4 钻井液的流变性.ppt

蔡记华,第三章钻井液的流变性,2,钻井液与岩土工程浆液,钻井液流变性,钻井液造壁性,钻井液处理剂,钻井液体系,1,核心内容,,,,本章要点1.掌握有关的基本概念；2.常用流型的特点、流变参数的意义、影响因素、计算及调整；3.了解钻井液流变性与钻井的关系,流变性是指在外力作用，物质发生流动和变形的特性；对钻井液而言，其流动性是主要的方面。该特性通常用钻井液的流变曲线和塑性粘度PlasticViscosity、动切力YieldPoint、静切力GelStrength、表观粘度ApparentViscosity等流变参数来进行描述。,与钻井液流变性有关的钻井问题（1）携带岩屑，保证井底和井眼的清洁；（2）悬浮岩屑与重晶石；（3）提高钻井速度;（4）保持井眼规则和保证井下安全。,第一节基本概念,一、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，γdv/dx，流速单位m/s；距离单位m。因此剪切速率1/s。流速越大，剪切速率越大。,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100～1000s-1；钻头喷嘴处10000-100000s-1。剪切速率与流速成正比。,二、剪切应力τ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。这样在流速不同的各液层之间会发生内摩擦作用，即出现成对的内摩擦力即剪切力，阻碍液层剪切变形。通常将液体流动时所具有的抵抗剪切变形的物理性质称做液体的粘滞性。,剪切应力τ流体单位面积上的内摩擦力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FμSγ（3-1）内摩擦力F除以接触面积S即得液体内的剪切应力，即τF/SμγPa（3-2）式中F-----流体的内摩擦力，NS-----面积，m2μ的单位是Pas，实际生活中一般采用mPas。1cP＝1mPas,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；不遵守牛顿内摩擦定律的流体，称为非牛顿流体。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均为牛顿流体，高分子聚合物的浓溶液和悬浮液等一般为非牛顿流体。大多数钻井液都属于非牛顿流体。,三、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。这种关系可以用数学关系式表示，也可以作出曲线来表示。若用数学关系式表示时，称为流变方程，习惯上又称为流变模式，如式32就是牛顿流体的流变模式。若用图续来表示时，就称为流变曲线。,流变曲线描述τ和γ之间的曲线,流变模式/流变方程描述τ和γ之间的数学关系,,四、流体的基本流型牛顿流体τμγ塑性流体ττ0μpγ假塑性流体τKγnn1,,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。,第二节基本流型及其特点,牛顿流型牛顿流体膨胀流型膨胀性流体塑性流型塑性流体假塑性流型假塑性流体卡森流型卡森流体,,流型根据流体流动时剪切应力τ与剪切速率γ之间的关系，流体可以分为不同的类型,一、塑性流体1、流变曲线,高粘土含量的钻井液、高含蜡原油和油漆等都属于塑性流体。,（1）曲线不过原点，在τ轴上有一截距τs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。扩散双电层斥力水化膜弹性斥力范德华引力/静电吸引力等,,粘土颗粒间作用力,,不过原点的原因由于颗粒间以端-端和（或）端-面连接，形成网架结构，要使体系流动，就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。