钻井液的流变性
乌效鸣
中国地质大学（武汉）工程学院勘基系
2004年
钻井液的流变性 概述
? 钻井液流变性（ Rheological Properties of
Drilling Fluids ）是指在外力作用下，钻井
液发生流动和变形的特性，其中流动是主要
的方面。该特性通常用钻井液的流变曲线和
塑性粘度（ Plastic Viscosity）、动切力
（ Yield Point）、静切力（ Gel Strength）、
表观粘度（ Apparent Viscosity）等流变参数
来进行描述的。
钻井液的流变性 概述
钻井液流变性是钻井液的一项基本性能，
它在解决下列钻井问题是起着十分重要的
作用：
? （ 1）携带岩屑，保证井底和井眼的清洁；
? （ 2）悬浮岩屑；
? （ 3）提高机械钻速；
? （ 4）保持井眼的规则和保证井下安全。
内容概要
? 钻井液的流变性对钻井工作的影响
? 流变类型与流变参数
? 不同钻井液流型的形成机理分析
? 钻井液流变性的测量
钻井液的流变性对钻井工作的影响
?钻井液的流变性对钻井工作的影响主
要体现在悬碴、护壁、减阻、提高钻
速和冷却钻具 5个方面。
动画演示 1－－ 悬碴、护壁
动画演示 2－－ 提高钻速
钻井液的流变性对钻井工作的影响
? 钻井液的主要功能之一就是清洗井底并将
岩屑携带到地面上来 。 钻井液清洗井眼的
能力除取决于循环系统的水力参数外, 还
取决于钻井液的性能, 特别是其中的流变
性能 。 岩屑的清除分两个过程, 一是岩屑
被冲离井底, 二是岩屑从环形间隙被携带
到地面 。
钻井液的流变性对钻井工作的影响
? 对于破碎的不稳定井壁, 利用较粘稠的泥浆还
可以起到较好的粘结护壁作用 。 絮流液流对井
壁有较强的冲蚀作用, 容易引起易塌地层垮塌,
不利于井壁稳定 。 其原因是絮流时液流质点的
运动方向是絮乱的和无规则的, 而且流速高,
具有较大的动能 。 因此, 在钻井液循环时, 一
般应保持在层流状态, 尽量避免出现絮流 。 对
于非牛顿流体, 一般采用综合雷诺数 Re来判别
流态 。 将钻井液按塑性流体考虑, 当 Re>2000时
为絮流 。 如果按 Re＝ 2000,即可推导出临界返
速的公式 。
钻井液的流变性对钻井工作的影响
但是, 泥浆的粘稠性大又有不利的方面：
? 使井底碎岩效率降低, 这种影响主要表现在钻
头喷嘴处的絮流流动阻力对钻速的影响 。 钻井
液粘度越大, 絮流流动阻力越大, 从而降低了
钻头在井底的碎岩效率 。
? 增加 泥浆循环的流动 阻力 ；
? 增大 对井壁的 液压力激动破坏 。井内液柱压力
是指在起下钻和钻进过程中，由于钻柱上下运
动、泥浆泵开动等原因，使得井内液柱压力发
生突然变化（升高或降低），给井内增加一个
附加压力（正值或负值）的现象。
流变类型与流变参数
4种流型,9个流变参数
1、牛顿流体 （绝对粘度）
2、宾汉流体 （静切力、动切力、塑性粘度、
表观粘度）
3、幂律流体 （流性指数、稠度指数）
4、卡森流体 （极限高剪粘度、卡森动切力）
1,牛顿流体
??? ???
牛顿方程：
式中,—— 单位面积上的内摩擦力, 或称
为剪切应力, Pa； －剪切速率或流速梯
度, s-1； —— 牛顿粘度或称为动力粘度,
Pa·s,(1Pa·s=1000cP=1000mPa·s)。
?
??
?
