Chapter-鉆井液流變性能完美版資料

鉆井液流變特性TheRheologyofDrillingFluids流變學(xué)（Rheology）：是研究流體在外力的作用下，流體發(fā)生流動和變形的特性，建立剪切應(yīng)力和剪切速率的關(guān)系，如流變方程和流變曲線。鉆井液流變性（RheologicalPropertiesofDrillingFluids）是指在外力作用下，鉆井液發(fā)生流動和變形的特性。該特性通常用鉆井液的流變公式、流變曲線和流變參數(shù)，如塑性粘度（PlasticViscosity）、動切力（YieldPoint）、靜切力（GelStrength）、表觀粘度（ApparentViscosity）等來進(jìn)行描述的。流變參數(shù)是流變方程的常數(shù)。1.流體流動的基本概念剪切速率(Shearrate（shearrate）或速度梯度,velocitygradient）和剪切應(yīng)力（shearstress）。該儀器測量清水的粘度為15±0.與假塑流體相比較，膨脹流體是少見的，濃度較高的固相形狀不規(guī)則的懸浮體，在剪切作用下，顆粒分散，捕俘或固定某些液體，而引起“干固效應(yīng)”，使運(yùn)動阻力增加，粘度增加(即屬于剪切稠化液)，而此效應(yīng)通常是可逆的。(亦可表示為YP)稱為動切應(yīng)力(常簡稱為動切力或屈服值yieldpoint)，是將粘以上四種基本流型的流變曲線見圖3-4。μ還與溫度有關(guān)，液體的粘度一般隨溫度的升高而降低。2．流變模式和流變曲線(flowmodelsandflowcurves)—剪切速率或流速梯度，s-1；該儀器測量清水的粘度為15±0.1.二、流動類型與流變參數(shù)

FlowTypesandflowparameters在一定溫度和壓力條件下，牛頓粘度為一常數(shù)。表觀粘度:（mPa?s）從立體來看，它像一個套筒望遠(yuǎn)鏡或拉桿天線，如圖2所示。內(nèi)摩擦力F除以接觸面積S即得液體內(nèi)的剪切應(yīng)力τ，剪切應(yīng)力可理解為單位面積上的剪切力，即（10min）（Pa）圖2管道中水的流速分布是中心處流速最大，越向周圍流速越小，靠近管壁處流速為零。流速剖面形狀為拋物線。從立體來看，它像一個套筒望遠(yuǎn)鏡或拉桿天線，如圖2所示。液流中各層的流速不同這個現(xiàn)象，通常是用剪切速率(或稱流速梯度)這個物理量來描述的。由于液體內(nèi)部內(nèi)聚力的作用，流速較快的液層會帶動流速較慢的相鄰液層，而流速較慢的液層又會阻礙流速較快的相鄰液層。這樣在流速不同的各液層之間會發(fā)生內(nèi)摩擦作用，即出現(xiàn)成對的內(nèi)摩擦力(即剪切力)，阻礙液層剪切變形。為了確定內(nèi)摩擦力與哪些因素有關(guān)，牛頓通過大量實(shí)驗研究提出了液體內(nèi)摩擦定律，通常稱為牛頓內(nèi)摩擦定律。其內(nèi)容為：液體流動時，液體層與層之間的內(nèi)摩擦力(F)的大小與液體的性質(zhì)及溫度有關(guān)，并與液層間的接觸面積(S)和剪切速率()成正比，即:μ

–viscosity,thefrictionalresistance;內(nèi)摩擦力F除以接觸面積S即得液體內(nèi)的剪切應(yīng)力τ，剪切應(yīng)力可理解為單位面積上的剪切力，即

以上兩式中，μ是量度液體粘滯性大小的物理量，通常稱為粘度，用來描述液體流動時所具有的抵抗剪切變形的物理性質(zhì)。其物理意義是產(chǎn)生單位剪切速率所需要的剪切應(yīng)力。μ越大，表示產(chǎn)生單位剪切速率所需要的剪切應(yīng)力越大。粘度是液體的性質(zhì)，不同液體有不同的μ值。μ還與溫度有關(guān)，液體的粘度一般隨溫度的升高而降低。在SI單位制中，τ的單位是Pa，的單位是s-1，

μ的單位是Pa·s。由于Pa·s單位太大，在實(shí)際應(yīng)用中一般用mPa·s表示液體的粘度。例如，在20℃時，水的粘度μ

＝1.0087mPa·s。在工程應(yīng)用中，μ的常用單位為厘泊(cP)，1cP=1mPa·s。2．流變模式和流變曲線(flowmodelsandflowcurves)剪切應(yīng)力和剪切速率是流變學(xué)中的兩個基本概念，鉆井液流變性的核心問題就是研究各種鉆井液的剪切應(yīng)力與剪切速率之間的關(guān)系。這種關(guān)系可以用學(xué)關(guān)系式表示，也可以作出圖線來表示。若用數(shù)學(xué)關(guān)系式表示時，稱為流變方程習(xí)慣上又稱為流變模式(flowmodels)如式就是牛頓流體的流變模式。若用圖線來表時，就稱為流變曲線(flowcurves)。二、流動類型與流變參數(shù)

