钻井液流变性测定

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。

钻井液常规性能测定一.密度的测定1、按平安检查表内容检查仪器，确保仪器平安可靠。

2、将钻井液加热到所需温度。

3、在密度计的杯中注满钻井液，盖上杯盖慢慢拧动压紧。

4、用手指压住杯盖小孔，用清水冲洗并擦干样品杯。

5、把密度计的刀口放在底座的刀垫上，移动游码直到平衡，记录读值。

6、将密度计冼净擦干备用。

二.测定马氏漏斗粘度1、按平安检查表内容检查仪器，确保仪器平安可靠。

2、将漏斗悬挂在墙上，且保证垂直；量杯置于漏斗流出管下面。

3、用手指堵住漏斗流出管下口，将搅拌均匀的泥浆倒入漏斗至筛网底；放开手指，同时启动秒表，待泥浆流满量杯到达它的边缘时，按停秒表。

秒表所示时间即为泥浆粘度，单位为s。

4、使用完毕，将仪器洗净擦干。

三.流变的测定〔ZNN-D6六速旋转粘度计〕1、按平安检查表内容检查仪器，确保仪器平安可靠。

2、使用前检查读数指针是否对准刻度盘“0〞位，落下托盘，装配好内、外筒。

3、将搅拌均匀的泥浆倒入样品杯至刻度线、将样品杯置于托盘上，上升托盘使液面至外筒刻度线，拧紧托盘手轮。

4、调整变速手把和转速开关，迅速从高到低进行测量，待刻度盘稳定后，分别读取各转速下刻度盘的偏转格数。

5、测量完毕，落下托盘，卸下外筒，将内、外筒及样品杯洗净擦干。

四.钻井液失水的测定1、按平安检查表内容检查仪器，确保仪器平安可靠。

2、用手指堵住泥浆杯底部小孔，将搅拌均匀的泥浆倒入杯内至刻度线处，按顺序放入“O〞型密封圈、滤纸、杯盖和杯盖卡，将杯盖卡旋转90°并拧紧旋转手柄。

3、将组装好的泥浆杯组件倒置嵌入气源接头并旋转90°；将量筒置于失水仪下方并对准滤液流出孔。

4、调节气源压力至0.7MPa，翻开气源手柄并同时启动秒表，收集滤液于量筒之中。

5、当秒表指示为30min时，将悬于滤液流出孔的液滴收集于量筒之中并移开量筒，此量筒中液体体积即为滤失量。

6、关闭气源手柄，放出泥浆杯中余气；卸下泥浆杯组件，倒去泥浆并洗净擦干。

钻井液流变性概述摘要：钻井液在石油钻井中起着十分重要的作用，深入研究钻井液的性能，对油气井钻井液流变参数的优化设计和有效调控是钻井液工艺技术有十分重要的指导意义。

根据API 推荐的钻井液性能测试标准，钻井液的常规性能包括：密度、漏斗粘度、塑性粘度、动切力、静切力、API 滤失量、HTHP 滤失量、PH 值、碱度、含砂量、固相含量、膨润土含量和滤液中的各种离子的质量浓度等。

本文主要对钻井液的流变性进行综述，包括钻井液的流型及流变参数、钻井液流变性与携岩原理及井壁稳定性的关系。

关键词：钻井液 流变性 流型 携岩原理一．钻井液在石油钻井中的作用（1）从井底清除岩屑（2）冷却和润滑钻头及钻柱（3）造壁功能（4）控制地层压力（5）循环停止时悬浮岩屑和加重材料，防止下沉（6）从所钻地层获得资料（7）传递水力功率二．钻井液的类型分散钻井液 钙处理钻井液 盐水钻井液 饱和盐水钻井液 聚合物钻井液 甲基聚合物钻井液 合成基钻井液 气体型钻井液 保护油气层的钻井液三．钻井液的流变性钻井液的流变性是指在外力作用下，钻井液发生流动和变形的特性。

流体分为牛顿型流体和非牛顿型流体，非牛顿型流体又分为塑性流体、假塑性流体、膨胀性流体。

现场使用钻井液多为塑性、假塑性流体。

1．牛顿流体通常将剪切应力与剪切速率的关系遵守牛顿内摩擦定律的流体，称为牛顿流体。

流变方程：dv dxτμ=其流动特点：加很小的剪切力就能流动，而且流速梯度与切应力成正比。

在层流区域内，粘度不随切力流速梯度变化，为常量。

2．非牛顿流体（1）塑性流体0PVdv dxττμ-= 剪切力τ≠0，而是s τ，即施加的切应力必须超过某一特定值才能开始流动。

切应力继续增大，并超过s τ时，塑性流体不能均匀剪切，粘度随切应力的增加而增加，即图中曲线段；继续增加切应力，粘度不随切应力的增加而增加，图中直线段；1）s τ，静切力，是钻井液静止时单位面积上形成的连续空间网架结构强度的量度。

