流變性與其調(diào)整

1、流變性與其調(diào)整 鉆井液流變性（鉆井液流變性（Rheological Properties of Drilling Fluids）： 指在外力作用下，鉆井液發(fā)生流動和變形的特性，其中流動性是主指在外力作用下，鉆井液發(fā)生流動和變形的特性，其中流動性是主要的方面。該特性通常是用鉆井液的流變曲線和塑性粘度（要的方面。該特性通常是用鉆井液的流變曲線和塑性粘度（Plastic Viscosity）動切力（動切力（Yield Point）靜切力（靜切力（Gel Strength）表觀表觀粘度（粘度（Apparent Viscosity）等流變參數(shù)來進(jìn)行描述的。等流變參數(shù)來進(jìn)行描述的。 鉆井液流變性是鉆井液的

2、一項基本性能，它在解決下列鉆井問題鉆井液流變性是鉆井液的一項基本性能，它在解決下列鉆井問題時起著十分重要的作用：時起著十分重要的作用： （1）攜帶巖屑，保證井底和井眼的清潔；）攜帶巖屑，保證井底和井眼的清潔； （2）懸浮巖屑與重晶石；）懸浮巖屑與重晶石； （3）提高機(jī)械鉆速；）提高機(jī)械鉆速； （4）保持井眼規(guī)則和保證井下安全。）保持井眼規(guī)則和保證井下安全。 1. 剪切速率和剪切應(yīng)力（剪切速率和剪切應(yīng)力（Shear Rate and Shear Stress）：）：液體和固液體和固體不同，液體具有流動性。就是說，加很小的力就能使液體發(fā)生變形體不同，液體具有流動性。就是說，加很小的力就能使液體發(fā)生

3、變形，而且只要力作用的時間相當(dāng)長，很小的力就能使液體發(fā)生很大的變，而且只要力作用的時間相當(dāng)長，很小的力就能使液體發(fā)生很大的變形。形。 流體流動的基本概念流體流動的基本概念 以河水在水面的流速分布為例，可以觀察到越靠近河岸，流速越小，河中心處流以河水在水面的流速分布為例，可以觀察到越靠近河岸，流速越小，河中心處流速最大。速最大。 管道中水的流速分布是中心處流速最大，越向周圍流速越小，靠近管壁管道中水的流速分布是中心處流速最大，越向周圍流速越小，靠近管壁處流速為零。流速剖面形狀為拋物線。從立體來看，它象一個套筒望遠(yuǎn)鏡或處流速為零。流速剖面形狀為拋物線。從立體來看，它象一個套筒望遠(yuǎn)鏡或拉桿天線。拉桿

4、天線。 流體流動的基本概念流體流動的基本概念 水中各點的流速不同，可以設(shè)想將水中各點的流速不同，可以設(shè)想將其分成許多薄層。通過管道中心線上的其分成許多薄層。通過管道中心線上的點作一條流速的垂線，自中心線上的點點作一條流速的垂線，自中心線上的點沿垂線向管壁移動位置，隨著位置的變沿垂線向管壁移動位置，隨著位置的變化流速也在發(fā)生變化?；魉僖苍诎l(fā)生變化。 剪切速率剪切速率：如果在垂直于流速的方向上取一段無限小的距離如果在垂直于流速的方向上取一段無限小的距離dx，流速由流速由v變化到變化到v+dv，則比值則比值dv/dx表示表示在垂直于流速方向上單位距在垂直于流速方向上單位距離流速的增量，即流速梯度，

5、又稱剪切速率離流速的增量，即流速梯度，又稱剪切速率，用符號用符號g g 來表示，來表示，單位為單位為s1。 鉆井液循環(huán)在不同部位，流速不同，剪切速率也不相同。流鉆井液循環(huán)在不同部位，流速不同，剪切速率也不相同。流速越大之處剪切速率越高，反之則越低。速越大之處剪切速率越高，反之則越低。 一般情況下，沉砂池處剪切速率為最低，大約在一般情況下，沉砂池處剪切速率為最低，大約在10 20s-1；環(huán)形空間環(huán)形空間50 250 s-1；鉆桿內(nèi)鉆桿內(nèi)100 1000 s-1；鉆頭噴嘴處最高，大約在鉆頭噴嘴處最高，大約在10000 100000 s-1。 粘滯性：液流中各層的流速不同，故層與層之間必然存在著相互

6、作粘滯性：液流中各層的流速不同，故層與層之間必然存在著相互作用。由于液體內(nèi)部內(nèi)聚力的作用，流速較快的液層會帶動流速較慢的用。由于液體內(nèi)部內(nèi)聚力的作用，流速較快的液層會帶動流速較慢的相鄰液層，而流速較慢的液層又會阻礙流速較快的相鄰液層。這樣在相鄰液層，而流速較慢的液層又會阻礙流速較快的相鄰液層。這樣在流速不同的各液層之間會發(fā)生內(nèi)摩擦作用，即出現(xiàn)成對的內(nèi)摩擦力，流速不同的各液層之間會發(fā)生內(nèi)摩擦作用，即出現(xiàn)成對的內(nèi)摩擦力，阻礙液層剪切變形。通常將阻礙液層剪切變形。通常將液體流動時所具有的抵抗剪切變形的物理性質(zhì)稱液體流動時所具有的抵抗剪切變形的物理性質(zhì)稱作液體的粘滯性作液體的粘滯性。 牛頓內(nèi)摩擦定律：

7、液體流動時，液體層與層之間的內(nèi)摩擦力（牛頓內(nèi)摩擦定律：液體流動時，液體層與層之間的內(nèi)摩擦力（F）的的大小與液體的性質(zhì)及溫度有關(guān)，并與液層間的接觸面積（大小與液體的性質(zhì)及溫度有關(guān)，并與液層間的接觸面積（S）和剪切速和剪切速率（率（g g）成正比，而與接觸面上的壓力無關(guān)，即成正比，而與接觸面上的壓力無關(guān)，即 F = m m S g g 。剪切應(yīng)力剪切應(yīng)力 ：內(nèi)摩擦力內(nèi)摩擦力F除以接觸面積除以接觸面積S即得液體內(nèi)的剪切應(yīng)力即得液體內(nèi)的剪切應(yīng)力 ，剪切剪切應(yīng)力可理解為單位面積上的剪切力，即應(yīng)力可理解為單位面積上的剪切力，即 = F/S 。粘度粘度m m ： 衡量液體粘滯性大小的物理量，衡量液體粘滯性大

8、小的物理量， m m = / g g ，單位單位Pa.s，mPa.s；工工程上常用厘泊（程上常用厘泊（cP）來表示，來表示，1cP=1mPa.s。20時，水的粘度為時，水的粘度為1.0087mPa.s牛頓流體（牛頓流體（Newtonian Fluid）：）：將剪切應(yīng)力與剪切速率的關(guān)系遵守將剪切應(yīng)力與剪切速率的關(guān)系遵守牛頓內(nèi)摩擦定律的流體，稱為牛頓流體。如水、酒精等大多數(shù)純液牛頓內(nèi)摩擦定律的流體，稱為牛頓流體。如水、酒精等大多數(shù)純液體、輕質(zhì)油、低分子化合物溶液以及低速流動的氣體等均為牛頓流體、輕質(zhì)油、低分子化合物溶液以及低速流動的氣體等均為牛頓流體。體。 非牛頓流體（非牛頓流體（non-Newt

