鉆井液工藝學2009年8月ZHOUCY重慶科技學院化工院第1頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日2009年8月ZHOUCY重慶科技學院化工院§3-1鉆井液的流動狀態(tài)和基本概念一、流體的流動類型

穩(wěn)定流：流場中任何點的流動參量不隨時間改變，但不同點的流動參量可以不同的流動。特點：穩(wěn)定流動是連續(xù)性的。不穩(wěn)定流：流場中任何點的流動參量不但隨位置不同而變，而且隨時間不同也在改變的流動。特點：舊的流動條件剛改變到新的流動穩(wěn)定條件建立之間的流動。第2頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日2009年8月ZHOUCY重慶科技學院化工院

穩(wěn)定流動類型的變化

塞流PlugFlow---流體象塞子一樣流動，流速為常數(shù).穩(wěn)定流層流LaminarFlow---流體分層運動。任意流層與相鄰流層方向相同，流速不同。紊流TurbulentFlow---流體內(nèi)形成無數(shù)小旋渦。任一定點的流速，其大小、方向都在進行著不規(guī)則的、連續(xù)的變化。靜止塞流層流紊流液體流速增加第3頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日2009年8月ZHOUCY重慶科技學院化工院

二、基本概念

1.剪切速率(γ

Shearrate)與剪切應(yīng)力(τshearstress)剪切速率

ShearRate同義名稱：速梯、剪率、切變率，流速梯度。常用符號：γ、dv/dr定義：γ=dv/dr=垂直于流動方向上單位距離內(nèi)的流速增量。意義：dv/dr增大，液流各層間的速度變化大；反之則小。單位：γ=速度/距離=cm/s/cm=1/s=s-1鉆井液循環(huán)系統(tǒng)中各部位剪切速率范圍為:沉砂罐處：10~20s-1環(huán)形空間：50~250s-1鉆桿內(nèi)部：100~1000s-1鉆頭水眼：1000~7000s-1第4頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日2009年8月ZHOUCY重慶科技學院化工院

剪切應(yīng)力ShearStress同義名稱：切應(yīng)力。常用符號：τ定義：τ=F/A=液層單位面積上的剪切力。意義：τ越大，液流各層所受的作用力越大；反之，越小。單位：單位：τ=F/A=dyn/cm2；Pa。1Pa=1N/m2=10dyn/cm2第5頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日2009年8月ZHOUCY重慶科技學院化工院

2.粘滯性(viscosity)——液體流動時具有抵抗剪切變形的物理性質(zhì)。3.牛頓內(nèi)摩擦定律（NewtonionLaw):——在一定的條件下，切力與速梯正比。

τ∝γτ=ηγη=τ／γη—粘滯系數(shù)簡稱粘度第6頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日2009年8月ZHOUCY重慶科技學院化工院

4.液體類型:(1)根據(jù)牛頓內(nèi)摩擦定律：牛頓液體和非牛頓液體(2)根據(jù)流變曲線特征：1—塑性液2—假塑性液3—牛頓液4—膨脹液0第7頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日2009年8月ZHOUCY重慶科技學院化工院三、鉆井液流動特點及分析

1.牛頓液(Newtonionfluid)無結(jié)構(gòu)、均勻質(zhì)點，如油類、清水。流變曲線為一條過原點直線,符合τ=ηγ。τ>0、γ>0施加很小的切應(yīng)力就發(fā)生流動。η為常數(shù),不隨γ變化γ=τ/γ=tgαabτaγγaγbτb第8頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日2009年8月ZHOUCY重慶科技學院化工院

2.塑性液(Plasticfluid):(大多數(shù)鉆井液)存在不流動區(qū)τ<τs、γ=0、τ≠0τs—靜切力：反映靜態(tài)結(jié)構(gòu)強度。過度區(qū)(塞一層):結(jié)構(gòu)拆散,不能被均勻剪切.層流區(qū)(直線段)靜止塞流層流紊流s第9頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日2009年8月ZHOUCY重慶科技學院化工院

剪切稀釋性(shearthinning)—原因：在速梯增大時，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)被拆散，結(jié)構(gòu)粘度降低所致。意義：具有剪切稀釋性的鉆井液，在速梯較低時有較大的表觀粘度，有利于懸浮和攜帶巖屑。而在速梯較大時又有較小的表觀粘度，這有利于降低流動阻力，減少功率損耗。第10頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日2009年8月ZHOUCY重慶科技學院化工院

