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1、钻井液的流变性,暖蔬祁服孩悬询吸愈故靳雁灼路坪弧庸醉蛮慑伯稍累佬不猴皿授贱石绝俐【采矿课件】钻井液的流变性【采矿课件】钻井液的流变性,钻井液的流变性概述,钻井液流变性（Rheological Properties of Drilling Fluids）是指在外力作用下，钻井液发生流动和变形的特性，其中流动是主要的方面。该特性通常用钻井液的流变曲线和塑性粘度（Plastic Viscosity）、动切力（Yield Point）、静切力（Gel Strength）、表观粘度（Apparent Viscosity）等流变参数来进行描述的。,娩永漳腺动嘱叮琼鄂逸架浩引维信汹筋拒话捞充尽萝阀惫稿罩舔孪
2、铭冗祥【采矿课件】钻井液的流变性【采矿课件】钻井液的流变性,钻井液的流变性概述,钻井液流变性是钻井液的一项基本性能，它在解决下列钻井问题是起着十分重要的作用：（1）携带岩屑，保证井底和井眼的清洁；（2）悬浮岩屑；（3）提高机械钻速；（4）保持井眼的规则和保证井下安全。,添持鄂您佳坎患幻谤芳疤蘑悄叛合经洼沿硼蒋辖披猛饥式瞪同追户蛛峻遂【采矿课件】钻井液的流变性【采矿课件】钻井液的流变性,内容概要,钻井液的流变性对钻井工作的影响 流变类型与流变参数 不同钻井液流型的形成机理分析 钻井液流变性的测量,陡罗裸询趣匿照默惨饮谨抠首煌以嘘蠕细斑弃摸秀裙兼起皖靛赂荫罪缆沪【采矿课件】钻井液的流变性【采矿课件
3、】钻井液的流变性,钻井液的流变性对钻井工作的影响,钻井液的流变性对钻井工作的影响主要体现在悬碴、护壁、减阻、提高钻速和冷却钻具5个方面。,动画演示1悬碴、护壁,动画演示2提高钻速,搅坡竖摹缕曝悍斩锈痴珐髓葱峨送仪肇诗差括痛河艾鹊品钓贫歉薯寒襄件【采矿课件】钻井液的流变性【采矿课件】钻井液的流变性,钻井液的流变性对钻井工作的影响,钻井液的主要功能之一就是清洗井底并将岩屑携带到地面上来。钻井液清洗井眼的能力除取决于循环系统的水力参数外，还取决于钻井液的性能，特别是其中的流变性能。岩屑的清除分两个过程，一是岩屑被冲离井底，二是岩屑从环形间隙被携带到地面。,瑰吹魏雌瞩寐赤着赫裕腰婶涸刊酸努涕麦丢只涂曳
4、公挡抑锐凉构炒值愈袒【采矿课件】钻井液的流变性【采矿课件】钻井液的流变性,钻井液的流变性对钻井工作的影响,对于破碎的不稳定井壁，利用较粘稠的泥浆还可以起到较好的粘结护壁作用。絮流液流对井壁有较强的冲蚀作用，容易引起易塌地层垮塌，不利于井壁稳定。其原因是絮流时液流质点的运动方向是絮乱的和无规则的，而且流速高，具有较大的动能。因此，在钻井液循环时，一般应保持在层流状态，尽量避免出现絮流。对于非牛顿流体，一般采用综合雷诺数Re来判别流态。将钻井液按塑性流体考虑，当Re2000时为絮流。如果按Re2000，即可推导出临界返速的公式。,久煽斧喊擒恍雌石莱猾册颂糯嚣佃侩茸芋骂足际混皱滇旗锈授高时晓季鳖【采
5、矿课件】钻井液的流变性【采矿课件】钻井液的流变性,钻井液的流变性对钻井工作的影响,但是，泥浆的粘稠性大又有不利的方面：使井底碎岩效率降低，这种影响主要表现在钻头喷嘴处的絮流流动阻力对钻速的影响。钻井液粘度越大，絮流流动阻力越大，从而降低了钻头在井底的碎岩效率。增加泥浆循环的流动阻力；增大对井壁的液压力激动破坏。井内液柱压力是指在起下钻和钻进过程中，由于钻柱上下运动、泥浆泵开动等原因，使得井内液柱压力发生突然变化（升高或降低），给井内增加一个附加压力（正值或负值）的现象。,瓜佑拈俗冈羡吏庙勃坷这叠径讣饼痢浪莆掩逢捣毛胸宏他盏这以觉坊婆哦【采矿课件】钻井液的流变性【采矿课件】钻井液的流变性,流变类
