1、鉆井液的流變性,烏效鳴 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院勘基系 2004年,鉆井液的流變性概述,鉆井液流變性（Rheological Properties of Drilling Fluids ）是指在外力作用下，鉆井液發(fā)生流動(dòng)和變形的特性，其中流動(dòng)是主要的方面。該特性通常用鉆井液的流變曲線和塑性粘度（Plastic Viscosity）、動(dòng)切力（Yield Point）、靜切力（Gel Strength）、表觀粘度（Apparent Viscosity）等流變參數(shù)來(lái)進(jìn)行描述的。,鉆井液的流變性概述,鉆井液流變性是鉆井液的一項(xiàng)基本性能，它在解決下列鉆井問(wèn)題是起著十分重要的作用： （1）攜帶巖屑，保

2、證井底和井眼的清潔； （2）懸浮巖屑； （3）提高機(jī)械鉆速； （4）保持井眼的規(guī)則和保證井下安全。,內(nèi)容概要,鉆井液的流變性對(duì)鉆井工作的影響 流變類型與流變參數(shù) 不同鉆井液流型的形成機(jī)理分析 鉆井液流變性的測(cè)量,鉆井液的流變性對(duì)鉆井工作的影響,鉆井液的流變性對(duì)鉆井工作的影響主要體現(xiàn)在懸碴、護(hù)壁、減阻、提高鉆速和冷卻鉆具5個(gè)方面。,動(dòng)畫(huà)演示1懸碴、護(hù)壁,動(dòng)畫(huà)演示2提高鉆速,鉆井液的流變性對(duì)鉆井工作的影響,鉆井液的主要功能之一就是清洗井底并將巖屑攜帶到地面上來(lái)。鉆井液清洗井眼的能力除取決于循環(huán)系統(tǒng)的水力參數(shù)外，還取決于鉆井液的性能，特別是其中的流變性能。巖屑的清除分兩個(gè)過(guò)程，一是巖屑被沖離井底，二

3、是巖屑從環(huán)形間隙被攜帶到地面。,鉆井液的流變性對(duì)鉆井工作的影響,對(duì)于破碎的不穩(wěn)定井壁，利用較粘稠的泥漿還可以起到較好的粘結(jié)護(hù)壁作用。絮流液流對(duì)井壁有較強(qiáng)的沖蝕作用，容易引起易塌地層垮塌，不利于井壁穩(wěn)定。其原因是絮流時(shí)液流質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向是絮亂的和無(wú)規(guī)則的，而且流速高，具有較大的動(dòng)能。因此，在鉆井液循環(huán)時(shí)，一般應(yīng)保持在層流狀態(tài)，盡量避免出現(xiàn)絮流。對(duì)于非牛頓流體，一般采用綜合雷諾數(shù)Re來(lái)判別流態(tài)。將鉆井液按塑性流體考慮，當(dāng)Re2000時(shí)為絮流。如果按Re2000，即可推導(dǎo)出臨界返速的公式。,鉆井液的流變性對(duì)鉆井工作的影響,但是，泥漿的粘稠性大又有不利的方面： 使井底碎巖效率降低，這種影響主要表現(xiàn)在鉆

4、頭噴嘴處的絮流流動(dòng)阻力對(duì)鉆速的影響。鉆井液粘度越大，絮流流動(dòng)阻力越大，從而降低了鉆頭在井底的碎巖效率。 增加泥漿循環(huán)的流動(dòng)阻力； 增大對(duì)井壁的液壓力激動(dòng)破壞。井內(nèi)液柱壓力是指在起下鉆和鉆進(jìn)過(guò)程中，由于鉆柱上下運(yùn)動(dòng)、泥漿泵開(kāi)動(dòng)等原因，使得井內(nèi)液柱壓力發(fā)生突然變化（升高或降低），給井內(nèi)增加一個(gè)附加壓力（正值或負(fù)值）的現(xiàn)象。,流變類型與流變參數(shù),4種流型，9個(gè)流變參數(shù) 1、牛頓流體（絕對(duì)粘度） 2、賓漢流體（靜切力、動(dòng)切力、塑性粘度、表觀粘度） 3、冪律流體（流性指數(shù)、稠度指數(shù)） 4、卡森流體（極限高剪粘度、卡森動(dòng)切力）,1、牛頓流體,牛頓方程：,式中：?jiǎn)挝幻娣e上的內(nèi)摩擦力，或稱為剪切應(yīng)力，Pa；

