鉆井液和完井液化學-第三章 鉆井液的流變性

1、 鉆井液與完井液化學 第三章 鉆井液的流變性第三章 鉆井液的流變性 鉆井液的流變性是指鉆井液流動和變形的特性。 鉆井液流變性是鉆井液的一項基本性能，解決：(1)攜帶、懸浮巖屑與重晶石；(2)提高機械鉆速；(3)保持井眼規(guī)則和保證井下安全。 此外，某些流變參數(shù)還直接用于鉆井環(huán)空水力學的有關計算。因此，深入研究鉆井液流變性對油氣井鉆井液流變參數(shù)的優(yōu)化設計和有效調(diào)控是鉆井液工藝技術的一個重要方面。第一節(jié) 鉆井液的流動狀態(tài)和基本概念1. 流體的流動類型 穩(wěn) 定 流： 流場中任何點的流動參量不隨時間改變，但不同點的流動參量是可以不同的流動。特 點： 穩(wěn)定流動是連續(xù)性的。 不穩(wěn)定流：流場中任何點的流動參量

2、不但隨位置不同而變，而且隨時間不同也在改變的流動。特 點：舊的流動條件剛改變到新的流動穩(wěn)定條件建立之間的流動。 如：流體剛開始流動時；管道橫斷面變寬、變窄處。第一節(jié) 鉆井液的流動狀態(tài)和基本概念 穩(wěn)定流動類型的變化 塞流 Plug Flow 穩(wěn)定流 層流 Laminar Flow 紊流 Turbulent Flow塞 流層 流紊 流穩(wěn)定流動類型的變化第一節(jié) 鉆井液的流動狀態(tài)和基本概念塞流：流體象塞子一樣流動，流速為常數(shù)。層流：流體分層運動。任意流層與相鄰流層方向相 同，流速不同。紊流：流體內(nèi)形成無數(shù)小旋渦。任一定點的流速，其大小、方向都在進行著不規(guī)則的、連續(xù)的變化。第一節(jié) 鉆井液的流動狀態(tài)和基本

3、概念 2. 基本概念剪切速率：沿垂直于流速方向上單位距離上流速的改變量或增加量。表達式如下： 單位為：s-1; 流體各層之間流速不同，層與層之間必然存在相互作用。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。第一節(jié) 鉆井液的流動狀態(tài)和基本概念牛頓內(nèi)摩擦定律： 剪切應力：內(nèi)摩擦力F除以接觸面積S即得液體內(nèi)的剪切應力 ，剪切應力可理解為單位面積上的剪切力，即是量度液體粘滯性大小的物理量，即粘度，單位為或mPa. s。 第一節(jié) 鉆井液的流動狀態(tài)和基本概念粘度物理意義：產(chǎn)生單位剪切速率所需要的剪切應力。 越大，表示產(chǎn)生單位剪切速率所需要的

4、剪切應力越大。粘度是液體的性質，不同液體有不同的值。 還與溫度有關，一般隨溫度的升高而降低。第一節(jié) 鉆井液的流動狀態(tài)和基本概念流變模式與流變曲線剪切應力和剪切速率是流變學中的兩個基本慨念，鉆井液流變性的核心問題就是研究各種鉆井液的剪切應與剪切速率之間的關系。這種關系用數(shù)學關系式表示，稱為流變方程，習慣上又稱為流變模式，用圖紙來表示，就稱為流變曲線。第一節(jié) 鉆井液的流動狀態(tài)和基本概念流變方程流變曲線第一節(jié) 鉆井液的流動狀態(tài)和基本概念流體的基本流型牛頓流體：通常將剪切應力與剪切速率的關系遵守牛頓內(nèi)摩擦定律的流體，稱為牛頓流體。 水、酒精等大多數(shù)純液體、輕質油、低分量化合物溶液以及低速流動的氣體等均

