鉆井液完井液化學(xué)3、4章

1第三章、鉆井液的流變性

Chapter3TheRheologyofDrillingFluids本章要求重點(diǎn)掌握：1.幾種流型的概念和數(shù)學(xué)模型。2.流變參數(shù)的膠體化學(xué)性質(zhì)。3.流變性測量原理和流變參數(shù)直讀公式。4.鉆井液流變性與鉆井工程的關(guān)系。5.鉆井液流變性能的調(diào)節(jié)與維護(hù)。2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(diǎn)的流動參量不隨時(shí)間改變，但不同點(diǎn)的流動參量可以不同的流動。特點(diǎn)：穩(wěn)定流動是連續(xù)性的。不穩(wěn)定流：流場中任何點(diǎn)的流動參量不但隨位置不同而變，而且隨時(shí)間不同也在改變的流動。特點(diǎn)：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(shí)；管道橫斷面變寬、變窄處。3穩(wěn)定流動類型的變化塞流PlugFlow---流體象塞子一樣流動，流速為常數(shù).穩(wěn)定流層流LaminarFlow---流體分層運(yùn)動。任意流層與相鄰流層方向相同，流速不同。紊流TurbulentFlow---流體內(nèi)形成無數(shù)小旋渦。任一定點(diǎn)的流速，其大小、方向都在進(jìn)行著不規(guī)則的、連續(xù)的變化。塞流層流紊流42.基本概念（預(yù)備知識）

剪切速率

ShearRate同義名稱：速梯、剪率、切變率，流速梯度。常用符號：γ、D、dv/dr定義：γ=dv/dr=垂直于流動方向上單位距離內(nèi)的流速增量。意義：dv/dr增大，液流各層間的速度變化大；反之則小。單位：γ=速度/距離=cm/s/cm=1/s=s-1鉆井液循環(huán)系統(tǒng)中各部位剪切速率范圍為:沉砂罐處：10~20s-1

環(huán)形空間：50~250s-1

鉆桿內(nèi)部：100~1000s-1

鉆頭水眼：1000~7000s-15

剪切應(yīng)力

ShearStress同義名稱：剪應(yīng)力、切應(yīng)力。常用符號：τ定義：τ=F/A=液層單位面積上的剪切力。意義：τ越大，液流各層所受的作用力越大；反之，越小。剪切應(yīng)力內(nèi)摩擦力單位：τ=F/A=dyn/cm2；Pa。

1Pa=1N/m2=10dyn/cm26

流變曲線

ConsistencyCurve定義：速梯與切應(yīng)力關(guān)系曲線。表示方法：三種表示法。000ττγγQ；V；nP；P；7

粘度

Viscosity同義名稱：有效粘度、視粘度。常用符號：η定義：η=τ/γ(單位剪切速率的剪切應(yīng)力)。單位：η=τ/γ=dyn/cm2/s-1=dyn.s/cm2=泊

1泊=

100cp=100mPa.s=1dyn.s/cm2=0.1Pa.s8幾何意義1.流變曲線上某點(diǎn)與原點(diǎn)相連直線斜率的倒數(shù)ηA=1/tg=τA/γA

越大，η越小圖中：ηA<ηB2.流變曲線上某點(diǎn)與原點(diǎn)相連直線的斜率ηA=tg=τA/γA

越大，η越大圖中：ηA>ηB0τγAB21τγ0AB219漏斗粘度

FunnelViscosity定義：定體積泄流時(shí)間。單位：秒；s類型：馬氏漏斗粘度MarshFunnelViscosity定義：1500ml流出946ml的時(shí)間。標(biāo)準(zhǔn)：清水測量值：26±0.5s中國漏斗粘度定義：700ml流出500ml的時(shí)間。標(biāo)準(zhǔn)：清水測量值：15±0.5s10漏斗粘度反映流變性的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：簡單易行缺點(diǎn)：測定過程中流速梯度在變化沒有考慮流體密度的影響11剪切稀釋性

——鉆井液的有效粘度隨剪切速率增加而降低的現(xiàn)象。特點(diǎn)：剪切速率是變量；粘度是變量?？捎肶P/PV,n,Im等來表征。12第二節(jié)、基本流型及其分析一、流體分類根據(jù)“應(yīng)力~

應(yīng)變（流動）（τ~γ）”關(guān)系，將流體分為：13二、流體分析

對流體研究對象的基本假設(shè)：

連續(xù)介質(zhì)均質(zhì)性不可壓縮性層流141、牛頓內(nèi)摩擦定律與牛頓流體牛頓內(nèi)摩擦定律τ=F/A=η(dv/dr)η—表征流體粘性的比例系數(shù)，簡稱牛頓粘度。

