剪切速率资料

剪切速率基本概述流体的流动速相对圆流道半径的变化速率—剪切速率(shearrate)公式：剪切速率=流速差/所取两页面的高度差塑料熔体注塑时流道的剪切速率一般不低于1000ˉS浇口的剪切速率一般在100000ˉS—1000000ˉS具体介绍粘度为液体分子内摩擦的量度，也是物体粘流性质的一项具体反映。粘度的定义为一对平行板，面积为A，相距dr，板间充以某液体。今对上板施加一推力F，使其产生一速度变化du。由于液体的粘性将此力层层传递，各层液体也相应运动，形成一速度梯度du／dr，称剪切速率，以r′表示。F／A称为剪切应力，以τ表示。剪切速率与剪切应力间具有如下关系：（F／A）=η（du／dr），此比例系数η即被定义为液体的剪切粘度（另有拉伸粘度，剪切粘度平时使用较多，一般不加区别简称粘度时多指剪切粘度），故η=（F／A）／（du／dr）=τ／r′。粘度单位常用“泊”，以P表示。部分粘度单位换算如下：1泊（P）=0.1牛顿秒／米2（Ns/m2）=3.6×102千克／米时（kg/mh）、1千克力秒／米2（kgfs/m2）=1Pa.s=98.07泊（P）。PVC与大部分聚合物一样，影响其粘度的因素有：1，温度T，PVC粘度随温度升高呈指数下降。当剪切速率r′=100/s时，温度T=150℃，软质PVC的粘度η=6200Pa.s=608047泊（P）。硬质PVC的粘度η=17000Pa.s=1677900泊（P）。温度T=190℃，软质PVC的粘度η=310Pa.s=30597泊（P）。硬质PVC的粘度η=600Pa.s=59220泊（P）。2，剪切速率r′，剪切速率r′增加，PVC粘度下降。温度T=150℃时，剪切速率r′=100/s，软质PVC的粘度η=6200Pa.s=608047泊（P）。硬质PVC的粘度η=17000Pa.s=1677900泊（P）。剪切速率r′=1000/s，软质PVC的粘度η=900Pa.s=88263泊（P）。硬质PVC的粘度η=2000Pa.s=197400泊（P）。3，压力，在同一温度下，增压会增加PVC的粘度。剪切应力为τ，剪切速率为Ý，则粘度η＝τ/Ý，称为动力粘度，单位为Pa.s（泊），常用单位为mPa.s（如一般原油测试的粘度）。

一般现在流变仪测试的粘度结果都是1/s；而一些以前的粘度计测试的结果却是rpm，它换算成1/s估计有些困难，因为它的转子属于相对测试系统，转子尺寸和测量杯的尺寸的影响，无法准确得到其剪切速率。一、流体流动的基本概念

1．剪切速率和剪切应力

液体与固体的重要区别之一是液体具有流动性，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。以河水在水面的流速分布为例，可以观察到越靠近河岸，流速越小，河中心处流速最大，河面水的流速分布如图3-1所示。管道中水的流速分布是中心处流速最大，越向周围流速越小，靠近管壁处流速为零。流速剖面形状为抛物线。从立体来看，它像一个套筒望远镜或拉杆天线，如图3-2所示。

水中各点的流速不同，可以设想将其分成许多薄层。通过管道中心线上的点作一条流速的垂线，自中心线上的点沿垂线向管壁移动位置，随着位置的变化流速也在发生变化。液流中各层的流速不同这个现象，通常是用剪切速率(或称流速梯度)这个物理量来描述的。如果在垂直于流速的方向上取一段无限小的距离缸，流速由I／变化到v+dv，则比值dw／d工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。剪切速率也可用符号了来表示。若剪切速率大，则表示液流中各层之间流速的变化大；反之，流速的变化则小。在SI单位制中，流速的单位为m／s，距离的单位为m，所以剪切速率的单位为s-1。钻井液在循环过程中，由于它在各个部位的流速不同，因此剪切速率也不相同。流速越大之处剪切速率越高，反之则越低。一般情况下，沉砂池处剪切速率最低，大约在10一20s-1；沸慰占?0～250s-1；钻杆内100～1000s-1；钻头喷嘴处最高，大约在10000～100000s-1。

