钻井液流变性PPT

1、关于钻井液流变性11第一张，PPT共五十九页，创作于2022年6月12第一节 钻井液的流动类型和基本概念1. 流动类型塞流 Plug Flow层流 Laminar Flow紊流 Turbulent Flow第二张，PPT共五十九页，创作于2022年6月13塞 流层 流紊 流稳定流动类型的变化塞流：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。第三张，PPT共五十九页，创作于2022年6月142. 基本概念 剪切速率 Shear Rate统一名称：速梯、剪率、切变

2、率。常用符号：、D、dv/dx、dv/dr定义： = dv/dr = 垂直于流动方向上单位距离内的流速增量。意义： dv/dr 增大，液流各层间的速度变化大；反之则小。单 位： = 速度/距离 = cm/s/cm = 1/s = s-1钻井液循环系统中各部位剪切速率范围为: 沉砂罐处：1020s-1 环形空间：50250s-1 钻杆内部：1001000s-1 钻头水眼：10007000s-1第四张，PPT共五十九页，创作于2022年6月15 剪切应力 Shear Stress统一名称：剪应力、切应力。常用符号：定 义： = F/A = 液层单位面积上的剪切力。意 义：越大，液流各层所受的作用力

3、越大；反之，越小。单 位： = F/A = dyn/cm2；Pa。 1Pa = 10dyn/cm2第五张，PPT共五十九页，创作于2022年6月16 流变曲线 Consistency Curve定 义：速梯与切应力关系曲线。表示方法：三种表示法。000 ；Q；V；n ；P；P；流变曲线表示法第六张，PPT共五十九页，创作于2022年6月17 粘度 Viscosity统一名称：有效粘度、视粘度。常用符号：定 义： = / = 单位剪切速率的剪切应力。单 位： = / = dyn/cm2/s-1 = dyn.s/cm2 = 泊 1泊 = 100mPa.s =100cp = 1dyn.s/cm2第七

4、张，PPT共五十九页，创作于2022年6月18 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：260.5s 中国漏斗粘度定义：700ml流出500ml的时间。标准：清水测量值：150.5s漏斗粘度计示意图第八张，PPT共五十九页，创作于2022年6月19第二节 基本流型及其分析一、流体分类 根据“-”关系，将流体分为：钻井液大多属塑性或假塑性流型第九张，PPT共五十九页，创作于2022年6月110二、流体分析基本假设： 连续介质

5、均质性 不可压缩性 层流第十张，PPT共五十九页，创作于2022年6月1111、牛顿内摩擦定律与牛顿流体 牛顿内摩擦定律=F/A=(dv/dr) 表征流体粘性的比例系数，简称牛顿粘度。 F 内摩擦力。 牛顿流体 流变性符合牛顿内摩擦定律的流体。类型举例：水、甘油、单相液体等。流变曲线：通过原点的直线。 特点： = / =C（常数） 第十一张，PPT共五十九页，创作于2022年6月1122. 非牛顿流体 塑性流体 Plastic Fluids数学模型： - 0 = p 流变曲线：有截距的直线。流变参数： 0 动切应力 Yield Stress统一名称：屈服值、屈服点。定义：流体开始呈现层流流动时

6、所需要 的剪切应力。常用符号： 0；YP单 位：dyn/cm2、Pa几何意义：直线截距的切应力值。 0s0真实泥浆塑性体流型图第十二张，PPT共五十九页，创作于2022年6月113p 塑性粘度 Plastic Viscosity定 义：产生单位剪切速率所需要的剪切应力。常用的其它符号： s、PV单 位：公制：dyn.s/cm2、泊、厘泊。 国际：Pa.s、mPa.s模式讨论 - 0 = p 或者 = p + 0/ 0， 0 能够反映多数钻井液具有内部结构情况。 ， 能够反映多数钻井液的剪切稀释性。 ， p 能够反映出钻井液的极限粘度。 低剪切速率下： 实 宾 表明模型拟合实际曲线有较大偏差.第

