钻井液的流变性-流体流动的基本流型

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一：流体流动的基本流型流体流动的基本概念非牛顿流体的基本流型钻井液流变参数01知识点02知识点03知识点01项目一：钻井液的流变性任务流体流动的基本流型知识点2非牛顿流体的基本流型按照流体流动时剪切速率与剪切应力的关系，流体可以分为不同的类型。根据流变曲线形状不同，非牛顿流体可分为塑性流型、假塑性流型和膨胀流型。知识点2：非牛顿流体的基本流型

假塑性流体和膨胀流体的流变曲线也通过原点，即施加很小剪切应力，流体就能发生流动。知识点2：非牛顿流体的基本流型知识点2：非牛顿流体的基本流型塑性流体上图可见，γ=0时τ≠0.即施加的力到超过一定值时候开始流动，这种使流体开始流动的最低剪切应力τs称为静切力。超过τs时，在初始阶段剪切应力和剪切速率不是直线，表明此时塑性流体不能均匀被剪切，黏度随剪切速率增大而降低。继续增加剪切应力，当其数值大到一定程度，黏度不随剪切速率增大而变化，此时流变曲线成直线。此直线斜率称为塑性粘度ηp（或PV）。

τ0称为动切力（或YP）.τ0——动切力，Pa；ηp——塑性粘度，Pa·s。上式为塑性流体的流变模式，称为宾汉公式；塑性流体也成为宾汉塑性流体。知识点2：非牛顿流体的基本流型塑性流体流动特性与其内部结构有关。一般情况下，钻井液中黏土颗粒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。这个力即静切力τs，反映了所形成结构的强弱，也叫作凝胶强度。知识点2：非牛顿流体的基本流型假塑性流体

某些钻井液、高分子化合物的水溶液以及乳状液均属于假塑性流体。其流变曲线通过原点凸向剪切应力轴的曲线。流动特点是施加极小的剪切应力就能产生流动，不存在静切力，黏度随剪切应力增大而降低。K——稠度系数，Pa·sn；n——流性指数，n<1。上式为假塑性流体的流变模式，也成为幂律公式。知识点2：非牛顿流体的基本流型在中等和较高剪切速率范围内，幂律公式和宾汉公式均能较好表示实际钻井液的流动特性；而在较低剪切速率范围内，幂律公式比宾汉公式更接近实际钻井液的流动特性，采用幂律公式比宾汉公式更好表示钻井液在环空的流变性，并能更准确预测环空压降和进行有关的水力参数计算。在钻井液设计和现场应用中，同时使用两种模式。知识点2：非牛顿流体的基本流型项目三：钻井液的流变性课程名称：泥浆材料检测与应用任务一：流体流动的基本流型流体流动的基本概念非牛顿流体的基本流型钻井液流变参数01知识点02知识点03知识点01项目一：钻井液的流变性任务流体流动的基本流型知识点3钻井液流变参数一、流变参数及调控1、钻井液的切力和触变性（1）静切力τs钻井液静切力又称凝胶强度。凝胶强度和黏土矿物类型有关，取决于单位体积中结构链环的数目（结构密度）和单个链环的强度，其物理意义是钻井液静止时破坏其内部单位面积上的网架结构所需要的剪切力，Pa。知识点3：钻井液流变参数钻井液中结构链环数取决于黏土颗粒的浓度，黏土颗粒的浓度与黏土含量及黏土颗粒的分散度有关。单个链环的强度取决于黏土颗粒间的吸力，与黏土颗粒的ζ电位及吸附水化膜等因素有关。知识点3：钻井液流变参数（2）动切力（τ0或YP）钻井液静切力又称屈服值，是钻井液在层流流动时形成结构的能力，其大小是塑性流体流变曲线中的直线段在τ轴上的截距，Pa。知识点3：钻井液流变参数（3）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（切力上升）的特性。钻井液的触变性是将充分搅拌后的钻井液静置1min（或10s）和静置10min，分别测量其初切值和终切值，并用初切、终切的差值表示钻井液触变性的大小。知识点3：钻井液流变参数钻井液主要是由黏土和高聚物处理剂组成的分散体系，存在空间网架结构，在剪切作用下（搅动时）结构被破坏后（切力下降），只有颗粒的某些部位相互接触时才能彼此重新粘结起来形成结构（切力上升）。恢复结构所需的时间和最终的胶凝强度（切力）的大小，是触变性的主要特征。知识点3：钻井液流变参数膨润土钻井液的触变性可归纳为四种情况。

曲线1表示恢复结构所需时间较短，最终切力相当高的情况，称为较快的强凝胶；曲线2代表较慢的强凝胶；曲线3代表较快的弱凝胶；曲线4则代表较慢的弱凝胶。知识点3：钻井液流变参数钻井液应具有良好的触变性。钻井液在停止循环时，切力应迅速增大到某个适当的数值，既有利于钻屑和重晶石的悬浮，又不至于恢复循环时开泵泵压过高。知识点3：钻井液流变参数2、钻井液的黏度和剪切稀释性1）钻井液的粘度（1）漏斗黏度

钻井液的漏斗粘度是指一定体积（500mL）的钻井液流过规定尺寸小孔所用的时间，其单位为秒（s）。它是用一定量的钻井液从漏斗中流出的时间的多少来表示钻井液粘度。

该测定方法简单，可直观反应钻井液黏度大小。知识点3：钻井液流变参数（2）塑性粘度（ηp或PV）

钻井液的塑性粘度是塑性流体的性质，不随剪切速率变化，反映了在层流情况下，钻井液中网架结构的破坏与恢复处于动态平衡时，悬浮颗粒之间、固相颗粒与液相之间以及连续相内部的摩擦作用的强弱。在钻井的过程中合理控制好塑性粘度，利于安全、优质、快速、低耗地进行钻井。知识点3：钻井液流变参数（3）稠度系数K

