钻井液的流变性-钻井液流变性与钻井作业的关系

项目三：钻井液的流变性课程名称：泥浆材料检测与应用任务二：钻井液流变性与钻井作业的关系钻井液流变性与井眼净化的关系01知识点02知识点03知识点钻井液流变性与井壁稳定的关系钻井液流变性的其它影响02项目三：钻井液流变性任务钻井液流变性与钻井作业的关系知识点1钻井液流变性与井眼净化的关系钻井液主要功能之一就是清洗井底携带岩屑。清洗井眼能力除取决于循环系统水力参数外，还与钻井液流变性有关。根据喷射钻井理论，岩屑清除分为两个过程：一是岩屑被冲离井底，二是岩屑从环形空间被携带到地面。后者属于钻井液工艺范围。知识点1：钻井液流变性与井眼净化的关系一、层流携带岩屑的原理钻井液层流流动，被携带的岩屑颗粒随钻井液向上运动，由于重力向下滑落，岩屑颗粒净上升速度取决于流体上返速度与颗粒自身滑落速度之差。将岩屑上升速度与钻井液上返速度比称作携带比，表示井筒净化效率。vp、vf、vs——分别表示岩屑净上升速度、钻井液上返速度、岩屑滑落速度，m/s。知识点1：钻井液流变性与井眼净化的关系通过提高钻井液在环空的上返速度和降低岩屑滑落速度来提高携带比，综合考虑钻井过程各种因素，上返速度不能大幅提高。因此，降低岩屑滑落速度对井眼净化至关重要。岩屑滑落速度与岩屑尺寸、岩屑密度、钻井液密度、流态有关，与钻井液有效粘度成反比。知识点1：钻井液流变性与井眼净化的关系层流时钻井液流速剖面为抛物线型，中心流速最大，两侧逐渐降低，靠近井壁或钻杆壁处速度为零。片状岩屑上升过程各点受力不均匀，中心处流速高，作用力大；靠近两侧流速低、作用力小。岩屑受力矩作用，翻转侧立，向环空两侧运移。有的岩屑贴在井壁成厚“假泥饼”，有的沿壁下落。受两侧向上液流阻力作用，岩屑下滑一定距离又会进入流速较高中心部位向上运移。如a。知识点1：钻井液流变性与井眼净化的关系

岩屑翻转现象对携带岩屑不利，延长了岩屑从井底返至地面时间，且部分岩屑不能带出地面，造成起钻遇卡、下钻遇阻、下钻下不到井底等复杂情况。岩屑翻转现象与岩屑形状有关，当岩屑厚度与其直径比小于0.3或大于0.8才会出现，此范围之外岩屑可以较顺利携带出来。

钻柱转动对层流携带岩屑有利，旋转改变了层流时液流速度分布情况，使靠近钻柱表面液流速度加大，岩屑以螺旋上升，如b所示。此时岩屑翻转仅发生在靠近井壁那侧。知识点1：钻井液流变性与井眼净化的关系知识点1：钻井液流变性与井眼净化的关系二、紊流携带岩屑原理如c所示，钻井液紊流流动，岩屑不存在翻转和滑落现象，几乎全部都能携带处地面，环形空间岩屑较少。

紊流缺点在钻井液上返速度高，泵排量大，收受到泵压和泵功率限制。特别是井眼尺寸较大、井较深、钻井液粘度切力较高，更难实现。且沿程压降与流速平方成正比，功率损失与流速立方成正比，紊流携岩使钻头水马力降低，不利于喷射钻井；紊流时的高流速对井壁冲蚀严重，不能很好形成泥饼，使易塌地层井壁垮塌。知识点1：钻井液流变性与井眼净化的关系3、平板型层流

