第二章 钻井液（2）.ppt

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1、第三节 钻井液的工艺性能,一、钻井液的流变性能二、钻井液的失水造壁性能三、钻井液的其它性能,第二章 钻井液,泥浆流变性影响钻速、泵压、排量、岩屑的携带与悬浮、固井质量等。控制泥浆的流变性是泥浆工艺的重点之一。,一、钻井液的流变性能(rheological properties of DF),钻井液流变性：是钻井液在流动过程的流变性和静止状态下的流体力学表现。如钻井液的塑性粘度、动切力、表观粘度（有效粘度）、静切力和触变性等性能都属流变性参数。泥浆的流变性对钻井的影响：影响携带岩屑的效率影响悬浮岩屑与重晶石的能力影响机械钻速影响井眼规则和井下安全1. 流变曲线、流变模型及参数计算。2. 流变参数

2、的胶体化学性质。3. 钻井液流变性与钻井工程的关系。,第三节钻井液的工艺性能,第二章 钻井液,流变曲线、流变模型及参数计算,第三节钻井液的工艺性能,第二章 钻井液,剪切速率与剪切应力剪切速率(shear rate)：在垂直于流动方向上单位距离内流速的增量()。速度梯度剪切应力(shear stress)：液体流动过程中，单位面积上抵抗流动的内摩擦力。,钻井液流变曲线,钻井液流变方程（本构方程）,第三节钻井液的工艺性能,第二章 钻井液,牛顿流体：剪切应力与剪切速率成正比。塑性流体(宾汉流体):适合于水基钻井液体系假塑性流体(幂律流体):适合于高分子聚合物体系膨胀流体粘度随剪切速率的增大而增高。,

3、第三节钻井液的工艺性能,第二章 钻井液,（1）牛顿液体,1dyn/cm2=1x10-5N/10-4m2=0.1Pa1 poise=1 dynes.s/cm2=0.1 Pa.s1cp=0.01poise=0.001Pa.s=1mPa.s,：剪切应力dyn/cm2:剪切速率:s-1:粘度（Poise、泊),参数计算（范氏旋转粘度计）1.703 N (s-1)=0.511 (Pa) 300 (mPa.s),旋转粘度计原理; 内外筒之间充满被测钻井液，当外筒旋转时，通过流体的粘性带动同轴内筒转动，使扭力弹簧扭转一定角度至平衡为止，由此反应不同流体的剪切应力大小。,（2）宾汉流体模式有效粘度函数s为塑性

4、粘度（PV），mPa.s ；0为动切应力（又称屈服值YP），Pa,第三节钻井液的工艺性能,第二章 钻井液,s=600300 (mPa.s) 0=0.511(300-s) (Pa),流动特性：0时，=s，s为静切应力（凝胶强度）Gel strengths时，塑性流体象固体一样，不会发生流动s时，塑性流体，粘度随剪切应力的变化而降低直线段：直线的斜率为塑性粘度;直线与轴的交点称为0,第三节钻井液的工艺性能,第二章 钻井液,（3）幂律流体模式有效粘度函数：K为稠度系数，Pa.sn；n为流性指数。n是无因次量,第三节钻井液的工艺性能,第二章 钻井液,流动特性分析: 施加极小的切应力就发生流动，没有静切

5、应力，而且粘度随切应力的增加而降低。,修正幂律流体 Herschel-Bulkley Model,（4）卡森流体模式有效粘度函数：为卡森极限高剪粘度，mPa.s；c为卡森动切应力（或称卡森屈服值），Pa,第三节钻井液的工艺性能,第二章 钻井液,卡森模式的另一特征参数是剪切稀释指数ImIm值大小于反映钻井液剪切稀释性的强弱,第三节钻井液的工艺性能,第二章 钻井液,c:卡森动切力：极限高剪粘度,（5）赫巴流体模式有效粘度函数：K为稠度系数，Pa.sn；n为流性指数，无因次；y为静切应力，Pa。,第三节钻井液的工艺性能,第二章 钻井液,说明对于动切力较高的聚合物钻井液，特别是在环空较低剪切速率下，它

