第三章-鉆井液的流變性

鉆井液流變性是指在外力作用下，鉆井液發(fā)生流動(dòng)和變形的特性，其中流動(dòng)性是主要的方面。鉆井液流變性通常是用鉆井液的流變曲線、塑性粘度、動(dòng)切力、靜切力、表觀粘度等流變參數(shù)來(lái)進(jìn)行描述的。第三章鉆井液的流變性11/5/20241鉆井液流變性是鉆井液的一項(xiàng)基本性能，在解決(1)攜帶巖屑，保證井底和井服的清潔；(2)懸浮巖屑與重晶石；(3)提高機(jī)械鉆速；(4)保持井眼規(guī)則和保證井下安全起著十分重要的作用。鉆井液的某些流變參數(shù)還直接用于鉆井環(huán)空水力學(xué)的有關(guān)計(jì)算。

11/5/20242第一節(jié)流體的基本流型及其特點(diǎn)一、流體流動(dòng)的基本概念

1．剪切速率和剪切應(yīng)力液體與固體區(qū)別:

加很小的力就能使液體發(fā)生變形，而只要力作用的時(shí)間相當(dāng)長(zhǎng)，很小的力能使液體發(fā)生很大的變形。11/5/20243鉆井液在循環(huán)過(guò)程中，在各個(gè)部位的流速不同，剪切速率不相同。流速越大剪切速率越高。一般情況下，沉砂池處剪切速率最低，大約在10～20s-1；環(huán)形空間50～250s-1；鉆桿內(nèi)100～

1000s-1；鉆頭噴嘴處最高，大約在10000～100000s-1。

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剪切速率：沿垂直于流速方向上單位距離上流速的改變量或增加量。表達(dá)式如下：流速分布特點(diǎn)單位為：s-1;

流體各層之間流速不同，層與層之間存在相互作用。液體內(nèi)部?jī)?nèi)聚力的作用，流速較快的液層帶動(dòng)流速較慢的相鄰液層，流速較慢的液層阻礙流速較快的相鄰液層。11/5/20245牛頓內(nèi)摩擦定律：

剪切應(yīng)力：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)力理解為單位面積上的剪切力。

μ是量度液體粘滯性大小的物理量，粘度。單位為Pa·s或mPa·s。11/5/20246

μ物理意義：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與溫度有關(guān)，一般隨溫度的升高而降低。11/5/202472、流變模式與流變曲線剪切應(yīng)力和剪切速率是流變學(xué)中的兩個(gè)基本慨念，鉆井液流變性的核心問(wèn)題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。用數(shù)學(xué)關(guān)系式表示稱為流變方程，又稱為流變模式，用圖紙來(lái)表示稱為流變曲線。11/5/20248流變方程流變曲線11/5/202493．流體的基本流型按照流體流動(dòng)時(shí)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流型。除牛頓流型外，根據(jù)所測(cè)出的流變曲線形狀的不同，將非牛頓流體的流型歸納為塑性流型、假塑性流型和膨脹流型。以上四種基本流型的流變曲線見(jiàn)圖3-4。符合這四種流型的流體分別叫做牛頓流體、塑性流體、假塑性流體和膨脹性流體。11/5/202410膨脹流體比較少見(jiàn)。流動(dòng)特點(diǎn)是：稍加外力發(fā)生流動(dòng)；粘度隨剪切速率(或剪切應(yīng)力)增加而增大，靜置時(shí)又恢復(fù)原狀。與假塑性流體相反，其流變曲線凹向剪切應(yīng)力軸。膨脹流體在靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，所含有的顆粒是分散的。剪切應(yīng)力增大，部分顆粒會(huì)糾纏在一起形成網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，增大流動(dòng)阻力。目前廣泛使用的多數(shù)鉆井液為塑性流體和假塑性流體。11/5/20241111/5/202412牛頓流體通常將剪切應(yīng)力與剪切速率的關(guān)系遵守牛頓內(nèi)摩擦定律的流體，稱為牛頓流體。

水、酒精等大多數(shù)純液體、輕質(zhì)油、低分量化合物溶液以及低速流動(dòng)的氣體等均為牛頓流體。流動(dòng)特點(diǎn)：加很小的剪切力能流動(dòng)，剪切應(yīng)力與流速梯度成正比。在層流區(qū)域內(nèi)，粘度不隨切力流速梯度變化，為常量。11/5/202413牛頓流體的流變模型與流變曲線流變方程流變曲線11/5/202414與牛頓流體不同，當(dāng)剪切速率為零時(shí)：即塑性流體剪切力τ≠0，而是τs，即施加的切應(yīng)力必須超過(guò)某一特定值才能開(kāi)始流動(dòng)。

τs為開(kāi)始流動(dòng)的最小切應(yīng)力，稱為靜切力，簡(jiǎn)稱切力或凝膠強(qiáng)度。τsτ011/5/202415剪切應(yīng)力繼續(xù)增大，并超過(guò)τs時(shí)，塑性流體不能均勻剪切，粘度隨剪切速率的增加而降低，圖中曲線段；繼續(xù)增加剪切速率，粘度不隨剪切速率的增加而降低，圖中直線段；

塑性粘度（PV）：不隨切力或流速梯度改變的粘度。

動(dòng)切力（YP）：直線段延長(zhǎng)線與切應(yīng)力的交點(diǎn)為動(dòng)切應(yīng)力或叫屈服值。τsτ011/5/202416塑性流體流變模式與流變曲線τsτ0賓漢模式塑性流體流變曲線此式是塑性流體的流變模式，該式常稱為賓漢模式，并將塑性流體稱為賓漢塑性流體。11/5/202417

