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钻井液与完井液2

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钻井 完井液
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1第三章、钻井液的流变性 . 几种流型的概念和数学模型。2. 流变参数的胶体化学性质。3. 流变性测量原理和流变参数直读公式。4. 钻井液流变性与钻井工程的关系。5. 钻井液流变性能的调节与维护。2第一节、 钻井液的流动状态和基本概念1. 流体的流动类型稳 定 流: 流场中任何点的流动参量不随时间改变,但不同点的流动参量可以不同的流动。特 点: 稳定流动是连续性的。不稳定流:流场中任何点的流动参量不但随位置不同而变,而且随时间不同也在改变的流动。特 点:旧的流动条件刚改变到新的流动稳定条件建立之间的流动。如:流体刚开始流动时;管道横断面变宽、变窄处。非稳定流动稳定流动流动类型3稳定流动类型的变化塞流 速为常数 流 意流层与相邻流层方向相 同,流速不同。紊流 一定点的流速,其大小、方向都在进行着不规则的、连续的变化。塞 流 层 流 紊 流42. 基本概念(预备知识)剪切速率 梯、剪率、切变率,流速梯度。常用符号: γ、 D、 dv/: γ= dv/ 垂直于流动方向上单位距离内的流速增量。意 义: dv/大,液流各层间的速度变化大;反之则小。单 位: γ = 速度 /距离 = cm/s/ 1/s = 沉砂罐处: 10~20 50~250 100~1000 1000~7000 应力、切应力。常用符号: τ定 义: τ= F/A = 液层单位面积上的剪切力。意 义: τ越大,液流各层所受的作用力越大;反之,越小。剪切应力 内摩擦力单 位: τ= F/A = 1N/10:速梯与切应力关系曲线。表示方法:三种表示法。0 00ττγγQ; V; nP; P; 7粘度 效粘度、视粘度。常用符号: η定 义: η= τ/ γ(单位剪切速率的剪切应力 )。单 位: η= τ/ γ= s/ 泊1泊 = 100 1s/ 1/ = τA / γA越大, η越小图中: ηA ηγ1τγ019漏斗粘度 :定体积泄流时间。单 位:秒; : 马氏漏斗粘度 1500出 946时间。标准:清水测量值: 26± 中国漏斗粘度定义: 70000准: 清水测量值: 15± 优点:– 简单易行• 缺点:– 测定过程中流速梯度在变化– 没有考虑流体密度的影响11剪切稀释性—— 钻井液的有效粘度随剪切速率增加而降低的现象。特点:剪切速率是变量;粘度是变量。可用 V ,n, 2第二节、 基本流型及其分析一、流体分类根据“应力 — 应变(流动)( τ~γ)”关系,将流体分为:非牛 顿 体, 法向 应 力),,粘 弹 性流体震凝体触 变 体与 时间 有关的流体膨 胀 体假塑性塑性体与 时间 无关的流体非牛 顿 流体牛 顿 流体粘性流体流体—γ~( τ13二、流体分析对流体研究对象的基本假设: 连续介质 均质性 不可压缩性 层流141、牛顿内摩擦定律与牛顿流体 牛顿内摩擦定律τ=F/A=η(dv/ — 表征流体粘性的比例系数,简称牛顿粘度。F — 内摩擦力。 牛顿流体流变性符合牛顿内摩擦定律的流体。类型举例:水、甘油、单相液体等。流变曲线:通过原点的直线。特点: η= τ/ γ=C(常数)非牛顿流体剪切应力与剪切速率不呈线形关系的流体。( 1)流变特性与时间无关的非牛顿流体特点: τ与 γ呈单值对应关系。塑性流体 τ = τ0 +ηs γ宾汉模型流变曲线:有截距的直线。流变参数:动切应力 服值、屈服点。定 义:流体开始呈现层流流动时所需要的剪切应力。常用符号: τ0; : 线截距的切应力值。γττ0 τ:塑性流体与其结构强弱无关的粘度。常用符号: ηs、 :公制: s/、厘泊。