9、onian Fluid）：）：將剪切應(yīng)力與剪切速率的關(guān)系不將剪切應(yīng)力與剪切速率的關(guān)系不遵守牛頓內(nèi)摩擦定律的流體，稱為非牛頓流體。如高分子聚合物的濃溶液遵守牛頓內(nèi)摩擦定律的流體，稱為非牛頓流體。如高分子聚合物的濃溶液和懸浮液等一般為非牛頓流體。大多數(shù)鉆井液屬于非牛頓流體。和懸浮液等一般為非牛頓流體。大多數(shù)鉆井液屬于非牛頓流體。 2. 流變模式和流變曲線流變模式和流變曲線 ：（1）流變模式：描述剪切應(yīng)力與剪切速率關(guān)系的數(shù)學(xué)關(guān)系式，稱為流變方程）流變模式：描述剪切應(yīng)力與剪切速率關(guān)系的數(shù)學(xué)關(guān)系式，稱為流變方程，習(xí)慣上又稱為流變模式。，習(xí)慣上又稱為流變模式。 （2）流變曲線：描述剪切應(yīng)力與剪切速率關(guān)系的

10、圖線，稱為流變曲線）流變曲線：描述剪切應(yīng)力與剪切速率關(guān)系的圖線，稱為流變曲線。習(xí)慣上用。習(xí)慣上用對對作圖而得。作圖而得。 3. 流體的基本流型流體的基本流型： 按照流體流動時剪切速率與剪切應(yīng)力之間的關(guān)系，流體可以劃分為不同的按照流體流動時剪切速率與剪切應(yīng)力之間的關(guān)系，流體可以劃分為不同的類型，即所謂流型。除牛頓流型外，根據(jù)所測出的流變曲線形狀的不同，又可將類型，即所謂流型。除牛頓流型外，根據(jù)所測出的流變曲線形狀的不同，又可將非牛頓流體歸納為塑性流型、假塑性流型和膨脹流型。以上四種基本流型的流變非牛頓流體歸納為塑性流型、假塑性流型和膨脹流型。以上四種基本流型的流變曲線如圖所示。符合這四種流型的流

11、體分別叫做牛頓流體、塑性流體、假塑性流曲線如圖所示。符合這四種流型的流體分別叫做牛頓流體、塑性流體、假塑性流體和膨脹性流體。體和膨脹性流體。（1）牛頓流體：）牛頓流體：流變方程：流變方程： = m m g g 意義：當(dāng)牛頓流體在外力作用下流動時，剪意義：當(dāng)牛頓流體在外力作用下流動時，剪切應(yīng)力與剪切速率成正比。切應(yīng)力與剪切速率成正比。流體特點：當(dāng)流體特點：當(dāng) 0時，時，g g0，因此只要對因此只要對牛頓流體施加一個外力，即使此力很小牛頓流體施加一個外力，即使此力很小，也可以產(chǎn)生一定的剪切速率，即開始，也可以產(chǎn)生一定的剪切速率，即開始流動；其粘度不隨剪切速率的增減而變流動；其粘度不隨剪切速率的增減

12、而變化?；?。 3. 流體的基本流型流體的基本流型：（2）膨脹流體：比較少見。）膨脹流體：比較少見。流變方程：流變方程：=n（n 1）流動特點：流動特點：a. 稍加外力即發(fā)生流動；稍加外力即發(fā)生流動；b. 粘度隨剪切速率（或剪切應(yīng)力）增加粘度隨剪切速率（或剪切應(yīng)力）增加而增大，靜置時又恢復(fù)原狀；而增大，靜置時又恢復(fù)原狀；c. 與假塑性流體相反，其流變曲線凹向剪與假塑性流體相反，其流變曲線凹向剪切應(yīng)力軸；切應(yīng)力軸；d. 這種流體在靜止?fàn)顟B(tài)時，所含有的顆粒是分散的；當(dāng)剪切應(yīng)力增大時，部這種流體在靜止?fàn)顟B(tài)時，所含有的顆粒是分散的；當(dāng)剪切應(yīng)力增大時，部分顆粒會糾纏在一起形成網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，使流動阻力增大。分顆

13、粒會糾纏在一起形成網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，使流動阻力增大。（1）塑性流體：如高粘土含量的鉆井液、油）塑性流體：如高粘土含量的鉆井液、油漆和高含蠟原油等。漆和高含蠟原油等。（2）靜切應(yīng)力）靜切應(yīng)力 s ：塑性流體當(dāng)：塑性流體當(dāng)g g = = 0時，時， 0。也就是說，它不是加很小的剪切應(yīng)力就也就是說，它不是加很小的剪切應(yīng)力就開始流動，而是必須加一定的力才開始流動，開始流動，而是必須加一定的力才開始流動，這種使流體開始流動的最低剪切應(yīng)力（這種使流體開始流動的最低剪切應(yīng)力（ s）稱稱為靜切應(yīng)力（又稱靜切力、切力或凝膠強(qiáng)為靜切應(yīng)力（又稱靜切力、切力或凝膠強(qiáng)度）。度）。（3）塑性粘度（表示為）塑性粘度（表示為m mp

14、或或PV）：）： 當(dāng)剪切應(yīng)力超過當(dāng)剪切應(yīng)力超過 s時，在初始階段剪切應(yīng)力和剪切速率的關(guān)系不是一條直線時，在初始階段剪切應(yīng)力和剪切速率的關(guān)系不是一條直線，表明此時塑性流體還不能均勻地被剪切，粘度隨剪切速率增大而降低（圖中曲，表明此時塑性流體還不能均勻地被剪切，粘度隨剪切速率增大而降低（圖中曲線段）。繼續(xù)增加剪切應(yīng)力，當(dāng)其數(shù)值大到一定程度之后，粘度不再隨剪切速率線段）。繼續(xù)增加剪切應(yīng)力，當(dāng)其數(shù)值大到一定程度之后，粘度不再隨剪切速率增大而發(fā)生變化，此時流變曲線變成直線（圖中直線段）。此直線段的斜率稱為增大而發(fā)生變化，此時流變曲線變成直線（圖中直線段）。此直線段的斜率稱為塑性粘度（表示為塑性粘度（表示

15、為m mp或或PV）。）。 （4）動切應(yīng)力）動切應(yīng)力 0 ：延長直線段與剪切應(yīng)力軸相交于一點：延長直線段與剪切應(yīng)力軸相交于一點 0，通常將通常將 0（亦可表示為亦可表示為YP）稱為動切應(yīng)力（又稱動切力或屈服值）。稱為動切應(yīng)力（又稱動切力或屈服值）。塑性粘度塑性粘度和動切力是鉆井液的兩個重要流和動切力是鉆井液的兩個重要流變參數(shù)。變參數(shù)。 （5）塑性流體的流變模式）塑性流體的流變模式 ：塑性流體流變曲：塑性流體流變曲線的直線段即可用下面的直線方程進(jìn)行描述：線的直線段即可用下面的直線方程進(jìn)行描述： = 0 + m mp g g 因為是賓漢首先提出的，該式常稱為賓因為是賓漢首先提出的，該式常稱為賓漢模

16、式（漢模式（Bingham Model），），并將塑性流體并將塑性流體稱為賓漢塑性流體。稱為賓漢塑性流體。 （6）塑性流體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)）塑性流體的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 水基鉆井液主要由粘土、水和處理劑所組成。粘土礦物具有片狀或棒狀結(jié)構(gòu)水基鉆井液主要由粘土、水和處理劑所組成。粘土礦物具有片狀或棒狀結(jié)構(gòu)，形狀很不規(guī)則，顆粒之間容易彼此連接在一起，形成空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。粘土顆粒，形狀很不規(guī)則，顆粒之間容易彼此連接在一起，形成空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。粘土顆粒可能出現(xiàn)三種不同連接方式，即面可能出現(xiàn)三種不同連接方式，即面- -面（面（Face to Face）、）、端端- -面（面（Edge to Face）和端和端- -端（端（E

