钻井液流变学
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钻井液工艺学-第三章
第二节
数学表达式：
钻井液的基本流型及特点
y
第二节
钻井液的基本流型及特点
流型判断（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
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
漏斗粘度 Funnel Viscosity 定 单 类 义：定体积泄流时间。 位：秒；s 型：
第四节 钻井液流变性与钻井作业的关系
三.钻井液流变性与井壁稳定的关系
流态对井壁稳定的影响：层流比紊流有利于井壁稳定。
第四节 钻井液流变性与钻井作业的关系
四.钻井液流变性与钻速的关系
第四节 钻井液流变性与钻井作业的关系
五.钻井液流变性与井内压力激动的关系
下钻: 当钻头在井内向下运动时，钻井液被推动着向上流动。这时钻头 处的压力等于钻头以上钻井液的流动阻力与该段钻井液的静液柱压力 。超出静液柱压力的部分被称为“激动压力”。这是造成井漏的原因之 一。 起钻:相反，当钻头在井内向上运动时，钻井液向下流动。这时钻头处 的压力等于钻头以上钻井液的静液柱压力减去该段钻井液的流动阻力 。低于静液柱压力的部分被称为“抽吸压力”。这是诱发井喷、井塌的 原因之一。 主要控制措施： 控制起下钻速度； 降低钻井液粘切。
μ a=τ/γ ，mPa· s
第三节
流变参数测量与计算
某一剪切速率下的表观粘度可用下式表示：
μ a=（300ѲN）/N
N—表示转速，单位为r/min； ѲN—表示转速为N时的刻度盘读数。 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/min时的表观粘度，即：
μp
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。
第三章 钻井液的流变性20110905
牛顿内摩擦定律的基本参数
剪切力
– 由于液体内部内聚力的作用，在流速不同的各
液层之间发生内摩擦作用，出现成对的内摩擦 力，称为剪切力
液体的粘滞性
– 液体流动时所具有的抵抗剪切变形的物理性质
牛顿内摩擦定律的基本参数
钻井液粘度(总粘度）
– 钻井液流动时固体颗粒之间，固体颗粒与液
体之间，以及液体分子之间的内摩擦力 内摩擦力的总 内摩擦力 反应
宾汉塑性流体流变参数的测量与计算 P71
动切力τ0 τ0 = 0.511 (θ300− µp) τ0 = τ600 − µp γ600 = 0.511θ600 − [0.511 (θ600 − θ300) / (1022 − 511)] (1022) = 0.511 (2 θ300− θ600) = 0.511(θ300− µp)
剪切稀释性
τ = τ0 + µp γ µa = τ / γ= τ0/ γ + µp =结构粘度+塑性粘度
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 动切力与塑性粘度的比值（简称动塑比） 能够表示剪切稀释性的强弱 τ0 / µp的值越大，剪切稀释性越强
调整钻井液剪切稀释性能的意义
动切力（屈服值）
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，亦即形成空 间网架结构能力的大 小
动切力（屈服值）
主影响要因素 钻井液中的固相含量、分 散度 粘土颗粒的ζ电位和水化 程度（电解质、处理剂） 粘土颗粒吸附处理剂的情 况（稀释剂） 高分子聚合物处理剂（大 分子形成的网架结构）
第三章 钻井液的流变性
钻井液流变学基础简介
Fan-35旋转粘度计的仪器常数
1.)
