剪切速率資料

剪切速率基本概述流體的流動速相對圓流道半徑的變化速率—剪切速率(shearrate)公式：剪切速率=流速差/所取兩頁面的高度差塑料熔體注塑時流道的剪切速率一般不低于1000ˉS澆口的剪切速率一般在100000ˉS—1000000ˉS具體介紹粘度為液體分子內(nèi)摩擦的量度，也是物體粘流性質(zhì)的一項具體反映。粘度的定義為一對平行板，面積為A，相距dr，板間充以某液體。今對上板施加一推力F，使其產(chǎn)生一速度變化du。由于液體的粘性將此力層層傳遞，各層液體也相應(yīng)運動，形成一速度梯度du／dr，稱剪切速率，以r′表示。F／A稱為剪切應(yīng)力，以τ表示。剪切速率與剪切應(yīng)力間具有如下關(guān)系：（F／A）=η（du／dr），此比例系數(shù)η即被定義為液體的剪切粘度（另有拉伸粘度，剪切粘度平時使用較多，一般不加區(qū)別簡稱粘度時多指剪切粘度），故η=（F／A）／（du／dr）=τ／r′。粘度單位常用“泊”，以P表示。部分粘度單位換算如下：1泊（P）=0.1牛頓秒／米2（Ns/m2）=3.6×102千克／米時（kg/mh）、1千克力秒／米2（kgfs/m2）=1Pa.s=98.07泊（P）。PVC與大部分聚合物一樣，影響其粘度的因素有：1，溫度T，PVC粘度隨溫度升高呈指數(shù)下降。當(dāng)剪切速率r′=100/s時，溫度T=150℃，軟質(zhì)PVC的粘度η=6200Pa.s=608047泊（P）。硬質(zhì)PVC的粘度η=17000Pa.s=1677900泊（P）。溫度T=190℃，軟質(zhì)PVC的粘度η=310Pa.s=30597泊（P）。硬質(zhì)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。溫度T=150℃時，剪切速率r′=100/s，軟質(zhì)PVC的粘度η=6200Pa.s=608047泊（P）。硬質(zhì)PVC的粘度η=17000Pa.s=1677900泊（P）。剪切速率r′=1000/s，軟質(zhì)PVC的粘度η=900Pa.s=88263泊（P）。硬質(zhì)PVC的粘度η=2000Pa.s=197400泊（P）。3，壓力，在同一溫度下，增壓會增加PVC的粘度。剪切應(yīng)力為τ，剪切速率為Y，則粘度η＝τ/Y，稱為動力粘度，單位為Pa.s（泊），常用單位為mPa.s（如一般原油測試的粘度）。

一般現(xiàn)在流變儀測試的粘度結(jié)果都是1/s；而一些以前的粘度計測試的結(jié)果卻是rpm，它換算成1/s估計有些困難，因為它的轉(zhuǎn)子屬于相對測試系統(tǒng)，轉(zhuǎn)子尺寸和測量杯的尺寸的影響，無法準確得到其剪切速率。一、流體流動的基本概念

1．剪切速率和剪切應(yīng)力

液體與固體的重要區(qū)別之一是液體具有流動性，就是說，加很小的力就能使液體發(fā)生變形，而且只要力作用的時間相當(dāng)長，很小的力就能使液體發(fā)生很大的變形。以河水在水面的流速分布為例，可以觀察到越靠近河岸，流速越小，河中心處流速最大，河面水的流速分布如圖3-1所示。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，它像一個套筒望遠鏡或拉桿天線，如圖3-2所示。

水中各點的流速不同，可以設(shè)想將其分成許多薄層。通過管道中心線上的點作一條流速的垂線，自中心線上的點沿垂線向管壁移動位置，隨著位置的變化流速也在發(fā)生變化。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。如果在垂直于流速的方向上取一段無限小的距離缸，流速由I／變化到v+dv，則比值dw／d工表示在垂直于流速方向上單位距離流速的增量，即剪切速率。剪切速率也可用符號了來表示。若剪切速率大，則表示液流中各層之間流速的變化大；反之，流速的變化則小。在SI單位制中，流速的單位為m／s，距離的單位為m，所以剪切速率的單位為s-1。鉆井液在循環(huán)過程中，由于它在各個部位的流速不同，因此剪切速率也不相同。流速越大之處剪切速率越高，反之則越低。一般情況下，沉砂池處剪切速率最低，大約在10一20s-1；沸慰占?0～250s-1；鉆桿內(nèi)100～1000s-1；鉆頭噴嘴處最高，大約在10000～100000s-1。

液流中各層的流速不同，故層與層之間必然存在著相互作用。由于液體

因為目前廣泛使用的多數(shù)鉆井液為塑性流體和假塑性流體，因此，下面將重點討論這兩種類型的非牛頓流體。

二、塑性流體返回

高粘土含量的鉆井液、高含蠟原油和油漆等都屬于塑性流體。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、切力或凝膠強度)。從圖3-4中塑性流體的流變曲線可以看出，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τ0，通常將τ0(亦可表示為YP)稱為動切應(yīng)力(常簡稱為動切力或屈服值)。塑性粘度和動切力是鉆井液的兩個重要流變參數(shù)。

