【采礦】鉆井液的流變性ppt課件

1、鉆井液的流變性烏效鳴中國(guó)地質(zhì)大學(xué)武漢工程學(xué)院勘基系2004年.鉆井液的流變性概述鉆井液流變性Rheological Properties of Drilling Fluids 是指在外力作用下，鉆井液發(fā)生流動(dòng)和變形的特性，其中流動(dòng)是主要的方面。該特性通常用鉆井液的流變曲線和塑性粘度Plastic Viscosity、動(dòng)切力Yield Point、靜切力Gel Strength、表觀粘度Apparent Viscosity等流變參數(shù)來(lái)進(jìn)展描畫的。.鉆井液的流變性概述 鉆井液流變性是鉆井液的一項(xiàng)根本性能，它在處理以下鉆井問(wèn)題是起著非常重要的作用：1攜帶巖屑，保證井底和井眼的清潔；2懸浮巖屑；3提高

2、機(jī)械鉆速；4堅(jiān)持井眼的規(guī)那么和保證井下平安。.內(nèi)容概要鉆井液的流變性對(duì)鉆井任務(wù)的影響 流變類型與流變參數(shù) 不同鉆井液流型的構(gòu)成機(jī)理分析 鉆井液流變性的丈量 .鉆井液的流變性對(duì)鉆井任務(wù)的影響 鉆井液的流變性對(duì)鉆井任務(wù)的影響主要表達(dá)在懸碴、護(hù)壁、減阻、提高鉆速和冷卻鉆具5個(gè)方面。 動(dòng)畫演示1懸碴、護(hù)壁動(dòng)畫演示2提高鉆速.鉆井液的流變性對(duì)鉆井任務(wù)的影響鉆井液的主要功能之一就是清洗井底并將巖屑攜帶到地面上來(lái)。鉆井液清洗井眼的才干除取決于循環(huán)系統(tǒng)的水力參數(shù)外，還取決于鉆井液的性能，特別是其中的流變性能。巖屑的去除分兩個(gè)過(guò)程，一是巖屑被沖離井底，二是巖屑從環(huán)形間隙被攜帶到地面。.鉆井液的流變性對(duì)鉆井任務(wù)的

3、影響對(duì)于破碎的不穩(wěn)定井壁，利用較粘稠的泥漿還可以起到較好的粘結(jié)護(hù)壁作用。絮流液流對(duì)井壁有較強(qiáng)的沖蝕作用，容易引起易塌地層垮塌，不利于井壁穩(wěn)定。其緣由是絮流時(shí)液流質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向是絮亂的和無(wú)規(guī)那么的，而且流速高，具有較大的動(dòng)能。因此，在鉆井液循環(huán)時(shí)，普通應(yīng)堅(jiān)持在層流形狀，盡量防止出現(xiàn)絮流。對(duì)于非牛頓流體，普通采用綜合雷諾數(shù)Re來(lái)判別流態(tài)。將鉆井液按塑性流體思索，當(dāng)Re2000時(shí)為絮流。假設(shè)按Re2000，即可推導(dǎo)出臨界返速的公式。.鉆井液的流變性對(duì)鉆井任務(wù)的影響但是，泥漿的粘稠性大又有不利的方面：使井底碎巖效率降低，這種影響主要表如今鉆頭噴嘴處的絮流流動(dòng)阻力對(duì)鉆速的影響。鉆井液粘度越大，絮流流動(dòng)阻

4、力越大，從而降低了鉆頭在井底的碎巖效率。添加泥漿循環(huán)的流動(dòng)阻力；增大對(duì)井壁的液壓力激動(dòng)破壞。井內(nèi)液柱壓力是指在起下鉆和鉆進(jìn)過(guò)程中，由于鉆柱上下運(yùn)動(dòng)、泥漿泵開(kāi)動(dòng)等緣由，使得井內(nèi)液柱壓力發(fā)生忽然變化升高或降低，給井內(nèi)添加一個(gè)附加壓力正值或負(fù)值的景象。 .流變類型與流變參數(shù) 4種流型，9個(gè)流變參數(shù)1、牛頓流體絕對(duì)粘度2、賓漢流體靜切力、動(dòng)切力、塑性粘度、表觀粘度3、冪律流體流性指數(shù)、稠度指數(shù)4、卡森流體極限高剪粘度、卡森動(dòng)切力.1、牛頓流體牛頓方程：式中：?jiǎn)挝幻娣e上的內(nèi)摩擦力，或稱為剪切應(yīng)力，Pa； 剪切速率或流速梯度，s-1； 牛頓粘度或稱為動(dòng)力粘度，Pas,(1Pas=1000cP=1000mP