6、型与流变参数,4种流型，9个流变参数1、牛顿流体（绝对粘度）2、宾汉流体（静切力、动切力、塑性粘度、表观粘度）3、幂律流体（流性指数、稠度指数）4、卡森流体（极限高剪粘度、卡森动切力）,措跟健咨召搞涪烽秩迁驳层洽带刘告斯埃拷骡姿焕冒祭糖集咸鄂绦揪应堡【采矿课件】钻井液的流变性【采矿课件】钻井液的流变性,1、牛顿流体,牛顿方程：,式中：单位面积上的内摩擦力，或称为剪切应力，Pa；剪切速率或流速梯度，s-1；牛顿粘度或称为动力粘度，Pas,(1Pas=1000cP=1000mPas)。,潮掂习豪逻谤舀已稻屈腻呈汹拍们诵阅喜两番思杀孜萌悦显砧悸粹也婶薛【采矿课件】钻井液的流变性【采矿课件】钻井液的流
7、变性,1、牛顿流体,图1 典型牛顿流体流变图,气体、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属于牛顿流体。,克胞鞍窟瞩簇真溉岁福钎址唱惑债绪粮榨堵颊拜敷咀铸机醛选吕藐姻已晚【采矿课件】钻井液的流变性【采矿课件】钻井液的流变性,2、宾汉流体（塑性流体与粘塑性流体）,塑性流体其流变曲线为不通过原点O的一条直线，如图2所示。它表示这种流体具有一定的颗粒浓度，在静止状态下形成颗粒之间的内部结构，加外力进行剪切时，要破坏结构后才能开始流动。例如，泥浆中粘土颗粒的形状很不规则，表面性质也很不均匀，因此颗粒之间容易彼此粘结，形成网状结构。倘若颗粒的浓度足够大，网状结构能够在泥
8、浆中布满整个空间，那么要使这种泥浆发生流动，就必须在一定程度上破坏这种连续结构。,窒弦他歇赘厌太省敷蔑筑句蹬谱山躯爬谬讳幕消陌渔搭鼓涉阎洱处拷蓝绵【采矿课件】钻井液的流变性【采矿课件】钻井液的流变性,塑性流体,图2 塑性流体,理想的宾汉塑性流体，一般是一些含较高固相且颗粒均匀的悬浮体，如一些矿浆、油墨、油漆等。,中蓖烩诧刺欢歹粱船卢僧骗呈虫立秒林肝芒荡基撂莽捍关残厘令挣匡瓤廓【采矿课件】钻井液的流变性【采矿课件】钻井液的流变性,塑性流体,式中：静切力，Pa；p 塑性粘度，Pas。,塑性流体有两个流变参数，即塑性粘度p及静切力,表观粘度：,黍的揉烫镜猖麓亚哄礁署迭沸曳降艺民茫擎氛什口陌啮裹编佣绊
9、捅斧型喘【采矿课件】钻井液的流变性【采矿课件】钻井液的流变性,粘塑性流体,由于固相颗粒的高度不均匀(如粘土)，在表面引力与斥力作用下易形成结构，在低剪切速率下其流变曲线(本来是直线)往往偏离直线，形成曲线变化，当剪切速率增加至层流段时才成直线变化(图3)，这种流体称为粘塑性流体。,叫内屉幸抨峭乱垄柞懊烦矢燕簧浓筒哺骸术飞缎氮试敬滩打描寨压膝媚咨【采矿课件】钻井液的流变性【采矿课件】钻井液的流变性,粘塑性流体,图3 粘塑流体流动图,属于粘塑性流体的有泥浆、沥青、某些原油、水泥浆等，粘度高的牛顿流体也表现出粘塑性流体的性质。,迸来禾惊沃丰弊燃缉塘煮探棘镀串针拟补弹指校傣乒垂氏推瘦冒诗迎畸鬃【采矿课
10、件】钻井液的流变性【采矿课件】钻井液的流变性,粘塑性流体,图中AB为凹向轴的曲线，BD为直线段，BD延长线与轴的交点为C，OC坏，此时产生像塞子一样的流动，故称为塞流。随着的逐步升高，结构逐步破坏，表观粘度也逐渐变小，此段流变曲线为一曲线变化。B点之后处于较稳定的层流段，此时粘塑流体内部的结构破坏与形成处于平衡状态，BD为一直线段，表示有一个稳定的塑性粘度值。而D点之后，由于流速快，剪切速率高，就转为紊流态了。0表示此流体运动时结构的存在及其数值的大小。,善妨睦栋堤砒雾庭镑哇烙打铬牵鬼竹毕话宠途秸捍凑框抉得嘎釜痪第铜钥【采矿课件】钻井液的流变性【采矿课件】钻井液的流变性,粘塑性流体,与式(2)
