RHEOLOGY OF DRILLING FLUIDS 钻井液流变学

1. Principles of Drilling Fluids 钻井液工艺原理 Chapter4 RHEOLOGY OF DRILLING FLUIDS 钻井液流变学 Prof. Dr. XiuhuaZheng E-mail: Xiuhuazh@cugb.edu.cn Exploration Dept. School of Engineering and Technology, China University of Geosciences(Beijing) 中国地质大学(北京)工程技术学院勘查教研室

2. 硅氧四面体 • 八面体晶片方钻杆 • 单元晶层 • 氢键 • 晶层间距 • 晶格取代 • 吸附阳离子 • 可交换阳离子 • 蒙脱石 • 高岭石 Quiz for glossary of §3 • Silica-Oxygen tetrahedron • octahedral sheet • 2:1-Type unit layer • hydrogen bonding • c-spacing • Isomorphous substitutions • Adsorption of a cation • exchangeable cations • Montmorillonite • Kaolinite

3. Glossary of §4 有效粘度 塑性粘度 稠度系数 剪切稀释特性 触变性 假塑性 流性指数 钻速 钻孔清洗 携带比 • Effective Viscosity • plastic viscosity • Consistency index • Shear Thinning Behavior • ThixotropicBahavior • Pseudoplastic • Flow-behavior index • Penetration Rate • Hole Cleaning • transport ratio

4. Contents Rheology(流变学) Rheological Models(流变模式) Measurement of Rheological Properties（流变特性的测量） Pressure Drop Modeling（压降模型） Rheologieal Properties Required for Optimum Performance（流变特性与优化钻井） The Importance of Hole Stability(稳定孔壁的重要性)

5. 1. The Basic Concept of Rheology流变学基本概念 • The science of rheology is the study of the deformation（变形） of all types of matter, e.g. the flow behavior of suspensions in pipes and other conduits, to establish the relationship between flow rate（流动速率） andflow pressure（流动压力 ） and the influence on fluid flow characteristics. • 流变学（Rheology）：研究流体在外力的作用下，流体发生流动和变形的特性，建立流动速率和流动压力 （剪切应力和剪切速率）的关系，如流变方程和流变曲线。

6. 1.1 Laminar flow regime（层流） • Thelaminar flow regime（层流） prevails at low velocities（低流速）. Flow is orderly and the pressure/velocity relationship is a function of the viscous properties（粘度） of the fluid. • 当流动速度低时，流体呈层流流动。其流动有序，压力和速度的关系是流体粘滞特性的函数。 钻井液流变学研究钻井液在层流下的变形和流动特性。

7. 1.2 Turbulent flow regime（紊流） • Theturbulent flow regime（紊流）prevails at high velocities（高流速）. Flow is disorderly and governed by the inertial properties（惯性） of the fluid in motion. Flow equations tend to be empirical due to the complexity of the flow. • 当流动速度增加到一定值，流体呈紊流流动。流动无序，由惯性控制，流动复杂，流动方程是经验性的。

8. Relationship between flow rate andflow pressure（流动速度与流动压力的关系） • Pressure（压力） increases with velocity（流速） increase much more rapidly when flow is turbulent than when it is laminar Fig.4-1 Schemetic diagram of laminar and turbulent flow regimes.

9. 1.3 雷诺数判断层流与紊流 • When, Re≦2000, laminar flow; • 2000<Re<4000, transition flow; • Re>4000, turbulent flow.

10. 宾汉塑性流体 幂律流体 牛顿流体 Figure 1-3 Ideal consistency curve for common flow models

11. Fig. 4-2. The relationship between shear stress/shear rate 1.5 Laminar Flow of Newtonian Fluids（牛顿流体层流） • μ is the frictional resistance（摩擦阻力）to movement between the cards, or, in rheological terms, the viscosity（粘度）, is the shear stress（剪切应力）, dv/dr is the shear rate（剪切速率）, expressed by , or velocity gradient（速度梯度）

12. Laminar flow in a round pipe（圆管中层流） (a) (b) Fig. 3-2a. Schematic representation of laminar flow of a Newtonian fluid in round pipe, fluid velocity decreases from 0 at the wall to a maximum at the axis of the pipe; Fig. 3-2b. Velocity profile of the fluid, the shear rate at any point is the slope of the profile at that point.

