第三章钻井液的流变性
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泥浆工艺原理复习资料
《泥浆工艺原理》复习资料第一章——钻井液概论1.钻井液：指油气钻井过程中以其多种功能满足钻井工作需要的各种循环流体的总称。
钻井液功用：（1）携带和悬浮岩屑（2）稳定井壁和平衡地层压力（3）冷却和润滑钻头、钻具（4）传递水动力。
2.密度（1）低密度活性固相（粘土）：2.2g cm-3 2.3g cm-3（2）低密度惰性固相（钻屑）：2.5 g cm-3 2.7 g cm-3(平均：=2.6g cm-3)（3）钻井液密度低密度：g cm-3中高密度：1.8 g cm-3 2.5g cm-3高密度：2.5g cm-3 3.0 g cm-3超高密度： 3.0 g cm-3（4）加重材料API重晶石：=4.2 g cm-3石灰石粉：2.7g cm-3 2.9 g cm-3铁矿粉：4.9 g cm-3 5.3 g cm-3钛铁矿粉：4.5 g cm-3 5.1 g cm-3方铅矿：7.4 g cm-37.7 g cm-3（5）无机处理剂纯碱：2.5 g cm-3烧碱:2.0—2.2 g cm-33.钻井液密度作用（1）稳定井壁，防井塌。
（2）实现近平衡钻井技术，减少压持效应，提高机械钻速。
（3）平衡地层压力，防止井喷、井漏和钻井液受地层流体污染。
（4）钻开油气层，合理选择钻井液密度，减少钻井液对产层的伤害。
4.实际应用中，大多数钻井液pH控制在8—11之间，维持一个较弱的碱性环境。
酚酞变色点：pH=8.3左右；甲基橙变色点：pH=4.3左右。
常温下：10%Na2CO3(aq) pH=11.1；Ca(OH)2(饱和aq) pH=12.1 ；10%NaOH(aq) pH=12.9；5. 钻井液组成①分散介质+分散相+化学处理剂②连续相+不连续相③液相+固相+化学处理剂6.钻井液含砂量：钻井液中不能通过200目筛的砂粒体积占钻井液体积的百分数。
一般砂含.【即粒径74的砂粒占钻井液总体积的百分数】第二章——粘土矿物和粘土胶体化学基础1.相：物质物理化学性质完全相同的均匀部分。
钻井与完井工程教材第三章钻井液
第三章钻井液一口油气井钻井成功在很大程度上取决于钻井液的性质和性能。
钻井液始终是为钻井工程服务的，它的发展与钻井工程的发展紧密相关。
由于初期的钻井液是由最简单的泥土和水组成，“泥浆”就成为钻井液沿用至今的代名词。
实际上，这种称呼既不正确更不准确。
钻井液的定义是指具有各种各样功能以满足钻井工程需要的循环流体。
第一节钻井液的功能、组成和类型一、钻井液的功能油气钻井的基本功能是打开找油、找气和采油、采气的通道，是实现油气勘探开发的重要工程手段。
为油气钻井、完井服务是钻井液的目的，钻井、完井的需要是钻井液发展的动力。
因此，钻井液的功能就体现在油气井钻井、完井的两个方面，即在整个钻进过程中，要保持安全优质快速低成本钻井；在进入油气层时，要具有保护储层的作用。
所以，钻井液的功用也就是钻井、完井对钻井液的基本要求。
在钻井方面，钻井液的主要功能有①清洗井底，携带岩屑。
②冷却、润滑钻头和钻柱。
③形成泥饼，保护井壁。
④控制和平衡地层压力。
⑤悬浮岩屑和加重材料。
⑥提供所钻地层的地质资料。
⑦传递水功率。
⑧防止钻具腐蚀。
在保护油气储集层方面，钻井液（此时称完井液）的主要功用是保护油气层的渗透性，尽量降低对原始油气层物化性质的损害。
主要表现在以下两方面：①控制固相粒子含量及级配，防止固相粒子对油气层的损害。
②保持液相与地层的相容性。
二、钻井液的组成和类型钻井液属于复杂的多相多级胶体-悬浮体分散体系。
它既可以是固体分散在液体中，或者是液体分散在另一种液体中，也可以是气体分散在液体中，或者是液体分散在气体中所形成的分散体系。
钻井液的基本成分由分散相+分散介质+化学处理剂组成。
各相具体成分可以是：处理剂（各种维护分散体系稳定和调整分散体系性能的化学添加剂）。
在以水为连续相的水基钻井液中，通常用重量体积百分含量表示钻井液配方中各组分，不考虑处理剂本身的体积。