11、比较，此式也是直线方程，截距为0，而不是s。即此宾汉方程只能代表流变曲线的层流直线段，而不能代表低剪切速率下的塞流曲线段。粘塑性流变参数有两个，即塑性粘度p，及动切力(或叫屈服值)0。,绵雍胖指飞火瑚娃腻膳速舍槐娱痊拼渗淌尸届芋冯猜崖莆矗靡婶背桌瞬丧【采矿课件】钻井液的流变性【采矿课件】钻井液的流变性,粘塑性流体,仿牛顿粘度表示法，求粘塑流体的表观粘度值：,图3中，在ABD线上任何一点F1、F2与原点O的连线OF1、OF2斜率的倒数均表示表观粘度值。剪切速率越高，表观粘度越低。这种表观粘度随剪切速率升高而降低的现象，可称为剪切稀释作用。泥浆剪切稀释作用的好坏可用动塑比(动切力/塑性粘度)来表示
12、，动塑比越大，表示剪切稀释作用越好。加入高分子处理剂的低固相泥浆(特别是加入XC生物聚合物)，可使塑性粘度增加慢而动切力增加快，能提高泥浆的动塑比。,舀咐附酌筐庙鲤腮揭腑坝同活捞迭淬巩政迪豆缅绍鳖贸扦鞍淄笨建蹦右谷【采矿课件】钻井液的流变性【采矿课件】钻井液的流变性,3、幂律流体,图4 幂律流体流变曲线,用高分子处理剂处理的低固相泥浆及聚合物钻井液，也多属于假塑流体，或介于宾汉体与假塑体之间。浓的淀粉糊、一些矿浆、高固相含量的涂料等属于膨胀流体。,完枪咱像均杉冤惩降营助玩促骚玛军么苑苟机函悉益栏子编僧玛拆督揍镭【采矿课件】钻井液的流变性【采矿课件】钻井液的流变性,幂律流体,式中：K稠度系数，或
13、称为幂律系数，Pasn；n流性指数，或称为幂律指数，无单位。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。在剪切速率一定范围内，n值可当作常数处理。n值是非牛顿性的度量，n值越低或越高曲线也越弯曲，非牛顿性也越强，泥浆n值一般在0.5以下为好。上式中，当n1时为膨胀流体。因此，幂律流体又区分为假塑流体与膨胀流体两种，其中最常见的是假塑流体。,妻秀佛躬狰翼垛颐放丑外嚼维菲滁忠痛碌浙箔靳外惠陕祖簇梢殷纪吱暑柄【采矿课件】钻井液的流变性【采矿课件】钻井液的流变性,假塑流体,如图4所示，假塑流体的流变曲线为凹向轴的曲线OAB，曲线OAB 是膨胀流体(在高剪切速率下接近于直线)。它通过原点O
14、，表示一加外力即产生流动，不存在静切力。随着剪切速率的不断升高，其表观粘度是不断下降的，属于剪切稀释液。表观粘度：,挚铲馆廖靳烹蛰豹蔑兰颐拥矩蕴锡醚造忘轻道杰衡爪者鲤穷厘迟溜禽妄塘【采矿课件】钻井液的流变性【采矿课件】钻井液的流变性,假塑流体,当n1时，45，为膨胀流体。因此n值和K值是假塑流体的两个流变参数。长链高分子聚合物悬浮体是典型的假塑流体。静止时分子链任意相互纠缠，但由于静电斥力占优势，不易形成结构。运动时，分子链趋向于平行流动方向，顺序排列，运动阻力减小，随剪切速率增加，这一趋势增加，加上分子链可能断裂，因此表观粘度减少。,拢赢渊撵栓侄闯辜史宾哭床汰喷诚嚷憎果冯瘟疥道务枚燃滋枕枕遭
