钻井液工艺学3

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1、2009年8月 ZHOUCY,重庆科技学院化工院,第三章 钻井液流变性 Drilling Fluid Rheological Property,本章要求重点掌握： 1. 几种流型的概念和数学模型。 2. 流变性测量原理和流变参数直读公式。 3. 钻井液流变性与钻井工程的关系。 4. 钻井液流变性能的调节与维护。,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

2、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。,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 Plug Flow-流体象塞子一样流动，流速为常数. 稳定流 层流 Laminar Flow-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 Turbulent Flow-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。,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( Shear rate)与剪切应力( shear stress) 剪切速率 Shea

3、r Rate同义名称：速梯、剪率、切变率，流速梯度。常用符号：、dv/dr定 义： = 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： = 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：1020s-1环形空间：50250s-1钻杆内部：1001000s-1钻头水眼：10007000s-1,2009年8月 ZHOUCY,重庆科技学院化工院,剪切应力 Shear Stress 同义名称：切应力。 常用符号： 定 义： = F/A = 液层单位面积上的剪切力。 意

4、义： 越大，液流各层所受的作用力越大；反之，越小。 单 位：单 位： = F/A = dyn/cm2；Pa。1Pa =1N/m2= 10dyn/cm2,2009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（Newtonion Law): 在一定的条件下，切力与速梯正比。 = =,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：,2009年8月 ZHOUCY,重庆科技学院化工院,三、钻井液流动特点及分

5、析,1.牛顿液(Newtonion fluid) 无结构、均匀质点，如油类、清水。 流变曲线为一条过原点直线,符合=。 0、0施加很小的切应力就发生流动。 为常数,不随变化 =/=tg,2009年8月 ZHOUCY,重庆科技学院化工院,2.塑性液(Plastic fluid):(大多数钻井液) 存在不流动区s 、=0、0 s静切力：反映静态结构强度。 过度区(塞一层):结构拆散,不能被均匀剪切. 层流区(直线段),2009年8月 ZHOUCY,重庆科技学院化工院,剪切稀释性(shear thinning ) 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，

6、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-plastic fluid) （聚合物钻井液、油包水乳化钻井液为典型的假塑性液）,流变曲线为过原点的指数曲线； 施加很小切应力发生流动，无s或很小; 具有剪切稀释性。,2009年8月 ZHOUCY,重庆科技学院化工院,4.膨胀性液体(dilatant fluid),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。,2009年8月 ZHOUCY,重庆科技学院化工

7、院,一、宾汉模式(Bingham 1919 ) =0+p,3-2 钻井液流变模式 Drilling fluid rheological models evaluation,2009年8月 ZHOUCY,重庆科技学院化工院,1.p-塑性粘度PV(plastic viscosity )Pa.s or mPa.s 意义: p=(-0 )/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,2.0-动切应力YP (Yield Point) Pa. 意义:用以表示钻井液流动时钻井液中粘土

8、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:=0/+p =g +p结构粘度定义为g =0/,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(Bingham 1928) (

9、Power law model ),表达式：=kn （指数方程） 1. n流性指数 意义：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(consistency index) 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),=y + Kn 流变参数： y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。 =y/+ Kn-1 0,2009年8月

10、ZHOUCY,重庆科技学院化工院,四、卡森模式Casson model (1959.Casson . 1979Lawron-Reid 首用),表达式：,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.c卡森屈服值（Casson yield point -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.极限高剪粘度（infinite shear viscosity- 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

11、时的有效（视）粘度。（ ）,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,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 Measurement and Computation of DF Rheclogical parameter,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） 3 6 100 200 300 600 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

12、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) =0.511 (Pa) =1.703N (1/s) =300 /N (mPa.s),Fann旋转粘度计： N (RPM): 600 300 200 100 6 3 (1/S)：1022 511 340 170 10 5.11,2009年8月 ZHOUCY,重庆科技学院化工院,二常用流变参数直读公式,2009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-GEL STRENGTH)。凝胶强度取决于单位

13、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（10 s）终切(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（ FUNNEL VISCOSITY ）,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 A

14、pplictions of D.F Rheclogy,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

15、，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 （Flattening of the velocity profile）,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：,V，d0,但不能小于Vs (一般0.5-0.6 m/s); 0 d0 ; 动塑比（0 /s ） d0 ， (一般360-478 1/s),