5、為牛頓流體。 其流動特點：加很小的剪切力就能流動，而且流速梯度與切應力成正比。在層流區(qū)域內(nèi)，粘度不隨切力流速梯度變化，為常量。第一節(jié) 鉆井液的流動狀態(tài)和基本概念流體的基本流型 在實驗過程中，人們發(fā)現(xiàn)除牛頓流體外還有一些表現(xiàn)粘度異常的非牛頓流體，即不遵守牛頓內(nèi)摩擦定律的流體。 按照流體流動時剪切速率與剪切應力之間的關系，可以劃分為不同的流型。根據(jù)流變曲線形狀的不同，可將流體的流型歸納為一下四種：四種流型牛頓流體塑性流體假塑性流體膨脹性流體非牛頓流體第一節(jié) 鉆井液的流動狀態(tài)和基本概念第一節(jié) 鉆井液的流動狀態(tài)和基本概念塑性流體 與牛頓流體不同，當剪切速率為零時：即 剪切力0，而是s，即施加的切應力必

6、須超過某一特定值才能開始流動。 s為開始流動的最小切應力，的稱為靜切力，簡稱切力或凝膠強度。s0第一節(jié) 鉆井液的流動狀態(tài)和基本概念s0 切應力繼續(xù)增大，并超過s時，塑性流體不能均勻剪切，粘度隨切應力的增加而降低，即圖中曲線段；繼續(xù)增加切應力，粘度不隨切應力的增加而降低，圖中直線段； 塑性粘度（ 或PV）：不隨切力或流速梯度改變的粘度。 動切力（YP）：直線段延長線與切應力的交點（0）為動切應力或叫屈服值。第一節(jié) 鉆井液的流動狀態(tài)和基本概念s0 此式即是塑性流體的流變模式，該式常稱為賓漢模式，并將塑性流體稱為賓漢塑性流體。塑性流體流變模式與流變曲線 塑性流體機理分析 塑性流體表現(xiàn)上述流動特性是與

7、它的內(nèi)部結構分不開的。例如水基鉆井液粘土顆粒表面的性質(帶電性和水化膜)極不均勻，可能出現(xiàn)如圖35所描述的三種不同連接方式，即面面、端面和端端連接，從而形成空間網(wǎng)架結構。 塑性流體機理分析 一般情況下，鉆井液中的粘土顆粒部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，就必須施加一定的剪切應力，破壞絮凝時形成的這種連續(xù)網(wǎng)架結構。這個力即靜切應力，由于它反映了所形成結構的強弱，因此又將靜切應力稱為凝膠強度。 在鉆井液開始流動以后，由于初期的剪切速率較低，結構的拆散速度大于其恢復速度，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。s0 塑性流體機理分析 隨著結構拆散程

8、度增大，拆散速度逐漸減小，結構恢復速度相應增加。因此，當剪切速率增至一定程度，結構破壞的速度和恢復的速度保持相等(即達到動態(tài)平衡)時，結構拆散的程度將不再隨剪切速率增加而發(fā)生變化，相應地粘度也不發(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。s0 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屑于假塑性流體。其流變曲線是通過原點并凸向剪切應力軸的曲線。 這類流體的流動特點：施加極小的剪切應力就能產(chǎn)生流動，不存在靜切應力，它的粘度隨剪切應力的增大而降低。 假塑性流體 假塑性流體和塑性流體的一個重要區(qū)別在于：塑性流體當剪切速

9、率增大到一定程度時，剪切應力與剪切速率之比為一常數(shù)，在這個范圍，流變曲線為直線；而假塑性流體剪切應力與剪切速率之比總是變化的，即在流變曲線中無直線段。 假塑性流體流變模式與流變曲線 假塑性流體服從下式所示的冪律方程，即 該式為假塑性流體的流變模式，習慣上稱為冪律模式,式中的n(流性指數(shù))和是K(稠度系數(shù))是假塑性流體的兩個重要流變參數(shù)。 假塑性流體流變模式與流變曲線 n:表現(xiàn)出流體非牛頓性程度。一般小于1，為無因次量。鉆井液設計中經(jīng)常要確定較合理的范圍，一般希望有較低的n值，使其具有較好的稀釋性能。 K(稠度系數(shù))：反映鉆井液的可泵性以及攜巖性。 0.25 0.5 1 剪切速率剪切應力鉆井液流

10、變性和現(xiàn)場實際應用一般情況下，沉砂池處剪切速率最低，大約在10-20s-；環(huán)形空間50-250s-；鉆桿內(nèi)100-1000s-；鉆頭噴嘴處最高，大約在10000-100000s-。鉆井液流變性和現(xiàn)場實際應用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。鉆井液流變性和現(xiàn)場實際應用 在鉆井液設計和現(xiàn)場實際應用中，這兩種流變模式往往同時使用。冪律模式能更好地表示鉆井液在環(huán)空的流變性，并能更準確地預測環(huán)空壓降和進行有關的水力多數(shù)計算。 為了進一步提高冪律模式的應用效果一種經(jīng)修正的冪律