17、dge to Edge）連接。這是由于粘土顆粒表面的性質(zhì)（帶電性和水化膜）極連接。這是由于粘土顆粒表面的性質(zhì)（帶電性和水化膜）極不均勻引起的。片狀的粘土顆粒有兩種不同的表面，即帶永久負(fù)電荷的板面和既可能不均勻引起的。片狀的粘土顆粒有兩種不同的表面，即帶永久負(fù)電荷的板面和既可能帶正電荷也可能帶負(fù)電荷的端面，這樣粘土表面在溶液中就可能形成兩種不同的雙電帶正電荷也可能帶負(fù)電荷的端面，這樣粘土表面在溶液中就可能形成兩種不同的雙電層。一般說來，粘土膠體顆粒的相互作用受三種力的支配，即雙電層斥力、靜電吸引層。一般說來，粘土膠體顆粒的相互作用受三種力的支配，即雙電層斥力、靜電吸引力和范德華引力。粘土顆粒間凈

18、的相互作用力是斥力和吸力的代數(shù)和，因此在不同條力和范德華引力。粘土顆粒間凈的相互作用力是斥力和吸力的代數(shù)和，因此在不同條件下，會產(chǎn)生以上三種不同的連結(jié)方式。件下，會產(chǎn)生以上三種不同的連結(jié)方式。（6）塑性流體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)）塑性流體的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 例如，當(dāng)端面帶正電荷時，板面與端面就由于靜電吸引力占優(yōu)勢而彼此例如，當(dāng)端面帶正電荷時，板面與端面就由于靜電吸引力占優(yōu)勢而彼此連接；當(dāng)加入可溶性電解質(zhì)時，則由于其中的陽離子壓縮雙電層使連接；當(dāng)加入可溶性電解質(zhì)時，則由于其中的陽離子壓縮雙電層使z z電位降低電位降低，從而降低了雙電層斥力，于是引起端，從而降低了雙電層斥力，于是引起端- -面連接；如果加入的電解質(zhì)足

19、夠多，雙面連接；如果加入的電解質(zhì)足夠多，雙電層斥力降至某種程度之后，則會發(fā)生面電層斥力降至某種程度之后，則會發(fā)生面- -面連接。面連接。 （7）聚結(jié)、絮凝和分散、解絮凝）聚結(jié)、絮凝和分散、解絮凝 三種不同的連接方式將產(chǎn)生不同的后果。三種不同的連接方式將產(chǎn)生不同的后果。 面面- -面連接會導(dǎo)致形成較厚的片，即顆粒分散度降低，這一過程通常稱為聚面連接會導(dǎo)致形成較厚的片，即顆粒分散度降低，這一過程通常稱為聚結(jié)（結(jié)（Aggregation）。）。 端端- -面與端面與端- -端端連接則形成三維的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，特別是當(dāng)粘土含量足夠高時，能連接則形成三維的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，特別是當(dāng)粘土含量足夠高時，能夠形成布滿整個空

20、間的連續(xù)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，膠體化學(xué)上稱作凝膠結(jié)構(gòu)，這一過程通常夠形成布滿整個空間的連續(xù)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，膠體化學(xué)上稱作凝膠結(jié)構(gòu)，這一過程通常稱為絮凝（稱為絮凝（Flocculation）。）。 與聚結(jié)和絮凝相對應(yīng)的相反過程分別叫作分散（與聚結(jié)和絮凝相對應(yīng)的相反過程分別叫作分散（Dispersion）和解絮凝（和解絮凝（Deflocculation）。）。 一般情況下，鉆井液中的粘土顆粒都在不同程度上處在一一般情況下，鉆井液中的粘土顆粒都在不同程度上處在一定的絮凝狀態(tài)。因此，要使鉆井液開始流動，就必須施加一定定的絮凝狀態(tài)。因此，要使鉆井液開始流動，就必須施加一定的剪切應(yīng)力，破壞絮凝時形成的這種連續(xù)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。這個

21、力即的剪切應(yīng)力，破壞絮凝時形成的這種連續(xù)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。這個力即靜切應(yīng)力，由于它反映了所形成結(jié)構(gòu)的強(qiáng)弱，因此又將靜切應(yīng)靜切應(yīng)力，由于它反映了所形成結(jié)構(gòu)的強(qiáng)弱，因此又將靜切應(yīng)力稱為凝膠強(qiáng)度。力稱為凝膠強(qiáng)度。 （8）流變曲線分析）流變曲線分析 曲線段：在鉆井液開始流動以后，由于初期的剪切速率較低，曲線段：在鉆井液開始流動以后，由于初期的剪切速率較低，結(jié)構(gòu)的拆散速度大于其恢復(fù)速度，拆散程度隨剪切速率增加而增大，結(jié)構(gòu)的拆散速度大于其恢復(fù)速度，拆散程度隨剪切速率增加而增大，因此表現(xiàn)為粘度隨剪切速率增加而降低；因此表現(xiàn)為粘度隨剪切速率增加而降低； 直線段：隨著結(jié)構(gòu)拆散程度增大，拆散速度逐漸減小，結(jié)構(gòu)恢復(fù)速度直線

22、段：隨著結(jié)構(gòu)拆散程度增大，拆散速度逐漸減小，結(jié)構(gòu)恢復(fù)速度相應(yīng)增加。因此，當(dāng)剪切速率增至一定程度，結(jié)構(gòu)破壞的速度和恢復(fù)的速度相應(yīng)增加。因此，當(dāng)剪切速率增至一定程度，結(jié)構(gòu)破壞的速度和恢復(fù)的速度保持相等（即達(dá)到動態(tài)平衡）時，結(jié)構(gòu)拆散的程度將不再隨剪切速率增加而保持相等（即達(dá)到動態(tài)平衡）時，結(jié)構(gòu)拆散的程度將不再隨剪切速率增加而發(fā)生變化，相應(yīng)地粘度亦不再發(fā)生變化。該粘度即鉆井液的塑性粘度。因為發(fā)生變化，相應(yīng)地粘度亦不再發(fā)生變化。該粘度即鉆井液的塑性粘度。因為該參數(shù)不隨剪切應(yīng)力和剪切速率而改變，所以對鉆井液的水力計算是很重要該參數(shù)不隨剪切應(yīng)力和剪切速率而改變，所以對鉆井液的水力計算是很重要的。從賓漢模式可

23、以得出：的。從賓漢模式可以得出：m mp = ( ( - 0) / g g ，塑性粘度的單位為塑性粘度的單位為mPa s。 （1）假塑性流體：某些鉆井液、高分子化合物的水溶液以及乳狀液等均屬于）假塑性流體：某些鉆井液、高分子化合物的水溶液以及乳狀液等均屬于假塑性流體。假塑性流體。 （2）流體特點：施加極小的剪切應(yīng)力就能產(chǎn)生流動，不存在靜切應(yīng)力，）流體特點：施加極小的剪切應(yīng)力就能產(chǎn)生流動，不存在靜切應(yīng)力，它的粘度隨剪切應(yīng)力的增大而降低。它的粘度隨剪切應(yīng)力的增大而降低。 （3）流變曲線特點分析：）流變曲線特點分析： 曲線過原點曲線過原點 原因：無網(wǎng)架結(jié)構(gòu)；有脆弱不連續(xù)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，一經(jīng)拆散不易恢復(fù)原

