《Chapter 3 钻井液流变参数与钻井作业的关系ppt课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《Chapter 3 钻井液流变参数与钻井作业的关系ppt课件.ppt（53页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、Test 4,Density Solid content Methylene blue test Formation pore pressureMud hydrostatic pressureRheology of Drilling Fluidslaminar flow regimeshear rate shear stress Flow modelsAPI,Answers,密度 固相含量亚甲基蓝测试地层孔隙压力钻井液静液柱压力Viscosity （粘度）钻井液流变学层流剪切速率剪切应力American Petroleum Institute 美国石油学会,钻井液流变特性,The Rheolo
2、gy of Drilling Fluids,一、基本概念,流变学（Rheology）:流变公式，流变曲线 例，牛顿流体：剪切速率 (Shear rate, s-1 )或速度梯度, (velocity gradient)和剪切应力(shear stress, Pa)粘度 （Viscosity, Pa.s），是牛顿流体的流变参数。,由于Pas单位太大，在实际应用中一般用mPas表示液体的粘度。例如，在20时，水的粘度 1.0087mPas。在工程应用中， 的常用单位为厘泊(cP)，1cP=1 mPas。,二、流动类型与流变参数Flow Types and Flow parameters,塑性流型、
3、假塑性性流型和膨胀流型。以上四种基本流型的流变曲线见图。符合这四种流型的分别叫牛顿流体、塑性流体、假塑性流体和膨胀性流体。,1. 四种基本流型,式中：,静切力（凝胶强度Gel strength），Pa；,塑性粘度(plastic viscosity)，Pas 。,。,可见，塑性流体有两个流体参数，即塑性粘度 和静切力 。,2. 宾汉塑性流体 Bingham Plastic Fluids,（2）粘塑性流体,当剪切应力超过s时，在初始阶段剪切应力和剪切速率的关系不是一条直线；继续增加剪切应力，当其数值大到一定程度之后，粘度不再随剪切速率增大而发生变化，此时流变曲线变成直线。此直线段的斜率称为塑性粘
4、度(表示为 或PV)。延长直线段与剪切应力轴相交于一点0， (亦可表示为YP)称为动切应力(常简称为动切力或屈服值yield point)，是将粘塑流体看成塑性流体，使粘度变为常数(即塑性粘度)所需的最小切应力。0表示此流体运动时结构的存在及其数值的大小。塑性粘度和动切力是钻井液的两个重要流变参数。,幂律流体的流变曲线为通过原点O的曲线， 可用幂函数或叫幂律模式来表示：,式中：K稠度系数，或称为幂律系数，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
5、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。,3. Pseudoplastic Fluids（假塑性流体） 幂律流体（Power law）,幂律流体流变曲线,某些钻井液、高分子化合物的水溶液以及乳状液等均属于假塑性流体。,1. Marsh Funnel（马氏漏斗粘度计）: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。,三、钻井液流变性的测量,2. Direct-Indicating Viscometers,3. Calculation of rh
6、eological parameters,（1）Principle:,Where, =the dial reading under N(rpm); rpm=rotation per minute.,（2）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（初切）（10s） ： （Pa）终切（10min）： （Pa）,（3）幂律流体,流性指数 : （无因次）,稠度指数: （Pa.Sn）,钻井液流变性要点：,流变学（Rheology)；剪切速率(shear rate)，剪切应力(shear stress)；流变模式（方程）flow model (