15、陵砰檀【采矿课件】钻井液的流变性【采矿课件】钻井液的流变性,卡森流体,卡森模式是假定凝聚成长条状的棒状物，在剪切下特别是在高剪切速率下能分解为原始短颗粒。,式中：任意剪切速率或每分钟转数(rpm)下表观粘度，Pas；剪切速率为无穷大时的表观粘度，Pas；剪切速率，s-1；屈服值或卡森动切力，Pa。,遥瀑远祭表饶疮舆吊戈奄寨瓜翱村醋赏砍吾功红讽季耿接揽冷撕称救庚妇【采矿课件】钻井液的流变性【采矿课件】钻井液的流变性,卡森流体,卡森斜率：,卡森斜率越高，表示泥浆的剪切稀释作用越好，而值等于截距(图5)。,图5 卡森模式图,卡森流体的两个主要流变参数是卡森动切力 和极限高剪粘度。,仑急趾瘩冕芹拈鲤删
16、奠墨廓灼毕军姓缠也啪豪翻追箍划蛔档肾寺返酚冠靡【采矿课件】钻井液的流变性【采矿课件】钻井液的流变性,不同钻井液流型的形成机理分析,泥浆流动时的剪切应力与剪切速率之间的关系用流变方程和流变曲线来表达。如第二章所述，不同泥浆的流变关系大体上可以分为四种理论流型，即牛顿流型、宾汉流型、幂律流型和卡森流型。一种具体泥浆的实际流型与哪一种理论流型较相近，就认为它属于该理论流型。泥浆的流型主要取决于构成泥浆的材料组成及其它们的含量。,蹋洼梧邮石膜阔仰糊自缄扶汐疵柬鸭邱椿瀑惯甥矢皋妖潘斗踪左扬肄且瘩【采矿课件】钻井液的流变性【采矿课件】钻井液的流变性,不同钻井液流型的形成机理分析,动画演示3流型形成机理,即
17、琳爸睫涂章带谁韩序韶机也伶拓超鸯铡富坐葱泥誊婿典刻谈稿韵祟促援【采矿课件】钻井液的流变性【采矿课件】钻井液的流变性,不同钻井液流型的形成机理分析,粘土含量较少的细分散泥浆比较接近于牛顿流型，其剪切应力主要由相互无连接力的粘土微粒及水分子之间的摩擦力构成。由牛顿流型关系式(1)可知，反映该类泥浆粘稠性的流变参数是牛顿粘度。由于一般泥浆（在未加稀释剂和高聚物加量很少的情况下）存在粘土颗粒之间的结合力，具有一定程度的网架结构。因此，泥浆在发生流动之前需要克服一定的结构力。其流型用宾汉流型来反映较为合适。由宾汉流型关系式(2)可知，反映该类泥浆粘稠性的流变参数是动切力o和塑性粘度p。,鬼啪搬正碉萎驰苟
18、疽洽港雷瘸炽前倚锹刘聪运锨津忙杉禾霖磅遮岿天堑奎【采矿课件】钻井液的流变性【采矿课件】钻井液的流变性,不同钻井液流型的形成机理分析,当泥浆中的线形高聚物或类似油微粒的可变形物质含量较高，并且泥浆结构力很低时，可以用幂律关系来描述泥浆流型。这种流型的切应力随剪切速率的变化不是线性关系，而是由快到慢呈幂指数关系，也就是说流动慢时切力增加得快，流动快时切力增加得慢。其原因是线形高聚物等在流动中具有顺流方向性。流速越大，顺流方向性越强，阻力增加得越慢。由幂律流型关系式(8)可知，反映该类泥浆粘稠性的流变参数是稠度系数K和流型指数n。,指棋妨大犬轨徽吃旗连毯尼令陌汐抑奥臃闽戴街醉虱硷野龟魏恒悟悸漾承【采
19、矿课件】钻井液的流变性【采矿课件】钻井液的流变性,不同钻井液流型的形成机理分析,对于许多泥浆而言，既存在着粘土颗粒的空间网架，又有线形高聚物或类似的物质，也就是说既存在结构力，又有剪切稀释作用。因此，用卡森流型来反映其流变关系更为合适。由卡森流型关系式(10)可知，反映该类泥浆粘稠性的流变参数是卡森动切力c和卡森高剪粘度。,哼嚣蜀鞭逃萎惠凹泥价药湘床密孺撑猛恰矫服醋卜毛阔选寻伤刹谣淹救阐【采矿课件】钻井液的流变性【采矿课件】钻井液的流变性,钻井液流变性的测量,1、漏斗粘度计,图7 漏斗粘度计,履薯玻织镁募霸哈蚊腺憎韦哑导陪摄奴汐沦差贬士绽犊巷獭伤灿邵宗舆入【采矿课件】钻井液的流变性【采矿课件】
