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Principles of Drilling Fluids
钻井液工艺原理
Chapter 4
RHEOLOGY OF DRILLING FLUIDS
钻井液流变学
Prof. Dr. Xiuhua Zheng
E-mail: [email protected]
Exploration Dept. School of Engineering and Technology, China University of Geosciences(Beijing)
中国地质大学(北京)工程技术学院勘查教研室
Quiz for glossary of §3
1.
Silica-Oxygen tetrahedron
1.
硅氧四面体
2.
octahedral sheet
2.
八面体晶片方钻杆
3.
2:1-Type unit layer
4.
hydrogen bonding
3.
4.
单元晶层
氢键
5.
c-spacing
5.
晶层间距
6.
Isomorphous substitutions
6.
晶格取代
7.
Adsorption of a cation
8.
exchangeable cations
9.
Montmorillonite
7.
8.
9.
10.
吸附阳离子
可交换阳离子
蒙脱石
高岭石
10. Kaolinite
Drilling Fluids
§4
Rheology of Drilling Fluids
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Glossary of §4
1.
2.
3.
4.
Effective Viscosity
plastic viscosity
Consistency index
Shear Thinning
Behavior
5. Thixotropic Bahavior
6. Pseudoplastic
7. Flow-behavior index
8. Penetration Rate
9. Hole Cleaning
10. transport ratio
Drilling Fluids
§4
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
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有效粘度
塑性粘度
稠度系数
剪切稀释特性
触变性
假塑性
流性指数
钻速
钻孔清洗
携带比
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Contents
1. Rheology(流变学)
2. Rheological Models(流变模式)
3. Measurement of Rheological Properties(流变特性的测
量)
4. Pressure Drop Modeling(压降模型)
5. Rheologieal Properties Required for Optimum
Performance(流变特性与优化钻井)
6. The Importance of Hole Stability(稳定孔壁的重要性)
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1.
The Basic Concept of Rheology
流变学基本概念
• The science of rheology is the study of the deformation
(变形) of all types of matter, e.g. the flow behavior of
suspensions in pipes and other conduits, to establish the
relationship between flow rate(流动速率) and flow
pressure(流动压力 ) and the influence on fluid flow
characteristics.
• 流变学(Rheology):研究流体在外力的作用下,流体发
生流动和变形的特性,建立流动速率和流动压力 (剪切应
力和剪切速率)的关系,如流变方程和流变曲线。
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§4
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1.1
•
Laminar flow regime(层流)
The laminar flow regime(层流) prevails at low
velocities(低流速). Flow is orderly and the
pressure/velocity relationship is a function of
the viscous properties(粘度) of the fluid.
•
当流动速度低时,流体呈层流流动。其流动有序,压
力和速度的关系是流体粘滞特性的函数。
钻井液流变学研究钻井液在层流下的变形和流动特性。
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1.2
Turbulent flow regime(紊流)
•
The turbulent flow regime(紊流) prevails at high
velocities(高流速). Flow is disorderly and
governed by the inertial properties(惯性) of the
fluid in motion. Flow equations tend to be
empirical due to the complexity of the flow.
•
当流动速度增加到一定值,流体呈紊流流动。流动无序,
由惯性控制,流动复杂,流动方程是经验性的。
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Relationship between flow rate and flow pressure
(流动速度与流动压力的关系)
•
Pressure(压力) increases
with velocity(流速)
increase much more rapidly
when flow is turbulent
than when it is laminar
Fig.4-1 Schemetic diagram of laminar
and turbulent flow regimes.
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1.3
雷诺数判断层流与紊流
Re 
Dv
g

When, Re≦2000, laminar flow;
2000<Re<4000, transition flow;
Re>4000, turbulent flow.
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   s   p  
宾汉塑性流体
幂律流体
  K  
n
牛顿流体
    