7、十三张，PPT共五十九页，创作于2022年6月114真实泥浆与不同流型的比较r0真实泥浆与不同流型的比较第十四张，PPT共五十九页，创作于2022年6月115 假塑性流体 Pseudoplastic Fluids流变模式： = Kn流变曲线：过原点凸向切应力轴的曲线。为什么过原点？曲线无直线段？原因：随增大，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。第十五张，PPT共五十九页，创作于2022年6月116流变参数： K稠度系数意义：反映流体的粘滞性。越大，流体越难流动。单位：dyn.sn/cm2 n流型指数 意义：偏离牛顿流体的程度。模式讨论 = Kn 或者 = Kn-1 0，

8、0 不符合大多数钻井液具有屈 服应力的特点。 ， 能够反映钻井液的剪切稀释性。， 0 无极限粘度，不符合钻井液情况。 0r第十六张，PPT共五十九页，创作于2022年6月117 卡森流体流变模型：1/2 = c1/2 + 1/2 1/2流变曲线： 1/2-1/2 作图，为一条直线。 -作图，为直线与曲线之和。模式讨论 1/2 = c1/2 + 1/2 1/2 0， c 能够反映多数钻井液具有内部结构情况。 ， 能够反映多数钻井液的剪切稀释性。， 能够反映出钻井液的极限粘度。卡森流体流变曲线c00 1/2 c1/2r1/2r第十七张，PPT共五十九页，创作于2022年6月118宾汉模式的局限性：

9、适合在中剪切速率 范围描述钻井液的流变性。 幂律模式的局限性：适合在低、中剪切速率 范围描述钻井液的流变性.卡森模式：卡森(Casson)模式是1959年由卡森首先提出的，最初主要用于油漆、颜料和塑料等工业中。1979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。 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。第十八张，PPT共五十九页，创作于2022年6月119三、剪切稀释性定义钻井液的有效粘度随剪切速率增加而降低的现象。实质：高剪切作用破坏了体系内部结构，使总的粘滞性降低。表示法：动塑比

10、 o / p 意义：越大，钻井液的剪切稀释性越强。因为比值大，表明结构多（o大），固含低（p小），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。第十九张，PPT共五十九页，创作于2022年6月120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：低，a大，有利于携带钻屑 钻头水眼：大，a小，有利于水力破岩一般要求钻井液的剪切稀释能力强。0.360.48 Pa/mPas太小，携岩能力差；太强，引起泵压显著提高第二十张，PPT共五十九页，创作于2022年6月塑性流体：假塑性流体： 卡森流体：一般钻井要求：第

11、二十一张，PPT共五十九页，创作于2022年6月122四、 触变性定义：表示方法：触变性 = 初切力 - 终切力 或者 = 初切力/ 终切力低密度钻井液：触变性=1分钟静切力/10分钟静切力 1/ 10高密度钻井液：触变性=10秒钟静切力-10分钟静切力 10/ 10网架结构的强弱-凝胶强度的大小-触变性第二十二张，PPT共五十九页，创作于2022年6月低密度钻井液终切和初切的测量：高速搅拌10min;初切测量：在600rpm下转1min，静止1min 或10s，测3rpm的切力。终切测量：在600rpm下转1min，静止10min ，测3rpm的切力第二十三张，PPT共五十九页，创作于202

12、2年6月124影响因素： 粒子浓度，结构恢复快、强，触变性强。 电位，结构恢复慢、弱，触变性弱。 若是高聚物吸附土粒形成桥联结构，恢复快，但最终结构强度弱。钻井液对触变性的要求：结构恢复要快（有利钻屑悬浮，防止沉砂）最终切力要适当（防止开泵阻力大，压力激动）第二十四张，PPT共五十九页，创作于2022年6月125第二十五张，PPT共五十九页，创作于2022年6月126第三节 钻井液流变参数及实际调整1. 静切力s定义： 钻井液静止后形成的凝胶结构强度。钻井液从静止到开始塞流流动所需要的最小剪切应力。 第二十六张，PPT共五十九页，创作于2022年6月127影响因素：单个链环的强度 颗粒间引力