例如，某种水基钻井液组分为：1000ml水+ 50g膨润土+ 20g 处理剂。
第三章 钻井液性能及其控制
4、碳酸氢钠（NaHCO3)Fra bibliotek本节完
第三节
钻井液含砂量及其测定
一、钻井液含砂量 钻井液含砂量是指钻井液中不能通过200目筛网，即 粒径大于74μm的砂粒占钻井液总体积的百分数。
二、钻井要求：
钻井液含砂量越小越好，一般要求控制在0.5%以下。
含砂量过大会对钻井过程造成以下危害： （1）使钻井液密度增大，对提高钻速不利．
（2）形成的泥饼松软，滤失量大，不利于井壁稳定，影响
固井质量； （3）泥饼中粗砂粒含量过高会使泥饼的摩擦系数增大，容 易造成压差卡钻； （4）增加对钻头和钻具的磨损，缩短使用寿命。
三、含砂量控制方法
充分利用震动筛和除砂器等固控设备。
四、含砂量测量
1、测量仪器 钻井液含砂量用一种专门设计的含砂量测定仪进行测定。 该仪器由一个带刻度的类似于离心试管的玻璃容器和一个 带漏斗的筛网筒组成，所用筛网为200目。
m (V2 V1 )
(204.255 200) 4.2 1000
17871 kg
(2)最终体积有限制，V2=200m3
2 V1 V2 1
4.2 1.38 200 4.2 1.32
195.8m3
m (V2 V1 )
(200 195.8) 4.2 1000
原因如下：
可以使有机处理剂充分发挥其效能 对钻具腐蚀性低 可抑制钙、镁盐在体系中的溶解
（3）PH值法缺点 钻井液维持碱性的无机离子除了OH-外，还可能有 HCO3-和CO32-等离子，PH值不能反映钻井液中这些离子 的种类和类型。
2、碱度表示法
（1）碱度：指用0.02N的标准硫酸中和1ml样品至酸碱指示剂
第三章 钻井液的流变性
用于钻井液流变性的研究中。 ③卡森模式不但在低剪切区和中剪切区有较好的精确度，还
可以利用低、中剪切区的测定结果预测高剪切速率下的流 变 特性。
第二节 基本流型及其特点
1、流变曲线 τ1/2
γ1/2
第二节 基本流型及其特点
2、卡森模式
τ 1/2 = τc1/2+ η ∞1/2γ1/2 式中： τc -------卡森动切力(卡森屈服值)，Pa；
1、塑性流体流变参数计算
p
600
300
600
300
0.511( 600 ) 300
1022 511
( 600 ) 300 10-3
600
300
Pa·S mPa·S
第三节 流变参数测量与计算
0 p
600
η ∞ -----极限高剪切粘度（水眼粘度），mPa·s (1)卡森动切力τc
物理意义：反映钻井液网架结构的强弱
影响因素与调整：同τ0 (1)极限高剪切粘度η ∞
物理意义：反映钻井液内摩擦力的强弱
影响因素与调整：同η p
第二节 基本流型及其特点
四、流型判断 1、作图法
（1）多点测试（ τ， γ） （2） 分别以τ和 γ为坐标轴绘图
线
第四节 钻井液流变性与钻井的关系
层流携岩特点 1、对井壁冲刷作用小，
有利于井壁稳定 2、存在“转动靠壁”现象，
携岩效率低
F3 F4
F1 F2
第四节 钻井液流变性与钻井的关系
2、紊流及其携岩特点
紊流特点
流体质点作无规则运动 流速大、速梯小 速度剖面扁平
层流携岩特点 1、无“转动靠壁”现象，携岩效率 高 2、对井壁冲刷作用大
可以利用低、中剪切区的测定结果预测高剪切速率下的流 变 特性。
第二节 基本流型及其特点
1、流变曲线 τ1/2
γ1/2
第二节 基本流型及其特点
2、卡森模式
τ 1/2 = τc1/2+ η ∞1/2γ1/2 式中： τc -------卡森动切力(卡森屈服值)，Pa；
1、塑性流体流变参数计算
p
600
300
600
300
0.511( 600 ) 300
1022 511
( 600 ) 300 10-3
600
300
Pa·S mPa·S
第三节 流变参数测量与计算
0 p
600
η ∞ -----极限高剪切粘度（水眼粘度），mPa·s (1)卡森动切力τc
物理意义：反映钻井液网架结构的强弱