7、equation)、流变曲线(curve)；牛顿流体的特点；宾汉流体塑性流体：静切力(Gel strength)、塑性粘度(plastic viscosity)；宾汉流体粘塑性流体：静切力、塑性粘度、动切力(yield point)；幂律流体及其参数：稠度系数K，流性指数n；钻井液流变特性的测量（阅读P3839旋转粘度计测量原理）。,钻井液常用的流变参数及其调控方法,1漏斗粘度 在钻井过程中，钻井液的漏斗粘度(Funnel Viscosity)是需要经常测定的重要参数。 漏斗粘度与其它流变参数的测定方法不同。其它流变参数一般使用按APl标准设计的旋转粘度计，在某一固定的剪切速率下进行测定，而漏
8、斗粘度使用一种特制的漏斗粘度计来测量。 漏斗粘度只能用来判别在钻井作业期间各个阶段粘度变化的趋向。,2.1 塑性粘度p和动切力0,塑性粘度p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相内部的内摩擦作用的强弱。影响塑性粘度的主要因素：钻井液中的固相含量；钻井液中粘土的分散度；高分子聚合物处理剂。,2.1 塑性粘度p和动切力0,动切力0 ：是塑性流体流变曲线中的直线段在轴上的截距。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。其主要影响因素有：粘土矿物的类型和浓度电解质
9、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。,2. 2塑性粘度的调控,在实际应用中，调整钻井液宾汉模式流变参数的一般方法可概括为：(1)降低P通过合理使用固控设备、加水稀释或化学絮凝等方法，尽量减少固相含量。(2)提高P加入低造浆率粘土、重晶石、混入原油或适当提高pH值等均可提高P。另外增加聚合物处理剂的浓度使钻井液的液相粘度提高，也可起到提高P的作用。,(3)降低0 最有效的方法是适量加入降粘剂(也称稀释剂)，以拆散钻井液中已形成的网架结构。如果是因Ca2、Mg2+等污染引起的0升高
10、，则可用沉淀方法除去这些离子。此外，用清水或稀浆稀释也可起到降0的作用。 (4)提高0 可加入预水化膨润土浆，或增大高分子聚合物的加量。对于钙处理钻井液或盐水钻井液，可通过适当增加Ca2、Na+浓度来达到提0的目的。,2.2 动切力0的调控,在幂律模式中，指数n表示假塑性流体在一定剪切速率范围内所表现出的非牛顿性的程度，因此通常将n称为流性指数。水、甘油等牛顿流体的n值等于1。钻井液的n值一般均小于1。n值越小，表示钻井液的非牛顿性越强。随n值减小，曲线的曲率变大，表明流体的流变性偏离牛顿流体越来越远。流性指数是一个无因次量。,3流性指数n和稠度系数K,在钻井液设计中，经常要确定流性指数的合理
11、范围，一般希望有较低的n 值，以确保钻井液具有良好的剪切稀释性能；K值则与钻井液的粘度、切力联系在一起。显然，它与流体在剪切速率为1s-1时的粘度有关。K值愈大，粘度愈高，因此一般将K值称为稠度系数。对于钻井液，K值可反映其可泵性。若K值过大，将造成重新开泵困难。若K值过小，又将对携岩不利。因此，钻井液的K应保持在一个合适的范围内。在SI单位制中，K值的单位为Pasn。,降低n值最常用的方法是加入XC生物聚合物等流性改进剂，或在盐水钻井液中添加预水化膨润土。 降低K值最有效的方法是通过加强固相控制或加水稀释以降低钻井液中的固相含量。若需要适当提高K值时，可添加适量聚合物处理剂，或将预水化膨润土
12、加入盐水钻井液或钙处理钻井液中(K值提高，n值下降)；也可加入重晶石粉等惰性固体物质(K值提高，n值基本不变)。,3.1 流性指数n和稠度系数K的调控,4表观粘度和剪切稀释性,表观粘度又称为有效粘度(Effective Viscosity)。它是在某一剪切速率下，剪切应力与剪切速率的比值，即 a / 式中， a表示表观粘度。当和的单位分别为Pa和s1时， a 的单位为Pas。 表观粘度是塑性粘度和结构粘度之和.,由宾汉方程，塑性流体的表观粘度可表示： a P0/ 由幂律方程，假塑性流体的表观粘度可表示为 a Kn-1,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