24、因：無網(wǎng)架結(jié)構(gòu)；有脆弱不連續(xù)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，一經(jīng)拆散不易恢復(fù)，故一觸即動。，故一觸即動。 無直線段：無直線段： ，d/d ，即剪切應(yīng)力與剪切速率之比總是變化的。即剪切應(yīng)力與剪切速率之比總是變化的。（4）假塑性流體的流變模式：）假塑性流體的流變模式： = K g g n （0n 1） 又稱冪律模式（又稱冪律模式（Power Low Model）。）。n 為流性指數(shù)和為流性指數(shù)和K 為稠度系數(shù)，是假塑為稠度系數(shù)，是假塑性流體的兩個重要流變參數(shù)。性流體的兩個重要流變參數(shù)。 在中等和較高的剪切速率范圍內(nèi)，冪律模式和賓漢模式均能較好地表在中等和較高的剪切速率范圍內(nèi)，冪律模式和賓漢模式均能較好地表示實際鉆井液

25、的流動特性，然而在環(huán)形空間的較低剪切速率范圍內(nèi)，冪律示實際鉆井液的流動特性，然而在環(huán)形空間的較低剪切速率范圍內(nèi)，冪律模式比賓漢模式更接近實際鉆井液的流動特性。因此，盡管賓漢模式一直模式比賓漢模式更接近實際鉆井液的流動特性。因此，盡管賓漢模式一直是國內(nèi)外鉆井液工藝中最常用的流變模式，但目前認(rèn)為，采用冪律模式能是國內(nèi)外鉆井液工藝中最常用的流變模式，但目前認(rèn)為，采用冪律模式能夠比賓漢模式更好地表示鉆井液在環(huán)空的流變性，并能更準(zhǔn)確地預(yù)測環(huán)空夠比賓漢模式更好地表示鉆井液在環(huán)空的流變性，并能更準(zhǔn)確地預(yù)測環(huán)空壓降和進(jìn)行有關(guān)的水力參數(shù)計算。在鉆井液設(shè)計和現(xiàn)場實際應(yīng)用中，這兩壓降和進(jìn)行有關(guān)的水力參數(shù)計算。在鉆井

26、液設(shè)計和現(xiàn)場實際應(yīng)用中，這兩種流變模式往往同時使用。種流變模式往往同時使用。 鉆井液的流變參數(shù)包括塑性粘度、動切力、靜切力、流性指數(shù)、稠度系鉆井液的流變參數(shù)包括塑性粘度、動切力、靜切力、流性指數(shù)、稠度系數(shù)、漏斗粘度、表觀粘度、剪切稀釋性、動塑比和觸變性，以及卡森流變流變數(shù)、漏斗粘度、表觀粘度、剪切稀釋性、動塑比和觸變性，以及卡森流變流變參數(shù)、赫參數(shù)、赫-巴流變模式三參數(shù)等。巴流變模式三參數(shù)等。 1. 漏斗粘度（漏斗粘度（Funnel Viscosity） 在鉆井過程中需要經(jīng)常測定的重要參數(shù)。由于測定方法簡便，可直觀在鉆井過程中需要經(jīng)常測定的重要參數(shù)。由于測定方法簡便，可直觀反映鉆井液粘度的大小

27、。反映鉆井液粘度的大小。 用鉆井液量杯的上端（用鉆井液量杯的上端（500mL）與下端（與下端（200mL）準(zhǔn)確量取準(zhǔn)確量取700mL鉆井液，將左手鉆井液，將左手食指堵住漏斗口，使鉆井液通過篩網(wǎng)后流入食指堵住漏斗口，使鉆井液通過篩網(wǎng)后流入漏斗中。漏斗中。 將鉆井液量杯將鉆井液量杯500mL的一端置于漏斗口的的一端置于漏斗口的下方；在松開左手食指的同時，右手按動下方；在松開左手食指的同時，右手按動秒表。注意在鉆井液流出過程中，應(yīng)始終秒表。注意在鉆井液流出過程中，應(yīng)始終使漏斗保持直立。使漏斗保持直立。 （1）測試步驟：）測試步驟：待鉆井液量杯待鉆井液量杯500 ml的一端流滿時，按動秒表記錄所需時間

28、。的一端流滿時，按動秒表記錄所需時間。 所記錄的時間即漏斗粘度，其單位為所記錄的時間即漏斗粘度，其單位為s。漏斗粘度計的準(zhǔn)確度常用純水進(jìn)行校正。在漏斗粘度計的準(zhǔn)確度常用純水進(jìn)行校正。在常溫下，純水的漏斗粘度為常溫下，純水的漏斗粘度為15 0.2 s。 （2）局限性：）局限性： 在鉆井液從漏斗口流出的過程中，隨著漏斗中液面逐漸降低，流速不斷減在鉆井液從漏斗口流出的過程中，隨著漏斗中液面逐漸降低，流速不斷減小，因此不能在某一固定的剪切速率下進(jìn)行粘度測定。因此，使漏斗粘度不小，因此不能在某一固定的剪切速率下進(jìn)行粘度測定。因此，使漏斗粘度不能象從旋轉(zhuǎn)粘度計測得的數(shù)據(jù)那樣作數(shù)學(xué)處理，也無法與其它流變參數(shù)

29、進(jìn)行能象從旋轉(zhuǎn)粘度計測得的數(shù)據(jù)那樣作數(shù)學(xué)處理，也無法與其它流變參數(shù)進(jìn)行換算。換算。 漏斗粘度只能用來判別在鉆井作業(yè)期間各個階段粘度變化的趨向，它不能漏斗粘度只能用來判別在鉆井作業(yè)期間各個階段粘度變化的趨向，它不能說明鉆井液粘度變化的原因，也不能作為對鉆井液進(jìn)行處理的依據(jù)。即便如說明鉆井液粘度變化的原因，也不能作為對鉆井液進(jìn)行處理的依據(jù)。即便如此，漏斗粘度至今仍然與其它流變參數(shù)結(jié)合在一起，共同表征鉆井液的流變此，漏斗粘度至今仍然與其它流變參數(shù)結(jié)合在一起，共同表征鉆井液的流變性。性。 2. 塑性粘度塑性粘度 （Plastic Viscosity） （1）定義）定義：塑性流體流變曲線直線段的斜率，不

30、隨剪切速率而變化。塑性流體流變曲線直線段的斜率，不隨剪切速率而變化。（2）物理意義）物理意義：反映了在層流情況下，鉆井液中網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的破壞與恢復(fù)處于反映了在層流情況下，鉆井液中網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的破壞與恢復(fù)處于動平衡時，懸浮的固相顆粒之間、固相顆粒與液相之間以及連續(xù)液相內(nèi)部的動平衡時，懸浮的固相顆粒之間、固相顆粒與液相之間以及連續(xù)液相內(nèi)部的內(nèi)摩擦作用的強(qiáng)弱。內(nèi)摩擦作用的強(qiáng)弱。 （3）影響因素：）影響因素：固相含量（主要因素）：一般情況下，隨著鉆井液密度升高，由于固體顆粒逐漸增多固相含量（主要因素）：一般情況下，隨著鉆井液密度升高，由于固體顆粒逐漸增多，顆粒的總表面積不斷增大，所以顆粒間的內(nèi)摩擦力也會隨之而

31、增加。，顆粒的總表面積不斷增大，所以顆粒間的內(nèi)摩擦力也會隨之而增加。 粘土的分散程度：當(dāng)粘土含量相同時，其分散度愈高，塑性粘度愈大。粘土的分散程度：當(dāng)粘土含量相同時，其分散度愈高，塑性粘度愈大。 高分子聚合物處理劑：鉆井液中加入高分子聚合物處理劑會提高液相粘度高分子聚合物處理劑：鉆井液中加入高分子聚合物處理劑會提高液相粘度，從而使塑性粘度增大。顯然，其濃度愈大，塑性粘度愈高；分子量愈大，從而使塑性粘度增大。顯然，其濃度愈大，塑性粘度愈高；分子量愈大，塑性粘度愈高。塑性粘度愈高。 （4）調(diào)整方法：）調(diào)整方法：降低降低m mp：通過合理使用固控設(shè)備、加水稀釋或化學(xué)絮凝等方法，盡量減少固相含量。：通