FlowTypesandflowparameters按照流體流動時剪切速率與剪切應(yīng)力之間的關(guān)系，流體可以劃分為不同的類型，即所謂流型。除牛頓流型外，根據(jù)所測出的流變曲線形狀的不同，又可將非牛頓流體的流型歸納為塑性流型、假塑性性流型和膨脹流型。以上四種基本流型的流變曲線見圖3-4。符合這四種流型的分別叫牛頓流體、塑性流體、假塑性流體和膨脹性流體。鉆井液常用流型：牛頓流體(NewtonianFluids)賓漢流體(BinghamPlasticFlow)冪律流體(Powerlawflow)卡森流體(Cassonflow)

１、牛頓流體這類流體有如下特點(diǎn)：當(dāng)τ>O時，γ>0，因此只要對牛頓流體施加一個外力，即使此力很小，也可以產(chǎn)生一定的剪切速率，即開始流動。其粘度不隨剪切速率的增減而變化。在一定溫度和壓力條件下，牛頓粘度為一常數(shù)。氣體、水、甘油、硅油、低分子化合物溶液等均屬于牛頓流體?？梢园颜惩梁康偷南∧酀{歸為牛頓流體。

或

式中：—單位面積上的內(nèi)摩擦力，或稱為剪切應(yīng)力，Pa；

—剪切速率或流速梯度，s-1；—牛頓粘度或稱為動力粘度Pa·s,(1Pa·s=1000cP，或lcP=10-3Pa·s=1mPa·s)典型牛頓流體流變圖典型牛頓流體流變圖分析不同物質(zhì)有不同粘度。牛頓流體流變圖，其流變曲線均為通過原點(diǎn)O的一條直線，但粘度越高(如甘油，在15℃時為2.33Pa·s)，其斜率越大，即流變曲線與x軸的夾角越大。粘度越低(如空氣，在15℃時為0.0182╳10-3Pa·s)，其斜率越小。水的動力粘度，15℃時為1.1405×10－3Pa·s，20℃時為1.0087×10－3Pa·s。2、賓漢流體（塑性流體與粘塑性流體）

（1）塑性流體其流變曲線為不通過原點(diǎn)O的一條直線。與牛頓流體不同，塑性流體當(dāng)γ＝0時，τ≠0。也就是說，它不是加很小的剪切應(yīng)力就開始流動，而是必須加一定的力才開始流動，這種使流體開始流動的最低剪切應(yīng)力(τs)稱為靜切應(yīng)力(又稱靜切力、切力或凝膠強(qiáng)度)。

塑性流體流變曲線靜切力：是指要使靜止的塑性流體開始運(yùn)動時，破壞其單位面積上的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)所需要的切力。它可以用來表示塑性流體靜止時網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的大小。a、動力部分0182╳10-3Pa·s)，其斜率越小。上式中，當(dāng)n<1時為假塑性流體；若用數(shù)學(xué)關(guān)系式表示時，稱為流變方程習(xí)慣上又稱為流變模式(flowmodels)如式就是牛頓流體的流變模式。該特性通常用鉆井液的流變公式、流變曲線和流變參數(shù)，如塑性粘度（PlasticViscosity）、動切力（YieldPoint）、靜切力（GelStrength）、表觀粘度（ApparentViscosity）等來進(jìn)行描述的。n——流性指數(shù)，或稱為冪律指數(shù)，無單位。鉆井液流變性（RheologicalPropertiesofDrillingFluids）是指在外力作用下，鉆井液發(fā)生流動和變形的特性。在一定溫度和壓力條件下，牛頓粘度為一常數(shù)。也就是說，它不是加很小的剪切應(yīng)力就開始流動，而是必須加一定的力才開始流動，這種使流體開始流動的最低剪切應(yīng)力(τs)稱為靜切應(yīng)力(又稱靜切力、切力或凝膠強(qiáng)度)。隨著剪切速率的不斷升高，其表觀粘度是不斷下降的，屬于剪切稀釋流體。該儀器測量清水的粘度為15±0.這種關(guān)系可以用學(xué)關(guān)系式表示，也可以作出圖線來表示。其物理意義是產(chǎn)生單位剪切速率所需要的剪切應(yīng)力。粘度是液體的性質(zhì)，不同液體有不同的μ值。μ越大，表示產(chǎn)生單位剪切速率所需要的剪切應(yīng)力越大。這種關(guān)系可以用學(xué)關(guān)系式表示，也可以作出圖線來表示。當(dāng)外力超過τs后，塑性流體作層流流動，其流變曲線呈斜直線變化。此斜直線可用下列賓漢方程(流變模式－流變方程)來表示：式中：—靜切力，Pa；—塑性粘度(plasticviscosity)，Pa·s。