13. 为了确定内摩擦力与哪些因素有关，牛顿通过大量实验研究提出了液体内摩擦定律，通常称为牛顿内摩擦定律。其内容为：液体流动时，液体层与层之间的内摩擦力(F)的大小与液体的性质及温度有关，并与液层间的接触面积(S)和剪切速率( )成正比，即: μ–viscosity, the frictional resistance ;

14. 内摩擦力F除以接触面积S即得液体内的剪切应力τ ，剪切应力可理解为单位面积上的剪切力，即 以上两式中， μ是量度液体粘滞性大小的物理量，通常称为粘度，用来描述液体流动时所具有的抵抗剪切变形的物理性质。其物理意义是产生单位剪切速率所需要的剪切应力。 μ越大，表示产生单位剪切速率所需要的剪切应力越大。粘度是液体的性质，不同液体有不同的μ值。 μ还与温度有关，液体的粘度一般随温度的升高而降低。

15. The consistency curve（粘度曲线）of Newtonian fluid • Theconsistency curve（粘度曲线）of Newtonian fluid is a straight line（直线）passing through the origin（原点）. • The slope（斜率） of the curve defines the viscosity（粘度）. • 粘度μ是牛顿流体的流变参数。牛顿流体的流变方程可由粘度η确定。 • μ是牛顿流体的唯一参数。因此牛顿流体是单参数流体。 Fig. 3-3 Consistency curve of a Newtonian.

16. 在SI单位制中，τ的单位是Pa， 的单位是s-1 ，μ的单位是Pa·s。由于Pa·s单位太大，在实际应用中一般用mPa·s表示液体的粘度。例如，在20℃时，水的粘度μ＝1.0087mPa·s。在工程应用中， μ的常用单位为厘泊(cP)，1cP=1 mPa·s。

17. 2. Rheology of Common Drilling Fluids （常见钻井液流变模型） • water, air-Newtonian fluids牛顿流体 • polymer drilling fluid- power law fluids幂律流体 • mud- Bingham Plastic Fluids宾汉流体

18. 2.１牛顿流体 • 这类流体有如下特点：当τ>O时，γ>0，因此只要对牛顿流体施加一个外力，即使此力很小，也可以产生一定的剪切速率，即开始流动。 • 其粘度不随剪切速率的增减而变化。 • 在一定温度和压力条件下，牛顿粘度为一常数。 • 气体、水、甘油、硅油、低分子化合物溶液等均属于牛顿流体。 • 可以把粘土含量低的稀泥浆归为牛顿流体。

19. 或 式中： —单位面积上的内摩擦力， 或称为剪切应力，Pa； —剪切速率或流速梯度，s-1； —牛顿粘度或称为动力粘度Pa·s,(1Pa·s=1000cP， 或lcP=10-3Pa·s=1mPa·s) 典型牛顿流体流变图

20. Fig.4-4. Rheological flow curve for a Newtonian fluid 典型牛顿流体流变图分析 不同物质有不同粘度。 • 牛顿流体流变图，其流变曲线均为通过原点O的一条直线，但粘度越高(如甘油，在15℃时为2.33Pa·s)，其斜率越大，即流变曲线与x轴的夹角越大。粘度越低(如空气，在15℃时为0.0182╳10-3Pa·s)，其斜率越小。 • 水的动力粘度，15℃时为1.1405×10－3Pa·s，20℃时为1.0087×10－3Pa·s。