c
τ__切力(Pa) φ__读数 c__ 仪器常数(0.511) γ __剪切速率(S-1) N__转数 c 1 __ 系数(1.70341)
200 341 100 170 6 10.2 3 5.1
2.) γ=c1×N
N
(转/分)
600
1022
300 511
α
600 3.322 lg 300
lgK
(无因次)
k 0.511
600
1022 n
0.511
300
511n
lgγ lgγ1
lgγ2
(Pa· n) S
其他流变参数的测量
• 表观粘度的测量
表观粘度按严格定义是 特定剪切速率的粘度.即:
表 0.511 1000 1.7034 N
= (2φ300－φ600)×0.511 =(φ300－ηs )×0.511 (Pa)
τo
γ
γ1
γ2
幂率模式流变参数的测量
关键是建立对数座标 τ=Kγn ( 两边取对数) lgτ=lg k+n lgγ
lgτ
lg 2 lg 1 n lg 2 lg 1
lgτ2
α
lg(c2 ) lg(c1 ) lg(1022 ) lg(511)
凡遵循该模式的流体叫牛顿流体。
γ
2.流体流型分类简表
纯 粘 性 流 体
与 剪 切 时 间 无 关 有 关
牛
非 牛 顿 流 体
顿
塑性流体 假塑性流体 膨胀性流体
流
体
带屈服值的假塑性流体
触变形流体
震凝性流体
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-第3章(钻井液流变性)
L.Z.J
a
τs γa γb
第9页
γ
重庆科技学院石油工程学院
Drilling Fluids
剪切稀释性(shear thinning )—
原因：在速梯增大时，网架结构被拆散， 结构粘度降低所致。 意义：具有剪切稀释性的钻井液，在速τb
梯较低时有较大的表观粘度，有利
于悬浮和携带岩屑。而在速梯较大 时又有较小的表观粘度，这有利于
τb
τa a
b
γa
重庆科技学院石油工程学院
γb
γ
L.Z.J
第11页
Drilling Fluids
4.膨胀性液体(dilatant fluid)
淀粉液体为典型的膨
胀性液体；
流变曲线为指数曲线
τb τa a
b
与假塑性液体相似，
但凹凸方向相反； 粘度随速梯增加而增 加——剪切增稠。
L.Z.J
L.Z.J
重庆科技学院石油工程学院
第19页
Drilling Fluids
流变参数:
1.τc―卡森屈服值（Casson yield point -CP) 意义:反映泥浆的结构强弱及携带悬 浮能力,实测接近初始凝胶强度 (γ→0. τ→τc ) 2.η∝―极限高剪粘度（infinite shear viscosity- IV ）,水眼粘度、紊流 粘度. 意义:表示体系的纯粹内摩擦性质 （粘滞性）,数值上等于剪切速 率为无穷大时的有效（视）粘 度。（γ→∝ η→η∝ ）
Drilling Fluids
第三章 钻井液流变性 Drilling Fluid Rheological Property
——在外力（泵送、搅拌）作用下,液体 流动和变形的特性。 钻井液流变性指网架结构变形与流动特性。 包括粘度、切力、剪切稀释性、触变性等。
a
τs γa γb
第9页
γ
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Drilling Fluids
剪切稀释性(shear thinning )—
原因：在速梯增大时，网架结构被拆散， 结构粘度降低所致。 意义：具有剪切稀释性的钻井液，在速τb
梯较低时有较大的表观粘度，有利
于悬浮和携带岩屑。而在速梯较大 时又有较小的表观粘度，这有利于
τb
τa a
b
γa
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γb
γ
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第11页
Drilling Fluids
4.膨胀性液体(dilatant fluid)
淀粉液体为典型的膨
胀性液体；
流变曲线为指数曲线
τb τa a
b
与假塑性液体相似，
但凹凸方向相反； 粘度随速梯增加而增 加——剪切增稠。
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第19页
Drilling Fluids
流变参数:
1.τc―卡森屈服值（Casson yield point -CP) 意义:反映泥浆的结构强弱及携带悬 浮能力,实测接近初始凝胶强度 (γ→0. τ→τc ) 2.η∝―极限高剪粘度（infinite shear viscosity- IV ）,水眼粘度、紊流 粘度. 意义:表示体系的纯粹内摩擦性质 （粘滞性）,数值上等于剪切速 率为无穷大时的有效（视）粘 度。（γ→∝ η→η∝ ）
Drilling Fluids
第三章 钻井液流变性 Drilling Fluid Rheological Property
——在外力（泵送、搅拌）作用下,液体 流动和变形的特性。 钻井液流变性指网架结构变形与流动特性。 包括粘度、切力、剪切稀释性、触变性等。
Chapter 3-钻井液流变参数与钻井作业的关系
与 时 间 无 关 的 与时间有 关的 粘弹性体 牛顿流体 宾汉塑性流体 幂律流体 假塑性流体 膨胀性流体 非 牛 顿 流 体
纯 粘 性 体
带屈服值幂律流体
带屈服值假 塑性流体
带屈服值膨 胀性流体
触变性流体 振凝性流体 多种类型
1. 四种基本流型
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。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。
Test 4
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
Answers
1.