粘土含量高的鉆井液、高含蠟原油和油漆等都屬于塑性流體。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)。粘上顆?？赡艹霈F(xiàn)三種不同連接方式，面-面、端—面和端—端連接。11/5/202418三種不同的連接方式將產(chǎn)生不同的后果。面—面連接會(huì)導(dǎo)致形成較厚的片，顆粒分散度降低，通常稱為聚結(jié)；端—面與端—端連接形成三維的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、特別是當(dāng)粘土含量足夠高時(shí)，形成布滿整個(gè)空間的連續(xù)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，稱做凝膠結(jié)構(gòu)，稱為絮凝。與聚結(jié)和絮凝相對(duì)應(yīng)的相反過(guò)程分別叫做分散和解絮凝，如圖3-5所示。

11/5/20241911/5/202420一般情況下，鉆井液中的粘土顆粒在不同程度上處在一定的絮凝狀態(tài)。要使鉆井液開(kāi)始流動(dòng)，必須施加一定的剪切應(yīng)力，破壞絮凝時(shí)形成的連續(xù)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。這個(gè)力為靜切應(yīng)力，靜切應(yīng)力反映所形成結(jié)構(gòu)的強(qiáng)弱，將靜切應(yīng)力稱為凝膠強(qiáng)度。在鉆井液開(kāi)始流動(dòng)以后，初期的剪切速率較低，結(jié)構(gòu)的拆散速度大于恢復(fù)速度，拆散程度隨剪切速率增加而增大，粘度隨剪切速率增加而降低。塑性流體機(jī)理分析11/5/202421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。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(達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡)時(shí)，結(jié)構(gòu)拆散的程度不再隨剪切速率增加而發(fā)生變化，粘度也不發(fā)生變化。該粘度為鉆井液的塑性粘度。塑性粘度不隨剪切應(yīng)力和剪切速率改變，對(duì)鉆井液的水力計(jì)算是很重要的。11/5/202422假塑性流體某些鉆井液、高分子化合物的水溶液以及乳狀液等屬于假塑性流體。流變曲線是通過(guò)原點(diǎn)井凸向剪切應(yīng)力軸的曲線。這類(lèi)流體的流動(dòng)特點(diǎn)：施加極小的剪切應(yīng)力能產(chǎn)生流動(dòng)，不存在靜切應(yīng)力，粘度隨剪切速率的增大而降低。11/5/202423

假塑性流體和塑性流體的一個(gè)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(shí)，剪切應(yīng)力與剪切速率之比為一常數(shù)，在這個(gè)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，在流變曲線中無(wú)直線段。11/5/202424假塑性流體流變模式與流變曲線假塑性流體服從下式所示的冪律方程，即該式為假塑性流體的流變模式，習(xí)慣上稱為冪律模式,式中的n(流性指數(shù))和是K(稠度系數(shù))是假塑性流體的兩個(gè)重要流變參數(shù)。11/5/202425

n:表現(xiàn)出流體非牛頓性程度。一般小于1，為無(wú)因次量。鉆井液設(shè)計(jì)中經(jīng)常要確定較合理的范圍，一般希望較低的n值，使鉆井液具有較好的剪切稀釋性能。

K(稠度系數(shù))：反映鉆井液的可泵性以及攜巖性。0.250.51

剪切速率剪切應(yīng)力11/5/202426四、膨脹型流體膨脹型流體特點(diǎn):粘度隨剪切速率增加而增加，靜止時(shí)又恢復(fù)原狀；也沒(méi)有靜切應(yīng)力。與假塑性流體相反。流變曲線凹向剪切應(yīng)力軸。11/5/202427膨脹型流體機(jī)理分析靜止時(shí)，粒子是分散的，剪切速率增加時(shí)，粒子排列變亂，有些粒子被攪在一起形成網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，架子搭得越多，流動(dòng)阻力越大，粘度隨剪切速率的增加而增大。11/5/202428第二節(jié)鉆井液流變參數(shù)的測(cè)量與調(diào)控

鉆井液的流變性能除塑性粘度、動(dòng)切力、靜切力、流性指數(shù)和稠度系數(shù)外，還包括漏斗粘度、表觀粘度、剪切稀釋性、動(dòng)塑比和觸變性等。11/5/202429一、鉆井液常用的流變參數(shù)及其調(diào)控方法1.漏斗粘度

在鉆井過(guò)程中，鉆井液漏斗粘度需要經(jīng)常測(cè)定。由于測(cè)定方法簡(jiǎn)便，可直觀反映鉆井液粘度的大小。漏斗粘度計(jì)的外觀如圖3-7所示。漏斗粘度與其它流變參數(shù)的測(cè)定方法不同。其它流變參數(shù)一般使用按API標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)，在某一固定的剪切速率下進(jìn)行測(cè)定，而漏斗粘度使用一種特制的漏斗粘度計(jì)來(lái)測(cè)量。11/5/202430記錄的時(shí)間為漏斗粘度，單位為s。漏斗粘度只能用來(lái)判別在鉆井作業(yè)期間各個(gè)階段粘度變化的趨向，不能說(shuō)明鉆井液粘度變化的原因，也不能作為對(duì)鉆井液進(jìn)行處理的依據(jù)。11/5/2024312、塑性粘度和動(dòng)切力塑性粘度是塑性流體的性質(zhì)，不隨剪切速率而變化。塑性粘度反映了在層流情況下，鉆井液中網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的破壞與恢復(fù)處于動(dòng)平衡時(shí)，懸浮的固相顆粒之間、固相顆粒與液相之間以及連續(xù)液相內(nèi)部的內(nèi)摩擦作用的強(qiáng)弱。