6、往往比宾汉模式和幂律模式更接近于钻井液的流变性。因其为三参数方程，参数计算较复杂。,第三节钻井液的工艺性能,第二章 钻井液,（6）考虑温度和压力的流变模式p压力；T温度；A、B常数带有屈服应力的钻井液，上式可以改写成如下形式：,第三节钻井液的工艺性能,第二章 钻井液,钻井液与流变方程是二个不同的概念。钻井液是流动实体，而流变方程是用于描述这个实体的数学模型；流动实体只能有一个，而数学模型可以有多个，只是描述精度各不相同，但最好的数学模型与流动实体之间仍有差异。工程中常用“宾汉”、“幂律”、“卡森”模型来描述钻井液的流变特性。,第三节钻井液的工艺性能,第二章 钻井液,第三节钻井液的工艺性能,第二

7、章 钻井液,流变特性与时间有关的非牛顿流体特点： 符合这种关系的流体称为触变性流体。绝大多数的钻井液都具有这种流变特性。,触变性 触变性机理 流体内部的粘土粒子因其物化原因易形成网架结构。静止后：粒子为了满足表面静电饱和，在自由能最小部位自行排列而形成凝胶 结构。搅拌时：网架结构逐步被拆散。触变性的两个特点：A. 形成结构到拆散结构，或反之，可逆的，可重复的。B. 结构的变化与时间紧密相关。,静置,搅拌,第三节钻井液的工艺性能,第二章 钻井液,触变性的评价方法仪器：电动切力计、浮筒切力计和粘度计等。对于低密度钻井液：触变性=初切力/终切力=1分钟静切力/10分钟静切力（s1 /s10或者 G1

8、/G10）。对于高密度钻井液：触变性=10秒钟静切力/10分钟静切力（s10“/s10或者 G10”/G10）注：考虑到加重材料沉降快，钻井液应在很短的时间内达到一定的静悬浮力。,第三节钻井液的工艺性能,第二章 钻井液,第三节钻井液的工艺性能,第二章 钻井液,剪切速率与剪切应力,内摩擦力切应力（单位面积上）,第三节钻井液的工艺性能,第二章 钻井液,有效粘度随剪切速率的增加而降低的现象剪切稀释性,第三节钻井液的工艺性能,第二章 钻井液,参数计算（范氏旋转粘度计）1.703 N (s-1)=0.511 (Pa),V、Q、Re、f、p管内流、环空流（同心与偏心）,参数确定：计算法线性回归法,. 钻井

9、液流变参数的胶体化学性质钻井液属于多相多级的胶体-悬浮体分散体系，反应其宏观流动性的流变性能必然与分散体系内部组分间的相互作用力相关联，即流变性是以下几种内部阻力的反映。钻井液的流变性是可以通过化学处理方法改变的，即：化学处理改变钻井液体系内部结构强弱（改变胶体化学性质），从而改变流动阻力，进而改变钻井液的流变性能。,第三节钻井液的工艺性能,第二章 钻井液,（1）钻井液的静切应力和动切应力1）静切应力（s或G） 静切应力简称静切力（凝胶强度），是钻井液静止后形成的凝胶结构强度强弱的反映。其大小与结构密度有关。从流体力学观点看，它是钻井液从静止到开始塞流流动所需要的最小剪切应力。,第三节钻井液的

10、工艺性能,第二章 钻井液,静切力的实际应用悬浮岩屑和加重材料悬浮岩屑（球形）所需静切力为： s（Pa) =5d(岩- 浆）/3 s（dyn/cm2) = d(岩- 浆）/6经验数据：初切力 =26 Pa时，可达到良好的悬浮能力。终切力 =2倍初切力，属于良好型触变体。终切力 =5倍初切力，属于递增型触变体。此时，会造成泵压过高，易压漏地层。,第三节钻井液的工艺性能,第二章 钻井液,2）动切应力（0或YP） 动切应力简称动切力，其定义为使钻井液开始作层流流动所必需要的最小剪切应力。动切力的实质是钻井液作层流流动时，流体内部结构一部分被拆散，同时另一部分结构又重新恢复。当拆散与恢复结构速度相等时，

