钻井液和完井液化学-第三章 钻井液的流变性

1、 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。 钻井液流变性是钻井液的一项基本性能，解决：(1)携带、悬浮岩屑与重晶石；(2)提高机械钻速；(3)保持井眼规则和保证井下安全。 此外，某些流变参数还直接用于钻井环空水力学的有关计算。因此，深入研究钻井液流变性对油气井钻井液流变参数的优化设计和有效调控是钻井液工艺技术的一个重要方面。第一节 钻井液的流动状态和基本概念1. 流体的流动类型 稳 定 流： 流场中任何点的流动参量不随时间改变，但不同点的流动参量是可以不同的流动。特 点： 稳定流动是连续性的。 不稳定流：流场中任何点的流动参量

2、不但随位置不同而变，而且随时间不同也在改变的流动。特 点：旧的流动条件刚改变到新的流动稳定条件建立之间的流动。 如：流体刚开始流动时；管道横断面变宽、变窄处。第一节 钻井液的流动状态和基本概念 稳定流动类型的变化 塞流 Plug Flow 稳定流 层流 Laminar Flow 紊流 Turbulent Flow塞 流层 流紊 流稳定流动类型的变化第一节 钻井液的流动状态和基本概念塞流：流体象塞子一样流动，流速为常数。层流：流体分层运动。任意流层与相邻流层方向相 同，流速不同。紊流：流体内形成无数小旋涡。任一定点的流速，其大小、方向都在进行着不规则的、连续的变化。第一节 钻井液的流动状态和基本

3、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： 单位为：s-1; 流体各层之间流速不同，层与层之间必然存在相互作用。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。第一节 钻井液的流动状态和基本概念牛顿内摩擦定律： 剪切应力：内摩擦力F除以接触面积S即得液体内的剪切应力 ，剪切应力可理解为单位面积上的剪切力，即是量度液体粘滞性大小的物理量，即粘度，单位为或mPa. s。 第一节 钻井液的流动状态和基本概念粘度物理意义：产生单位剪切速率所需要的剪切应力。 越大，表示产生单位剪切速率所需要的

4、剪切应力越大。粘度是液体的性质，不同液体有不同的值。 还与温度有关，一般随温度的升高而降低。第一节 钻井液的流动状态和基本概念流变模式与流变曲线剪切应力和剪切速率是流变学中的两个基本慨念，钻井液流变性的核心问题就是研究各种钻井液的剪切应与剪切速率之间的关系。这种关系用数学关系式表示，称为流变方程，习惯上又称为流变模式，用图纸来表示，就称为流变曲线。第一节 钻井液的流动状态和基本概念流变方程流变曲线第一节 钻井液的流动状态和基本概念流体的基本流型牛顿流体：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

5、为牛顿流体。 其流动特点：加很小的剪切力就能流动，而且流速梯度与切应力成正比。在层流区域内，粘度不随切力流速梯度变化，为常量。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，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，即不遵守牛顿内摩擦定律的流体。 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：四种流型牛顿流体塑性流体假塑性流体膨胀性流体非牛顿流体第一节 钻井液的流动状态和基本概念第一节 钻井液的流动状态和基本概念塑性流体 与牛顿流体不同，当剪切速率为零时：即 剪切力0，而是s，即施加的切应力必

6、须超过某一特定值才能开始流动。 s为开始流动的最小切应力，的称为静切力，简称切力或凝胶强度。s0第一节 钻井液的流动状态和基本概念s0 切应力继续增大，并超过s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（ 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（0）为动切应力或叫屈服值。第一节 钻井液的流动状态和基本概念s0 此式即是塑性流体的流变模式，该式常称为宾汉模式，并将塑性流体称为宾汉塑性流体。塑性流体流变模式与流变曲线 塑性流体机理分析 塑性流体表现上述流动特性是与

7、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35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 一般情况下，钻井液中的粘土颗粒部在不同程度上处在一定的絮凝状态。因此，要使钻井液开始流动，就必须施加一定的剪切应力，破坏絮凝时形成的这种连续网架结构。这个力即静切应力，由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。 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。s0 塑性流体机理分析 随着结构拆散程

