第六章钻井液的流变性

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1、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

2、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61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

3、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： 1001000 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。根据牛顿内摩擦定律：液体流动时，液层之间的内摩擦力F与液层之间的接触面积S和剪切速率成正比。既：F=S 上式两边除以接触面积S，并设=F/S 则：=上式中反映了液体流动时

4、，液层之间单位接触面积上的内摩擦力，我们叫它剪切应力。单位Pa。是反映液体拈滞性的大小的物理量，通常称为粘度。其物理意义是产生单位剪切速率所需要的剪切应力。显然，液体粘度越大产生单位剪切速率所需要的剪切应力就越大。粘度大小取决于液体本身的性质和环境的温度。单位Pa.S,工程上常用单位为cp。3、流变曲线和流变方程剪切应力和剪切速率是流变学中两个基本概念，钻井液流变性的核心问题是研究各种钻井液的剪切应力与剪切速率之间的关系。这种关系可以用图线表示，也可以用数学关系式表示。所谓流变曲线就是剪切速率与剪切应力的关系曲线。流变曲线是通过实验测得的数据直接绘制而成，因此能直观反映流体的流动规律，但不便于

5、做定量分析研究。流变方程是根据实验获得的流变曲线，用解析几何的方法抽象出来的描述流体流动特性的代数方程。对于非牛顿流体用流变方程只能近似反映它的流变特性，与流体的实际流动情况是有一定误差的。二、流体的基本流型根据流体流动时剪切速率与剪切应力之间的关系，流体可分为牛顿流体、塑性流体、假塑性流体和膨胀流体。如图6-2所示。图6-2 四种基本流型的流变曲线1、 牛顿流体 牛顿流体是最简单的一类流体，其剪切应力与剪切速率的关系遵循牛顿内摩擦定律。流变曲线是通过原点的一条直线。这类流体的流动特性是加很小的力便开始流动，粘度不随剪切速率改变。水、酒精等大多数纯液体以及轻质油、低分子化合物溶液均属于牛顿流体

6、。描述牛顿流体流变性的流变方程为： 剪切应力，Pa剪切速率，S-12、塑性流体从图6-2可知，塑性流体与牛顿流体不同，塑性流体当=0时，0。说明若使塑性流体开始流动，施加的剪切应力必须超过某一最低值，这种使流体开始流动的最低剪切应力称为静切力，用s表示，又叫凝胶强度。塑性流体的流变曲线不通过原点，流动的初始阶段，剪切应力与剪切速率的关系不是直线。表明此时塑性流体还没有均匀地被剪切。粘度随剪切应力的增大而降低。继续增大剪切应力，当其达到某一数值后，流变曲线变成直线，粘度不再随剪切速率增大而变化。这个粘度称为塑性粘度，用p或PV表示。 黏土含量高的钻井液属于塑性流体。由于体系中黏土颗粒会在不同程度

7、上处于一定絮凝状态。因此要使钻井液开始流动，必须施加一定剪切应力来破坏絮凝形成的网架结构。这个力就是静切力。它反映了钻井液内部凝胶强度。钻井液开始流动后，初期随着剪切速率增大，结构拆散程度越来越大，所以表现为粘度随剪切速率增大而降低。在流变曲线上表现为曲线斜率越来越小，随着结构拆散程度增大，结构恢复速度逐渐增大。所以，当剪切速率达到一定值后，结构破坏与恢复速度达到动态平衡。此时，体系内黏土颗粒絮凝程度不再随剪切速率增加而变化，相应地粘度也不再变化。这时曲线变为直线。此时的粘度就是塑性粘度。p反映的是层流状态时，体系内结构拆散与恢复达到平衡时质点之间的摩擦作用大小。延长直线段与剪切应力轴相交于0

8、点，0点的剪切应力叫流体的动切力。动切力反映泥浆层流流动时，黏土颗粒及高聚物分子之间的相互作用力。塑性流体流变曲线的直线段可以用直线方程表示为（幻灯片）即宾汉方程。 剪切应力，Pap剪切速率，S-10动切力，Pa3、假塑性流体高分子化合物水溶液以及乳状液属于假塑性流体。流变曲线：通过原点凸向剪切应力轴的曲线。假塑性流体不存在静切力。特性：它的黏度随剪切速率的增大而降低。流变方程： Kn n流体的流性指数,无因次图3-6给出了塑性流体、假塑性流体、实际钻井液的流变曲线。由图可见，在中高剪切速率范围，宾汉方程、幂方程都能较好的反映实际钻井液的流变性。但在环形空间的低剪切速率范围幂律方程更能较好的反