11/5/202432影響塑性粘度的因素主要有：

(1)鉆井液中的固相含量。是影響塑性粘度的主要因素。一般情況下，隨著鉆井液固體顆粒逐漸增多，顆粒的總表面積不斷增大，顆粒間的內(nèi)摩擦力增加。

(2)鉆井液中粘土的分散程度。當(dāng)粘土含量相同時(shí)，分散度越高，塑性粘度越大。(3)高分子聚合物處理劑。鉆井液中加入高分子聚合物處理劑提高液相粘度，增大塑性粘度。高分子聚合物處理劑濃度越高，塑性粘度越高；相對(duì)分子質(zhì)量越大，塑性粘度越高。11/5/202433動(dòng)切力動(dòng)切力(屈服值)是塑性流體流變曲線中的直線段在τ軸上的截距。動(dòng)切力反映鉆井液在層流流動(dòng)時(shí)，粘土顆粒之間及高分子聚合物分子之間相互作用力的大小，即形成空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)能力的強(qiáng)弱。影響鉆井液形成結(jié)構(gòu)的因素，影響動(dòng)切力值。

τsτ011/5/202434影響動(dòng)切力的因素主要有

（1）粘土礦物的類(lèi)型和濃度。在常見(jiàn)的粘土礦物中，蒙脫石最容易水化膨脹和分散、并形成網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。隨著鉆井液中蒙脫石濃度增加，塑性粘度上升比較緩慢，動(dòng)切力上升很快。高嶺石和伊利石等粘土礦物對(duì)動(dòng)切力的影響較小。鉆井液需要提高動(dòng)切力時(shí)，可選用膨潤(rùn)土。

11/5/202435（2）電解質(zhì)：在鉆井過(guò)程中無(wú)機(jī)電解質(zhì)的侵入均會(huì)引起鉆井液絮凝程度增加，增加動(dòng)切力。（3）降粘劑：大多數(shù)降粘劑都是吸附在粘土端面，使粘土帶有一定的負(fù)電荷，拆散網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，降低動(dòng)切力。11/5/202436賓漢流變模式參數(shù)調(diào)整

（1）降低塑性粘度：通過(guò)合理使用固控設(shè)備、加水稀釋或化學(xué)絮凝等方法，盡量減少固相含量。（2）提高塑性粘度：應(yīng)用低造漿粘土配漿，加入加重劑、混油、提高PH值、加入高分子聚合物等。

11/5/202437（3）降低動(dòng)切力：最有效的方法加入降粘劑，若由鈣鎂離子侵入，可加入沉淀劑，除去鈣鎂離子。（4）提高動(dòng)切力：可加入預(yù)水化膨潤(rùn)土漿，或增大高分聚合物的加量。對(duì)于鈣處理鉆井液或鹽水鉆井液，可通過(guò)適當(dāng)增加鈣鈉離子濃度。11/5/2024383.流性指數(shù)和稠度系數(shù)由冪律方程，假塑性流體的表現(xiàn)粘度表示為：流型指數(shù)n表示假塑性流體在一定剪切速率范圍內(nèi)所表現(xiàn)出的非牛頓性的程度。鉆井液的n值一般均小于1。n值越小，表示鉆井液的非牛頓性越強(qiáng)。流性指數(shù)是一個(gè)無(wú)因次量。在鉆井液設(shè)計(jì)中，一般希望有較低的n值，確保鉆井液具有良好的剪切稀釋性能。11/5/202439

K值與鉆井液的粘度、切力聯(lián)系在一起。K值與流體在剪切速率為s-1時(shí)的粘度有關(guān)。

K值越大，粘度越高，一般將K值稱為稠度系數(shù)。對(duì)于鉆井液，K值反映可泵性。K值過(guò)大，造成重新開(kāi)泵困難。K值過(guò)小，對(duì)攜巖不利。K值的單位為Pa·sn

11/5/202440

影響K值的主要因素：受體系中固含和液相粘度的影響，同時(shí)也受結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響。當(dāng)固體含量或聚合物處理劑的濃度增大時(shí)，K值相應(yīng)增大；降低K值類(lèi)似于降低鉆井液的粘度，有利于提高鉆速；提高K值類(lèi)似于增大鉆井液的粘度，有利于清潔井眼和消除井塌引起的井下復(fù)雜情況。11/5/202441

影響n值主要因素：主要受形成網(wǎng)架結(jié)構(gòu)因素的影響。一般降低n值有利于攜帶巖屑、清潔井眼。降低n值類(lèi)似于降低鉆井液的粘度，有利于提高鉆速。降低n值常用的方法：

1、加入XC生物聚合物等流性改進(jìn)劑；

2、在鹽水鉆井液中添加預(yù)水化膨潤(rùn)土。

3、適當(dāng)增加無(wú)機(jī)鹽的含量；方法2、3往往對(duì)鉆井液穩(wěn)定性造成影響。并不是最好的方法，優(yōu)先考慮選用適合體系的聚合物處理劑降低n值。11/5/202442調(diào)節(jié)K值常用的方法：降低K值最有效的方法是通過(guò)加強(qiáng)固相控制或加水稀釋以降低鉆井液中的固相含量。適當(dāng)提高K值，可添加適量聚合物處理劑，或?qū)㈩A(yù)水化膨潤(rùn)土加入鹽水鉆井液或鈣處理鉆井液中(K值提高，n值下降)；也可加入重晶石粉等惰性固體物質(zhì)(K值提高，n值基本不變)。11/5/2024434.表觀粘度與剪切稀釋表觀粘度又稱為有效粘度，是在某一剪切速率下，剪切應(yīng)力與剪切速率的比值，即式中，μa表示表觀粘度。當(dāng)τ和γ的單位分別為Pa和s-1時(shí)，μa的單位為mPa·s。塑性流體的表觀粘度可表示為：由冪律方程，假塑性流體的表觀粘度表示為：

