鉆井液流變性本章要點(diǎn)：掌握有關(guān)的基本概念常用流型的特點(diǎn)、流變參數(shù)的意義、影響因素、計(jì)算及調(diào)整了解鉆井液流變性與鉆井的關(guān)系一、基本概念流變性：指在外力作用，物質(zhì)發(fā)生流動(dòng)和變形的特性鉆井液的流變性(RheologicalPropertiesofDrillingFluids)：指鉆井液流動(dòng)和變形的特性e特性的表征流變模式(最常用的兩個(gè)：賓漢模式、冪律模式)賓漢模式的參數(shù)：塑性粘度(PlasticViscosity)和動(dòng)切力(YieldPoint)；幕律模式的參數(shù)：流性指數(shù)(FLowBehaviorIndex)和稠度系數(shù)(ConsistencyIndex)流變參數(shù)流變曲線、動(dòng)切力(YieldPoint)、靜切力(GelStrength)表觀粘度(ApparentViscosity)漏斗粘度(FunnelViscosity)、塑性粘度(PlasticViscosity)?:?對(duì)鉆井液而言，其流動(dòng)性是主要的方面e對(duì)鉆井工作的意義環(huán)空水力參數(shù)計(jì)算懸浮巖屑與重晶石提高鉆井速度/機(jī)械鉆速攜帶巖屑，保證井底和井眼的清潔保持井眼規(guī)則、保證井壁穩(wěn)定和井下安全1、流體流動(dòng)的基本概念剪切速率

圖￡-】水在河面的流速分布1￥13-2水在圓形管路中的流速分布

（a）浦肆分指示。臥⑴境德分布獨(dú)裁圖￡-】水在河面的流速分布?:?液體與固體的重要區(qū)別之一就是：液體具有流動(dòng)性>液流中各層流速不同的現(xiàn)象，通常用剪切速率（或稱流速梯度）描述剪切速率/速度梯度Y：指垂直于流速方向上單位距離流速的增量Y=dv/dx單位：流速單位v：m/s、距離單位x：m、剪切速率v：s-i流速越大，剪切速率越大（剪切速率與流速成正比）>在鉆井過程中，鉆井液在各個(gè)部位的剪切速率不同沉砂池處：10-20s-i環(huán)形空間：50?250s-1鉆桿內(nèi)：100—1000s-i鉆頭噴嘴處：10000-100000s-1剪切應(yīng)力?:?液流中各層的流速不同，故層與層之間必然存在著相互作用。由于液體內(nèi)部?jī)?nèi)聚力的作用???流速較快的液層會(huì)帶動(dòng)流速度較慢的相鄰液層，而流速較慢的液層又會(huì)阻礙流速較快的相鄰液層?:?因此在流速不同的各液層之間發(fā)生內(nèi)摩擦作用，即出現(xiàn)成對(duì)的內(nèi)摩擦力（即剪切力），阻礙液層剪切變形液體的粘滯性：液體流動(dòng)時(shí)所具有的抵抗剪切變形的物理性質(zhì)e牛頓內(nèi)摩擦定律：液體流動(dòng)時(shí)，液體層與層之間的內(nèi)摩接力（F）的大小與液體的性質(zhì)及溫度有關(guān)并與液層間的接觸面積（S）和剪切速率（Y）成正比，而與接觸面上的壓力無關(guān)表達(dá)式：F=pSy剪切應(yīng)力：內(nèi)摩擦力F除以接觸面積S表達(dá)式：t=F/S=py式中：F-----流體的內(nèi)摩擦力，單位NS 接觸面積，單位m2p——粘度，單位Pa?s，實(shí)際生活中一般采用mPa?s（1cp=1mPa?s）※剪切應(yīng)力T：流體單位面積上的內(nèi)摩擦力流體牛頓流體：剪切應(yīng)力與剪切速率的關(guān)系遵守牛頓內(nèi)摩擦定律的流體如：水、酒精等大多數(shù)純液體、輕質(zhì)油、低分子化合物溶液以及低速流動(dòng)的氣體等非牛頓流體：不遵守牛頓內(nèi)摩擦定律的流體均為牛頓流體如：高分子聚合物的濃溶液和懸浮液、大多數(shù)鉆井液流變模式和流變曲線剪切應(yīng)力和剪切速率是流變學(xué)個(gè)的兩個(gè)基本概念鉆井液流變性的核心問題就是研究各種鉆井液的剪切應(yīng)力與的剪切速率之間的關(guān)系流變方程/流變模式：表示剪切應(yīng)力與的剪切速率之間關(guān)系的數(shù)學(xué)關(guān)系式（描述T和Y之間的數(shù)學(xué)關(guān)系）流變曲線：表示剪切應(yīng)力與的剪切速率之間關(guān)系的圖線（描述T和Y之間的曲線）圖3-4四種基本流型的流變曲線

