鉆井液流變模研究與計算

周賢東

（中石化中原石油工程有限公司鉆井二公司，河南濮陽 457001）

鉆井液流變模研究與計算

周賢東

（中石化中原石油工程有限公司鉆井二公司，河南濮陽 457001）

鉆井液密度是影響鉆井的最主要因素之一，在鉆井過程中，如何有效地改變鉆井液密度而控制鉆井過程中靜液柱壓力顯得尤為重要。鉆井液的流變參數(shù)是直接反映鉆井液性能好壞主要參數(shù)，鉆井液流變性影響循環(huán)壓耗外還決定著井筒摩阻和井下安全。鉆井液流變模式合理選擇與參數(shù)值的準(zhǔn)確性直接關(guān)系著流變學(xué)計算的準(zhǔn)確性。目前鉆井作業(yè)現(xiàn)場常用的鉆井液流變模式有賓漢、冪律、卡森3種。針對石油鉆井中常用的3種鉆井液流變模式：冪律模式、賓漢模式、卡森模式進(jìn)行了對比和分析。

鉆井液；水力參數(shù)；壓力降

1 鉆井液流變模式

1.1 賓漢模式

賓漢模式就是根據(jù)塑性液體的流變曲線特征，用數(shù)學(xué)方法描述塑性液體流動規(guī)律的數(shù)學(xué)模式，根據(jù)數(shù)學(xué)關(guān)系，將流變曲線的直線段延長交于切應(yīng)軸于τ0，稱為賓漢模式的屈服值。由于τ0不是實際流變曲線上的流動屈服點（有人稱為假屈服值），故通常稱τ0為動切應(yīng)力。根據(jù)數(shù)學(xué)意義，當(dāng)液體克服τ0流動后，剪切應(yīng)力的變化與剪切速率的變化成正比，引入比例常數(shù)ηs，由于賓漢模式研究塑性液體的流變規(guī)律而得來，根據(jù)黏度的定義，ηs稱為塑性黏度。既

由此，賓漢數(shù)學(xué)模式表達(dá)式為

式中：τ0—Pa；ηs—Pa·s。

1.2 冪律模式

針對典型的假塑性液體，由于流變曲線為指數(shù)曲線，所以其流動規(guī)律符合指數(shù)方程，即

該式按標(biāo)準(zhǔn)化術(shù)語稱為冪律模式。

式中：n—流性指數(shù)（元因次），k—稠度系數(shù)，Pa·sn。

1.3 卡森模式

卡森模式是由卡森在1959年提出用于顏料懸浮體流變性的研究，1979年由兩位美國鉆井液工程師勞森（Lauzon）和瑞德（Reid）首次把卡森模式用于鉆井液流變性的研究，隨后國內(nèi)外許多學(xué)者都對卡森模式進(jìn)行了進(jìn)一步的研究，證明卡森模式是眾多模式中較好的模式，目前已較廣泛地用于鉆井液以及水泥漿流變學(xué)的研究，卡森模式的應(yīng)用也是鉆井液流變學(xué)的一個重要發(fā)展。

式中：τC—卡森屈服值或卡森極限剪切應(yīng)力（Pa）

η∞—極限高剪黏度（Pa·s）

2 常用流變模計算方法

根據(jù)流體流動時，剪切和剪切應(yīng)力之間速率的關(guān)系，可以將其劃分為不同的流變模式，即牛頓流體、塑性流體、假塑性流體和膨脹性流體。目前許多研究人員經(jīng)過了大量的科學(xué)實驗，根據(jù)不同的流變曲線計算出了與其對應(yīng)的數(shù)學(xué)關(guān)系式，提出了流變模式。一般而言，實用可行的流變模式應(yīng)具備以下條件：