Figure 1-3 Ideal consistency curve
for common flow models
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1.5 Laminar Flow of Newtonian Fluids(牛
顿流体层流)
F
A
   
dv
dr
Fig. 4-2. The relationship between
shear stress/shear rate
• μ
is the frictional resistance(摩擦阻力) to movement between
the cards, or, in rheological terms, the viscosity(粘度), is the
shear stress(剪切应力), dv/dr is the shear rate(剪切速率),
expressed by , or velocity gradient(速度梯度)
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Laminar flow in a round pipe
(圆管中层流)
(a)
(b)
Fig. 3-2a. Schematic representation of laminar flow of a Newtonian fluid in round pipe, fluid
velocity decreases from 0 at the wall to a maximum at the axis of the pipe; Fig. 3-2b. Velocity
profile of the fluid, the shear rate at any point is the slope of the profile at that point.
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为了确定内摩擦力与哪些因素有关,牛顿通过大量实
验研究提出了液体内摩擦定律,通常称为牛顿内摩擦定律。
其内容为:液体流动时,液体层与层之间的内摩擦力(F)的
大小与液体的性质及温度有关,并与液层间的接触面积(S)
.
和剪切速率(  )成正比,即:
.
F  S 
μ –viscosity, the frictional resistance ;
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内摩擦力F除以接触面积S即得液体内的剪切应力τ ,剪切应
力可理解为单位面积上的剪切力,即
 
F
   
S
以上两式中, μ是量度液体粘滞性大小的物理量,通常称为粘度,
用来描述液体流动时所具有的抵抗剪切变形的物理性质。其物理
意义是产生单位剪切速率所需要的剪切应力。 μ越大,表示产生
单位剪切速率所需要的剪切应力越大。粘度是液体的性质,不同
液体有不同的μ值。 μ还与温度有关,液体的粘度一般随温度的升
高而降低。
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The consistency curve(粘度曲线) of
Newtonian fluid
①
The consistency curve(粘度曲线) of
Newtonian fluid is a straight line
(直线) passing through the origin
(原点).
②
The slope(斜率) of the curve
defines the viscosity(粘度).
③
粘度μ 是牛顿流体的流变参数。牛顿流
体的流变方程可由粘度η确定。
④
Fig. 3-3 Consistency curve of a
Newtonian.
μ 是牛顿流体的唯一参数。因此牛顿流
体是单参数流体。
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 
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

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.
• 在SI单位制中,τ的单位是Pa,

的单位是s-1 , μ
的单位是Pa·s。由于Pa·s单位太大,在实际应用中一般
用mPa·s表示液体的粘度。例如,在20℃时,水的粘度μ
=1.0087mPa·s。在工程应用中, μ的常用单位为厘泊
(cP),1cP=1 mPa·s。
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2. Rheology of Common Drilling Fluids
(常见钻井液流变模型)
1. water, air-Newtonian fluids牛
顿流体
2. polymer drilling fluid- power
law fluids幂律流体
3. mud- Bingham Plastic Fluids宾
汉流体
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2.1牛顿流体
① 这类流体有如下特点:当τ>O时,γ>0,因此只要对牛顿流体
施加一个外力,即使此力很小,也可以产生一定的剪切速率,
即开始流动。
② 其粘度不随剪切速率的增减而变化。
③ 在一定温度和压力条件下,牛顿粘度为一常数。
④ 气体、水、甘油、硅油、低分子化合物溶液等均属于牛顿流体。
⑤ 可以把粘土含量低的稀泥浆归为牛顿流体。
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    
 


—单位面积上的内摩擦力,
或称为剪切应力,Pa;

—剪切速率或流速梯度,s-1;
式中:

典型牛顿流体流变图
或

—牛顿粘度或称为动力粘度
Pa·s,(1Pa·s=1000cP,
或lcP=10-3Pa·s=1mPa·s)
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典型牛顿流体流变图分析
不同物质有不同粘度。
 牛顿流体流变图,其流变曲线均为通过原
点O的一条直线,但粘度越高(如甘油,在
15℃时为2.33Pa·s),其斜率越大,即流
变曲线与x轴的夹角越大。粘度越低(如空
气,在15℃时为0.0182╳10-3Pa·s),其
斜率越小。
 水的动力粘度,15℃时为1.1405×10-3
Pa·s,20℃时为1.0087×10-3
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Pa·s。
Fig.4-4. Rheological flow curve for a
Newtonian fluid
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2.2宾汉流体(塑性流体与粘塑性流体)
   s   p  
塑性流
体有两
个流体
参数
s
A
θ2
• 流变方程:
B
C1
θ1
• 这种使流体开始流动的最低剪切应力
(τs)称为静切应力(又称静切力、切力
或凝胶强度)。
C2
τs
(1)塑性流体其流变曲线为不通过原
点O的一条直线。与牛顿流体不同,塑
性流体当γ=0时,τ≠0。
·
γ
0
塑性流体流变曲线
—静切力,Pa;
—塑性粘度(plastic viscosity),Pa·s 。
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粘土颗粒连接方式
泥浆网状结构示意图
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(2)粘塑性流体在低剪切速率下其流变曲线(本
来是直线)往往偏离直线,形成曲线变化,当剪切
速率增加至层流段时才呈直线变化(见图中曲线4-6)
   0   p  
Fig.4-6 Observed consistency
curve of a Bingham plastic
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2.3 幂律流体
幂律流体的流变曲线为通过原点O的曲线,如图所示。它们可用幂函
数或叫幂律模式来表示:
n