1一牛頓流體；2一假耀性流體f

3理性流體M膨脹性流體二、流體的基本流型及特點(diǎn)?:? 按流體流動(dòng)是的剪切速率和前切應(yīng)力之間的關(guān)系，流體可以劃分為不同類型，即所謂流型牛頓流體- L塑性流體/賓漢塑性流體/賓漢流體-非牛頓流體彳假塑性流體/冪律流體_膨脹性流體牛頓流型T二口Y塑性流型T=T0+口Y假塑性流型t=KYnn<1膨脹性流型t=KYnn>1卡森流型——卡森流體e 目前廣泛使用的多數(shù)鉆井液為塑性流體（賓漢流體）和假塑性流體1、塑性流體舉例：高粘土含量的鉆井液、高含蠟原油和油漆等①流變曲線（1） 曲線不過原點(diǎn)，在T軸上有一截距弓靜切力/靜切應(yīng)力/切力/凝膠強(qiáng)度（T）:使塑性流體開始流動(dòng)的最低剪切應(yīng)力s不過原點(diǎn)原因：顆粒間以端-端和/或端-面連接形成網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，要使體系流動(dòng)必破壞這種網(wǎng)架結(jié)構(gòu)Ts物理意義：反映鉆井液在靜止時(shí)形成網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)弱粘土礦物具有片狀或棒狀結(jié)構(gòu)，形狀很不規(guī)則，顆粒之間容易彼此連接在一起，形成空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)擴(kuò)散雙電層斥力 f粘土顆粒間作用力水化用:單性斥力范德華引力/靜電吸引力等（2） 在低剪切速率范圍內(nèi)，為曲線段流體開始流動(dòng)后，存在矛盾：結(jié)構(gòu)拆散卜T結(jié)構(gòu)恢復(fù)在低剪切速率下，可供拆散的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)較多，結(jié)構(gòu)拆散速度〉結(jié)構(gòu)恢復(fù)速度t拆散程度隨剪切速率增加而增大^△!/Ay（表觀粘度）；（3） 在中、高剪切速率范圍內(nèi)，為直線段可供拆散的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)數(shù)量，T結(jié)構(gòu)拆散速度，體系中游離的顆粒數(shù)量個(gè)T結(jié)構(gòu)恢復(fù)速度個(gè)當(dāng)Y達(dá)到某一值時(shí)結(jié)構(gòu)拆散速度=結(jié)構(gòu)恢復(fù)速度網(wǎng)架結(jié)構(gòu)數(shù)量不變產(chǎn)生同樣△￥所需^t不變（曷/Ay不變）②賓漢模式（適合于中、高剪切速率）（曲線的直線段）t=t0+OpY式中：t0：動(dòng)切力或屈服值（YieldPoint）,Pa%:塑性粘度，Pa?s,實(shí)際中使用mPa?s（1） 塑性粘度Mp（直線段的斜率）物理意義：反映流體在層流下達(dá)到動(dòng)平衡（網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的拆散速度等于其恢復(fù)速度）時(shí)，固相顆粒之間、固相顆粒與液相之間以及液相內(nèi)部?jī)?nèi)摩擦力的大小影響因素固相含量tt固相顆粒數(shù)目個(gè)t塑性粘度npT固相分散度tt固相顆粒數(shù)目個(gè)t塑性粘度npt固相類型活性固相：在水中分散性強(qiáng)的固相，如膨潤(rùn)土惰性固相：在水中分散性弱的固相，如鉆屑活性固相含量tt固相分散度tt塑性粘度npT（固相含量一定）液相粘度tt內(nèi)摩擦力tt塑性粘度npT溫度tt液相粘度tt塑性粘度npT調(diào)整L加預(yù)水化膨潤(rùn)土加增粘劑使用固控設(shè)備%［使用化學(xué)絮凝劑加水稀釋（2） 動(dòng)切力t0延長(zhǎng)直線段與剪切應(yīng)力軸相交點(diǎn)