5、as)。.1、牛頓流體 圖1 典型牛頓流體流變圖 氣體、水、甘油、硅油、油(除高剪切速率下的高粘 度油外)、低分子化合物溶液等均屬于牛頓流體。.2、賓漢流體塑性流體與粘塑性流體 塑性流體其流變曲線為不經(jīng)過(guò)原點(diǎn)O的一條直線，如圖2所示。它表示這種流體具有一定的顆粒濃度，在靜止形狀下構(gòu)成顆粒之間的內(nèi)部構(gòu)造，加外力進(jìn)展剪切時(shí)，要破壞構(gòu)造后才干開(kāi)場(chǎng)流動(dòng)。例如，泥漿中粘土顆粒的外形很不規(guī)那么，外表性質(zhì)也很不均勻，因此顆粒之間容易彼此粘結(jié)，構(gòu)成網(wǎng)狀構(gòu)造。倘假設(shè)顆粒的濃度足夠大，網(wǎng)狀構(gòu)造可以在泥漿中布滿整個(gè)空間，那么要使這種泥漿發(fā)生流動(dòng)，就必需在一定程度上破壞這種延續(xù)構(gòu)造。 .塑性流體圖2 塑性流體 理想的

6、賓漢塑性流體，普通是一些含較高固相且顆粒均勻的懸浮體，如一些礦漿、油墨、油漆等。.塑性流體式中： 靜切力， Pa；p 塑性粘度，Pas。塑性流體有兩個(gè)流變參數(shù)，即塑性粘度p及靜切力 表觀粘度：.粘塑性流體由于固相顆粒的高度不均勻(如粘土)，在外表引力與斥力作用下易構(gòu)成構(gòu)造，在低剪切速率下其流變曲線(本來(lái)是直線)往往偏離直線，構(gòu)成曲線變化，當(dāng)剪切速率添加至層流段時(shí)才成直線變化(圖3)，這種流體稱為粘塑性流體。 .粘塑性流體圖3 粘塑流體流動(dòng)圖 屬于粘塑性流體的有泥漿、瀝青、某些原油、水泥漿等，粘度高的牛頓流體也表現(xiàn)出粘塑性流體的性質(zhì)。 .粘塑性流體圖中AB為凹向軸的曲線，BD為直線段，BD延伸線

7、與軸的交點(diǎn)為C，OC壞，此時(shí)產(chǎn)生像塞子一樣的流動(dòng)，故稱為塞流。隨著的逐漸升高，構(gòu)造逐漸破壞，表觀粘度也逐漸變小，此段流變曲線為一曲線變化。B點(diǎn)之后處于較穩(wěn)定的層流段，此時(shí)粘塑流體內(nèi)部的構(gòu)造破壞與構(gòu)成處于平衡形狀，BD為不斷線段，表示有一個(gè)穩(wěn)定的塑性粘度值。而D點(diǎn)之后，由于流速快，剪切速率高，就轉(zhuǎn)為紊流態(tài)了。0表示此流體運(yùn)動(dòng)時(shí)構(gòu)造的存在及其數(shù)值的大小。.粘塑性流體 與式(2)比較，此式也是直線方程，截距為0，而不是s。即此賓漢方程只能代表流變曲線的層流直線段，而不能代表低剪切速率下的塞流曲線段。粘塑性流變參數(shù)有兩個(gè)，即塑性粘度p，及動(dòng)切力(或叫屈服值)0。.粘塑性流體仿牛頓粘度表示法，求粘塑流體

8、的表觀粘度值： 圖3中，在ABD線上任何一點(diǎn)F1、F2與原點(diǎn)O的連線OF1、OF2斜率的倒數(shù)均表示表觀粘度值。剪切速率越高，表觀粘度越低。這種表觀粘度隨剪切速率升高而降低的景象，可稱為剪切稀釋作用。泥漿剪切稀釋作用的好壞可用動(dòng)塑比(動(dòng)切力/塑性粘度)來(lái)表示，動(dòng)塑比越大，表示剪切稀釋作用越好。參與高分子處置劑的低固相泥漿(特別是參與XC生物聚合物)，可使塑性粘度添加慢而動(dòng)切力添加快，能提高泥漿的動(dòng)塑比。.3、冪律流體 圖4 冪律流體流變曲線 用高分子處置劑處置的低固相泥漿及聚合物鉆井液，也多屬于假塑流體，或介于賓漢體與假塑體之間。濃的淀粉糊、一些礦漿、高固相含量的涂料等屬于膨脹流體。.冪律流體式