8、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(即达到动态平衡)时，结构拆散的程度将不再随剪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。s0 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。 假塑性流体 假塑性流体和塑性流体的一个重要区别在于：塑性流体当剪切速

9、率增大到一定程度时，剪切应力与剪切速率之比为一常数，在这个范围，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，即在流变曲线中无直线段。 假塑性流体流变模式与流变曲线 假塑性流体服从下式所示的幂律方程，即 该式为假塑性流体的流变模式，习惯上称为幂律模式,式中的n(流性指数)和是K(稠度系数)是假塑性流体的两个重要流变参数。 假塑性流体流变模式与流变曲线 n:表现出流体非牛顿性程度。一般小于1，为无因次量。钻井液设计中经常要确定较合理的范围，一般希望有较低的n值，使其具有较好的稀释性能。 K(稠度系数)：反映钻井液的可泵性以及携岩性。 0.25 0.5 1 剪切速率剪切应力钻井液流

10、变性和现场实际应用一般情况下，沉砂池处剪切速率最低，大约在10-20s-；环形空间50-250s-；钻杆内100-1000s-；钻头喷嘴处最高，大约在10000-100000s-。钻井液流变性和现场实际应用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动特性，然而在环形空间的较低剪切速率范围内，幂律模式比宾汉模式更接近实际钻井液的流动特性。钻井液流变性和现场实际应用 在钻井液设计和现场实际应用中，这两种流变模式往往同时使用。幂律模式能更好地表示钻井液在环空的流变性，并能更准确地预测环空压降和进行有关的水力多数计算。 为了进一步提高幂律模式的应用效果一种经修正的幂律

11、模式，即赫-巴三参数流变模式也已经引入对钻井液流变性的研究中。第二节 钻井液流变参数的测量与调控 钻井液的流变性能除上面己提及的塑性粘度、动切力、静切力、流性指数和稠度系数外，还包括漏斗粘度、表现粘度、剪切稀释性、动塑比和触变性等。本节将继续讨论各种流变参数的物理意义，并简要介绍其测量与计算方法，以及对它们进行调整和控制的原理和手段。 漏斗粘度 在钻井过程中，钻井液漏斗粘度需要经常测定。由于测定方法简便，可直观反映钻井液粘度的大小，因此该参数已沿用多年。漏斗粘度计的外观如图所示。 漏斗粘度 (1)用钻井液量杯的上端(500 mL)与下端(200mL)准确量取700mL钻井将左手食指堵住漏斗口，

12、使钻井液通过筛网后流入漏斗中。 (2)将钻井液量杯500mL的一端置于漏斗口的下方；在松开左手食指的同时右手按动秒表。注意在钻井液流出过程中始终使漏斗保持直立。 (3)待钻井液量杯500ml的一端流满时，按动秒表记录所需时间。所记录的时间即漏斗粘度，其单位为s。漏斗粘度计常用纯水进行校正。 注意：漏斗粘度只能用来判别在钻井作业期间各个阶段粘度变化的趋向，它不能说明钻井液粘度变化的原因，也不能作为对钻井液进行处理的依据。 表观粘度 表观粘度(AV)：也称有效粘度，是指在一定剪切速率下，剪切力与剪切速率的比值为表观粘度。 abc 塑性粘度和动切力 塑性粘度：反映了在层流情况下，钻井液中网架结构的破

13、坏与恢复处于动平衡时，悬浮的固相颗粒之间、固相颗粒与液相之间以及连续液相内部的内摩擦作用的强弱。s0 塑性粘度和动切力 了解表观粘度的构成对钻井液工艺具有很重要的意义： 1、了解两种粘度所占的比例组成，有助于认识钻井液的实质和问题所在，有助于判断环空流态和钻井液稀释特性。 2、指导钻井液流变性质的调整。钻井液过高粘度是由结构粘度还是塑性粘度引起的，便于调整。 塑性粘度和动切力影响塑性粘度的因素主要有(1)钻井液中的固相含量。这是影响塑性粘度的主要因素。一般情况下，随着钻井液固体颗粒逐渐增多，颗粒的总表面积不断增大，所以颗粒间的内摩擦力也会随之而增加。(2)钻井液中粘土的分散程度。当粘土含量相同

