钻井液的流变性分析共41页文档
第三章 钻井液的流变性
常称为聚结；端—面与端—端连接形成三维的网架
结构、特别是当粘土含量足够高时，形成布满整个
空间的连续网架结构，称做凝胶结构，称为絮凝。
与聚结和絮凝相对应的相反过程分别叫做分散和解 絮凝 ，如图3-5所示。
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塑性流体机理分析
一般情况下，钻井液中的粘土颗粒在不同程度上 处在一定的絮凝状态。要使钻井液开始流动，必须施
加一定的剪切应力，破坏絮凝时形成的连续网架结构。
这个力为静切应力，静切应力反映所形成结构的强弱， 将静切应力称为凝胶强度。 在钻井液开始流动以后，初期的剪切速率较低，结 构的拆散速度大于恢复速度，拆散程度随剪切速率增
加而增大，粘度随剪切速率增加而降低。
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随着结构拆散程度增大，拆散速度逐渐减小，结
钻井液为塑性流体和假塑性流体。
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牛顿流体
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。
水、酒精等大多数纯液体、轻质油、低分量化合物 溶液以及低速流动的气体等均为牛顿流体。 流动特点：加很小的剪切力能流动，剪切应力与流速 梯度成正比。在层流区域内，粘度不随切力流速梯度 变化，为常量。
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牛顿流体的流变模型与流变曲线
流变方程
流变曲线
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塑性流体
与牛顿流体不同，当剪切速率为零时：即
流变性及其调整
（2）悬浮岩屑与重晶石； （3）提高机械钻速；
（4）保持井眼规则和保证井下安全。
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一、 钻井液的基本流型及其特点
1. 剪切速率和剪切应力（Shear Rate and Shear Stress）：液体和固体
不同，液体具有流动性。就是说，加很小的力就能使液体发生变形，而且 只要力作用的时间相当长，很小的力就能使液体发生很大的变形。
流变性及其调整
第1页，共74页。
第五节 钻井液的流变性及其调整
一、 钻井液的基本流型及其特点 二、 钻井液流变参数的测量及其调整
三、 钻井液流变性与钻井作业的关系
四、 钻井液降粘剂
第2页，共74页。
钻井液流变性（Rheological Properties of Drilling Fluids）：
流 线如图所示。符合这四种流型的流体分别叫做牛顿流体、塑性流体、假塑性流 体 体和膨胀性流体。 流 动 的 基 （1）牛顿流体： 本 ①流变方程： = m g 概 念 ②意义：当牛顿流体在外力作用下流动时，
剪切应力与剪切速率成正比。 ③ 流 体 特 点 ： 当 ﹥0 时 ， g﹥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。
于它反映了所形成结构的强弱，因此又将静切应力称为凝胶强度。
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塑性流体
一、钻井液的基本流型及其特点
（8）流变曲线分析
①曲线段：在钻井液开始流动以后，由于初期的剪切速率较低， 结构的拆散速度大于其恢复速度，拆散程度随剪切速率增加而增大，因 此表现为粘度随剪切速率增加而降低；
钻井液流变性测定
中国石油大学钻井液工艺原理实验报告实验日期：2011/4/26 成绩：班级：学号：姓名：教师：同组者：实验一钻井液流变性测定一 .实验目的1. 掌握六速旋转粘度计的应用方法。
2. 掌握如何判断钻井液的流型及对应流变参数的计算方法。
3. 比较各流变模式与实际流变曲线的吻合程度，弄清各种模式的特点。
4. 掌握钻井液增粘剂及降粘剂对钻井液流变性的影响。
二.实验原理1. 旋转粘度计工作原理电动机带动外筒旋转时，通过被测液体作用于内筒上的一个转矩，使与扭簧相连的内筒偏转一个角度。
根据牛顿内摩擦定律，一定剪功速率下偏转的角度与液体的粘度成正比。
于是，对液体粘度的测量就转换为内筒的角度测量。
2. 流变曲线类型、意义。
流变曲线是指流速梯度和剪切应力的关系曲线。
根据曲线的形式，它可以分为牛顿型、塑性流型、假塑性流型和膨胀性流型。
为了计算任何剪切速率下的剪切应力，常用的方法是使不同流变模式表示的理想曲线逼近实测流变曲线，这样，只需要确定两个流变参数，就可以绘出泥浆的流变曲线。
牛顿模式反映的牛顿液体，其数学表达式为：τ =η·D宾汉模式反映的是塑性液体，其数学表达式为：τ =τ 0 +ηp·D指数模式反映的是假塑性流体，其数学表达式为：τ =K·D n 或 Lgτ =lgK + n·lgD卡森模式反映的是一种理想液体，其数学表达式为：τ1/2 =τ1/2 c +η1/2∞ .D1/2实际流变曲线与那一种流变模式更吻合，就把实际液体看成那种流型的流体。