影响因素与调整：同τ0 (1)极限高剪切粘度η ∞
物理意义：反映钻井液内摩擦力的强弱
影响因素与调整：同η p
第二节 基本流型及其特点
四、流型判断 1、作图法
（1）多点测试（ τ， γ） （2） 分别以τ和 γ为坐标轴绘图
线
第四节 钻井液流变性与钻井的关系
层流携岩特点 1、对井壁冲刷作用小，
有利于井壁稳定 2、存在“转动靠壁”现象，
携岩效率低
F3 F4
F1 F2
第四节 钻井液流变性与钻井的关系
2、紊流及其携岩特点
紊流特点
流体质点作无规则运动 流速大、速梯小 速度剖面扁平
层流携岩特点 1、无“转动靠壁”现象，携岩效率 高 2、对井壁冲刷作用大
钻井液工艺原理3-钻井液流变性
1
16
卡森流体
流变模型：τ1/2 = τc1/2 + η1/2 γ1/2
r1/2
流变曲线：
• γ1/2-τ1/2 作图，为一条直线。
• γ -τ作图，为直线与曲线之和。
模式讨论 τ1/2 = τc1/2 + η1/2 γ1/2
0
τ
1/2 c
τ 1/2
γ 0， τ τc 能够反映多数钻井液具有 r
国际：Pa.s、mPa.s 模式讨论 τ- τ0 = ηp γ 或者 η= ηp + τ0/ γ
γ 0， τ τ0 能够反映多数钻井液具有内部结构情况。 γ ，η 能够反映多数钻井液的剪切稀释性。 γ， η ηp 能够反映出钻井液的极限粘度。
低剪切速率下： τ实> τ宾 表明模型拟合实际曲线有较大偏差.
• 作用：衡量钻井液的宏观流动性。
• 测量方法：用旋转粘度仪。
• 现场习惯用600转数据的1/2值表示， AV=φ600/2。
1
33
宾汉体的塑性粘度ηp
定义：层流流动时，流体内部网状结构的破坏与 恢复处于动态平衡时，以下三部分内摩擦力 的微观统计结果： 固 -固颗粒间内摩擦阻力； 固 -液相分子间内摩擦阻力； 液 -液分子间内摩擦阻力；
体系受剪切稀释明显。 显然：只要能形成结构的钻井液，均有剪切稀释性。
1
19
作用：
(1)判断携屑能力：强者—好，有利低速带砂。
(2)估计钻头水眼处的粘度大小：强者—小，有利 水力喷射钻井。
即 环形空间：γ低，ηa大，有利于携带钻屑 钻头水眼：γ大，ηa小，有利于水力破岩
一般要求钻井液的剪切稀释能力强。
1Pa = 10dyn/cm2
钻井液完井液化学3、4章详解
漏斗粘度 Funnel Viscosity
定 义：定体积泄流时间。
单 位：秒；s
类 型： 马氏漏斗粘度 Marsh Funnel Viscosity 定义：1500ml 流出946ml 的时间。 标准：清水测量值：26±0.5s 中国漏斗粘度 定义：700ml流出500ml的时间。
标准：清水测量值：15±0.5s
1. 有效粘度（视粘度）
定义： η= τ/ γ 意义：钻井液作层流流动时，有效粘度等于以下四部分内摩擦力的微 观统计结果： 固 ~ 固颗粒间内摩擦阻力； 固 ~ 液相分子间内摩擦阻力； 液 ~ 液分子间内摩擦阻力；
固相结构 ~ 液相分子间内摩擦阻力；
几种流体（模式）表示的有效粘度： 宾 汉 体：η= ηs+ τ0/ γ
28
影响因素（类似于静切力）： 单个链环的强度—— 颗粒间引力—— 电位、水化膜 厚度。 结构链环数目/单位体积（结构密度）—— 颗粒浓度、 分散度。 调整方法： 升τo—— 提高 c、分散度，降低 及水化膜厚度，加增 粘剂。 降τo—— 冲稀、加降粘剂拆结构。
29
二、钻井液的粘度
16
真实泥浆与不同流型的比较
r
钻井液 假塑性流体 宾汉流体 0 s 0
17
假塑性流体 Pseudoplastic Fluids 流变模式： τ = Kγn 流变曲线：过原点凸向切应力轴的曲线。
r
流变参数： 稠度系数 K 意义：反映流体的粘滞性。K越大，流体越难流动。 单位：dyn.sn/cm2 流型指数 n 0 意义：偏离牛顿流体的程度。 模式讨论 τ = Kγn 或者 η= Kγn-1 γ 0， τ 0 不符合大多数钻井液具有屈服应力的特点。 γ ，η 能够反映钻井液的剪切稀释性。 γ， η 0 无极限粘度，不符合钻井液情况。