5、剪切速率或流速梯度，s-1； 牛頓粘度或稱為動(dòng)力粘度，Pas,(1Pas=1000cP=1000mPas)。,1、牛頓流體,圖1 典型牛頓流體流變圖,氣體、水、甘油、硅油、油(除高剪切速率下的高粘 度油外)、低分子化合物溶液等均屬于牛頓流體。,2、賓漢流體 （塑性流體與粘塑性流體）,塑性流體其流變曲線為不通過(guò)原點(diǎn)O的一條直線，如圖2所示。它表示這種流體具有一定的顆粒濃度，在靜止?fàn)顟B(tài)下形成顆粒之間的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，加外力進(jìn)行剪切時(shí)，要破壞結(jié)構(gòu)后才能開(kāi)始流動(dòng)。例如，泥漿中粘土顆粒的形狀很不規(guī)則，表面性質(zhì)也很不均勻，因此顆粒之間容易彼此粘結(jié)，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。倘若顆粒的濃度足夠大，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)能夠在泥漿中布滿整個(gè)

6、空間，那么要使這種泥漿發(fā)生流動(dòng)，就必須在一定程度上破壞這種連續(xù)結(jié)構(gòu)。,塑性流體,圖2 塑性流體,理想的賓漢塑性流體，一般是一些含較高固相且顆粒均勻的懸浮體，如一些礦漿、油墨、油漆等。,塑性流體,式中： 靜切力， Pa；p 塑性粘度，Pas。,塑性流體有兩個(gè)流變參數(shù)，即塑性粘度p及靜切力,表觀粘度：,粘塑性流體,由于固相顆粒的高度不均勻(如粘土)，在表面引力與斥力作用下易形成結(jié)構(gòu)，在低剪切速率下其流變曲線(本來(lái)是直線)往往偏離直線，形成曲線變化，當(dāng)剪切速率增加至層流段時(shí)才成直線變化(圖3)，這種流體稱為粘塑性流體。,粘塑性流體,圖3 粘塑流體流動(dòng)圖,屬于粘塑性流體的有泥漿、瀝青、某些原油、水泥漿

7、等，粘度高的牛頓流體也表現(xiàn)出粘塑性流體的性質(zhì)。,粘塑性流體,圖中AB為凹向軸的曲線，BD為直線段，BD延長(zhǎng)線與軸的交點(diǎn)為C，OC壞，此時(shí)產(chǎn)生像塞子一樣的流動(dòng)，故稱為塞流。隨著的逐步升高，結(jié)構(gòu)逐步破壞，表觀粘度也逐漸變小，此段流變曲線為一曲線變化。B點(diǎn)之后處于較穩(wěn)定的層流段，此時(shí)粘塑流體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)破壞與形成處于平衡狀態(tài)，BD為一直線段，表示有一個(gè)穩(wěn)定的塑性粘度值。而D點(diǎn)之后，由于流速快，剪切速率高，就轉(zhuǎn)為紊流態(tài)了。 0表示此流體運(yùn)動(dòng)時(shí)結(jié)構(gòu)的存在及其數(shù)值的大小。,粘塑性流體,與式(2)比較，此式也是直線方程，截距為0，而不是s。即此賓漢方程只能代表流變曲線的層流直線段，而不能代表低剪切速率下的塞流

8、曲線段。粘塑性流變參數(shù)有兩個(gè)，即塑性粘度p，及動(dòng)切力(或叫屈服值)0。,粘塑性流體,仿牛頓粘度表示法，求粘塑流體的表觀粘度值：,圖3中，在ABD線上任何一點(diǎn)F1、F2與原點(diǎn)O的連線OF1、OF2斜率的倒數(shù)均表示表觀粘度值。剪切速率越高，表觀粘度越低。這種表觀粘度隨剪切速率升高而降低的現(xiàn)象，可稱為剪切稀釋作用。 泥漿剪切稀釋作用的好壞可用動(dòng)塑比(動(dòng)切力/塑性粘度)來(lái)表示，動(dòng)塑比越大，表示剪切稀釋作用越好。加入高分子處理劑的低固相泥漿(特別是加入XC生物聚合物)，可使塑性粘度增加慢而動(dòng)切力增加快，能提高泥漿的動(dòng)塑比。,3、冪律流體,圖4 冪律流體流變曲線,用高分子處理劑處理的低固相泥漿及聚合物鉆井