1,牛顿流体
水
1001
0.1
0.01
0
1.0
10
,
0.1
Pa
10
100
甘油
2
,
-1
空气
1 000 10 000
图 1 典型牛顿流体流变图
气体, 水, 甘
油, 硅油, 油
(除高剪切速率
下的高粘 度
油外 ),低分子
化合物溶液 等
均属于牛顿 流
体 。
2,宾汉流体
（塑性流体与粘塑性流体）
? 塑性流体 其流变曲线为不通过原点 O的一条直线，
如图 2所示。它表示这种流体具有一定的颗粒浓
度，在静止状态下形成颗粒之间的内部结构，
加外力进行剪切时，要破坏结构后才能开始流
动。例如，泥浆中粘土颗粒的形状很不规则，
表面性质也很不均匀，因此颗粒之间容易彼此
粘结，形成网状结构。倘若颗粒的浓度足够大，
网状结构能够在泥浆中布满整个空间，那么要
使这种泥浆发生流动，就必须在一定程度上破
坏这种连续结构。
塑性流体 τs
1
2
A
1
C
γ
2
C
2
B
0
θ
θ
图 2 塑性流体
理想的宾汉塑性
流体, 一般是一
些含较高固相且
颗粒均匀的悬浮
体, 如一些矿浆,
油墨, 油漆等 。
塑性流体
???? ???? ps
式中,—— 静切力, Pa； ηp —— 塑性粘度, Pa·s。
s?
?
???
?
s
p
??
塑性流体有两个流变参数，即塑性粘度 ηp及静
切力
s?表观粘度：
?
??
?
??
?
??
??? sp
ps
A ??
???
粘塑性流体
? 由于固相颗粒的高度不均匀 (如粘土 )，在
表面引力与斥力作用下易形成结构，在低
剪切速率下其流变曲线 (本来是直线 )往往
偏离直线，形成曲线变化，当剪切速率增
加至层流段时才成直线变化 (图 3)，这种流
体称为 粘塑性流体 。
粘塑性流体
τ
τ
不流
0
塞流 层流
0
s
紊流
1
2
图 3 粘塑流体流动图
属于粘塑性流
体的有泥浆、
沥青、某些原
油、水泥浆等，
粘度高的牛顿
流体也表现出
粘塑性流体的
性质。
粘塑性流体
? 图中 AB为凹向轴的曲线, BD为直线段, BD延
长线与轴的交点为 C,OC坏, 此时产生像塞子
一样的流动, 故称为塞流 。 随着的逐步升高,
结构逐步破坏, 表观粘度也逐渐变小, 此段流
变曲线为一曲线变化 。 B点之后处于较稳定的层
流段, 此时粘塑流体内部的结构破坏与形成处
于平衡状态, BD为一直线段, 表示有一个稳定
的塑性粘度值 。 而 D点之后, 由于流速快, 剪切
速率高, 就转为紊流态了 。
? τ0表示此流体运动时结构的存在及其数值的大
小 。
粘塑性流体
???? ???? p0
与式 (2)比较, 此式也是直线方程, 截
距为 τ0,而不是 τs。 即此宾汉方程只能
代表流变曲线的层流直线段, 而不能
代表低剪切速率下的塞流曲线段 。 粘
塑性流变参数有两个, 即塑性粘度 ηp，
及动切力 (或叫屈服值 )τ0。
粘塑性流体
? 仿牛顿粘度表示法，求粘塑流体的表观粘度值：
?
??
?
???
?
??
??
?
?