第三章钻井液的流变性
第一节 钻井液的流动状态和基本概念
2. 基本概念
剪切速率：沿垂直于流速方向上
单位距离上流速的改变量或增加 量。 表达式如下： 表达式如下：
= dv dx
单位为： 单位为：s-1; 流体各层之间流速不同， 流体各层之间流速不同，层 与层之间必然存在相互作用。 与层之间必然存在相互作用。由 于液体内部内聚力的作用， 于液体内部内聚力的作用，流速 较快的液层会带动流速较慢的相邻液层， 较快的液层会带动流速较慢的相邻液层，而流速较慢的液层又会 阻碍流速较快的相邻液层。 阻碍流速较快的相邻液层。
τ
γ
假塑性流体
假塑性流体和塑性流体 的一个重要区别在于： 的一个重要区别在于：塑性 流体当剪切速率增大到一定 程度时， 程度时，剪切应力与剪切速 率之比为一常数， 率之比为一常数，在这个范 流变曲线为直线； 围，流变曲线为直线；而假 塑性流体剪切应力与剪切速 率之比总是变化的， 率之比总是变化的，即在流 变曲线中无直线段。 变曲线中无直线段。
第一节 钻井液的流动状态和基本概念
流体的基本流型
在实验过程中， 在实验过程中，人们发现除牛顿流体外还有一 些表现粘度异常的非牛顿流体， 些表现粘度异常的非牛顿流体，即不遵守牛顿内摩 擦定律的流体。 擦定律的流体。 按照流体流动时剪切速率与剪切应力之间的关 可以划分为不同的流型。 系，可以划分为不同的流型。根据流变曲线形状的 不同，可将流体的流型归纳为一下四种： 不同，可将流体的流型归纳为一下四种： 牛顿流体 非牛顿流 塑性流体 体 四种流型 假塑性流体 膨胀性流体
τ0
τs
γ
第一节 钻井液的流动状态和基本概念
塑性流体流变模式与流变曲线
τ = τ0 + µp ×γ
钻井液的流变性—流体流动的基本流型
知识点2：非牛顿流体的基本流型
假塑性流体
某些钻井液、高分子化合物的水溶液以及乳状液均属 于假塑性流体。其流变曲线通过原点凸向剪切应力轴的曲线。 流动特点是施加极小的剪切应力就能产生流动，不存在静切 力，黏度随剪切应力增大而降低。
K n
K——稠度系数， Pa·sn； n——流性指数，n<1。
上式为假塑性流体的流变模式，也成为幂律公式。
μ——粘滞系数，黏度，Pa·s。
dx
知识点1：流体流动的基本概念
在实际应用中一般用mPa·s表示液体黏度， 1Pa·s=1000 mPa·s，例如20℃，水的黏度是 1.0087mPa·s。
上式为牛顿内摩擦力数学表达式；遵循牛顿内摩 擦定律的流体为牛顿流体；不遵守牛顿内摩擦定律流 体为非牛顿流体。大多数钻井液属于非牛顿流体。
知识点3：钻井液流变参数
3、塑性粘度和动切力的控制 影响塑性粘度的因素主要有钻井液固相含量，钻井
液中粘土的分散程度，高分子处理剂的使用等。可通过 降低钻井液的固相含量、加水稀释或化学絮凝等方法降 低塑性粘度；可以加入粘土、重晶石、混入原油或适当 提高pH值提高塑性粘度；也可以通过增加聚合物处理 剂的浓度提高塑性粘度，同时可以提高动切。
（2）塑性粘度（ηp或PV）
钻井液的塑性粘度是塑性流体的性质，不随剪切速率变化，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， 悬浮颗粒之间、固相颗粒与液相之间以及连续相内部的摩擦作用的强 弱。在钻井的过程中合理控制好塑性粘度，利于安全、优质、快速、 低耗地进行钻井。
知识点3：钻井液流变参数
知识点3：钻井液流变参数
2、 钻井液的黏度和剪切稀释性
1）钻井液的粘度 （1）漏斗黏度
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（3）检验 相关系数r计 >临界相关系数r临，假设成立。
第三节 流变参数测量与计算
一、测量仪器及原理
1、漏斗粘度计
漏斗
容积：750ml
原理：测定一定钻井液（ 500ml ）从漏斗下端流出所需的时间。
第三节 流变参数测量与计算
2、旋转粘度计
二速 范氏粘度计 六速
（外筒转）
无级调速
