钻井液流变参数的计算及应用

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1、钻井液流变参数(塑性粘度,动切力,静切力,n,k)的测量与计算钻井液的流变参数与钻井工程有着密切的关系，是钻井液重要性能之一。因此，在钻井过程中必须对其流变性进行测量和调整，以满足钻井的需要。钻井液的流变参数主要包括塑性粘度、漏斗粘度、表观粘度、动切力和静切力、流性指数、稠度系数等。一、旋转粘度计的构造及工作原理旋转粘度计是目前现场中广泛使用的测量钻井液流变性的仪器。它由电动机、恒速装置、变速装置、测量装置和支架箱体等五部分组成。恒速装置和变速装置合称旋转部分。在旋转部件上固定一个能旋转的外筒。测量装置由测量弹簧、刻度盘和内筒组成。内筒通过扭簧固定在机

2、体上、扭簧上附有刻度盘，如图4—1所示。通常将外筒称为转子，内筒称为悬锤。测定时，内筒和外筒同时浸没在钻井液中，它们是同心圆筒，环隙1mm左右。当外筒以某一恒速旋转时，它就带动环隙里的钻井液旋转。由于钻井液的粘滞性，使与扭簧连接在一起的内筒转动一个角度。根据牛顿内摩擦定律，转动角度的大小与钻井液的粘度成正比，于是，钻井液粘度的测量就转变为内筒转角的测量。转角的大小可从刻度盘上直接读出，所以这种粘度计又称为直读式旋转粘度计。转子和悬锤的特定几何结构决定了旋转粘度计转子的剪切速率与其转速之间的关系。按照范氏仪器公司设计的转子、悬锤组合(两者的间隙为1．17

3、mm)，转子转速与剪切速率的关系为：1r/min＝1.703s-1（4－1）旋转粘度计的刻度盘读数θ(θ为圆周上的度数，不考虑单位)与剪切应力τ(单位为Pa)成正比。当设计的扭簧系数为3.87×10-5时，两者之间的关系可表示为：　　　τ＝0.511θ　(４-2)旋转粘度计有两速型和多速型两种。两速型旋转粘度计用600r／min和300r／min这两种固定的转速测量钻井液的剪切应力，它们分别相当于1022s-1和511s-1的剪切速率(由式4-1计算而得)。但是，仅在以上两个剪切速率下测量剪切应力具有一定的局限性，因为所测得的参数不能反映钻井液在环形空

4、间剪切速率范围内的流变性能。因此，目前国内外已普遍使用多速型旋转粘度计。六速粘度计是目前最常用的多速型粘度计，该粘度计的六种转速和与之相对应的剪切速率见表4-1表４-1转速与剪切速率的对应关系转速（r/min）60030020010063剪切速率s-11022511340.7170.310.225.11为了连续测量各种剪切速率下的剪切应力，NLBaroib公司又研制出从1r/min至600r/min可连续变速的286型粘度计。对于抗高温深井钻井液，常用高温高压流变仪等测定高温高压条件下的流变性能。二、流变参数的测量与计算１．直读公式推导１）表观粘度的测

5、量与计算根据表观粘度的定义，某一剪切速率下的表现粘度可用下式表示：μa＝τ/γ＝(0.511θN/1.703N)×(1000)＝(300θN)/N(4－3)式中N－表示转速，单位为r／min；θN－表示转速为N时的刻度盘读数；μa－表现粘度，mPa·s。利用式(４-3)，可将任意剪切速率(或转子的转速)下测得的刻度盘读数换算成表观粘度，常用的六种转速的换算系数见表４-2表４-2刻度读数与表观粘度的换算系数转速/r·min-160030020010063换算系数0.51.01.53.050.0100.0例如，在300r/min时测得刻度盘读数为36，则该

6、剪切速率下的表观粘度等与36×1.0＝36（mPa·s）；若在6r/min时测得刻度盘读数为4.5，则该剪切速率下的表现粘度等于4.5×50.0＝225（mPa·s）在评价钻井液的性能时，为了便于比较，如果没有特别注明某一剪切速率，一般是指测定600r/min时的表观粘度，即μe＝(1/2)θ600(4－4)使用旋转粘度计测定表观粘度和其它流变参数步骤如下：(1)将预先配好的钻井液进行充分搅拌，然后倒入量杯中，使液面与粘度计外筒的刻度线相齐。(2)将粘度计转速设置在600r/min，待刻度盘稳定后读取数据。(3)再将粘度计转速分别设置在300、200、

7、100、6和3r／min，待刻度盘稳定后读取数据。(4)计算各流变参数。必要时，通过将刻度盘读数换算成τ、将转速换算成γ，绘制出钻井液的流变曲线。２）塑性流体流变参数的测量与计算由测得的600r/min和300r/min的刻度盘读数，可以利用以下公式求得塑性粘度和动切力：　　　　　　　　　　　μp＝θ600－θ300　　　　　(4－5)　　　　　　　　　　　τ0＝0.511(θ300－μp)(4－6)式中μp的单位为mPa·s，τ0的单位为Pa。其推导过程如下：如前所述，塑性粘度是塑性流体流变曲线中直线段的斜率，600r/min和300r/min所对应

8、的剪切应力应该在直线段上。因此μp＝(τ600－τ300)／(γ600－γ300)＝[0.51