  K 
式中:K—稠度系数,或称为幂律系数,Pa·sn; n——流性指数,或
称为幂律指数,无单位。
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
一定范围内,n值可当作常数处理。n值是非牛顿性的度量,n值越低或越高
曲线也越弯曲,非牛顿性也越强,泥浆n值一般在0.5以下为好。
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假塑流体
膨胀流体
'
θ2
θ1
'
幂律模式中,当n<1时为假塑性流
体;当n=1时为牛顿流体;当n>1
时为膨胀流体。因此幂律流体又区
分为假塑流体与膨胀流体两种,其
中最常见的是假塑流体。
θ4
θ3
0
某些钻井液、高分子化合物的水溶液以及乳状液等均
属于假塑性流体。
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• 假塑流体(pseudoplastic) 如图所示,假塑流体的流变曲线
为凸向剪切应力轴的曲线。它通过原点O,表示一加外力即产
生流动,不存在静切力。随着剪切速率的不断升高,其表观粘
度是不断下降的,属于剪切稀释流体。
• 膨胀流体(或称为胀流型流体) (dilatant) 。随着剪切速率的
增加,其表观粘度是增加的,因而称之为剪切稠化流体。与假
塑流体相比较,膨胀流体是少见的,浓度较高的固相形状不规
则的悬浮体,在剪切作用下,颗粒分散,捕俘或固定某些液体,
而引起“干固效应”,使运动阻力增加,粘度增加(即属于剪
切稠化液),而此效应通常是可逆的。浓的淀粉糊、一些矿浆、
高固相含量的涂料等属于膨胀流体。
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3、钻井液流变性的测量
漏斗粘度计
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仪器使用前,应用清水进行校正。该仪器测量清水
的粘度为15±0.5秒。若误差在±1秒以内,可用下
式计算泥浆的实际粘度。
实际粘度 
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15  实测泥浆粘度
实测清水粘度
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3.1旋转粘度计有手摇两速、电动两速和电动六速三种。主
要用于测量泥浆的流变参数。
(1)仪器结构
a、动力部分
b、变速部分
c、测量部分
d、支架部分
(2)工作原理
被测液体放置在两个同心圆筒的环隙空间内,电机经过传动装置带动外筒恒
速旋转,通过被测液体的粘滞性,内筒受到一定的转矩而转动一个角度。该转角
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的大小与液体的粘性相关,于是被测液体的粘度就转换为内筒的转角。
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3. Calculation of rheological parameters
(1)Principle:
  0 . 511   N ( Pa )  0 . 511   N  1000 ( mPa )
1
  1 . 703  rpm ( s )
Where,
N
=the dial reading under N(rpm);
rpm=rotation per minute.
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某一剪切速率下的表观粘度可用下式表示:
 a   /   ( 0 . 511  N / 1 . 703 N )(1000 )  ( 300  N ) / N
将旋转粘度计刻度盘读数换算成表观粘度的换算系数:
转数/r/∙min-1
600
换算系数
0.5
300
1.0
200
100
6
3
1.5
3.0
50.0
100.0
例如,在300r/min时测得刻度盘读数为36,则该剪切速率下的表观粘度等于
36 10=36(mPa·s);若在6r/min时测得刻度盘读数为4.5,则该剪切速率下
的表观粘度等于4.5 50.0=225(mPa·s)
在评价钻井液的性能时,为便于比较,如果没有特别注明某
一剪切速率,一般是指测定600r/rain时的表观粘度,即
 a  (1 / 2 ) 600
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3.2 数据处理
(1)符号
 600
(2)塑性流体和粘塑性流体:
表观粘度:
a 
2
 300
(mPa•s)
 P   600   300
塑性粘度:
动切力:
1
(mPa•s)
 0  0 . 511 ( 300   p )  0 . 511 ( 2 300   600 )
 初  0 . 511   3
静切力 :
 终  0 . 511   3
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(Pa)
(10s) (Pa)
(10min)(Pa)
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(3)幂律流体
n  3 . 322 lg
流性指数 :