21. 2.2宾汉流体（塑性流体与粘塑性流体） （1）塑性流体其流变曲线为不通过原点O的一条直线。与牛顿流体不同，塑性流体当γ＝0时，τ≠0。 • 这种使流体开始流动的最低剪切应力(τs)称为静切应力(又称静切力、切力或凝胶强度)。 • 流变方程： 塑性流体流变曲线 塑性流体有两个流体参数 —静切力，Pa； —塑性粘度(plastic viscosity)，Pa·s。

22. 粘土颗粒连接方式 泥浆网状结构示意图

23. Fig.4-6 Observed consistency curve of a Bingham plastic （2）粘塑性流体在低剪切速率下其流变曲线(本来是直线)往往偏离直线，形成曲线变化，当剪切速率增加至层流段时才呈直线变化(见图中曲线4-6)

24. 2.3幂律流体 幂律流体的流变曲线为通过原点O的曲线，如图所示。它们可用幂函数或叫幂律模式来表示： 式中：K—稠度系数，或称为幂律系数，Pa·sn； n——流性指数，或称为幂律指数，无单位。 K值是粘度的度量，但不等于粘度值，而粘度越高，K值也越高。在剪切速率一定范围内，n值可当作常数处理。n值是非牛顿性的度量，n值越低或越高曲线也越弯曲，非牛顿性也越强，泥浆n值一般在0.5以下为好。

25. 幂律模式中，当n<1时为假塑性流体；当n=1时为牛顿流体；当n>1时为膨胀流体。因此幂律流体又区分为假塑流体与膨胀流体两种，其中最常见的是假塑流体。幂律模式中，当n<1时为假塑性流体；当n=1时为牛顿流体；当n>1时为膨胀流体。因此幂律流体又区分为假塑流体与膨胀流体两种，其中最常见的是假塑流体。 某些钻井液、高分子化合物的水溶液以及乳状液等均 属于假塑性流体。

26. 假塑流体(pseudoplastic) 如图所示，假塑流体的流变曲线为凸向剪切应力轴的曲线。它通过原点O，表示一加外力即产生流动，不存在静切力。随着剪切速率的不断升高，其表观粘度是不断下降的，属于剪切稀释流体。 • 膨胀流体(或称为胀流型流体) (dilatant) 。随着剪切速率的增加，其表观粘度是增加的，因而称之为剪切稠化流体。与假塑流体相比较，膨胀流体是少见的，浓度较高的固相形状不规则的悬浮体，在剪切作用下，颗粒分散，捕俘或固定某些液体，而引起“干固效应”，使运动阻力增加，粘度增加(即属于剪切稠化液)，而此效应通常是可逆的。浓的淀粉糊、一些矿浆、高固相含量的涂料等属于膨胀流体。

27. 3、钻井液流变性的测量 漏斗粘度计

28. 仪器使用前，应用清水进行校正。该仪器测量清水的粘度为15±0.5秒。若误差在±1秒以内，可用下式计算泥浆的实际粘度。仪器使用前，应用清水进行校正。该仪器测量清水的粘度为15±0.5秒。若误差在±1秒以内，可用下式计算泥浆的实际粘度。

29. 3.1旋转粘度计有手摇两速、电动两速和电动六速三种。主要用于测量泥浆的流变参数。3.1旋转粘度计有手摇两速、电动两速和电动六速三种。主要用于测量泥浆的流变参数。 （1）仪器结构 a、动力部分 b、变速部分 c、测量部分 d、支架部分 （2）工作原理 被测液体放置在两个同心圆筒的环隙空间内，电机经过传动装置带动外筒恒 速旋转，通过被测液体的粘滞性，内筒受到一定的转矩而转动一个角度。该转角 的大小与液体的粘性相关，于是被测液体的粘度就转换为内筒的转角。

31. 3. Calculation of rheological parameters （1）Principle: Where, =the dial reading under N(rpm); rpm=rotation per minute.