9、液，也多屬于假塑流體，或介于賓漢體與假塑體之間。 濃的淀粉糊、一些礦漿、高固相含量的涂料等屬于膨脹流體。,冪律流體,式中：K稠度系數(shù)，或稱為冪律系數(shù)，Pasn；n流性指數(shù)，或稱為冪律指數(shù)，無(wú)單位。 K值是粘度的度量，但不等于粘度值，而粘度越高，K值也越高。在剪切速率一定范圍內(nèi)，n值可當(dāng)作常數(shù)處理。n值是非牛頓性的度量，n值越低或越高曲線也越彎曲，非牛頓性也越強(qiáng)，泥漿n值一般在0.5以下為好。 上式中，當(dāng)n1時(shí)為膨脹流體。因此，冪律流體又區(qū)分為假塑流體與膨脹流體兩種，其中最常見(jiàn)的是假塑流體。,假塑流體,如圖4所示，假塑流體的流變曲線為凹向軸的曲線OAB，曲線OAB 是膨脹流體(在高剪切速率下接近

10、于直線)。它通過(guò)原點(diǎn)O，表示一加外力即產(chǎn)生流動(dòng)，不存在靜切力。隨著剪切速率的不斷升高，其表觀粘度是不斷下降的，屬于剪切稀釋液。 表觀粘度：,假塑流體,當(dāng)n1時(shí)，45，為膨脹流體。 因此n值和K值是假塑流體的兩個(gè)流變參數(shù)。 長(zhǎng)鏈高分子聚合物懸浮體是典型的假塑流體。靜止時(shí)分子鏈任意相互糾纏，但由于靜電斥力占優(yōu)勢(shì)，不易形成結(jié)構(gòu)。運(yùn)動(dòng)時(shí)，分子鏈趨向于平行流動(dòng)方向，順序排列，運(yùn)動(dòng)阻力減小，隨剪切速率增加，這一趨勢(shì)增加，加上分子鏈可能斷裂，因此表觀粘度減少。,卡森流體,卡森模式是假定凝聚成長(zhǎng)條狀的棒狀物，在剪切下特別是在高剪切速率下能分解為原始短顆粒。,式中： 任意剪切速率或每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)(rpm)下表觀粘度

11、， Pas； 剪切速率為無(wú)窮大時(shí)的表觀粘度，Pas； 剪切速率，s-1； 屈服值或卡森動(dòng)切力，Pa。,卡森流體,卡森斜率：,卡森斜率越高，表示泥漿的 剪切稀釋作用越好，而值 等于截距(圖5)。,圖5 卡森模式圖,卡森流體的兩個(gè)主要流變參數(shù)是卡森動(dòng)切力 和極限高剪粘度 。,不同鉆井液流型的形成機(jī)理分析,泥漿流動(dòng)時(shí)的剪切應(yīng)力與剪切速率之間的關(guān)系用流變方程和流變曲線來(lái)表達(dá)。如第二章所述，不同泥漿的流變關(guān)系大體上可以分為四種理論流型，即牛頓流型、賓漢流型、冪律流型和卡森流型。一種具體泥漿的實(shí)際流型與哪一種理論流型較相近，就認(rèn)為它屬于該理論流型。泥漿的流型主要取決于構(gòu)成泥漿的材料組成及其它們的含量。,不

12、同鉆井液流型的形成機(jī)理分析,動(dòng)畫(huà)演示3流型形成機(jī)理,不同鉆井液流型的形成機(jī)理分析,粘土含量較少的細(xì)分散泥漿比較接近于牛頓流型，其剪切應(yīng)力主要由相互無(wú)連接力的粘土微粒及水分子之間的摩擦力構(gòu)成。由牛頓流型關(guān)系式(1)可知，反映該類泥漿粘稠性的流變參數(shù)是牛頓粘度。 由于一般泥漿（在未加稀釋劑和高聚物加量很少的情況下）存在粘土顆粒之間的結(jié)合力，具有一定程度的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。因此，泥漿在發(fā)生流動(dòng)之前需要克服一定的結(jié)構(gòu)力。其流型用賓漢流型來(lái)反映較為合適。由賓漢流型關(guān)系式(2)可知，反映該類泥漿粘稠性的流變參數(shù)是動(dòng)切力o和塑性粘度p。,不同鉆井液流型的形成機(jī)理分析,當(dāng)泥漿中的線形高聚物或類似油微粒的可變形物質(zhì)含量