00 ??????
p
p
A
图 3中，在 ABD线上任何一点 F1,F2…… 与原点 O的连线
OF1,OF2…… 斜率的倒数均表示表观粘度值。剪切速率越
高，表观粘度越低。这种 表观粘度随剪切速率升高而降低
的现象，可称为剪切稀释作用 。
泥浆剪切稀释作用的好坏可用 动塑比 (动切力 /塑性粘度 )来
表示, 动塑比越大, 表示剪切稀释作用越好 。 加入高分子
处理剂的低固相泥浆 (特别是加入 XC生物聚合物 ),可使塑
性粘度增加慢而动切力增加快, 能提高泥浆的动塑比 。
3、幂律流体
θ
θ
θ
θ
0
'
假塑流体
'
膨胀流体
2
3
4
1
图 4 幂律流体流变曲线
?用高分子处理剂
处理的低固相泥浆
及聚合物钻井液,
也多属于假塑流体,
或介于宾汉体与假
塑体之间 。
?浓的淀粉糊, 一
些矿浆, 高固相含
量的涂料等属于膨
胀流体 。
幂律流体
nK ?? ???
式中,K—— 稠度系数, 或称为幂律系数, Pa·sn； n——
流性指数, 或称为幂律指数, 无单位 。
K值是粘度的度量, 但不等于粘度值, 而粘度越高, K值
也越高 。 在剪切速率一定范围内, n值可当作常数处理 。
n值是非牛顿性的度量, n值越低或越高曲线也越弯曲,
非牛顿性也越强, 泥浆 n值一般在 0.5以下为好 。
上式中, 当 n<1时为假塑流体；当 n=1时为牛顿流体；当
n>1时为膨胀流体 。 因此, 幂律流体又区分为 假塑流体 与
膨胀流体 两种, 其中最常见的是假塑流体 。
假塑流体
? 如图 4所示, 假塑流体的流变曲线为凹向轴的曲
线 OAB,曲线 OA’B’ 是膨胀流体 (在高剪切速率
下接近于直线 )。 它通过原点 O,表示一加外力
即产生流动, 不存在静切力 。 随着剪切速率的
不断升高, 其表观粘度是不断下降的, 属于剪
切稀释液 。
表观粘度：
1?????? n
n
A K
K ?
?
?
?
?? ?
?
?
?
假塑流体
? 当 n<1时, 0<tgβ<1,0° <β<45°, 为假塑流体；
n=1时, β=45°, 为牛顿流体 (图 1可见 ),n>1时,
β>45°, 为膨胀流体 。
? 因此 n值和 K值是假塑流体的两个流变参数 。
? 长链高分子聚合物悬浮体是典型的假塑流体 。
静止时分子链任意相互纠缠, 但由于静电斥力
占优势, 不易形成结构 。 运动时, 分子链趋向
于平行流动方向, 顺序排列, 运动阻力减小,
随剪切速率增加, 这一趋势增加, 加上分子链
可能断裂, 因此表观粘度减少 。
卡森流体
? 卡森模式 是假定凝聚成长条状的棒状物，
在剪切下特别是在高剪切速率下能分解为
原始短颗粒。
21212121 ???? ????
? c
式中,—— 任意剪切速率或每分钟转数 (rpm)下表
观粘度,Pa·s； —— 剪切速率为无穷大时的表观粘
度,Pa·s； —— 剪切速率,s-1； —— 屈服值或卡森
动切力,Pa。
??
?
?? c?
卡森流体
? 卡森斜率：
2121
21
21 ??
?
?? ?
?
???? ?tgC s
卡森斜率越高，表示泥浆的
剪切稀释作用越好，而值
等于截距 (图 5)。
0 0.04 0.08 0.12
0.16 1
22
-
170.3s
θ
8
6
4
2
10
-
2
∞
1
1 0 02s -1
12
1
2
-
-1
1/2
c
η
图 5 卡森模式图
? 卡森流体的两个主要流变参数是卡森动切
力 和极限高剪粘度 。c? 21
??