11/5/202444塑性流體和假塑性流體的表觀粘度隨著剪切速率的增加而降低的特性稱為剪切稀釋性，例如在鉆頭水眼處，剪切速率高達(dá)10000～100000s-1，鉆井液變得很稀；在環(huán)形空間，當(dāng)剪切速率為50～250s-1，鉆井液變得比較稠。剪切稀釋特性是一種優(yōu)質(zhì)鉆井液必須具備的性能，充分發(fā)揮鉆頭的水馬力，有利于提高鉆速，在環(huán)形空間能很好地?cái)y帶鉆屑。表觀粘度隨剪切速率增加而降低的幅度越大，剪切稀釋性越強(qiáng)。11/5/202445塑性流體的表觀粘度等于塑性粘度與由動(dòng)切力和剪切速率所決定的那部分粘度(τ0／γ）之和，表觀粘度是流體在流動(dòng)過(guò)程中所表現(xiàn)出的總粘度。對(duì)于鉆井液來(lái)，既包括流體內(nèi)部?jī)?nèi)摩擦作用所引起的粘度，又包括粘土-顆粒之間及高分子聚合物分子之間形成空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)所引起的粘度。11/5/202446

在有的文獻(xiàn)中，將后一種粘度(τ0／γ）稱為結(jié)構(gòu)粘度。塑性粘度不隨剪切速率而變化；隨著剪切速率增加，結(jié)構(gòu)粘度不斷減小，當(dāng)剪切速率達(dá)到很高數(shù)值(如鉆頭水眼處）時(shí)，結(jié)構(gòu)粘度趨近于零。有的文獻(xiàn)指出、塑性粘度是剪切速率極高時(shí)的表觀粘度。

11/5/202447在鉆井液工藝中，常用動(dòng)切力與塑性粘度的比值(簡(jiǎn)稱動(dòng)塑比)表示剪切稀釋性的強(qiáng)弱。τ0／μp越大，剪切稀釋性越強(qiáng)。為能夠在高剪率下破巖和在低剪率下攜帶巖屑，要求鉆井液具有較高的動(dòng)塑比。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)和平板型層流核直徑徑的有關(guān)計(jì)算，一般情況下將動(dòng)塑比控制在0.36～0.48(Pa／mPa·s）是比較適宜的。

11/5/202448用冪律模式表征鉆井液的流變性，n的大小反映剪切稀釋性的強(qiáng)弱。n＝1，μa=K，此時(shí)的表觀粘度是一個(gè)與剪切速率無(wú)關(guān)的常數(shù)，此時(shí)的流體為牛頓流體。從圖3-9看出，隨流性指數(shù)n逐漸減小，流體的流動(dòng)性偏離牛頓流體越來(lái)越遠(yuǎn)，μa隨剪切速率增加而降低的幅度不斷增大，剪切稀釋性趨于增強(qiáng)。為保證鉆井液能有效地?cái)y帶巖屑，n值保持在0.4～0.7。

11/5/20244911/5/202450

1、一般鉆井液中表觀粘度中塑性粘度所占的比重比結(jié)構(gòu)粘度大。

2、表觀粘度相同的鉆井液，由于動(dòng)塑比不相同，當(dāng)流速梯度改變時(shí)，表觀粘度不相同。表觀粘度相同而具有不同動(dòng)塑比的鉆井液，在實(shí)際井眼的各個(gè)部位粘度是不相同的。

3、動(dòng)塑比越大，剪切稀釋性能越強(qiáng)，有利于高壓噴射鉆井，同時(shí)低流速時(shí)，有利于攜巖。11/5/2024515.切力和觸變性

鉆井液的觸變性：是指攪拌后鉆井液變?。ㄇ辛ο陆担o止后鉆井液變稠（切力升高）的這種特性。一般用終切與初切之差相對(duì)表示鉆井液觸變性的強(qiáng)弱。切力為靜切應(yīng)力，實(shí)質(zhì)為膠凝強(qiáng)度，即靜止時(shí)空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。物理意義是，破壞鉆井液內(nèi)部單位面積上的結(jié)構(gòu)所需的剪切力，單位為Pa。τs是靜切應(yīng)力的極限值。結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的大小與時(shí)間有關(guān)，要想測(cè)τs