14、时，其分散度愈高，塑性粘度愈大。(3)高分子聚合物处理剂。钻井液中加入高分子聚合物处理剂会提高液相粘度，从而使塑性粘度增大。显然，其浓度愈高，塑性粘度愈高；相对分子质量愈大，塑性钻度愈高。 塑性粘度和动切力 影响动切力的因素主要有 （1）粘土矿物的类型和浓度：蒙脱石、伊利石、高岭石。 （2）电解质：在钻井过程中无机电解质的侵入均会引起钻井液絮凝程度增加，从而动切力也增加。 （3）降粘剂：大多数降粘剂都是吸附在粘土端面，使其带有一定的负电荷，拆散网架结构，从而降低动切力。 塑性粘度和动切力 宾汉流变模式参数调整 （1）降低塑性粘度：通过合理使用固控设备、加水稀释或化学絮凝等方法，尽量减少固相含量

15、。 （2）提高塑性粘度：应用低造浆粘土配浆，加入加重剂、混油、提高PH值、加入高分子聚合物等 （3）降低动切力：最有效的方法加入降粘剂，若有钙镁离子侵入，可加入沉淀剂，除去钙镁离子。 （4）提高动切力： 可加入预水化膨润土浆，或增大高分聚合物的加量。对于钙处理钻井液或盐水钻井液，可通过适当增加钙钠离子浓度。对非加重钻井液，塑性粘度应控制，动切力应控制在1.4-14.4Pa.流性指数和稠度系数由幂律方程，假塑性流体的表观粘度表示为： 流型指数n表示假塑性流体在一定剪切速率范围内所表现出的非牛顿性的程度。钻井液的n值一般均小于1。n值越小，表示钻井液的非牛顿性越强。流性指数是一个无因次量。在钻井液

16、设计中，经常要确定流性指数的合理范围，一般希望有较低的n值，以确保钻井液具有良好的剪切稀释性能。流性指数和稠度系数 K值则与钻井液的粘度、切力联系在一起。显然，它与流体在剪切速率为1/s时的粘度有关。 K值愈大，粘度愈高，因此一般将K值称为稠度系数。对于钻井液，K值可反映其可泵性。若K值过大，将造成重新开泵困难。若K值过小，又将对携岩不利。因此，钻井液的值应保持在一个合适的范围内。流性指数和稠度系数 影响K值的主要因素：受体系中固含和液相粘度的影响，同时也受结构强度的影响。当固体含量或聚合物处理剂的浓度增大时，K值相应增大； 降低K值类似于降低钻井液的粘度，有利于提高钻速；提高K值类似于增大钻

17、井液的粘度，这有利于清洁井眼和消除井塌引起的井下复杂情况，因此，K值并非越低越好，有时需要适当提高K值。流性指数和稠度系数 影响n值主要因素：主要受形成网架结构因素的影响。 一般情况下，降低n值有利于携带岩屑、清洁井眼。流性指数和稠度系数 调节K值常用的方法： 降低K值最有效的方法是通过加强固相控制或加水稀释以降低钻井液中的固相含量。 适当提高K值时，可添加适量聚合物处理剂，或将预水化膨润土加入盐水钻井液或钙处理钻井液中(K值提高，n值下降)；也可加入重晶石粉等惰性固体物质(K值提高，n值基本不变)。流性指数和稠度系数降低n值常用的方法： 1、加入XC生物聚合物等流性改进剂； 2、在盐水钻井液