32、過合理使用固控設(shè)備、加水稀釋或化學(xué)絮凝等方法，盡量減少固相含量。 提高提高m mp：加入低造漿率粘土、重晶石、混入原油或適當(dāng)提高：加入低造漿率粘土、重晶石、混入原油或適當(dāng)提高pH值等均可提高值等均可提高m mp。另另外增加聚合物處理劑的濃度使鉆井液的液相粘度提高，也可起到提外增加聚合物處理劑的濃度使鉆井液的液相粘度提高，也可起到提m mp的作用的作用。 3. 動切力動切力 0 （Yield Point） （1）定義）定義：塑性流體塑性流體流變曲線中的直線段在流變曲線中的直線段在 軸上的截距。軸上的截距。 （2）物理意義）物理意義：反映了鉆井液在層流流動時，粘土顆粒之間及高分子反映了鉆井液在層流

33、流動時，粘土顆粒之間及高分子聚合物分子之間相互作用力的大小，亦即形成空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)能力的大聚合物分子之間相互作用力的大小，亦即形成空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)能力的大小。小。 （3）影響因素：）影響因素：（3）影響因素：）影響因素：粘土礦物的類型和濃度：在常見的粘土礦物中，蒙脫石最容易水化膨脹和分散，并形成粘土礦物的類型和濃度：在常見的粘土礦物中，蒙脫石最容易水化膨脹和分散，并形成網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。隨著鉆井液中蒙脫石濃度增加，塑性粘度上升比較緩慢，但動切力會大幅度上網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。隨著鉆井液中蒙脫石濃度增加，塑性粘度上升比較緩慢，但動切力會大幅度上升。相對而言，高嶺石和伊利石等粘土礦物對動切力的影響較小。升。相對而言，高嶺石

34、和伊利石等粘土礦物對動切力的影響較小。電解質(zhì)：在鉆進(jìn)過程中，如果有一定量的電解質(zhì)：在鉆進(jìn)過程中，如果有一定量的NaCl、CaSO4、水泥等無機(jī)電解質(zhì)進(jìn)入鉆井水泥等無機(jī)電解質(zhì)進(jìn)入鉆井液，均會引起鉆井液絮凝程度增大，從而增加動切力。液，均會引起鉆井液絮凝程度增大，從而增加動切力。 降粘劑：大多數(shù)降粘劑的作用原理都是吸附到粘土顆粒的邊面上，使邊面降粘劑：大多數(shù)降粘劑的作用原理都是吸附到粘土顆粒的邊面上，使邊面帶一定的負(fù)電荷，于是拆散網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。因此，降粘劑的作用主要是降低動切帶一定的負(fù)電荷，于是拆散網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。因此，降粘劑的作用主要是降低動切力，而不是降低塑性粘度。力，而不是降低塑性粘度。 （4）調(diào)整方

35、法：）調(diào)整方法：降低降低 0：最有效的方法是加入適合于本體系的降粘劑，以拆散鉆井液中已形成的網(wǎng)：最有效的方法是加入適合于本體系的降粘劑，以拆散鉆井液中已形成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。如果是因架結(jié)構(gòu)。如果是因Ca2+、Mg2+ 等污染引起的等污染引起的 0升高，則可用沉淀方法除去這些離子。此升高，則可用沉淀方法除去這些離子。此外，用清水或稀漿稀釋也可起到降外，用清水或稀漿稀釋也可起到降 0的作用。的作用。 提高提高 0：可加入預(yù)水化膨潤土漿，或增大高分子聚合物的加量。對于鈣處理鉆井液或：可加入預(yù)水化膨潤土漿，或增大高分子聚合物的加量。對于鈣處理鉆井液或鹽水鉆井液，可通過適當(dāng)增加鹽水鉆井液，可通過適當(dāng)增加Ca2

36、+、Na+ 濃度來達(dá)到提濃度來達(dá)到提 0的目的。的目的。 4. 流性指數(shù)流性指數(shù)n（1）定義）定義：在冪律模式中，用來表示假塑性流體在一定剪切速率范圍內(nèi)所表現(xiàn)在冪律模式中，用來表示假塑性流體在一定剪切速率范圍內(nèi)所表現(xiàn)出的非牛頓性程度的指數(shù)。出的非牛頓性程度的指數(shù)。 （2）物理意義）物理意義：反映鉆井液偏離牛頓流體的程度，反映鉆井液偏離牛頓流體的程度，n值越小，表示鉆井液值越小，表示鉆井液的非牛頓性越強(qiáng)，鉆井的剪切稀化性能越好。的非牛頓性越強(qiáng)，鉆井的剪切稀化性能越好。 鉆井液的鉆井液的n值一般均小于值一般均小于1。從圖。從圖3-8不難不難看出，隨看出，隨n值減小，曲線的曲率變大，表明流值減小，曲

37、線的曲率變大，表明流體的流變性偏離牛頓流體越來越遠(yuǎn)。流性指數(shù)體的流變性偏離牛頓流體越來越遠(yuǎn)。流性指數(shù)是一個無因次量。在鉆井液設(shè)計中，經(jīng)常要確是一個無因次量。在鉆井液設(shè)計中，經(jīng)常要確定流性指數(shù)的合理范圍（定流性指數(shù)的合理范圍（0.40.7），一般希望），一般希望有較低的有較低的n值，以確保鉆井液具有良好的剪切稀值，以確保鉆井液具有良好的剪切稀化性能，有利于攜帶巖屑，清潔井眼化性能，有利于攜帶巖屑，清潔井眼 。 （3）影響因素）影響因素：類似類似0。主要受形成網(wǎng)架結(jié)構(gòu)因素的影響，如加入高主要受形成網(wǎng)架結(jié)構(gòu)因素的影響，如加入高分子聚合物，或加入適量無機(jī)電解質(zhì)時，會使形成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)增強(qiáng)，分子聚合物，或

38、加入適量無機(jī)電解質(zhì)時，會使形成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)增強(qiáng)，n值便相應(yīng)減小。值便相應(yīng)減小。 （4）調(diào)整方法）調(diào)整方法：主要是降低主要是降低n值。值。 最常用的方法是加入最常用的方法是加入XC生物聚合物等流性改進(jìn)劑，或在鹽水鉆井液中添加生物聚合物等流性改進(jìn)劑，或在鹽水鉆井液中添加預(yù)水化膨潤土。預(yù)水化膨潤土。 適當(dāng)增加無機(jī)鹽的含量也可起到降適當(dāng)增加無機(jī)鹽的含量也可起到降n值的效果，但這樣往往會對鉆井液的穩(wěn)值的效果，但這樣往往會對鉆井液的穩(wěn)定性造成一定的影響。定性造成一定的影響。 通過增加膨潤土含量和礦化度來降通過增加膨潤土含量和礦化度來降n值，一般來講并不是好的方法，值，一般來講并不是好的方法，而應(yīng)優(yōu)先考慮選用

