鉆井液的流變性-鉆井液流變性與鉆井作業(yè)的關(guān)系

項(xiàng)目三：鉆井液的流變性課程名稱：泥漿材料檢測(cè)與應(yīng)用任務(wù)二：鉆井液流變性與鉆井作業(yè)的關(guān)系鉆井液流變性與井眼凈化的關(guān)系01知識(shí)點(diǎn)02知識(shí)點(diǎn)03知識(shí)點(diǎn)鉆井液流變性與井壁穩(wěn)定的關(guān)系鉆井液流變性的其它影響02項(xiàng)目三：鉆井液流變性任務(wù)鉆井液流變性與鉆井作業(yè)的關(guān)系知識(shí)點(diǎn)1鉆井液流變性與井眼凈化的關(guān)系鉆井液主要功能之一就是清洗井底攜帶巖屑。清洗井眼能力除取決于循環(huán)系統(tǒng)水力參數(shù)外，還與鉆井液流變性有關(guān)。根據(jù)噴射鉆井理論，巖屑清除分為兩個(gè)過程：一是巖屑被沖離井底，二是巖屑從環(huán)形空間被攜帶到地面。后者屬于鉆井液工藝范圍。知識(shí)點(diǎn)1：鉆井液流變性與井眼凈化的關(guān)系一、層流攜帶巖屑的原理鉆井液層流流動(dòng)，被攜帶的巖屑顆粒隨鉆井液向上運(yùn)動(dòng)，由于重力向下滑落，巖屑顆粒凈上升速度取決于流體上返速度與顆粒自身滑落速度之差。將巖屑上升速度與鉆井液上返速度比稱作攜帶比，表示井筒凈化效率。vp、vf、vs——分別表示巖屑凈上升速度、鉆井液上返速度、巖屑滑落速度，m/s。知識(shí)點(diǎn)1：鉆井液流變性與井眼凈化的關(guān)系通過提高鉆井液在環(huán)空的上返速度和降低巖屑滑落速度來提高攜帶比，綜合考慮鉆井過程各種因素，上返速度不能大幅提高。因此，降低巖屑滑落速度對(duì)井眼凈化至關(guān)重要。巖屑滑落速度與巖屑尺寸、巖屑密度、鉆井液密度、流態(tài)有關(guān)，與鉆井液有效粘度成反比。知識(shí)點(diǎn)1：鉆井液流變性與井眼凈化的關(guān)系層流時(shí)鉆井液流速剖面為拋物線型，中心流速最大，兩側(cè)逐漸降低，靠近井壁或鉆桿壁處速度為零。片狀巖屑上升過程各點(diǎn)受力不均勻，中心處流速高，作用力大；靠近兩側(cè)流速低、作用力小。巖屑受力矩作用，翻轉(zhuǎn)側(cè)立，向環(huán)空兩側(cè)運(yùn)移。有的巖屑貼在井壁成厚“假泥餅”，有的沿壁下落。受兩側(cè)向上液流阻力作用，巖屑下滑一定距離又會(huì)進(jìn)入流速較高中心部位向上運(yùn)移。如a。知識(shí)點(diǎn)1：鉆井液流變性與井眼凈化的關(guān)系

巖屑翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象對(duì)攜帶巖屑不利，延長了巖屑從井底返至地面時(shí)間，且部分巖屑不能帶出地面，造成起鉆遇卡、下鉆遇阻、下鉆下不到井底等復(fù)雜情況。巖屑翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象與巖屑形狀有關(guān)，當(dāng)巖屑厚度與其直徑比小于0.3或大于0.8才會(huì)出現(xiàn)，此范圍之外巖屑可以較順利攜帶出來。

鉆柱轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)層流攜帶巖屑有利，旋轉(zhuǎn)改變了層流時(shí)液流速度分布情況，使靠近鉆柱表面液流速度加大，巖屑以螺旋上升，如b所示。此時(shí)巖屑翻轉(zhuǎn)僅發(fā)生在靠近井壁那側(cè)。知識(shí)點(diǎn)1：鉆井液流變性與井眼凈化的關(guān)系知識(shí)點(diǎn)1：鉆井液流變性與井眼凈化的關(guān)系二、紊流攜帶巖屑原理如c所示，鉆井液紊流流動(dòng)，巖屑不存在翻轉(zhuǎn)和滑落現(xiàn)象，幾乎全部都能攜帶處地面，環(huán)形空間巖屑較少。

