范围，一般希望较低的n n值，使值，使钻井液具有较好的剪切稀释性钻井液具有较好的剪切稀释性能。能。 K K( (稠度系数稠度系数) )：反映
18、钻井液：反映钻井液的可泵性以及携岩性。的可泵性以及携岩性。 0.25 0.25 0.5 0.5 1 1 剪切速率剪切速率剪剪切切应应力力262022-3-27四、膨胀型流体四、膨胀型流体膨胀型流体膨胀型流体特点特点: :粘度随剪粘度随剪切速率增加而增加，静止切速率增加而增加，静止时又恢复原状；也没有静时又恢复原状；也没有静切应力。与假塑性流体相切应力。与假塑性流体相反。流变曲线凹向剪切应反。流变曲线凹向剪切应力轴。力轴。272022-3-27膨胀型流体机理分析膨胀型流体机理分析 静止时，粒子是分散的，静止时，粒子是分散的，剪切速率增加时，粒子排列剪切速率增加时，粒子排列变乱，有些粒子被搅在一起
19、变乱，有些粒子被搅在一起形成网架结构，架子搭得越形成网架结构，架子搭得越多，流动阻力越大，粘度随多，流动阻力越大，粘度随剪切速率的增加而增大。剪切速率的增加而增大。282022-3-27第二节第二节 钻井液流变参数的测量与调控钻井液流变参数的测量与调控 钻井液的流变性能除塑性粘度、动切力、钻井液的流变性能除塑性粘度、动切力、静切力、流性指数和稠度系数外，还包括漏斗静切力、流性指数和稠度系数外，还包括漏斗粘度、表观粘度、剪切稀释性、动塑比和触变粘度、表观粘度、剪切稀释性、动塑比和触变性等。性等。292022-3-27一、钻井液常用的流变参数及其调控方法一、钻井液常用的流变参数及其调控方法1.1.
20、漏斗粘度漏斗粘度 在钻井过程中，钻井液漏斗粘度需在钻井过程中，钻井液漏斗粘度需要经常测定。由于测定方法简便，可直要经常测定。由于测定方法简便，可直观反映钻井液粘度的大小。漏斗粘度计观反映钻井液粘度的大小。漏斗粘度计的外观如图的外观如图3-73-7所示。所示。漏斗粘度与其它流漏斗粘度与其它流变参数的测定方法不同。其它流变参数变参数的测定方法不同。其它流变参数一般使用按一般使用按APIAPI标准设计的旋转粘度计，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漏斗粘度使用一种特制的漏斗粘度计来测量。测量。 302022-3
21、-27 记录的时间为漏斗粘度，单位为记录的时间为漏斗粘度，单位为s s。 漏斗粘度只能用来判别在钻井作业期间各个阶段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，不能说明钻井液粘度变化的原因，粘度变化的趋向，不能说明钻井液粘度变化的原因，也不能作为对钻井液进行处理的依据。也不能作为对钻井液进行处理的依据。312022-3-272 2、塑性粘度和动切力、塑性粘度和动切力 塑性粘度是塑性流体的性质，不随剪切速率而变塑性粘度是塑性流体的性质，不随剪切速率而变化。化。塑性粘度反映了在层流情况下，钻井液中网架结塑性粘度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
22、粒之间、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液相内部的内摩擦作用固相颗粒与液相之间以及连续液相内部的内摩擦作用的强弱。的强弱。 322022-3-27影响塑性粘度的因素主要有：影响塑性粘度的因素主要有： (1)(1)钻井液中的固相含量。钻井液中的固相含量。是影响塑性粘度的主要因素。一般情是影响塑性粘度的主要因素。一般情况下，随着钻井液固体颗粒逐渐增多，颗粒的总表面积不断增大，况下，随着钻井液固体颗粒逐渐增多，颗粒的总表面积不断增大，颗粒间的内摩擦力增加。颗粒间的内摩擦力增加。 (2)(2)钻井液中粘土的分散程度。钻井液中粘土的分散程度。当粘土含量相同时，分
