Chapter 2-钻井液流变性能

中国石油大学钻井液工艺原理实验报告实验日期：2011/4/26 成绩：班级：学号：姓名：教师：同组者：实验一钻井液流变性测定一 .实验目的1. 掌握六速旋转粘度计的应用方法。

2. 掌握如何判断钻井液的流型及对应流变参数的计算方法。

3. 比较各流变模式与实际流变曲线的吻合程度，弄清各种模式的特点。

4. 掌握钻井液增粘剂及降粘剂对钻井液流变性的影响。

二.实验原理1. 旋转粘度计工作原理电动机带动外筒旋转时，通过被测液体作用于内筒上的一个转矩，使与扭簧相连的内筒偏转一个角度。

根据牛顿内摩擦定律，一定剪功速率下偏转的角度与液体的粘度成正比。

于是，对液体粘度的测量就转换为内筒的角度测量。

2. 流变曲线类型、意义。

流变曲线是指流速梯度和剪切应力的关系曲线。

根据曲线的形式，它可以分为牛顿型、塑性流型、假塑性流型和膨胀性流型。

为了计算任何剪切速率下的剪切应力，常用的方法是使不同流变模式表示的理想曲线逼近实测流变曲线，这样，只需要确定两个流变参数，就可以绘出泥浆的流变曲线。

牛顿模式反映的牛顿液体，其数学表达式为：τ =η·D宾汉模式反映的是塑性液体，其数学表达式为：τ =τ 0 +ηp·D指数模式反映的是假塑性流体，其数学表达式为：τ =K·D n 或 Lgτ =lgK + n·lgD卡森模式反映的是一种理想液体，其数学表达式为：τ1/2 =τ1/2 c +η1/2∞ .D1/2实际流变曲线与那一种流变模式更吻合，就把实际液体看成那种流型的流体。

三. 实验仪器及药品实验仪器：ZNN-D6 型旋转粘度计；高速搅拌器。

实验仪器使用要点：1.检查好仪器，要求；①刻度盘对零。

若不对零，可松开固定螺钉调零后在拧紧。

②检查同心度。

高速旋转时，外筒不得有偏摆。

③内筒底与杯距不低于1.3cm。

2.校正旋转粘度计①倒350m1 水于泥浆杯中，置于托盘上，上升托盘，使液面与外筒刻度线对齐，拧紧托盘手轮。

流变模型优选功能与说明:钻井液的流变性能已受到钻井界人士的普遍注意, 然而由于钻井液种类较多, 体系复杂, 因而我们有必要根据实际的钻井液体系, 来选择合适的流变模式进行流变计算. 同时, 我们也有必要对现场使用的钻井液体系做一调查, 我国的钻井液体系究竟使用哪种流变模式适用性最广。

此程序对现场使用的宾汉、幂律、卡森模式进行一定的数学处理后, 对实测数据 (点越多越可反映钻井液的实际情况) 进行线性回归, 给出其相关系数与均方差. 考虑到三参数屈服幂律模式与罗伯特斯蒂夫模式也得到了较多人士的重视, 因而采用牛顿迭代法进行非线性回归给出其均方差, 因而我们可以根据以上五种模式的均方差, 考查各种流变模式的适用性. 基本公式中给出的修正系数, 也只适用于仪器常数为 1.078的我国油田现场广泛使用的范氏及仿范氏粘度计.基本公式:1.宾汉模式,幂律模式,卡森模式同于流变模式（一）2.屈服--幂律模式τ=1.067τk+(K/C) ×γ^n) (τ>τk) (2.1a)γ=0 (τ<=τk) (2.2a)3.罗伯逊----斯蒂夫模式τ=(A/C') ×(γ+1.067C)B) (τ>(A/C')× (1.067C)B)(3.1a)γ=0 (τ<=(A/C') ×(1.067C)B) ( 3.2a)参数:γ剪切速率，s-1；τ剪切应力，Pa；τk 屈服幂律模式屈服值，Pa；A 罗--斯系数，Pa.s n；B 罗--斯流型指数；C 罗斯剪率修正常数，s-1；C' 与仪器有关的修正常数；K 屈--幂模式稠度系数，Pa.s n； N 屈--幂模式流型指数。

第二章、钻井液基础知识钻井液在钻井中的作用。

1、清洗井底，携带岩屑，保持井底清洁，保证钻头不断地破碎地层，使钻进不中断。

2、平衡地层中的流体（油、气、水）压力，防止井喷、井漏等井下复杂情况，保护油气层。

3、平衡岩石侧压力，并在井壁形成泥饼，保持井壁稳定，防止地层坍塌。

4、发挥水力效能，传递动力，冲击井底，帮助钻头破碎井底岩石，提高钻井速度。

5、悬浮岩屑和加重剂，降低岩屑沉降速度，避免沉砂卡钻。

另外承受钻杆和套管的部分重力。

6、润滑并冷却钻头，钻具。

7、防止地层中盐水、盐岩、石膏、芒硝等对钻井液的化学污染，防止硫化氢污染和损害。

8、利用钻井液，准确获得井下资料。

一、钻井液性能与钻井工作的关系一）、钻井液密度与钻井的关系密度过大有以下害处：1、损害油气层；2、降低钻井速度；3、过大压差造成压差卡钻；4、易憋漏地层；5、易引起过高的粘切；6、多消耗钻井液材料及动力；7、抗污染能力下降。