18、中添加预水化膨润土。 3、适当增加无机盐的含量； 方法2、3往往对钻井液稳定性造成影响。因此，并不是最好的方法，而应优先考虑选用适合于本体系的聚合物处理剂来达到降低n值。 表观粘度与剪切稀释 表观粘度(AV)：是指在一定剪切速率下，剪切力与剪切速率的比值。 表观粘度可以认为是流体在流动中表现出的总粘度，它既包括流体内部由于内摩擦作用所引起的粘度，又包括颗粒之间及高分子聚合物之间所形成的空间网架结构所引起的粘度，塑性粘度可以看成是剪切速率极高的表观粘度。 表观粘度与剪切稀释 一般而言，钻井液中表观粘度中塑性粘度所占的比重较结构粘度大。 表观粘度相同的钻井液，由于动塑比不相同，当流速梯度改变时，表

19、观粘度就不相同了。即，表观粘度相同而具有不同动塑比的钻井液，在实际井眼的各个部位粘度是不相同的。 钻井工艺中，常用动切力与塑性粘度的比值（动塑比）表示剪切稀释性的强弱，动塑比越大，剪切稀释性越强。有利于高压喷射钻井，同时低流速时，有利于携岩。 表观粘度与剪切稀释 由假塑性流体流变模式与流变曲线可以看出，表观粘度随剪切速率的增加而降低，这种现象被称为剪切稀释现象。 为了能够在高剪切率下有效破岩与低剪切下有效携岩，要求钻井液具有较高的动塑比，一般要求控制在左右。流性指数一般在左右。 表观粘度与剪切稀释 切力和触变性 钻井液的触变性：是指搅拌后钻井液变稀（切力下降），静止后钻井液变稠的这种特性。 切

20、力为静切应力，实质为胶凝强度，即静止时空间网架结构的强度。其物理意义是，破坏钻井液内部单位面积上的结构所需的剪切力，单位为Pa。s是静切应力的极限值，即真实意义上的胶凝强度。但结构强度的大小与时间因素有关，要想测得s ，必须花费相当长的时间。显然，在生产现场测定不现实，于是规定用初切力和终切力来表示静切力的相对值。 切力和触变性初切力：钻井液在经过充分搅拌后，静止1分钟或10秒钟后测得的静切力为初切力。终切力：钻井液经过充分搅拌后，静止10分钟后测得的静切力为终切力。触变性的机理：触变体系都存在空间网架结构。在剪切作用下，结构被搅散，结构的恢复要求在颗粒的相互排列上有一定的几何关系。因此，结构

21、恢复过程需要一定的时间来完成这种定向作用。恢复结构经历的时间和最终的凝胶强度(即切力)的大小，可更为真实地反映某种流体触变性的强弱。 切力和触变性影响钻井液静切力的主要因素： 粘土矿物的类型、含量及分散度；所选用的聚合物处理剂及其浓度；无机电解质及其浓度等。其调控方法与动切力的调控方法基本一致。（1）降低静切力：最有效的方法加入降粘剂，若由钙镁离子侵入，可加入沉淀剂，除去钙镁离子。（2）提高静切力： 可加入预水化膨润土浆，或增大高分子聚合物的加量。对于钙处理钻井液或盐水钻井液，可适当增加钙钠离子浓度。 切力和触变性较快的强胶凝较慢的强胶凝较快的弱胶凝较慢的弱胶凝流变参数的测量与计算六速旋转粘度

22、计流变参数的测量与计算六速旋转粘度计的构造及工作原理 旋转粘度计由电动机、恒速装置、变速装置、测量装置和支架箱体等五部分组成。恒速装制和变速装置合称旋转部分。在旋转部件上固定一个外简，即外筒旋转。测量装置由测量弹簧部件、刻度盘和内筒组成。内筒通过扭簧固定在机体上、扭簧上附有刻度盘，如图311所示。通常将外筒称为转子，内筒称为悬锤。流变参数的测量与计算旋转粘度计的构造及工作原理： 内简和外筒为同心圆筒，测定时同时浸没在钻井液中，环隙1mm左右。当外筒以某一恒速旋转时，带动环隙里的钻井液旋转。由于钻井液的粘滞性，使与扭簧连接在一起的内筒转动一个角度。据牛顿内摩擦定律，转角大小与钻井液粘度成正比，钻