23、散度越当粘土含量相同时，分散度越高，塑性粘度越大。高，塑性粘度越大。(3)(3)高分子聚合物处理剂。高分子聚合物处理剂。钻井液中加入高分子聚合物处理剂钻井液中加入高分子聚合物处理剂提高液相粘度，增大塑性粘度。高分子聚合物处理剂浓度越高，提高液相粘度，增大塑性粘度。高分子聚合物处理剂浓度越高，塑性粘度越高；相对分子质量越大，塑性粘度越高。塑性粘度越高；相对分子质量越大，塑性粘度越高。332022-3-27动切力动切力 动切力动切力( (屈服值屈服值) )是塑性流体流变曲线中的直线段是塑性流体流变曲线中的直线段在在轴上的截距。动切力反映钻井液在层流流动时，轴上的截距。动切力反映钻井液在层流流动时，
24、粘土颗粒之间及高分子聚合物分子之间相互作用力的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。影响钻井液大小，即形成空间网架结构能力的强弱。影响钻井液形成结构的因素，影响动切力值。形成结构的因素，影响动切力值。 s0342022-3-27影响动切力的因素主要有影响动切力的因素主要有 （1 1）粘土矿物的类型和浓度。粘土矿物的类型和浓度。在常见的粘土矿物中，在常见的粘土矿物中，蒙脱石最容易水化膨胀和分散、并形成网架结构。随蒙脱石最容易水化膨胀和分散、并形成网架结构。随着钻井液中蒙脱石浓度增加，塑性粘度上升比较缓慢，着钻井液中蒙脱石浓度增加，塑性粘度上升比较缓慢，
25、动切力上升很快。高岭石和伊利石等粘土矿物对动切动切力上升很快。高岭石和伊利石等粘土矿物对动切力的影响较小。钻井液需要提高动切力时，可选用膨力的影响较小。钻井液需要提高动切力时，可选用膨润土。润土。 352022-3-27（2 2）电解质：电解质：在钻井过程中无机电解质的侵入均会在钻井过程中无机电解质的侵入均会引起钻井液絮凝程度增加，增加动切力。引起钻井液絮凝程度增加，增加动切力。 （3 3）降粘剂：降粘剂：大多数降粘剂都是吸附在粘土端面，大多数降粘剂都是吸附在粘土端面，使粘土带有一定的负电荷，拆散网架结构，降低动切使粘土带有一定的负电荷，拆散网架结构，降低动切力。力。362022-3-27宾汉
26、流变模式参数调整宾汉流变模式参数调整 （1 1）降低塑性粘度：）降低塑性粘度：通过合理使用固控设备、加水通过合理使用固控设备、加水稀释或化学絮凝等方法，尽量减少固相含量稀释或化学絮凝等方法，尽量减少固相含量。 （2 2）提高）提高塑性粘度塑性粘度：应用低造浆粘土配浆，加入加应用低造浆粘土配浆，加入加重剂、混油、提高重剂、混油、提高PHPH值、加入高分子聚合物等。值、加入高分子聚合物等。 372022-3-27（3 3）降低动切力降低动切力：最有效的方法加入：最有效的方法加入降粘剂降粘剂，若，若由钙镁离子侵入，可加入沉淀剂，除去钙镁离子。由钙镁离子侵入，可加入沉淀剂，除去钙镁离子。（4 4）提高
27、动切力提高动切力： 可加入预水化膨润土浆，或增可加入预水化膨润土浆，或增大高分聚合物的加量。对于钙处理钻井液或盐水钻井大高分聚合物的加量。对于钙处理钻井液或盐水钻井液，可通过适当增加钙钠离子浓度。液，可通过适当增加钙钠离子浓度。382022-3-273.3.流性指数和稠度系数流性指数和稠度系数由幂律方程，假塑性流体的表现粘度表示为：由幂律方程，假塑性流体的表现粘度表示为： 流型指数流型指数n n表示假塑性流体在一定剪切速率范围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。钻井液的内所表现出的非牛顿性的程度。钻井液的n n值一般均值一般均小于小于1 1。n n值越小，表示钻井液的值
28、越小，表示钻井液的非牛顿性越强非牛顿性越强。流性。流性指数是一个无因次量。在钻井液设计中，一般希望有指数是一个无因次量。在钻井液设计中，一般希望有较低的较低的n n值，确保钻井液具有良好的剪切稀释性能。值，确保钻井液具有良好的剪切稀释性能。n 392022-3-27 K K值与钻井液的粘度、切力值与钻井液的粘度、切力联系在一起。联系在一起。K K值值与流体在剪切与流体在剪切速率为速率为s s-1-1时的粘度有关。时的粘度有关。 K K值越大，粘度越高，一般值越大，粘度越高，一般将将K K值称为稠度系数。对于钻井值称为稠度系数。对于钻井液，液，K K值反映可泵性。值反映可泵性。K K值过大，值过