引入動切力之后，塑性流體流變曲線的直線段即可用下面的直線方程進行描述；

τ＝μ0十μPγ

(3-3)

此式即是塑性流體的流變模式。因是賓漢首先提出的，該式常稱為賓漢模式(BinghamModel)，并將塑性流體稱為賓漢塑性流體。

塑性流體表現(xiàn)上述流動特性是與它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)分不開的。例如，水基鉆井液主要由粘土、水和處理劑所組成。粘土礦物具有片狀或棒狀結(jié)構(gòu)，形狀很不規(guī)則，顆粒之間容易彼此連接在一起，形成空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。研究表明，粘土顆粒可能出現(xiàn)如圖3-5所描述的三種不同連接方式，即面-面(FacetoFace)、端-面(EdgetoFace)和端-端(EdgetoEdge)連接。這是由于粘土顆粒表面的性質(zhì)(帶電性和水化膜)極不均勻引起的。片狀的粘土顆粒有兩種不同的表面，即帶永久負電荷的板面(簡稱"面")和既可能帶正電荷也可能帶負電荷的端面(簡稱"端")，這樣粘土表面在溶液中就可能形成兩種不同的雙電層。一般說來，粘土膠體顆粒的相互作用受三種力的支配，即雙電層斥力、靜電吸引力和范德華引力。粘土顆粒間凈的相互作用力是斥力和吸力的代數(shù)和，因此在不同條件下，會產(chǎn)生以上三種不同的連接方式。例如，當(dāng)端面帶正電荷時，板面與端面就由于靜電吸引力占優(yōu)勢而彼此連接；當(dāng)加入可溶性電解質(zhì)時，則由于其中的陽離子壓縮雙電層使ζ電位降低，從而降低了雙電層斥力，于是引起端-面連接；如果加入的電解質(zhì)足夠多，雙電層斥力降至某種程度之后，則會發(fā)生面-面連接。

三種不同的連接方式將產(chǎn)生不同的后果。面-面連接會導(dǎo)致形成較厚的片，即顆粒分散度降低，這一過程通常稱為聚結(jié)(Aggregation)；而端-面與端-端連接則形成三維的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，特別是當(dāng)粘土含量足夠高時，能夠形成布滿整個空間的連續(xù)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，膠體化學(xué)上稱做凝膠結(jié)構(gòu)，這一過程通常稱為絮凝(Floccula－tion)。與聚結(jié)和絮凝相對應(yīng)的相反過程分別叫做分散(Dispersion)和解絮凝(Defiocculation)，如圖3-5所示。

一般情況下，鉆井液中的粘土顆粒都在不同程度上處在一定的絮凝狀態(tài)。因此，要使鉆井液開始流動，就必須施加一定的剪切應(yīng)力，破壞絮凝時形成的這種連續(xù)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。這個力即靜切應(yīng)力，由于它反映了所形成結(jié)構(gòu)的強弱，因此又將靜切應(yīng)力稱為凝膠強度。

在鉆井液開始流動以后，由于初期的剪切速率較低，結(jié)構(gòu)的拆散速度大于其恢復(fù)速度，拆散程度隨剪切速率增加而增大，因此表現(xiàn)為粘度隨剪切速率增加而降低(即圖3-4中塑性流體的曲線段)。隨著結(jié)構(gòu)拆散程度增大，拆散速度逐漸減小，結(jié)構(gòu)恢復(fù)速度相應(yīng)增加。因此，當(dāng)剪切速率增至一定程度，結(jié)構(gòu)破壞的速度和恢復(fù)的速度保持相等(即達到動態(tài)平衡)時，結(jié)構(gòu)拆散的程度將不再隨剪切速率增加而發(fā)生變化，相應(yīng)地粘度亦不再發(fā)生變化(圖中直線段)。該粘度即鉆井液的塑性粘度。因為該參數(shù)不隨剪切應(yīng)力和剪切速率而改變，所以對鉆井液的水力計算是很重要的。從賓漢模式可以得出：μp=（τ－τ0）/γ，塑性粘度的單位為mpa·S。

三、假塑性流體返回

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。其流變曲線是通過原點并凸向剪切應(yīng)力軸的曲線(見圖3-4)。這類流體的流動特點是：施加極小的剪切應(yīng)力就能產(chǎn)生流動，不存在靜切應(yīng)力，它的粘度隨剪切應(yīng)力的增大而降低。假塑性流體和塑性流體的一個重要區(qū)別在于：塑性流體當(dāng)剪切速率增大到一定程度時，剪切應(yīng)力與剪切速率之比為一常數(shù)，在這個范圍，流變曲線為直線；而假塑性流體剪切應(yīng)力與剪切速率之比總是變化的，即在流變曲線中無直線段。

假塑性流體服從下式所示的冪律方程，即

τ＝Kγn

(3-4)

該式為假塑性流體的流變模式，習(xí)慣上稱為冪律模式(PowerLowModel)。式中的n(流性指數(shù))和K(稠度系數(shù))是假塑性流體的兩個重要流變參數(shù)。

在中等和較高的剪切速率范圍內(nèi)，冪律模式和賓漢模式均能較好地表示實際鉆井液的流動特性，然而在環(huán)形空間的較低剪切速率范圍內(nèi)，冪律模式比賓漢模式更接近實際