39、適合于本體系的聚合物處理劑來達(dá)到降低而應(yīng)優(yōu)先考慮選用適合于本體系的聚合物處理劑來達(dá)到降低n值的目的。值的目的。 5. 稠度系數(shù)稠度系數(shù)K（1）定義）定義：假塑性流體在剪切速率為假塑性流體在剪切速率為1s- -1時的粘度。時的粘度。 =k - -1 。 （2）物理意義）物理意義：K值愈大，粘度愈高。對于鉆井液，值愈大，粘度愈高。對于鉆井液，K值可反映其可泵性。若值可反映其可泵性。若K值值過大，將造成重新開泵困難。若過大，將造成重新開泵困難。若K值過小，又將對攜巖不利。值過小，又將對攜巖不利。 （3）影響因素）影響因素：主要受體系中固體含量和液相粘度的影響，同時也受結(jié)構(gòu)主要受體系中固體含量和液相粘

40、度的影響，同時也受結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響。當(dāng)固體含量或聚合物處理劑的濃度增大時，強(qiáng)度的影響。當(dāng)固體含量或聚合物處理劑的濃度增大時，K值相應(yīng)增大。值相應(yīng)增大。 （4）調(diào)整方法）調(diào)整方法：降低降低K值：最有效的方法是通過加強(qiáng)固相控制或加水稀釋以降低鉆井液中值：最有效的方法是通過加強(qiáng)固相控制或加水稀釋以降低鉆井液中的固相含量。的固相含量。提高提高K值：可添加適量聚合物處理劑，或?qū)㈩A(yù)水化膨潤土加入鹽水鉆井液或鈣處值：可添加適量聚合物處理劑，或?qū)㈩A(yù)水化膨潤土加入鹽水鉆井液或鈣處理鉆井液中（理鉆井液中（K值提高，值提高，n值下降）；也可加入重晶石粉等惰性固體物質(zhì)（值下降）；也可加入重晶石粉等惰性固體物質(zhì)（K值提值

41、提高，高，n值基本不變）。值基本不變）。 降低降低K值類似于降低鉆井液的粘度，有利于提高鉆速；提高值類似于降低鉆井液的粘度，有利于提高鉆速；提高K值類似于增大鉆井值類似于增大鉆井液的粘度，這有利于清潔井眼和消除井塌引起的井下復(fù)雜情況，因此液的粘度，這有利于清潔井眼和消除井塌引起的井下復(fù)雜情況，因此K值并非越低越好，值并非越低越好，有時需要適當(dāng)提高有時需要適當(dāng)提高K值。值。 6. 表觀粘度表觀粘度AV和剪切稀化性（和剪切稀化性（Shear Thinner Behavior） （1）表觀粘度）表觀粘度：又稱為有效粘度（又稱為有效粘度（Effective Viscosity）。）。它是在某一剪切速率

42、它是在某一剪切速率下，剪切應(yīng)力與剪切速率的比值，即下，剪切應(yīng)力與剪切速率的比值，即m ma = / g g 。 表觀粘度是流體流動過程中所表現(xiàn)出的總粘度。對于鉆井液來說，它既包括流表觀粘度是流體流動過程中所表現(xiàn)出的總粘度。對于鉆井液來說，它既包括流體內(nèi)部由于內(nèi)摩擦作用所引起的粘度，又包括粘土顆粒之間及高分子聚合物分子之體內(nèi)部由于內(nèi)摩擦作用所引起的粘度，又包括粘土顆粒之間及高分子聚合物分子之間由于形成空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)所引起的粘度。間由于形成空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)所引起的粘度。 塑性流體的表觀粘度塑性流體的表觀粘度 m ma = m mp + + 0 0 / g g， 假塑性流體的表觀粘度假塑性流體的表觀粘度

43、m ma = K g g n 1 （2）剪切稀化性）剪切稀化性：塑性流體和假塑性流體的表觀粘度隨著剪切速率的增加塑性流體和假塑性流體的表觀粘度隨著剪切速率的增加而降低的特性稱為剪切稀化性。而降低的特性稱為剪切稀化性。 剪切稀化特性是優(yōu)質(zhì)鉆井液必須具備的一種性能，因為它既能充分剪切稀化特性是優(yōu)質(zhì)鉆井液必須具備的一種性能，因為它既能充分發(fā)揮鉆頭的水馬力，有利于提高鉆速，而在環(huán)形空間又能很好的攜帶鉆發(fā)揮鉆頭的水馬力，有利于提高鉆速，而在環(huán)形空間又能很好的攜帶鉆屑。如果屑。如果m ma隨隨g g 增加而降低的幅度越大，則認(rèn)為剪切稀化性越強(qiáng)。增加而降低的幅度越大，則認(rèn)為剪切稀化性越強(qiáng)。 剪切稀化性能的表

44、示方法剪切稀化性能的表示方法：對于塑性流體：常用動切力與塑性粘度的比值（動塑比）表示剪切稀對于塑性流體：常用動切力與塑性粘度的比值（動塑比）表示剪切稀化性的強(qiáng)弱。化性的強(qiáng)弱。 0 0 / m mp的值越大，剪切稀化性越強(qiáng)。的值越大，剪切稀化性越強(qiáng)。工藝要求：為了能夠在高剪率下有效地破巖和在低剪率下有效地攜帶巖屑工藝要求：為了能夠在高剪率下有效地破巖和在低剪率下有效地攜帶巖屑，要求鉆井液具有較高的動塑比。根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗和平板型層流流核直徑的，要求鉆井液具有較高的動塑比。根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗和平板型層流流核直徑的有關(guān)計算，一般情況下將動塑比控制在有關(guān)計算，一般情況下將動塑比控制在0.36 0.48 Pa /

45、 mPa s是比較適宜的是比較適宜的。對于假塑性流體：用對于假塑性流體：用n值的大小反映剪切稀化性的強(qiáng)弱。當(dāng)值的大小反映剪切稀化性的強(qiáng)弱。當(dāng)n =1時，時，m ma 等于等于K，表明此時的表觀粘度是一個與剪切速率無關(guān)的常數(shù)，此時的流體為表明此時的表觀粘度是一個與剪切速率無關(guān)的常數(shù)，此時的流體為牛頓流體。隨流性指數(shù)牛頓流體。隨流性指數(shù)n值逐漸減小，流體的流動性偏離牛頓流體越來值逐漸減小，流體的流動性偏離牛頓流體越來越遠(yuǎn)，越遠(yuǎn)，m ma 隨隨g g 增加而降低的幅度也不斷增大，即剪切稀化性趨于增強(qiáng)。增加而降低的幅度也不斷增大，即剪切稀化性趨于增強(qiáng)。工藝要求：一般認(rèn)為，為了保證鉆井液能有效地攜帶巖屑

46、，將工藝要求：一般認(rèn)為，為了保證鉆井液能有效地攜帶巖屑，將n值保持值保持在在0.4 0.7是較為適宜的。是較為適宜的。 7. 切力切力 （Gel Strength）（1）定義）定義：指靜切應(yīng)力，其膠體化學(xué)實質(zhì)是膠凝強(qiáng)度，它表示鉆井液在靜止指靜切應(yīng)力，其膠體化學(xué)實質(zhì)是膠凝強(qiáng)度，它表示鉆井液在靜止?fàn)顟B(tài)下形成的空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。狀態(tài)下形成的空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。 （2）物理意義）物理意義：當(dāng)鉆井液靜止時，破壞鉆井液內(nèi)部單位面積上的結(jié)構(gòu)所當(dāng)鉆井液靜止時，破壞鉆井液內(nèi)部單位面積上的結(jié)構(gòu)所需的剪切力，單位為需的剪切力，單位為Pa 。（3）表示法）表示法：用初切力和終切力來表示靜切應(yīng)力的相對值。用初切力和終