11、模式，即赫-巴三參數(shù)流變模式也已經(jīng)引入對鉆井液流變性的研究中。第二節(jié) 鉆井液流變參數(shù)的測量與調(diào)控 鉆井液的流變性能除上面己提及的塑性粘度、動切力、靜切力、流性指數(shù)和稠度系數(shù)外，還包括漏斗粘度、表現(xiàn)粘度、剪切稀釋性、動塑比和觸變性等。本節(jié)將繼續(xù)討論各種流變參數(shù)的物理意義，并簡要介紹其測量與計算方法，以及對它們進行調(diào)整和控制的原理和手段。 漏斗粘度 在鉆井過程中，鉆井液漏斗粘度需要經(jīng)常測定。由于測定方法簡便，可直觀反映鉆井液粘度的大小，因此該參數(shù)已沿用多年。漏斗粘度計的外觀如圖所示。 漏斗粘度 (1)用鉆井液量杯的上端(500 mL)與下端(200mL)準確量取700mL鉆井將左手食指堵住漏斗口，

12、使鉆井液通過篩網(wǎng)后流入漏斗中。 (2)將鉆井液量杯500mL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秒表。注意在鉆井液流出過程中始終使漏斗保持直立。 (3)待鉆井液量杯500ml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s。漏斗粘度計常用純水進行校正。 注意：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行處理的依據(jù)。 表觀粘度 表觀粘度(AV)：也稱有效粘度，是指在一定剪切速率下，剪切力與剪切速率的比值為表觀粘度。 abc 塑性粘度和動切力 塑性粘度：反映了在層流情況下，鉆井液中網(wǎng)架結構的破

13、壞與恢復處于動平衡時，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)部的內(nèi)摩擦作用的強弱。s0 塑性粘度和動切力 了解表觀粘度的構成對鉆井液工藝具有很重要的意義： 1、了解兩種粘度所占的比例組成，有助于認識鉆井液的實質和問題所在，有助于判斷環(huán)空流態(tài)和鉆井液稀釋特性。 2、指導鉆井液流變性質的調(diào)整。鉆井液過高粘度是由結構粘度還是塑性粘度引起的，便于調(diào)整。 塑性粘度和動切力影響塑性粘度的因素主要有(1)鉆井液中的固相含量。這是影響塑性粘度的主要因素。一般情況下，隨著鉆井液固體顆粒逐漸增多，顆粒的總表面積不斷增大，所以顆粒間的內(nèi)摩擦力也會隨之而增加。(2)鉆井液中粘土的分散程度。當粘土含量相同

14、時，其分散度愈高，塑性粘度愈大。(3)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，其濃度愈高，塑性粘度愈高；相對分子質量愈大，塑性鉆度愈高。 塑性粘度和動切力 影響動切力的因素主要有 （1）粘土礦物的類型和濃度：蒙脫石、伊利石、高嶺石。 （2）電解質：在鉆井過程中無機電解質的侵入均會引起鉆井液絮凝程度增加，從而動切力也增加。 （3）降粘劑：大多數(shù)降粘劑都是吸附在粘土端面，使其帶有一定的負電荷，拆散網(wǎng)架結構，從而降低動切力。 塑性粘度和動切力 賓漢流變模式參數(shù)調(diào)整 （1）降低塑性粘度：通過合理使用固控設備、加水稀釋或化學絮凝等方法，盡量減少固相含量

15、。 （2）提高塑性粘度：應用低造漿粘土配漿，加入加重劑、混油、提高PH值、加入高分子聚合物等 （3）降低動切力：最有效的方法加入降粘劑，若有鈣鎂離子侵入，可加入沉淀劑，除去鈣鎂離子。 （4）提高動切力： 可加入預水化膨潤土漿，或增大高分聚合物的加量。對于鈣處理鉆井液或鹽水鉆井液，可通過適當增加鈣鈉離子濃度。對非加重鉆井液，塑性粘度應控制，動切力應控制在1.4-14.4Pa.流性指數(shù)和稠度系數(shù)由冪律方程，假塑性流體的表觀粘度表示為： 流型指數(shù)n表示假塑性流體在一定剪切速率范圍內(nèi)所表現(xiàn)出的非牛頓性的程度。鉆井液的n值一般均小于1。n值越小，表示鉆井液的非牛頓性越強。流性指數(shù)是一個無因次量。在鉆井液