紊流缺點(diǎn)在鉆井液上返速度高，泵排量大，收受到泵壓和泵功率限制。特別是井眼尺寸較大、井較深、鉆井液粘度切力較高，更難實(shí)現(xiàn)。且沿程壓降與流速平方成正比，功率損失與流速立方成正比，紊流攜巖使鉆頭水馬力降低，不利于噴射鉆井；紊流時(shí)的高流速對(duì)井壁沖蝕嚴(yán)重，不能很好形成泥餅，使易塌地層井壁垮塌。知識(shí)點(diǎn)1：鉆井液流變性與井眼凈化的關(guān)系3、平板型層流

提高巖屑攜帶效率取決于如何消除巖屑翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象，采用改變尖峰型流速分布來實(shí)現(xiàn)。研究表明，通過調(diào)節(jié)鉆井液流變性能，增大或減小n值，可使鉆井液流速剖面由尖峰轉(zhuǎn)為平緩。知識(shí)點(diǎn)1：鉆井液流變性與井眼凈化的關(guān)系知識(shí)點(diǎn)1：鉆井液流變性與井眼凈化的關(guān)系相對(duì)于尖峰型層流和紊流，平板型層流可實(shí)現(xiàn)環(huán)空較低返速而有效攜帶巖屑。通常，使用低固相鉆井液，控制環(huán)空速度0.5~0.6m/s可滿足攜帶巖屑。既使泵壓保持合適范圍，又可降低鉆井液在鉆柱內(nèi)和環(huán)空壓力損失，充分利用了水力功率。解決了低粘度鉆井液有效攜帶巖屑問題，盡管黏度較低，只要保證較高，使鉆井液處于平板型層流，一般能實(shí)現(xiàn)高效攜帶巖屑，保持井眼清潔，避免紊流時(shí)對(duì)井壁的沖蝕，有利于井眼穩(wěn)定。知識(shí)點(diǎn)1：鉆井液流變性與井眼凈化的關(guān)系為有效攜帶巖屑，鉆井液在0.36~0.48Pa/mPa·s，或n值在0.4~0.7范圍。過小導(dǎo)致尖峰型層流；過大導(dǎo)致泵壓顯著增高。上圖可知，超過1，變化不大，n值同理。但為了減小巖屑滑落速度，鉆井液有效粘度不可太低，對(duì)于低固相聚合物鉆井液，將ηp保持6~12mPa·s范圍。知識(shí)點(diǎn)1：鉆井液流變性與井眼凈化的關(guān)系02項(xiàng)目三：鉆井液流變性任務(wù)鉆井液流變性與鉆井作業(yè)的關(guān)系知識(shí)點(diǎn)1鉆井液流變性與井壁穩(wěn)定紊流對(duì)井壁有較強(qiáng)沖蝕作用，易引起易塌地層垮塌,不利于井壁穩(wěn)定。原因是紊流流動(dòng)時(shí)液流質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向紊亂無規(guī)則，流速又高，具有較大動(dòng)能。鉆井液循環(huán)應(yīng)保持在層流狀態(tài)，避免紊流。因此，要準(zhǔn)確計(jì)算鉆井液環(huán)空臨界返速。臨界返速受鉆井液密度、塑性粘度、動(dòng)切力影響。知識(shí)點(diǎn)2：鉆井液流變性與井壁穩(wěn)定鉆井液密度、塑性粘度、動(dòng)切力減小，臨界流速降低，容易形成紊流。

調(diào)整鉆井液流變參數(shù)和確定環(huán)空返速，既要考慮攜巖問題，又要注意鉆井液流態(tài)，保持井壁穩(wěn)定。知識(shí)點(diǎn)2：鉆井液流變性與井壁穩(wěn)定02項(xiàng)目三：鉆井液流變性任務(wù)鉆井液流變性與鉆井作業(yè)的關(guān)系知識(shí)點(diǎn)1鉆井液流變性的其它影響一、鉆井液流變性與巖屑和加重劑懸浮鉆進(jìn)過程中，接單根、設(shè)備故障等原因，鉆井液停止循環(huán)。要求鉆井液體系巖屑和加重劑懸浮，或以極慢速度下沉，避免沉砂卡鉆。鉆井液懸浮能力取決于靜切力和觸變性。靜切力高，鉆井液形成空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)能力強(qiáng)，懸浮能力強(qiáng)。觸變性好，循環(huán)停止時(shí)，鉆井液很快達(dá)到一定切力值，有利于懸浮巖屑和加重劑。知識(shí)點(diǎn)2：鉆井液流變性的其它影響二、鉆井液流變性與井內(nèi)液柱波動(dòng)壓力