47、切力來表示靜切應(yīng)力的相對值。 初切力是鉆井液在經(jīng)過充分?jǐn)嚢韬?，靜置初切力是鉆井液在經(jīng)過充分?jǐn)嚢韬?，靜置10秒鐘測得的靜切力（簡稱為初切秒鐘測得的靜切力（簡稱為初切）；終切力是鉆井液在經(jīng)過充分?jǐn)嚢韬?，靜置）；終切力是鉆井液在經(jīng)過充分?jǐn)嚢韬?，靜置10分鐘測得的靜切力（簡稱為分鐘測得的靜切力（簡稱為終切）。終切）。 /Pat /min10ab局限性：初切和終切相同的鉆井液，局限性：初切和終切相同的鉆井液，其最終的凝膠強(qiáng)度不一定相同。其最終的凝膠強(qiáng)度不一定相同。8. 觸變性（觸變性（Thixotropic Behavior） （1）定義）定義：指攪拌后鉆井液變?。辞辛档停?，靜置后又變稠的這種性指攪

48、拌后鉆井液變?。辞辛档停?，靜置后又變稠的這種性質(zhì)。質(zhì)。 （2）機(jī)理解釋）機(jī)理解釋：在觸變體系中一般都存在空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。在剪切作用下，結(jié)構(gòu)在觸變體系中一般都存在空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。在剪切作用下，結(jié)構(gòu)被攪散；在結(jié)構(gòu)恢復(fù)過程中，需要一定的時間來完成。被攪散；在結(jié)構(gòu)恢復(fù)過程中，需要一定的時間來完成。 （3）表示法）表示法：一般用終切與初切之差相對表示鉆井液觸變性的強(qiáng)弱。一般用終切與初切之差相對表示鉆井液觸變性的強(qiáng)弱。 局限性：初切和終切相同的鉆井液，其最終的局限性：初切和終切相同的鉆井液，其最終的切力相差較大。若用恢復(fù)結(jié)構(gòu)所需的時間和最切力相差較大。若用恢復(fù)結(jié)構(gòu)所需的時間和最終的凝膠強(qiáng)度（即切力）的大小

49、，可更為真實終的凝膠強(qiáng)度（即切力）的大小，可更為真實地反映某種流體觸變性的強(qiáng)弱。地反映某種流體觸變性的強(qiáng)弱。 1快、強(qiáng)凝膠；2慢、強(qiáng)凝膠；3快、弱凝膠；快、弱凝膠；4慢、弱凝膠。（3）影響因素）影響因素：靜切力靜切力：粘土礦物的類型、含量及分散度；所選用的聚合物處理劑粘土礦物的類型、含量及分散度；所選用的聚合物處理劑及其濃度；無機(jī)電解質(zhì)及其濃度等。其調(diào)控方法與動切力的調(diào)控方法及其濃度；無機(jī)電解質(zhì)及其濃度等。其調(diào)控方法與動切力的調(diào)控方法基本一致?；疽恢?。 觸變性觸變性：鉆井液的觸變性與其所形成結(jié)構(gòu)的強(qiáng)弱和方式有關(guān)。如果膨潤土鉆井液的觸變性與其所形成結(jié)構(gòu)的強(qiáng)弱和方式有關(guān)。如果膨潤土含量過高，往往

50、會導(dǎo)致最終的凝膠強(qiáng)度過高，并且這種結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度受粘土顆含量過高，往往會導(dǎo)致最終的凝膠強(qiáng)度過高，并且這種結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度受粘土顆粒的粒的z z電位和吸附水化膜厚度的影響較大。如果主要是由于高分子聚合電位和吸附水化膜厚度的影響較大。如果主要是由于高分子聚合物通過在粘土顆粒上吸附架橋而形成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，一般形成速度快，物通過在粘土顆粒上吸附架橋而形成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，一般形成速度快，強(qiáng)度又不是很大，類似于較快的弱凝膠。因此，低固相不分散聚合物強(qiáng)度又不是很大，類似于較快的弱凝膠。因此，低固相不分散聚合物鉆井液的切力和觸變性比較容易滿足鉆井工藝的要求。鉆井液的切力和觸變性比較容易滿足鉆井工藝的要求。 1. 旋轉(zhuǎn)粘度計的

51、構(gòu)造及工作原理旋轉(zhuǎn)粘度計的構(gòu)造及工作原理 （1）構(gòu)造：旋轉(zhuǎn)粘度計由電動機(jī)、恒速裝置、變速裝置、測量裝置和支架箱體）構(gòu)造：旋轉(zhuǎn)粘度計由電動機(jī)、恒速裝置、變速裝置、測量裝置和支架箱體等五部分組成。恒速裝置和變速裝置合稱旋轉(zhuǎn)部分。在旋轉(zhuǎn)部件上固定一個外筒等五部分組成。恒速裝置和變速裝置合稱旋轉(zhuǎn)部分。在旋轉(zhuǎn)部件上固定一個外筒，即外筒旋轉(zhuǎn)。測量裝置由測量彈簧部件、刻度盤和內(nèi)筒組成。內(nèi)筒通過扭簧固，即外筒旋轉(zhuǎn)。測量裝置由測量彈簧部件、刻度盤和內(nèi)筒組成。內(nèi)筒通過扭簧固定在機(jī)體上，扭簧上附有刻度盤。通常將外筒稱為轉(zhuǎn)子，內(nèi)筒稱為懸錘。定在機(jī)體上，扭簧上附有刻度盤。通常將外筒稱為轉(zhuǎn)子，內(nèi)筒稱為懸錘。 （2）原理：

52、測定時，內(nèi)筒和外筒同時浸沒在鉆井液中，它）原理：測定時，內(nèi)筒和外筒同時浸沒在鉆井液中，它們是同心圓筒，環(huán)隙們是同心圓筒，環(huán)隙1.17 mm。當(dāng)外筒以某一恒速旋轉(zhuǎn)。當(dāng)外筒以某一恒速旋轉(zhuǎn)時，它就帶動環(huán)隙里的鉆井液旋轉(zhuǎn)。由于鉆井液的時，它就帶動環(huán)隙里的鉆井液旋轉(zhuǎn)。由于鉆井液的粘滯性，使與扭簧連接在一起的內(nèi)筒轉(zhuǎn)動一個角度粘滯性，使與扭簧連接在一起的內(nèi)筒轉(zhuǎn)動一個角度。根據(jù)牛頓內(nèi)摩擦定律，轉(zhuǎn)動角度的大小與鉆井液。根據(jù)牛頓內(nèi)摩擦定律，轉(zhuǎn)動角度的大小與鉆井液的粘度成正比，于是，鉆井液粘度的測量就轉(zhuǎn)變?yōu)榈恼扯瘸烧?，于是，鉆井液粘度的測量就轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)筒轉(zhuǎn)角的測量。轉(zhuǎn)角的大小可從刻度盤上直接讀內(nèi)筒轉(zhuǎn)角的測量。轉(zhuǎn)角的

53、大小可從刻度盤上直接讀出，所以這種粘度計又稱為直讀式旋轉(zhuǎn)粘度計。出，所以這種粘度計又稱為直讀式旋轉(zhuǎn)粘度計。 1. 旋轉(zhuǎn)粘度計的構(gòu)造及工作原理旋轉(zhuǎn)粘度計的構(gòu)造及工作原理 （1）構(gòu)造：旋轉(zhuǎn)粘度計由電動機(jī)、恒速裝置、變速裝置、測量裝置和支架）構(gòu)造：旋轉(zhuǎn)粘度計由電動機(jī)、恒速裝置、變速裝置、測量裝置和支架箱體等五部分組成。恒速裝置和變速裝置合稱旋轉(zhuǎn)部分。在旋轉(zhuǎn)部件上固定箱體等五部分組成。恒速裝置和變速裝置合稱旋轉(zhuǎn)部分。在旋轉(zhuǎn)部件上固定一個外筒，即外筒旋轉(zhuǎn)。測量裝置由測量彈簧部件、刻度盤和內(nèi)筒組成。內(nèi)一個外筒，即外筒旋轉(zhuǎn)。測量裝置由測量彈簧部件、刻度盤和內(nèi)筒組成。內(nèi)筒通過扭簧固定在機(jī)體上，扭簧上附有刻度盤