1）不同速度梯度范圍內(nèi)，剪切應(yīng)力的實測值與理論值較為符合；

2）根據(jù)不同的流動通道，可以得出既精確又簡單的流變參數(shù)計算式；

3）在流變模式中，各個流變參數(shù)能反映非牛頓流體的流變特性并有明確含義。

賓漢模式為直線方程，用來描述較低速梯下的鉆井液流變特性與實際相差甚遠(yuǎn)，采用賓漢參數(shù)進(jìn)行環(huán)空流變學(xué)的有關(guān)計算，計算結(jié)果往往偏大。冪律模式描述的流變曲線是一條拋物線，故在低速梯范圍內(nèi)比賓漢曲線更接近所鉆井液的真實流動性（特別是典型的假塑性流體），但冪律模式在較高的速度梯度下仍有較大的誤差，往往比實際測定值偏小，且冪律模式不能反映大多數(shù)的鉆井液具有極限剪切應(yīng)力（靜切力）的特點?？ㄉＪ矫枋鲢@井液的流變規(guī)律與大多數(shù)的鉆井液體系的流變特征相符，具有適用速梯范圍大、流變參數(shù)意義明確和準(zhǔn)確性高的特點。一般而言，典型的聚合物鉆井液、油包水乳化鉆井液適用于冪律模式，大多數(shù)的分散體系鉆井液適用于卡森模式，極少數(shù)的鉆井液（如膨潤土稠漿）適合于賓漢模式。以上三種流變模式因均為兩參數(shù)模式、簡便，是廣為現(xiàn)場最常采用的鉆井液流變模式。

3 環(huán)空中鉆屑濃度的估算

環(huán)空中巖屑濃度直接與鉆井液的攜帶能力及巖屑輸送比有關(guān)，進(jìn)入環(huán)空的巖屑單位時間的量qn，任一循環(huán)周期環(huán)空中巖屑的含量：

由此可以看出，當(dāng)巖屑輸送比RT和鉆井液排量Q增加時，環(huán)空巖屑濃度減少，反之，環(huán)空巖屑濃度增加。當(dāng)RT和Q不再改變時，也會因鉆屑不能被徹做底清除，隨時間qn增加，而環(huán)空巖屑含量也會自然增加。通過計算環(huán)空巖屑的含量，來計算和預(yù)測環(huán)空有效鉆井液密度及其變化，對平衡鉆進(jìn)是非常有意義的。

4 結(jié)論

1）對目前油氣鉆探中鉆井液常用的流變模式賓漢模式、冪律模式、卡森模式進(jìn)行了介紹和分析，介紹了流變方程及常規(guī)計算方法以及使用范圍；

2）通常在現(xiàn)場計算時需要根據(jù)不同的流變環(huán)境，選用的不同流變模式，它取決的因素比較多，如鉆井液體系，鉆井液組分的相對含量，鉆井液的流動速率等，需運(yùn)用實驗或優(yōu)選方法對鉆井液流變模式進(jìn)行優(yōu)選，以適應(yīng)其需要；

3）通過現(xiàn)場實際使用與實測相結(jié)合的方法進(jìn)行對比分析，得出卡森流變模式適用于低黏度、低切力和低密度的鉆井液體系，計算結(jié)果也是比較準(zhǔn)確的，完全可以滿足鉆井工程施工的要求；

4）介紹的三中流變模式中卡森流變模式不適應(yīng)高密度鉆井液，賓漢模式、冪律模式適合高密度鉆井液。

[1] 龍政軍.鉆進(jìn)中有效環(huán)空鉆井液密度及計算方法[J].石油鉆采工藝，1989，（4）.

Research and Calculation of Flow Pattern for Drilling Fluids

Zhou Xian-dong

Drilling fluid density is one of the most important factors affecting drilling.It is very important to effectively change the density of drilling fluid and control the pressure of hydrostatic column during drilling.The rheological parameters of the drilling fluid are the main parameters that directly reflect the performance of the drilling fluid.The rheological properties of the drilling fluid affect the cycle pressure and also determine the shaft friction and underground safety.The accuracy of the rheological model is well related to the accuracy of the parameter value.At present，the drilling fluid is often used in drilling rigs，including Bingham，power law and Carson. In this paper，three kinds of drilling fluid rheological patterns commonly used in oil drilling are studied：power law model，Bingham model and Carson model are compared and analyzed.

drilling fluid；hydraulic parameters；pressure drop

TE254

B

1003–6490（2017）05–0236–02

2017–04–21

周賢東（1987—），男，四川資中人，助理工程師，主要從事石油工程、經(jīng)營管理工作。