16、設計中，經(jīng)常要確定流性指數(shù)的合理范圍，一般希望有較低的n值，以確保鉆井液具有良好的剪切稀釋性能。流性指數(shù)和稠度系數(shù) K值則與鉆井液的粘度、切力聯(lián)系在一起。顯然，它與流體在剪切速率為1/s時的粘度有關。 K值愈大，粘度愈高，因此一般將K值稱為稠度系數(shù)。對于鉆井液，K值可反映其可泵性。若K值過大，將造成重新開泵困難。若K值過小，又將對攜巖不利。因此，鉆井液的值應保持在一個合適的范圍內(nèi)。流性指數(shù)和稠度系數(shù) 影響K值的主要因素：受體系中固含和液相粘度的影響，同時也受結構強度的影響。當固體含量或聚合物處理劑的濃度增大時，K值相應增大； 降低K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

17、井液的粘度，這有利于清潔井眼和消除井塌引起的井下復雜情況，因此，K值并非越低越好，有時需要適當提高K值。流性指數(shù)和稠度系數(shù) 影響n值主要因素：主要受形成網(wǎng)架結構因素的影響。 一般情況下，降低n值有利于攜帶巖屑、清潔井眼。流性指數(shù)和稠度系數(shù) 調(diào)節(jié)K值常用的方法： 降低K值最有效的方法是通過加強固相控制或加水稀釋以降低鉆井液中的固相含量。 適當提高K值時，可添加適量聚合物處理劑，或將預水化膨潤土加入鹽水鉆井液或鈣處理鉆井液中(K值提高，n值下降)；也可加入重晶石粉等惰性固體物質(K值提高，n值基本不變)。流性指數(shù)和稠度系數(shù)降低n值常用的方法： 1、加入XC生物聚合物等流性改進劑； 2、在鹽水鉆井液

18、中添加預水化膨潤土。 3、適當增加無機鹽的含量； 方法2、3往往對鉆井液穩(wěn)定性造成影響。因此，并不是最好的方法，而應優(yōu)先考慮選用適合于本體系的聚合物處理劑來達到降低n值。 表觀粘度與剪切稀釋 表觀粘度(AV)：是指在一定剪切速率下，剪切力與剪切速率的比值。 表觀粘度可以認為是流體在流動中表現(xiàn)出的總粘度，它既包括流體內(nèi)部由于內(nèi)摩擦作用所引起的粘度，又包括顆粒之間及高分子聚合物之間所形成的空間網(wǎng)架結構所引起的粘度，塑性粘度可以看成是剪切速率極高的表觀粘度。 表觀粘度與剪切稀釋 一般而言，鉆井液中表觀粘度中塑性粘度所占的比重較結構粘度大。 表觀粘度相同的鉆井液，由于動塑比不相同，當流速梯度改變時，表

19、觀粘度就不相同了。即，表觀粘度相同而具有不同動塑比的鉆井液，在實際井眼的各個部位粘度是不相同的。 鉆井工藝中，常用動切力與塑性粘度的比值（動塑比）表示剪切稀釋性的強弱，動塑比越大，剪切稀釋性越強。有利于高壓噴射鉆井，同時低流速時，有利于攜巖。 表觀粘度與剪切稀釋 由假塑性流體流變模式與流變曲線可以看出，表觀粘度隨剪切速率的增加而降低，這種現(xiàn)象被稱為剪切稀釋現(xiàn)象。 為了能夠在高剪切率下有效破巖與低剪切下有效攜巖，要求鉆井液具有較高的動塑比，一般要求控制在左右。流性指數(shù)一般在左右。 表觀粘度與剪切稀釋 切力和觸變性 鉆井液的觸變性：是指攪拌后鉆井液變稀（切力下降），靜止后鉆井液變稠的這種特性。 切