提高岩屑携带效率取决于如何消除岩屑翻转现象，采用改变尖峰型流速分布来实现。研究表明，通过调节钻井液流变性能，增大或减小n值，可使钻井液流速剖面由尖峰转为平缓。知识点1：钻井液流变性与井眼净化的关系知识点1：钻井液流变性与井眼净化的关系相对于尖峰型层流和紊流，平板型层流可实现环空较低返速而有效携带岩屑。通常，使用低固相钻井液，控制环空速度0.5~0.6m/s可满足携带岩屑。既使泵压保持合适范围，又可降低钻井液在钻柱内和环空压力损失，充分利用了水力功率。解决了低粘度钻井液有效携带岩屑问题，尽管黏度较低，只要保证较高，使钻井液处于平板型层流，一般能实现高效携带岩屑，保持井眼清洁，避免紊流时对井壁的冲蚀，有利于井眼稳定。知识点1：钻井液流变性与井眼净化的关系为有效携带岩屑，钻井液在0.36~0.48Pa/mPa·s，或n值在0.4~0.7范围。过小导致尖峰型层流；过大导致泵压显著增高。上图可知，超过1，变化不大，n值同理。但为了减小岩屑滑落速度，钻井液有效粘度不可太低，对于低固相聚合物钻井液，将ηp保持6~12mPa·s范围。知识点1：钻井液流变性与井眼净化的关系02项目三：钻井液流变性任务钻井液流变性与钻井作业的关系知识点1钻井液流变性与井壁稳定紊流对井壁有较强冲蚀作用，易引起易塌地层垮塌,不利于井壁稳定。原因是紊流流动时液流质点的运动方向紊乱无规则，流速又高，具有较大动能。钻井液循环应保持在层流状态，避免紊流。因此，要准确计算钻井液环空临界返速。临界返速受钻井液密度、塑性粘度、动切力影响。知识点2：钻井液流变性与井壁稳定钻井液密度、塑性粘度、动切力减小，临界流速降低，容易形成紊流。

调整钻井液流变参数和确定环空返速，既要考虑携岩问题，又要注意钻井液流态，保持井壁稳定。知识点2：钻井液流变性与井壁稳定02项目三：钻井液流变性任务钻井液流变性与钻井作业的关系知识点1钻井液流变性的其它影响一、钻井液流变性与岩屑和加重剂悬浮钻进过程中，接单根、设备故障等原因，钻井液停止循环。要求钻井液体系岩屑和加重剂悬浮，或以极慢速度下沉，避免沉砂卡钻。钻井液悬浮能力取决于静切力和触变性。静切力高，钻井液形成空间网架结构能力强，悬浮能力强。触变性好，循环停止时，钻井液很快达到一定切力值，有利于悬浮岩屑和加重剂。知识点2：钻井液流变性的其它影响二、钻井液流变性与井内液柱波动压力

井内液柱波动压力（也称压力激动）指在起下钻和钻进过程中，由于钻柱上下运动、钻井泵开动等原因，使井内液柱压力发生突然变化（升高或降低），产生附加压力的现象。知识点2：钻井液流变性的其它影响1、起下钻时波动压力钻柱具有一定体积，钻柱入井或起出时，钻井液向上或向下流动，产生附加压力。下钻时波动压力为正值，对井内产生挤压作用，易引起井漏等复杂情况；起钻时为负值，对井内产生抽吸作用，易引起井壁坍塌和井喷。井深1500m时波动压力可达2~3MPa，井深5000m可达7~8MPa。知识点2：钻井液流变性的其它影响2、开泵激动压力钻井液由有触变性，停止循环后，井内钻井液处于静止状态，粘土颗粒形成的空间网架结构强度增大，切力升高，开泵时泵压超过正常循环时所需的压力，造成激动压力。开泵时使用的排量越大，激动压力的值就越高。当钻井液开始流动，结构逐渐被破坏泵压逐渐下降，随着排量增大，结构的破坏与恢复达到平衡，泵压趋于平稳。知识点2：钻井液流变性的其它影响

Ps和P0分别为克服钻井液静切力和动切力所需要的压力；P1和P2分别为钻井液静止若干时间（t1、t2）之后,开泵时克服钻井液切力所需的压力。钻井液触变性使切力值随时间静止时间的延长而增大，P2>P1>P0。以P1开泵，压力沿虚线升至M1点与流变曲线相交；以P2开泵，压力沿虚线到达M2点与流变曲线相交；

循环一定时间后，压力才恢复到对应于一定排量的稳定工作压力，以上为开泵时激动压力。知识点2：钻井液流变性的其它影响影响波动压力因素除起下钻速度、钻头与钻柱的泥包程度、环形空间的间隙、井深以外，与钻井液的黏粘度、切力密切相关。其他条件相同时，钻井液粘度、切力增大，波动压力会更加严重。因此，要控制钻井液流变性，起下钻和开泵操作不宜过快过猛，开泵前最好先活动钻具，特别是钻遇高压地层、易漏失地层或易坍塌地层，以防因波动压力而引起的各种井下复杂情况。知识点2：钻井液流变性的其它影响三、钻井液流变性与提高钻速钻井液流变性是影响机械钻速的重要因素。由于钻井液有剪切稀释作用，在钻头喷嘴处流速极高，一般在