井內(nèi)液柱波動(dòng)壓力（也稱壓力激動(dòng)）指在起下鉆和鉆進(jìn)過程中，由于鉆柱上下運(yùn)動(dòng)、鉆井泵開動(dòng)等原因，使井內(nèi)液柱壓力發(fā)生突然變化（升高或降低），產(chǎn)生附加壓力的現(xiàn)象。知識(shí)點(diǎn)2：鉆井液流變性的其它影響1、起下鉆時(shí)波動(dòng)壓力鉆柱具有一定體積，鉆柱入井或起出時(shí)，鉆井液向上或向下流動(dòng)，產(chǎn)生附加壓力。下鉆時(shí)波動(dòng)壓力為正值，對(duì)井內(nèi)產(chǎn)生擠壓作用，易引起井漏等復(fù)雜情況；起鉆時(shí)為負(fù)值，對(duì)井內(nèi)產(chǎn)生抽吸作用，易引起井壁坍塌和井噴。井深1500m時(shí)波動(dòng)壓力可達(dá)2~3MPa，井深5000m可達(dá)7~8MPa。知識(shí)點(diǎn)2：鉆井液流變性的其它影響2、開泵激動(dòng)壓力鉆井液由有觸變性，停止循環(huán)后，井內(nèi)鉆井液處于靜止?fàn)顟B(tài)，粘土顆粒形成的空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度增大，切力升高，開泵時(shí)泵壓超過正常循環(huán)時(shí)所需的壓力，造成激動(dòng)壓力。開泵時(shí)使用的排量越大，激動(dòng)壓力的值就越高。當(dāng)鉆井液開始流動(dòng)，結(jié)構(gòu)逐漸被破壞泵壓逐漸下降，隨著排量增大，結(jié)構(gòu)的破壞與恢復(fù)達(dá)到平衡，泵壓趨于平穩(wěn)。知識(shí)點(diǎn)2：鉆井液流變性的其它影響

Ps和P0分別為克服鉆井液靜切力和動(dòng)切力所需要的壓力；P1和P2分別為鉆井液靜止若干時(shí)間（t1、t2）之后,開泵時(shí)克服鉆井液切力所需的壓力。鉆井液觸變性使切力值隨時(shí)間靜止時(shí)間的延長而增大，P2>P1>P0。以P1開泵，壓力沿虛線升至M1點(diǎn)與流變曲線相交；以P2開泵，壓力沿虛線到達(dá)M2點(diǎn)與流變曲線相交；

循環(huán)一定時(shí)間后，壓力才恢復(fù)到對(duì)應(yīng)于一定排量的穩(wěn)定工作壓力，以上為開泵時(shí)激動(dòng)壓力。知識(shí)點(diǎn)2：鉆井液流變性的其它影響影響波動(dòng)壓力因素除起下鉆速度、鉆頭與鉆柱的泥包程度、環(huán)形空間的間隙、井深以外，與鉆井液的黏粘度、切力密切相關(guān)。其他條件相同時(shí)，鉆井液粘度、切力增大，波動(dòng)壓力會(huì)更加嚴(yán)重。因此，要控制鉆井液流變性，起下鉆和開泵操作不宜過快過猛，開泵前最好先活動(dòng)鉆具，特別是鉆遇高壓地層、易漏失地層或易坍塌地層，以防因波動(dòng)壓力而引起的各種井下復(fù)雜情況。知識(shí)點(diǎn)2：鉆井液流變性的其它影響三、鉆井液流變性與提高鉆速鉆井液流變性是影響機(jī)械鉆速的重要因素。由于鉆井液有剪切稀釋作用，在鉆頭噴嘴處流速極高，一般在