假塑性流体的性质，其实质也是运动质点之间的内摩擦力。用旋转粘度计测量。知识点3：钻井液流变参数（4）表观粘度（ηv或AV）

又称为有效粘度或视粘度，是指在某一剪切速率下，剪切应力与剪切速率的比值。以塑性流体，宾汉公式推得

又叫结构粘度，和层流时形成的网架结构的能力有关。塑性流体表观黏度由结构粘度和塑性粘度两部分组成，是流体流动的总粘度。知识点3：钻井液流变参数2）钻井液的剪切稀释性由表观黏度公式可知，对于塑形流体虽然塑形粘度和动切力不随速度梯度变化，但表观粘度随速度梯度的增大而降低。塑性流体和假塑性流体的表观黏度随剪切速率的增加而降低的特性称为剪切稀释性。知识点3：钻井液流变参数3、塑性粘度和动切力的控制影响塑性粘度的因素主要有钻井液固相含量，钻井液中粘土的分散程度，高分子处理剂的使用等。可通过降低钻井液的固相含量、加水稀释或化学絮凝等方法降低塑性粘度；可以加入粘土、重晶石、混入原油或适当提高pH值提高塑性粘度；也可以通过增加聚合物处理剂的浓度提高塑性粘度，同时可以提高动切。知识点3：钻井液流变参数3、塑性粘度和动切力的控制影响塑性粘度的因素主要有钻井液固相含量，钻井液中粘土的分散程度，高分子处理剂的使用等。可通过降低钻井液的固相含量、加水稀释或化学絮凝等方法降低塑性粘度；可以加入粘土、重晶石、混入原油或适当提高pH值提高塑性粘度；也可以通过增加聚合物处理剂的浓度提高塑性粘度，同时可以提高动切。知识点3：钻井液流变参数影响动切力的因素主要有粘土矿物的类型和含量、电解质的浓度、降粘剂的含量等。降低动切力最有效的方法是加入适量的降粘剂，也可以加入清水或稀浆来降低动切力，如果引起动切力增大是因为Ca2+、Mg2+污染所致，则应去除这些离子；提高动切力可加入预水化膨润土浆或加入聚合物，对于钙处理钻井液或盐水钻井液，可通过适当增加Ca2+、Na+浓度来提高动切力。一般，非加重钻井液塑性粘度控制在5~12mPa·s，动切力控制在1.4~14.4Pa。知识点3：钻井液流变参数为了获得良好的剪切稀释性，应控制动塑比在0.36~0.48Pa/mPa·s范围，可选用XC生物聚合物、HEC和PHP等聚合物作为主处理剂，并保持其足够的浓度；通过有效使用固控设备，除去钻井液中无用固相，降低固体颗粒浓度，以达到降低ηp、提高的目的；在保证钻井液性能稳定情况下，加入适量石灰、石膏、氯化钙和食盐等电解质，来增强体系中固体颗粒形成网架结构的能力，达到提高的目的。知识点3：钻井液流变参数4、流性指数和稠度系数的调控钻井液的流性指数反映构成粘度的方式，反映液体非牛顿性的强弱，降低n值有利于携带岩屑、清洁井眼，通常要求n值在0.4~0.7范围。最常用方法是加入XC生物聚合物等流型改进剂，或在盐水钻井液中添加预水化膨润土；适当增加无机盐也可降低n，但会影响钻井液稳定性。优先考虑适合体系的聚合物处理剂来降低n值。调控稠度系数的方法和粘度调控类似。知识点3：钻井液流变参数项目三：钻井液的流变性课程名称：泥浆材料检测与应用任务一：流体流动的基本流型流体流动的基本概念非牛顿流体的基本流型钻井液流变参数01知识点02知识点03知识点01项目一：钻井液的流变性任务流体流动的基本流型知识点1流体流动的基本概念知识点1：流体流动的基本概念

01020304钻井液的流变参数塑性粘度动切力静切力表观粘度04触变性钻井液流变性是研究钻井液在外力作用下发生流动和变形的特性。一、剪切速率和剪切应力知识点1：流体流动的基本概念（1）剪切速率γ

流体中垂直于流速方向上各点的流速不同，如果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，则比值dv/dx表示在垂直于流速方向上单位距离流速的增量，即剪切速率。液流中各层的的流速不同的现象，用剪切速率γ来表示。

γ大，则表示液流中各层间流速变化大；反之，流速变化小。流速的单位为m/s，距离单位为m，γ的单位为s-1。知识点1：流体流动的基本概念钻井液在循环过程中，由于在各处流速不同，γ也不同。流速越大，γ越高，反之越低。知识点1：流体流动的基本概念（2）剪切应力τ液流中各层流速不同，层间有相互作用力，在流速不同各液层间发生内摩擦作用，即出现内摩擦力（剪切力），阻碍液层剪切变形。通常将液体流动时所具有的的抵抗剪切变形的物理性质称为液体的粘滞性。知识点1：流体流动的基本概念F等于剪切力（内摩擦力）令，即单位面积上的剪切力，剪切力，则τ——剪切应力，Pa；γ——剪切速率，s-1；μ——粘滞系数，黏度，Pa·s。知识点1：流体流动的基本概念在实际应用中一般用mPa·s表示液体黏度，1Pa·s=1000mPa·s，例