2. 3.
Density Solid content Methylene blue test Formation pore pressure Mud hydrostatic pressure Rheology of Drilling Fluids laminar flow regime
。
（2）粘塑性流体
① 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；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。 ② 此直线段的斜率称为塑性粘度(表示为 p 或PV)。延长直线段与 剪切应力轴相交于一点τ0， (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。 ③ τ0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。
15 实测泥浆粘度 实际粘度 实测清水粘度
2. Direct-Indicating Viscometers
3. Calculation of rheological parameters
纯 粘 性 体
带屈服值幂律流体
带屈服值假 塑性流体
带屈服值膨 胀性流体
触变性流体 振凝性流体 多种类型
1. 四种基本流型
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。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。
Test 4
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
Answers
1.
2. 3.
Density Solid content Methylene blue test Formation pore pressure Mud hydrostatic pressure Rheology of Drilling Fluids laminar flow regime
。
（2）粘塑性流体
① 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；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。 ② 此直线段的斜率称为塑性粘度(表示为 p 或PV)。延长直线段与 剪切应力轴相交于一点τ0， (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。 ③ τ0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。
15 实测泥浆粘度 实际粘度 实测清水粘度
2. Direct-Indicating Viscometers
3. Calculation of rheological parameters
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
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宾汉模式与幂律模式的比较
1、在中等和较高的剪切速率范围内, 幂律模式和宾汉模式均 能较好地表示实际钻井液的流变特性。
2、环形空间的较低剪切速率范围内幂律方程比宾汉公式更能 接近钻井液的真实流动性。
钻井液设计和现场应用中，这两种流变模式往往都同时使用。
切 应 力 30
/
范
氏 指
20
针 读
10
值
宾汉模式
钻井液流变学
主讲: 睢文云
石油工程技术研究院 2007年9月
主要内容
流体的基本流型及其特点 钻井液流变参数及其计算 钻井液流变性与钻井作业相关计算
第一部分 流体的流型及其特点
一、基本概念
1、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，其中流动性是主要方面。
描述参数： 塑性粘度、动切力、静切力、表观粘度等
对于钻井液来说，它既包括流体内部由于摩擦作用所引起的粘度，又包括 粘土颗粒之间及高分子聚合物分子之间由于形成空间网架结构所引起的粘
度。后者被称为结构粘度
随着剪切速率的增加，结构粘度不断减小，当剪切速率达到很高值（如钻 头水眼处），结构粘度趋于零，可理解为，塑性粘度是剪切速率极高时的 表观粘度。
剪切稀释性
塑性流体 假塑性流体 膨胀性流体
3
剪
1
切
2
应
4
力
τ
剪切速率γ
1-牛顿流体 2-假塑性流体 3-塑性流体 4-膨胀性流体
各种流体的特点
牛顿流体： 当τ＞0时，γ＞0，即施加一个外力，就开始流动。 粘度不随剪切速率的增减而变化。