9、中：K稠度系數(shù)，或稱為冪律系數(shù)，Pasn；n流性指數(shù)，或稱為冪律指數(shù)，無(wú)單位。K值是粘度的度量，但不等于粘度值，而粘度越高，K值也越高。在剪切速率一定范圍內(nèi)，n值可當(dāng)作常數(shù)處置。n值是非牛頓性的度量，n值越低或越高曲線也越彎曲，非牛頓性也越強(qiáng)，泥漿n值普通在0.5以下為好。上式中，當(dāng)n1時(shí)為膨脹流體。因此，冪律流體又區(qū)分為假塑流體與膨脹流體兩種，其中最常見(jiàn)的是假塑流體。.假塑流體如圖4所示，假塑流體的流變曲線為凹向軸的曲線OAB，曲線OAB 是膨脹流體(在高剪切速率下接近于直線)。它經(jīng)過(guò)原點(diǎn)O，表示一加外力即產(chǎn)生流動(dòng)，不存在靜切力。隨著剪切速率的不斷升高，其表觀粘度是不斷下降的，屬于剪切稀釋液

10、。 表觀粘度：.假塑流體當(dāng)n1時(shí)，0tg1，01時(shí)，45，為膨脹流體。因此n值和K值是假塑流體的兩個(gè)流變參數(shù)。長(zhǎng)鏈高分子聚合物懸浮體是典型的假塑流體。靜止時(shí)分子鏈恣意相互糾纏，但由于靜電斥力占優(yōu)勢(shì)，不易構(gòu)成構(gòu)造。運(yùn)動(dòng)時(shí)，分子鏈趨向于平行流動(dòng)方向，順序陳列，運(yùn)動(dòng)阻力減小，隨剪切速率添加，這一趨勢(shì)添加，加上分子鏈能夠斷裂，因此表觀粘度減少。.卡森流體 卡森方式是假定凝聚生長(zhǎng)條狀的棒狀物，在剪切下特別是在高剪切速率下能分解為原始短顆粒。 式中： 恣意剪切速率或每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)(rpm)下表觀粘度， Pas； 剪切速率為無(wú)窮大時(shí)的表觀粘度，Pas； 剪切速率，s-1； 屈服值或卡森動(dòng)切力，Pa。 .卡森流體

11、卡森斜率：卡森斜率越高，表示泥漿的剪切稀釋作用越好，而值等于截距(圖5)。 圖5 卡森方式圖 卡森流體的兩個(gè)主要流變參數(shù)是卡森動(dòng)切力 和極限高剪粘度 。.不同鉆井液流型的構(gòu)成機(jī)理分析 泥漿流動(dòng)時(shí)的剪切應(yīng)力與剪切速率之間的關(guān)系用流變方程和流變曲線來(lái)表達(dá)。如第二章所述，不同泥漿的流變關(guān)系大體上可以分為四種實(shí)際流型，即牛頓流型、賓漢流型、冪律流型和卡森流型。一種詳細(xì)泥漿的實(shí)踐流型與哪一種實(shí)際流型較相近，就以為它屬于該實(shí)際流型。泥漿的流型主要取決于構(gòu)成泥漿的資料組成及其它們的含量。.不同鉆井液流型的構(gòu)成機(jī)理分析 動(dòng)畫演示3流型構(gòu)成機(jī)理.不同鉆井液流型的構(gòu)成機(jī)理分析粘土含量較少的細(xì)分散泥漿比較接近于牛頓

12、流型，其剪切應(yīng)力主要由相互無(wú)銜接力的粘土微粒及水分子之間的摩擦力構(gòu)成。由牛頓流型關(guān)系式(1)可知，反映該類泥漿粘稠性的流變參數(shù)是牛頓粘度。由于普通泥漿在未加稀釋劑和高聚物加量很少的情況下存在粘土顆粒之間的結(jié)合力，具有一定程度的網(wǎng)架構(gòu)造。因此，泥漿在發(fā)生流動(dòng)之前需求抑制一定的構(gòu)造力。其流型用賓漢流型來(lái)反映較為適宜。由賓漢流型關(guān)系式(2)可知，反映該類泥漿粘稠性的流變參數(shù)是動(dòng)切力o和塑性粘度p。 .不同鉆井液流型的構(gòu)成機(jī)理分析當(dāng)泥漿中的線形高聚物或類似油微粒的可變形物質(zhì)含量較高，并且泥漿構(gòu)造力很低時(shí)，可以用冪律關(guān)系來(lái)描畫泥漿流型。這種流型的切應(yīng)力隨剪切速率的變化不是線性關(guān)系，而是由快到慢呈冪指數(shù)關(guān)