29、大，造成重新开泵困难。造成重新开泵困难。K K值过小，值过小，对携岩不利。对携岩不利。 K K值的单位为值的单位为PaPas sn n 402022-3-27 影响影响K K值的主要因素：受体系中固含和液相粘度值的主要因素：受体系中固含和液相粘度的影响，同时也受结构强度的影响。当固体含量或的影响，同时也受结构强度的影响。当固体含量或聚合物处理剂的浓度增大时，聚合物处理剂的浓度增大时，K K值相应增大；值相应增大； 降低降低K K值类似于降低钻井液的粘度，有利于提高值类似于降低钻井液的粘度，有利于提高钻速；提高钻速；提高K K值类似于增大钻井液的粘度，有利于清值类似于增大钻井液的粘度，有利于清洁
30、井眼和消除井塌引起的井下复杂情况。洁井眼和消除井塌引起的井下复杂情况。412022-3-27 影响影响n n值主要因素：主要受形成网架结构因素的影值主要因素：主要受形成网架结构因素的影响。一般降低响。一般降低n n值有利于携带岩屑、清洁井眼。降低值有利于携带岩屑、清洁井眼。降低n n值类似于降低钻井液的粘度，有利于提高钻速。值类似于降低钻井液的粘度，有利于提高钻速。降低降低n n值常用的方法：值常用的方法： 1 1、加入、加入XCXC生物聚合物等流性改进剂；生物聚合物等流性改进剂； 2 2、在盐水钻井液中添加预水化膨润土。、在盐水钻井液中添加预水化膨润土。 3 3、适当增加无机盐的含量；、适当
31、增加无机盐的含量； 方法方法2 2、3 3往往对钻井液稳定性造成影响。并不是往往对钻井液稳定性造成影响。并不是最好的方法，优先考虑选用适合体系的聚合物处理剂最好的方法，优先考虑选用适合体系的聚合物处理剂降低降低n n值。值。422022-3-27调节调节K K值常用的方法：值常用的方法： 降低降低K K值最有效的方法是通过加强固相控制或加水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。稀释以降低钻井液中的固相含量。 适当提高适当提高K K值，可添加适量聚合物处理剂，或将预值，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水化膨润土加入盐水钻井液或钙
32、处理钻井液中( (K K值提值提高，高，n n值下降值下降) )；也可加入重晶石粉等惰性固体物质；也可加入重晶石粉等惰性固体物质( (K K值提高，值提高，n n值基本不变值基本不变) )。432022-3-274.4.表观粘度与剪切稀释表观粘度与剪切稀释 表观粘度又称为有效粘度，是在某一剪切速率下，表观粘度又称为有效粘度，是在某一剪切速率下，剪切应力与剪切速率的比值，即剪切应力与剪切速率的比值，即式中，式中，a a表示表观粘度。当表示表观粘度。当和和的单位分别为的单位分别为PaPa和和s s-1-1时，时， a a的单位为的单位为mPamPas s。塑性流体的表观粘度可表示为：塑性流体的表观
33、粘度可表示为：由幂律方程，假塑性流体的表观粘度表示为：由幂律方程，假塑性流体的表观粘度表示为： 442022-3-27 塑性流体和假塑性流体的表观粘度随着剪切速率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，例如在钻头水的增加而降低的特性称为剪切稀释性，例如在钻头水眼处，剪切速率高达眼处，剪切速率高达1000010000100000s100000s-1-1，钻井液变得，钻井液变得很稀；在环形空间，当剪切速率为很稀；在环形空间，当剪切速率为5050250s250s-1-1，钻井，钻井液变得比较稠。剪切稀释特性是一种优质钻井液必须液变得比较稠。剪切稀释特性是一种优质钻
