钻井液钻井液流变性

重庆科技学院石油工程学院DrillingFluids第1页L.Z.J§3-1液体流动的特点及其分析Characteristicsandanalysisoffluidsflow一、基本概念:1.剪切速率(γShearrate)与剪切应力(τshearstress))1(scmscmddxV沉砂池：10~20S-1环空：50~250S-1钻具内：100~1000S-1钻头喷嘴：1万~10万S-1重庆科技学院石油工程学院DrillingFluids第2页L.Z.J2.粘滞性(viscosity)——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:—在一定的条件下，剪切应力与速梯正比。τ∝γτ=ηγη=τ／γSaapsp.)1(切力与速梯成正比η—粘滞系数简称粘度重庆科技学院石油工程学院DrillingFluids第3页L.Z.J4.流变曲线与流变图τ-γ，η′-γ，函数关系曲线与图。重庆科技学院石油工程学院DrillingFluids第4页L.Z.J5.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：1—塑性液2—假塑性液3—牛顿液4—膨胀液01—塑性液2—假塑性液3—牛顿液4—膨胀液0重庆科技学院石油工程学院DrillingFluids第5页L.Z.J6．液体流动类型:（Non-Newtonionfluid）StaticplugtransitionlaminarturbulentflowP-L）zoneflow(L-T)flow静止塞流层流紊流流体流速增加重庆科技学院石油工程学院DrillingFluids第6页L.Z.J二．钻井液流动特点及分析1.牛顿流体(Newtonionfluid)①无结构、均匀质点，如油类、清水。②流变曲线为一条过原点直线,符合τ=ηγ。③τ0、γ0施加很小的切应力就发生流动。④η为常数,不随γ变化γ=τ/γ=tgαabτaγγaγbτbα重庆科技学院石油工程学院DrillingFluids第7页L.Z.J静止塞流层流紊流s2.塑性液(Plasticfluid):(大多数泥浆)①存在不流动区ττs、γ=0、τ≠0②τs—静切力：反映静态结构强度。③过渡区(塞--层):结构拆散,不能被均匀剪切.④层流区(直线段)V拆=V恢ηaηb⑤紊流区:ab重庆科技学院石油工程学院DrillingFluids第8页L.Z.Jηa=τa/γa=tgαaηb=τb/γb=tgαbabτaγγaγbτbτs剪切稀释性(shearthinning)—钻井液表观(视）粘度（AV–Apparentviscosity）随速梯（流速）增大而降低的性质。ηa、ηb---某速梯下的粘度---表观（视）粘度。重庆科技学院石油工程学院DrillingFluids第9页L.Z.Jabτaγγaγbτbτs剪切稀释性(shearthinning)—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，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。重庆科技学院石油工程学院DrillingFluids第10页L.Z.J3.假塑性液(Pseudo-plasticfluid)（聚合物钻井液、油包水乳化钻井液为典型的假塑性液）①流变曲线为过原点的指数曲线；②施加很小切应力发生流动，无τs或很小;③具有剪切稀释性。abτaγγaγbτb重庆科技学院石油工程学院DrillingFluids第11页L.Z.J4.膨胀性液体(dilatantfluid)淀粉液体为典型的膨胀性液体；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。γγaabτaγbτb重庆科技学院石油工程学院DrillingFluids第12页L.Z.J§3-2钻井液流变模式及评价Drillingfluidrheologicalmodelsevaluation一、宾汉模式(Bingham1919)τ=τ0+ηsγγτsτ0τ重庆科技学院石油工程学院DrillingFluids第13页L.Z.J一、宾汉模式(Bingham1919)τ=τ0+ηsγ1.ηs-塑性粘度PV(plasticviscosity)Pa.sormPa.s意义:ηs=(τ-τ0)/γ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。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。重庆科技学院石油工程学院DrillingFluids第14页L.Z.J一、宾汉模式(Bingham1919)τ=τ0+ηsγ2.τ0-动切应力，YP(YieldPoint)，Pa.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。重庆科技学院石油工程学院DrillingFluids第15页L.Z.J一、宾汉模式(Bingham1919)τ=τ0+ηsγ3.视粘度表达式:η′=τ0/γ+ηs=ηg+ηs结构粘度定义为ηg=τ0/γ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。讨论：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？例：(1)η′=25+10=35mPa.s(2)η′=10+25=35mPa.s重庆科技学院石油工程学院DrillingFluids第16页L.Z.J二、幂律模式(Bingham1928)(Powerlawmodel)表达式：τ=Kγn（指数方程）1.n―流性指数(无因次n1)意义：当n1时为假塑流体；当n=1时为牛顿流体；当n1时为膨胀流体。