稠度指数:
k 
§4
 300
0 . 511   300
511
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 600
n
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(无因次)
(Pa.Sn)
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钻井液实际流变曲线与宾汉和幂律流体的比较
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钻井液流变性要点:
1. 流变学(Rheology);
2. 剪切速率(shear rate),剪切应力(shear stress);
3. 流变模式(方程)flow model (equation)、流变曲线
(curve);
4. 牛顿流体的特点;
5. 宾汉流体(流变参数)-塑性流体:静切力(Gel strength)、
塑性粘度(plastic viscosity);
6. 宾汉流体(流变参数)-粘塑性流体:静切力、塑性粘度、
动切力(yield point);
7. 幂律流体及其参数;
8. 钻井液流变特性的测量。
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Parameters and adjustment
钻井液常用的流变参数及其调控方法
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1. Funnel viscosity 漏斗粘度
在钻井过程中,钻井液的漏斗粘度(Funnel Viscosity)
是需要经常测定的重要参数。
漏斗粘度与其它流变参数的测定方法不同。其它流变
参数一般使用按APl标准设计的旋转粘度计,在某一固
定的剪切速率下进行测定,而漏斗粘度使用一种特制
的漏斗粘度计来测量。
漏斗粘度只能用来判别在钻井作业期间
各个阶段粘度变化的趋向。
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2.1 Plastic viscosity and Yield Point
塑性粘度μp和动切力τ0
•
塑性粘度μp反映了在层流情况下,钻井液中网架结
构的破坏与恢复处于动平衡时,悬浮的固相颗粒之
间、固相颗粒与液相之间以及连续相内部的内摩擦
作用的强弱。影响塑性粘度的主要因素:
①
钻井液中的固相含量;
②
钻井液中粘土的分散度;
③ 高分子聚合物处理剂。
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2.1 塑性粘度μp和动切力τ
0
•
动切力τ0 :是塑性流体流变曲线中的直线段在τ轴上的
截距。它反映了钻井液在层流流动时,粘土颗粒之间及高
分子聚合物分子之间相互作用力的大小,即形成空间网架
结构能力的强弱。其主要影响因素有:
①
粘土矿物的类型和浓度
②
电解质
③
降粘剂:大多数降粘剂的作用原理都是吸附到粘土颗粒的
端面上,使端面带一定的负电荷,于是拆散网架结构。因
此,降粘剂的作用主要是降低动切力,而不是降低塑性粘
度。
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图4-9 丹宁酸钠在粘土断键边上
的吸附
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2. 2塑性粘度的调控
• 在实际应用中,调整钻井液宾汉模式流变参数的一般方法可概括为:
• (1)降低
μ
P
• 通过合理使用固控设备、加水稀释或化学絮凝等方法,尽量减少固
相含量。
• (2)提高
μ
P
• 加入低造浆率粘土、重晶石、混入原油或适当提高pH值等均可提高
μ
P。另外增加聚合物处理剂的浓度使钻井液的液相粘度提高,也
μ 的作用。
可起到提高
P
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2.2 动切力τ 的调控
0
(3)降低τ0
最有效的方法是适量加入降粘剂(也称稀释剂),
以拆散钻井液中已形成的网架结构。如果是因Ca2+、Mg2+
等污染引起的τ0升高,则可用沉淀方法除去这些离子。
此外,用清水或稀浆稀释也可起到降τ0的作用。
(4)提高τ0
可加入预水化膨润土浆,或增大高分子聚合物
的加量。对于钙处理钻井液或盐水钻井液,可通过适当增
加Ca2+、Na+浓度来达到提τ0的目的。
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3.Flow behavior index(流性指数)n和
consistency index(稠度系数)K
① 在幂律模式中,指数n表示假塑性流体在
一定剪切速率范围内所表现出的非牛顿性
的程度,因此通常将n称为流性指数。水、
甘油等牛顿流体的n值等于1。钻井液的n
值一般均小于1。n值越小,表示钻井液的
非牛顿性越强。
② 随n值减小,曲线的曲率变大,表明流体
的流变性偏离牛顿流体越来越远。流性指
数是一个无因次量。
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流性指数与假塑性流体
流变曲线的关系