3.假塑性液(Pseudo-plasticfluid)

（聚合物鉆井液、油包水乳化鉆井液為典型的假塑性液）流變曲線為過原點的指數(shù)曲線；施加很小切應(yīng)力發(fā)生流動，無τs或很小;具有剪切稀釋性。abτaγγaγbτb第11頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日2009年8月ZHOUCY重慶科技學院化工院

4.膨脹性液體(dilatantfluid)流變曲線為指數(shù)曲線與假塑性液體相似，但凹凸方向相反；粘度隨速梯增加而增加——剪切增稠。abτaγbτb第12頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日2009年8月ZHOUCY重慶科技學院化工院

一、賓漢模式(Bingham1919)

τ=τ0+ηpγ§3-2鉆井液流變模式

Drillingfluidrheologicalmodelsevaluationγτsτ0τ第13頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日2009年8月ZHOUCY重慶科技學院化工院

1.ηp-塑性粘度PV(plasticviscosity)

Pa.sormPa.s意義:ηp=(τ-τ0)/γ反映了液相之間，固液之間和固相與固相之間的摩擦力。影響:固相性質(zhì)及含量，液相性質(zhì)。

控制:通常通過清除鉆屑來降低。第14頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日2009年8月ZHOUCY重慶科技學院化工院

2.τ0-動切應(yīng)力YP(YieldPoint)Pa.

意義:用以表示鉆井液流動時鉆井液中粘土網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的強度反映了鉆井液攜帶和懸浮鉆屑的能力。影響:形成網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的因素，如粘土含量及性質(zhì)、聚合物、電解質(zhì)等。控制:提高動切力：加上述物質(zhì)；降低動切力：加拆散結(jié)構(gòu)的物質(zhì)如：降粘劑、反絮凝劑等。第15頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日2009年8月ZHOUCY重慶科技學院化工院

3.視粘度表達式:

η`=τ0/γ+ηp=ηg+ηp

結(jié)構(gòu)粘度定義為ηg=τ0/γ討論：兩種鉆井液在某相同的速梯（剪切速率）下視粘度相同，其懸浮攜帶鉆屑的性能是否相同？

由此表明采用賓漢模式的視粘度由結(jié)構(gòu)粘度和塑性粘度構(gòu)成，其所占的比例不同對鉆井液的流變性影響很大。第16頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日2009年8月ZHOUCY重慶科技學院化工院二、冪律模式(Bingham1928)

(Powerlawmodel)

表達式：τ=kγn（指數(shù)方程）1.n―流性指數(shù)意義：當n<1時為假塑流體；當n=1時為牛頓流體；當n>1時為膨脹流體。在大多數(shù)鉆井液中，n<1，反映了液體非牛頓性的強弱，即結(jié)構(gòu)性強弱。影響與控制：與動切應(yīng)力類似。2.k—稠度系數(shù)(consistencyindex)Pa.sn

意義:反映液體的稀稠程度，與粘滯性有關(guān)。影響與控制：與塑性粘度相同。第17頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日2009年8月ZHOUCY重慶科技學院化工院三、赫－巴模式

Herschel-Bulkely(修正冪律模式)

τ=τy+Kγn流變參數(shù)：τy―屈服值；故又稱帶屈服值的冪律模式（三參數(shù)），K，n同冪律模式參數(shù)。η`=τy/γ+Kγn-1

γ→∞η`→0τyτ第18頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日2009年8月ZHOUCY重慶科技學院化工院四、卡森模式Cassonmodel

(1959.Casson.1979Lawron-Reid首用)

表達式：τcτγ特點:流變曲線符合大多數(shù)鉆井液的流變特征,適應(yīng)范圍廣,低、中、高速梯；參數(shù)意義明確，準確性高。第19頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日2009年8月ZHOUCY重慶科技學院化工院

