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1、重庆科技学院石油工程学院重庆科技学院石油工程学院Drilling Fluids第第1 1页页L.Z.J第三章第三章 钻井液流变性钻井液流变性Drilling Fluid Rheological Property 在外力（泵送、搅拌）作用下在外力（泵送、搅拌）作用下, ,液体液体流动和变形的特性。流动和变形的特性。 钻井液流变性指网架结构变形与流动特性钻井液流变性指网架结构变形与流动特性。包括粘度、切力、剪切稀释性、触变性等。包括粘度、切力、剪切稀释性、触变性等。 钻井液流变性对钻井的影响钻井液流变性对钻井的影响: : l携带岩屑，保证井底清洁。携带岩屑，保证井底清洁。 l悬浮岩屑与重晶石悬浮岩
2、屑与重晶石 l机械钻速机械钻速 l井眼规则和井下安全。井眼规则和井下安全。 重庆科技学院石油工程学院重庆科技学院石油工程学院Drilling Fluids第第2 2页页L.Z.J3-1液体流动的特点及其分析液体流动的特点及其分析Characteristics and analysis of fluids flow一、基本概念一、基本概念: 1.1.剪切速率剪切速率( ( Shear rate) )与剪切应力与剪切应力( ( shear stress) )沉砂池：沉砂池：1020S-1 环空：环空： 50250S-1 钻具内：钻具内： 1001000S-1 钻头喷嘴：钻头喷嘴： 1万万10万万S
3、-1 重庆科技学院石油工程学院重庆科技学院石油工程学院Drilling Fluids第第3 3页页L.Z.J 2.粘滞性粘滞性(viscosity) 流体流动时具有抵抗剪切变形的物理性质。流体流动时具有抵抗剪切变形的物理性质。 3.牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律:在一定的条件下，剪切应力与速梯正比。在一定的条件下，剪切应力与速梯正比。 = = 切力与速梯成正比切力与速梯成正比粘滞系数简称粘滞系数简称粘度粘度粘度粘度重庆科技学院石油工程学院重庆科技学院石油工程学院Drilling Fluids第第4 4页页L.Z.J4.4.流变曲线与流变图流变曲线与流变图-，-， 函数关系曲线与图。函数关系曲线与
4、图。重庆科技学院石油工程学院重庆科技学院石油工程学院Drilling Fluids第第5 5页页L.Z.J5.液体类型液体类型:(1)(1)根据牛顿内摩擦定律：根据牛顿内摩擦定律：牛顿液体牛顿液体和和 非牛顿液体非牛顿液体(2)(2)根据流变曲线特征：根据流变曲线特征：11塑性液塑性液22假塑性液假塑性液33牛顿液牛顿液44膨胀液膨胀液 0 011塑性液塑性液22假塑性液假塑性液33牛顿液牛顿液44膨胀液膨胀液 0 0重庆科技学院石油工程学院重庆科技学院石油工程学院Drilling Fluids第第6 6页页L.Z.J6液体流动类型液体流动类型:（Non-Newtonion fluid） St
5、atic plug transition laminar turbulent flow P-L）zone flow(L-T) flow 静止静止塞流塞流层流层流紊流紊流流体流速增加流体流速增加重庆科技学院石油工程学院重庆科技学院石油工程学院Drilling Fluids第第7 7页页L.Z.J二钻井液流动特点及分析二钻井液流动特点及分析1.牛顿流体牛顿流体(Newtonion fluid)无结构、均匀质点，如油类、无结构、均匀质点，如油类、清水。清水。流变曲线为一条过原点直线流变曲线为一条过原点直线, ,符合符合=。00、00施加很小的切应施加很小的切应力就发生流动。力就发生流动。为常数为常数
6、, ,不随不随变化变化 =/=/=tgtgabaabb重庆科技学院石油工程学院重庆科技学院石油工程学院Drilling Fluids第第8 8页页L.Z.J静止静止塞流塞流层流层流紊流紊流 s 2.塑性液塑性液(Plastic fluid): (大多数泥浆大多数泥浆)存在不流动区存在不流动区b b紊流区紊流区: :a ab b重庆科技学院石油工程学院重庆科技学院石油工程学院Drilling Fluids第第9 9页页L.Z.Ja=a/a=tgab=b/b=tgbabaabbs剪切稀释性剪切稀释性(shear thinning ) 钻井液表观钻井液表观(视）粘度视）粘度（AVApparent v