11、流体体系中仍然存在的那部分内部结构产生的剪切流动阻力。 动切力与静切力的区别在于动切力只是宾汉流变模式的一个流变参数，反映层流流动条件下固体颗粒之间吸引力强弱的量度。静切力则为大多数实际钻井液本身具有的性质，反映静止条件下固体颗粒之间吸引力强弱的量度。,第三节钻井液的工艺性能,第二章 钻井液,提高动切应力的方法主要有： 加入预水化膨润土或者增大聚合物的加量。对于钙处理或盐水钻井液，还可通过适当增加Ca2+、Na+浓度来达到提高动切力的目的。降低动切力的方法主要有： 加入稀释剂，拆散钻井液中已经形成的结构。如果是因为Ca2+、Mg2+等引起的动切力升高，则可用沉淀法除去这些离子。此外，适当加水或

12、稀浆稀释也可起到降低动切力的作用。,第三节钻井液的工艺性能,第二章 钻井液,（2）钻井液的粘度 1）塑性粘度（s或PV）和结构粘度（G） 宾汉模式是在钻井液工艺中用得最早和最普遍的流变模式。这种模式的有效粘度表达式为：,第三节钻井液的工艺性能,第二章 钻井液,影响塑性粘度的因素是固相含量、粘土的分散度、液相粘度。固相含越高，塑性粘度越大；粘土的分散度和液相粘度越高，塑性粘度越大。,（3）假塑性流体（幂律流体、指数流体）的稠度系数和流性指数 钻井液的稠度系数（k）反映钻井液的稀、稠程度，与钻井液的固相含量及其分散度有关，因而K值变化的影响因素与宾汉流体的塑性粘度（s）影响因素相同； 流性指数（n

13、）则主要反映流体内部结构强弱所构成粘度的方式，反映流体非牛顿性质的强弱。n越小，流体非牛顿性越强。因而n值的影响因素与屈服值情况相同，只不过这些因素使屈服值增加，却使n值减小。,第三节钻井液的工艺性能,第二章 钻井液,调节钻井液流性指数和稠度系数的方法：1）降低n值的方法：a.加浓度适度的聚合物，如生物聚合物、高粘CMC等；b.加盐（NaCl、CaCl2等）；c.加石棉纤维、抗盐粘土等。2）提高n值的方法：加入清水、稀释剂等。3）提高k值方法：a.不变n的情况：增加惰性固体含量，如加惰性加重材料重晶石、铁矿粉、碳酸钙粉等。 b.变n的情况：加预水化膨润土到盐水钻井液或钙处理钻井液中（K升n降）

14、；加适量的高分子聚合物（K升n降）。4）降低K值的方法a.清除固相。b.加水。,第三节钻井液的工艺性能,第二章 钻井液,（4） 漏斗粘度的测定漏斗粘度 Funnel Viscosity定 义：定体积泄流时间。单 位：秒；s类 型： 马氏漏斗粘度 Marsh Funnel Viscosity定义：1500ml 流出946ml 的时间。标准：清水测量值：260.5s 中国漏斗粘度定义：700ml流出500ml的时间。标准：清水测量值：150.5s,第三节钻井液的工艺性能,第二章 钻井液,3. 钻井液流变性能与钻井工程的关系钻井液流变性能与钻井工程的关系主要体现在： 影响钻井速度； 影响环空携带岩屑

15、能力； 影响井壁稳定； 影响岩屑和加重物质的悬浮； 影响井内压力激动； 影响钻进泵压和排量； 影响固井质量。,第三节钻井液的工艺性能,第二章 钻井液,（1）影响钻井速度 其它因素不变时，Eckel指出钻速Vm与钻头处雷诺数Ne的0.5次方成正比：Vm = f(Re)1/2 设有两种钻井液，钻速的联合表达式为：Vm2 = Vm1(Re2/Re1)1/2 因为其它因素不变时，雷诺数与钻井液有效粘度成反比： Re dv/所以： Vm2 = Vm1(s1 / s2 )1/2 例如：某钻井液的塑性粘度s为32mPa.s，平均钻速为6米/小时，在不改变其它因素时，降低s到8mPa.s，则钻速变化为：Vm2

