泥浆材料检测与应用 非牛顿流体的基本流型及流变参数 非牛顿流体及流变参数.doc

知 行 结 合 崇 尚 实 践 授课章节 任务/项目 项目三任务一 授课方式 理论课√ 实践课□ 理实课□ 其 他□ 授课次数 授课内容 非牛顿流体及流变参数 计划课时 教学目标与要求 知识目标：掌握流体的流变参数 了解非牛顿流体的流变模式 能力目标：能够调整流变参数 素质目标：培养学生爱岗敬业、认真负责的职业素质 教学重点与难点 重点： 流体的流变参数 难点：流变参数的调整方式 处理方法：讲授、举例、讨论 教学资源 教材、多媒体教室、课件、图片等 教学过程 主题/任务/活动 教学方法/教具 时间分配 导入新课 讲授、举例 非牛顿流体的流变模式 讲授 流变参数的调控 讲授 小结 讲授 作业/ 技能训练 教学评估 教 学 设 计 【导入新课】 上节课我们介绍了钻井液流变性相关的几个基本概念，那么这节课，我们来学习钻井液流变性相关的几个参数。 钻井液一般为非牛顿流体，而非牛顿流体一般分为塑性流体、假塑性流体和膨胀性流体。下面我们详细介绍这几种流体的相关知识。 【授课内容】 塑性流体 一般的钻井液属于这种流型。 塑性流体的剪切速率为零时，剪切应力不为零。也就是说，施加的力超过一定值得时候才开始流动，这种使流体开始流动的最低剪切应力τs称为静切力。钻井液的静切应力又称凝胶强度。其物理意义是钻井液静止时破坏其内部单位面积上的网架结构所需要的剪切力，单位是Pa。 剪切力超过τs时，在初始阶段剪切速率随剪切应力增大不成直线，此时塑性流体不被均匀剪切，黏度逐渐降低。剪切应力继续增加，当数值大到一定程度，黏度将保持不变，此时流变曲线成直线。而直线斜率称为塑性粘度ηp（或PV），这是塑性流体的性质，表明在层流情况下，钻井液中网架结构的破坏与恢复处于动平衡时，流体中各种质子之间的内摩擦作用强弱。τ0（或YP）称为动切力（或称屈服值），它是钻井液在层流流动时形成结构的能力，其大小是塑性流体流变曲线中的直线段在τ轴上的截距。由于动切力的引入，塑性流体流变曲线中直线段可用直线方程进行描述。即为 τ0——动切力，Pa； ηp——塑性粘度，Pa·s。 此式为塑性流体的流变模式，称宾汉公式；塑性流体也叫宾汉塑性流体。 塑性流体流动特性与其内部结构有关。一般情况下，钻井液中黏土颗粒处于一定的絮凝状态；因此，要使钻井液开始流动，就必须施加一定剪切应力，破坏絮凝时形成的连续网架结构。这个力即静切应力，它反映了所形成结构的强弱，也叫作凝胶强度。 假塑性流体 某些钻井液、高分子化合物的水溶液以及乳状液等均属于假塑性流体。从假塑性流变曲线可以看出，这条曲线是通过原点并凸向剪切应力轴的曲线。符合该特性的流体，它的流动特点是施加极小的剪切应力就能产生流动，不存在静切应力，它的粘度随剪切应力的增大而降低。假塑性流体的流动服从幂律公式，如下： K——稠度系数， Pa·sn； n——流性指数，n1。 N和k是假塑性流体的两个重要流变参数。 在中等和较高剪切速率范围内，幂律公式和宾汉公式均较好体现了实际钻井液的流动特性；在低剪切速率范围，采用幂律公式比宾汉公式更好表示钻井液在环空的流变性，并能更准确预测环空压降和进行有关的水力参数计算。在钻井液设计和现场应用中，两种模式同时使用。 三、其它参数 1、钻井液触变性，钻井液的触变性指搅拌后钻井液变稀（切力下降），静止后变稠（切力上升）的特性。测量钻井液触变性是将搅拌均匀的钻井液静置1分钟（或10秒）和静置10分钟，分别测量其初切值和终切值，用初切、终切的差值表示钻井液触变性的大小。 钻井液主要是由黏土和高聚物处理剂组成的分散体系，存在空间网架结构，在剪切作用下（搅动时）结构被破坏（切力下降），只有某些部位相互接触时才能彼此重新粘结起来形成结构（切力上升）。恢复结构所需时间和最终胶凝强度（切力）大小，是触变性的主要特征。 膨润土钻井液的触变性可归纳为四种情况。 曲线1表示恢复结构所需时间较短，最终切力相当高的情况，称为较快的强凝胶；曲线2代表较慢的强凝胶；曲线3代表较快的弱凝胶；曲线4则代表较慢的弱凝胶。 钻井液应具有良好的触变性。钻井液在停止循环时，切力应迅速增大到某个适当的数值，既有利于钻屑和重晶石的悬浮，又不会恢复循环时开泵压力过高。上图曲线1代表较快强凝胶，悬浮钻屑能力强，但重新开泵困难；曲线3代表较快弱凝胶则比较理想。钻井液凝胶强度不能太弱；能够有效悬浮重晶石的静切力为1.44Pa。曲线2、3代表的两种钻井液10min切力相近，但最终切力值相差很大。即初切、终切表示法有其局限性。 2、漏斗黏度和稠度系数及表观粘度。钻井液漏斗黏度是指一定体积的钻井液（500m