1.τc―卡森屈服值（Cassonyieldpoint-CP)意義:反映泥漿的結(jié)構(gòu)強弱及攜帶懸浮能力,實測接近初始凝膠強度

2.η∝―極限高剪粘度（infiniteshearviscosity-IV）,水眼粘度、紊流粘度.意義:表示體系的純粹內(nèi)摩擦性質(zhì)（粘滯性）,數(shù)值上等于剪切速率為無窮大時的有效（視）粘度。（γ→∝η→η∝）流變參數(shù):第20頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日2009年8月ZHOUCY重慶科技學院化工院

三種常用流變模式與實測流變曲線第21頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日2009年8月ZHOUCY重慶科技學院化工院五、三種模式的優(yōu)缺點模式數(shù)字表達式優(yōu)點缺點賓漢

：剪切應(yīng)力；屈服值塑性粘度；速梯（1）適用于中等剪切速率（2）利用可直觀看出固相（3）計算簡單現(xiàn)場易行不能及時反映環(huán)空和鉆頭處的情況指數(shù)k：稠度系數(shù)n:流性指數(shù)（1）能適應(yīng)低速和中等時情況，準確（2）調(diào)節(jié)n、k方便（1）對高剪速的情況不能真實反映（2）現(xiàn)場計算復(fù)雜卡森：卡森視粘度：卡森動切力：近似水眼粘度（1）利用可影響鉆速（2）利用可看出懸浮巖屑能力（1）計算復(fù)雜（2）單位換算麻煩第22頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日2009年8月ZHOUCY重慶科技學院化工院§3-3鉆井液流變參數(shù)的測量與計算

MeasurementandComputationofDFRheclogicalparameter

一.旋轉(zhuǎn)粘度計動力部分:雙速同步電機、電源變速部分:可變六速（轉(zhuǎn)/分）36100200300600

測量部分:扭力彈簧、刻度盤與內(nèi)外筒組成測量系統(tǒng)。第23頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日2009年8月ZHOUCY重慶科技學院化工院ZNN型旋轉(zhuǎn)粘度計

第24頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日2009年8月ZHOUCY重慶科技學院化工院

旋轉(zhuǎn)粘度計基本公式:(ZNN-D6仿范氏)τ=0.511θ(Pa)γ=1.703N(1/s)η=300θ/N(mPa.s)Fann旋轉(zhuǎn)粘度計：N(RPM):60030020010063γ(1/S)：1022511340170105.11第25頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日2009年8月ZHOUCY重慶科技學院化工院

二．常用流變參數(shù)直讀公式第26頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日2009年8月ZHOUCY重慶科技學院化工院三、靜切力及測量

鉆井液的切力是指靜切力——靜態(tài)形成泥漿結(jié)構(gòu)強度(凝膠強度-GELSTRENGTH)。凝膠強度取決于單位體積中結(jié)構(gòu)鏈下的數(shù)目和單個鏈環(huán)的強度，其大小反映泥漿靜置時懸浮鉆屑或加重劑的能力.

測量：初切Φ（10s）終切Φ(10min)(Pa)第27頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日2009年8月ZHOUCY重慶科技學院化工院四、鉆井液的觸變性（thixotropy）

——切力隨攪拌后的靜置時間而增大的特性。反映鉆井液恢復(fù)結(jié)構(gòu)的速度和最終凝膠強度。意義：良好的觸變性有利于懸浮鉆屑和開泵。第28頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日2009年8月ZHOUCY重慶科技學院化工院五、漏斗粘度（FUNNELVISCOSITY）一定體積（Marsh）鉆井液流經(jīng)特制漏斗所需的時間（Sec）。第29頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日2009年8月ZHOUCY重慶科技學院化工院§3-4鉆井液流變學的應(yīng)用

ApplictionsofD.FRheclogy

鉆井液流變性對鉆井工藝的影響主要表現(xiàn)在以下幾個方面：1）影響井底沖刷效果，從而影響鉆頭的破巖效率及鉆速；2）影響巖屑的攜帶能力；3）影響加重材料的懸浮性能；4）影響井內(nèi)液柱的壓力激動和井壁穩(wěn)定；5）影響泵壓和排量；6）影響造壁性能和固井質(zhì)量第30頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日2009年8月ZHOUCY重慶科技學院化工院

一、攜帶巖屑原理影響攜巖的主要因素：鉆井液流變性、鉆屑尺寸、形狀、流態(tài)。第31頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日2009年8月ZHOUCY重慶科技學院化工院