F—內(nèi)摩擦力。牛頓流體流變性符合牛頓內(nèi)摩擦定律的流體。類型舉例：水、甘油、單相液體等。流變曲線：通過原點(diǎn)的直線。特點(diǎn)：η=τ/γ=C（常數(shù)）

Frdvdrrτ0稠液體稀液體152.非牛頓流體剪切應(yīng)力與剪切速率不呈線形關(guān)系的流體。（1）流變特性與時(shí)間無關(guān)的非牛頓流體特點(diǎn)：τ與γ呈單值對應(yīng)關(guān)系。

塑性流體

PlasticFluids數(shù)學(xué)模型：τ=τ0+ηs

γ流變曲線：在切應(yīng)力軸有截距的直線。流變參數(shù)：

動切應(yīng)力

YieldStress同意名稱：屈服值、屈服點(diǎn)。定義：流體開始呈現(xiàn)層流流動時(shí)所需要的剪切應(yīng)力。常用符號：τ0；YP單位：dyn/cm2、Pa幾何意義：直線截距的切應(yīng)力值。

γττ00塑性體16

塑性粘度

PlasticViscosity定義：塑性流體與其結(jié)構(gòu)強(qiáng)弱無關(guān)的粘度。常用符號：ηs、PV單位：公制：dyn.s/cm2、泊、厘泊。國際：Pa.s、mPa.s模式討論τ-τ0=ηsγ或者η=ηs+τ0/γ優(yōu)點(diǎn)：

γ0，ττ0

能夠反映多數(shù)鉆井液具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)情況。

γ，η能夠反映多數(shù)鉆井液的剪切稀釋性。

γ，ηηs能夠反映出鉆井液的極限粘度。缺點(diǎn)：低剪切速率下：τ實(shí)>τ賓表明模型擬合實(shí)際曲線有較大偏差.17真實(shí)泥漿與不同流型的比較r00s鉆井液賓漢流體假塑性流體18假塑性流體

PseudoplasticFluids流變模式：τ=Kγn流變曲線：過原點(diǎn)凸向切應(yīng)力軸的曲線。流變參數(shù)：

稠度系數(shù)

K意義：反映流體的粘滯性。K越大，流體越難流動。單位：dyn.sn/cm2

流型指數(shù)

n意義：偏離牛頓流體的程度。模式討論τ=Kγn

或者η=Kγn-1γ0，τ0不符合大多數(shù)鉆井液具有屈服應(yīng)力的特點(diǎn)。γ，η能夠反映鉆井液的剪切稀釋性。γ，η0無極限粘度，不符合鉆井液情況。

τ0rn﹤1n﹥119

卡森流體Cassonfluid流變模型：τ1/2=τc1/2+η1/2γ1/2流變曲線：γ1/2~τ1/2

作圖，為一條直線。γ~τ作圖，為直線與曲線之和。模式討論τ1/2=τc1/2+η1/2γ1/2γ0，ττc

能夠反映多數(shù)鉆井液具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)情況。γ，η能夠反映多數(shù)鉆井液的剪切稀釋性。γ，ηη

能夠反映出鉆井液的極限粘度。

Im=η1/η

ττc00τ1/2τc1/2r1/2r20赫－巴流型流變模式說明對于動切力較高的聚合物鉆井液，特別是在環(huán)空較低剪切速率下，它往往比賓漢模式和冪律模式更接近于鉆井液的流變性。因其為三參數(shù)方程，參數(shù)計(jì)算較復(fù)雜。21(2)流變特性與時(shí)間有關(guān)的非牛頓流體特點(diǎn)：τ=f(γ，t）

觸變性流體

Thixotropy實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：流體搖動并靜止后形成凝膠，再次搖動后恢復(fù)到原有狀態(tài)。通俗定義：恒溫恒壓下，流體攪拌后變稀，靜止后變稠的特性。一般定義：在一定速梯下，剪切應(yīng)力隨作用時(shí)間增加而減小的特性。膠化定義：等溫情況下，流體狀態(tài)發(fā)生凝膠溶膠凝膠可逆轉(zhuǎn)變的特性。0ηt牛頓體震凝體觸變體22