23、井液粘度的测量就转变为内简转角的测量。流变参数的测量与计算旋转粘度计的测量步骤：（1）将刚搅拌好的泥浆倒入样品杯刻度线处（350ml），立即放置于托盘上，上升托盘使液面至外筒刻度线处。拧紧手轮，固定托盘。如用其它样品杯，筒底部与杯底之间不应低于。（2）迅速从高速到低速进行测量，待刻度盘读数稳定后，分别记录各转速下的读数。（3）测静切力时，应先用600转/分搅拌10s，静置10s钟后将变速手把置于3转/分，读出刻度盘上最大读数，即为初切力。再用600转/分搅拌10s，静置10min后将变速手把置于3转/分，读出刻度盘上最大读数，即为终切力。（4）试验结束后，关闭电源，松开托盘，移开量杯。（5）轻

24、轻卸下内外筒，清洗内外筒并且擦干，再将内外筒装好。 流变参数的测量与计算Fann氏粘度计剪切速率与转子的关系：刻度盘上的读数与剪切应力的关系：可以计算出不同转速下的剪切速率。 r/min 600 300 200 100 6 3-1 1022 511 340.7 170.3 10.22 5.11 流变参数的测量与计算某一剪切速率下的表现粘度可用下式表示式中：流变参数的测量与计算 利用上式，可将任意剪切速率(或转子的转速)下测得的刻度盘读数换算成表现粘度、常见的六种转速的换算系数见表3-1宾汉塑性流体流变参数的测量与计算 为便于比较，在没有特别注明某一剪切速率时，一般指测定600r/min的表观粘

25、度： 由测得的600 r/min加n和300 r/min的刻度盘读数，可分别利用以下两式求得塑性粘度和动切力；宾汉塑性流体流变参数的测量与计算 此外，宾汉塑性流体的静切力用以下方法测得:将经充分搅拌的钻井液静置10s(或1min)，在3rmin的剪率下读取刻度盘的最大偏转值；再重新搅拌钻井液，静置10min后重复上述步骤并读取最大偏转值。最后进行以下计算；假塑性流体流变参数的测量计算 同样地，由测得的600r/min和300r/min的刻度盘读数，可分别利用以下两式求得幂律模式的两个流变参数，即流性指数(n)和稠度系数(K)： 以上两式的推导过程如下：将幂律模式等号两边同时取对数，得到：假塑性

26、流体流变参数的测量计算lgkn=tgaalg 此方程为直线方程，代入上述测得的两组数据就可联立解 方程，得到上述两组方程式假塑性流体流变参数的测量计算 注意：以上使用600和 300，计算的n、K值，其对应的剪切速率与钻井液在钻杆内的流动情况大致相当。然而，泥浆工程师更关心的是环形空间的n、K值，因为它们直接影响钻井液悬浮和携带钻屑的能力，并且是计算环空压降和判别流型的重要参数。为此，在实际应用中，有必要分段计算这两个参数。赫谢尔巴尔克莱三参数流变模式 宾汉和幂律模式是广泛应用于钻并液工艺的两个流变模式。随着钻井掖工艺和环空水力学理论的不断发展，人们感到达两个模式在实际应用中均存在着一定的局限

27、性，特别是不能较好地描述钻扑液在高剪切速率下的流变性能。因此，相继发展了几种比较完善的流变模式。如卡森流变模式、赫谢尔巴尔克莱三参数流变模式等。 赫谢尔巴尔克莱三参数流变模式简称赫巴模式，又称为带有动切力(或屈服值)的幂律模式，或经修正的幂律模式。1977年该模式首次用于钻井液流变性的研究。其数学表达式为： n和K的意义与幂律模式相同。由于在幂律模式基础上增加了动切应力，因而是一个三参数流变模式。 引入该模式的主要目的，是为了在较宽剪切速牢范围内，能够比传统模式更为难确地描述钻井液的流变特性。是由于该模式比传统模式多了一个参数，不如传统模式应用方便，特别是由此而导出的水力学计算式相当繁琐，因此