13、电位、水化膜厚度h 低， 水化膜薄， 吸力占优势，s大。结构链环数目/单位体积（结构密度） 颗粒浓度c、分散度 含量大，分散度高，s大。处理剂的种类和加量调整方法： 升s 提高 c 、分散度，降低 、水化膜厚度h。 降s 与上相反。第二十七张，PPT共五十九页，创作于2022年6月128静切力的实际应用（1）悬浮岩屑和加重材料 悬浮岩屑（球形）所需静切力为： s（dyn/cm2) = d(岩- 浆）/6 s(mg/cm2) = 1000 d(岩- 浆）/6经验数据：初切力 = 26 Pa时，可达到良好的悬浮能力。终切力 = 2初切力，属于良好型触变体。终切力 5初切力，属于递增型触变体。此时，

14、会造成泵压过高，易压漏地层。（2）影响井内液柱压力激动s第二十八张，PPT共五十九页，创作于2022年6月129设钻井液密度为1.2,重晶石密度为4.2,重晶石粉的颗粒直径为0.01mm0.10mm ,问悬浮重晶石粉颗粒该钻井液至少应具有多大的切力值？例题：s =1000 d(岩- 浆）/6 = 1000 d ( 岩- 浆）/ 6=10000.01(4.2-1.2) / 6= 5 (mg/cm2) 第二十九张，PPT共五十九页，创作于2022年6月1302. 动切应力0（YP）定义：钻井液开始作层流流动时，必须要的最小剪切应力。实质：层流流动时，流体内部结构一部分被拆散，另一部分重新恢复。当拆

15、散与恢复速度相等时，保留的那部分内部结构所产生的剪切阻力。0与s的区别： 0为塑性流体特有的性质，反映钻井液作层流流动时，粘土颗粒之间及高聚物分子之间的相互作用力 o是常量，不随速度梯度变化，体系定它则定 s为静止条件下固体颗粒之间吸引力的量度影响因素（类似于静切力）第三十张，PPT共五十九页，创作于2022年6月131作用：o的大小反映了钻井液携屑能力的大小。o大，说明层流时结构强度大，流核面积大，携屑能力强，反之弱。测量方法： 用旋转粘度仪测600转和300转的数据，代入宾汉公式或相应的直读公式计算而得。o =5.11（300-PV）第三十一张，PPT共五十九页，创作于2022年6月132

16、3、粘度定义： = / 意义：钻井液作层流流动时，表观粘度等于以下 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。是钻井液在流动过程中实际表现出来的总的粘滞性第三十二张，PPT共五十九页，创作于2022年6月133几种流体（模式）表示的表观粘度： 宾 汉 体：= p+ 0/ 假塑性体：= K()n-1 卡森体= ()1/2 +(0/ ）1/22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=600/2。第三十三张，PPT共五十九页，创作于2022年6月

17、134宾汉体的塑性粘度p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；特点： p不随dv/dr变化而变化。第三十四张，PPT共五十九页，创作于2022年6月135影响因素： 固相含量：固含 p ； 分散度：分散度 p ； 液相粘度：液相粘度 p ；它直接反映了钻井液中固相含量的高低及分散程度。调整p 的方法：根据影响因素升、降p 。第三十五张，PPT共五十九页，创作于2022年6月136作用：衡量判断钻井液中固相含量的高低及分散程度。 高则有害，低则有利。PV

18、与YP是塑性型钻井液的两个重要流变参数，它们直接影响流阻、压降、水力功率的大小及井眼净化的程度。测量方法：用旋转粘度仪测600、300读值。 PV=600-300 mPas第三十六张，PPT共五十九页，创作于2022年6月1374. 假塑性体的 n、k n = f(内部结构强弱）作用：判别携屑能力：n小，流核大，带砂好。n=0.40.7好。 判断剪切稀释性：n越小，剪切稀释能力越强。（结构多）调整n值方法：降 n 加入活性膨润土、无机盐、高分子聚合物等；提 n 加入清水、稀释剂等。第三十七张，PPT共五十九页，创作于2022年6月138稠度系数 k： 表示假塑性钻井液的稀稠程度。 K与粘度有关