觸變性機(jī)理流體內(nèi)部的粘土粒子因其物化原因易形成網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。靜止后：粒子為了滿足表面靜電飽和，在自由能最小部位自行排列而形成凝膠結(jié)構(gòu)。攪拌時(shí)：網(wǎng)架結(jié)構(gòu)逐步被拆散。顯然，凝膠結(jié)構(gòu)=f(固含、固相類型、溫度、時(shí)間、剪切過程、處理劑類型）觸變性的兩個(gè)特點(diǎn)：A.形成結(jié)構(gòu)到拆散結(jié)構(gòu)，或反之，在等溫情況下是可逆的，可重復(fù)的。B.結(jié)構(gòu)的變化與時(shí)間緊密相關(guān)。靜置靜置攪拌攪拌23

觸變性的表示和測量表示原理：用流體恢復(fù)內(nèi)部網(wǎng)架結(jié)構(gòu)所需時(shí)間和最終的靜切應(yīng)力大小表示。表示方法：觸變性=初切力/終切力（旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)或浮筒切力計(jì)）觸變環(huán)面積大小.具體表示：觸變性=初切力/終切力=10秒鐘靜切力/10分鐘靜切力

=τ10“/τ10’=G10”/G10’較快的強(qiáng)凝膠較慢的強(qiáng)凝膠較快的弱凝膠較慢的弱凝膠τsτstt平坦型凝膠遞增型凝膠良好型凝膠脆弱型凝膠24浮筒切力計(jì)25(補(bǔ)充)

鉆井液流變參數(shù)的膠體化學(xué)性質(zhì)學(xué)習(xí)意義：分散介質(zhì)間吸引力。流變性=f(流動阻力）分散相與介質(zhì)粘附力。反映鉆井液自身結(jié)構(gòu)強(qiáng)弱分散相之間吸力、斥力。（可通過化學(xué)處理改變）即：化學(xué)處理改變體系內(nèi)部結(jié)構(gòu)（膠化性質(zhì)）改變流動阻力改變鉆井液流變性因此，通過鉆井液流變性變化，可以分析：化學(xué)處理劑作用后，鉆井液體系中分散相結(jié)構(gòu)的微觀變化。鉆井液體系的穩(wěn)定性。尋求符合生產(chǎn)實(shí)際所需要的鉆井液配方，滿足鉆井工程的需要。26一、鉆井液的靜切應(yīng)力和動切應(yīng)力1.靜切力τs定義：鉆井液靜止后形成的凝膠結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。鉆井液從靜止到開始塞流流動所需要的最小剪切應(yīng)力。影響因素：單個(gè)鏈環(huán)的強(qiáng)度——顆粒間引力——電位、水化膜厚度。結(jié)構(gòu)鏈環(huán)數(shù)目/單位體積（結(jié)構(gòu)密度）——顆粒濃度、分散度。調(diào)整方法：升τs——提高c、分散度，降低、水化膜厚度。降τs——與上相反。27靜切力的實(shí)際應(yīng)用（1）懸浮巖屑和加重材料懸浮巖屑（球形）所需靜切力為：

τs（dyn/cm2)=980d(巖-漿）/6

d----顆粒直徑，cm經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)：初切力=2~6Pa時(shí)，可達(dá)到良好的懸浮能力。終切力=2初切力，屬于良好型觸變體。終切力=5初切力，屬于遞增型觸變體。此時(shí)，會造成泵壓過高，易壓漏地層。（2）影響井內(nèi)液柱壓力激動（閱讀）。G=重力-浮力τs282.動切應(yīng)力τ0（YP）定義：鉆井液開始作層流流動時(shí)，必須要的最小剪切應(yīng)力。實(shí)質(zhì)：賓漢模式中的一個(gè)流變參數(shù)。沒有準(zhǔn)確的物理意義,不能直接測定出,但可計(jì)算出其大小.τ0與τs的區(qū)別：

τ0為層流流動條件下固體顆粒之間吸引力的量度；

τs為靜止條件下固體顆粒之間吸引力的量度；29影響因素（類似于靜切力）：單個(gè)鏈環(huán)的強(qiáng)度——顆粒間引力——電位、水化膜厚度。結(jié)構(gòu)鏈環(huán)數(shù)目/單位體積（結(jié)構(gòu)密度）——顆粒濃度、分散度。調(diào)整方法：升τo——提高c、分散度，降低及水化膜厚度，加增粘劑。降τo——沖稀、加降粘劑拆結(jié)構(gòu)。30二、鉆井液的粘度1.有效粘度（視粘度）定義：η=τ/γ意義：鉆井液作層流流動時(shí)，有效粘度等于以下四部分內(nèi)摩擦力的微觀統(tǒng)計(jì)結(jié)果：固~固顆粒間內(nèi)摩擦阻力；固~液相分子間內(nèi)摩擦阻力；液~液分子間內(nèi)摩擦阻力；固相結(jié)構(gòu)~液相分子間內(nèi)摩擦阻力；幾種流體（模式）表示的有效粘度：賓漢體：η=ηs+τ0/γ