①物理意義：鉆井液在層流狀態(tài)下達(dá)到動(dòng)平衡時(shí)形成網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)弱。②影響因素■固相含量T-網(wǎng)架結(jié)構(gòu)數(shù)目個(gè)-動(dòng)切力T0T活性固相含量T-固相分散度T-網(wǎng)架結(jié)構(gòu)數(shù)目個(gè)-動(dòng)切力toT■降粘劑-動(dòng)切力T01■高分子聚合物T-動(dòng)切力toT■電解質(zhì)的影響原因:?C<C0電解質(zhì)濃度CT-壓縮擴(kuò)散雙電層T-電動(dòng)電位1-顆粒間斥力1-形成網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，t0T?C>C0電解質(zhì)濃度CTT-壓縮擴(kuò)散雙電層TT-電動(dòng)電位11-顆粒間斥力11-形成面一面連接，固相分散度1-t01③調(diào)整加預(yù)水化膨潤(rùn)土T加高分子聚合物加適量的電解質(zhì)

T0JT0J加水稀釋消除引起T0升高的電解質(zhì)2、假塑性流體/冪律流體①流變曲線國(guó)外資料指出，對(duì)于非加重鉆井液，塑性粘度氣一般應(yīng)控制在5~12mPa?s，動(dòng)切力T0應(yīng)控制在1.4?14.4Pa2、假塑性流體/冪律流體①流變曲線曲線過原點(diǎn)原因：無網(wǎng)架結(jié)構(gòu)脆弱且不連續(xù)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)曲線無直線段原因：隨Y增大，體系中形狀不規(guī)則的粒子沿流動(dòng)方向轉(zhuǎn)向和變形，流動(dòng)阻力減?、趦缏赡Ｊ絋=KYn式中：K:稠度系數(shù)，Pa?snn:流性指數(shù)，無因次，05<1(1)流性指數(shù)n物理意義：反映流體偏離牛頓流體的程度。n越小，表明越偏離牛頓流體.影響因素及調(diào)整凡是影響T凡是影響T0的因素必然影響n，但影響方向相反，既使t°T、使nJ(2)稠度系數(shù)K①物理意義：主要反映鉆井液粘度的大小，K越大，粘度越大。②影響因素及調(diào)整同塑性粘度np3、卡森流體> 賓漢模式的局限性：適合在中剪切速率范圍描述鉆井液的流變性。? 幕律模式的局限性：適合在低、中剪切速率范圍描述鉆井液的流變性卡森(Casson)模式是1959年由卡森首先提出的，最初主要應(yīng)用于油漆、顏料和塑料等工業(yè)中1979年，美國(guó)人勞增(Lauzon)和里德(Reid)首次將卡森模式用于鉆井液流變性的研究中卡森模式不但在低剪切區(qū)和中剪切區(qū)有較好的精確度，還可以利用低、中剪