1.層流攜帶原理

片狀巖屑在層流中上升受力分析轉(zhuǎn)動力矩效應(yīng)—層流呈現(xiàn)拋物形，片狀巖屑上升過程受力不均勻，產(chǎn)生力矩作用，產(chǎn)生巖屑翻動下滑的現(xiàn)象。不利影響：（1）攜帶時間延長（攜帶效率低）（2）在井壁形成假泥餅；優(yōu)點：環(huán)空返速小，有利于井壁穩(wěn)定和噴射鉆進。第32頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日2009年8月ZHOUCY重慶科技學院化工院

2.紊流攜巖原理

紊流形成平滑的拋物形，任何形狀的巖屑在上升過程中受力均勻，巖屑隨上升液流而穩(wěn)定上升。優(yōu)點：不產(chǎn)生轉(zhuǎn)動力矩效應(yīng)；攜巖效率高，井眼凈化好。局限：（1）要求排量大，泵功率消耗大；（2）返速高對井壁沖刷大；（3）巖屑相對下滑速度大。第33頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日2009年8月ZHOUCY重慶科技學院化工院

3.平板層流攜巖

（Flatteningofthevelocityprofile）由尖峰型→平板型→克服轉(zhuǎn)動力矩→增加流核寬度流核d0

——速梯為0的區(qū)域第34頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日2009年8月ZHOUCY重慶科技學院化工院

平板程度→流核寬度影響因素：V↙，d0↗,但不能小于Vs(一般0.5-0.6m/s);τ0↗d0

↗;動塑比（τ0/ηs）↗d0

↗，(一般360-4781/s)D.Dp-mV-m/sτ0-Paηs-Pa.s第35頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日2009年8月ZHOUCY重慶科技學院化工院

一般認為動塑比值τ0／ηs＝360～478（1／s）或流型指數(shù)n值＝0.7～0.4時，可以獲得較好的攜巖效果?？刂品椒ǎ?/p>

通過加入適量電解質(zhì)、聚合物提高動切應(yīng)力；通過固控設(shè)備清除無用固相（鉆屑）來降低塑性粘度提高動/塑比值是最佳途徑。第36頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日2009年8月ZHOUCY重慶科技學院化工院二、鉆井液攜帶鉆屑能力計算

1.鉆屑輸送比:鉆屑上升速度與鉆井液環(huán)空返速之比。Rt=Vt/VVt=V-VsVt—鉆屑上升速度；Vs——鉆屑下滑速度Rt=1-V/Vs滿足井眼凈化要求Rt>0.52.Vs計算：顆粒沉降流態(tài):鉆屑顆粒沉滑時,邊界液流所呈的狀態(tài).顆粒雷諾數(shù)-Re.p(particalReynoldsNumber)第37頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日2009年8月ZHOUCY重慶科技學院化工院

Re.p<1層流沉降.Re.p=1-2000過渡沉降Re.p>2000紊流沉降第38頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日2009年8月ZHOUCY重慶科技學院化工院

基本數(shù)據(jù)計算環(huán)空流態(tài)式（18）計算VsRep≥2000式（19）計算Vs式（16）計算RepRep≥1式（17）計算Vs計算Vt計算Rt流態(tài)層流紊流YNYN井眼凈化計算機框圖第39頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日2009年8月ZHOUCY重慶科技學院化工院三．鉆井液密度的計算

１．鉆井液密度(

Density)靜態(tài)測量第40頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日2009年8月ZHOUCY重慶科技學院化工院

２．當量循環(huán)泥漿密度

（E.C.D—EquivalentCirculatingDensity）

——由于鉆井液循環(huán)流動所產(chǎn)生附加壓力的相當密度。單位：E.C.D、ρf—kg/m3；ΔP—Pa；L—m單位：E.C.D、ρf—g/cm3；ΔP—MPa；L—m第41頁，共46頁，2023年，2月20日，星期日2009年8月ZHOUCY重慶科技學院化工院

四、鉆井液流變性與井內(nèi)壓力激動鉆井液的井內(nèi)壓力激動—

起下鉆和鉆井過程中，由于鉆柱的上下移動、泥漿泵的開動等原因，使井內(nèi)液柱壓力產(chǎn)生突然變化（升高或降低），給井內(nèi)增加一個附加壓力（正值或負值）的現(xiàn)象