13、(Shear Thinning Behavior)。,0/结构粘度,0/p动塑比 0.360.48Pa/mPa.s,n0.40.7,在循环系统中，不同部位的平均剪切速率（s-1）范围：泥浆罐内 15环形空间 10500钻杆 100500钻铤 7003000钻头喷嘴 10 000100 000,钻井液的切力是指静切应力。其胶体化学实质是胶凝强度，即表示钻井液在静止状态下形成的空间网架结构的强度。其物理意义是，当钻井液静止时，破坏钻井液内部单位面积上的结构所需的剪切力，单位为Pa。前面在讨论塑性流体的流动特性时，曾引用了s这一参数。实际上s是静切应力的极限值，即真实意义上的胶凝强度。但结构强度的大
14、小与时间因素有关，要想测得s，必须花费相当长的时间。显然，在生产现场测定该值是不现实的，于是人们规定用初切力和终切力来表示静切应力的相对值。,5. 切力和触变性,初切力是钻井液在经过充分搅拌后，静置1 min(或10s)测得的静切力(简称为初切)；终切力是钻井液在经过充分搅拌后，静置10min测得的静切力(简称为终切)。其测定方法将在后面介绍。 所谓钻井液的触变性(Thixotropic Bahavior)，是指搅拌后钻井液变稀(即切力降低)，静置后又变稠的这种性质。一般用终切与初切之差相对表示钻井液触变性的强弱。,对触变性的机理可作如下解释： 在触变体系中一般都存在空间网架结构。在剪切作用下
15、，当结构被搅散后，只有颗粒的某些部位相互接触时才能彼此重新粘结起来，即结构的恢复要求在颗粒的相互排列上有一定的几何关系。 因此，在结构恢复过程衣中，需要一定的时间来完成这种定向作用。恢复结构所需的时间和最终的凝胶强度(即切力)的大小，可更为真实地反映某种流体触变性的强弱。,经验表明，一般情况下，能够有效悬浮重晶石的静切力为1.44 Pa。,钻井液流变性与钻井作业的关系,一、钻井液流变性与井眼净化的关系,式中，V2岩屑上返速度，m/s； V 钻井液上返速度，m/s； V1岩屑在钻井液中的沉降速度，m/s； V2 / V携带比，表示井筒的净化效率。,1. 层流携带岩屑的原理,岩屑的沉降速度除与岩屑
16、尺寸、岩屑密度、钻井液密度和流态等因素有关外，还与钻井液的有效粘度成反比。,2. 紊流携带岩屑的原理： 如图3-17所示，钻井液在作紊流流动时，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。但是紊流携岩也有一些缺点，主要表现在： (1)岩屑在紊流时的滑落速度比在层流时大，这就要求钻井液的上返速度高，泵的排量大。 (2)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。 (3)紊流时的高流速对井壁冲蚀严重，不能很好地形成泥饼，容易引起易塌地层井壁垮塌。,3. 平板形层流：当塑性流体从塞流向层流逐渐转化时，中间要经过一种平板型层流。在这种流态下，液流周围呈
17、层流流动状态，中央是一个速度剖面较为平齐的等速核，即流核。,式中, d0一流核直径，cm； D井径，cm； d钻杆或钻铤外径，cm； vf钻井液上返速度，m/s。,平板型层流的实现：,平板型层流特点：,可实现用环空返速较低的钻井液有效地携带岩屑。解决了低粘度钻井液能有效携岩的问题，为普遍推广使用低固相不分散聚合物钻井液提供了流变学上的依据。避免了钻井液处于紊流状态时对井壁的冲蚀，有利于保持井壁稳定。现场经验表明，在多数情况下，即便是使用低固相钻井液，尽管粘度较低，但只要 较高，将环空返速保持在0.50.6ms，就可满足携岩的要求。这样既能使泵压保持在合理范围，又能够降低钻井液在钻柱内和环空的压