28、限制了它在现场的广泛应用。目前，该模式仅在对流变参数测量精度要求较高时或室内研究中使用。第三节 钻井液流变性与钻井作业的关系 钻井液流变性是钻井液的一项基本性能，它在解决下列钻井问题时起着十分重要的作用：(1)携带岩屑，保证井底和井眼的清洁；(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。因此，钻井液流变性直接影响这一系列功能的发挥。对每口油气井钻井液流变参数的优化设计和有效调控是钻井液工艺技术的一个重要方面。钻井液流变性与井眼净化的关系 钻井液的主要功用之一就是清洗井底并将岩屑携带到地面上来。钻井液清洗井眼的能力除取决于循环系统的水力参数外，还取决于钻井液的性能

29、，特别是其中的流变性能。根据喷射钻井的理论，岩屑的清除分为两个过程，一是岩屑被冲离井底，二是岩屑从环形空间被携至地面。岩屑被冲离井底的问题涉及到钻头选型和井底流场的研究，属于钻井工程的范畴，这里只讨论钻井液携带岩屑的问题。在此，我们主要介绍三种流型携带岩屑原理：层流携带岩屑原理、紊流携带岩屑原理以及平板形层流的实现。层流携带岩屑的原理 首先讨论一下钻井液携带岩屑的基本原理。一方面钻井液携带岩屑颗粒向上运动，另一方面岩屑颗粒由于重力作用向下滑落。在环形空间里，钻井液携带岩屑颗粒向上运动的速度取决于流体的上返速度与颗粒自身滑落速度二者之差，即上式两边同除以vf得层流携带岩屑的原理 通常用此比值表示

30、井筒的净化效率。显然，提高净化效率的途径是：1、提高钻井液在环空的上返速度；2、阶低岩屑的滑落速度。但综合考虑钻井的成本利效益，上返速度不能大幅度提高。因此，如何尽量降低岩屑的滑落速度对携岩至关重要。研究表明，岩屑的滑落速度除与岩屑尺寸、岩屑密度、钻井液密度和流态等因素有关外，还与钻井液的有效粘度成反比。层流携带岩屑的原理 为了研究岩屑在井筒内上升的过程曾用破璃井筒进行实验观察，实验中用扁平的圆形铝片代替岩屑。结果表明，当钻井液处于不同流态时，岩屑上升的机理各不相同的。层流时岩屑受力情况见右图：层流携带岩屑的原理 很显然，层流形态携带岩屑时，岩屑总体上有一个上升趋势，另一方面，岩屑自身可能发生

31、旋转并相对下降现象。这种现象是不利于钻井液将岩屑及时快速的携带出地面。实验结果，还表明，钻柱转动对层流携带岩屑是有利的、因为钻柱转动改变了层流时液流的速度分布状况，使靠近钻柱表面的液流速度加大，岩屑以螺旋形上升。层流携带岩屑的原理片状岩屑在层流时上升的情况(钻柱不转动）片状岩屑在层流时上升的情况(钻柱转动）紊流携带岩屑的原理 如右图所示，钻井液在作紊流流动时，岩屑不存在转动和滑落现象，几乎全部都能携带到地面上来，环形空间里的岩屑比较少。但是紊流携岩也有一些缺点，主要表现在： (1)岩屑在紊流时的滑落速度比在层流时大，这就要求钻井液的上返速度高，泵的排量大。但这要受到泵压和泵功率的限制，特别是当

32、井眼尺寸较大、井较深以及钻井液粘度、切力较高时，更加难以实现。 紊流携带岩屑的原理 (2)由于沿程压降与流速的平方成正比，功率损失与流速的立方成正比所以用紊流携岩还会使钻头的水马力降低，不利于喷射钻井。 (3)紊流时的高流速对井壁冲蚀严重，不能很好地形成泥饼，容易引起易场地层井壁垮榻。 因此，紊流挠岩常常受到各种条件的限制，不是随便可以采用的。 平板形层流的实现 紊流携岩的这些限制条件促使人们重新思考如何在层流状态下解决携带岩屑的问题，显然，其技术关键在于如何消除上述的岩屑转动现象。解决问题的途径则是设法改变层流时过水断面尖峰形流速分布，用平板型层流来代替尖峰型层流即可达到上述目的。 平板形层