，花費(fèi)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定不現(xiàn)實(shí)，規(guī)定用初切力和終切力來(lái)表示靜切力的相對(duì)值。11/5/202452初切力：鉆井液在經(jīng)過(guò)充分?jǐn)嚢韬?，靜止1分鐘或10秒鐘后測(cè)得的靜切力為初切力。終切力：鉆井液經(jīng)過(guò)充分?jǐn)嚢韬?，靜止10分鐘后測(cè)得的靜切力為終切力。觸變性的機(jī)理：觸變體系一般存在空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。在剪切作用下，結(jié)構(gòu)被攪散，結(jié)構(gòu)恢復(fù)過(guò)程需要一定的時(shí)間來(lái)完成?；謴?fù)結(jié)構(gòu)所需的時(shí)間和最終的凝膠強(qiáng)度(切力)的大小，反映某種流體觸變性的強(qiáng)弱。11/5/202453鉆井液對(duì)觸變性的要求：①結(jié)構(gòu)恢復(fù)要快（有利鉆屑懸浮，防止沉砂）②最終切力要適當(dāng)（防止開(kāi)泵阻力大，壓力激動(dòng)）鉆井液觸變性的衡量標(biāo)志：①恢復(fù)結(jié)構(gòu)的速度（即時(shí)間）。②最終結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度（即最終切力的大?。?。11/5/202454在對(duì)幾種膨潤(rùn)土鉆井液的觸變性進(jìn)行試驗(yàn)以后，可歸納出四種典型的情況，如圖3-10所示。圖中的曲線l代表恢復(fù)結(jié)構(gòu)所需的時(shí)間較短，最終切力相當(dāng)高的情況．稱做較快的強(qiáng)膠凝；曲線2代表較慢的強(qiáng)膠凝；曲線3代表恢復(fù)構(gòu)時(shí)間較短而最終切力也較小的情況、稱做較快的弱膠凝；曲線4代表慢的弱膠凝。11/5/202455較快的強(qiáng)膠凝較慢的強(qiáng)膠凝較快的弱膠凝較慢的弱膠凝11/5/202456影響鉆井液靜切力的主要因素：粘土礦物的類(lèi)型、含量及分散度；所選用的聚合物處理劑及其濃度；無(wú)機(jī)電解質(zhì)及其濃度等。靜切力調(diào)控方法與動(dòng)切力的調(diào)控方法基本一致。（1）降低靜切力：最有效的方法加入降粘劑，若由鈣鎂離子侵入，可加入沉淀劑，除去鈣鎂離子。（2）提高靜切力：可加入預(yù)水化膨潤(rùn)土漿，或增大高分子聚合物的加量。對(duì)于鈣處理鉆井液或鹽水鉆井液，可通過(guò)適當(dāng)增加鈣鈉離子濃度。11/5/202457二、流變參數(shù)的測(cè)量與計(jì)算1.旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)的構(gòu)造及工作原理

旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)由電動(dòng)機(jī)、恒速裝置、變速裝置、測(cè)量裝置和支架箱體等五部分組成。恒速裝制和變速裝置合稱旋轉(zhuǎn)部分。在旋轉(zhuǎn)部件上固定一個(gè)外筒，即外筒旋轉(zhuǎn)。測(cè)量裝置由測(cè)量彈簧部件、刻度盤(pán)和內(nèi)筒組成。內(nèi)筒通過(guò)扭簧固定在機(jī)體上、扭簧上附有刻度盤(pán)，如圖3-11所示。通常將外筒稱為轉(zhuǎn)子，內(nèi)筒稱為懸錘。11/5/202458旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)

常用儀器：Fan-35SA型旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)。

11/5/202459六速粘度計(jì)的六種轉(zhuǎn)速和與之相對(duì)應(yīng)的剪切速率如下：600r／min(1022s-1)、300r／min(511s-1)、200r／min(340.7s-1)、100r／min(170.3s-1)、6r／min(10.22s-1)和3r／min(5.11s-1)。對(duì)于抗高溫深井鉆井液，還需測(cè)定井下高溫高壓條件下的流變性能。研制生產(chǎn)專(zhuān)門(mén)的儀器,常用的有Fann50c型和RcoChan7400型高溫高壓流變儀等。

11/5/2024602．表觀粘度的測(cè)量與計(jì)算可將任意剪切速率(或轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速)下測(cè)得的刻度盤(pán)讀數(shù)換算成表觀粘度、常用的六種轉(zhuǎn)速的換算系數(shù)見(jiàn)表3-111/5/202461例如，在300r／min時(shí)測(cè)得刻度盤(pán)讀數(shù)為36,則該剪切速率下的表觀粘度等于36x1.0＝36(mPa·s)；若在6r／min時(shí)測(cè)仍刻度盤(pán)讀數(shù)為4.5，則該剪切速率下的表現(xiàn)粘度等于4.5×50＝225(mPa.s)。在評(píng)價(jià)鉆井液的性能時(shí)，如果沒(méi)有特別注某一剪切速率，一般是指測(cè)定600r／min時(shí)的表觀粘度，即11/5/2024623．賓漢塑性流體流變參數(shù)的測(cè)量與計(jì)算

由測(cè)得的600r／min和300r／min的刻度盤(pán)讀數(shù)，可分別利用以下兩式求得塑性粘度和動(dòng)切力。

η’=ф600/2mPa.s

ηs=ф600-ф300mPa.sτ0=0.511(ф300-ηs)Pa

塑性粘度的單位為mPa·s,動(dòng)切力的單位為Pa。

11/5/202463賓漢塑性流體的靜切力用以下方法測(cè)得：將經(jīng)充分?jǐn)嚢璧你@井液靜置10s(或1min)，在3r／min的剪率下讀取刻度盤(pán)的最大偏轉(zhuǎn)值；再重新攪拌鉆井液，靜置10min后重復(fù)上述步驟并讀取最大偏轉(zhuǎn)值。最后進(jìn)行以下計(jì)算:11/5/2024644．假塑性流體流變參數(shù)的測(cè)量與計(jì)算由測(cè)得的600r／min和300r／min的刻度盤(pán)讀數(shù)，可分別利用以下兩式求得冪律模式的兩個(gè)流變參數(shù)，即流性指數(shù)(n)和稠度系數(shù)(K)：

