钻井液流变模研究与计算

周贤东

（中石化中原石油工程有限公司钻井二公司，河南濮阳 457001）

钻井液流变模研究与计算

周贤东

（中石化中原石油工程有限公司钻井二公司，河南濮阳 457001）

钻井液密度是影响钻井的最主要因素之一，在钻井过程中，如何有效地改变钻井液密度而控制钻井过程中静液柱压力显得尤为重要。钻井液的流变参数是直接反映钻井液性能好坏主要参数，钻井液流变性影响循环压耗外还决定着井筒摩阻和井下安全。钻井液流变模式合理选择与参数值的准确性直接关系着流变学计算的准确性。目前钻井作业现场常用的钻井液流变模式有宾汉、幂律、卡森3种。针对石油钻井中常用的3种钻井液流变模式：幂律模式、宾汉模式、卡森模式进行了对比和分析。

钻井液；水力参数；压力降

1 钻井液流变模式

1.1 宾汉模式

宾汉模式就是根据塑性液体的流变曲线特征，用数学方法描述塑性液体流动规律的数学模式，根据数学关系，将流变曲线的直线段延长交于切应轴于τ0，称为宾汉模式的屈服值。由于τ0不是实际流变曲线上的流动屈服点（有人称为假屈服值），故通常称τ0为动切应力。根据数学意义，当液体克服τ0流动后，剪切应力的变化与剪切速率的变化成正比，引入比例常数ηs，由于宾汉模式研究塑性液体的流变规律而得来，根据黏度的定义，ηs称为塑性黏度。既

由此，宾汉数学模式表达式为

式中：τ0—Pa；ηs—Pa·s。

1.2 幂律模式

针对典型的假塑性液体，由于流变曲线为指数曲线，所以其流动规律符合指数方程，即

该式按标准化术语称为幂律模式。

式中：n—流性指数（元因次），k—稠度系数，Pa·sn。

1.3 卡森模式

卡森模式是由卡森在1959年提出用于颜料悬浮体流变性的研究，1979年由两位美国钻井液工程师劳森（Lauzon）和瑞德（Reid）首次把卡森模式用于钻井液流变性的研究，随后国内外许多学者都对卡森模式进行了进一步的研究，证明卡森模式是众多模式中较好的模式，目前已较广泛地用于钻井液以及水泥浆流变学的研究，卡森模式的应用也是钻井液流变学的一个重要发展。

式中：τC—卡森屈服值或卡森极限剪切应力（Pa）

η∞—极限高剪黏度（Pa·s）

2 常用流变模计算方法

根据流体流动时，剪切和剪切应力之间速率的关系，可以将其划分为不同的流变模式，即牛顿流体、塑性流体、假塑性流体和膨胀性流体。目前许多研究人员经过了大量的科学实验，根据不同的流变曲线计算出了与其对应的数学关系式，提出了流变模式。一般而言，实用可行的流变模式应具备以下条件：

1）不同速度梯度范围内，剪切应力的实测值与理论值较为符合；

2）根据不同的流动通道，可以得出既精确又简单的流变参数计算式；

3）在流变模式中，各个流变参数能反映非牛顿流体的流变特性并有明确含义。

宾汉模式为直线方程，用来描述较低速梯下的钻井液流变特性与实际相差甚远，采用宾汉参数进行环空流变学的有关计算，计算结果往往偏大。幂律模式描述的流变曲线是一条抛物线，故在低速梯范围内比宾汉曲线更接近所钻井液的真实流动性（特别是典型的假塑性流体），但幂律模式在较高的速度梯度下仍有较大的误差，往往比实际测定值偏小，且幂律模式不能反映大多数的钻井液具有极限剪切应力（静切力）的特点。卡森模式描述钻井液的流变规律与大多数的钻井液体系的流变特征相符，具有适用速梯范围大、流变参数意义明确和准确性高的特点。一般而言，典型的聚合物钻井液、油包水乳化钻井液适用于幂律模式，大多数的分散体系钻井液适用于卡森模式，极少数的钻井液（如膨润土稠浆）适合于宾汉模式。以上三种流变模式因均为两参数模式、简便，是广为现场最常采用的钻井液流变模式。

3 环空中钻屑浓度的估算

环空中岩屑浓度直接与钻井液的携带能力及岩屑输送比有关，进入环空的岩屑单位时间的量qn，任一循环周期环空中岩屑的含量：

由此可以看出，当岩屑输送比RT和钻井液排量Q增加时，环空岩屑浓度减少，反之，环空岩屑浓度增加。当RT和Q不再改变时，也会因钻屑不能被彻做底清除，随时间qn增加，而环空岩屑含量也会自然增加。通过计算环空岩屑的含量，来计算和预测环空有效钻井液密度及其变化，对平衡钻进是非常有意义的。

4 结论

1）对目前油气钻探中钻井液常用的流变模式宾汉模式、幂律模式、卡森模式进行了介绍和分析，介绍了流变方程及常规计算方法以及使用范围；

2）通常在现场计算时需要根据不同的流变环境，选用的不同流变模式，它取决的因素比较多，如钻井液体系，钻井液组分的相对含量，钻井液的流动速率等，需运用实验或优选方法对钻井液流变模式进行优选，以适应其需要；

3）通过现场实际使用与实测相结合的方法进行对比分析，得出卡森流变模式适用于低黏度、低切力和低密度的钻井液体系，计算结果也是比较准确的，完全可以满足钻井工程施工的要求；

4）介绍的三中流变模式中卡森流变模式不适应高密度钻井液，宾汉模式、幂律模式适合高密度钻井液。

[1] 龙政军.钻进中有效环空钻井液密度及计算方法[J].石油钻采工艺，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

周贤东（1987—），男，四川资中人，助理工程师，主要从事石油工程、经营管理工作。