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幂律流型(Power law Model)
n 3.32 log
600 300
( Pasn )
0.511 600 k n 1022
21
钻井液的流变性－常用流变参数
• 粘度(viscosity)
– 定义：钻井液流动时，固体颗粒之间、固体颗 粒与液体之间、以及液体分子之间的内摩擦的 总反映。 – 影响泥浆粘度的基本因素
安全密度窗口
介于地层破裂压力和地层压力之间的钻井液密度范围
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流变性能
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钻井液的流变性
• 钻井液流变性(rheological properties of DF)
– 在外力作用下，钻井液流动和变形的特性。如钻井液 的塑性粘度、动切力、表观粘度、有效粘度、静切力 和触变性等性能都属流变性参数。
钻井液性能
目录
密度和压力平衡 流变性能 滤失和润滑性能 化学分析 油基钻井液性能
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密度和压力平衡
3
密度和压力平衡
钻井液密度MW（Mud Weight)或SG (specific gravity） 通过泥浆液柱对井壁和井底产生压力，以平衡地层的 油气水压力及岩石的侧压力，防止井喷、地层流体侵入及 保护井壁。另外泥浆密度对岩屑产生浮力，增大泥浆密度 可以提高泥浆携带岩屑的能力。密度秤的正常误差为 0.01g/cm3 当量循环密度和环空密度 当量循环密度：考虑了由于泥浆流动而增加的附加压耗 环空密度：在当量循环密度基础上考虑了由于井筒内岩 屑产生的附加压耗
• 影响岩屑和加重材料的悬浮
– 流体静止状态下的静切力悬浮
• 悬浮球形岩屑或加重材料所需要的静切力为：
s ( Pa) 5d s ( s m ) / 3
• ρs——岩石密度,g/cm3; • ρm——钻井液密度,g/cm3; • ds——球形岩屑颗粒直径，mm – 如果岩屑颗粒不呈球形，可根据体积相等的关系计算 6V 岩屑的当量直径予以修正： 3 d
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对钻井液流变性的一般要求
对于非加重钻井液 • 塑性粘度（PV):5-12mPa.s • 动切力（YP):1.4-14.4Pa • YP/PV=0.48Pa/mPa.s • 流型指数：0.4-0.7 • 卡森动切力c:0.6-3Pa • 极限高剪粘度： :2-6mPa.s
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钻井液的流变性
– n=0.4-0.7
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钻井液流变性与钻井的关系
• 钻井液的流变性与井眼净化的关系
– 实现平板型层流的方法
• 加适量的电解质，提高0 • 加入大分子量的聚合物，提高0、塑 • 强化泥浆固相控制措施，以降低塑
0 / 塑 ( D d ) 2 d0 24v 3 0 / 塑 ( D d )
表 0 / 塑
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钻井液的流变性－常用流变参数
• 静切力、动切力
– 钻井液的切力是指静切力，其胶体化学的实质是凝胶强 度，凝胶强度取决于单位体积中结构链环的数目和单个 链环的强度。 – 钻井液的动切力：反映层流流动时，粘土颗粒之间及高 聚物分子之间的相互作用力（形成空间网架结构的能 力）。
7
测量仪器
加压比重计
普通比重计
8
钻井液密度升高可能因素
加入加重材料； 钻屑累积； 快速钻进而泵排量跟不上会使井内钻井液密度升 高； 增大钻井液屈服值会使当量循环密度升高； 增大泵排量或泵压会使当量循环密度升高； 加入较多电解质（盐类）； 油基钻井液加入较高密度的盐水； 加入较高密度的新浆
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钻井液密度下降可能因素
表
600 300 cp 2
19
幂律流型(Power law Model)
• 基本方程：=kn
– k ：稠度系数 – n：流性指数
600 n 3.32 log 300 0.511 600
k
n 1022
• 流动特性分析
( Pasn )
– 施加极小的切应力就发生流动，没有静切应 力，而且粘度随切应力的增加而降低。
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钻井液的流变性
流体的基本流型
牛顿流体：剪切应力 与剪切速率成正比。 塑性流体：宾汉流体 ，适合于水基钻井液 体系 假塑性流体：幂律流 体，适合于高分子聚 合物体系 膨胀流体
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牛顿流体（Newtonian Fluid）
剪切速率 Dv/dx
dv dx
• ：剪切应力dyn/cm2 • dv/dx:剪切速率:s-1 • :粘度（Poise、泊)
– 剪切稀释特性
• 影响水功率的传递
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钻井液流变性与钻井的关系
• 钻井液的流变性与井眼净化的关系
– 钻屑在井筒内的运移过程
• 层流：尖峰型层流的缺点
• 紊流：有利于携岩
– 紊流缺点
• 排量大、泵压高 • 表观粘度低，岩屑下沉速度较大 • 井壁冲刷，不利于井壁稳定
– 钻柱旋转