32. 某一剪切速率下的表观粘度可用下式表示： 将旋转粘度计刻度盘读数换算成表观粘度的换算系数: 例如，在300r／min时测得刻度盘读数为36，则该剪切速率下的表观粘度等于36 10=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观粘度等于4.5 50.0＝225(mPa·s) 在评价钻井液的性能时，为便于比较，如果没有特别注明某一剪切速率，一般是指测定600r／rain时的表观粘度，即

33. 3.2 数据处理 （1）符号 （2）塑性流体和粘塑性流体: 表观粘度: （mPa•s） 塑性粘度：（mPa•s） 动切力:（Pa） 静切力 ： （10s） （Pa） （10min）（Pa）

34. （3）幂律流体 流性指数 : （无因次） 稠度指数:（Pa.Sn）

35. 钻井液实际流变曲线与宾汉和幂律流体的比较

36. 钻井液流变性要点： • 流变学（Rheology)； • 剪切速率(shear rate)，剪切应力(shear stress)； • 流变模式（方程）flow model (equation)、流变曲线(curve)； • 牛顿流体的特点； • 宾汉流体（流变参数）－塑性流体：静切力(Gel strength)、塑性粘度(plastic viscosity)； • 宾汉流体（流变参数）－粘塑性流体：静切力、塑性粘度、动切力(yield point)； • 幂律流体及其参数； • 钻井液流变特性的测量。

37. Parameters and adjustment 钻井液常用的流变参数及其调控方法

38. 1． Funnel viscosity 漏斗粘度 • 在钻井过程中，钻井液的漏斗粘度(Funnel Viscosity)是需要经常测定的重要参数。 • 漏斗粘度与其它流变参数的测定方法不同。其它流变参数一般使用按APl标准设计的旋转粘度计，在某一固定的剪切速率下进行测定，而漏斗粘度使用一种特制的漏斗粘度计来测量。 • 漏斗粘度只能用来判别在钻井作业期间各个阶段粘度变化的趋向。

39. 2.1 Plastic viscosity and Yield Point塑性粘度μp和动切力τ0 • 塑性粘度μp反映了在层流情况下，钻井液中网架结构的破坏与恢复处于动平衡时，悬浮的固相颗粒之间、固相颗粒与液相之间以及连续相内部的内摩擦作用的强弱。影响塑性粘度的主要因素： • 钻井液中的固相含量； • 钻井液中粘土的分散度； • 高分子聚合物处理剂。

40. 2.1 塑性粘度μp和动切力τ0 • 动切力τ0：是塑性流体流变曲线中的直线段在τ轴上的截距。它反映了钻井液在层流流动时，粘土颗粒之间及高分子聚合物分子之间相互作用力的大小，即形成空间网架结构能力的强弱。其主要影响因素有： • 粘土矿物的类型和浓度 • 电解质 • 降粘剂:大多数降粘剂的作用原理都是吸附到粘土颗粒的端面上，使端面带一定的负电荷，于是拆散网架结构。因此，降粘剂的作用主要是降低动切力，而不是降低塑性粘度。 图4-9 丹宁酸钠在粘土断键边上的吸附

41. 2. 2塑性粘度的调控 • 在实际应用中，调整钻井液宾汉模式流变参数的一般方法可概括为： • (1)降低μP • 通过合理使用固控设备、加水稀释或化学絮凝等方法，尽量减少固相含量。 • (2)提高μP • 加入低造浆率粘土、重晶石、混入原油或适当提高pH值等均可提高μP。另外增加聚合物处理剂的浓度使钻井液的液相粘度提高，也可起到提高μP的作用。

42. 2.2 动切力τ0的调控 (3)降低τ0 最有效的方法是适量加入降粘剂(也称稀释剂)，以拆散钻井液中已形成的网架结构。如果是因Ca2＋、Mg2+等污染引起的τ0升高，则可用沉淀方法除去这些离子。此外，用清水或稀浆稀释也可起到降τ0的作用。 (4)提高τ0 可加入预水化膨润土浆，或增大高分子聚合物的加量。对于钙处理钻井液或盐水钻井液，可通过适当增加Ca2＋、Na+浓度来达到提τ0的目的。