9、映实际钻井液的流变性。三、钻井液的流变性及其调控原则1、漏斗黏度（FV）漏斗黏度在钻井过程中，是要经常测定的重要参数。测定方法简单，可直观反映钻井液黏度的大小。漏斗黏度的单位为秒。是一夸脱钻井液从漏斗黏度计流出所需要的时间。钻井液从漏斗口流出过程中，隋着漏斗中液面逐渐降低，流速不断减小，因此不能在固定剪切速率下进行黏度测定。所以对漏斗黏度不能象从旋转黏度计测得的数据那样做数学处理。也不能与其它流变参数进行换算。漏斗粘度只能用来判别在钻井作业期间各个期间各个阶段粘度变化莫测的趋向，它不能说明钻井液粘度变化的原因，也不能作为对钻井液进行处理的依据。2、塑性粘度 1）、塑性粘度的概念 从滨汉模式可知

10、，塑性粘度是塑性流体的性质，它不随剪切速率而变化。塑性粘度反映了在层流情况下，钻井液中网架结构的破坏与恢复处于动平衡时，悬浮的固相颗粒之间、固相颗粒与液相之间以及连续液相内部的内摩擦作用的强弱。 塑性粘度的计量单位是毫帕秒（mPas），工程上常用单位是厘泊（cp），两者换算系数为1。2）、影响塑性粘度的因素主要有：钻井液的固相相含量。这是影响塑性粘度的主要因素。一般情况下，随着固相颗粒逐渐增多，颗粒总表面积逐渐增大，所以颗粒间的内摩擦力也会随之增加。因此钻井液中，当粘土含量相同时，其分散度愈高，塑性粘度愈大。高分子聚合物处理剂。钻井液中加入高分子聚合物处理剂会提高液相粘度，从而使塑性粘度增大。

11、其浓度愈高，塑性粘度愈高，相对分子量愈大，塑性粘度愈高。3）、钻井现场影响钻井液塑性粘度升高的可能因素有： 加入粘土； 钻屑污染，特别是水化性强的泥岩钻屑的侵入和累积。钻屑经过反复剪切，分散变细 加入高分子聚合物处理剂，特别是加入高分子增粘剂。钻井中一般应尽可能维持较低的钻井液塑性粘度，这可通过保持低固相含量来达到，以利于提高钻进速度和减少井下复杂情况。塑性粘度增加不利于旋流分离器和振动筛的固相分离效果。4）、降低塑性粘度的调空方法加水冲稀以降低钻井液中固相和高聚物浓度。应用四级固控设备清除固相颗粒；用页岩包被剂防止页岩钻屑分散和用絮凝剂沉除10微米以下的颗粒。3、动切力（YP）1）、动切力的

12、概念动切力是塑性流体流变曲线中的直线段在轴上的截距，用0表示。它反映了钻井液在层流流动时,粘土颗粒之间及高分子聚合物分子之间相互作用力的大小,即形成空间网架结构能力的强弱.因此,凡是影响钻井液形成结构的因素,均会影响0值。屈服值的计量单位是Pa（帕），英制单位常用1b100f t2（磅100英尺2）。它们的换算关系为： Pa=lb/100ft22）、影响动切力的因素粘土的类型和浓度。在常见的粘土中，以蒙脱石为主要成分的膨润土容易水化分散，并形成网架结构。随着钻井液中膨润土浓度增加，动切力上升。相对而言，高岭石和伊利石等粘土矿物对动切力的影响较小。由此可见，当钻井液需要提高动切力时，可选用膨润土

13、。电解质。在钻进过程中，如果有一定量的NaCl、CaSO4、水泥等无机电解质进入钻井液，均会引起钻井液絮凝程度增大，从而增加动切力。降粘剂。大多数降粘剂的作用原理都是吸附到粘土颗粒的端面上，使端面带一定的负电荷，于是拆散网架结构。因此，降粘剂的作用主要是降低动切力，而不是降低塑性粘度。在实际应用中，钻井液的屈服值应控制在合适的范围过高或过低都会给钻井带来不利的影响。对于水基钻井液当屈服值数值上与钻井液密度存在下列近似关系时，表明钻井液的屈服值已到达上限甚至稍为偏高了些。MW(g/cm2)YP(lb/100ft2)=1MW(ppg)3）、钻井液屈服值的调控方法降低屈服值最有效的方法是加入适量降粘

14、剂，以拆散钻井液中已形成的网架结构。若是因Ca2+ Mg2+ 离子污染引起的0 升高，可用化学沉淀法除去这些离子。用清水或稀浆稀释也可起到降低0 的作用若想提高屈服值可加入预水化膨润土浆或增大高分子聚合物加量，对于钙处理钻井液或盐水钻井液通过增加Ca2+ 、Na+ 浓度来达到提高0 的目的。4、钻井液流型指数（n）钻井液的流性指数亦称n值，在幂率方程中，n表示假塑性流体在一定剪切速率范围内表现出的非牛顿性程度。n值为无因次物理量，表示假塑性流体中形成结构的程度。当n1时，表明结构少，且不连续。n=1时，完全无结构， 当n0时：表明结构逐渐增多，且连续。非牛顿性越强。在现场通过测定n值可以考察钻