假塑性體：η=K(γ)n-1

卡森體：η=[(η)1/2+(τc/γ）1/2]2312.賓漢體的塑性粘度ηs定義：層流流動時(shí)，流體內(nèi)部網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的破壞與恢復(fù)處于動態(tài)平衡時(shí)，以下三部分內(nèi)摩擦力的微觀統(tǒng)計(jì)結(jié)果：固~固顆粒間內(nèi)摩擦阻力；固~液相分子間內(nèi)摩擦阻力；液~液分子間內(nèi)摩擦阻力；特點(diǎn)：ηs不隨dv/dr變化而變化。影響因素：固相含量：固含ηs

；分散度：分散度ηs

；液相粘度：液相粘度ηs

；調(diào)整ηs

的方法：根據(jù)影響因素升、降ηs

。323.假塑性體的n、k稠度系數(shù)k：k=f(液相、固相含量及其性質(zhì)）流性指數(shù)n：n=f(內(nèi)部結(jié)構(gòu)強(qiáng)弱）

n反映了流體的非牛頓性強(qiáng)弱，n越小，流體非牛頓性越強(qiáng)。降k值方法（提k方法相反）：降低固體含量；稀釋或者除砂；調(diào)整n值方法：降

n——加入活性膨潤土、無機(jī)鹽、高分子聚合物等；提n——加入清水、降粘劑等；33牛頓流體τ=ηγ塑性流體τ=τ0+ηsγ假塑性流體τ=Kγn卡森流體τ1/2=τc1/2+η1/2γ1/2常見流型及流變曲線34第三節(jié)、鉆井液流變參數(shù)的確定一、旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)原理和基本計(jì)算公式基本假設(shè)：所測液體為牛頓流體，在600rpm下為層流。1.內(nèi)、外筒式旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)原理內(nèi)外筒之間充滿被測鉆井液，當(dāng)外筒旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于流體的粘性帶動同軸內(nèi)筒轉(zhuǎn)動，使扭力彈簧扭轉(zhuǎn)一定角度至平衡為止，由此反應(yīng)不同流體的剪切應(yīng)力大小。因?yàn)閮?nèi)、外筒尺寸和外筒轉(zhuǎn)速確定了內(nèi)筒外表面的剪切速率，而讀值大小反映內(nèi)筒外表面的剪切應(yīng)力，所以，可根據(jù)測得的“τ~γ”關(guān)系計(jì)算鉆井液的流變參數(shù)。r1drr2r1r2Lh35旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)362、基本計(jì)算公式推導(dǎo)：設(shè)外筒轉(zhuǎn)速為n時(shí),半徑為r的液層的角速度為ω

則角速度梯度為:dω/dr

線速度梯度為:rdω/dr據(jù)牛頓內(nèi)摩擦定律，則半徑為r的液層轉(zhuǎn)動所需的力為：

F=η(2лrh)rdω/dr維持外筒恒速轉(zhuǎn)動的力矩為:M=r?F=2лhηr3dω/dr37變換后代入邊界條件積分:∫r1r2Mdr/r3=∫0Ω2лhηdω

式中Ω為外筒轉(zhuǎn)動角速度:Ω=2лn/60(弧度/秒)積分后：η=M(r22-r12)/4лh

r12r22

Ω(1)作用于內(nèi)筒表面單位面積上的力：

τ=M/r1S內(nèi)=M/(2πr12h)(2)(2)/(1)則內(nèi)筒表面液流的速度梯度為：

γ=τ/η=2r22/(r22-

r12)=πr22n/[15(r22-

r12)]（3）式中:——外筒旋轉(zhuǎn)角速度；

n——外筒每分鐘轉(zhuǎn)速；

r1、

r2——內(nèi)、外筒半徑;