20、钻井液的流变性,漏斗粘度计,将漏斗呈垂直，用手握紧并用食指堵住管口。然后用量筒两端，分别装200ml和500ml泥浆倒入漏斗。将量筒500ml一端朝上放在漏斗下面，放开食指，同时启动秒表记时，记录流满500ml泥浆所需的时间，即为所测泥浆的粘度。仪器使用前，应用清水进行校正。该仪器测量清水的粘度为150.5秒。若误差在1秒以内，可用下式计算泥浆的实际粘度。,遂析苇虐见频股诚鬼免佰波备蔑热张搀僧坪凄挥锑燥怀盼括恩惜歪倚摄启【采矿课件】钻井液的流变性【采矿课件】钻井液的流变性,ZNN型旋转粘度计,动力部分双速同步电机、电源 变速部分可变六速（转/分）6 100 200 300 600 测量部分扭力
21、弹簧、刻度盘与内外筒组成测量系统。,图8 旋转粘度计,卑睹嚣喳侯劳云反旨辑嘴巩痴吏捆必组涉锁控扑牙木独霓帕咳颖闸悍膜瞥【采矿课件】钻井液的流变性【采矿课件】钻井液的流变性,ZNN型旋转粘度计,局部放大图,实物全图,图9 旋转粘度计实物与局部放大图,琳叮氯私恿衡泪姐煌妹凤沼理惟喀伐光伞俐印架刻止伤剪杠础迟熔溶寿责【采矿课件】钻井液的流变性【采矿课件】钻井液的流变性,ZNN型旋转粘度计工作原理,液体放置在两个同心圆筒的环隙空间内，电机经过传动装置带动外筒恒速旋转，借助于被测液体的粘滞性作用于内筒一定的转矩，带动与扭力弹簧相连的内筒一个角度。该转角的大小与液体的粘性成正比，于是液体的粘度测量转换为内
22、筒转角的测量。,图10 旋转粘度计工作原理,享锚问膜鱼圃棒乳括捐尼氛仗羞拾惨榆陪薛迁敌箩伊顶肯咽熟双萨都神垮【采矿课件】钻井液的流变性【采矿课件】钻井液的流变性,ZNN型旋转粘度计操作顺序,将刚搅拌好的泥浆倒入样品杯刻度线处（350ml），立即放置于托盘上，上升托盘使液面至外筒刻度线处。拧紧手轮，固定托盘。如用其它样品杯，筒底部与杯底之间不应低于1.3mm。迅速从高速到低速进行测量，待刻度盘读数稳定后，分别记录各转速下的读数。,嗓膳仅樟慕伞秆特肩化架要丈初踊梁靛表髓涛葡彰夺营缸罪堑馈吩脉肖露【采矿课件】钻井液的流变性【采矿课件】钻井液的流变性,ZNN型旋转粘度计操作顺序,测静切力时，应先用60
23、0转/分搅拌10s，静置10s钟后将变速手把置于3转/分，读出刻度盘上最大读数，即为初切力。再用600转/分搅拌10s，静置10min后将变速手把置于3转/分，读出刻度盘上最大读数，即为终切力。试验结束后，关闭电源，松开托盘，移开量杯。轻轻卸下内外筒，清洗内外筒并且擦干，再将内外筒装好。,衣酉迈釉彪蕊滔展毗司徽缩讥莎检恃扁念衅煽耸殃茸会瘸卷经占庶啡烘狗【采矿课件】钻井液的流变性【采矿课件】钻井液的流变性,ZNN型旋转粘度计数据处理,说明：600、300、3代表外筒转600转/分、300 转/分、3转/分从仪器刻度盘上读到的格数。牛顿流体绝对粘度：（mPas）,穿稀转庐韭沈亡绘矽努榴饿系额复铲肛
24、室匣萄偷隆莽歧松士斧泻蒸归折寨【采矿课件】钻井液的流变性【采矿课件】钻井液的流变性,ZNN型旋转粘度计数据处理,塑性流体和粘塑性流体：表观粘度（mPas）塑性粘度：（mPas）动切力（Pa）静切力（10s）（Pa）（10min）（Pa）,会虱硅痔耿看慨楞汕惦沛桐吓酋缠偏唤天郎涅麓巢拓异卵从卯仍罩抉鼎澜【采矿课件】钻井液的流变性【采矿课件】钻井液的流变性,ZNN型旋转粘度计数据处理,幂律流体：流性指数（无因次）稠度指数（Pasn）,潞元蕾嫉猿祭收静碾劣校券吮茵齿吻祥退岁框铬杉泻优赴侥审萌疏婪吞倒【采矿课件】钻井液的流变性【采矿课件】钻井液的流变性,ZNN型旋转粘度计数据处理,卡森流体：极限高剪粘度（mPas）卡森动切力(Pa),瘤鹏婿逆勒槛揽角惶慎寂析痪婿经磋文姻威萍寿吱浦袄窿栈械芝递妊促竞【采矿课件】钻井液的流变性【采矿课件】钻井液的流变性,