三. 实验仪器及药品实验仪器：ZNN-D6 型旋转粘度计；高速搅拌器。
实验仪器使用要点：1.检查好仪器，要求；①刻度盘对零。
若不对零，可松开固定螺钉调零后在拧紧。
②检查同心度。
高速旋转时，外筒不得有偏摆。
③内筒底与杯距不低于1.3cm。
2.校正旋转粘度计①倒350m1 水于泥浆杯中，置于托盘上，上升托盘，使液面与外筒刻度线对齐，拧紧托盘手轮。
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
第三章 钻井液的流变性
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-第3章(钻井液流变性)
a
τs γa γb
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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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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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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。
钻井液和完井液化学—第三章 钻井液的流变性
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
0 p
此式即是塑性流体 的流变模式，该式常称 τ 为宾汉模式，并将塑性 流体称为宾汉塑性流体。
0
τ
τs
γ
塑性流体机理分析
塑性流体表现上述流动特性是与它的内部结 构分不开的。例如．水基钻井液粘土颗粒表面的 性质(带电性和水化膜)极不均匀，可能出现如图 3—5所描述的三种不同连接方式，即面—面、 端—面和端—端连接，从而形成空间网架结构。
塑性流体机理分析
τ
随着结构拆散程度增大，拆散速度逐渐减小， 结构恢复速度相应增加。因此，当剪切速率增至一 定程度，结构破坏的速度和恢复的速度保持相等 τ0 (即达到动态平衡)时，结构拆散的程度将不再随剪 τs 切速率增加而发生变化，相应地粘度也不发生变化。 该粘度即钻井液的塑性粘度。因为该参数不随剪切 γ 应力和剪切速率而改变，所以对钻井液的水力计算 是很重要的。
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等 均屑于假塑性流体。其流变 曲线是通过原点并凸向剪切 应力轴的曲线。 这类流体的流动特点：施 加极小的剪切应力就能产生 流动，不存在静切应力，它 的粘度随剪切应力的增大而 降低。
切应力继续增大，并超过τs时，塑性流体不能均 匀剪切，粘度随切应力的增加而 降低，即图中曲线段；继续增加 τ 切应力，粘度不随切应力的增加 而降低，图中直线段； 塑性粘度（ p 或PV）：不 随切力或流速梯度改变的粘度。 动切力（YP）：直线段延长 线与切应力的交点（τ0）为动 切应力或叫屈服值。
钻井液与完井液化学
第三章 钻井液的流变性
第三章 钻井液的流变性
钻井液的流变性是指钻井液流动和变形的特性。
第六章 钻井液的流变性
第六章钻井液的流变性钻井液的流变性是钻井液的一项最基本性能，它是指在外力作用下，钻井液发生流动变形的特性。
该特性通常用钻井液的流变曲线、表观粘度、塑性粘度、动切力、静切力等流变参数来进行描述的。
它在解决1、岩屑携带，保证井底和井眼清洁；2、悬浮岩屑和加重材料；3、保持井眼规则和保障井下安全；4、提高机械钻速等钻井问题时起着十分重要的作用。
另外，钻井液的某些流变参数还直接用于钻井环空水力学的有关计算。
对钻井液流变性的深入研究有利于对油气井钻井液流变参数的优化设计和合理调控。
一、流体流变性的概念1、流体流动的特点流体流动实际上是流体随时间连续变形的过程。
液体的流动变形是因为液体受到剪切作用引起的剪切变形。
既液体在大小相等、方向相反、而作用线相距很近的两个力作用下，液体内部指点发生相对错动。
以河水流动的速度分布为例，可以看到，越靠近河岸，流速越小，河中心处流速最大。
水在管道中流速分布与河水相似，管道中心流速最大，靠近管壁处速度为零。
可以想象，如果把管道内流动的水沿着管道半径的方向由内向外分成若干层，每一层流速是不同的。
如图6—1所示。
液流中各层的流速不同这个现象，通常用剪切速率（或称速度梯度）这个物理量来描述。
图6-1在圆形管道中水的流速分布a —流速分布示意图b —流速分布曲线2、剪切速率和剪切应力如前所述，液体在管内流动时，在垂直于流速方向上，由内向外流速逐渐减小。
若液体液层之间的距离为dx，各液层的速度差为dv，则垂直于流速方向不同液层流速的变化可以表示为dv/dx，那么dv/dx叫速度梯度即剪切速率。
其物理意义是在垂直于流速方向上，单位距离流速的增量。
物理单位为S-1钻井液在循环系统的不同位置剪切速率值如下：沉砂池： 10 —20 S-1环形空间： 50 —250 S -1钻杆内： 100—1000 S-1钻头喷嘴处： 104 —105 S-1液体流动时表现出的速度梯度，是液体内存在内摩擦作用的结果。