第六章钻井液的流变性钻井液的流变性是钻井液的一项最基本性能，它是指在外力作用下，钻井液发生流动变形的特性。

该特性通常用钻井液的流变曲线、表观粘度、塑性粘度、动切力、静切力等流变参数来进行描述的。

它在解决1、岩屑携带，保证井底和井眼清洁；2、悬浮岩屑和加重材料；3、保持井眼规则和保障井下安全；4、提高机械钻速等钻井问题时起着十分重要的作用。

另外，钻井液的某些流变参数还直接用于钻井环空水力学的有关计算。

对钻井液流变性的深入研究有利于对油气井钻井液流变参数的优化设计和合理调控。

一、流体流变性的概念1、流体流动的特点流体流动实际上是流体随时间连续变形的过程。

液体的流动变形是因为液体受到剪切作用引起的剪切变形。

既液体在大小相等、方向相反、而作用线相距很近的两个力作用下，液体内部指点发生相对错动。

以河水流动的速度分布为例，可以看到，越靠近河岸，流速越小，河中心处流速最大。

水在管道中流速分布与河水相似，管道中心流速最大，靠近管壁处速度为零。

可以想象，如果把管道内流动的水沿着管道半径的方向由内向外分成若干层，每一层流速是不同的。

如图6—1所示。

液流中各层的流速不同这个现象，通常用剪切速率（或称速度梯度）这个物理量来描述。

图6-1在圆形管道中水的流速分布a —流速分布示意图b —流速分布曲线2、剪切速率和剪切应力如前所述，液体在管内流动时，在垂直于流速方向上，由内向外流速逐渐减小。

若液体液层之间的距离为dx，各液层的速度差为dv，则垂直于流速方向不同液层流速的变化可以表示为dv/dx，那么dv/dx叫速度梯度即剪切速率。

其物理意义是在垂直于流速方向上，单位距离流速的增量。

物理单位为S-1钻井液在循环系统的不同位置剪切速率值如下：沉砂池： 10 —20 S-1环形空间： 50 —250 S -1钻杆内： 100—1000 S-1钻头喷嘴处： 104 —105 S-1液体流动时表现出的速度梯度，是液体内存在内摩擦作用的结果。

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。

实验一水基钻井液配制及其流变性质的测定一、原理阅读《钻井与完井工程》第三章和本指导书。

二、实验目的要求1、了解和掌握钻井液的配制过程及方法，学会按所需比重配制一定量的水基钻井液。

2、了解测定钻井液常规性能的各种仪器的测定原理，正确掌握测定钻井液常规性能的仪器设备的使用方法。

3、掌握四种常用流变模式的流变曲线绘制及流变参数的测定。

三、实验仪器及药品六速旋转粘度计、泥浆比重计和漏斗粘度计、电动搅拌机等各一台，搪瓷量杯、药物天平、安丘土、纯碱等。

四、实验内容与测定方法(一)水基钻井液的配制钻井液(泥浆)的种类很多，通常分为两种基本类型：即水基钻井液和油基钻井液。

油基钻井液是以柴油(或原油)作分散介质，水及有机土或其他的亲油粉末物质作分散相，加乳化剂等处理剂配制而成；水基钻井液是以水为分散介质，其基本组分是粘土(搬土)、水、和化学处理剂，这类钻井液发展最早，使用最广泛。

我们这里所要配制的钻井液只是其中一种最基本、最简单的水基钻井液，即般土原浆。

它的配制要点是在选定粘土的基础上，加入适量纯碱或其它处理剂，以提高粘土的造浆率。

纯碱的加量依粘土中钙的含量而异，可通过小型实验求得，一般不超过泥浆体积的1%。

加入纯碱的目的是除去粘土中的部分钙离子，使钙质膨润土转化为钠质膨润土，从而提高它的水化分散能力，使粘土颗粒分散得更细。

Ca(土)＋Ｎa２CO３=Na(土)＋CaCO３。

因此，原浆加纯碱一般呈现粘度增大，失水量减小；如果随着纯碱加入失水量反而增大，就说明纯碱加过量了。

有的粘土只加纯碱还不行，需要加少量烧碱，其作用是把粘土中氢质土转化为钠质土。

计算出配制密度为1.05的水基钻井液1000ml所需膨润土重量(一般常用的是安丘土，密度为2.20g/cm３），用药物天平称取所需安丘土。

其计算公式如下：W土——配浆所需的膨润土粉重量 g；γ浆——所配钻井液的密度 g/cm３；γ土——安丘土粉的密度 g/cm３；V浆——需配制的钻井液体积 ml。