34、井液必须具备的性能，充分发挥钻头的水马力，有利于提高钻具备的性能，充分发挥钻头的水马力，有利于提高钻速，在环形空间能很好地携带钻屑。表观粘度随剪切速，在环形空间能很好地携带钻屑。表观粘度随剪切速率增加而降低的幅度越大，剪切稀释性越强。速率增加而降低的幅度越大，剪切稀释性越强。 452022-3-27 塑性流体的表观粘度等于塑性粘度与由动塑性流体的表观粘度等于塑性粘度与由动切力和剪切速率所决定的那部分粘度切力和剪切速率所决定的那部分粘度(0 0）之和，表观粘度是流体在流动过程中所表现）之和，表观粘度是流体在流动过程中所表现出的总粘度。对于钻井液来，既包括流体内部出的总粘度。对于钻井液来，既包括流
35、体内部内摩擦作用所引起的粘度，又包括粘土内摩擦作用所引起的粘度，又包括粘土- -颗粒之颗粒之间及高分子聚合物分子之间形成空间网架结构间及高分子聚合物分子之间形成空间网架结构所引起的粘度。所引起的粘度。462022-3-27 在有的文献中，将后一种粘度在有的文献中，将后一种粘度(0 0）称为结）称为结构粘度。塑性粘度不随剪切速率而变化；随着剪切速构粘度。塑性粘度不随剪切速率而变化；随着剪切速率增加，结构粘度不断减小，当剪切速率达到很高数率增加，结构粘度不断减小，当剪切速率达到很高数值值( (如钻头水眼处）时，结构粘度趋近于零。有的文献如钻头水眼处）时，结构粘度趋近于零。有的文献指出、塑性粘度是剪
36、切速率极高时的表观粘度。指出、塑性粘度是剪切速率极高时的表观粘度。 472022-3-27 在钻井液工艺中，常用动切力与塑性粘度的比值在钻井液工艺中，常用动切力与塑性粘度的比值( (简简称动塑比称动塑比) )表示剪切稀释性的强弱。表示剪切稀释性的强弱。0 0p p越大，剪越大，剪切稀释性越强。为能够在高剪率下破岩和在低剪率下携切稀释性越强。为能够在高剪率下破岩和在低剪率下携带岩屑，要求钻井液具有较高的动塑比。根据现场经验带岩屑，要求钻井液具有较高的动塑比。根据现场经验和平板型层流核直径径的有关计算，一般情况下将动塑和平板型层流核直径径的有关计算，一般情况下将动塑比控制在比控制在0.360.36
37、0.48(Pa0.48(PamPamPas s）是比较适宜的。）是比较适宜的。 482022-3-27 用幂律模式表征钻井液的流变性，用幂律模式表征钻井液的流变性，n n的大小反映的大小反映剪切稀释性的强弱。剪切稀释性的强弱。n n1 1，a a=K=K，此时的表观粘度，此时的表观粘度是一个与剪切速率无关的常数，此时的流体为牛顿流是一个与剪切速率无关的常数，此时的流体为牛顿流体。从图体。从图3-93-9看出，随流性指数看出，随流性指数n n逐渐减小，流体的流逐渐减小，流体的流动性偏离牛顿流体越来越远，动性偏离牛顿流体越来越远，a a随剪切速率增加而随剪切速率增加而降低的幅度不断增大，剪切稀释性
38、趋于增强。为保证降低的幅度不断增大，剪切稀释性趋于增强。为保证钻井液能有效地携带岩屑，钻井液能有效地携带岩屑，n n值保持在值保持在0.40.40.70.7。 492022-3-27502022-3-27 1 1、一般钻井液中表观粘度中塑性粘度所占的比重比、一般钻井液中表观粘度中塑性粘度所占的比重比结构粘度大。结构粘度大。 2 2、表观粘度相同的钻井液，由于动塑比不相同，当、表观粘度相同的钻井液，由于动塑比不相同，当流速梯度改变时，表观粘度不相同。表观粘度相同而流速梯度改变时，表观粘度不相同。表观粘度相同而具有不同动塑比的钻井液，在实际井眼的各个部位粘具有不同动塑比的钻井液，在实际井眼的各个部
39、位粘度是不相同的。度是不相同的。 3 3、动塑比越大，剪切稀释性能越强，有利于高压喷、动塑比越大，剪切稀释性能越强，有利于高压喷射钻井，同时低流速时，有利于携岩。射钻井，同时低流速时，有利于携岩。512022-3-275.5.切力和触变性切力和触变性 钻井液的触变性：是指搅拌后钻井液变稀（切力下降），钻井液的触变性：是指搅拌后钻井液变稀（切力下降），静止后钻井液变稠（切力升高）的这种特性。静止后钻井液变稠（切力升高）的这种特性。一般用终切与初一般用终切与初切之差相对表示钻井液触变性的强弱。切之差相对表示钻井液触变性的强弱。 切力为静切应力，实质为胶凝强度，即静止时空间网架结切力为静切应力，实质