不同钻井液流型的形成机理分析
? 泥浆流动时的剪切应力与剪切速率之间的
关系用流变方程和流变曲线来表达 。 如第
二章所述, 不同泥浆的流变关系大体上可
以分为四种理论流型, 即牛顿流型, 宾汉
流型, 幂律流型和卡森流型 。 一种具体泥
浆的实际流型与哪一种理论流型较相近,
就认为它属于该理论流型 。 泥浆的流型主
要取决于构成泥浆的材料组成及其它们的
含量 。
不同钻井液流型的形成机理分析
动画演示 3－－ 流型形成机理
不同钻井液流型的形成机理分析
? 粘土含量较少的细分散泥浆比较接近于牛顿流
型, 其剪切应力主要由相互无连接力的粘土微
粒及水分子之间的摩擦力构成 。 由牛顿流型关
系式 (1)可知, 反映该类泥浆粘稠性的流变参数
是牛顿粘度 η。
? 由于一般泥浆（在未加稀释剂和高聚物加量很
少的情况下）存在粘土颗粒之间的结合力，具
有一定程度的网架结构。因此，泥浆在发生流
动之前需要克服一定的结构力。其流型用宾汉
流型来反映较为合适。 由宾汉流型关系式 (2)可
知，反映该类泥浆粘稠性的流变参数是动切力
τo和塑性粘度 ηp。
不同钻井液流型的形成机理分析
? 当泥浆中的线形高聚物或类似油微粒的可变形
物质含量较高, 并且泥浆结构力很低时, 可以
用幂律关系来描述泥浆流型 。 这种流型的切应
力随剪切速率的变化不是线性关系, 而是由快
到慢呈幂指数关系, 也就是说流动慢时切力增
加得快, 流动快时切力增加得慢 。 其原因是线
形高聚物等在流动中具有顺流方向性 。 流速越
大, 顺流方向性越强, 阻力增加得越慢 。 由幂
律流型关系式 (8)可知, 反映该类泥浆粘稠性的
流变参数是稠度系数 K和流型指数 n。
不同钻井液流型的形成机理分析
? 对于许多泥浆而言, 既存在着粘土颗粒的
空间网架, 又有线形高聚物或类似的物质,
也就是说既存在结构力, 又有剪切稀释作
用 。 因此, 用卡森流型来反映其流变关系
更为合适 。 由卡森流型关系式 (10)可知,
反映该类泥浆粘稠性的流变参数是卡森动
切力 τc和卡森高剪粘度 η∞。
钻井液流变性的测量
? 1、漏斗粘度计
图 7 漏斗粘度计
漏斗粘度计
? 将漏斗呈垂直, 用手握紧并用食指堵住管口 。
然后用量筒两端, 分别装 200ml和 500ml泥浆倒
入漏斗 。 将量筒 500ml一端朝上放在漏斗下面,
放开食指, 同时启动秒表记时, 记录流满 500ml
泥浆所需的时间, 即为所测泥浆的粘度 。
? 仪器使用前, 应用清水进行校正 。 该仪器测量
清水的粘度为 15± 0.5秒 。 若误差在 ± 1秒以内,
可用下式计算泥浆的实际粘度 。
实测清水粘度
实测泥浆粘度实际粘度 ?? 15
ZNN型旋转粘度计
动力部分
双速同步电机, 电源
变速部分
可变六速 （ 转 /分 ）
3 6 100 200 300 600
测量部分
扭力弹簧、刻度盘与内外筒组
成测量系统。
图 8 旋转粘度计
ZNN型旋转粘度计
局部放大图
实物全图
图 9 旋转粘度计实物与局部放大图
ZNN型旋转粘度计－工作原理
? 液体放置在两个同心圆筒
的环隙空间内, 电机经过
传动装置带动外筒恒速旋
转, 借助于被测液体的粘
滞性作用于内筒一定的转
矩, 带动与扭力弹簧相连
的内筒一个角度 。 该转角
的大小与液体的粘性成正
比, 于是液体的粘度测量
转换为内筒转角的测量 。
R
2
R
r
2
钢丝或扭力弹簧
R
R 1
1