n=3.322lg(ф600/ф300)K=0.511ф300/511nPa·sn11/5/202465例3-1使用Fann35A型旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)，測(cè)得某種鉆井液的θ600＝38,θ300＝28，試求該鉆井液的表觀粘度、塑性粘度、動(dòng)切力、流性指數(shù)和稠度系數(shù)。解：將測(cè)得的刻度盤(pán)讀數(shù)分別代入有關(guān)公式，可求得：11/5/202466使用θ600和θ300計(jì)算的n、K值，對(duì)應(yīng)的剪切速率與鉆井液在鉆桿內(nèi)的流動(dòng)情況大致相當(dāng)，稱為中等剪切速率條件下的n、K值。環(huán)形空間的n、K值直接影響鉆井液懸浮和攜帶鉆屑的能力，是計(jì)算環(huán)空壓降和判別流型的重要參數(shù)。在實(shí)際應(yīng)用中，有必要分段計(jì)算這兩個(gè)參數(shù)。介紹如何用計(jì)算法解決環(huán)形空間的n、K值11/5/202467轉(zhuǎn)速分別為200、100r／min和6、3r／min，計(jì)算式為：11/5/202468例3-2用Fann35A型旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)得某鉆井液在600、300、200、100、6和3r／min的刻度盤(pán)讀數(shù)分別為38、28、22、17、5．5和4．5，試分成三組計(jì)算鉆井液的流性指數(shù)和稠度系數(shù)。解；第一組轉(zhuǎn)速為600、300r／min，在例3-1中已求得n1＝0.44，K1＝0.92Pa·sn。第二、三組的鉆速分別為200、100r／min、和6、3r／min，求得其n、K值。

11/5/202469三、卡森流變模式1．卡森方程及其參數(shù)的物理意義賓漢和冪律模式是廣泛應(yīng)用于鉆井液的兩個(gè)流變模式。賓漢和冪律模式在實(shí)際應(yīng)用中存在著一定的局限性，不能較好地描述鉆井液在高剪切速率下的流變性能，提出了卡森模式。卡森模式在低剪切區(qū)和中剪切區(qū)有較好的精確度，可以利用低、中剪切區(qū)的測(cè)定結(jié)果預(yù)測(cè)高剪切速率下的流變特性。11/5/202470該式又稱為卡森方程。將式中每一項(xiàng)分別除以γ1/2，可得卡森模式的另一表達(dá)式：11/5/20247111/5/202472卡森方程中兩個(gè)流變參數(shù)的物理意義和影響因素：卡森動(dòng)切力τc表示鉆井液內(nèi)可供拆散的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,τc是流體開(kāi)始流動(dòng)時(shí)的極限動(dòng)切力，τc大小反映鉆井液攜帶與懸浮鉆屑的能力。能夠影響膠體體系電化學(xué)性質(zhì)的物質(zhì)(如降粘劑、電解質(zhì)、絮凝劑等)、體系中的固相含量以及外界條件(如溫度、壓力)等都可能影響τc

。高固相含量鉆井液的τc值一般較高,加入降粘劑和清水可以降低τc

，加入適量電解質(zhì)和絮凝劑可以提高τc值。一般低于賓漢動(dòng)切力τ0

，與初始靜切力較為接近。

11/5/202473極限高剪切粘度η

簡(jiǎn)稱為高剪粘度。表示鉆井液體系中內(nèi)摩擦作用的強(qiáng)度，常用來(lái)近似表示鉆井液在鉆頭噴嘴處紊流狀態(tài)下的流動(dòng)阻力。η

在數(shù)值上等于剪切速率為無(wú)窮大時(shí)的有效粘度。11/5/202474

η

的大小是流體中固相顆粒之間、固相顆粒與液相之間以及液相內(nèi)部的內(nèi)摩擦作用強(qiáng)度的綜合體現(xiàn)。固相類(lèi)型、含量、分散度和液相粘度等對(duì)η

產(chǎn)生影響，η

類(lèi)似于賓漢模式中的塑性粘度，η

比塑性粘度小。降低η

有利于降低高剪切速率下的壓力降，提高鉆頭水馬力，有利于從鉆頭切削面上及時(shí)地排除巖屑，提高機(jī)械鉆速。11/5/202475卡森模式的另一特性參數(shù)是剪切稀釋系數(shù)Im,Im可用下式求得。

Im為無(wú)因次量，用于表示鉆井液剪切稀釋性的相對(duì)強(qiáng)弱。實(shí)際上它是轉(zhuǎn)速為lr／min時(shí)的有效粘度η1與η

的比值。Im越大，剪切稀釋性越強(qiáng)。分散鉆井液的Im一般小于200，不分散聚合物鉆井液和適度絮凝的抑制性鉆井液的Im值常在300～600之間。Im過(guò)大會(huì)使泵壓升高，造成開(kāi)泵困難。11/5/2024762．卡森流變參數(shù)的測(cè)量與計(jì)算

η

1/2=1.195(ф6001/2–ф1001/2)(mPa.s)1/2τc1/2=0.493[(6ф100)1/2-ф6001/2

]Pa1/2例3-3密度為1.22g/cm3的某種分散鉆井液，用Fann35A型旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)得其θ600=76，θ100＝25.5，試計(jì)算該鉆井液的卡森模式參數(shù)τc和η

。11/5/202477四、赫謝爾—巴爾克萊三參數(shù)流變模式（自學(xué)）11/5/202478第三節(jié)鉆井液流變性能與鉆井工程的關(guān)系