（2）在低剪切速率范围内，为曲线段流体开始流动后，存在以下一对矛盾结构拆散结构恢复流型动画,,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,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,,↓,2、宾汉模式适合于中、高剪切速率ττ0ηpγ式中τ0动切力或屈服值YieldPoint，Paηp塑性粘度，Pas，实际中使用mPas（1）塑性粘度μp①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A、固相含量固相颗粒数目塑性粘度ηp,,,,,,E、温度液相粘度塑性粘度ηp,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,B、固相分散度固相颗粒数目塑性粘度ηp,C、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）,D、液相粘度内摩擦力塑性粘度ηp,使用固控设备使用化学絮凝剂加水稀释,,ηp↑,,ηp↓,③调整,加预水化膨润土加增粘剂,,,,,,,,,,,,（2）动切力τ0①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。②影响因素,B、活性固相含量固相分散度网架结构数目动切力τ0,,C、降粘剂动切力τ0,D、高分子聚合物动切力τ0,,,,τ0,电解质浓度C,,C0,E、电解质的影响,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,τ0,电解质浓度C,,,Ca2,Na,,原因CC0，电解质浓度C压缩扩散双电层电动电位,颗粒间斥力形成面－面连接,固相分散度τ0,τ0,,,τ0,③调整,加预水化膨润土加高分子聚合物加适量的电解质,加降粘剂加水稀释消除引起τ0升高的电解质,↓,↑,国外资料指出，对于非加重钻井液，塑性粘度ηp一般应控制在512mPas，动切力τ0应控制在1.4～14.4Pa。,二、假塑性流体/幂律流体1、流变曲线,,,,τ,γ,,原因,,,,,,,,1,2,3,1,2,3,流动方向,（1）曲线过原点,无网架结构脆弱且不连续的网架结构,（2）曲线无直线段,原因随γ增大，体系中形状不规则的粒子沿流动方向转向和变形，流动阻力减小。,2、幂律模式τKγn式中K稠度系数，Pasnn流性指数，无因次，0≺n≺1（1）流性指数n①物理意义反映流体偏离牛顿流体的程度。n越小，表明越偏离牛顿流体.,（2）稠度系数K①物理意义主要反映钻井液粘度的大小，K越大，粘度越大。②影响因素及调整同塑性粘度ηp。,,,τ00,n1,,,,,②影响因素及调整,ττ0ηpγτηpγ,τKγnτKγ,凡是影响τ0的因素必然影响n，但影响方向相反，既使τ0使n,三、卡森流体宾汉模式的局限性适合在中剪切速率范围描述钻井液的流变性。幂律模式的局限性适合在低、中剪切速率范围描述钻井液的流变性卡森模式①卡森Casson模式是1959年由卡森首先提出的，最初主要应用于油漆、颜料和塑料等工业中。②1979年，美国人劳增Lauzon和里德Reid首次将卡森模式用于钻井液流变性的研究中。③卡森模式不但在低剪切区和中剪切区有较好的精确度，还可以利用低、中剪切区的测定结果预测高剪切速率下的流变特性。,1、流变曲线,,,τ1/2,γ1/2,,2、卡森模式τ1/2τc1/2η∞1/2γ1/2式中τc-------卡森动切力卡森屈服值，Pa；η∞-----极限高剪切粘度（水眼粘度），mPas1卡森动切力τc物理意义反映钻井液网架结构的强弱影响因素与调整同τ01极限高剪切粘度η∞物理意义反映钻井液内摩擦力的强弱影响因素与调整同ηp,四、赫谢尔巴尔克莱三参数流变模式,赫谢尔巴尔克莱HerschelBulkely三参数流变模式简称赫巴模式，又称为带有动切力或屈服值的幂律模式，或经修正的幂律模式。1977年该模式首次用于钻井液流变性的研究。实际钻井液实际钻井液的流变曲线一般都不通过原点，即或多或少都存在一个极限动切力。只有当外力达到或超过这一极限动切力后，流体才开始流动。