20、力為靜切應力，實質為膠凝強度，即靜止時空間網(wǎng)架結構的強度。其物理意義是，破壞鉆井液內(nèi)部單位面積上的結構所需的剪切力，單位為Pa。s是靜切應力的極限值，即真實意義上的膠凝強度。但結構強度的大小與時間因素有關，要想測得s ，必須花費相當長的時間。顯然，在生產(chǎn)現(xiàn)場測定不現(xiàn)實，于是規(guī)定用初切力和終切力來表示靜切力的相對值。 切力和觸變性初切力：鉆井液在經(jīng)過充分攪拌后，靜止1分鐘或10秒鐘后測得的靜切力為初切力。終切力：鉆井液經(jīng)過充分攪拌后，靜止10分鐘后測得的靜切力為終切力。觸變性的機理：觸變體系都存在空間網(wǎng)架結構。在剪切作用下，結構被攪散，結構的恢復要求在顆粒的相互排列上有一定的幾何關系。因此，結構

21、恢復過程需要一定的時間來完成這種定向作用。恢復結構經(jīng)歷的時間和最終的凝膠強度(即切力)的大小，可更為真實地反映某種流體觸變性的強弱。 切力和觸變性影響鉆井液靜切力的主要因素： 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；無機電解質及其濃度等。其調(diào)控方法與動切力的調(diào)控方法基本一致。（1）降低靜切力：最有效的方法加入降粘劑，若由鈣鎂離子侵入，可加入沉淀劑，除去鈣鎂離子。（2）提高靜切力： 可加入預水化膨潤土漿，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，可適當增加鈣鈉離子濃度。 切力和觸變性較快的強膠凝較慢的強膠凝較快的弱膠凝較慢的弱膠凝流變參數(shù)的測量與計算六速旋轉粘度

22、計流變參數(shù)的測量與計算六速旋轉粘度計的構造及工作原理 旋轉粘度計由電動機、恒速裝置、變速裝置、測量裝置和支架箱體等五部分組成。恒速裝制和變速裝置合稱旋轉部分。在旋轉部件上固定一個外簡，即外筒旋轉。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體上、扭簧上附有刻度盤，如圖311所示。通常將外筒稱為轉子，內(nèi)筒稱為懸錘。流變參數(shù)的測量與計算旋轉粘度計的構造及工作原理： 內(nèi)簡和外筒為同心圓筒，測定時同時浸沒在鉆井液中，環(huán)隙1mm左右。當外筒以某一恒速旋轉時，帶動環(huán)隙里的鉆井液旋轉。由于鉆井液的粘滯性，使與扭簧連接在一起的內(nèi)筒轉動一個角度。據(jù)牛頓內(nèi)摩擦定律，轉角大小與鉆井液粘度成正比，鉆

23、井液粘度的測量就轉變?yōu)閮?nèi)簡轉角的測量。流變參數(shù)的測量與計算旋轉粘度計的測量步驟：（1）將剛攪拌好的泥漿倒入樣品杯刻度線處（350ml），立即放置于托盤上，上升托盤使液面至外筒刻度線處。擰緊手輪，固定托盤。如用其它樣品杯，筒底部與杯底之間不應低于。（2）迅速從高速到低速進行測量，待刻度盤讀數(shù)穩(wěn)定后，分別記錄各轉速下的讀數(shù)。（3）測靜切力時，應先用600轉/分攪拌10s，靜置10s鐘后將變速手把置于3轉/分，讀出刻度盤上最大讀數(shù)，即為初切力。再用600轉/分攪拌10s，靜置10min后將變速手把置于3轉/分，讀出刻度盤上最大讀數(shù)，即為終切力。（4）試驗結束后，關閉電源，松開托盤，移開量杯。（5）輕

24、輕卸下內(nèi)外筒，清洗內(nèi)外筒并且擦干，再將內(nèi)外筒裝好。 流變參數(shù)的測量與計算Fann氏粘度計剪切速率與轉子的關系：刻度盤上的讀數(shù)與剪切應力的關系：可以計算出不同轉速下的剪切速率。 r/min 600 300 200 100 6 3-1 1022 511 340.7 170.3 10.22 5.11 流變參數(shù)的測量與計算某一剪切速率下的表現(xiàn)粘度可用下式表示式中：流變參數(shù)的測量與計算 利用上式，可將任意剪切速率(或轉子的轉速)下測得的刻度盤讀數(shù)換算成表現(xiàn)粘度、常見的六種轉速的換算系數(shù)見表3-1賓漢塑性流體流變參數(shù)的測量與計算 為便于比較，在沒有特別注明某一剪切速率時，一般指測定600r/min的表觀粘