43. 3．Flow behavior index（流性指数）n和consistency index（稠度系数）K • 在幂律模式中，指数n表示假塑性流体在一定剪切速率范围内所表现出的非牛顿性的程度，因此通常将n称为流性指数。水、甘油等牛顿流体的n值等于1。钻井液的n值一般均小于1。n值越小，表示钻井液的非牛顿性越强。 • 随n值减小，曲线的曲率变大，表明流体的流变性偏离牛顿流体越来越远。流性指数是一个无因次量。 流性指数与假塑性流体流变曲线的关系

44. 在钻井液设计中，经常要确定流性指数的合理范围，一般希望有较低的n 值，以确保钻井液具有良好的剪切稀释性能；K值则与钻井液的粘度、切力联系在一起。显然，它与流体在剪切速率为1s-1时的粘度有关。K值愈大，粘度愈高，因此一般将K值称为稠度系数。对于钻井液，K值可反映其可泵性。若K值过大，将造成重新开泵困难。若K值过小，又将对携岩不利。因此，钻井液的K应保持在一个合适的范围内。在SI单位制中，K值的单位为Pa·sn。

45. 3.1 流性指数n和稠度系数K的调控 • 降低n值最常用的方法是加入XC生物聚合物等流性改进剂，或在盐水钻井液中添加预水化膨润土。 • 降低K值最有效的方法是通过加强固相控制或加水稀释以降低钻井液中的固相含量。若需要适当提高K值时，可添加适量聚合物处理剂，或将预水化膨润土加入盐水钻井液或钙处理钻井液中(K值提高，n值下降)；也可加入重晶石粉等惰性固体物质(K值提高，n值基本不变)。

46. 4．Apparent(effective) viscosity and shear thinning • 表观粘度和剪切稀释性 • 表观粘度又称为有效粘度(Effective Viscosity)。它是在某一剪切速率下，剪切应力与剪切速率的比值，即 • μa＝τ/γ • 式中， μa表示表观粘度。当τ和γ的单位分别为Pa和s－1时， μa的单位为Pa·s。 • 表观粘度是塑性粘度和结构粘度之和.

47. 由宾汉方程，塑性流体的表观粘度可表示： μa＝ μP＋τ0/γ 由幂律方程，假塑性流体的表观粘度可表示为 μa＝ Kγn-1 τ0/γ—结构粘度 • 塑性流体和假塑性流体的表观粘度随着剪切速率的增加 • 而降低的特性称为剪切稀释性(Shear Thinning Behavior)。 τ0/μp—动塑比 0.36~0.48Pa/mPa.s n 0.4~0.7

48. 流性指数n对钻井液剪切稀释性的影响

49. 在循环系统中，不同部位的平均剪切速率（s-1）范围：在循环系统中，不同部位的平均剪切速率（s-1）范围： 泥浆罐内 1～5 环形空间 10～500 钻杆 100～500 钻铤 700～3000 钻头喷嘴 10 000～100 000

50. 5. Gel Strength and thixotropy 切力和触变性 • 钻井液的切力是指静切应力。其胶体化学实质是胶凝强度，即表示钻井液在静止状态下形成的空间网架结构的强度。其物理意义是，当钻井液静止时，破坏钻井液内部单位面积上的结构所需的剪切力，单位为Pa。前面在讨论塑性流体的流动特性时，曾引用了τs这一参数。实际上τs是静切应力的极限值，即真实意义上的胶凝强度。但结构强度的大小与时间因素有关，要想测得τs，必须花费相当长的时间。显然，在生产现场测定该值是不现实的，于是人们规定用初切力和终切力来表示静切应力的相对值。