国际: - τ0 = ηs γ 或者 η= ηs+ τ0/ γ优点:γ 0, τ τ0 能够反映多数钻井液具有内部结构情况。γ, η  能够反映多数钻井液的剪切稀释性。γ, η ηs 能够反映出钻井液的极限粘度。缺点:低剪切速率下: τ实 > τ宾 表明模型拟合实际曲线有较大偏差 τ = 原点凸向切应力轴的曲线。流变参数:稠度系数 映流体的粘滞性。 体越难流动。单位: 离牛顿流体的程度。模式讨论 τ = 或者 η= 0, τ  0 不符合大多数钻井液具有屈服应力的特点。γ, η  能够反映钻井液的剪切稀释性。γ, η  0 无极限粘度,不符合钻井液情况。n>1 膨胀流体τ01n﹥ 118真实泥浆与不同流型的比较0τ1/2 = τ + η1/2 γ1/2流变曲线:γ1/2~ τ1/2 作图,为一条直线。γ ~τ作图,为直线与曲线之和。模式讨论 τ1/2 = τ + η1/2 γ1/2γ 0, τ τc 能够反映多数钻井液具有内部结构情况。γ, η  能够反映多数钻井液的剪切稀释性。γ, η η 能够反映出钻井液的极限粘度。ττ 1/2τ 流型流变模式说明对于动切力较高的聚合物钻井液,特别是在环空较低剪切速率下,它往往比宾汉模式和幂律模式更接近于钻井液的流变性。因其为三参数方程,参数计算较复杂。   1/)(5 1 () (3 2 参数计算21(2) 流变特性与时间有关的非牛顿流体特点: τ=f (γ, t )触变性流体 实验现象:流体摇动并静止后形成凝胶,再次摇动后恢复到原有状态。 通俗定义:恒温恒压下,流体搅拌后变稀,静止后变稠的特性。 一般定义:在一定速梯下,剪切应力随作用时间增加而减小的特性。 胶化定义:等温情况下,流体状态发生凝胶 溶胶 凝胶可逆转变的特性。0η止后:粒子为了满足表面静电饱和,在自由能最小部位自行排列而形成凝胶 结构。搅拌时:网架结构逐步被拆散。显然,凝胶结构 = f ( 固含、固相类型、温度、时间、剪切过程、处理剂类型)触变性的两个特点:A. 形成结构到拆散结构,或反之,在等温情况下是可逆的,可重复的。B. 结构的变化与时间紧密相关。静置 静置搅拌 搅拌23触变性的表示和测量表示原理:用流体恢复内部网架结构所需时间和最终的静切应力大小表示。表示方法: 触变性 = 初切力 /终切力(旋转粘度计或浮筒切力计)触变环面积大小 密度钻井液:触变性 = 初切力 /终切力 =1分钟静切力 /10分钟静切力即:触变性 = τ1„ / τ10‟ = 密度钻井液:触变性 = 10秒钟静切力 /10分钟静切力 =τ10“/ τ10‟ = 快的强凝胶较慢的强凝胶较快的弱凝胶较慢的弱凝胶τ钻井液流变参数的胶体化学性质学习意义:分散介质间吸引力。流变性 =f(流动阻力) 分散相与介质粘附力。 反映钻井液自身结构强弱分散相之间吸力、斥力。 (可通过化学处理改变)即:化学处理 改变体系内部结构(胶化性质) 改变流动阻力改变钻井液流变性因此,通过钻井液流变性变化,可以分析: 化学处理剂作用后,钻井液体系中分散相结构的微观变化。 钻井液体系的稳定性。 寻求符合生产实际所需要的钻井液配方,满足钻井工程的需要。25一、钻井液的静切应力和动切应力1. 静切力 τ 钻井液静止后形成的凝胶结构强度。 钻井液从静止到开始塞流流动所需要的最小剪切应力。影响因素: 单个链环的强度 —— 颗粒间引力 ——电位、水化膜厚度。 结构链环数目 /单位体积(结构密度) —— 颗粒浓度、分散度。调整方法: 升 τs—— 提高 c 、分散度,降低  、水化膜厚度。 降 τs—— 与上相反。26静切力的实际应用( 1)悬浮岩屑和加重材料悬浮岩屑(球形)所需静切力为:τs( = 980d(岩 - 浆 ) /6切力 =2~6 达到良好的悬浮能力。终切力 =2初切力,属于良好型触变体。终切力 =5初切力,属于递增型触变体。此时,会造成泵压过高,易压漏地层。( 2) 影响井内液柱压力激动(阅读)。