7、iscosity）随速梯（流速）增大而降低随速梯（流速）增大而降低的性质。的性质。a a、b b-某速梯下的粘度某速梯下的粘度 -表观（视）粘度表观（视）粘度。重庆科技学院石油工程学院重庆科技学院石油工程学院Drilling Fluids第第1010页页L.Z.Jabaabbs剪切稀释性剪切稀释性(shear thinning )原因原因：在速梯增大时，网架结构被拆散，：在速梯增大时，网架结构被拆散，结构粘度降低所致。结构粘度降低所致。意义意义：具有剪切稀释性的钻井液，在速：具有剪切稀释性的钻井液，在速梯较低时有较大的表观粘度，有利梯较低时有较大的表观粘度，有利于悬浮和携带岩屑。而在速梯较大于
8、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。降低流动阻力，减少功率损耗。重庆科技学院石油工程学院重庆科技学院石油工程学院Drilling Fluids第第1111页页L.Z.J3.假塑性液假塑性液(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流变曲线为过原点的指数曲线；指数曲线；施加很小切应力发生施加很小切应力发生流动，无流动，无s s或很小或很小; ;具有剪切稀释性。具有剪切稀释性。abaabb重庆科技学院石油
9、工程学院重庆科技学院石油工程学院Drilling Fluids第第1212页页L.Z.J4.膨胀性液体膨胀性液体(dilatant fluid)l淀粉液体为典型的膨淀粉液体为典型的膨胀性液体；胀性液体；l流变曲线为指数曲线流变曲线为指数曲线与假塑性液体相似，与假塑性液体相似，但凹凸方向相反；但凹凸方向相反；l粘度随速梯增加而增粘度随速梯增加而增加加剪切增稠剪切增稠。aababb重庆科技学院石油工程学院重庆科技学院石油工程学院Drilling Fluids第第1313页页L.Z.J3-2 钻井液流变模式及评价钻井液流变模式及评价Drilling fluid rheological models
10、evaluation一、宾汉模式一、宾汉模式(Bingham 1919 ) =0+ss0重庆科技学院石油工程学院重庆科技学院石油工程学院Drilling Fluids第第1414页页L.Z.J一、宾汉模式一、宾汉模式(Bingham 1919 ) =0+s1.s-塑性粘度塑性粘度PV(plastic viscosity )Pa.s or mPa.s 意义意义: s=(-0 )/反映了液相与液相之间、固相与液相之间、固相与反映了液相与液相之间、固相与液相之间、固相与固相之间的摩擦力。固相之间的摩擦力。 影响影响:固相性质及含量，液相性质。固相性质及含量，液相性质。 控制控制:通常通过清除钻屑来降
11、低。通常通过清除钻屑来降低。重庆科技学院石油工程学院重庆科技学院石油工程学院Drilling Fluids第第1515页页L.Z.J一、宾汉模式一、宾汉模式(Bingham 1919 ) =0+s2.0-动切应力，动切应力，YP (Yield Point) ，Pa. 意义意义:用以表示钻井液流动时钻井液中粘土网架结构的强度用以表示钻井液流动时钻井液中粘土网架结构的强度 反映了钻井液携带和悬浮钻屑的能力。反映了钻井液携带和悬浮钻屑的能力。 影响影响:形成网架结构的因素，如形成网架结构的因素，如粘土含量粘土含量及及性质、聚合物、性质、聚合物、电解质电解质等。等。 控制控制: 提高动切力提高动切力：