鉆井液流變性能與鉆井工程的關(guān)系主要體現(xiàn)在下列幾個(gè)方面：

影響鉆井速度；

影響環(huán)空攜帶巖屑能力；影響井壁穩(wěn)定；影響巖屑和加重物質(zhì)的懸?。挥绊懢畠?nèi)壓力激動(dòng)；影響鉆進(jìn)泵壓和排量；影響固井質(zhì)量。8811/5/202479一鉆井液流變性與井眼凈化的關(guān)系鉆井液的主要功用之一清洗井底并將巖屑攜帶到地面上來(lái)。鉆井液清洗井眼的能力除取決于循環(huán)系統(tǒng)的水力參數(shù)外，還取決于鉆井液的性能，特別是流變性能。巖屑的清除分為兩個(gè)過(guò)程，一是巖屑被沖離井底，二是巖屑從環(huán)形空間被攜至地面。只討論鉆井液攜帶巖屑的問(wèn)題。主要介紹三種流型攜帶巖屑原理：層流攜帶巖屑原理、紊流攜帶巖屑原理以及平板形層流的實(shí)現(xiàn)。11/5/2024801.層流攜帶巖屑的原理一方面鉆井液攜帶巖屑顆粒向上運(yùn)動(dòng)，另一方面巖屑顆粒由于重力作用向下滑落。在環(huán)形空間里，鉆井液攜帶巖屑顆粒向上運(yùn)動(dòng)的速度取決于流體的上返速度與顆粒自身滑落速度二者之差。上式兩邊同除以vf得11/5/202481通常用Vp/Vf表示井筒的凈化效率。提高凈化效率的途徑是：1、提高鉆井液在環(huán)空的上返速度；2、降低巖屑的滑落速度。綜合考慮鉆井的成本和效益，上返速度不能大幅度提高。盡量降低巖屑的滑落速度對(duì)攜巖至關(guān)重要。巖屑的滑落速度除與巖屑尺寸、巖屑密度、鉆井液密度和流態(tài)等因素有關(guān)，與鉆井液的有效粘度成反比。11/5/202482層流時(shí)巖屑受力情況：11/5/202483層流時(shí)鉆井液的流速剖面為一拋物線，中心線處流速最大，兩側(cè)流速逐漸降低，靠近井壁或鉆桿壁處的速度為零。片狀巖屑在上升過(guò)程中各點(diǎn)受力是不均勻的、中間處流速高、作用力大；靠近兩側(cè)流速低、作用力小。F4＞F2、F3＞F1，致使有一個(gè)力矩作用在巖屑上，使巖屑翻轉(zhuǎn)側(cè)立，向環(huán)空兩側(cè)運(yùn)移。有的巖屑貼在井壁上形成厚的“假泥餅”，有的向下滑移。由于兩側(cè)液面的阻力，巖屑下滑至一定距離后又會(huì)進(jìn)入流速較高的中心部位而向上運(yùn)移。

11/5/202484巖屑的這種轉(zhuǎn)動(dòng)現(xiàn)象對(duì)攜巖是不利的。延長(zhǎng)了鉆屑從井底返至地面的時(shí)間，容易使一些出巖屑返不出地面，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)象與巖屑的形狀有關(guān)，當(dāng)巖屑厚度與其直徑之比小于0.3或大于0.8時(shí)會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)，此范圍之外的巖屑將會(huì)比較順利地?cái)y帶出來(lái)。鉆柱轉(zhuǎn)動(dòng)有利于層流攜帶巖屑，鉆柱轉(zhuǎn)動(dòng)改變層流時(shí)液流的速度分布狀況，靠近鉆柱表面的液流速度加大，巖屑螺旋形上升。11/5/202485片狀巖屑在層流時(shí)上升的情況(鉆柱不轉(zhuǎn)動(dòng)）片狀巖屑在層流時(shí)上升的情況(鉆柱轉(zhuǎn)動(dòng)）11/5/2024862.紊流攜帶巖屑的原理鉆井液在作紊流流動(dòng)時(shí)，巖屑不存在轉(zhuǎn)動(dòng)和滑落現(xiàn)象，幾乎全部都能攜帶到地面上來(lái)，環(huán)形空間里的巖屑比較少。但是紊流攜巖也有一些缺點(diǎn)，主要表現(xiàn)在：

(1)巖屑在紊流時(shí)的滑落速度比在層流時(shí)大，要求鉆井液的上返速度高，泵的排量大。受到泵壓和泵功率的限制，特別是當(dāng)井眼尺寸較大、井較深以及鉆井液粘度、切力較高時(shí)，更加難以實(shí)現(xiàn)。

11/5/202487

(2)沿程壓降與流速的平方成正比，功率損失與流速的立方成正比。用紊流攜巖還會(huì)使鉆頭的水馬力降低，不利于噴射鉆井。

(3)紊流時(shí)的高流速對(duì)井壁沖蝕嚴(yán)重，不能很好地形成泥餅，容易引起易塌地層井壁垮塌。

紊流攜巖受到各種條件的限制，不是隨便可以采用的。11/5/2024883.平板形層流的實(shí)現(xiàn)

關(guān)鍵在于如何消除巖屑轉(zhuǎn)動(dòng)現(xiàn)象。造成巖屑轉(zhuǎn)動(dòng)的原因是層流時(shí)過(guò)水?dāng)嗝嫔系募夥逍土魉俜植?，解決途徑是設(shè)法改變層流時(shí)過(guò)水?dāng)嗝婕夥逍土魉俜植迹闷桨逍蛯恿鱽?lái)代替尖峰型層流。液流周?chē)蕦恿髁鲃?dòng)狀態(tài)，中央是一個(gè)速度面較為平齊的等速核，即流核。11/5/20248911/5/202490塑性流體層流時(shí)流核直徑可由下式計(jì)算：11/5/202491在一定尺寸的環(huán)形空間里，流動(dòng)剖面平板化的程度（流核直徑的大?。┡c動(dòng)塑比和上返速度有關(guān)。其中動(dòng)塑比影響更大，動(dòng)塑比越高，平板化程度越大。圖3-19說(shuō)明動(dòng)塑比對(duì)鉆井液在環(huán)形空間流態(tài)的影響。11/5/202492通過(guò)調(diào)節(jié)鉆井液的流變性能，增大動(dòng)塑比可使鉆井液的流核尺寸增大，從尖峰型層流轉(zhuǎn)變?yōu)槠桨逍蛯恿?。如果鉆井液按假塑性流型來(lái)考慮，還可得到環(huán)形空間流態(tài)與鉆井液流性指數(shù)n之間的關(guān)系，如圖3-20所示。減小n值如同提高動(dòng)塑比可使環(huán)空液流逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槠桨逍蛯恿鳌?/p>