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在钻井液设计中,经常要确定流性指数的合理范围,
一般希望有较低的n 值,以确保钻井液具有良好的剪
切稀释性能;K值则与钻井液的粘度、切力联系在一起。
显然,它与流体在剪切速率为1s-1时的粘度有关。K值
愈大,粘度愈高,因此一般将K值称为稠度系数。对于
钻井液,K值可反映其可泵性。若K值过大,将造成重
新开泵困难。若K值过小,又将对携岩不利。因此,钻
井液的K应保持在一个合适的范围内。在SI单位制中,
K值的单位为Pa·sn。
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3.1 流性指数n和稠度系数K的调控
•
降低n值最常用的方法是加入XC生物聚合物等
流性改进剂,或在盐水钻井液中添加预水化膨润土。
•
降低K值最有效的方法是通过加强固相控制或
加水稀释以降低钻井液中的固相含量。若需要适当
提高K值时,可添加适量聚合物处理剂,或将预水化
膨润土加入盐水钻井液或钙处理钻井液中(K值提高,
n值下降);也可加入重晶石粉等惰性固体物质(K值
提高,n值基本不变)。
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4.Apparent(effective) viscosity and shear thinning
表观粘度和剪切稀释性
①
表观粘度又称为有效粘度(Effective Viscosity)。它是
在某一剪切速率下,剪切应力与剪切速率的比值,即
μa =τ/γ
式中, μa表示表观粘度。当τ和γ的单位分别为Pa和s-1时,
μa 的单位为Pa·s。
②
表观粘度是塑性粘度和结构粘度之和.
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由宾汉方程,塑性流体的表观粘度可表示:
μa= μP+τ0/γ
τ0/γ—结构粘度
由幂律方程,假塑性流体的表观粘度可表示为
μa = Kγn-1
③ 塑性流体和假塑性流体的表观粘度随着剪切速率的增加
而降低的特性称为剪切稀释性(Shear Thinning Behavior)。
τ0/μp—动塑比
0.36~0.48Pa/mPa.s
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n
0.4~0.7
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流性指数n对钻井液剪切稀释性的影响
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在循环系统中,不同部位的平均剪切速率(s-1)范围:
泥浆罐内
1~5
环形空间
10~500
钻杆
100~500
钻铤
700~3000
钻头喷嘴
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10 000~100 000
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5. Gel Strength and thixotropy
切力和触变性
• 钻井液的切力是指静切应力。其胶体化学实质是胶凝强
度,即表示钻井液在静止状态下形成的空间网架结构的
强度。其物理意义是,当钻井液静止时,破坏钻井液内
部单位面积上的结构所需的剪切力,单位为Pa。前面在
讨论塑性流体的流动特性时,曾引用了τs这一参数。实
际上τs是静切应力的极限值,即真实意义上的胶凝强度。
但结构强度的大小与时间因素有关,要想测得τs,必须
花费相当长的时间。显然,在生产现场测定该值是不现
实的,于是人们规定用初切力和终切力来表示静切应力
的相对值。
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•
初切力(initial gel strength)是钻井液在经过充
分搅拌后,静置1 min(或10s)测得的静切力(简称为初
切);终切力(final gel strength)是钻井液在经过充分
搅拌后,静置10min测得的静切力(简称为终切)。
•
所谓钻井液的触变性(Thixotropic Bahavior),是
指搅拌后钻井液变稀(即切力降低),静置后又变稠的这
种性质。一般用终切与初切之差相对表示钻井液触变性
的强弱。
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对触变性的机理可作如下解释:
在触变体系中一般都存在空间网架结构。在剪切作
用下,当结构被搅散后,只有颗粒的某些部位相互接触时才能
彼此重新粘结起来,即结构的恢复要求在颗粒的相互排列上有
一定的几何关系。
因此,在结构恢复过程衣中,需要一定的时间来完成
这种定向作用。恢复结构所需的时间和最终的凝胶强度(即切
力)的大小,可更为真实地反映某种流体触变性的强弱。
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经验表明,一般情况下,
能够有效悬浮重晶石的静
切力为1.44 Pa。
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卡森流变模式
• τc——卡森动切力(或称卡森屈服值),Pa;
卡森流变曲线的两种形式

