(工学)《油田化学》

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1、第五节钻井液流变性及其调整流变性是钻井液的一项基本性能，在解决许多钻井问题时，都起着十分重要的作用。掌握钻井液流动的基本特性，能使我们更科学地维护和处理钻井液。流变性：是指在外力作用下，钻井液发生流动和变形的特性。流变性在钻井中的作用：①携带岩屑、保证井底和井眼的清洁；②悬浮岩屑与重晶石；③提高钻速；④保证井眼规则和井下安全等。描述流变性的要素：①钻井液的流变曲线；②塑性粘度；③动切力；④静切力；⑤表观粘度等。一、流体流动的基本概念1、剪切速率和剪切应力液体与固体的重要区别之一是液体具有流动性，只要力的作用时间相当长，

2、即使用很小的力就能使液体发生很大的变形。以河水的流动为例（见图2-1）分析水流的流速分布情况。靠近河岸流速很小，靠近河中心流速很大，且呈梯度变化。（1）剪切速率（γ）dv/dx表示在垂直于流速方向上单位距离流速的增量，即剪切速率（速率梯度）。单位：s-1剪切速率越大，则表示液流中各层之间流速的变化大。钻井液在循环过程中：沉砂池处的剪切度率最低，约为10~20s-1；环行空间内：50~250s-1；钻杆内：100~1000s-1；钻头喷嘴处最高，约为10000~100000s-1。（2）剪切应力（τ）（简称剪切力）流体中

3、各层的流速不同，层与层之间必然存在相互作用，即流速快的液层会带动流速慢的相邻液层。同时，流速慢的液层又会阻碍流速快的相邻液层。这样在流速不同的各液层之间就产生成对的内摩擦力（剪切力）。牛顿内摩擦力（F）：F=μsγ式中：μ—粘度；γ—剪切速率；s—面积。剪切应力（τ）：τ=F/s=μγ。单位：Pa或KPa牛顿流体：将τ与γ的关系遵守牛顿内摩擦定律的流体称为牛顿流体。如：水、酒精等纯液体、低分子化合物溶液及低速流动的气体。非牛顿流体：τ与γ的关系不遵守牛顿内摩擦定律的流体。如：高分子聚合物的浓溶液和悬浮液等。大多数钻井液

4、都属于非牛顿流体。2、流变模式和流变曲线（1）流变模式（流变方程）：用数学关系表示τ与γ的关系。如：牛顿流体的流变模式τ=μγ（2）流变曲线用曲线表示τ与γ的关系。如图2—4中曲线1所示。直线的斜率代表其粘度，既tanα代表粘度，α越大,μ越大。3．触变性定义：是指钻井液经搅拌后会变稀（切力下降），静止后又会变稠（切力上升）的性质。测量方法：用旋转粘度计，将充分搅拌后的钻井液静置1min（或10s）和静置10min，分别测量其初切值和终切值，并用初切和终切的差值表示钻井液触变性的大小。4．钻井液的粘度现场用的粘度有：漏

5、斗粘度、塑性粘度、表观粘度和稠度系数。①漏斗粘度是指将一定体积（500ml）的钻井液从漏斗下端流出所经历的时间。单位：s。特点：方法简单，可直观反映钻井液粘度的大小。②塑性粘度（ηP或pV）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态平衡时，悬浮的固相颗粒之间、固相颗粒与液相之间以及液相内部的内摩擦力作用的强弱。特点：是塑性流体的一种性质，不随剪切速率而变化；③稠度系数（K）是假塑性流体的性质，也是运动质点之间的内摩擦力。K值反映其可泵性，k值越大，粘度越高。K值过大，将造成重新开泵困难，k值太小，对携岩不

6、利。K应保持在合适的范围内。④表观粘度（又称有效粘度或视粘度）（ηV或AV）是指在某一剪切速率下，剪切应力与剪切速率的比值。塑性流体的表观粘度为：由于τ0/γ具有与粘度相同的单位，并且和钻井液层流流动时形成网架结构的能力有关，习惯上称τ0/γ为结构粘度。假塑性流体的表观粘度为：5．钻井液的几种基本流态：①静止；②塞流（柱流）；③准层流（平板型）；④层流（线形）；⑤紊流。不同流型的钻井液其携岩能力各不相同，对井壁的稳定性作用不同。不同流型的钻井液其携岩能力各不相同，对井壁的稳定性作用不同。二、非牛顿流体的基本流型按照流体

7、流动时τ与γ的关系，可将流体分为不同的类型（即流型）。除牛顿流型外，根据所测出的流变曲线形状不同，又可将非牛顿流体的流型分为：塑性流型、假塑性流型和膨胀流型。1．塑性流体一般钻井液属于塑性流体。（1）流变曲线[图2—4（3）由曲线看出，当γ=0时，τ≠0。即只有施加的力超过一定值的时候，塑性流体才开始流动。静切应力（τs）：这种使流体开始流动的最低剪切应力称为静切应力（又称静切力、切力、凝胶强度）当剪切应力超过τs时，在初始阶段剪切应力与剪切速率并不呈直线关系，表明此时塑性流体还不能均匀地被剪切，粘度随剪切速率增大而降

8、低（图中的曲线段）。继续增大剪切应力，当其数值大到一定程度之后，粘度不再随剪切速率增大而发生变化，此时，流变曲线变成了直线。该直线的斜率称为塑性粘度（ηP或PV）。延长直线段与剪切应力轴相交于一点τ0。通常将τ0称为动切应力（动切力或屈服力）也可用YP表示。动切应力反映钻井液在流动时，粘土颗粒之间及聚合物分子间的相互作用（形成空间