18、力损失，使水力功率得到充分、合理的利用。,动塑比对流核的影响:,一般认为，就有效地携带岩屑而言，将钻井液的0/P保持在0.36-0.48Pa(mPas）或，n值保持在0.40.7时是比较适宜的。0提高有利于平板形层流的实现；但过高的 0 引起泵压显著升高，且超过一定值后，d0的增值不明显了。,将n值的适宜范围定为040.7，也是同样的道理。当然，为了减小岩屑的滑落速度，钻井液的有效粘度也不能太低。对于低固相聚合物钻井液，应将其保持在612mPas。,为了使钻井液的0/ P，达到0.360.48Pa(mPas)的要求，常采取以下措施和方法： (1)选用XC生物聚合物、HEC、PHP和FA367等
19、高分子聚合物作为主处理剂，并保持其足够的浓度。它们在体系中所形成的结构使0值增幅往往要大得多，故有利于动塑比的提高。 (2)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P、提高0/ P的目的。 (3)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，因为凡是有利于空间网架结构增强的物质都能使动切力0值增大。,二、钻井液流变性与井壁稳定的关系,该式是根据非牛顿流体雷诺数2000时推导的。 式中，c临界返速，cms； P塑性粘度，Pas； 0 动切力，Pa； 钻井液密度，gcm3； D井径，cm；
20、d 钻杆或钻铤外径，cm。,式中 ，d岩屑或加重剂颗粒的直径，m； r岩屑或加重剂的密度，kgm3； 钻井液的密度，kgm3； s钻井液的静切力，Pa； g重力加速度，取g10ms2。所以，需要的静切力为: d(r)g/6,三、钻井液流变性与悬浮岩屑、加重剂的关系,四、钻井液流变性与井内液柱压力激动的关系,所谓井内液柱压力激动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。,1起下钻时的压力激动 由于钻柱具有一定的体积，当钻柱入井时，井内钻井液要向上流动；起出钻柱时，井内钻井液便向下流动以填补
21、钻柱在井内所占的空间。钻井液向上或向下流动，都要给予一定的压力以克服其沿程的阻力损失。这个压力是由于起下钻所引起的，它作用于井内钻井液，使它能够流动；与此同时也通过井内液柱作用于井壁和井底，这种突然给予井内的附加压力就是起下钻引起的压力激动。下钻时压力激动为正值，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23MPa，在5000m时可能达到78MPa，因而对此是不能忽略的。,2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
22、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。例如，某井某次开泵泵压为5MPa，钻井液流动一段时间后，泵压降为4.4MPa，最后降到泥浆泵正常工作时的2.8 MPa。 开泵时压力激动的值与井眼和钻具尺寸、井深、钻井液切力和触变性、开泵时的操作等因素有关。有时因井底沉砂也会使压力激动加剧。,五、钻井液流变性与提高钻速的关系,钻井液的流变性是影响机械钻速的一个重要因素。研究表明，这种影响主要表现为钻头喷嘴处的紊流流动阻力(水眼粘度)对钻速的影响。由于钻井液具有剪切稀释作用，在钻头喷嘴处的流速极高，一般在150ms以上，剪切速率达到10000s-1以上。下图表
23、示表观粘度相同而动塑比不同的5种钻井液，其剪切稀释性所存在的差别。,内容要点：,流变参数漏斗粘度，塑性粘度、静切力、动切力、表观粘度（有效粘度），流性指数和稠度系数，剪切稀释特性，触变性；如何调控这些流变参数？流变参数与钻井作业的关系？什么是平板形层流？动塑比和流性指数对平板形层流形成的影响？利用六速粘度计测试流变参数的原理及宾汉流体的塑性粘度、动切力的计算？,作业,使用Fann 35A型旋转粘度计，测得某种钻井液的60038， 30028，求该钻井液的表观粘度、塑性粘度、动切力、流性指数和稠度系数？求300rpm时的剪切应力，剪切速率和该剪切速率下的表观粘度？设钻井液的密度为1.20g/cm3，重晶石的密度为4.2，重晶石最大直径为0.1mm。为了能悬浮重晶石颗粒，该钻井液至少应具有多大切力值？如果重晶石颗粒直径为0.2mm，那么钻井液至少应具备多大的切力值？,