12、加上述物质；：加上述物质； 降低动切力降低动切力：加拆散结构的物质如：降粘剂、反：加拆散结构的物质如：降粘剂、反絮凝剂等。絮凝剂等。 重庆科技学院石油工程学院重庆科技学院石油工程学院Drilling Fluids第第1616页页L.Z.J一、宾汉模式一、宾汉模式(Bingham 1919 ) =0+s3.视粘度表达式视粘度表达式: =0/+s =g +s 结构粘度定义结构粘度定义为为g =0/由此表明采用由此表明采用宾汉宾汉模式的视粘度由模式的视粘度由结构结构粘度粘度和和塑性粘度塑性粘度构成，构成，其所占的比例不同对其所占的比例不同对钻井液的流变性影响钻井液的流变性影响很大。很大。讨论：讨论：
13、两种钻井液在某相同的速梯下视粘度相同，其悬浮两种钻井液在某相同的速梯下视粘度相同，其悬浮携带钻屑的性能是否相同？携带钻屑的性能是否相同？例例：(1)(1) =25+10=35mPa.s=25+10=35mPa.s (2)(2) =10+25=35mPa.s=10+25=35mPa.s重庆科技学院石油工程学院重庆科技学院石油工程学院Drilling Fluids第第1717页页L.Z.J二、幂律模式二、幂律模式(Bingham 1928) (Power law model )表达式：表达式：=Kn （指数方程）（指数方程）1. n流性指数流性指数(无因次无因次n1n1) 意义意义：当当n1时为膨
14、胀流体。时为膨胀流体。对大多数钻井液，对大多数钻井液，n1n0.52. Vs计算：计算：颗粒沉降流态颗粒沉降流态: :钻屑颗粒沉滑时钻屑颗粒沉滑时, ,边界液流所呈的状态边界液流所呈的状态. .颗粒雷诺数颗粒雷诺数-Re.p (partical Reynolds Number )重庆科技学院石油工程学院重庆科技学院石油工程学院Drilling Fluids第第3838页页L.Z.JVs计算：计算：Re.p2000紊流沉降紊流沉降重庆科技学院石油工程学院重庆科技学院石油工程学院Drilling Fluids第第3939页页L.Z.J环空视粘度计算公式环空视粘度计算公式 宾汉宾汉模式模式 幂律幂律
15、模式模式 卡森模式 重庆科技学院石油工程学院重庆科技学院石油工程学院Drilling Fluids第第4040页页L.Z.J井眼净化计算机框图井眼净化计算机框图基本数据基本数据计算环空流态计算环空流态式（式（1818）计算）计算VsVsRep2000Rep2000式（式（1919）计算）计算VsVs式（式（1616）计算）计算RepRepRep1Rep1式（式（1717）计算）计算VsVs计算计算VtVt计算计算RtRt流态流态层流层流紊流紊流YNYN重庆科技学院石油工程学院重庆科技学院石油工程学院Drilling Fluids第第4141页页L.Z.J三钻井液密度的计算三钻井液密度的计算钻井
16、液密度钻井液密度( ( Density) )静态测量静态测量重庆科技学院石油工程学院重庆科技学院石油工程学院Drilling Fluids第第4242页页L.Z.J当量循环泥浆密度当量循环泥浆密度（ E.C.D Equivalent Circulating Density）由于钻井液循环流动所产生附加压力的相当密度。由于钻井液循环流动所产生附加压力的相当密度。单位：位：E.C.D、f kg/m3；PPa；Lm单位：位：E.C.D、f g/cm3；PMPa；Lm重庆科技学院石油工程学院重庆科技学院石油工程学院Drilling Fluids第第4343页页L.Z.J四、钻井液流变性与四、钻井液流变
17、性与井内井内压力激动压力激动钻井液的井内压力激动钻井液的井内压力激动 起下钻和钻井过程中，由于钻柱的上下起下钻和钻井过程中，由于钻柱的上下移动、泥浆泵的开动等原因，使井内液柱压移动、泥浆泵的开动等原因，使井内液柱压力产生突然变化（升高或降低），给井内增力产生突然变化（升高或降低），给井内增加一个附加压力（正值或负值）的现象加一个附加压力（正值或负值）的现象。影响激动压力的因素：影响激动压力的因素：钻柱运动速度钻柱运动速度钻头及钻柱的泥包程度钻头及钻柱的泥包程度环形空间的间隙、井深环形空间的间隙、井深泥浆性能（粘度、切力）泥浆性能（粘度、切力）重庆科技学院石油工程学院重庆科技学院石油工程学院Dr