M——維持外筒旋轉(zhuǎn)的力矩.38儀器的r1、r2、h為定值當(dāng)（n）一定時(shí)，則γ為定值；M可測出，M=mф

Ф為讀值，格；

m為扭力彈簧每轉(zhuǎn)動一格所代表的扭矩。測出一組n(γ)ф(M、τ)39二、鉆井液流變參數(shù)的確定1.儀器參數(shù)的確定常用儀器：Fann-35型旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)。儀器參數(shù)：

r2r1r2/r1hфmcmcmcm格dyn.cm/格

1.84151.72451.06783.8300380

將儀器參數(shù)代入

γ=πr22n/[15(r22-r12)]中，得到：γ=1.703n利用該式，可以計(jì)算出不同轉(zhuǎn)速下的剪切速率。

n.rpm60030020010063r.s-11022511340.7170.310.225.1140又根據(jù)測定扭距M=mф，得到儀器最大測定扭距：Mmax=300380=114000dyn.cm將其代入τ=M/(2πr12h)，得：τmax=1533dyn/cm2由此可得到儀器系數(shù)：C=τmax/ф=1533/300=5.11dyn/cm2/格綜上可見，我們已經(jīng)得到了如下公式：

τ=Cф=5.11фγ=1.703n因此，可以利用以上關(guān)系導(dǎo)出鉆井液流變參數(shù)的計(jì)算公式。41流變參數(shù)計(jì)算例：賓漢模式：解方程組τ1=τ0+ηsγ1τ2=τ0+ηsγ2得到η

s=(τ2-τ1)/(γ2-γ1)τ0=(τ1

γ2-τ2

γ1)/(γ2-γ1)指數(shù)模式:解方程組

τ1=kγ1nτ2=kγ2n

得到:n=(lgτ2-lgτ1)/(lgγ2-lgγ1)

k=10(lgτ1lgγ2-lgτ2lgγ1)/(lgγ2-lgγ1)

422.不同流體的流變參數(shù)直讀公式

AV(η')=ф600/2mPa.s

牛頓流體

NewtonianFluids：

η=ф300=ф600/2mPa.s

賓漢塑性流體

BinghamFluidsPV(ηs)=ф600-ф300mPa.s

YP(τ0)=0.511(ф300-ηs)Pa

43假塑性體

PowerLawFluidsn=3.322lg(ф600/ф300)K=0.511ф300/511nPa.sn卡森流體

CassonFluids

η=1.43(ф6001/2-ф1001/2)2

mPa.s

τc=0.24(2.45ф100

1/2-ф6001/2

)2Pa靜切力:?=0.511ф3Pa44赫-巴流體流變參數(shù)計(jì)算45例題用Fann-35旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測出某鉆井液的ф600=52，ф300=35，則：AV=ф600/2=26mPa.sPV=ф600-ф300=17mPa.sYP=0.511(ф300-ηs)=9.2Pan=3.322lg(ф600/ф300)=0.57K=0.511ф300/511n=0.511Pa.s0.5746測定時(shí)應(yīng)注意的問題:1、應(yīng)快速從高速檔測到低速檔；2、初切力和終切力的測定應(yīng)在600rpm下攪拌1分鐘后分別靜置10S和10min后讀取Ф3的最大值；3、有時(shí)需攪拌加溫后測定。47思考題1、旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)以牛頓內(nèi)摩擦定律為基礎(chǔ)，為何可用來測定非牛頓流體的流變特性？2、旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)的端面效應(yīng)對測試結(jié)果有何影響？48第四節(jié)、鉆井液流變性能與鉆井工程的關(guān)系

鉆井液流變性能與鉆井工程的關(guān)系主要體現(xiàn)在下列幾個(gè)方面：

影響鉆井速度；影響環(huán)空攜帶巖屑能力；影響井壁穩(wěn)定；影響巖屑和加重物質(zhì)的懸浮；影響井內(nèi)壓力激動；影響鉆進(jìn)泵壓和排量；影響固井質(zhì)量。可以說影響鉆井工程的各個(gè)環(huán)節(jié)。491.影響鉆井速度

Eckel指出，在其它因素不變時(shí)，鉆速與鉆頭處雷諾數(shù)的0.5次方成正比：Vm=f(Ne)1/2

設(shè)有兩種鉆井液，鉆速的表達(dá)式為：Vm2=Vm1(Ne2/Ne1)1/2

因?yàn)槠渌蛩夭蛔儠r(shí)，雷諾數(shù)與鉆井液粘度成反比：Nedv/

對于賓漢塑性體：Nedv/s

所以：Vm2=Vm1(s1/s2)1/2

該式說明了鉆井液的流變參數(shù)對鉆速的影響關(guān)系。50舉例某鉆井液的塑性粘度s為32mPa.s，平均鉆速為6米/小時(shí)，在不改變其它因素時(shí)，降低s到8mPa.s，則鉆速變化為：Vm2=6(32/8)1/2=12米/小時(shí)