25、度： 由測得的600 r/min加n和300 r/min的刻度盤讀數(shù)，可分別利用以下兩式求得塑性粘度和動切力；賓漢塑性流體流變參數(shù)的測量與計算 此外，賓漢塑性流體的靜切力用以下方法測得:將經(jīng)充分攪拌的鉆井液靜置10s(或1min)，在3rmin的剪率下讀取刻度盤的最大偏轉值；再重新攪拌鉆井液，靜置10min后重復上述步驟并讀取最大偏轉值。最后進行以下計算；假塑性流體流變參數(shù)的測量計算 同樣地，由測得的600r/min和300r/min的刻度盤讀數(shù)，可分別利用以下兩式求得冪律模式的兩個流變參數(shù)，即流性指數(shù)(n)和稠度系數(shù)(K)： 以上兩式的推導過程如下：將冪律模式等號兩邊同時取對數(shù)，得到：假塑性

26、流體流變參數(shù)的測量計算lgkn=tgaalg 此方程為直線方程，代入上述測得的兩組數(shù)據(jù)就可聯(lián)立解 方程，得到上述兩組方程式假塑性流體流變參數(shù)的測量計算 注意：以上使用600和 300，計算的n、K值，其對應的剪切速率與鉆井液在鉆桿內(nèi)的流動情況大致相當。然而，泥漿工程師更關心的是環(huán)形空間的n、K值，因為它們直接影響鉆井液懸浮和攜帶鉆屑的能力，并且是計算環(huán)空壓降和判別流型的重要參數(shù)。為此，在實際應用中，有必要分段計算這兩個參數(shù)。赫謝爾巴爾克萊三參數(shù)流變模式 賓漢和冪律模式是廣泛應用于鉆并液工藝的兩個流變模式。隨著鉆井掖工藝和環(huán)空水力學理論的不斷發(fā)展，人們感到達兩個模式在實際應用中均存在著一定的局限

27、性，特別是不能較好地描述鉆撲液在高剪切速率下的流變性能。因此，相繼發(fā)展了幾種比較完善的流變模式。如卡森流變模式、赫謝爾巴爾克萊三參數(shù)流變模式等。 赫謝爾巴爾克萊三參數(shù)流變模式簡稱赫巴模式，又稱為帶有動切力(或屈服值)的冪律模式，或經(jīng)修正的冪律模式。1977年該模式首次用于鉆井液流變性的研究。其數(shù)學表達式為： n和K的意義與冪律模式相同。由于在冪律模式基礎上增加了動切應力，因而是一個三參數(shù)流變模式。 引入該模式的主要目的，是為了在較寬剪切速牢范圍內(nèi)，能夠比傳統(tǒng)模式更為難確地描述鉆井液的流變特性。是由于該模式比傳統(tǒng)模式多了一個參數(shù)，不如傳統(tǒng)模式應用方便，特別是由此而導出的水力學計算式相當繁瑣，因此

28、限制了它在現(xiàn)場的廣泛應用。目前，該模式僅在對流變參數(shù)測量精度要求較高時或室內(nèi)研究中使用。第三節(jié) 鉆井液流變性與鉆井作業(yè)的關系 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：(1)攜帶巖屑，保證井底和井眼的清潔；(2)懸浮巖屑與重晶石；(3)提高機械鉆速；(4)保持井眼規(guī)則和保證井下安全。因此，鉆井液流變性直接影響這一系列功能的發(fā)揮。對每口油氣井鉆井液流變參數(shù)的優(yōu)化設計和有效調(diào)控是鉆井液工藝技術的一個重要方面。鉆井液流變性與井眼凈化的關系 鉆井液的主要功用之一就是清洗井底并將巖屑攜帶到地面上來。鉆井液清洗井眼的能力除取決于循環(huán)系統(tǒng)的水力參數(shù)外，還取決于鉆井液的性能