19、实质：假塑性流体在一定速梯下非结构性内摩擦的反映作用：衡量钻井液流动阻力的高低及固相含量的多少 第三十八张，PPT共五十九页，创作于2022年6月139调整k值方法： 固相含量：固含 k ； 分散度：分散度 k ； 液相粘度：液相粘度 k 第三十九张，PPT共五十九页，创作于2022年6月140第四节 钻井液流变性能与钻井工程的关系 钻井液流变性能与钻井工程的关系主要体现： 影响钻井速度 影响环空携带岩屑能力 影响井壁稳定 影响岩屑和加重物质的悬浮 影响井内压力激动 第四十张，PPT共五十九页，创作于2022年6月141 在其它因素不变时，钻速与钻头处雷诺数的0.5次方成正比：Vm = f (

20、Re) 1/2 设有两种钻井液，钻速的表达式为：Vm2 = Vm1 ( Re2 / Re1) 1/2 其它因素不变时，雷诺数与钻井液粘度成反比：Re 1/ 所以： Vm2 = Vm1 (s1 / s2 ) 1/2 1. 影响钻井速度第四十一张，PPT共五十九页，创作于2022年6月142举例 某钻井液的塑性粘度p为32mPa.s，平均钻速为6米/小时，在不改变其它因素时，降低p到8mPa.s，则钻速变化为：Vm2 = 6(32/8)1/2 = 12 米/小时 钻速提高2倍。如果钻进1000米井段，用32mPa.s的钻井液要用100小时，则用8mPa.s的钻井液只需要50小时。第四十二张，PPT

21、共五十九页，创作于2022年6月 序号 /mPa.s 钻速/m.h-111.07.6224.45.85312.94.96（2） 易渗入微裂缝 降低压持效应 钻速原因: （1） 喷嘴处紊流阻力 冲击力强如：第四十三张，PPT共五十九页，创作于2022年6月144 对岩屑输送比的影响 岩屑输送比(携带比)： Rt = (V-Vs) / V 井眼净化良好的条件： Rt 0.5 即：V 2Vs 式中，Rt 岩屑输送比； V 钻井液平均上返速度； Vs 岩屑颗粒沉降速度；Vs雷诺数Re相关。 当Re 3时， Vs = 326800ds2 ( s- f ) / 当 3 Re 300， Vs = 7.13d

22、s ( s- f ) 0.667 / ( f )0.333可见，井眼净化与粘度紧密相关。2. 影响环空岩屑携带第四十四张，PPT共五十九页，创作于2022年6月145 层流携带岩屑的特点：岩屑翻转上升。 层流携带岩屑缺陷的实质：力矩效应。 紊流携岩优缺点 改进方法：将尖峰形改为平板形层流。 流核直径：由上式可见， 0 / p ， d0 钻井液流速剖面变平坦 翻转力矩效应减小。流动状态F2F1Ld0dD第四十五张，PPT共五十九页，创作于2022年6月146对于宾汉流体： 0 / p = 0.36 0.48 Pa/mPa.s 0 =1.5 3 Pa对于假塑性体： n = 0.4 0.7对于卡森流

23、体： c =1.0 2.5 Pa = 2 6 mPa.s 注意：提高0 / p 的关键是降低塑性粘度 p有效地携带岩屑的流变参数取值范围：第四十六张，PPT共五十九页，创作于2022年6月1473. 影响井壁稳定 指对井壁的冲蚀 考虑层流 ,避免出现紊流 准确计算环空临界返速:第四十七张，PPT共五十九页，创作于2022年6月148密度、流变参数对临界返速的影响D/cmd/cm/g.cm-3p/mpa.s0/paVc/m.s-121.5912.71.223603.7621.5912.71.099.4262.5621.5912.71.066202.25第四十八张，PPT共五十九页，创作于2022年6月149 在牛顿流体中的颗粒只要其密度大于流体密度，就必然会以一定速度下沉。 钻井液为非牛顿流体。岩屑颗粒在钻井液中由于静切力和动切力的存在，即使颗粒密度大于钻井液密度，颗粒也不会发生沉降。 悬浮岩屑（球形）所需静切力为： s（g/cm2) = d (岩- 浆）/6 4. 影响岩屑和加重物质的悬浮第四十九张，PPT共五十九页，创作于2022年6月150运动状态下的动切应力的悬浮作用