16、 =6(32/8)1/2=12 米/小时,第三节钻井液的工艺性能,第二章 钻井液,（2）影响直井环空岩屑携带效率1）对岩屑输送比的影响 岩屑输送比定义为： 直井井眼净化良好的条件：Rt 0.5，即：V2Vs岩屑颗粒沉降速度Vs与颗粒雷诺数Re相关 井眼净化与钻井液流变性能中的有效粘度紧密相关。在一定的水力条件下，即Re一定，钻井液有效粘度增加，环空岩屑颗粒沉降速度要降低，从而提高岩屑输送效率。,第三节钻井液的工艺性能,第二章 钻井液,2）对携岩能力指标的影响 Robinson提出携岩能力指标（CCI），它综合考虑了钻井液密度、环空水力参数（V）和钻井液流变性对携岩效率的共同贡献：如果：CCI1

17、/36，井眼净化满足要求； CCI 1/36，井眼净化较差。式中 m钻井液密度，kg/m3; V 环空钻井液平均返速，m/s； 400000由现场统计得到的经验数据； 钻井液有效粘度（mPa.s）： 流性指数n ：,第三节钻井液的工艺性能,第二章 钻井液,3）对流速剖面的影响层流携带岩屑的特点：岩屑翻转上升。层流携带岩屑缺陷的实质：力矩效应。改进方法：将尖峰形改为平板形层流。平板形层流携岩原理： 流核直径：由上式可见， 0 / s ， d0 钻井液流速剖面变平坦 翻转力矩效应减小。,F2,F1,L,d0,d,D,第三节钻井液的工艺性能,第二章 钻井液,根据生产现场大量钻井经验，总结出钻井液有效

18、地携带岩屑的流变参数取值范围为：对于宾汉流体： 0/s=0.360.478 Pa/mPa.s 0 = 1.53 Pa对于假塑性体： n = 0.40.7 对于卡森流体： c =1.02.5 Pa,第三节钻井液的工艺性能,第二章 钻井液,（3）对井壁稳定性的影响 钻井液流变性对井壁稳定的影响主要是指对井壁的冲蚀作用。Walker定义用侵蚀指数EI表示冲蚀性的强弱： 层流时：EI =0+12 sV/(D2-D1)+0.50 EI = s 0 /s+12 V/(D2 -D1)+0.50 /s EI值越大，冲蚀性越强;在流速一定时，流变参数是有影响的。,第三节钻井液的工艺性能,第二章 钻井液,（4）影

19、响岩屑和加重物质的悬浮 1）流体静止状态下的静切应力悬浮状态悬浮球形岩屑或加重材料所需静切力为： s（Pa）= 5ds(s-m)/3 s（dyn/cm2）= ds(s-m)/6 据上式可以计算静止状态下，悬浮岩屑颗粒所需要的静切应力。 式中，s岩屑密度，g/cm3； m钻井液密度，g/cm3； ds球形岩屑颗粒直径，cm。 如果岩屑颗粒不呈球形，可根据体积相等的关系计算岩屑的当量直径予以修正： 式中的V为不规则颗粒体积，cm3。,第三节钻井液的工艺性能,第二章 钻井液,2）流体运动状态下的动切应力悬浮 岩屑颗粒在钻井液中的沉降速度为： Vs =ds0.0702gds(s -m)-0 若颗粒处于临界状态，有 0.0702gds(s-m)-0=0 即颗粒悬浮的临界条件为： s/m =14.250 /(gd s f)+1 颗粒悬浮的判别准则为： s/m 14.250 /(gds m)+1 上式说明钻井液动切应力的悬浮作用对于避免岩屑沉降是非常有益的。,第三节钻井液的工艺性能,第二章 钻井液,