18、illing Fluids第第4444页页L.Z.J四、钻井液流变性与四、钻井液流变性与井内井内压力激动压力激动下钻下钻: 当钻头在井内向下运动时，钻井液被推当钻头在井内向下运动时，钻井液被推动着向上流动。这时钻头处的压力等于钻头以上动着向上流动。这时钻头处的压力等于钻头以上钻井液的流动阻力与该段钻井液的静液柱压力。钻井液的流动阻力与该段钻井液的静液柱压力。超出静液柱压力的部分被称为超出静液柱压力的部分被称为“激动激动”。这是。这是造造成井漏的原因之一成井漏的原因之一。起钻起钻: 相反，当钻头在井内向上运动时，钻井相反，当钻头在井内向上运动时，钻井液向下流动。这时钻头处的压力等于钻头以上钻液向
19、下流动。这时钻头处的压力等于钻头以上钻井液的静液柱压力减去该段钻井液的流动阻力。井液的静液柱压力减去该段钻井液的流动阻力。低于静液柱压力的部分被称为低于静液柱压力的部分被称为“抽吸压力抽吸压力”。这。这是是诱发井喷、井塌的原因之一诱发井喷、井塌的原因之一。 主要控制措施：主要控制措施：控制起下钻速度；控制起下钻速度；降低钻井液粘切。降低钻井液粘切。重庆科技学院石油工程学院重庆科技学院石油工程学院Drilling Fluids第第4545页页L.Z.J四、钻井液流变性与四、钻井液流变性与井内井内压力激动压力激动开泵时的压力激动开泵时的压力激动: 由于钻井液具有触变性，停止循由于钻井液具有触变性，
20、停止循环后，钻井液中的粘土颗粒随停泵环后，钻井液中的粘土颗粒随停泵时间增加，被拆散的网架结构恢复时间增加，被拆散的网架结构恢复强度增加，静切力升高，开泵泵压强度增加，静切力升高，开泵泵压将超过正常循环所需的泵压，造成将超过正常循环所需的泵压，造成压力激动。压力激动。 主要控制措施：主要控制措施：开泵操作平稳；开泵操作平稳；降低钻井液粘切。降低钻井液粘切。Q Q P Ps s P P0 0 P P1 1 P P2 2M M1 1M M2 2PsPs、P P0 0、分别为克服静、动切力所分别为克服静、动切力所需压力需压力；P P1 1、P P2 2分别为钻井液静止若分别为钻井液静止若干时间之后所需
21、压力干时间之后所需压力。重庆科技学院石油工程学院重庆科技学院石油工程学院Drilling Fluids第第4646页页L.Z.J钻井液流变性的一般要求钻井液流变性的一般要求v对于非加重钻井液：对于非加重钻井液： v塑性粘度（塑性粘度（PV):512mPa.s v动切力（动切力（YP):1.414.4Pa vYP/PV=376478（1/s） v流型指数流型指数n：0.4-0.7 v卡森屈服值卡森屈服值:0.6-3Pa v极限高剪粘度：极限高剪粘度：:2-6mPa.sv静切力：静切力： 0.5112（Pa）v漏斗粘度漏斗粘度T=2.2PV (S)重庆科技学院石油工程学院重庆科技学院石油工程学院D
22、rilling Fluids第第4747页页L.Z.J习题习题1.根据旋转粘度计基本公式，用根据旋转粘度计基本公式，用600 600 、100100推导出卡森参数计算公式推导出卡森参数计算公式、c。2.旋转粘度计读数：旋转粘度计读数： 600600=26.8 =26.8 300 300 =16.5 =16.5 200200=14.5 =14.5 100 100 =9 =9 6 6=4.5 =4.5 3 3=4.2=4.2（1 1）用坐标纸）用坐标纸画出实际与三模式的流变曲线画出实际与三模式的流变曲线,并进行对比哪一流变模式更并进行对比哪一流变模式更准确。准确。（2）计算三套流变参数及）计算三套
23、流变参数及m。 钻头钻头8 1/2 、钻铤钻铤7 (15根根9.1m)钻杆钻杆5 ，井深，井深3500m，排量，排量Q=20 l/s；钻井液密度为；钻井液密度为1.08 ；钻屑密度为；钻屑密度为2.6 ；钻屑当量直径为；钻屑当量直径为0.7cm,计算计算E、Rt和和E.C.D.。4. 编制计算编制计算Rt 和和E.C.D的计算机程序（的计算机程序（选做选做）。）。思考题思考题1.1.钻井液剪切稀释性和触变性对钻井工艺有什么影响？钻井液剪切稀释性和触变性对钻井工艺有什么影响？2.2.钻井液流态对携带钻屑效果有什么影响？钻井液流态对携带钻屑效果有什么影响？3.3.动动/ /塑比值对平板层流有何影响塑比值对平板层流有何影响? ?如何实现平板层流？如何实现平板层流？