密度过低则容易发生井喷、井塌（尤其是负压钻井）、缩径（对塑性地层，如较纯的粘土、盐岩层等）及携屑能力下降等。

二）、钻井液粘度、切力与钻井的关系1、粘度、切力过大有以下害处。

⑴流动阻力大，能量消耗多，功率低，钻速慢；⑵净化不良（固控设备不易充分发挥效力），易引起井下复杂情况；⑶易泥包钻头，压力波动大，易引起卡、喷、漏和井塌等事故；⑷脱气较难，影响气测并易造成气侵。

2、粘度和切力过低也不利于钻井，如：⑴洗井不良，井眼净化效果差；⑵冲刷井壁加剧，引起井塌等井下事故；⑶岩屑过细影响录井。

三）、滤失量和泥饼质量与钻井工作的关系钻井液滤失量过大，泥饼厚而虚，会引起一系列问题。

1、易造成地层孔隙堵塞而损害油气层，滤液大量进入油气层，会引起油气层的滲透率等物性变化，损害油气层，降低产能。

2、泥饼在井壁堆积太厚，环空间隙变小，泵压升高。

3、易引起泥包钻头，下钻遇阻、遇卡或堵死水眼。

4、在高滲透地层易造成较厚的滤饼而引起阻卡，甚至发生压差卡钻。

钻井液流变性-部分钻井液流变性本章要点：掌握有关的基本概念常用流型的特点、流变参数的意义、影响因素、计算及调整了解钻井液流变性与钻井的关系一、基本概念流变性：指在外力作用，物质发生流动和变形的特性钻井液的流变性(Rheological ProPerties of Drilling Fluids):指钻井液流动和变形的特性特性的表征流变模式（最常用的两个：宾汉模式、幂律模式）宾汉模式的参数：塑性粘度(Plastic Viscosity)和动切力(Yield Point)；幂律模式的参数：流性指数(FLow Behavior Index)和稠度系数(Consistency Index) 流变参数流变曲线、动切力(Yield Point)、静切力(Gel Strength)表观粘度(Apparent Viscosity)漏斗粘度(Funnel Viscosity)、塑性粘度(Plastic Viscosity)对钻井液而言，其流动性是主要的方面对钻井工作的意义环空水力参数计算悬浮岩屑与重晶石提高钻井速度/机械钻速携带岩屑，保证井底和井眼的清洁保持井眼规则、保证井壁稳定和井下安全1、流体流动的基本概念①剪切速率液体与固体的重要区别之一就是：液体具有流动性液流中各层流速不同的现象，通常用剪切速率（或称流速梯度）描述剪切速率/速度梯度γ：指垂直于流速方向上单位距离流速的增量γ=dv/dx单位：流速单位v：m/s、距离单位x：m 、剪切速率γ：s-1流速越大，剪切速率越大（剪切速率与流速成正比）在钻井过程中，钻井液在各个部位的剪切速率不同沉砂池处：10-20s-1环形空间：50～250s -1钻杆内：100～1 000 s-1钻头喷嘴处：10 000-100 000 s-1②剪切应力液流中各层的流速不同，故层与层之间必然存在着相互作用。

