油气井水力学讲义2钻井液流变学基础.doc

PAGE 1 PAGE 2 2、钻井液流变学基础 2.1 非牛顿流体流变性、流变方程及钻井液性能 2.1.1非牛顿流体的流变性 1．流变性： 流体流动变形过程中表现出来的性质。 剪切应力: 沿受力面平行作用的力（抵抗流动的力）； 剪切速率: 单位长度上速度的变化量,亦称速度梯度； 流变曲线: 剪切应力与剪切速率的关系曲线,根据流变曲线可以将流体分为: 牛顿流体和非牛顿流体； 流变方程或本构方程：剪切应力与剪切速率间的关系方程。 2．流变学： 研究各种流体流动中剪切应力与剪切速率关系的学科称为流变学。 我国化学学会和中国力学学会专门设有“流变学委员会”，每年召开一次全国流变学学术年会。90年的第三届会议在上海召开。按当时的划分，属于流变学范畴的有“非牛顿流体力学”、“粘弹性理论和本构方程”、“固体流变学”、“生物流变学”、“流变测量学”、“工业流变学”、“食品流变学”、“多相体系流变学”、“高分子工及流变性质”等。流变学的研究从85年召开第一届年会开始走上发展，通过十年多的时间我国已有了相当大的发展。 我们学校涉及流变学领域的专业很多，主要有储运专业、钻井专业、采油专业、机械专业、化工专业和应化专业等等，有相当一部分人研究这一课题的有关内容。 3．弹性体和粘性体: 受力后产生弹性变形并服从虎克定律的物体(固体)为弹性体。受力后产生剪切变形，变形程度随粘性大小而不同的物体(流体)为粘性体，粘性体分为牛顿流体和非牛顿流体。 既具有弹性又具有粘性的物体称为粘弹性体。 相应的学科有: 弹性力学、流体力学和粘性流体力学、流变学等等。 4．分散体系的分类: 悬浊液: d=0.2-01毫米； 胶状液(胶体): d=0.1-1.0微米； 分子溶液: 分子级。 5．影响非牛顿流体流变性的因素: 结构性(颗粒间形成网状结构)及分散相的性质、电荷的电位、分散相同离子浓度的大小、配制时间长短、温度变化历史、搅拌历史等。 6．非牛顿流体的类型： 流变性与时间无关的非牛顿流体: 塑性类型: 大部分泥浆、油漆、稀润滑脂等，有一定的结构强度(屈服应力或屈服值)，剪切速率，(剪切稀释性)。 假塑性类型: 结构性较弱，剪切速率，(剪切稀释性)。高分析溶液、乳状液等属于此类。 膨胀性类型: 结构性较强，剪切速率， (剪切增稠)，石灰浆、淀粉糊等属于此类。 流变性与时间有关的非牛顿流体: 触变性流体: 在一定剪切速率下，时间t，，达一定时间后稳定下来，如沥青。 震凝性: 在一定剪切速率下，时间t，，达一定时间后稳定下来。 粘弹性的非牛顿流体: 即具有粘性，又具有弹性，但一般说来以粘性为主，如聚丙烯酰胺溶液等。 2.1.2 流变方程 流变方程很多，原因是各种不同性质的非牛顿流体很多。目前常用的有以下几种: 1. 宾汉模式（塑性模式）(Binham) 流变参数: : 屈服值(极限动切力)，Yield Point(YP), : 塑性粘度(结构粘度),Plastic Viscosity(PY), 视粘度: 剪切稀释(剪切速率，)。 符合该模式的非牛顿流体称为宾汉流体或塑性流体。 2．幂律模式(指数模式)Power-law 流变参数: K: 稠度系数。 n: 流性指数，无单位。 n1，假塑性流体。 n1，膨胀性流体。 视粘度: n1，剪切稀释。 n1，剪切增稠。 符合该模式的非牛顿流体称为幂律流体或假塑性流体。 3．修正幂律模式(赫谢尔-巴尔克莱模式) 流变参数: ：屈服值， ：稠度系数， m：流性指数，无因次。 视粘度: 剪切稀释(剪切速率，)。 符合该模式的非牛顿流体称为赫谢尔-巴尔克莱流体。 4．卡森模式(Casson模式) 或 流变参数: : 视粘度。 : 卡森粘度，(无穷大时的粘度)。 : 卡森屈服值。 符合该模式的非牛顿流体称为卡森流体。 另外，还有许多其它的流变模式。 总结: 本构方程越复杂，越能描述出流体的实际流变性，但从数学上讲其越简单对于建立有关流体力学方程越方便，是一对矛盾。 2.1.3 钻井液的常用性能 1. 密度: 根据地层孔隙压力确定，变化范围很大: 1.04～2.35，有时可达2.6以上。一般情况是比地层孔隙压力梯度稍大一些，但欠平