假塑性流体：流变曲线凹向剪切应力轴，静止时，所含有的颗粒是分散的，当剪切应 力增大时，部分颗粒会纠缠在一起形成网架结构，使流动阻力增大。
液体流动时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（ γ ）成正比，而与接触面 积上的压力无关。
即：F=µ Sγ
τ=F/S= µγ
---- 数学表达式
剪切应力可理解为单位面积上的剪切力
µ是量度液体粘滞性大小的物理量，通常称 为粘度。与液体的性质及温度有关，并随 温度的升高而降低。
2、表观粘度和剪切稀释性
定义：在某一剪切速率下，剪切应力与剪切速率之比。 又称有效粘度。单位Pa.s，通常使用mPa.s
即μa=AV=τ/γ
由宾汉方程，塑性流体的表观粘度可表示为:
μa= µp + τ0/γ= µp +η结构
由幂律方程，假塑性流体的表观粘度可表示为:
μa= Kγn-1
塑性流体的表观粘度是流体在流动过程中所表现出的总粘度。
假塑性流体
特点：施加极小的剪切应力就能产生流动，不存在静切应力； 粘度随剪切应力的增大而降低；
区别：塑性流体当剪切速率增大到一定程度，剪切应力与剪切 速率之比为一常数，流变曲线为直线；
假塑性流体剪切应力与剪切速率之比总是变化的，流变 曲线无直线段
稠度系数
假塑性流体流变模式
τ= Kγn 幂律模式
流性指 数
剪切速率大，表示液流中各层之间 流速的变化大；反之，流速的变化 小。
x
dx
v+dv v
水在河面的流速分布
3、剪切应力
剪切应力：液流中各层的流速不同，层与层之间发生内 摩擦作用，即出现成对的内摩擦力，也就是 剪切应力。阻碍液层剪切变形
液体的粘滞性：液体流动时所具有的抵抗剪切变形的物理 性质。
4、牛顿内摩擦定律
实际钻井液
幂率模式
50 100 150 剪切速率/（范氏粘度计）/r/min-1
动切力
定义：它反映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。 代号τ0 （YP），单位：Pa 凡是影响钻井液形成结构的因素，均会影响τ0 值。
影响因素：
➢粘土矿物类型核和浓度； ➢电解质----絮凝程度增大，增加动切力 ➢降粘剂—拆散网架结构，降低动切力
（简称 动切力 或屈服值 ）
直线段的斜率称为塑性粘度（ µp即 PV）
塑性流体流变模式
τ= τ0+µp γ 宾汉模式
剪 切 应力τ ττ0s
剪切速率γ
1-牛顿流体 2-假塑性流体 3-塑性流体 4-膨胀性流体
第二部分 钻井液流变参数及其计算
1、塑性粘度和动切力
塑性粘度 它是塑性流体的性质，不随剪切速率而变化。代号µp（ PV），单位Pa.S
实际应用中，调整钻井液宾汉模式流变参数的方法：
➢降低µp：合理使用固源自设备，加水稀释或化学絮凝—减少固含
➢提高 µp：
加入粘土、重晶石、混入原油， 适当提高PH、增加聚合物浓度
➢降低τ0
加入降粘剂、清水、稀浆 如由Ca 2+、Mg 2+等污染引起用沉淀法除去
➢提高τ0
加入预水化膨润土浆、增大高分子聚合物加量 钙处理或盐水钻井液适当增加Ca 2+、Mg 2+浓度
作用： 携带岩屑，保证井底和井眼清洁 悬浮岩屑与重晶石（各类加重材料） 提高机械钻速 保持井眼规则和保证井下安全
2、剪切速率
剪切速率：表示垂直于流速方向上单位距离流速的增量。 也称为流速梯度。以γ表示，单位s-1
液体中各层的流速不同。如果在垂 直于流速方向上取一段无限小的距 离dx，流速由v变化到v+dv，那么比 值dv/dx即为流速梯度
单位Pa，实际应用mPa.s 1cP =1mPa.s
物理意义： 产生单位剪切速率所需要的剪 切应力。
二、流体的基本流型
牛顿流体：遵守牛顿内摩擦定律的流体。
水、酒精、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
非牛顿流体：不遵守牛顿内摩擦定律的流体。
高分子聚合物的浓溶液和悬浮液等
非牛顿流体
物理意义:剪切应力克服结构力的状态下,流体内部纯机械摩擦所形成 的流动阻力。反映了在层流情况下，钻井液中网架结构的破坏 和恢复处于动平衡时，固相颗粒之间、固相与液相之间及连续液 相内部的摩擦作用的强弱。
影响因素：
➢钻井液中固相含量 ➢粘土的分散程度 ➢高分子聚合物处理剂 –提高液相粘度
（浓度越高， µp越高；相对分子量越大， µp越高）
膨胀流体：稍加外力即发生流动，粘度随剪切速率（或剪切应力）增加而增大，静止 时又恢复原状。（比较少见，不作研究）
C-30
M-11
与钻井液相关的流体
塑性流体
特点：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（静切力、凝胶强度）。
直线段延长线与剪切应力轴的交点τ0称为动切应力 YP
定义：塑性流体和假塑性流体的表观粘度随剪切速率 的增加而降低的特性。