鉆速提高2倍。如果鉆進(jìn)1000米井段，用32mPa.s的鉆井液要用100小時(shí)，則用8mPa.s的鉆井液只需要50小時(shí)。512.影響環(huán)空巖屑攜帶對巖屑輸送比的影響巖屑輸送比：Rt=(V-Vs)/V=1-Vs/V

井眼凈化良好的條件：Rt0.5即：V2Vs

式中，Rt——巖屑輸送比；

V——鉆井液平均上返速度；V=12.7Q/(D22-D12)

Vs——巖屑顆粒沉降速度；Vs與顆粒雷諾數(shù)Re相關(guān)。當(dāng)Re3時(shí)，Vs=326800ds2(s-f)/

當(dāng)3<Re<300，Vs=7.13ds(s-f)0.667/(f)0.333

當(dāng)Re>300時(shí)，Vs=2.95[ds(s-f)/f]1/2

由此可見，井眼凈化與鉆井液流變性能中的有效粘度緊密相關(guān)。5253影響層流條件下巖屑攜帶層流攜帶巖屑的特點(diǎn)：巖屑翻轉(zhuǎn)上升。層流攜帶巖屑缺陷的實(shí)質(zhì)：力矩效應(yīng)。改進(jìn)方法：將尖峰形改為平板形層流。平板形層流攜巖原理：流核直徑：由上式可見，τ0/s，d0鉆井液流速剖面變平坦翻轉(zhuǎn)力矩效應(yīng)減小。F2F1Ld0dD5455鉆井液有效地?cái)y帶巖屑的流變參數(shù)取值范圍：對于賓漢流體：

τ0/s=3.6~4.78dyn/cm2/mPa.s

τ0/s=0.36~0.478Pa/mPa.s

τ0=1.5~3Pa對于假塑性體：根據(jù)ф600/ф300=1022n/511n=2n，得到動塑比與流型指數(shù)的關(guān)系：

τ0/s=0.5（ф300-s）/（ф600-ф300

）=（1-2n-1）/(2n-1)

因此，n=0.4~0.7對于卡森流體：τc=1.0~2.5Pa

注意：提高τ0/s的關(guān)鍵是降低塑性粘度s

。

563.影響井壁穩(wěn)定

鉆井液流變性對井壁穩(wěn)定的影響主要是指對井壁的沖蝕作用。Walker定義用侵蝕指數(shù)EI表示：

層流時(shí)：EI=τ0+12sV/(D2-D1)+0.5τ0EI=s[τ0/s+12V/(D2-D1)+0.5τ0/s]EI值越大，沖蝕性越強(qiáng)。由上面公式可見鉆井液流變參數(shù)對其影響關(guān)系。574.影響巖屑和加重物質(zhì)的懸浮在牛頓流體中的顆粒只要其密度大于流體密度，就必然會以一定速度下沉。但是，巖屑顆粒在鉆井液中的情況卻不同。由于靜切力和動切力的存在，即使顆粒密度大于鉆井液密度，顆粒也不會發(fā)生沉降。只有當(dāng)顆粒與流體滿足一定條件時(shí)，顆粒才會下沉。因此，顆粒除了自然沉降外，還具有一種切應(yīng)力懸浮狀態(tài)。流體靜止?fàn)顟B(tài)下的靜應(yīng)力懸浮狀態(tài)懸浮巖屑（球形）所需靜切力為：

τs（dyn/cm2)=980d(巖-漿）/6

由上式可以計(jì)算靜止?fàn)顟B(tài)下，懸浮巖屑顆粒所需要的靜切應(yīng)力。G=重力-浮力τs58流體運(yùn)動狀態(tài)下的動切應(yīng)力懸?。ㄩ喿x）巖屑顆粒在鉆井液中的沉降速度為：Vs=ds[0.0702gds(s-f)-τ0]若顆粒處于臨界狀態(tài)，有0.0702gds(s-f)-τ0=0即顆粒懸浮的臨界條件為：

s/f=14.25τ0/(gdsf)+1顆粒懸浮的判別準(zhǔn)則為：s/f14.25τ0/(gdsf)+1

在鉆井工程中，尤其是在水平井的施工中，動切應(yīng)力的懸浮作用對于避免巖屑沉積是非常有益的。習(xí)題4、5、860第四章、鉆井液的濾失和潤滑性能

TheFiltrationPropertiesandLubricity

ofDrillingFluids

本章要求：

1.掌握三個(gè)（瞬時(shí)、靜、動）失水概念。

2.了解失水造壁性與鉆井工程的關(guān)系。

3.掌握靜失水方程及其影響因素。

4.了解鉆井液潤滑性參數(shù)及測定方法。61第一節(jié)鉆井液的失水造壁性能62一、失水造壁性的基本概念1.水基鉆井液中的水水基鉆井液=水+固相+處理劑鉆井液中的水由三部分組成：結(jié)晶水（化學(xué)結(jié)合水）