G =重力 动切应力 τ 0( 义:钻井液开始作层流流动时,必须要的最小剪切应力。实质:层流流动时,流体内部结构一部分被拆散,另一部分重新恢复。当拆散 与恢复速度相等时,保留的那部分内部结构所产生的剪切阻力。τ 0与 τ 0为层流流动条件下固体颗粒之间吸引力的量度;τ 8影响因素(类似于静切力): 单个链环的强度 —— 颗粒间引力 ——电位、水化膜厚度。 结构链环数目 /单位体积(结构密度) —— 颗粒浓度、分散度。调整方法: 升 τo—— 提高 c、分散度,降低 、水化膜厚度,加增粘剂。 降 τo—— 冲稀、加降粘剂拆结构。29二、钻井液的粘度1. 有效粘度(视粘度)定义: η= τ/ γ意义: 钻井液作层流流动时,有效粘度等于以下四部分内摩擦力的微观统计结果:固 ~ 固颗粒间内摩擦阻力;固 ~ 液相分子间内摩擦阻力;液 ~ 液分子间内摩擦阻力;固相结构 ~ 液相分子间内摩擦阻力;几种流体(模式)表示的有效粘度:宾 汉 体: η= ηs+ τ0/ γ假塑性体: η= K(γ) 体: η= [(η)1/2 +(τ0/ γ) 1/2]2302. 宾汉体的塑性粘度 η流流动时,流体内部网状结构的破坏与恢复处于动态平衡时, 以下三 部分内摩擦力的微观统计结果:固 ~ 固颗粒间内摩擦阻力;固 ~ 液相分子间内摩擦阻力;液 ~ 液分子间内摩擦阻力;特点: ηdv/响因素:固相含量:固含 ηs ;分散度:分散度 ηs ;液相粘度:液相粘度 ηs ;调整 ηs 的方法:根据影响因素升、降 ηs 。313. 假塑性体的 n、 k: k =f (液相、固相含量及其性质)流性指数 n: n= f (内部结构强弱)体非牛顿性越强。降 :降低固体含量;稀释或者除砂;调整 n—— 加入活性膨润土、无机盐、高分子聚合物等;提 n—— 加入清水、降粘剂等;32第四节、 钻井液流变参数的确定一、旋转粘度计原理和基本计算公式1. 内、外筒式旋转粘度计原理内外筒之间充满被测钻井液,当外筒旋转时,通过流体的粘性带动同轴内筒转动,使扭力弹簧扭转一定角度至平衡为止,由此反应不同流体的剪切应力大小。因为内、外筒尺寸和外筒转速确定了内筒外表面的剪切速率,而读值大小反映内筒外表面的剪切应力,所以,可根据测得的“ τ~γ”关系计算钻井液的流变参数。旋转粘度计基本计算公式将线速度梯度代入牛顿内摩擦定律,并考虑内筒外表面切应力,可推得以下旋转粘度计的基本公式:τ=M / ( 2πγ=2( = π [ 15 ( ]式中, —— 外筒旋转角速度;n —— 外筒每分钟转速; — 内、外筒半径 ;M —— 维持外筒旋转的力矩 井液流变参数的确定1. 仪器参数的确定常用仪器: 器参数:1 1 h ф 格 300 380将仪器参数代入 γ=π [ 15 ( ] 中,得到:γ=以计算出不同转速下的剪切速率。r/ 600 300 200 100 6 1022 511 5又根据测定扭距 M = 到仪器最大测定扭距: 300  380 = 114000 =M / ( 2π,得: τ 1533 得到仪器扭簧系数: C = τ/ф = 1533/300 = 综上可见,我们已经得到了如下公式:τ= 据直线的两点法则推得)因此,可以利用这些公式导出钻井液流变参数的直读计算公式。362. 不同流体的流变参数直读公式牛顿流体 = ф300 = ф600/2 ф600- ф300 ф600/2 ф300- ηs) 600 /ф300)K = 511n = (ф6001/2 - ф1001/2) 2 ()2 钻井液流变性能与钻井工程的关系钻井液流变性能与钻井工程的关系主要体现在下列几个方面: 影响钻井速度; 影响环空携带岩屑能力; 影响井壁稳定; 影响岩屑和加重物质的悬浮; 影响井内压力激动; 影响钻进泵压和排量; 影响固井质量。381. 影响钻井速度其它因素不变时,m = f(,钻速的表达式为: ,雷诺数与钻井液粘度关系如下: 对于宾汉塑性体:  1/2该式说明了钻井液的流变参数对钻速的影响关系。