13、較高，并且泥漿結(jié)構(gòu)力很低時(shí)，可以用冪律關(guān)系來(lái)描述泥漿流型。這種流型的切應(yīng)力隨剪切速率的變化不是線性關(guān)系，而是由快到慢呈冪指數(shù)關(guān)系，也就是說(shuō)流動(dòng)慢時(shí)切力增加得快，流動(dòng)快時(shí)切力增加得慢。其原因是線形高聚物等在流動(dòng)中具有順流方向性。流速越大，順流方向性越強(qiáng)，阻力增加得越慢。由冪律流型關(guān)系式(8)可知，反映該類泥漿粘稠性的流變參數(shù)是稠度系數(shù)K和流型指數(shù)n。,不同鉆井液流型的形成機(jī)理分析,對(duì)于許多泥漿而言，既存在著粘土顆粒的空間網(wǎng)架，又有線形高聚物或類似的物質(zhì)，也就是說(shuō)既存在結(jié)構(gòu)力，又有剪切稀釋作用。因此，用卡森流型來(lái)反映其流變關(guān)系更為合適。由卡森流型關(guān)系式(10)可知，反映該類泥漿粘稠性的流變參數(shù)是卡

14、森動(dòng)切力c和卡森高剪粘度。,鉆井液流變性的測(cè)量,1、漏斗粘度計(jì),圖7 漏斗粘度計(jì),漏斗粘度計(jì),將漏斗呈垂直，用手握緊并用食指堵住管口。然后用量筒兩端，分別裝200ml和500ml泥漿倒入漏斗。將量筒500ml一端朝上放在漏斗下面，放開(kāi)食指，同時(shí)啟動(dòng)秒表記時(shí)，記錄流滿500ml泥漿所需的時(shí)間，即為所測(cè)泥漿的粘度。 儀器使用前，應(yīng)用清水進(jìn)行校正。該儀器測(cè)量清水的粘度為150.5秒。若誤差在1秒以內(nèi)，可用下式計(jì)算泥漿的實(shí)際粘度。,ZNN型旋轉(zhuǎn)粘度計(jì),動(dòng)力部分 雙速同步電機(jī)、電源 變速部分 可變六速（轉(zhuǎn)/分） 6 100 200 300 600 測(cè)量部分 扭力彈簧、刻度盤與內(nèi)外筒組成測(cè)量系統(tǒng)。,圖8

15、旋轉(zhuǎn)粘度計(jì),ZNN型旋轉(zhuǎn)粘度計(jì),局部放大圖,實(shí)物全圖,圖9 旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)實(shí)物與局部放大圖,ZNN型旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)工作原理,液體放置在兩個(gè)同心圓筒的環(huán)隙空間內(nèi)，電機(jī)經(jīng)過(guò)傳動(dòng)裝置帶動(dòng)外筒恒速旋轉(zhuǎn)，借助于被測(cè)液體的粘滯性作用于內(nèi)筒一定的轉(zhuǎn)矩，帶動(dòng)與扭力彈簧相連的內(nèi)筒一個(gè)角度。該轉(zhuǎn)角的大小與液體的粘性成正比，于是液體的粘度測(cè)量轉(zhuǎn)換為內(nèi)筒轉(zhuǎn)角的測(cè)量。,圖10 旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)工作原理,ZNN型旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)操作順序,將剛攪拌好的泥漿倒入樣品杯刻度線處（350ml），立即放置于托盤上，上升托盤使液面至外筒刻度線處。擰緊手輪，固定托盤。如用其它樣品杯，筒底部與杯底之間不應(yīng)低于1.3mm。 迅速?gòu)母咚俚降退龠M(jìn)行測(cè)量，待刻度盤讀數(shù)穩(wěn)定后，分別記錄各轉(zhuǎn)速下的讀數(shù)。,ZNN型旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)操作順序,測(cè)靜切力時(shí)，應(yīng)先用600轉(zhuǎn)/分?jǐn)嚢?0s，靜置10s鐘后將變速手把置于3轉(zhuǎn)/分，讀出刻度盤上最大讀數(shù)，即為初切力。再用600轉(zhuǎn)/分?jǐn)嚢?0s，靜置10min后將變速手把置于3轉(zhuǎn)/分，讀出刻度盤上最大讀數(shù)，即為終切力。 試驗(yàn)結(jié)束后，關(guān)閉電源，松開(kāi)托盤，移開(kāi)量杯。 輕輕卸下內(nèi)外筒，清洗內(nèi)外筒并且擦干，再將內(nèi)外筒裝好。,ZNN型旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)數(shù)據(jù)處