,宾汉模式宾汉模式的动切力τ0是一外推值，它一般会高于实际钻井液的极限动切力。幂律模式幂律模式流变曲线通过原点，极限动切力为零，因此这两种传统模式均不能反映实际钻井液的这一特性。,结论幂律模式和宾汉模式与实际钻井液的流变曲线都有所出入，相对而言实际流变曲线与宾汉模式流变曲线的偏差较大，而与幂律模式流变曲线较为接近。为了能更准确的表示钻井液的流变曲线，需要对幂律流体进行改进或修正，赫－巴模式就是一种修正的幂律模式。,赫－巴模式的数学表达式为ττyKγn式中τy表示该模式的动切力；n和K的意义和幂律模式相同。,五、流型判断1、作图法（1）多点测试（τ，γ）（2）分别以τ和γ为坐标轴绘图（3）结合标准流变曲线进行判断,,,τ,γ,,,,,,,,,2、线性回归法（1）多点测试（τ，γ）（2）假设流变模式后进行线性回归ττ0ηpγτKγnτ1/2τc1/2η∞1/2γ1/2（3）检验相关系数R计临界相关系数R临，假设成立。参考文献LG植物胶无固相钻井液的流变性研究,第三节流变参数测量与计算,一、测量仪器及原理1、漏斗粘度计,,,,,,,,,,漏斗,容积1500或700ml,原理测定一定钻井液（946ml/1500ml,500ml/700ml）从漏斗下端流出所需的时间。,马氏漏斗ZMN型马式漏斗粘度计由锥体马式漏斗、孔径1.6mm的滤网和946ml量杯组成。锥体上口直径152mm，锥体下口直径与导流管直径4.76mm，锥体长度305mm，漏斗总长356mm，筛底以下的漏斗容积1500ml。,苏式漏斗粘度计该粘度计由漏斗和量筒组成。构造如右图。量筒由隔板分成两部分，大头为500ml，小头为200ml，漏斗下端是直径为5mm，长为100mm的管子。,2、旋转粘度计,测量原理1剪切速率γ与转子转速n成正比γ1.703ns-12剪切应力与粘度计读数成正比τ0.511θPa,六速旋转粘度计,,,作图法,计算法,,二、流变参数确定,做τ–γ流变曲线判断流型确定参数,判断流型计算公式推导计算,,,,,1、塑性流体流变参数计算,10-3Pas,mPas,,,,,τ,γ,,,511,1022,,Pa,2、假塑性流体（幂律流体）流变参数计算,,,,,,,,,3、卡森流体流变参数计算τ1/2τc1/2η∞1/2γ1/2,,,τ1/2,γ1/2,,,4、表观粘度ηa及剪切稀释性（1）表观粘度ηaηa定义剪切应力τ与对应剪切速率γ之比ηaτ/γ无特殊说明，ηa是指γ1022s-1时的ηa,mPas,（2）剪切稀释性①定义表观粘度随剪切速率增大而降低的特性。②钻井对剪切稀释性要求要求钻井液具有较强的剪切稀释性。,环形空间γ低，ηa大，有利于携带钻屑钻头水眼γ大，ηa小，有利于水力破岩,,③剪切稀释性影响因素,塑性流体,假塑性流体,卡森流体,④一般钻井要求,5、静切力τ与触变性（1）切力τ定义指静切力，表示钻井液在静止状态下网架结构的强弱。切力随静止时间的变化而变化（见右图），塑性流体静切力τs是静切力的极限值。,1、较快的强凝胶2、较慢的强凝胶3、较快的弱凝胶4、较慢的弱凝胶,,触变性评价以终切和初切的差值来表示,终切和初切的测量A、高速搅拌10min（配浆时）;B、初切测量在600rpm下转10s，静止10s，测3rpm的切力,终切测量在600rpm下转10s，静止10min，测3rpm的切力,第四节钻井液流变性与钻井作业的关系,携岩及悬浮井壁稳定钻井速度抽吸压力与激动压力滤失性泥浆泵泵压与排量,流变性与钻井关系,,1.钻井液携带岩屑的基本原理携岩基本过程一是岩屑被冲离井底，二是岩屑从环形空间被携至地面。携岩基本原理一方面钻井液携带岩屑颗粒向上运动，另一方面岩屑颗粒由于重力作用向下滑落。在环形空间里，钻井液携带岩屑颗粒向上运动的速度取决于流体的上返速度与颗粒自身滑落速度二者之差。vpvf-vs,一、钻井液流变性与携岩的关系,综合考虑钻井的成本和效益，上返速度不能大幅度提高。因此，如何尽量降低岩屑的滑落速度对携岩至关重要。研究表明，岩屑的滑落速度除与岩屑尺寸、岩屑密度、钻井液密度和流态等因素有关外，还钻井液的有效粘度成反比。,a.