钻井液的流变性.ppt

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1、蔡记华第三章钻井液的流变性钻井液与岩土工程浆液钻井液流变性钻井液造壁性钻井液处理剂钻井液体系1核心内容2本章要点：1.掌握有关的基本概念；2.常用流型的特点、流变参数的意义、影响因素、计算及调整；3.了解钻井液流变性与钻井的关系流变性：是指在外力作用，物质发生流动和变形的特性；对钻井液而言，其流动性是主要的方面。该特性通常用钻井液的流变曲线和塑性粘度(PlasticViscosity)、动切力(YieldPoint)、静切力(GelStrength)、表观粘度(ApparentViscosity)等流变参数来进行描述。与钻井液流变性有关的钻井问题：（1）携带岩屑，保证井底和井眼的清洁；

2、（2）悬浮岩屑与重晶石；（3）提高钻井速度;（4）保持井眼规则和保证井下安全。第一节基本概念一、剪切速率/速度梯度γ：指垂直于流速方向上单位距离流速的增量，γ=dv/dx，流速单位：m/s；距离单位：m。因此剪切速率：1/s。流速越大，剪切速率越大。在钻井过程中，钻井液在各个部位的剪切速率不同：沉砂池处：10-20s-1；环形空间：50～250s-1；钻杆内：100～1000s-1；钻头喷嘴处：10000-100000s-1。剪切速率与流速成正比。二、剪切应力τ液流中各层的流速不同，故层与层之间必然存在着相互作用。由于液体内部内聚力的作用，流速较快的液层会带动流速度较慢的相邻液层，而流

3、速较慢的液层又会阻碍流速较快的相邻液层。这样在流速不同的各液层之间会发生内摩擦作用，即出现成对的内摩擦力(即剪切力)，阻碍液层剪切变形。通常将液体流动时所具有的抵抗剪切变形的物理性质称做液体的粘滞性。剪切应力τ：流体单位面积上的内摩擦力牛顿内摩擦定律：液体流动时，液体层与层之间的内摩接力(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(γ)成正比，而与接触面上的压力无关：F=μSγ（3-1）内摩擦力F除以接触面积S即得液体内的剪切应力，即：τ=F/S=μγPa（3-2）式中：F-----流体的内摩擦力，NS-----面积，m2μ的单位是Pa·s，实际生活中一般采

4、用mPa·s。1cP＝1mPa·s通常将剪切应力与剪切速率的关系遵守牛顿内摩擦定律的流体，称为牛顿流体；不遵守牛顿内摩擦定律的流体，称为非牛顿流体。水、酒精等大多数纯液体、轻质油、低分子化合物溶液以及低速流动的气体等均为牛顿流体，高分子聚合物的浓溶液和悬浮液等一般为非牛顿流体。大多数钻井液都属于非牛顿流体。三、流变模式和流变曲线剪切应力和剪切速率是流变学个的两个基本概念，钻井液流变性的核心问题就是研究各种钻井液的剪切应力与的剪切速率之间的关系。这种关系可以用数学关系式表示，也可以作出曲线来表示。若用数学关系式表示时，称为流变方程，习惯上又称为流变模式，如式(3—2)就是牛顿流体的流变模

5、式。若用图续来表示时，就称为流变曲线。流变曲线：描述τ和γ之间的曲线流变模式/流变方程：描述τ和γ之间的数学关系四、流体的基本流型牛顿流体：τ=μγ塑性流体：τ=τ0+μpγ假塑性流体：τ=Kγnn<1膨胀性流体：τ=Kγnn>1目前广泛使用的多数钻井液为塑性流体（宾汉流体）和假塑性流体。第二节基本流型及其特点牛顿流型：牛顿流体膨胀流型：膨胀性流体塑性流型：塑性流体假塑性流型：假塑性流体卡森流型：卡森流体流型：根据流体流动时剪切应力τ与剪切速率γ之间的关系，流体可以分为不同的类型：一、塑性流体1、流变曲线τγγ1τs高粘土含量的钻井液、高含蜡原油和油漆等都属于塑性流体。（1）曲线不过原

6、点，在τ轴上有一截距τs粘土矿物具有片状或棒状结构，形状很不规则，颗粒之间容易彼此连接在一起，形成空间网架结构。扩散双电层斥力水化膜弹性斥力范德华引力/静电吸引力等粘土颗粒间作用力不过原点的原因：由于颗粒间以端-端和（或）端-面连接，形成网架结构，要使体系流动，就必破坏这种网架结构。τs物理意义：反映钻井液在静止时形成网架结构的强弱。（2）在低剪切速率范围内，为曲线段流体开始流动后，存在以下一对矛盾：结构拆散结构恢复(流型动画)在低剪切速率下，可供拆散的网架结构较多，结构拆散速度＞结构恢复速度→拆散程度随剪切速率增加而增大→△τ/△γ(表观粘度)↓（3）在中、高剪切速率范围内，为直线段

7、当γ达到某一值时结构拆散速度=结构恢复速度网架结构数量不变产生同样△γ所需△τ不变△τ/△γγ可供拆散的网架结构数量结构拆散速度体系中游离的颗粒数量结构恢复速度↓2、宾汉模式(适合于中、高剪切速率)τ=τ0+ηpγ式中：τ0：动切力或屈服值(YieldPoint)，Paηp：塑性粘度，Pa·s，实际中使用mPa·s（1）塑性粘度μp①物理意义：反映流体在层流下达到动平衡（网架结构的拆散速度等于其恢复速度）时，固相颗粒之间、固相颗粒与液相之间以及