11/5/20249311/5/202494

相對(duì)于尖峰型層流和紊流來(lái)說(shuō)，平板型層流具有以下特點(diǎn)：

(1)可實(shí)現(xiàn)用環(huán)空返速度較低的鉆井液有效地?cái)y帶巖屑?，F(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)表明，在多數(shù)情況下，環(huán)空返速保持在0.5～0.6m/s可滿足攜巖的要求。能使泵壓保持在合理范圍，又能夠降低鉆井液在鉆柱內(nèi)和環(huán)空的壓力損失，使水力功率得到充分、合理的利用。

11/5/202495(2)解決了低粘度鉆井液能有效攜巖的問(wèn)題，為普通推廣使用低固相不分散聚合物鉆井液提供流變學(xué)上的依據(jù)。盡管粘度較低，只要保證動(dòng)塑比較高，使環(huán)空液流處于平板型層流狀態(tài)、再加上具有一定的環(huán)空返速,在一般情況下能有效地?cái)y巖，保持井眼清潔。11/5/202496(3)避免了鉆井液處于紊流狀態(tài)叫對(duì)井壁的沖蝕。有利于保持井壁穩(wěn)定。鉆井液的動(dòng)塑比保持在0.36～0.48Pa／(mPa·s）或n值保持在0.4～0.7時(shí)是比較適宜的，動(dòng)塑比過(guò)小會(huì)導(dǎo)致尖峰型層流；動(dòng)塑比過(guò)大，τ0值的增大引起泵壓顯著升高。n值的適宜范圍定為0.4～0.7，也是同樣的道理。為減小巖屑的滑落速度，鉆井液的有效粘度不能太低。對(duì)于低固相聚合物鉆井液，將塑性粘度保持在6～12mPa·s是較為適宜的。11/5/202497為了使動(dòng)塑比達(dá)到0.36～0.48Pa／(mPa·s）要求，常采取以下措施和方法：

(1)選用XC生物聚合物、HEC、PHP和FA367等高分子聚合物作為主處理劑。并保持足夠的濃度。體系所形成的結(jié)構(gòu)使τ0值增大，鉆井液的液相粘度也會(huì)相應(yīng)有所增加(塑性粘度同時(shí)有所增大)，但τ0值的增幅往往要大很多，有利于提高動(dòng)塑比。

11/5/202498(2)通過(guò)有效地使用固控設(shè)備。除去鉆井液中的無(wú)用固相，降低固體顆粒濃度降低塑性粘度、提高動(dòng)塑比。(3)在保證鉆井液性能穩(wěn)定的情況下，通過(guò)適量地加入石灰、石膏、氯化鈣和食鹽等電解質(zhì)，增強(qiáng)體系中固體顆粒形成網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的能力。11/5/202499提高動(dòng)塑比主要是為了解決巖屑轉(zhuǎn)動(dòng)問(wèn)題，同時(shí)可增強(qiáng)鉆井液的剪切稀釋性能。但如果遇到井下情況比較復(fù)雜或出現(xiàn)井塌時(shí)，還是需要適當(dāng)提高鉆井液的有效粘度并加大排量，才能有效地降低巖屑滑落速度，提高鉆井液環(huán)空返速，提高巖屑的凈上升速度小。

11/5/2024100通過(guò)控制動(dòng)塑比使環(huán)空液流處于平板形層流的方法只適用于層流狀態(tài)，動(dòng)切力和塑性粘度是反映鉆井液在層流流動(dòng)時(shí)的流變參數(shù)。如果環(huán)空液流處于紊流狀態(tài)時(shí)，應(yīng)首先考慮通過(guò)降低環(huán)空返速或同時(shí)提高粘度、切力，使鉆井液從紊流狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閷恿鳡顟B(tài)，然后再考慮如何通過(guò)控制動(dòng)塑比轉(zhuǎn)變?yōu)槠桨逍蛯恿鳌?1/5/2024101二、鉆井液流變性與井壁穩(wěn)定的關(guān)系

紊流時(shí)液流質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向是紊亂的和無(wú)規(guī)則的，而且流速高，具有較大的動(dòng)能。紊流對(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。在鉆井液循環(huán)時(shí),一般應(yīng)保持在層流狀態(tài)，盡量避免出現(xiàn)紊流。對(duì)于非牛頓流體，一般采用綜合雷諾數(shù)Re來(lái)判別流態(tài)。將鉆井液作為塑性流體考慮，當(dāng)綜合雷諾數(shù)Re＞2000時(shí)為紊流。按Re＝2000，即可推導(dǎo)出計(jì)算臨界返速的公式。11/5/2024102計(jì)算出臨界返速之后，可對(duì)鉆井液的流態(tài)進(jìn)行判斷。實(shí)際環(huán)空返速大于臨界返速為紊流，反之為層流。11/5/2024103

臨界返速很大程度上受鉆井液的密度、塑性粘度和動(dòng)切力的影響。以三種不同密度的鉆井液為例，計(jì)算結(jié)果表明，隨著鉆井液密度、塑性粘度和動(dòng)切力的減小，臨界流速明顯