1/ 2


1/ 2
 

1/ 2
c
1/ 2

1/ 2


1/ 2
c 
1/ 2
•
• τ ——剪切应力,Pa;
• γ——剪切速率,s-1。
1 / 2
I m  [1  (100  c /   )
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  ——极限高剪切粘度,mPa·s;
1/ 2 2
]
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Properties for drilling operation
钻井液流变性与钻井作业的关系
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1. Hole cleaning
钻井液流变性与井眼净化的关系
A. 层流携带岩屑的原理
v 2  v  v1
v2
 1
v
v1 
v1
2r
2
    0 g
9a
v
式中,V2—岩屑上返速度,m/s;
V -钻井液上返速度,m/s;
V1-岩屑在钻井液中的沉降速度,m/s;
岩屑的沉降速度除与岩屑尺
寸、岩屑密度、钻井液密度
和流态等因素有关外,还与
钻井液的有效粘度成反比。
V2 / V–携带比,表示井筒的净化效率。
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片状岩屑在层流时的受力情况
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片状岩屑在
层流时上升
的情况(钻
柱不动)
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旋转钻柱对片
状岩屑在层流
时上升的影响
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B. 紊流携带岩屑的原理:
如图3-17所示,钻井液在作紊流流动时,岩
屑不存在转动和滑落现象,几乎全部都能携带到
地面上来,环形空间里的岩屑比较少。但是紊流
携岩也有一些缺点,主要表现在:
(1)岩屑在紊流时的滑落速度比在层流时大,
这就要求钻井液的上返速度高,泵的排量大。
(2)由于沿程压降与流速的平方成正比,功率
损失与流速的立方成正比。
(3)紊流时的高流速对井壁冲蚀严重,不能很
好地形成泥饼,容易引起易塌地层井壁垮塌。
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片状岩屑在紊流
时上升的情况
(钻柱不动)
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4. 平板形层流:当塑性流体从塞流向层流逐渐转化时,中间要经
过一种平板型层流。在这种流态下,液流周围呈层流流动状态,
中央是一个速度剖面较为平齐的等速核,即流核。
钻井液的平板型层流流动状态
a-管柱内;b-井眼环形空间
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平板型层流的实现:
式中, d0一流核直径,cm;
D—井径,cm;
d—钻杆或钻铤外径,cm;
vf-钻井液上返速度,m/s。
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平板型层流特点:
A. 可实现用环空返速较低的钻井液有效地携带岩屑。
B. 解决了低粘度钻井液能有效携岩的问题,为普遍推广使用低
固相不分散聚合物钻井液提供了流变学上的依据。
C. 避免了钻井液处于紊流状态时对井壁的冲蚀,有利于保持井
壁稳定。
• 现场经验表明,在多数情况下,即便是使用低固相钻井液,
尽管粘度较低,但只要  / 
较高,将环空返速保持在
0.5~0.6m/s,就可满足携岩的要求。这样既能使泵压保持
在合理范围,又能够降低钻井液在钻柱内和环空的压力损失,
使水力功率得到充分、合理的利用。
0
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p
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动塑比对流核的影响:
0 / p
一般认为,就有效地携带岩屑而言,
将钻井液的τ0/μP保持在0.36-0.48
Pa/(mPa·s)或,n值保持在0.4~0.7
时是比较适宜的。
τ0提高有利于平板形层流的实现;但
动塑比对环形空间中钻井液流态的影响
过高的 τ0 引起泵压显著升高,且超
过一定值后,d0的增值不明显了。
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将n值的适宜范围定为
04~0.7,也是同样的道理。
当然,为了减小岩屑的滑落
速度,钻井液的有效粘度也
不能太低。对于低固相聚合
物钻井液,应将其保持在
6~12mPa·s。
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• 为了使钻井液的τ0/
μP,达到0.36~0.48Pa/(mPa·s)的要
求,常采取以下措施和方法:
(1)选用XC生物聚合物、HEC、PHP和FA367等高分子聚合物
作为主处理剂,并保持其足够的浓度。它们在体系中所形成
的结构使τ0值增幅往往要大得多,故有利于动塑比的提高。
(2)通过有效地使用固控设备,除去钻井液中的无用固相,
降低固体颗粒浓度,以达到降低μP、提高τ0/ μP的目的。
(3)在保证钻井液性能稳定的情况下,通过适量地加入石灰、
石膏、氯化钙和食盐等电解质,以增强体系中固体颗粒形成
网架结构的能力,因为凡是有利于空间网架结构增强的物质