图 10 旋转粘度计工作原理
ZNN型旋转粘度计－－操作顺序
? 将刚搅拌好的泥浆倒入样品杯刻度线处
（ 350ml）, 立即放置于托盘上, 上升托盘
使液面至外筒刻度线处 。 拧紧手轮, 固定
托盘 。 如用其它样品杯, 筒底部与杯底之
间不应低于 1.3mm。
? 迅速从高速到低速进行测量, 待刻度盘读
数稳定后, 分别记录各转速下的读数 。
ZNN型旋转粘度计－－操作顺序
? 测静切力时, 应先用 600转 /分搅拌 10s,静置 10s
钟后将变速手把置于 3转 /分, 读出刻度盘上最大
读数, 即为初切力 。 再用 600转 /分搅拌 10s,静置
10min后将变速手把置于 3转 /分, 读出刻度盘上最
大读数, 即为终切力 。
? 试验结束后, 关闭电源, 松开托盘, 移开量杯 。
? 轻轻卸下内外筒，清洗内外筒并且擦干，再将内
外筒装好。
ZNN型旋转粘度计－－数据处理
说明,Φ600,Φ300,Φ3代表外筒转 600转 /分, 300
转 /分, 3转 /分从仪器刻度盘上读到的格数 。
牛顿流体
绝对粘度,（ mPa?s）
3 0 0???
ZNN型旋转粘度计－－数据处理
? 塑性流体和粘塑性流体,
? 表观粘度 （ mPa?s）
? 塑性粘度,（ mPa?s）
? 动切力 （ Pa）
? 静切力 （ 10s） （ Pa）
? （ 10min）（ Pa）
3 0 02
1 ??
A?
300600 ????P?
)2(511.0)(511.0 600300300 ??????? pd ??
35 1 1.0 ???初?
35 1 1.0 ???终?
ZNN型旋转粘度计－－数据处理
? 幂律流体,
流性指数 （ 无因次 ）
稠度指数 （ Pa·sn）
3 0 0
6 0 0lg3 2 2.3
?
??n
nk 5 1 1
5 1 1.0 600???
ZNN型旋转粘度计－－数据处理
? 卡森流体,
极限高剪粘度 （ mPa?s）
卡森动切力 (Pa)
)(1 9 5.1 2
1
100
2
1
600
2
1
??????
])6[(510.1 2
1
6 0 02
1
1 0 02
1
????c?
乌效鸣
中国地质大学（武汉）工程学院勘基系
2004年
钻井液的流变性 概述
? 钻井液流变性（ Rheological Properties of
Drilling Fluids ）是指在外力作用下，钻井
液发生流动和变形的特性，其中流动是主要
的方面。该特性通常用钻井液的流变曲线和
塑性粘度（ Plastic Viscosity）、动切力
（ Yield Point）、静切力（ Gel Strength）、
表观粘度（ Apparent Viscosity）等流变参数
来进行描述的。
钻井液的流变性 概述
钻井液流变性是钻井液的一项基本性能，
它在解决下列钻井问题是起着十分重要的
作用：
? （ 1）携带岩屑，保证井底和井眼的清洁；
? （ 2）悬浮岩屑；
? （ 3）提高机械钻速；
? （ 4）保持井眼的规则和保证井下安全。
内容概要
? 钻井液的流变性对钻井工作的影响
? 流变类型与流变参数
? 不同钻井液流型的形成机理分析
? 钻井液流变性的测量
钻井液的流变性对钻井工作的影响
?钻井液的流变性对钻井工作的影响主
要体现在悬碴、护壁、减阻、提高钻
速和冷却钻具 5个方面。
动画演示 1－－ 悬碴、护壁
动画演示 2－－ 提高钻速