范氏粘度计：内筒转
1
2 3
第二节 基本流型及其特点
2、幂律模式
τ = Kγn 式中：K ：稠度系数，Pa.Sn n ：流性指数， 无因次， 0≺n ≺ 1 （1）流性指数n
① 物理意义：反映流体偏离牛顿流体的程度。 n 越小，
表明越偏离牛顿流体
第二节 基本流型及其特点
②影响因素及调整
τ = τ0+ η pγ τ = K γn
惰性固相：在水中分散性弱的固相，如钻屑
活性固相含量 D、液相粘度 固相分散度 内摩擦力 塑性粘度η p （固相含量 一定） 塑性粘度η p
E、温度
液相粘度
塑性粘度η p
第二节 基本流型及其特点
③调整
加预水化般土 ηp 加增粘剂
使用固控设备
ηp
使用化学絮凝剂
加水稀释
第二节 基本流型及其特点
（2）动切力τ0
② 钻井对剪切稀释性要求：要求钻井液具有较强的剪切稀释性。
环形空间： γ 低， η a大，有利于携带钻屑 钻头水眼： γ 大， η a小，有利于水力破岩
第三节 流变参数测量与计算
牛顿流体：τ = η γ
ηa=η
塑性流体：τ = τ0+ η pγ
a p
0
n<1
K
假塑性流体： τ = K γn
（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
s-1
第一节 基本概念
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：100～1 000 s-1 ； 钻头喷嘴处：10 000-100 000 s-1
τ0
加水稀释
消除引起τ0升高的电解质
第二节 基本流型及其特点
二、假塑性流体/幂律流体
1、流变曲线
τ
γ
第二节 基本流型及其特点
（1）曲线过原点
无网架结构 原因 脆弱且不连续的网架结构
（2）曲线无直线段
原因：随γ增大，体系中形状不规则的粒子沿流动方向转 向和变形，流动阻力减小。 2 1 3 流动方向
，
第二节 基本流型及其特点
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
在低剪切速率下，结构拆散速度 产生同样△γ所需△τ减少
变 特性。
第二节 基本流型及其特点
1、流变曲线
τ1/2
γ1/2
第二节 基本流型及其特点
2、卡森模式
τ 1/2 = τc1/2+ η ∞1/2γ1/2
式中： τc -------卡森动切力(卡森屈服值)，Pa；
η ∞ -----极限高剪切粘度（水眼粘度），mPa· s
(1)卡森动切力τc 物理意义：反映钻井液网架结构的强弱 影响因素与调整：同τ0 (1)极限高剪切粘度η ∞ 物理意义：反映钻井液内摩擦力的强弱 影响因素与调整：同η p
第二节 基本流型及其特点
四、流型判断
1、作图法 （1）多点测试（ τ， γ） （2） 分别以τ和 γ为坐标轴绘图 （3） 结合标准流变曲线进行判断
τ
γ
第二节 基本流型及其特点
2、线性回归法 （1）多点测试（ τ， γ） （2）假设流变模式后进行线性回归
τ = τ0+ η pγ
τ = K γn τ 1/2 = τc1/2+ η ∞1/2γ1/2
（1）表观粘度η a η a定义：剪切应力τ与对应剪切速率γ之比 η a = τ/ γ 无特殊说明， η a是指γ=1022 s-1时的η a
0.511 600 1 1 3 a 600 10 600 1022 1022 2 2
600
第三节 流变参数测量与计算
（2）剪切稀释性 ①定义：表观粘度随剪切速率增大而降低的特性。
θ
第二节 基本流型及其特点
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。 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
第二节 基本流型及其特点
一、塑性流体
1、流变曲线
τ
τs γ1 γ
第二节 基本流型及其特点
0 0.36 0.48Pa / m Pa s . p
n 0 . 4 0 .7
2 6m Pa s .