40、为胶凝强度，即静止时空间网架结构的强度。物理意义是，破坏钻井液内部单位面积上的结构所构的强度。物理意义是，破坏钻井液内部单位面积上的结构所需的剪切力，单位为需的剪切力，单位为PaPa。s s是静切应力的极限值。结构强度的是静切应力的极限值。结构强度的大小与时间有关，要想测大小与时间有关，要想测s s ，花费相当长的时间。在生产现，花费相当长的时间。在生产现场测定不现实，规定用初切力和终切力来表示静切力的相对值。场测定不现实，规定用初切力和终切力来表示静切力的相对值。522022-3-27初切力初切力：钻井液在经过充分搅拌后，静止：钻井液在经过充分搅拌后，静止1 1分钟或分钟或1010秒钟后测得
41、的静切力为初切力。秒钟后测得的静切力为初切力。终切力终切力：钻井液经过充分搅拌后，静止：钻井液经过充分搅拌后，静止1010分钟后测分钟后测得的静切力为终切力。得的静切力为终切力。触变性的机理：触变性的机理：触变体系一般存在空间网架结构。触变体系一般存在空间网架结构。在剪切作用下，结构被搅散，结构恢复过程需要一定在剪切作用下，结构被搅散，结构恢复过程需要一定的时间来完成。恢复结构所需的时间和最终的凝胶强的时间来完成。恢复结构所需的时间和最终的凝胶强度度( (切力切力) )的大小，反映某种流体触变性的强弱。的大小，反映某种流体触变性的强弱。532022-3-27钻井液对触变性的要求：钻井液对触变性
42、的要求：结构恢复要快（有利钻屑悬浮，防止沉砂）结构恢复要快（有利钻屑悬浮，防止沉砂）最终切力要适当（防止开泵阻力大，压力激动）最终切力要适当（防止开泵阻力大，压力激动）钻井液触变性的衡量标志：钻井液触变性的衡量标志： 恢复结构的速度（即时间）。恢复结构的速度（即时间）。 最终结构的强度（即最终切力的大小）。最终结构的强度（即最终切力的大小）。542022-3-27 在对几种膨润土钻井液的触变性进行试验以后，在对几种膨润土钻井液的触变性进行试验以后，可归纳出四种典型的情况，如图可归纳出四种典型的情况，如图3-103-10所示。图中的曲所示。图中的曲线线l l代表恢复结构所需的时间较短，最终切力相
43、当高的代表恢复结构所需的时间较短，最终切力相当高的情况称做较快的强胶凝；曲线情况称做较快的强胶凝；曲线2 2代表较慢的强胶凝；代表较慢的强胶凝；曲线曲线3 3代表恢复构时间较短而最终切力也较小的情况、代表恢复构时间较短而最终切力也较小的情况、称做较快的弱胶凝；曲线称做较快的弱胶凝；曲线4 4代表慢的弱胶凝。代表慢的弱胶凝。 552022-3-27较快的强胶较快的强胶凝凝较慢的较慢的强胶强胶凝凝较快的较快的弱胶凝弱胶凝较慢的较慢的弱胶凝弱胶凝562022-3-27影响钻井液静切力的主要因素：影响钻井液静切力的主要因素： 粘土矿物的类型、含量及分散度；所选用的聚合物粘土矿物的类型、含量及分散度；所
44、选用的聚合物处理剂及其浓度；无机电解质及其浓度等。静切力调处理剂及其浓度；无机电解质及其浓度等。静切力调控方法与动切力的调控方法基本一致。控方法与动切力的调控方法基本一致。（1 1）降低静切力：）降低静切力：最有效的方法加入降粘剂，若由最有效的方法加入降粘剂，若由钙镁离子侵入，可加入沉淀剂，除去钙镁离子。钙镁离子侵入，可加入沉淀剂，除去钙镁离子。（2 2）提高静切力：）提高静切力： 可加入预水化膨润土浆，或增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，可通过适当增加钙钠离子浓度。井液，可通过适当增加钙钠离子浓度。5