54、。通常將外筒稱為轉(zhuǎn)子，內(nèi)筒筒通過扭簧固定在機(jī)體上，扭簧上附有刻度盤。通常將外筒稱為轉(zhuǎn)子，內(nèi)筒稱為懸錘。稱為懸錘。 （2）工作原理：測定時，內(nèi)筒和外筒同時浸沒在鉆）工作原理：測定時，內(nèi)筒和外筒同時浸沒在鉆井液中，它們是同心圓筒，環(huán)隙井液中，它們是同心圓筒，環(huán)隙1.17 mm。當(dāng)外筒以某。當(dāng)外筒以某一恒速旋轉(zhuǎn)時，它就帶動環(huán)隙里的鉆井液旋轉(zhuǎn)。由于鉆井一恒速旋轉(zhuǎn)時，它就帶動環(huán)隙里的鉆井液旋轉(zhuǎn)。由于鉆井液的粘滯性，使與扭簧連接在一起的內(nèi)筒轉(zhuǎn)動一個角度。液的粘滯性，使與扭簧連接在一起的內(nèi)筒轉(zhuǎn)動一個角度。根據(jù)牛頓內(nèi)摩擦定律，轉(zhuǎn)動角度的大小與鉆井液的粘度成根據(jù)牛頓內(nèi)摩擦定律，轉(zhuǎn)動角度的大小與鉆井液的粘度成正比

55、，于是，鉆井液粘度的測量就轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)筒轉(zhuǎn)角的測量正比，于是，鉆井液粘度的測量就轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)筒轉(zhuǎn)角的測量。轉(zhuǎn)角的大小可從刻度盤上直接讀出，所以這種粘度計又。轉(zhuǎn)角的大小可從刻度盤上直接讀出，所以這種粘度計又稱為直讀式旋轉(zhuǎn)粘度計。稱為直讀式旋轉(zhuǎn)粘度計。 （3）測量原理：）測量原理：剪切速率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系：剪切速率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系： 1 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)/分（常用分（常用rpm表示）表示）= 1.703 s-1；刻度盤讀刻度盤讀數(shù)數(shù)q q（q q 為圓周上的度數(shù)，單位可略去）與剪切應(yīng)力為圓周上的度數(shù)，單位可略去）與剪切應(yīng)力 （單位為單位為Pa）成正比。成正比。當(dāng)設(shè)計的扭簧系數(shù)為當(dāng)設(shè)計的扭簧系數(shù)為3.87 10-5時，兩者之間

56、的關(guān)系可表示為：時，兩者之間的關(guān)系可表示為： = 0.511 q q（Pa）。）。 （4）六種轉(zhuǎn)速和與之相對應(yīng)的剪切速率：）六種轉(zhuǎn)速和與之相對應(yīng)的剪切速率：600 rpm（1022 s-1）、）、300 rpm（511 s-1）、）、200 rpm（340.7 s-1）、）、100 rpm（170.3 s-1）、）、6 rpm（10.22 s-1）和和3 rpm（5.11 s-1）。）。 （5）常用旋轉(zhuǎn)粘度計）常用旋轉(zhuǎn)粘度計 ：六速的六速的Fann 35A型粘度計；型粘度計；NL Baroid 公司研制的從公司研制的從1 rpm至至600 rpm可連續(xù)變速的可連續(xù)變速的286型粘度計；型粘度計

57、；Fann 50C型和型和ReoChan 7400型高溫高壓流變儀。型高溫高壓流變儀。2. 表觀粘度的測量與計算表觀粘度的測量與計算 （1）任一剪切速率下的表觀粘度）任一剪切速率下的表觀粘度 ：m ma = / g g = (0.511 q qN N / 1.703 N) (1000) = (300 q qN N) / N利用該式，可將任意剪切速率（或轉(zhuǎn)速）下測得的刻度盤讀數(shù)換算成表利用該式，可將任意剪切速率（或轉(zhuǎn)速）下測得的刻度盤讀數(shù)換算成表觀粘度。常用的六種轉(zhuǎn)速的換算系數(shù)如下。觀粘度。常用的六種轉(zhuǎn)速的換算系數(shù)如下。 轉(zhuǎn)速（ rpm ）60030020010063換算系數(shù)0.51.01.53

58、.050.0100.0（2）鉆井液的表觀粘度）鉆井液的表觀粘度 ： 在評價鉆井液的性能時，如果沒有特別注明某一剪切速率，一般是指測定在評價鉆井液的性能時，如果沒有特別注明某一剪切速率，一般是指測定600 r/min時的表觀粘度，即時的表觀粘度，即m ma = (1/2) q q600600（3）使用旋轉(zhuǎn)粘度計測定表觀粘度和其它流變參數(shù)的試驗步驟：）使用旋轉(zhuǎn)粘度計測定表觀粘度和其它流變參數(shù)的試驗步驟： 將預(yù)先配好的鉆井液進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，然后倒入量杯中，使液面與粘將預(yù)先配好的鉆井液進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，然后倒入量杯中，使液面與粘度計外筒的刻度線相齊；度計外筒的刻度線相齊； 將粘度計轉(zhuǎn)速設(shè)置在將粘度計轉(zhuǎn)速設(shè)置

59、在600 3r/min ，待刻度盤穩(wěn)定后讀取數(shù)據(jù)；，待刻度盤穩(wěn)定后讀取數(shù)據(jù)； 再將粘度計轉(zhuǎn)速分別設(shè)置在再將粘度計轉(zhuǎn)速分別設(shè)置在300、200、100、6和和3r/min，按步驟（，按步驟（2）進(jìn)行）進(jìn)行測定；測定； 計算各流變參數(shù)（計算方法將在下面討論）。必要時，通過將刻度盤計算各流變參數(shù)（計算方法將在下面討論）。必要時，通過將刻度盤讀數(shù)換算成讀數(shù)換算成 ，將轉(zhuǎn)速換算成將轉(zhuǎn)速換算成g g ，繪制出鉆井液的流變曲線。繪制出鉆井液的流變曲線。 3. 賓漢塑性流體流變參數(shù)的測量與計算賓漢塑性流體流變參數(shù)的測量與計算 （1）由測得的）由測得的600轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)/分和分和300轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)/分的刻度盤讀數(shù)，可求得塑性粘

60、度（分的刻度盤讀數(shù)，可求得塑性粘度（m mp）和動切力（和動切力（ 0 0 ）：）：m mp = q q600600 q q300 300 ； 0 0 = 0.511 ( = 0.511 (q q300300 m mp) ) （2）推導(dǎo)過程）推導(dǎo)過程 ： 塑性粘度是塑性流體流變曲線中直線段的斜率，塑性粘度是塑性流體流變曲線中直線段的斜率，600600轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)/ /分和分和300300轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)/ /分分所對應(yīng)的剪切應(yīng)力應(yīng)該在直線段上。所對應(yīng)的剪切應(yīng)力應(yīng)該在直線段上。m mp = ( 600600 300300) / (g g600600 g g300300) = 0.511 (q q600600 q q