第三节 流变参数测量与计算
5、切力τ与触变性
（1）切力τ 定义：指静切力，表示钻井 液在静止状态下网架结构的 强弱。 切力随静止时间的变化而 变化（见右图）， 塑性流体 静切力τs是静切力的极限值。
3
3
3
n
n
n
3
第三节 流变参数测量与计算
3、卡森流体流变参数计算
τ 1/2 = τc1/2+ η ∞1/2γ1/2
τ 1/2
1.428(
c
600
100 ) 2
2
0.2432 6 ) (
100 600
γ1/2
第三节 流变参数测量与计算
4、表观粘度η a及剪切稀释性
卡森模式：①卡森(Casson)模式是1959年由卡森首先提出的，最初主要应
用于油漆、颜料和塑料等工业中。 ②1979年，美国人劳增(Lauzon)和里德(Reid)首次将卡森模式
用于钻井液流变性的研究中。
③卡森模式不但在低剪切区和中剪切区有较好的精确度，还 可以利用低、中剪切区的测定结果预测高剪切速率下的流
Pa
第三节 流变参数测量与计算
2、假塑性流体流变参数计算
K
lg
n
lg lg K n lg
lg
第三节 流变参数测量与计算
lg n lg
2 2
lg 1 K lg 1
600 300
n
K
n 3.322 lg
K
式中： τ
0
：动切力或屈服值，Pa
η p ：塑性粘度， Pa.S
（1）塑性粘度η
p
①物理意义：反映流体在层流下达到动平衡时，固相颗粒之间、 固相颗粒与液相之间以及液相内部内摩擦力的大小。 ②影响因素 A、固相含量 固相颗粒数目 塑性粘度η p
第二节 基本流型及其特点
B、固相分散度 C、固相类型 活性固相：在水中分散性强的固相，如膨润土 固相颗粒数目 塑性粘度η p
Pa.S
600 300
mPa.S
第三节 流变参数测量与计算
0 p 600 p
600
0.511 600 ( 600 300 ) 103 1022
0.511 2 300 600 ) ( 0.511 300 p) (
a K n 1
膨胀性流体： τ = K γn
1n n>1
K
a K n 1
1n
第三节 流变参数测量与计算
③剪切稀释性影响因素： 塑性流体：
0 剪切稀释性越强 p
假塑性流体： n 剪切稀释性越强
卡森流体：
剪切稀释性越强
④一般钻井要求：
（1）曲线不过原点，在τ轴上有一截距τs
扩散双电层斥力
粘土颗粒 间作用力
水化膜弹性斥力
静电吸引力
范德华引力
粘土颗粒 特点
形状：片状 层面：负电荷（多） 端面：正电荷/负电荷（少）
第二节 基本流型及其特点
粘土颗粒的连接方式：
假设开始时颗粒呈单个分散状态，当斥力逐渐下降时 三种连接方式的出现顺序为：① ② ③
原因：电解质浓度C
粒间斥力 电解质浓度C 粒间斥力 τ0 压缩扩散双电层 形成网架结构 ， τ0 压缩扩散双电层 电动电位 颗 电动电位 颗
形成面面连接 ， 固相分散度 ， τ0 Ca2+ Na+
电解质浓度C
第二节 基本流型及其特点
③调整 加预水化般土 τ0 加高分子聚合物 加适量的电解质
加降粘剂
①物理意义：钻井液在层流状态下达到动平衡时形成网架结构的强弱。 ②影响因素 A、固相含量
B、活性固相含量
网架结构数目 固相分散度 动切力τ0 动切力τ0
动切力τ0 网架结构数目 动切力τ0
C、降粘剂
D、高分子聚合物 D、电解质的影响
第二节 基本流型及其特点
τ0
C0
电解质浓度C
第二节 基本流型及其特点
n 600 n 600
0.511 300 511n
第三节 流变参数测量与计算
n 3.322 lg 0.511 K 170
100 n n n 100
6 200
100
100
n 3.322 lg 0.511 K 5.11
第三节 流变参数测量与计算
第三节 流变参数测量与计算
一、测量仪器及原理
1、漏斗粘度计
漏斗
容积：750ml
原理：测定一定钻井液（ 500ml ）从漏斗下端流出所需的时间。
第三节 流变参数测量与计算
2、旋转粘度计
二速 范氏粘度计 六速
（外筒转）
无级调速
范氏粘度计：内筒转
