《岩土钻掘工程学――钻井液与岩土工程浆液》.ppt

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1、钻井液的流变性乌效鸣中国地质大学（武汉）工程学院勘基系2004年钻井液的流变性概述钻井液流变性（RheologicalPropertiesofDrillingFluids）是指在外力作用下，钻井液发生流动和变形的特性，其中流动是主要的方面。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的。钻井液的流变性概述钻井液流变性是钻井液的一项基本性能，它在解决下列钻井问题是起着十分重要的作用：（1）携带

2、岩屑，保证井底和井眼的清洁；（2）悬浮岩屑；（3）提高机械钻速；（4）保持井眼的规则和保证井下安全。内容概要钻井液的流变性对钻井工作的影响流变类型与流变参数不同钻井液流型的形成机理分析钻井液流变性的测量钻井液的流变性对钻井工作的影响钻井液的流变性对钻井工作的影响主要体现在悬碴、护壁、减阻、提高钻速和冷却钻具5个方面。动画演示1－－悬碴、护壁动画演示2－－提高钻速钻井液的流变性对钻井工作的影响钻井液的主要功能之一就是清洗井底并将岩屑携带到地面上来。钻井液清洗井眼的能力除取决于循环系统的水力参数外，还取决于钻井液的性能，特别是其中的流变性能。岩屑的清除分两

3、个过程，一是岩屑被冲离井底，二是岩屑从环形间隙被携带到地面。钻井液的流变性对钻井工作的影响对于破碎的不稳定井壁，利用较粘稠的泥浆还可以起到较好的粘结护壁作用。絮流液流对井壁有较强的冲蚀作用，容易引起易塌地层垮塌，不利于井壁稳定。其原因是絮流时液流质点的运动方向是絮乱的和无规则的，而且流速高，具有较大的动能。因此，在钻井液循环时，一般应保持在层流状态，尽量避免出现絮流。对于非牛顿流体，一般采用综合雷诺数Re来判别流态。将钻井液按塑性流体考虑，当Re>2000时为絮流。如果按Re＝2000，即可推导出临界返速的公式。钻井液的流变性对钻井工作的影响但是，泥浆

4、的粘稠性大又有不利的方面：使井底碎岩效率降低，这种影响主要表现在钻头喷嘴处的絮流流动阻力对钻速的影响。钻井液粘度越大，絮流流动阻力越大，从而降低了钻头在井底的碎岩效率。增加泥浆循环的流动阻力；增大对井壁的液压力激动破坏。井内液柱压力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。流变类型与流变参数4种流型，9个流变参数1、牛顿流体（绝对粘度）2、宾汉流体（静切力、动切力、塑性粘度、表观粘度）3、幂律流体（流性指数、稠度指数）4、卡森流体（极限高剪粘度、

5、卡森动切力）1、牛顿流体牛顿方程：式中：——单位面积上的内摩擦力，或称为剪切应力，Pa；－剪切速率或流速梯度，s-1；——牛顿粘度或称为动力粘度，Pa·s,(1Pa·s=1000cP=1000mPa·s)。1、牛顿流体图1典型牛顿流体流变图气体、水、甘油、硅油、油(除高剪切速率下的高粘度油外)、低分子化合物溶液等均属于牛顿流体。2、宾汉流体（塑性流体与粘塑性流体）塑性流体其流变曲线为不通过原点O的一条直线，如图2所示。它表示这种流体具有一定的颗粒浓度，在静止状态下形成颗粒之间的内部结构，加外力进行剪切时，要破坏结构后才能开始流动。例如，泥浆中粘土颗粒的

6、形状很不规则，表面性质也很不均匀，因此颗粒之间容易彼此粘结，形成网状结构。倘若颗粒的浓度足够大，网状结构能够在泥浆中布满整个空间，那么要使这种泥浆发生流动，就必须在一定程度上破坏这种连续结构。塑性流体图2塑性流体理想的宾汉塑性流体，一般是一些含较高固相且颗粒均匀的悬浮体，如一些矿浆、油墨、油漆等。塑性流体式中：——静切力，Pa；ηp——塑性粘度，Pa·s。塑性流体有两个流变参数，即塑性粘度ηp及静切力表观粘度：粘塑性流体由于固相颗粒的高度不均匀(如粘土)，在表面引力与斥力作用下易形成结构，在低剪切速率下其流变曲线(本来是直线)往往偏离直线，形成曲线变化

7、，当剪切速率增加至层流段时才成直线变化(图3)，这种流体称为粘塑性流体。粘塑性流体图3粘塑流体流动图属于粘塑性流体的有泥浆、沥青、某些原油、水泥浆等，粘度高的牛顿流体也表现出粘塑性流体的性质。粘塑性流体图中AB为凹向轴的曲线，BD为直线段，BD延长线与轴的交点为C，OC坏，此时产生像塞子一样的流动，故称为塞流。随着的逐步升高，结构逐步破坏，表观粘度也逐渐变小，此段流变曲线为一曲线变化。B点之后处于较稳定的层流段，此时粘塑流体内部的结构破坏与形成处于平衡状态，BD为一直线段，表示有一个稳定的塑性粘度值。而D点之后，由于流速快，剪切速率高，就转为紊流态了。

8、τ0表示此流体运动时结构的存在及其数值的大小。粘塑性流体与式(2)比较，此式也是直线方程，截距