液流中各层的流速不同，故层与层之间必然存在着相互作用。由于液体

因为目前广泛使用的多数钻井液为塑性流体和假塑性流体，因此，下面将重点讨论这两种类型的非牛顿流体。

二、塑性流体返回

高粘土含量的钻井液、高含蜡原油和油漆等都属于塑性流体。与牛顿流体不同，塑性流体当γ＝0时，τ≠0。也就是说，它不是加很小的剪切应力就开始流动，而是必须加一定的力才开始流动，这种使流体开始流动的最低剪切应力(τs)称为静切应力(又称静切力、切力或凝胶强度)。从图3-4中塑性流体的流变曲线可以看出，当剪切应力超过τs时，在初始阶段剪切应力和剪切速率的关系不是一条直线，表明此时塑性流体还不能均匀地被剪切，粘度随剪切速率增大而降低(图中曲线段)。继续增加剪切应力，当其数值大到一定程度之后，粘度不再随剪切速率增大而发生变化，此时流变曲线变成直线(图中直线段)。此直线段的斜率称为塑性粘度(表示为μP或PV)。延长直线段与剪切应力轴相交于一点τ0，通常将τ0(亦可表示为YP)称为动切应力(常简称为动切力或屈服值)。塑性粘度和动切力是钻井液的两个重要流变参数。

引入动切力之后，塑性流体流变曲线的直线段即可用下面的直线方程进行描述；

τ＝μ0十μPγ

(3-3)

此式即是塑性流体的流变模式。因是宾汉首先提出的，该式常称为宾汉模式(BinghamModel)，并将塑性流体称为宾汉塑性流体。

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，水基钻井液主要由粘土、水和处理剂所组成。粘土矿物具有片状或棒状结构，形状很不规则，颗粒之间容易彼此连接在一起，形成空间网架结构。研究表明，粘土颗粒可能出现如图3-5所描述的三种不同连接方式，即面-面(FacetoFace)、端-面(EdgetoFace)和端-端(EdgetoEdge)连接。这是由于粘土颗粒表面的性质(带电性和水化膜)极不均匀引起的。片状的粘土颗粒有两种不同的表面，即带永久负电荷的板面(简称"面")和既可能带正电荷也可能带负电荷的端面(简称"端")，这样粘土表面在溶液中就可能形成两种不同的双电层。一般说来，粘土胶体颗粒的相互作用受三种力的支配，即双电层斥力、静电吸引力和范德华引力。粘土颗粒间净的相互作用力是斥力和吸力的代数和，因此在不同条件下，会产生以上三种不同的连接方式。例如，当端面带正电荷时，板面与端面就由于静电吸引力占优势而彼此连接；当加入可溶性电解质时，则由于其中的阳离子压缩双电层使ζ电位降低，从而降低了双电层斥力，于是引起端-面连接；如果加入的电解质足够多，双电层斥力降至某种程度之后，则会发生面-面连接。

三种不同的连接方式将产生不同的后果。面-面连接会导致形成较厚的片，即颗粒分散度降低，这一过程通常称为聚结(Aggregation)；而端-面与端-端连接则形成三维的网架结构，特别是当粘土含量足够高时，能够形成布满整个空间的连续网架结构，胶体化学上称做凝胶结构，这一过程通常称为絮凝(Floccula－tion)。与聚结和絮凝相对应的相反过程分别叫做分散(Dispersion)和解絮凝(Defiocculation)，如图3-5所示。

一般情况下，钻井液中的粘土颗粒都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(即图3-4中塑性流体的曲线段)。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(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，相应地粘度亦不再发生变化(图中直线段)。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。从宾汉模式可以得出：μp=（τ－τ0）/γ，塑性粘度的单位为mpa·S。

三、假塑性流体返回

某些钻井液、高分子化合物的水溶液以及乳状液等均属于假塑性流体。其流变曲线是通过原点并凸向剪切应力轴的曲线(见图3-4)。这类流体的流动特点是：施加极小的剪切应力就能产生流动，不存在静切应力，它的粘度随剪切应力的增大而降低。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。

假塑性流体服从下式所示的幂律方程，即

τ＝Kγn

(3-4)

该式为假塑性流体的流变模式，习惯上称为幂律模式(PowerLowModel)。式中的n(流性指数)和K(稠度系数)是假塑性流体的两个重要流变参数。

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