13、系，也就是說(shuō)流動(dòng)慢時(shí)切力添加得快，流動(dòng)快時(shí)切力添加得慢。其緣由是線形高聚物等在流動(dòng)中具有順流方向性。流速越大，順流方向性越強(qiáng)，阻力添加得越慢。由冪律流型關(guān)系式(8)可知，反映該類泥漿粘稠性的流變參數(shù)是稠度系數(shù)K和流型指數(shù)n。.不同鉆井液流型的構(gòu)成機(jī)理分析對(duì)于許多泥漿而言，既存在著粘土顆粒的空間網(wǎng)架，又有線形高聚物或類似的物質(zhì)，也就是說(shuō)既存在構(gòu)造力，又有剪切稀釋作用。因此，用卡森流型來(lái)反映其流變關(guān)系更為適宜。由卡森流型關(guān)系式(10)可知，反映該類泥漿粘稠性的流變參數(shù)是卡森動(dòng)切力c和卡森高剪粘度。.鉆井液流變性的丈量 1、漏斗粘度計(jì) 圖7 漏斗粘度計(jì).漏斗粘度計(jì)將漏斗呈垂直，用手握緊并用食指堵住管

14、口。然后用量筒兩端，分別裝200ml和500ml泥漿倒入漏斗。將量筒500ml一端朝上放在漏斗下面，放開(kāi)食指，同時(shí)啟動(dòng)秒表記時(shí)，記錄流滿500ml泥漿所需的時(shí)間，即為所測(cè)泥漿的粘度。儀器運(yùn)用前，運(yùn)用清水進(jìn)展校正。該儀器丈量清水的粘度為150.5秒。假設(shè)誤差在1秒以內(nèi)，可用下式計(jì)算泥漿的實(shí)踐粘度。.ZNN型旋轉(zhuǎn)粘度計(jì) 動(dòng)力部分雙速同步電機(jī)、電源 變速部分可變六速轉(zhuǎn)/分 6 100 200 300 600 丈量部分扭力彈簧、刻度盤與內(nèi)外筒組成丈量系統(tǒng)。 圖8 旋轉(zhuǎn)粘度計(jì).ZNN型旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)部分放大圖實(shí)物全圖圖9 旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)實(shí)物與部分放大圖.ZNN型旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)任務(wù)原理液體放置在兩個(gè)同心圓筒的環(huán)隙空間

15、內(nèi)，電機(jī)經(jīng)過(guò)傳動(dòng)安裝帶動(dòng)外筒恒速旋轉(zhuǎn)，借助于被測(cè)液體的粘滯性作用于內(nèi)筒一定的轉(zhuǎn)矩，帶動(dòng)與扭力彈簧相連的內(nèi)筒一個(gè)角度。該轉(zhuǎn)角的大小與液體的粘性成正比，于是液體的粘度丈量轉(zhuǎn)換為內(nèi)筒轉(zhuǎn)角的丈量。圖10 旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)任務(wù)原理.ZNN型旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)操作順序?qū)倲嚢韬玫哪酀{倒入樣品杯刻度線處350ml，立刻放置于托盤上，上升托盤使液面至外筒刻度線處。擰緊手輪，固定托盤。如用其它樣品杯，筒底部與杯底之間不應(yīng)低于1.3mm。迅速?gòu)母咚俚降退龠M(jìn)展丈量，待刻度盤讀數(shù)穩(wěn)定后，分別記錄各轉(zhuǎn)速下的讀數(shù)。.ZNN型旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)操作順序測(cè)靜切力時(shí)，應(yīng)先用600轉(zhuǎn)/分?jǐn)嚢?0s，靜置10s鐘后將變速手把置于3轉(zhuǎn)/分，讀出刻度盤上最大讀數(shù)，即為初切力。再用600轉(zhuǎn)/分?jǐn)嚢?0s，靜置10min后將變速手把置于3轉(zhuǎn)/分，讀出刻度盤上最大讀數(shù)，即為終切力。實(shí)驗(yàn)終了后，封鎖電源，松開(kāi)托盤，移開(kāi)量杯。悄然卸下內(nèi)外筒，清洗內(nèi)外筒并