33、流的实现 平板形层流的实现 水力学计算结果表明，塑性流体层流时流核直径可由下式计算： 平板形层流的实现 从上式可以看出，在一定尺寸的环形空间里，流动剖面平板化的程度，即流核直径的大小与动塑比及上返速度有关。动塑比的影响程度更大，该比值越高，则平板化程度越大。按式上式计算流核尺寸的一个实例如图319所示，它充分说明该比值对钻井液在环形空间流态的影响。由此可见，通过调节钻井液的流变性能，增大动塑比便可使钻井液的流核尺寸增大,从尖峰型层流转变为平板型层流。 平板形层流的实现 平板形层流的实现如果钻井液按假塑性流型来考虑，还可得到环形空间流态与钻井液流性指数之间的关系，如图320所示。将以上两图进行比

34、较后不难看出，减小n值如同提高动塑比，也可使环空液流逐渐转变为平板型层流。 平板形层流的实现 相对于尖峰型层流和紊流来说，平板型层流具有以下特点： (1)可实现用环空返速度较低的钻井液有效地携带岩屑。 （2）降低了钻井液在钻柱内和环空内的阻力损失，为使用小井眼喷射钻头、合理充分利用水力功率、大幅度提高钻速创造了条件。 (3)解决了低粘度钻井液有效携岩的问题，为普遍推广使用低固相不分散聚合物钻井液提供了流变学上的依据。 (4)避免了钻井液处于紊流状态叫对井壁的冲蚀。有利于保持井壁稳定。 平板形层流的实现 为了使动塑比达到要求，常采取以下措施和方法： (1)选用XC生物聚合物、HEC、PHP和FA

35、367等高分子聚合物作为主处理剂。 (2)通过有效地使用固控设备。除去无用固相，降低固体颗粒浓度，以达到降低钻井液塑性粘度、提高动塑比的目的。 (3)在保证钻井液性能稳定的情况下、通过适量地加入石灰、石膏、氯化钙和食盐等电解质，以增强体系中固体颗粒形成网架结构的能力。钻井液流变性与井壁稳定的关系 紊流对井壁有较慢的冲蚀作用，容易引起易塌地层垮塌，不利于井壁稳定。其原因是紊流时液流质点的运动方向是紊乱的和无规则的，而且流速高，具有较大的动能。因此，在钻井液循环时,一般应保持在层流状态，而尽量避免出现紊流。要做到这一点，需要比较准确地计算钻井液在环空的临界返速。对于非牛顿流体，一般采用综合雷诺数R

36、e来判别流态。将钻井液作为塑性流体考虑，当综合雷诺数Re2000时为紊流。因此按Re2000，即可推导出计算临界返速的公式。钻井液流变性与井壁稳定的关系 按Re2000，推导出计算临界返速的公式为：计算出临界返速之后。则可对钻井液的流态进行判断。若实际环空返速大于临界返速为紊流，反之则为层流。钻井液流变性与井壁稳定的关系临界返速很大程度上受钻井液的密度、塑性钻度和动切力的影响。以三种不同密度的钻井液为例，计算结果表明，随着钻井液密度、塑性粘度和动切力的减小，临界流速明显降低，即更容易形成紊流。因此，在调整钻井液流变参数和确定环空反速时，既要考虑携岩问题，同时又要考虑到钻井液的流态，使井壁保持稳定。钻井液流变性与悬浮岩屑、加重剂的关系钻进过程中，钻井液会多次停止循环。此时，要求钻井液体系内能迅速形成空间网架结构，将岩屑和加重剂悬浮起来，或以很小的速度下沉，而开泵时泵压又不能上升太高，以防憋漏地层。提供悬浮能力的决定因素是钻井液的静切力和触变性。 悬浮岩屑和加重剂所需要的静切力可以用以下方法进行近似计算：假设岩屑和加重剂颗粒为球形，根据它们的重力与钻井液对它们的浮力和竖向切力相平衡的关系，以得到如下公式：钻井液流变性与悬浮岩屑、加重剂的关系所以，需要的静切力为：钻井液流变性与井内液柱压力激动的关系