29、，特別是其中的流變性能。根據(jù)噴射鉆井的理論，巖屑的清除分為兩個過程，一是巖屑被沖離井底，二是巖屑從環(huán)形空間被攜至地面。巖屑被沖離井底的問題涉及到鉆頭選型和井底流場的研究，屬于鉆井工程的范疇，這里只討論鉆井液攜帶巖屑的問題。在此，我們主要介紹三種流型攜帶巖屑原理：層流攜帶巖屑原理、紊流攜帶巖屑原理以及平板形層流的實現(xiàn)。層流攜帶巖屑的原理 首先討論一下鉆井液攜帶巖屑的基本原理。一方面鉆井液攜帶巖屑顆粒向上運動，另一方面巖屑顆粒由于重力作用向下滑落。在環(huán)形空間里，鉆井液攜帶巖屑顆粒向上運動的速度取決于流體的上返速度與顆粒自身滑落速度二者之差，即上式兩邊同除以vf得層流攜帶巖屑的原理 通常用此比值表示

30、井筒的凈化效率。顯然，提高凈化效率的途徑是：1、提高鉆井液在環(huán)空的上返速度；2、階低巖屑的滑落速度。但綜合考慮鉆井的成本利效益，上返速度不能大幅度提高。因此，如何盡量降低巖屑的滑落速度對攜巖至關重要。研究表明，巖屑的滑落速度除與巖屑尺寸、巖屑密度、鉆井液密度和流態(tài)等因素有關外，還與鉆井液的有效粘度成反比。層流攜帶巖屑的原理 為了研究巖屑在井筒內(nèi)上升的過程曾用破璃井筒進行實驗觀察，實驗中用扁平的圓形鋁片代替巖屑。結果表明，當鉆井液處于不同流態(tài)時，巖屑上升的機理各不相同的。層流時巖屑受力情況見右圖：層流攜帶巖屑的原理 很顯然，層流形態(tài)攜帶巖屑時，巖屑總體上有一個上升趨勢，另一方面，巖屑自身可能發(fā)生

31、旋轉并相對下降現(xiàn)象。這種現(xiàn)象是不利于鉆井液將巖屑及時快速的攜帶出地面。實驗結果，還表明，鉆柱轉動對層流攜帶巖屑是有利的、因為鉆柱轉動改變了層流時液流的速度分布狀況，使靠近鉆柱表面的液流速度加大，巖屑以螺旋形上升。層流攜帶巖屑的原理片狀巖屑在層流時上升的情況(鉆柱不轉動）片狀巖屑在層流時上升的情況(鉆柱轉動）紊流攜帶巖屑的原理 如右圖所示，鉆井液在作紊流流動時，巖屑不存在轉動和滑落現(xiàn)象，幾乎全部都能攜帶到地面上來，環(huán)形空間里的巖屑比較少。但是紊流攜巖也有一些缺點，主要表現(xiàn)在： (1)巖屑在紊流時的滑落速度比在層流時大，這就要求鉆井液的上返速度高，泵的排量大。但這要受到泵壓和泵功率的限制，特別是當

32、井眼尺寸較大、井較深以及鉆井液粘度、切力較高時，更加難以實現(xiàn)。 紊流攜帶巖屑的原理 (2)由于沿程壓降與流速的平方成正比，功率損失與流速的立方成正比所以用紊流攜巖還會使鉆頭的水馬力降低，不利于噴射鉆井。 (3)紊流時的高流速對井壁沖蝕嚴重，不能很好地形成泥餅，容易引起易場地層井壁垮榻。 因此，紊流撓巖常常受到各種條件的限制，不是隨便可以采用的。 平板形層流的實現(xiàn) 紊流攜巖的這些限制條件促使人們重新思考如何在層流狀態(tài)下解決攜帶巖屑的問題，顯然，其技術關鍵在于如何消除上述的巖屑轉動現(xiàn)象。解決問題的途徑則是設法改變層流時過水斷面尖峰形流速分布，用平板型層流來代替尖峰型層流即可達到上述目的。 平板形層

33、流的實現(xiàn) 平板形層流的實現(xiàn) 水力學計算結果表明，塑性流體層流時流核直徑可由下式計算： 平板形層流的實現(xiàn) 從上式可以看出，在一定尺寸的環(huán)形空間里，流動剖面平板化的程度，即流核直徑的大小與動塑比及上返速度有關。動塑比的影響程度更大，該比值越高，則平板化程度越大。按式上式計算流核尺寸的一個實例如圖319所示，它充分說明該比值對鉆井液在環(huán)形空間流態(tài)的影響。由此可見，通過調(diào)節(jié)鉆井液的流變性能，增大動塑比便可使鉆井液的流核尺寸增大,從尖峰型層流轉變?yōu)槠桨逍蛯恿鳌?平板形層流的實現(xiàn) 平板形層流的實現(xiàn)如果鉆井液按假塑性流型來考慮，還可得到環(huán)形空間流態(tài)與鉆井液流性指數(shù)之間的關系，如圖320所示。將以上兩圖進行比