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钻井液流变性与钻井的关系
• 触变性(thixotropy)
– 定义:搅拌后泥浆变稀（切力降低），静置后泥浆变稠 （切力升高）的特性。 – 表示方法：触变性的表示：10秒钟切力（初切）、10分 终切力（终切） – 钻井工艺要求钻井液具有良好的触变性，在泥浆停止循 环时，切力能较快地增大到某个适当的数值，即有利于 钻屑的悬浮，又不致于静置后开泵泵压过高。
现用马氏漏斗:1500ml流出946ml
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钻井液的流变性－常用流变参数
• 结构粘度
– 定义：分散相颗粒之间的相互作用或空间网架 结构给流动增加的摩擦力，与泥浆的屈服值 （0）紧密相关。
e ( 0 塑 ) / 0 / 塑
塑 结构
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钻井液的流变性－常用流变参数
Yield point (YP) Pa
0
s：塑性粘度(PV)
Plastic viscosity ：剪切速率(s-1) (cp)
s
剪切速率
=Dv/dx
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宾汉流体
•参数计算（范氏旋转粘度计） ＝1.703 (s-1) =0.511 (Pa) 塑=PV=600-300 (cp) 0=0.511(300-s) (Pa)
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钻井液流变性与钻井的关系
• 影响钻井速度 • 影响环空携岩能力 • 影响井壁稳定 • 影响岩屑与加重物的悬浮 • 影响井内压力激动 • 影响钻井泵压和排量 • 影响固井Байду номын сангаас量
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钻井液流变性与钻井的关系
• 影响钻井速度
– 通过水力参数影响钻井速度
• 粘度影响水功率的传递 • 粘度影响ECD(Equivalent Circulating Density)的大 小，产生压持效应，降低钻速。
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钻井液流变性与钻井的关系
• 钻井液的流变性与井壁稳定的关系
– 力学因素引起的井壁不稳定
• 井壁岩石三个主应力的可能排布
当1和3（最大和最小主应力）的差值大于岩石的强度时，便
发生剪切破坏
– 化学因素引起的井壁不稳定
• 防止页岩的水化膨胀
– 钻井液的流变性及流态与井壁稳定相关
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钻井液流变性与钻井的关系
加入比钻井液密度低的清水； 井下油气侵； 加油； 加入较低密度的新浆或胶液； 加强固相清除； 用离心机清除（或回收）高密度固相； 降低钻井液屈服值或减少泵排量及泵压 能使井下当量循环密度下降； 充气配制成充气钻井液或使用泡沫钻井液； 钻进速度较低情况下提高泵排量有可能使井内钻井液密度 降低。
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相关概念
1dyn/cm2=1x10-5N/104m2=0.1Pa 1 poise=1 dynes.s/cm2=0.1 Pa.s 1cp=0.01p=0.001Pa.s=1mPa.s
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切应力：
宾汉塑性流型
• Bingham Plastic Model
• 模型：
切应力：
=0+s
0 ：动切力（屈服值）
6
密度和压力平衡
钻井液密度的控制 密度过高：增大正向压差，对储层污染加重；液柱压力 增大，增大井底岩石可钻强度并引起井底岩石的重复切 削 密度过低：井壁不稳定，油气层压力无法控制 确定泥浆密度的原则 根据地质资料确定，在正常情况下尽可能使用低密度 钻开油气层尽可能近平衡钻进，既要保护油气层又要防 喷，做到“压而不死，活而不喷”；近平衡钻进要在起 钻时考虑可能存在的“抽吸作用”，增加附加密度 钻穿高压盐水层时为了防止盐水的污染，应提高密度采 取“坚决压死”的措施 对易缩径和易剥落掉块的地层，应适当提高泥浆的密度
• • • • 粘土含量（含量大，粘度大） 土粒的分散度（增加塑性粘度） 土粒的聚结稳定状况或絮凝强度（结构粘度） 高分子处理剂的性质、分子量和浓度
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钻井液的流变性－常用流变参数
• 漏斗粘度
– 定义：用漏斗粘 度计测得的一定 体积流体(700ml) 流出500ml所经 历的时间。单位 为秒。漏斗粘度 与泥浆的塑性粘 度、屈服值、以 及仪器的尺寸和 形状有关。
• 剪切稀释性
– 定义：表观粘度随剪切速率增大而降低的现象 – 对于宾汉流体， 塑 越低， 0越高，即 0／ 塑 比值越大， 剪切稀释能力越高。 – 在实际钻井井眼的各个部位处（如钻杆内、钻头水眼 处、环空等），其剪切速率各不相同，导致各处的有 效粘度各不相同。 – 0 /塑比值大者，剪切稀释能力强，有利于高压喷射钻 井；同时在低剪切速率下会显著增稠，有利于带砂。
• V——岩屑体积,cm3.
• 泥浆的流变性对钻井的影响
– 携带岩屑，保证井底清洁。 – 悬浮岩屑与重晶石 – 影响机械钻速 – 影响井眼规则和井下安全。
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钻井液的流变性
剪切应力与剪切速率
剪
切 速 率 (shear rate)：在垂直于流动 方向上单位距离内流 速的增量(dv/dx)。