李丁格尔公式,,,,,,,,,,钻井液流态,,层流特点,,,塞流层流平板型层流紊流,2.1层流及其携岩特点,成层流动流速低速度剖面呈“尖峰”抛物线,2.流态对携岩效率的影响,层流携岩特点对井壁冲刷作用小，有利于井壁稳定存在“转动靠壁”现象，携岩效率低,,,,,,,,,,,,F1,F2,,,F3,F4,,,,,,,,,,,,,,,,,紊流特点,,紊流携岩特点优点岩屑不存在转动和滑落现象，几乎全部都能携带到地面上来，环形空间里的岩屑比较少。缺点岩屑滑落大，要求上返速度高，泵排量大；由于沿程压降与流速的平方成正比，功率损失与流速的立方成正比．所以用紊流携岩还会使钻头的水马力降低，不利于喷射钻井。紊流时的高流速对井壁冲蚀严重，容易引起易塌地层井壁垮榻。,2.2紊流及其携岩特点,流体质点作无规则运动流速大，速梯小速度剖面扁平,,,,2.3平板型层流,流速低速度剖面扁平,对井壁冲刷作用小携岩效率高（低速，0.5～0.6m/s）解决了低粘度钻井液携带岩屑的问题（不分散低固相泥浆）,平板型层流特点,,携岩特点,,等速核直径d0越大，携岩效率越高,,,,d0,动塑比,,塑性流体,适合值在0.36～0.48Pa/mPas,适合值在0.4～0.7,,,,幂律流体,nd0,为了使钻井液的动塑比达到0.36～0.48mPas的要求，常采取以下措施和方法选用XC生物聚合物、HEC、PHP和FA368等高分子聚合物作为主处理剂．并保持其足够的浓度。它们在体系中形成的结构使动切力值增大；通过有效地使用固控设备。除去钻井液中的无用固相，降低固体颗粒浓度，以达到降低塑性粘度、提高动塑比的目的。在保证钻井液性能稳定的情况下、通过适量地加入石灰、石膏、氯化钙和食盐等电解质，以增强体系中固体颗粒形成网架结构的能力。,钻井液静止时能有效将钻屑和加重剂悬浮起来，或很慢的下沉。,钻井对钻井液悬浮能力的要求,悬浮能力影响因素静切力和触变性,,,,,G,F浮,F切,,二、钻井液流变性与悬浮钻屑和加重剂的关系,,要求,式中d-----颗粒直径ρ1-----需悬浮固相的密度ρ-----钻井液密度τs-----钻井液静切力,,,τs-----钻井液静切力，同上式中的θ实际意义配制加重钻井液,-,-,三、钻井液流变性与井壁稳定的关系流态对井壁稳定的影响层流比紊流有利于井壁稳定,临界流速Vc,,紊流钻井液上返速度≻Vc层流钻井液上返速度≺Vc,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,四、钻井液流变性与钻速的关系,1、结论η∞钻速,2、原因,（1）η∞喷嘴处紊流阻力冲击力强,（2）η∞易渗入微裂缝有利于软化岩石，减少压持效应,实例松科1井,松科1井二开进尺到515m后，进行了一次大规模的调浆，泥浆粘度从45s降低到21s，日进尺从12～15m上升到20～25m；调浆后15天（至5月16日），进尺达300m。,1、压力激动由于钻柱上下运动或泥浆泵开动等原因，使井内液柱压力发生突然变化（升高或降低）的现象。2、产生压力激动的原因起钻液柱压力降低下钻液柱压力升高开泵液柱压力升高,五、钻井液流变性与压力激动的关系,3.起下钻时的压力激动下钻时压力激动力正值，起钻时则为负值。起下钻压力激动值的大小主要取决于起下钻速度、井深、井眼尺寸、钻头喷嘴尺寸和钻井液的流变参数主要是粘度、切力和触变性。压力激动值在1500m时可能达到2～3MPa。在5000m时可能达到7～8MPa。因此对此是不容忽视的。,4.开泵时的压力激动由于钻井液具有触变性，停止循环后，井内钻井液处于静止状态，其中粘土颗粒所形成的空间网架结构强度增大，切力升高，开泵泵压将超过正常循环时所需要的压力，造成压力激动。开泵时使用的排量越大，所造成压力激动的值会越高。当钻井液开始流动后，结构逐渐被破坏，泵压逐渐下降。随着排量的增大，结构的破坏与恢复达到平衡，这时泵压便处于比较稳定的工作泵压值。实例某井开泵时5MPa－4.4MPa－2.8MPa,练习题,试求该浆的流变参数（塑性粘度、动切力、稠度系数、流性指数、表观粘度、卡森极限高剪粘度、卡森极限动切力）,习题利用六速旋转粘度计测得某浆的读数为,计算结果,