45、72022-3-27二、流变参数的测量与计算二、流变参数的测量与计算1.1.旋转粘度计的构造及工作原理旋转粘度计的构造及工作原理 旋转粘度计由电动机、恒速装置、旋转粘度计由电动机、恒速装置、变速装置、测量装置和支架箱体等五部分变速装置、测量装置和支架箱体等五部分组成。恒速装制和变速装置合称旋转部分。组成。恒速装制和变速装置合称旋转部分。在旋转部件上固定一个在旋转部件上固定一个外筒外筒，即外筒旋转。，即外筒旋转。测量装置由测量弹簧部件、刻度盘和内筒测量装置由测量弹簧部件、刻度盘和内筒组成。内筒通过扭簧固定在机体上、扭簧组成。内筒通过扭簧固定在机体上、扭簧上附有刻度盘，如图上附有刻度盘，如图3-1
46、13-11所示。通常将所示。通常将外外筒筒称为转子，称为转子，内筒内筒称为悬锤。称为悬锤。582022-3-27592022-3-27 六速粘度计的六种转速和与之相对应的剪切速率六速粘度计的六种转速和与之相对应的剪切速率如下：如下：600 r600 rmin(1022smin(1022s-1-1) )、300 r300 rmin(511smin(511s-1-1) )、200 r200 rmin(340.7smin(340.7s-1-1) )、100 r100 rmin(170.3smin(170.3s-1-1) )、6 r6 rmin(10.22smin(10.22s-1-1) )和和3r3
47、rmin(5.11smin(5.11s-1-1) )。 对于抗高温深井钻井液，还需测定井下高温高压对于抗高温深井钻井液，还需测定井下高温高压条件下的流变性能。研制生产专门的仪器条件下的流变性能。研制生产专门的仪器, ,常用的有常用的有Fann 50cFann 50c型和型和RcoChan 7400RcoChan 7400型高温高压流变仪等。型高温高压流变仪等。 602022-3-272 2表观粘度的测量与计算表观粘度的测量与计算 可将任意剪切速率可将任意剪切速率( (或转子的转速或转子的转速) )下测得的刻度下测得的刻度盘读数换算成表观粘度、常用的六种转速的换算系数盘读数换算成表观粘度、常用的
48、六种转速的换算系数见表见表3-13-1612022-3-27 例如，在例如，在300 r300 rminmin时测得刻度盘读数为时测得刻度盘读数为36,36,则该则该剪切速率下的表观粘度等于剪切速率下的表观粘度等于36x1.036x1.036(mPa36(mPas)s)；若在；若在6r6rminmin时测仍刻度盘读数为时测仍刻度盘读数为4.54.5，则该剪切速率下的，则该剪切速率下的表现粘度等于表现粘度等于4.54.55050225(mPa.s)225(mPa.s)。 在评价钻井液的性能时，如果没有特别注某一剪切在评价钻井液的性能时，如果没有特别注某一剪切速率，一般是指测定速率，一般是指测定6
49、00 r600 rminmin时的表观粘度时的表观粘度，即，即622022-3-273 3宾汉塑性流体流变参数的测量与计算宾汉塑性流体流变参数的测量与计算 由测得的由测得的600 r600 rminmin和和300 r300 rminmin的刻度盘读数，的刻度盘读数，可分别利用以下两式求得塑性粘度和动切力。可分别利用以下两式求得塑性粘度和动切力。 = =600600/2 mPa.s/2 mPa.s s = s =600600 - -300 300 mPa.smPa.s 0 0 = 0.511= 0.511 ( (300300- - s) Pas) Pa 塑性粘度的单位为塑性粘度的单位为mPam
50、Pas,s,动切力的单位为动切力的单位为PaPa。 632022-3-27宾汉塑性流体的静切力用以下方法测得：宾汉塑性流体的静切力用以下方法测得： 将经充分搅拌的钻井液静置将经充分搅拌的钻井液静置10s(10s(或或1min)1min)，在，在3r3rminmin的剪率下读取刻度盘的最大偏转值；再重新搅拌的剪率下读取刻度盘的最大偏转值；再重新搅拌钻井液，静置钻井液，静置10 min10 min后重复上述步骤并读取最大偏转后重复上述步骤并读取最大偏转值。最后进行以下计算值。最后进行以下计算: :642022-3-274 4假塑性流体流变参数的测量与计算假塑性流体流变参数的测量与计算 由测得的由测
