关于泥浆流变学介绍

[拼音]：nijiang liubianxue

[外文]：rheology of drilling mud

研究泥浆流动规律的学科。泥浆是一类复杂的结构流体，其粘度不但随剪切速率而变（即流变性），而且还与剪切持续时间有关（即触变性）。

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d簧系统，进一步使测定的结果可以直接读出，此即今天广为应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应用。

宾汉模式在低剪切速率区误差较大，在60年代末期美国和加拿大广泛推广应用低固相聚合物泥浆后，其应用受到限制。双常数幂律模式正好能克服宾汉模式这一缺陷，在70年代初期得到广泛应用。但幂律模式也有其不足，当所描述的剪切速率范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复杂的模式。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。

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）查明剪切持续时间、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系，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、剪应力和剪切速率等的变化，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。从而为确定现场应用的泥浆类型、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。

流变方程的研究，通常采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，以最基本的剪切速率和剪切应力作为变量和应变量，在剪切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系数近于1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、压力和剪切平衡条件下的流变性质。改变温度或压力，重复上述试验，可查明温度或压力的影响。

触变性的试验，通常采用测定静止10秒和10分钟后的胶凝强度（静切力）法。在实验室内还应用滞后环法，即令剪切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。

现代泥浆流变学已发展成为一个完善的理论体系。广泛应用的流变模式有

宾汉模式

卡森模式

双常数幂律模式

式中τ 为剪应力,r为剪切速率,τb、τc为屈服应力,ηb、ηc为塑性粘度，k为幂律稠度系数，n为流性指数。

此外，带屈服应力的幂模式

和罗伯特逊-斯蒂夫模式

也常应用。但其常数的测定较麻烦，有关的流体力学公式过于复杂甚至没有解析解，因此没有广泛推广。式中τy、r0、k、n为模式的常数。

电子计算机技术的发展,尤其是微机的广泛应用,为复杂的多常数模式的应用提供了条件。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优化钻井技术中发挥愈来愈大的作用。

参考书目

1. 武汉地质学院主编：《钻探工艺学》（中册），地质出版社，北京，1981。
2. G.V. Chilingarian and P.Vorabutr,Drilling and Drilling Fluids, Elsevier Scientific Publishing Co., Amsterdam-Ox-ford-New York, 1983.
3. G.R. Gray et al., Composition and Properties of Oil Well Drilling Fluids, 4th ed., Gulf Publishing Co.,Houston-London, 1980.