1
2 3
第二节 基本流型及其特点
2、幂律模式
τ = Kγn 式中：K ：稠度系数，Pa.Sn n ：流性指数， 无因次， 0≺n ≺ 1 （1）流性指数n
① 物理意义：反映流体偏离牛顿流体的程度。 n 越小，
表明越偏离牛顿流体
第二节 基本流型及其特点
②影响因素及调整
τ = τ0+ η pγ τ = K γn
惰性固相：在水中分散性弱的固相，如钻屑
活性固相含量 D、液相粘度 固相分散度 内摩擦力 塑性粘度η p （固相含量 一定） 塑性粘度η p
E、温度
液相粘度
塑性粘度η p
第二节 基本流型及其特点
③调整
加预水化般土 ηp 加增粘剂
使用固控设备
ηp
使用化学絮凝剂
加水稀释
第二节 基本流型及其特点
（2）动切力τ0
② 钻井对剪切稀释性要求：要求钻井液具有较强的剪切稀释性。
环形空间： γ 低， η a大，有利于携带钻屑 钻头水眼： γ 大， η a小，有利于水力破岩
第三节 流变参数测量与计算
牛顿流体：τ = η γ
ηa=η
塑性流体：τ = τ0+ η pγ
a p
0
n<1
K
假塑性流体： τ = K γn
（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
s-1
第一节 基本概念
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：100～1 000 s-1 ； 钻头喷嘴处：10 000-100 000 s-1
τ0
加水稀释
消除引起τ0升高的电解质
第二节 基本流型及其特点
二、假塑性流体/幂律流体
1、流变曲线
τ
γ
第二节 基本流型及其特点
（1）曲线过原点
无网架结构 原因 脆弱且不连续的网架结构
（2）曲线无直线段
原因：随γ增大，体系中形状不规则的粒子沿流动方向转 向和变形，流动阻力减小。 2 1 3 流动方向
，
第二节 基本流型及其特点
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
在低剪切速率下，结构拆散速度 产生同样△γ所需△τ减少
变 特性。
第二节 基本流型及其特点
1、流变曲线
τ1/2
γ1/2
第二节 基本流型及其特点
2、卡森模式
τ 1/2 = τc1/2+ η ∞1/2γ1/2
式中： τc -------卡森动切力(卡森屈服值)，Pa；
η ∞ -----极限高剪切粘度（水眼粘度），mPa· s
(1)卡森动切力τc 物理意义：反映钻井液网架结构的强弱 影响因素与调整：同τ0 (1)极限高剪切粘度η ∞ 物理意义：反映钻井液内摩擦力的强弱 影响因素与调整：同η p
第二节 基本流型及其特点
四、流型判断
1、作图法 （1）多点测试（ τ， γ） （2） 分别以τ和 γ为坐标轴绘图 （3） 结合标准流变曲线进行判断
τ
γ
第二节 基本流型及其特点
2、线性回归法 （1）多点测试（ τ， γ） （2）假设流变模式后进行线性回归
τ = τ0+ η pγ
τ = K γn τ 1/2 = τc1/2+ η ∞1/2γ1/2
（1）表观粘度η a η a定义：剪切应力τ与对应剪切速率γ之比 η a = τ/ γ 无特殊说明， η a是指γ=1022 s-1时的η a
0.511 600 1 1 3 a 600 10 600 1022 1022 2 2
600
第三节 流变参数测量与计算
（2）剪切稀释性 ①定义：表观粘度随剪切速率增大而降低的特性。
θ
第二节 基本流型及其特点
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。 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
第二节 基本流型及其特点
一、塑性流体
1、流变曲线
τ
τs γ1 γ
第二节 基本流型及其特点
0 0.36 0.48Pa / m Pa s . p
n 0 . 4 0 .7
2 6m Pa s .