由于液体内部内聚力的作用流速较快的液层会带动流速度较慢的相邻液层，而流速较慢的液层又会阻碍流速较快的相邻液层因此在流速不同的各液层之间发生内摩擦作用，即出现成对的内摩擦力(即剪切力)，阻碍液层剪切变形液体的粘滞性：液体流动时所具有的抵抗剪切变形的物理性质牛顿内摩擦定律：液体流动时，液体层与层之间的内摩接力(F)的大小与液体的性质及温度有关并与液层间的接触面积(S)和剪切速率(γ)成正比，而与接触面上的压力无关表达式：F=μSγ剪切应力：内摩擦力F除以接触面积S表达式：τ =F/S=μγ式中：F-----流体的内摩擦力，单位NS-----接触面积，单位m2μ-----粘度，单位Pa·s，实际生活中一般采用mPa·s（1cp＝1mPa·s）※剪切应力τ：流体单位面积上的内摩擦力③流体牛顿流体：剪切应力与剪切速率的关系遵守牛顿内摩擦定律的流体如：水、酒精等大多数纯液体、轻质油、低分子化合物溶液以及低速流动的气体等非牛顿流体：不遵守牛顿内摩擦定律的流体均为牛顿流体如：高分子聚合物的浓溶液和悬浮液、大多数钻井液④流变模式和流变曲线剪切应力和剪切速率是流变学个的两个基本概念钻井液流变性的核心问题就是研究各种钻井液的剪切应力与的剪切速率之间的关系流变方程/流变模式：表示剪切应力与的剪切速率之间关系的数学关系式（描述τ 和γ之间的数学关系）流变曲线：表示剪切应力与的剪切速率之间关系的图线（描述τ 和γ之间的曲线）二、流体的基本流型及特点按流体流动是的剪切速率和前切应力之间的关系，流体可以划分为不同类型，即所谓流型牛顿流体塑性流体/宾汉塑性流体/宾汉流体非牛顿流体假塑性流体/幂律流体膨胀性流体牛顿流型τ = μγ塑性流型τ = τ0+ μpγ假塑性流型τ = K γn n<1膨胀性流型τ = K γn n>1卡森流型——卡森流体目前广泛使用的多数钻井液为塑性流体（宾汉流体）和假塑性流体1、塑性流体举例：高粘土含量的钻井液、高含蜡原油和油漆等①流变曲线（1）曲线不过原点，在τ轴上有一截距τs静切力/静切应力/切力/凝胶强度(τs)：使塑性流体开始流动的最低剪切应力不过原点原因：颗粒间以端-端和/或端-面连接形成网架结构，要使体系流动必破坏这种网架结构τs物理意义：反映钻井液在静止时形成网架结构的强弱粘土矿物具有片状或棒状结构，形状很不规则，颗粒之间容易彼此连接在一起，形成空间网架结构扩散双电层斥力粘土颗粒间作用力水化膜弹性斥力范德华引力/静电吸引力等（2）在低剪切速率范围内，为曲线段流体开始流动后，存在矛盾：结构拆散←→结构恢复在低剪切速率下，可供拆散的网架结构较多，结构拆散速度＞结构恢复速度→拆散程度随剪切速率增加而增大→ △τ/ △γ(表观粘度) ↓（3）在中、高剪切速率范围内，为直线段可供拆散的网架结构数量↓→结构拆散速度↓γ体系中游离的颗粒数量↑→结构恢复速度↑当γ达到某一值时结构拆散速度= 结构恢复速度网架结构数量不变产生同样△γ所需△τ不变（△τ/ △γ不变）②宾汉模式(适合于中、高剪切速率)（曲线的直线段）τ = τ0+ ηpγ式中：τ0：动切力或屈服值(Yield Point)，Paηp：塑性粘度，Pa·s，实际中使用mPa·s（1）塑性粘度μp（直线段的斜率）①物理意义：反映流体在层流下达到动平衡（网架结构的拆散速度等于其恢复速度）时，固相颗粒之间、固相颗粒与液相之间以及液相内部内摩擦力的大小②影响因素固相含量↑→固相颗粒数目↑→塑性粘度ηp↑固相分散度↑→固相颗粒数目↑→塑性粘度η p↑固相类型活性固相：在水中分散性强的固相，如膨润土惰性固相：在水中分散性弱的固相，如钻屑活性固相含量↑→固相分散度↑→ 塑性粘度ηp↑（固相含量一定）液相粘度↑→内摩擦力↑→塑性粘度η p↑温度↑→液相粘度↑→塑性粘度ηp↑③调整加预水化膨润土ηp↑加增粘剂使用固控设备ηp↓使用化学絮凝剂加水稀释（2）动切力τ0延长直线段与剪切应力轴相交点①物理意义：钻井液在层流状态下达到动平衡时形成网架结构的强弱。

石油钻井中钻井液流变性
钻井液流变性是指钻井液流动和变形的性质，这些性质主要通过剪切应力和剪切速率表征。

钻井液流变性与钻井液对井底的冲洗能力、对岩屑的携带和悬浮能力，对功率的传递能力和井壁稳定等直接相关。

1.流态
流体的流态可分为层流、紊流和塞流三种类型。

层流是指流体质点呈层状流动，流动的每一层的流速不等，但都与流动方向平行。

紊流是指流体质点完全呈不规则流动。

在整个流体体积内充满小漩涡，质点的宏观速度基本相同。

塞流是指流体的流动像塞状物一样移动，各质点流速相等。

2.剪切应力
当流体的流态处在层流时，相邻流动层的流速是不等的，因此它们之间存在内摩擦力即剪切力，若将剪切力除以相邻流动层的接触面积。

3.剪切速率
当流体的流态处在层流时，相邻流动层之间的速度差除以它们之间的垂直距离称为剪切速率。

4.牛顿粘度与表现粘度
钻井液的表现粘度随剪切速率变化，所以在评价钻井液性能时，
表观粘度通常指剪切速率为1020s-1时的表观粘度。

5.触变性
一些非牛顿流体在机械作用下变稀或者变稠的性质称为触变性。