宾汉模式与幂律模式的比较
1、在中等和较高的剪切速率范围内, 幂律模式和宾汉模式均 能较好地表示实际钻井液的流变特性。
2、环形空间的较低剪切速率范围内幂律方程比宾汉公式更能 接近钻井液的真实流动性。
钻井液设计和现场应用中，这两种流变模式往往都同时使用。
切 应 力 30
/
范
氏 指
20
针 读
10
值
宾汉模式
钻井液流变学
主讲: 睢文云
石油工程技术研究院 2007年9月
主要内容
流体的基本流型及其特点 钻井液流变参数及其计算 钻井液流变性与钻井作业相关计算
第一部分 流体的流型及其特点
一、基本概念
1、钻井液流变性：是指在外力作用下，钻井液发生流动和变 形的特性，其中流动性是主要方面。
描述参数： 塑性粘度、动切力、静切力、表观粘度等
对于钻井液来说，它既包括流体内部由于摩擦作用所引起的粘度，又包括 粘土颗粒之间及高分子聚合物分子之间由于形成空间网架结构所引起的粘
度。后者被称为结构粘度
随着剪切速率的增加，结构粘度不断减小，当剪切速率达到很高值（如钻 头水眼处），结构粘度趋于零，可理解为，塑性粘度是剪切速率极高时的 表观粘度。
剪切稀释性
塑性流体 假塑性流体 膨胀性流体
3
剪
1
切
2
应
4
力
τ
剪切速率γ
1-牛顿流体 2-假塑性流体 3-塑性流体 4-膨胀性流体
各种流体的特点
牛顿流体： 当τ＞0时，γ＞0，即施加一个外力，就开始流动。 粘度不随剪切速率的增减而变化。
假塑性流体：流变曲线凹向剪切应力轴，静止时，所含有的颗粒是分散的，当剪切应 力增大时，部分颗粒会纠缠在一起形成网架结构，使流动阻力增大。
液体流动时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（ γ ）成正比，而与接触面 积上的压力无关。
即：F=µ Sγ
τ=F/S= µγ
---- 数学表达式
剪切应力可理解为单位面积上的剪切力
µ是量度液体粘滞性大小的物理量，通常称 为粘度。与液体的性质及温度有关，并随 温度的升高而降低。
2、表观粘度和剪切稀释性
定义：在某一剪切速率下，剪切应力与剪切速率之比。 又称有效粘度。单位Pa.s，通常使用mPa.s
即μa=AV=τ/γ
由宾汉方程，塑性流体的表观粘度可表示为:
μa= µp + τ0/γ= µp +η结构
由幂律方程，假塑性流体的表观粘度可表示为:
μa= Kγn-1
塑性流体的表观粘度是流体在流动过程中所表现出的总粘度。
假塑性流体
特点：施加极小的剪切应力就能产生流动，不存在静切应力； 粘度随剪切应力的增大而降低；
区别：塑性流体当剪切速率增大到一定程度，剪切应力与剪切 速率之比为一常数，流变曲线为直线；
假塑性流体剪切应力与剪切速率之比总是变化的，流变 曲线无直线段
稠度系数
假塑性流体流变模式
τ= Kγn 幂律模式
流性指 数
剪切速率大，表示液流中各层之间 流速的变化大；反之，流速的变化 小。
x
dx
v+dv v
水在河面的流速分布
3、剪切应力
剪切应力：液流中各层的流速不同，层与层之间发生内 摩擦作用，即出现成对的内摩擦力，也就是 剪切应力。阻碍液层剪切变形
液体的粘滞性：液体流动时所具有的抵抗剪切变形的物理 性质。
4、牛顿内摩擦定律
实际钻井液
幂率模式
50 100 150 剪切速率/（范氏粘度计）/r/min-1
动切力
定义：它反映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。 代号τ0 （YP），单位：Pa 凡是影响钻井液形成结构的因素，均会影响τ0 值。
影响因素：
➢粘土矿物类型核和浓度； ➢电解质----絮凝程度增大，增加动切力 ➢降粘剂—拆散网架结构，降低动切力
（简称 动切力 或屈服值 ）
直线段的斜率称为塑性粘度（ µp即 PV）
塑性流体流变模式
τ= τ0+µp γ 宾汉模式
剪 切 应力τ ττ0s
剪切速率γ
1-牛顿流体 2-假塑性流体 3-塑性流体 4-膨胀性流体
第二部分 钻井液流变参数及其计算
1、塑性粘度和动切力
塑性粘度 它是塑性流体的性质，不随剪切速率而变化。代号µp（ PV），单位Pa.S
实际应用中，调整钻井液宾汉模式流变参数的方法：
➢降低µp：合理使用固源自设备，加水稀释或化学絮凝—减少固含
➢提高 µp：
加入粘土、重晶石、混入原油， 适当提高PH、增加聚合物浓度
➢降低τ0
加入降粘剂、清水、稀浆 如由Ca 2+、Mg 2+等污染引起用沉淀法除去
➢提高τ0
加入预水化膨润土浆、增大高分子聚合物加量 钙处理或盐水钻井液适当增加Ca 2+、Mg 2+浓度
作用： 携带岩屑，保证井底和井眼清洁 悬浮岩屑与重晶石（各类加重材料） 提高机械钻速 保持井眼规则和保证井下安全
2、剪切速率
剪切速率：表示垂直于流速方向上单位距离流速的增量。 也称为流速梯度。以γ表示，单位s-1
液体中各层的流速不同。如果在垂 直于流速方向上取一段无限小的距 离dx，流速由v变化到v+dv，那么比 值dv/dx即为流速梯度
单位Pa，实际应用mPa.s 1cP =1mPa.s
物理意义： 产生单位剪切速率所需要的剪 切应力。
二、流体的基本流型
牛顿流体：遵守牛顿内摩擦定律的流体。
水、酒精、大多数纯液体、轻质油、低分子化合物溶液以及低 速流动的气体等
非牛顿流体：不遵守牛顿内摩擦定律的流体。
高分子聚合物的浓溶液和悬浮液等
非牛顿流体
物理意义:剪切应力克服结构力的状态下,流体内部纯机械摩擦所形成 的流动阻力。反映了在层流情况下，钻井液中网架结构的破坏 和恢复处于动平衡时，固相颗粒之间、固相与液相之间及连续液 相内部的摩擦作用的强弱。
影响因素：
➢钻井液中固相含量 ➢粘土的分散程度 ➢高分子聚合物处理剂 –提高液相粘度
（浓度越高， µp越高；相对分子量越大， µp越高）
膨胀流体：稍加外力即发生流动，粘度随剪切速率（或剪切应力）增加而增大，静止 时又恢复原状。（比较少见，不作研究）
C-30
M-11
与钻井液相关的流体
塑性流体
特点：必须加一定的力才开始流动，这种使流体开始流动 的最低剪切应力τs称为静切应力（静切力、凝胶强度）。
直线段延长线与剪切应力轴的交点τ0称为动切应力 YP
定义：塑性流体和假塑性流体的表观粘度随剪切速率 的增加而降低的特性。