都能使动切力τ0值增大。
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2. Borehole Stability
钻井液流变性与井壁稳定的关系
该式是根据非牛顿流体雷诺数=2000时推导的。
式中,υc—临界返速,cm/s;
μP—塑性粘度,Pa·s;
τ0 —动切力,Pa;
ρ—钻井液密度,g/cm3;
D—井径,cm;
d —钻杆或钻铤外径,cm。
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钻井液密度和流变参数对临界返速的影响
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3. Cuttings and weighting suspension
钻井液流变性与悬浮岩屑、加重剂的关系
(1 / 6 ) d  r g  (1 / 6 ) d  g   d  s
3
3
3
式中 ,d—岩屑或加重剂颗粒的直径,m;
ρr—岩屑或加重剂的密度,kg/m3;
ρ —钻井液的密度,kg/m3;
τs—钻井液的静切力,Pa;
g—重力加速度,取g=10 m/s2。
所以,需要的静切力为:
τs =[d(ρr-ρ)g]/6
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4. For surg and swab
钻井液流变性与井内液柱压力激动的关系
• 所谓井内液柱压力激动是指在起下钻和钻进过程中,由于钻柱
上下运动、泥浆泵开动等原因,使得井内液柱压力发生突然变
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。
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A.起下钻时的压力激动
由于钻柱具有一定的体积,当钻柱入井时,井内钻井液要
向上流动;起出钻柱时,井内钻井液便向下流动以填补钻柱在
井内所占的空间。钻井液向上或向下流动,都要给予一定的压
力以克服其沿程的阻力损失。这个压力是由于起下钻所引起的,
它作用于井内钻井液,使它能够流动;与此同时也通过井内液
柱作用于井壁和井底,这种突然给予井内的附加压力就是起下
钻引起的压力激动。下钻时压力激动为正值,起钻时则为负值。
起下钻压力激动值的大小主要取决于起下钻速度、井深、井眼
尺寸、钻头喷嘴尺寸和钻井液的流变参数(主要是粘度、切力
和触变性)。压力激动值在 1500m时可能达到2~3MPa,在
5000m时可能达到7~8MPa,因而对此是不能忽略的。
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开泵时的泵压变化示意图
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B. 开泵时的压力激动
由于钻井液具有触变性,停止循环后,
井内钻井液处于静止状态,其中粘土颗粒
所形成的空间网架结构强度增大,切力升
高,开泵泵压将超过正常循环时所需要的
压力,造成压力激动。例如,某井某次开
泵泵压为5MPa,钻井液流动一段时间后,
泵压降为4.4MPa,最后降到泥浆泵正常工
作时的2.8 MPa。
开泵时压力激动的值与井眼和钻具尺
寸、井深、钻井液切力和触变性、开泵时
的操作等因素有关。有时因井底沉砂也会
使压力激动加剧。
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5. For rate of penetration
钻井液流变性与提高钻速的关系
钻井液的流变性是影响机械钻速的一个重要因素。研究表明,这种影响主要表现
为钻头喷嘴处的紊流流动阻力(水眼粘度)对钻速的影响。由于钻井液具有剪切稀
释作用,在钻头喷嘴处的流速极高,一般在150m/s以上,剪切速率达到10000s1以上。下图表示表观粘度相同而动塑比不同的5种钻井液,其剪切稀释性所存在
的差别。
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内容要点:
1. 流变参数:漏斗粘度,塑性粘度、静切力、动切力、
表观粘度(有效粘度),流性指数和稠度系数,剪
切稀释特性,触变性;如何调控这些流变参数?
2. 流变参数与钻井作业的关系?什么是平板形层流?
动塑比和流性指数对平板形层流形成的影响?
3. 利用六速粘度计测试流变参数的原理及宾汉流体的
塑性粘度、动切力的计算?
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作业
1. 使用Fann 35A型旋转粘度计,测得某种钻井液的Φ600=38,
Φ300=28,求该钻井液的表观粘度、塑性粘度、动切力、流
性指数和稠度系数?求300rpm时的剪切应力,剪切速率和该
剪切速率下的表观粘度?
2. 设钻井液的密度为1.20g/cm3,重晶石的密度为4.2g/cm3,重
晶石最大直径为0.1mm。为了能悬浮重晶石颗粒,该钻井液至
少应具有多大切力值?如果重晶石颗粒直径为0.2mm,那么钻
井液至少应具备多大的切力值?
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Exercise One
Questions?
Discussions:
1. The rhelogical parameters and their relationship
to drilling operation.
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