34、較后不難看出，減小n值如同提高動塑比，也可使環(huán)空液流逐漸轉變?yōu)槠桨逍蛯恿鳌?平板形層流的實現(xiàn) 相對于尖峰型層流和紊流來說，平板型層流具有以下特點： (1)可實現(xiàn)用環(huán)空返速度較低的鉆井液有效地攜帶巖屑。 （2）降低了鉆井液在鉆柱內(nèi)和環(huán)空內(nèi)的阻力損失，為使用小井眼噴射鉆頭、合理充分利用水力功率、大幅度提高鉆速創(chuàng)造了條件。 (3)解決了低粘度鉆井液有效攜巖的問題，為普遍推廣使用低固相不分散聚合物鉆井液提供了流變學上的依據(jù)。 (4)避免了鉆井液處于紊流狀態(tài)叫對井壁的沖蝕。有利于保持井壁穩(wěn)定。 平板形層流的實現(xiàn) 為了使動塑比達到要求，常采取以下措施和方法： (1)選用XC生物聚合物、HEC、PHP和FA

35、367等高分子聚合物作為主處理劑。 (2)通過有效地使用固控設備。除去無用固相，降低固體顆粒濃度，以達到降低鉆井液塑性粘度、提高動塑比的目的。 (3)在保證鉆井液性能穩(wěn)定的情況下、通過適量地加入石灰、石膏、氯化鈣和食鹽等電解質，以增強體系中固體顆粒形成網(wǎng)架結構的能力。鉆井液流變性與井壁穩(wěn)定的關系 紊流對井壁有較慢的沖蝕作用，容易引起易塌地層垮塌，不利于井壁穩(wěn)定。其原因是紊流時液流質點的運動方向是紊亂的和無規(guī)則的，而且流速高，具有較大的動能。因此，在鉆井液循環(huán)時,一般應保持在層流狀態(tài)，而盡量避免出現(xiàn)紊流。要做到這一點，需要比較準確地計算鉆井液在環(huán)空的臨界返速。對于非牛頓流體，一般采用綜合雷諾數(shù)R

36、e來判別流態(tài)。將鉆井液作為塑性流體考慮，當綜合雷諾數(shù)Re2000時為紊流。因此按Re2000，即可推導出計算臨界返速的公式。鉆井液流變性與井壁穩(wěn)定的關系 按Re2000，推導出計算臨界返速的公式為：計算出臨界返速之后。則可對鉆井液的流態(tài)進行判斷。若實際環(huán)空返速大于臨界返速為紊流，反之則為層流。鉆井液流變性與井壁穩(wěn)定的關系臨界返速很大程度上受鉆井液的密度、塑性鉆度和動切力的影響。以三種不同密度的鉆井液為例，計算結果表明，隨著鉆井液密度、塑性粘度和動切力的減小，臨界流速明顯降低，即更容易形成紊流。因此，在調(diào)整鉆井液流變參數(shù)和確定環(huán)空反速時，既要考慮攜巖問題，同時又要考慮到鉆井液的流態(tài)，使井壁保持穩(wěn)定。鉆井液流變性與懸浮巖屑、加重劑的關系鉆進過程中，鉆井液會多次停止循環(huán)。此時，要求鉆井液體系內(nèi)能迅速形成空間網(wǎng)架結構，將巖屑和加重劑懸浮起來，或以很小的速度下沉，而開泵時泵壓又不能上升太高，以防憋漏地層。提供懸浮能力的決定因素是鉆井液的靜切力和觸變性。 懸浮巖屑和加重劑所需要的靜切力可以用以下方法進行近似計算：假設巖屑和加重劑顆粒為球形，根據(jù)它們的重力與鉆井液對它們的浮力和豎向切力相平衡的關系，以得到如下公式：鉆井液流變性與懸浮巖屑、加重劑的關系所以，需要的靜切力為：鉆井液流變性與井內(nèi)液柱壓力激動的關系