【文章內(nèi)容簡介】 gρ( ρ2rV 02 ??61 64 ? 影響聚結(jié)穩(wěn)定性的因素 阻礙粘土顆粒聚結(jié)的因素有： ? 雙電層斥力 ： ζ 電勢越高，顆粒間斥力越大，粘土顆粒越難以聚結(jié)合并。 ? 吸附溶劑化膜的性質(zhì) ：吸附溶劑化膜的粘度、彈性、厚度越大， 粘土顆粒 越難以聚結(jié)合并。 引起粘土顆粒聚結(jié)的因素有： ? 顆粒之間的吸力 （范德華力）：范德華力越大， 粘土顆粒越容易聚結(jié)合并。 ? 電解質(zhì)的聚結(jié)作用 ： 反離子價(jià)數(shù)越高，聚結(jié)能力越強(qiáng)； 反離子濃度越高，聚結(jié)能力越強(qiáng)。 同價(jià)不同離子的聚結(jié)能力遵循感膠離子序，如堿土金屬的聚結(jié)能力： Cs+ Rb+ K+ Na+ Li+ Ba++ Sr++ Ca++ Mg++ 62 65 本次作業(yè) 1. 鉆井液的主要功用有哪些 ? 2. 粘土礦物的晶格取代指的是什么 ? 其結(jié)果如何 ? ? 為什么 ? ? 它們的主要驅(qū)動力和特點(diǎn)各是什么 ? CEC ? 測定它們有何意義 ? ,簡述高嶺石、蒙托石、伊利石的晶體結(jié)構(gòu)。 63 66 第三章 鉆井液的流變性 Chapter 3 The Rheology of Drilling Fluids 本章要求重點(diǎn)掌握： 1. 流動原理及其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)。 64 67 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)的流動參量是可以不同的流動。 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。 ???非穩(wěn)定流動穩(wěn)定流動流動類型65 68 ? 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 66 69 塞流 ：流體象塞子一樣流動，流速為常數(shù)。 層流 ：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 ：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。 67 70 2. 基本概念 （預(yù)備知識） ? 剪切速率 Shear Rate 統(tǒng)一名稱 ： 速梯、剪率、切變率 。 常用符號 ： γ、 D、 dv/dx、 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 = s1 鉆井液循環(huán)系統(tǒng)中各部位剪切速率范圍為 : 沉砂罐處： 10~20s1 環(huán)形空間： 50~250s1 鉆桿內(nèi)部： 100~1000s1 鉆頭水眼： 1000~7000s1 68 71 ? 剪切應(yīng)力 Shear Stress 統(tǒng)一名稱 ： 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。 單 位 ： τ= F/A = dyn/cm2； Pa。 1Pa = 10dyn/cm2 69 72 ? 流變曲線 Consistency Curve 定 義 ：速梯與切應(yīng)力關(guān)系曲線。 表示方法 ：三種表示法。 0 0 0 τ τ γ γ γ ； Q； V； n τ ； ?P； P； ? 流變曲線表示法 70 73 ? 粘度 Viscosity 統(tǒng)一名稱 ： 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泊 = =100cp = 71 74 幾何意義 ηA = 1/tg ? = τA / γA ?越大， η越小 圖中： ηA ηB ηA = 1/tg ? = τA / γA ?越大， η越大 圖中： ηA ηB 0 τ γ A B ?2 ?1 τ γ 0 A B ?2 ?1 有效粘度幾何意義 72 75 ? 漏斗粘度 Funnel Viscosity 定 義 ： 定體積泄流時(shí)間 。 單 位 ： 秒； s。 類 型 ： ? 馬氏漏斗粘度 Marsh Funnel Viscosity 定義 ： 1500ml 流出 946ml 的時(shí)間 。 標(biāo)準(zhǔn) ： 清水測量值： 26177。 ? 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： 15177。 漏斗粘度計(jì)示意圖 73 76 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： ?????????????????????????????????????非牛 頓 體，法向 應(yīng) 力），粘 彈 性流體震凝體觸變 體與時(shí)間 有 關(guān) 的流體膨 脹 體假塑性塑性體與時(shí)間 無 關(guān) 的流體非牛 頓 流體牛 頓 流體粘性流體流體—tηf( γ~( τ74 77 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 75 78 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)） 液體流動示意圖及流變曲線 F r dv dr r τ 0 稠液體 稀液體 76 79 2. 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 Plastic Fluids 數(shù)學(xué)模型 ： τ τ 0 = η s γ 流變曲線 ：有截距的直線。 流變參數(shù) ： τ 0—— 動切應(yīng)力 Yield Stress 統(tǒng)一名稱 ：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 ： τ 0； YP 單 位 ： dyn/cm Pa 幾何意義 ：直線截距的切應(yīng)力值。 γ τ τ0 τs 0 真實(shí)泥漿 塑性體 流型圖 77 80 η s—— 塑性粘度 Plastic Viscosity 定 義 ：產(chǎn)生單位剪切速率所需要的剪切應(yīng)力。 常用符號 ： η s、 PV 單 位 ：公制： 、泊、厘泊。 國際： 、 模式討論 τ τ 0 = η s γ 或者 η= η s+ τ 0/ γ 優(yōu)點(diǎn) ： γ ? 0， τ ? τ 0 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 ??， η ? η s 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 . 78 81 真實(shí)泥漿與不同流型的比較 ? r 0 真實(shí)泥漿與不同流型的比較 79 82 ? 假塑性流體 Pseudoplastic Fluids 流變模式 ： τ = Kγ n 流變曲線 ：過原點(diǎn)凸向切應(yīng)力軸的曲線。 （因其延長線與坐標(biāo)軸交點(diǎn)似乎有一個動切力，故稱其名） 流變參數(shù) ： K—— 稠度系數(shù) 意義 ：反映流體的粘滯性。 K越大，流體越難流動。 單位 ： n—— 流型指數(shù) 意義 ：偏離牛頓流體的程度。 模式討論 τ = Kγ n 或者 η= Kγ n1 γ ? 0， τ ? 0 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 ??， η ? 0 無極限粘度，不符合鉆井液情況。 τ 0 r 80 83 ? 卡森流體 流變模型 ： τ 1/2 = τ c1/2 + η ?1/2 γ 1/2 流變曲線 ： ? γ 1/2τ 1/2 作圖，為一條直線。 ? γ τ 作圖，為直線與曲線之和。 模式討論 τ 1/2 = τ c1/2 + η ?1/2 γ 1/2 γ ? 0， τ ? τ c 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 ??， η ? η ? 能夠反映出鉆井液的極限粘度。 卡森流體流變曲線 τ τc 0 0 τ 1/2 τ c1/2 r1/2 r 81 84 三、剪切稀釋性 定義 —— 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。 表示法 ：動塑比 或 YP/PV 意義 ： YP/PV越大，鉆井液的剪切稀釋性越強(qiáng)。 82 85 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： A. 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。 B. 在一定速梯下，剪切應(yīng)力隨靜置時(shí)間 增加而增大的特性。 ? 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。 0 η t 牛頓體 震凝體 觸變體 83 86 ? 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. 借結(jié)構(gòu)的變化與時(shí)間緊密相關(guān)。 靜置 靜置 攪拌 攪拌 84 87 ? 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