15、井液的携屑能力和剪切稀释性。n越小，剪切稀释能力越强，平板型层流的流核直径越大，携砂效果越好。经验认为 n = 0.40.7较好。N值主要受形成网架结构因素的影响，因此加入适量适合本体系的高分子聚合物，会使形成的网架结构增强，n值相应减小。5、钻井液稠度系数（k）稠度系数是假塑性流体在一定速梯下非结构性内摩擦的反映。稠度系数越大表明钻井液粘度越高。K值可以反映钻井液的可泵性，K值过大将造成从新开泵困难，K值过小将对携屑不利。因此，应保持钻井液K值在一个合适的范围。降低K值类似于降低钻井液粘度，有利于提高钻速，提高K值类似于增大钻井液粘度，这有利于清洁井眼和消除井塌引起的井下复杂情况。钻井液K值

16、主要受体系中固相含量和液相粘度的影响，同时也受结构强度的影响。当固体含量或聚合物处理剂的浓度增大时，K值相应增大。降低K值最有效的办法是加强固相控制，或加水稀释降低钻井液中的固相含量。6、钻井液表观粘度（AV）钻井液的表观粘度是指钻井液在某一特定剪切速率下，剪切应力与剪切速率的比值。表观粘度又称为有效粘度。表观粘度是流体在流动过程中所表现出的总粘度。对于钻井液来说，它既包括流体内部由于内摩擦作用所引起的粘度，又包括粘土颗粒之间及高分子聚合物分子之间由于形成空间网架结构所引起的粘度。因为表观粘度与剪切速率相联系，在不同的剪切速率下测定的表观粘度具有不同的值。对于钻井液，为便于比较，如果没有特别要

17、求别的剪切速率，按照API标准的要求，一般是在旋转粘度计上测定600rpm时的表观粘度。计算公式如下 AV = 600/2（ mPa.s）600为600rpm时读数值 温度对钻井液粘度有影响，特别是油基钻井液的粘度随温度的变化比水基钻井液大得多，应记录测定时钻井液样品的温度。最好使用带有恒温加热套的旋转粘度计进行固定温度下的测定。测定前试验样品浆液应进行充分搅拌。7、剪切稀释性塑性流体和假塑性流体的表观粘度随着剪切速率的增加而降低的特性称为剪切稀释性。剪切稀释特性是优质钻井液必须具备的性能。因为它既能充分发挥钻头的水马力有利于提高钻速，而在环形空间有能很好地携带岩屑。钻井液的剪切稀释性强弱可以

18、用动切力与塑性粘度的比值（简称动塑比）来衡量。动塑比值越大钻井液的剪切稀释性越强。经验证明将-0.48(Pa/mPa.s)比较适宜.当采用幂率方程表征钻井液流变形时,n值大小可以反映剪切稀释性强弱。随着n值减小钻井液的剪切稀释性增强。经验证明，为保证钻井液能有效地携带岩屑-0.7之间。8、切力和触变性钻井液的切力是指静切力，其胶体化学实质是胶凝强度。反映钻井液在静止状态下形成网架结构的强度。静切力的大小与时间因素有关。所以用初切力和终切力两个数值来衡量。钻井液在静止状态下形成网架结构的能力。初切力是将钻井液充分搅拌后静止1分钟后测得的数值，终切力是将钻井液充分搅拌后静止10分钟测得的数值。触变

19、性是指钻井液受搅拌后变稀，静止后又变稠的特性。在触变性体系中，一般都存在空间网架结构，在剪切作用下，结构被拆散，结构粘度减小，钻井液变稀，重新静置后，网状结构逐步恢复，结构粘度逐渐增大，钻井液变稠。恢复结构所需的时间长短和最终的凝胶强度的大小，可以真实反映钻井液的触变性。根据钻井液的触变性，钻井液划分为四种类型（1） 快速强凝胶型： 结构恢复很快，最终切力大。（2） 快速弱凝胶型： 结构恢复很快，最终切力不很大。（3） 慢速强凝胶型； 结构恢复很慢，最终切力大。（4） 慢速弱凝胶型： 结构恢复很慢，最终切力不很大。钻井工艺要求钻井液应具有良好的触变性，一般期望的是快速弱凝胶型的钻井液。但钻井液的凝胶强度也不能太低，一般而言，能够有效悬浮重晶石的静切力为1.5Pa。