Chapter 2-钻井液流变性能

钻井液常用流型：
① 牛顿流体(Newtonian Fluids) ② 宾汉流体(Bingham Plastic Flow) ③ 幂律流体(Power law flow) ④ 卡森流体(Casson flow)
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。 其粘度不随剪切速率的增减而变化。
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 ;
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
是指在外力作用下，钻井液发生流动和变形的特性。
该特性通常用钻井液的流变公式、流变曲线和流变参数，如
塑性粘度（Plastic Viscosity）、动切力（Yield Point）、 静切力（Gel Strength）、表观粘度（Apparent Viscosity） 等来进行描述的。
流变参数是流变方程的常数。
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。
15 实测泥浆粘度 实际粘度 实测清水粘度
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。电动六速旋转粘度 计仪器结构如图所示（测试原理见P38)。
(亦可表示为YP)称为动切应力(常简称为动切力或屈服值yield point)，是将粘 粘塑流体流动图 塑流体看成塑性流体，使粘度变为常数(即塑性粘度)所需的最小切应力。τd表 示此流体运动时结构的存在及其数值的大小。塑性粘度和动切力是钻井液的两 个重要流变参数。
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：
1. 流体流动的基本概念
剪切速率(Shear rate （shear rate）或速度梯度,
velocity gradient）和剪切应力（shear stress）。
管道中水的流速分布是中心处流
速最大，越向周围流速越小，靠 近管壁处流速为零。流速剖面形 状为抛物线。从立体来看，它像 一个套筒望远镜或拉杆天线，如 图2所示。
2．流变模式和流变曲线(flow models and flow curves) 剪切应力和剪切速率是流变学中的两个基本概念，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剪切
速率之间的关系。这种关系可以用学关系式表示，也可以作 出图线来表示。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( flow models)如式
n K
式中：K—稠度系数，或称为幂律系数，Pa· n； n——流性指数，或 s 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。 上式中，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。
C2 C1 A
B
τs
θ2
· γ
θ1
0
塑性流体流变曲线
静切力：是指要使静止的塑性流体开始运动时，破坏其单位面积上 的网状结构所需要的切力。它可以用来表示塑性流体静止时网状结 构强度的大小。
C2 C1 A
B
当外力超过τs后，塑性流体作层流流动， 其流变曲线呈斜直线变化。此斜直线可用 下列宾汉方程(流变模式－流变方程)来表 示：
初 0.5113
终 0.5113
（4）幂律流体
流性指数 : 稠度指数:
n 3.322lg
k
600 300
（无因次） （Pa.Sn）
0.511 300 511n
钻井液流变性要点：
1. 2. 3. 4. 5. 6.
7.
8.
流变学（Rheology)； 剪切速率(shear rate)，剪切应力(shear stress)； 流变模式（方程）flow model (equation)、流变曲线(curve)； 牛顿流体的特点； 宾汉流体－塑性流体：静切力(Gel strength)、塑性粘度 (plastic viscosity)； 宾汉流体－粘塑性流体：静切力、塑性粘度、动切力(yield point)； 幂律流体及其参数； 钻井液流变特性的测量（阅读P38－39旋转粘度计测量原理）。

就是
牛顿流体的流变模式。若用图线来表时，就称为流变曲线
(flow curves)。
二、流动类型与流变参数 Flow Types and flow parameters
按照流体流动时剪切速率与剪切应力之间的关系，流体 可以划分为不同的类型，即所谓流型。除牛顿流型外，根据 所测出的流变曲线形状的不同，又可将非牛顿流体的流型归 纳为塑性流型、假塑性性流型和膨胀流型。以上四种基本流 型的流变曲线见图3-4。符合这四种流型的分别叫牛顿流体、 塑性流体、假塑性流体和膨胀性流体。
.
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
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。
1.0087×10－3 Pa· s。
2、宾汉流体（塑性流体与粘塑性流体）
（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。也就是说，它 不是加很小的剪切应力就开始流动，而 是必须加一定的力才开始流动，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)。
（1）符号
600
（2）塑性流体和粘塑性流体: 表观粘度:
塑性粘度： 动切力:
静切力 ：
a 300
1 2
（mPa•s）
P 600 300
d 0.511300 p ) 0.511 2300 600 ) ( (
（mPa•s） （Pa）
（10s） （Pa） （10min）（Pa）
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。
钻井液流变特性
The Rheology of Drilling Fluids
流变学（Rheology）：是研究流体在外力的作用下，流体
发生流动和变形的特性，建立剪切应力和剪切速率的关系， 如流变方程和流变曲线。
钻井液流变性（Rheological Properties of Drilling Fluids ）
τs
s p
。
式中：
· γ
θ2
0
s
p
可见，塑性流体有两个流体参数，即塑性粘度 p 和静切力 s
θ1
—静切力，Pa；
—塑性粘度(plastic viscosity)，Pa· 。 s
。
（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)
d p
当剪切应力超过τs时，在初始阶段剪切应力和剪切速率的关系不是一条直线， 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低(图中曲线 段)。继续增加剪切应力，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，此时流变曲线变成直线(图中直线段)。此直线段的斜率称为塑性 粘度(表示为μp或PV)。延长直线段与剪切应力轴相交于一点τd，通常将τd
②
③
④ ⑤
在一定温度和压力条件下，牛顿粘度为一常数。
可以把粘土含量低的稀泥浆归为牛顿流体。
气体、水、甘油、硅油、低分子化合物溶液等均属于牛顿流体。

式中：
或



—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；

典型牛顿流体流变图
—牛顿粘度或称为动力粘度 Pa· s,(1Pa· s=1000cP， 或lcP=10-3Pa· s=1mPa· s)
（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 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。