泥浆流变学 _生活百科

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泥浆流变学【泥浆流变学】泥浆流变学，是研究泥浆流动规律的学科。泥浆是一类複杂的结构流体，其粘度不但随剪下速率而变（即流变性），而且还与剪下持续时间有关（即触变性）。
基本介绍中文名：泥浆流变学
外文名：mud rheology
学科：钻探工程
研究内容：研究流体受外力作用下变形与流动
套用：石油天然气钻井
出现时间：20世纪初
简介变学是研究流体受外力作用下变形与流动的科学。泥浆是一种具多分散相的流体，在外力作用下其变形与流动决定于内部的阻力，如内摩擦力的大小、内部网状结构的强度、作用时间等，可用黏度(塑性黏度、结构黏度、视黏度)、切应力(静切力、动切力)、触变性、稠度係数、流性指数、剪下稀释作用等参数表示。其特性参数之间的内在变化规律可用数学式即流变方程，并以剪下速率dv/dx、剪下应力r的平面直角坐标或对数坐标的流变曲线来表示(如图) 。一般清水、溶液、甘油等单相均质体系的流变参数关係可用牛顿方程来描述其流动特性，因此称这些流体为牛顿液体；非均质的两相或多相体系，如泥浆、乳状液、高分子溶液、泡沫泥浆等塑性流体、準塑性流体、膨胀性流体，则服从于宾汉方程、幂律方程或卡森方程及其流变图。泥浆的流变特性参数对计算泥浆在孔内循环的压力损失，选择泵压、泵功率，起下钻时的激动压力，岩屑的上返流速，钻头水马力等都是重要的参数。发展简史泥浆流变学的发展与钻探工程密切相关。早期(1901～1930)的钻孔较浅，泥浆的流动性未受到重视，至1930年前后才相继开始用马氏漏斗和斯托姆粘度计来测定泥浆的粘度。40年代末至50年代初，喷射钻井技术得到推广，钻探水力学的研究受到重视，但斯托姆粘度计测得的粘度，不能用于水力学计算。1951年，美国J.C.梅尔罗斯和W.B.利连斯德，首次解决了用同轴旋转圆筒式粘度计测定宾汉流变参数和静切力的问题。在此基础上，1954年，J.G.萨文斯和W.F.罗珀通过适当选择测量元件的几何尺寸和弹簧系统，进一步使测定的结果可以直接读出，此即今天广为套用的直读式旋转粘度计。这使宾汉（流变）模式在泥浆中得到广泛套用。宾汉模式在低剪下速率区误差较大，在60年代末期美国和加拿大广泛推广套用低固相聚合物泥浆后，其套用受到限制。双常数幂律模式正好能克服宾汉模式这一缺陷，在70年代初期得到广泛套用。但幂律模式也有其不足，当所描述的剪下速率範围较宽时误差也很大。70年代中期以来，研究者又陆续推荐一些更精确然而也更为複杂的模式。主要有带屈服应力的幂模式、罗伯特逊-斯蒂夫模式和卡森模式等。研究内容主要有以下几个方面：①研究各类泥浆的结构属性和流动规律，并建立相应的数学模式（流变方程）；②查明剪下持续时间、温度和压力等因素对泥浆流变性能的影响，为解决钻进过程中的一系列流体力学问题奠定理论基础；③建立泥浆在孔内的流动力学公式；④研究流动对孔内状态的影响（流动效应）；⑤研究泥浆流动性能与其成分的关係，为泥浆及其材料的合成提供依据等。此外，在钻探工程中，还研究泥浆的粘度、剪应力和剪下速率等的变化，以及其变化对破碎岩石、携带和悬浮岩屑、稳定孔壁、上下钻和泥浆失量等方面的影响。从而为确定现场套用的泥浆类型、材料合成和对泥浆进行处理（主要是化学处理和调节）提供最优的方案，使其能适应钻探各种不同地层时的需要。研究方法流变方程的研究，通常採用实测数据点的典线拟合法或线性回归法。通常先令温度和压力固定，以最基本的剪下速率和剪下应力作为变数和应变数，在剪下平衡的状态下测出一系列数据点，然后与设定的数学模式比较，取拟合精度高者或相关係数近于一者，作为该流体的流变方程。方程中的常数(又称流变参数)，定量地说明了泥浆在该温度、压力和剪下平衡条件下的流变性质。改变温度或压力，重複上述试验，可查明温度或压力的影响。触变性的试验，通常採用测定静止10秒和10分钟后的胶凝强度（静切力）法。在实验室内还套用滞后环法，即令剪下速率匀速增加又匀速降低，这时剪应力曲线将形成一个闭合环，称为滞后环。环的面积表明触变性的大小。实验所用的仪器，有同轴旋转圆筒式，毛细管式和锥板式等。多速的或程控变速的、能在温度和压力变化条件下使用的同轴旋转筒式粘度计最为适用。现状及展望电子计算机技术的发展，尤其是微机的广泛套用，为複杂的多常数模式的套用提供了条件。直接利用实测流变曲线来进行非牛顿流体力学的计算也成为可能。可以预计，流变学方法将会在科学钻井和最佳化钻井技术中发挥愈来愈大的作用。