39举例某钻井液的塑性粘度 均钻速为 6米 /小时,在不改变其它因素时,降低 钻速变化为: 6(32/8)1/2 = 12 米 /小时钻速提高 2倍。如果钻进 1000米井段,用 00小时,则用 0小时,4041 影响层流条件下岩屑携带 层流携带岩屑的特点:岩屑翻转上升。 层流携带岩屑缺陷的实质:力矩效应。 改进方法:将尖峰形改为平板形层流。 平板形层流携岩原理:流核直径:由上式可见, τ0 /  s ,   钻井液流速剖面变平坦  翻转力矩效应减小。)dD(于宾汉流体:τ0 /  s =  s = Pa/ 3 据 ф600 /ф300 = 1022 n/511n =2n,得到动塑比与流型指数的关系:τ0 /  s= ф300 -  s ) / ( ф600 =( 1(2 此, n = τc = 高 τ 0 /  s 的关键是降低 塑性粘度  s 。443. 影响井壁稳定钻井液流变性对井壁稳定的影响主要是指对井壁的冲蚀作用。流时: τ0+12  (+0  s [τ0 /  s +12 V/ (+0 /  s]蚀性越强。由上面公式可见钻井液流变参数对其影响关系。454. 影响岩屑和加重物质的悬浮在牛顿流体中的颗粒只要其密度大于流体密度,就必然会以一定速度下沉。但是,岩屑颗粒在钻井液中的情况却不同。由于静切力和动切力的存在,即使颗粒密度大于钻井液密度,颗粒也不会发生沉降。只有当颗粒与流体满足一定条件时,颗粒才会下沉。因此,颗粒除了自然沉降外,还具有一种切应力悬浮状态。流体静止状态下的静应力悬浮状态悬浮岩屑(球形)所需静切力为:τs( = 980d(岩 - 浆 ) /6由上式可以计算静止状态下,悬浮岩屑颗粒所需要的静切应力。G =重力 阅读)岩屑颗粒在钻井液中的沉降速度为: d s [d s (  s -  f ) - τ0] 若颗粒处于临界状态,d s (  s -  f ) - τ0 =0即颗粒悬浮的临界条件为: s /  f =0 / ( g d s  f) +1颗粒悬浮的判别准则为: s /  f  0 / ( g d s  f) +1在钻井工程中,尤其是在水平井的施工中, 动切应力的悬浮作用对于避免岩屑沉积是非常有益的 。习题4、 548第四章、钻井液滤失和润滑性能. 掌握三个(瞬、静、动)失水概念。2. 掌握五个公式。3. 熟悉七个影响因素。4. 了解失水造壁性与钻井工程的关系。5. 了解钻井液润滑性参数及测定方法。49一、失水造壁性的基本概念1. 水基钻井液中的水水基钻井液 = 固相 +水 +处理剂钻井液中的水由三部分组成:结晶水(化学结合水)—— 粘土矿物晶体构造的组成部分。吸附水(束缚水)—— 由固相颗粒吸附的水化膜。自由水—— 钻井液中自由移动的水,分散介质。特点:占总水量中的绝大部分。吸附水结晶水自由水50携带、悬浮岩屑控制压力形成泥饼破岩、清岩 保护油气层传递水功率51522. 失水与造壁的概念为了防止地层流体进入井内,钻井液液柱的压力必须大于地层流体的压力,于是,钻井液总是趋向于向地层漏失或滤失。漏失 —— 钻井液的固相和液相全部进入地层的现象。滤失 —— 钻井液中只有液相进入地层的现象。失水 —— 钻井液中的自由水在压差作用下向地层或滤膜滤失渗透的过程。泥饼 —— 钻井液滤失过程中留在井壁或者滤膜上的物质。造壁性 —— 钻井液在井壁形成泥饼封护井壁的能力。533. 井下失水过程时间累计失水量T o T 1 T 2 T 3 T 4 T 5 T 6V 瞬V 动V 静h=0 h h=c h h h= 滤饼尚未完全形成之前很短时间内的失水量。特点:• 时间短( t 300 时,  f ) /  f ] 1/2由此可见,井眼净化与钻井液流变性能中的有效粘度 紧密相关。
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