第三节 流变参数测量与计算
5、切力τ与触变性
（1）切力τ 定义：指静切力，表示钻井 液在静止状态下网架结构的 强弱。 切力随静止时间的变化而 变化（见右图）， 塑性流体 静切力τs是静切力的极限值。
3
3
3
n
n
n
3
第三节 流变参数测量与计算
3、卡森流体流变参数计算
τ 1/2 = τc1/2+ η ∞1/2γ1/2
τ 1/2
1.428(
c
600
100 ) 2
2
0.2432 6 ) (
100 600
γ1/2
第三节 流变参数测量与计算
4、表观粘度η a及剪切稀释性
卡森模式：①卡森(Casson)模式是1959年由卡森首先提出的，最初主要应
用于油漆、颜料和塑料等工业中。 ②1979年，美国人劳增(Lauzon)和里德(Reid)首次将卡森模式
用于钻井液流变性的研究中。
③卡森模式不但在低剪切区和中剪切区有较好的精确度，还 可以利用低、中剪切区的测定结果预测高剪切速率下的流
Pa
第三节 流变参数测量与计算
2、假塑性流体流变参数计算
K
lg
n
lg lg K n lg
lg
第三节 流变参数测量与计算
lg n lg
2 2
lg 1 K lg 1
600 300
n
K
n 3.322 lg
K
式中： τ
0
：动切力或屈服值，Pa
η p ：塑性粘度， Pa.S
（1）塑性粘度η
p
①物理意义：反映流体在层流下达到动平衡时，固相颗粒之间、 固相颗粒与液相之间以及液相内部内摩擦力的大小。 ②影响因素 A、固相含量 固相颗粒数目 塑性粘度η p
第二节 基本流型及其特点
B、固相分散度 C、固相类型 活性固相：在水中分散性强的固相，如膨润土 固相颗粒数目 塑性粘度η p
Pa.S
600 300
mPa.S
第三节 流变参数测量与计算
0 p 600 p
600
0.511 600 ( 600 300 ) 103 1022
0.511 2 300 600 ) ( 0.511 300 p) (
a K n 1
膨胀性流体： τ = K γn
1n n>1
K
a K n 1
1n
第三节 流变参数测量与计算
③剪切稀释性影响因素： 塑性流体：
0 剪切稀释性越强 p
假塑性流体： n 剪切稀释性越强
卡森流体：
剪切稀释性越强
④一般钻井要求：
（1）曲线不过原点，在τ轴上有一截距τs
扩散双电层斥力
粘土颗粒 间作用力
水化膜弹性斥力
静电吸引力
范德华引力
粘土颗粒 特点
形状：片状 层面：负电荷（多） 端面：正电荷/负电荷（少）
第二节 基本流型及其特点
粘土颗粒的连接方式：
假设开始时颗粒呈单个分散状态，当斥力逐渐下降时 三种连接方式的出现顺序为：① ② ③
原因：电解质浓度C
粒间斥力 电解质浓度C 粒间斥力 τ0 压缩扩散双电层 形成网架结构 ， τ0 压缩扩散双电层 电动电位 颗 电动电位 颗
形成面面连接 ， 固相分散度 ， τ0 Ca2+ Na+
电解质浓度C
第二节 基本流型及其特点
③调整 加预水化般土 τ0 加高分子聚合物 加适量的电解质
加降粘剂
①物理意义：钻井液在层流状态下达到动平衡时形成网架结构的强弱。 ②影响因素 A、固相含量
B、活性固相含量
网架结构数目 固相分散度 动切力τ0 动切力τ0
动切力τ0 网架结构数目 动切力τ0
C、降粘剂
D、高分子聚合物 D、电解质的影响
第二节 基本流型及其特点
τ0
C0
电解质浓度C
第二节 基本流型及其特点
n 600 n 600
0.511 300 511n
第三节 流变参数测量与计算
n 3.322 lg 0.511 K 170
100 n n n 100
6 200
100
100
n 3.322 lg 0.511 K 5.11
第三节 流变参数测量与计算