。

可見，塑性流體有兩個流體參數(shù)，即塑性粘度

和靜切力

。粘塑流體流動圖（2）粘塑性流體在低剪切速率下其流變曲線(本來是直線)往往偏離直線，形成曲線變化，當(dāng)剪切速率增加至層流段時才呈直線變化(見圖)當(dāng)剪切應(yīng)力超過τs時，在初始階段剪切應(yīng)力和剪切速率的關(guān)系不是一條直線，表明此時塑性流體還不能均勻地被剪切，粘度隨剪切速率增大而降低(圖中曲線段)。繼續(xù)增加剪切應(yīng)力，當(dāng)其數(shù)值大到一定程度之后，粘度不再隨剪切速率增大而發(fā)生變化，此時流變曲線變成直線(圖中直線段)。此直線段的斜率稱為塑性粘度(表示為μp或PV)。延長直線段與剪切應(yīng)力軸相交于一點(diǎn)τd，通常將τd

(亦可表示為YP)稱為動切應(yīng)力(常簡稱為動切力或屈服值yieldpoint)，是將粘塑流體看成塑性流體，使粘度變?yōu)槌?shù)(即塑性粘度)所需的最小切應(yīng)力。τd表示此流體運(yùn)動時結(jié)構(gòu)的存在及其數(shù)值的大小。塑性粘度和動切力是鉆井液的兩個重要流變參數(shù)。冪律流體的流變曲線為通過原點(diǎn)O的曲線，如圖所示。它們可用冪函數(shù)或叫冪律模式來表示：式中：K—稠度系數(shù)，或稱為冪律系數(shù)，Pa·sn；n——流性指數(shù)，或稱為冪律指數(shù)，無單位。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)處理。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值一般在0.5以下為好。上式中，當(dāng)n<1時為假塑性流體；當(dāng)n=1時為牛頓流體；當(dāng)n>1時為膨脹流體。因此，冪律流體又區(qū)分為假塑流體與膨脹流體兩種，其中最常見的是假塑流體。3、冪律流體冪律流體流變曲線

某些鉆井液、高分子化合物的水溶液以及乳狀液等均屬于假塑性流體。假塑流體(pseudoplastic)

如圖所示，假塑流體的流變曲線為凸向剪切應(yīng)力軸的曲線。它通過原點(diǎn)O，表示一加外力即產(chǎn)生流動，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，屬于剪切稀釋流體。膨脹流體(或稱為脹流型流體)(dilatant)。隨著剪切速率的增加，其表觀粘度是增加的，因而稱之為剪切稠化流體。與假塑流體相比較，膨脹流體是少見的，濃度較高的固相形狀不規(guī)則的懸浮體，在剪切作用下，顆粒分散，捕俘或固定某些液體，而引起“干固效應(yīng)”，使運(yùn)動阻力增加，粘度增加(即屬于剪切稠化液)，而此效應(yīng)通常是可逆的。濃的淀粉糊、一些礦漿、高固相含量的涂料等屬于膨脹流體。三、鉆井液流變性的測量漏斗粘度計儀器使用前，應(yīng)用清水進(jìn)行校正。該儀器測量清水的粘度為15±0.5秒。若誤差在±1秒以內(nèi)，可用下式計算泥漿的實(shí)際粘度。旋轉(zhuǎn)粘度計有手搖兩速、電動兩速和電動六速三種。主要用于測量泥漿的流變參數(shù)。電動六速旋轉(zhuǎn)粘度計儀器結(jié)構(gòu)如圖所示（測試原理見P38)。（1）儀器結(jié)構(gòu)a、動力部分b、變速部分c、測量部分d、支架部分（2）工作原理被測液體放置在兩個同心圓筒的環(huán)隙空間內(nèi)，電機(jī)經(jīng)過傳動裝置帶動外筒恒速旋轉(zhuǎn)，通過被測液體的粘滯性，內(nèi)筒受到一定的轉(zhuǎn)矩而轉(zhuǎn)動一個角度。該轉(zhuǎn)角的大小與液體的粘性相關(guān)，于是被測液體的粘度就轉(zhuǎn)換為內(nèi)筒的轉(zhuǎn)角。3、數(shù)據(jù)處理（1）符號

（2）塑性流體和粘塑性流體:表觀粘度:（mPa?s）

塑性粘度：

（mPa?s）動切力:

（Pa）靜切力：