——粘土礦物晶體構(gòu)造的組成部分。吸附水（束縛水）

——被固相顆粒吸附的水。自由水

——鉆井液中可自由運(yùn)動的水。特點(diǎn)：占總水量中的絕大部分。吸附水結(jié)晶水自由水632.濾失與造壁性的概念為了防止地層流體進(jìn)入井內(nèi)，鉆井液液柱壓力必須大于地層流體的壓力，同時(shí)，地層具有一定的滲透性，因此，鉆井液總是趨向于向地層漏失或?yàn)V失。濾失——

鉆井液中只有液相進(jìn)入地層的現(xiàn)象。漏失——

鉆井液的固相和液相都要進(jìn)入地層的現(xiàn)象。失水——

鉆井液中的自由水在壓差作用下向地層或?yàn)V膜濾失滲透的過程。642.濾失與造壁性的概念泥餅(濾餅)——

鉆井液濾失過程中留在井壁或者濾膜上的物質(zhì)(在井下有內(nèi)泥餅和外泥餅之分)。造壁性——

鉆井液在井壁形成泥餅(濾餅)封堵、保護(hù)井壁的能力。65鉆井液濾失示意圖66673.井下失水過程時(shí)間累計(jì)失水量ToT1T2T3T4T5T6

V瞬

V動

V靜h=0hh=chhh=c68

瞬時(shí)失水SpurtLoss——

濾餅尚未完全形成之前很短時(shí)間內(nèi)的失水(量)。特點(diǎn)：時(shí)間短（t<2秒)；比例小;大小與鉆井液中固相級配、含量、壓差、地層滲透率、孔隙度等有關(guān)69

動失水DynamicFiltration

——

鉆井液循環(huán)時(shí)的失水(量)。特點(diǎn)：泥餅形成、增厚與沖蝕，泥餅由高滲透率低滲透率,趨于一常數(shù)；重新開泵時(shí),泥餅變薄，泥餅由低滲透率高滲透率，直至一常數(shù)；失水速率大、失水量大。70

靜失水StaticFiltration——

井下：鉆井液停止循環(huán)后的失水(量)?！?/p>

室內(nèi)：指定靜態(tài)條件下，靜失水儀器測得的失水(量)。特點(diǎn)：失水速率小；靜失水量占總失水的比例較小；泥餅逐漸增厚（無沖蝕作用）。71二、失水造壁性與鉆井工作的關(guān)系1.失水量過大危害：導(dǎo)致水敏性泥頁巖縮徑、垮塌。油氣層內(nèi)粘土水化膨脹使產(chǎn)層滲透率下降，從而損害油氣層。

2.泥餅過厚

危害：井徑縮小——

易引起起下鉆遇阻、遇卡。泥餅粘附卡鉆。扭矩增大。易出現(xiàn)泥包現(xiàn)象。影響固井質(zhì)量。72對失水造壁性的一般要求泥餅——

薄、密、韌。失水量——

適當(dāng)（并非越小越好）。對于一般地層：API失水：1015ml/30min；

對于水敏地層：API失水<5ml/30min。73中壓濾失儀高溫高壓濾失儀3、濾失量測定74濾失量測定條件API中壓失水時(shí)間：30分鐘壓差：100psi濾失面積：45.2cm2溫度:室溫HTHP失水時(shí)間：30分鐘壓差：500psi濾失面積：22.6cm2溫度:120oC、150oC、180oC……754.控制失水量原則：五嚴(yán)五寬五嚴(yán)：井深、裸眼長、礦化度低、油氣層段、易塌層段；五寬：井淺、裸眼短、礦化度高、非油氣層、穩(wěn)定井段。76三、鉆井液的靜失水（濾失）StaticFiltration1.靜失水方程假設(shè)條件：泥餅厚度h<<井眼直徑；濾失過程為線性關(guān)系（濾失過程中濾餅滲透率K為常數(shù)）；濾失在恒溫恒壓條件下進(jìn)行。靜失水方程推導(dǎo)：利用達(dá)西滲濾公式：

(1)

式中，vf

——濾失量，cm3；t——濾失時(shí)間，s；

k——

泥餅滲透率，darcy;P——濾失壓力,kg/cm2;——

濾液粘度，mPa.s；h——泥餅厚度，cm；

A——

濾失面積，cm2。77

假設(shè)一定體積的鉆井液Vm全部濾失完，則在Vm當(dāng)中，有Vf的濾液體積從Vm中擠壓出去，剩下的泥餅體積為Vc，于是可以得到：

Vm=Vf+Vc=Ah+Vf(2)