对大多数钻井液，n1，反映了流体非牛顿性的强弱，即结构性强弱。影响与控制：与动切应力类似。2.K—稠度系数(consistencyindex)Pa.sn意义:反映流体的稀稠程度，与粘滞性有关。影响与控制：与粘度相同。1nnAKK3.视粘度:重庆科技学院石油工程学院DrillingFluids第17页L.Z.J三、赫－巴模式Herschel-Bulkely(修正幂律模式)77年.Zamaro-Lord首用于钻井液τ=τy+Kγn流变参数：τy―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。η′=τy/γ+Kγn-1γ→∞η`→0γτyτ重庆科技学院石油工程学院DrillingFluids第18页L.Z.J四、卡森模式Cassonmodel(1959.Casson.1979Lawron-Reid首用)21212121c21212121c表达式：τcτγ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。重庆科技学院石油工程学院DrillingFluids第19页L.Z.J流变参数:1.τc―卡森屈服值（Cassonyieldpoint-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(γ→0.τ→τc)2.η∝―极限高剪粘度（infiniteshearviscosity-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时的有效（视）粘度。（γ→∝η→η∝）21212121c21212121c重庆科技学院石油工程学院DrillingFluids第20页L.Z.J3.剪切稀释性指数Im:——最大粘度(γ=1的粘度)与最小粘度(η∝)之比值。低固相聚合物Im=300-600为宜(ＭＭＨ体系可达几千)。221211cmI重庆科技学院石油工程学院DrillingFluids第21页L.Z.J三种常用流变模式与实测流变曲线重庆科技学院石油工程学院DrillingFluids第22页L.Z.J§3-3钻井液流变参数的测量与计算MeasurementandComputationofDFRheclogicalparameter一.旋转粘度计结构及工作原理动力部分:双速同步电机、电源变速部分:可变六速（转/分）36100200300600测量部分:扭力弹簧、刻度盘与内外筒组成测量系统。重庆科技学院石油工程学院DrillingFluids第23页L.Z.JZNN型旋转粘度计局部放大图旋转粘度计实物重庆科技学院石油工程学院DrillingFluids第24页L.Z.J旋转粘度计基本公式:(ZNN-D6仿范氏)1.τ=0.511Φn(Pa)2.γ=1.703N(1/s)3.η=300φn/N(mPa.s)Fann旋转粘度计：N(RPM):60030020010063γ(1/S)：1022511340170105.11重庆科技学院石油工程学院DrillingFluids第25页L.Z.J2212122160021100221100216003003006003000300600600)(54.2242.0.428.1.511511.0lg32.3)()(511.0)()(21cmcnnssIPasmPasPaKnPaSmPaSmPa二．常用流变参数直读公式重庆科技学院石油工程学院DrillingFluids第26页L.Z.J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-GELSTRENGTH)，凝胶强度取决于单位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Φ3（10s）——终切Φ3(10min)(Pa)重庆科技学院石油工程学院DrillingFluids第27页L.Z.J四、泥浆的触变性（thixotropy）——静切应力随搅拌后的静置时间增大而增大的特性。反映钻井液恢复结构的速度和最终凝胶强度。主要特征：恢复结构所需时间和最终凝胶强度的大小。意义：良好的触变性有利于悬浮钻屑和开泵。四种钻井液典型的变性曲线快的强凝胶慢的强凝胶快的弱凝胶慢的弱凝胶重庆科技学院石油工程学院DrillingFluids第28页L.Z.J五、漏斗粘度（FUNNELVISCOSITY）一定体积（700ml)钻井液流经特制漏斗漏出500ml(Marsh946ml）所需的时间（Sec）。重庆科技学院石油工程学院DrillingFluids第29页L.Z.J§3-4钻井液流变学的应用ApplictionsofD.FRheclogy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）影响加材料的悬浮；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重庆科技学院石油工程学院DrillingFluids第30页L.Z.J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。重庆科技学院石油工程学院DrillingFluids第31页L.Z.J1.层流携带原理转动力矩效应—层流呈现抛物形过水断面特点，片状岩屑上升过程受力不均匀，产生力矩作用，产生岩屑翻转下滑的现象。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。片状岩屑在层流中上升受力分析重庆科技学院石油工程学院DrillingFluids第32页L.Z.J2.紊流携岩原理紊流平滑的抛物形过水断面，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