對一鉆井液而言，Vc/Vf=R=常數(shù)(3)

將（2）、（3）式代入達(dá)西公式（1）中，得到：

(4)

對（4）式兩邊積分，得：

(5)78

根據(jù)假設(shè)可知，泥餅中干固體體積等于泥餅體積與泥餅中固相體積分?jǐn)?shù)Cc的乘積。即：Vs=hACc（泥餅含水）鉆井液中固相體積百分?jǐn)?shù)為：Cm=Vs/Vm=hACc//(hA+Vf)

聯(lián)立解以上兩式，得：

(6)

將（5）式代入達(dá)西公式（1）中，并積分得：(7)

靜失水方程792.影響靜失水的因素

Vf

與t的關(guān)系RelationshipBetweenFiltrationandTime理論關(guān)系：在直角坐標(biāo)上任取兩點(diǎn)，可以得到：t1/20Vft1

1/2Vf1t2

1/2Vf2該式實(shí)際上表明了任意時(shí)刻失水量之間的關(guān)系。如果：t1=7.5分鐘；t2=30分鐘；則：Vf30’=2Vf7.5’80實(shí)際關(guān)系

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在直角坐標(biāo)上的直線存在截距——

正截距和負(fù)截距。原因分析：正截距：泥餅未形成之前鉆井液噴失量較大。負(fù)截距：噴失量很小，不足以充滿濾紙和儀器排出管。

Vf30’=2（Vf7.5’-Vsp）+

Vsp對濾失量小的鉆井液：Vf30’=2Vf7.5’則產(chǎn)生較大誤差。對濾失量較大的鉆井液：Vf30’=2Vf7.5’則不會有較大誤差。t1/2VfVsP81

Vf

與P的關(guān)系RelationshipBetweenPressureandFiltrationVolume理論上：LgVf=1/2LgP+1/2LgC即：Vf

P1/2

條件：k=常數(shù)。實(shí)際上：Vf

Px

原因：k≠常數(shù)。指數(shù)x的實(shí)質(zhì)：反映泥餅的可壓縮性，x越小，泥餅可壓縮性越好，k越小。x是直線斜率，一般小于0.5。x與固相粒子形狀和大小有關(guān)。一般：粘土：x=0.205頁巖：x=0.084膨潤土：x=0LgP0LgV82Vf與的關(guān)系

RelationshipBetweenViscosityandFiltrateVolume由靜失水方程可知：Vf

-1/2

；而：1/溫度T所以：Vf=f(T)影響規(guī)律：

T升高，降低，

Vf

增大

例如：用純水配制的鉆井液，在200C與1000C比較。T升高，粘土聚結(jié)和絮凝狀態(tài)改變k改變，Vf增大；

T升高，粘土去水化，吸附水減少，自由水增多，Vf

增大。

T升高，降失水劑要降解，若超過處理劑的抗溫能力，失水量急劇增加。83Vf

與固相含量及類型的關(guān)系Vf

(Cc/Cm-1)1/2

顯然，若要降低失水量Vf

，可以采取的方法為：提高鉆井液中的固相含量Cm.

存在問題：固含增加，將導(dǎo)致鉆井液流變性變差，同時(shí)，鉆進(jìn)速度降低。降低泥餅中的固相含量Cc

。優(yōu)點(diǎn)：泥餅中土少水多（束縛水多），水化膜厚，在壓力作用下易變形，可壓縮性大。結(jié)論：宜選用優(yōu)質(zhì)土配制鉆井液。84泥餅厚度h與vf的關(guān)系RelatiionshipBetweenCakeThicknessandFiltration影響規(guī)律：a.Vf

增大，h增厚；b.Cc/Cm

升高，h減薄，Vf越大；

——該項(xiàng)影響規(guī)律說明鉆井液應(yīng)該優(yōu)選優(yōu)質(zhì)土。C.當(dāng)固含Cm一定時(shí)，孔隙度增大，泥餅疏松，h增大。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：固相粒度分布越寬，越小，h越?。恍×Ｗ釉蕉?，越小，h越小。

85泥餅薄、密、韌條件：

Cc

低（土的膨脹性好）。粒度分布寬。細(xì)小粒子多。86Vf

與k的關(guān)系

RelationshipBetweenThePermeabilityoftheFilterCake(a.)K與vf

的關(guān)系式由：

得到：