钻井液的流变性对钻井工作的影响
? 钻井液的主要功能之一就是清洗井底并将
岩屑携带到地面上来 。 钻井液清洗井眼的
能力除取决于循环系统的水力参数外, 还
取决于钻井液的性能, 特别是其中的流变
性能 。 岩屑的清除分两个过程, 一是岩屑
被冲离井底, 二是岩屑从环形间隙被携带
到地面 。
钻井液的流变性对钻井工作的影响
? 对于破碎的不稳定井壁, 利用较粘稠的泥浆还
可以起到较好的粘结护壁作用 。 絮流液流对井
壁有较强的冲蚀作用, 容易引起易塌地层垮塌,
不利于井壁稳定 。 其原因是絮流时液流质点的
运动方向是絮乱的和无规则的, 而且流速高,
具有较大的动能 。 因此, 在钻井液循环时, 一
般应保持在层流状态, 尽量避免出现絮流 。 对
于非牛顿流体, 一般采用综合雷诺数 Re来判别
流态 。 将钻井液按塑性流体考虑, 当 Re>2000时
为絮流 。 如果按 Re＝ 2000,即可推导出临界返
速的公式 。
钻井液的流变性对钻井工作的影响
但是, 泥浆的粘稠性大又有不利的方面：
? 使井底碎岩效率降低, 这种影响主要表现在钻
头喷嘴处的絮流流动阻力对钻速的影响 。 钻井
液粘度越大, 絮流流动阻力越大, 从而降低了
钻头在井底的碎岩效率 。
? 增加 泥浆循环的流动 阻力 ；
? 增大 对井壁的 液压力激动破坏 。井内液柱压力
是指在起下钻和钻进过程中，由于钻柱上下运
动、泥浆泵开动等原因，使得井内液柱压力发
生突然变化（升高或降低），给井内增加一个
附加压力（正值或负值）的现象。
流变类型与流变参数
4种流型,9个流变参数
1、牛顿流体 （绝对粘度）
2、宾汉流体 （静切力、动切力、塑性粘度、
表观粘度）
3、幂律流体 （流性指数、稠度指数）
4、卡森流体 （极限高剪粘度、卡森动切力）
1,牛顿流体
??? ???
牛顿方程：
式中,—— 单位面积上的内摩擦力, 或称
为剪切应力, Pa； －剪切速率或流速梯
度, s-1； —— 牛顿粘度或称为动力粘度,
Pa·s,(1Pa·s=1000cP=1000mPa·s)。
?
??
?
1,牛顿流体
水
1001
0.1
0.01
0
1.0
10
,
0.1
Pa
10
100
甘油
2
,
-1
空气
1 000 10 000
图 1 典型牛顿流体流变图
气体, 水, 甘
油, 硅油, 油
(除高剪切速率
下的高粘 度
油外 ),低分子
化合物溶液 等
均属于牛顿 流
体 。
2,宾汉流体
（塑性流体与粘塑性流体）
? 塑性流体 其流变曲线为不通过原点 O的一条直线，
如图 2所示。它表示这种流体具有一定的颗粒浓
度，在静止状态下形成颗粒之间的内部结构，
加外力进行剪切时，要破坏结构后才能开始流
动。例如，泥浆中粘土颗粒的形状很不规则，
表面性质也很不均匀，因此颗粒之间容易彼此
粘结，形成网状结构。倘若颗粒的浓度足够大，
网状结构能够在泥浆中布满整个空间，那么要
使这种泥浆发生流动，就必须在一定程度上破
坏这种连续结构。
塑性流体 τs
1
2
A
1
C
γ
2
C
2
B
0
θ
θ
图 2 塑性流体
理想的宾汉塑性
流体, 一般是一
些含较高固相且
颗粒均匀的悬浮
体, 如一些矿浆,
油墨, 油漆等 。
塑性流体
???? ???? ps
式中,—— 静切力, Pa； ηp —— 塑性粘度, Pa·s。
s?
?
???
?
s
p
??
塑性流体有两个流变参数，即塑性粘度 ηp及静
切力
s?表观粘度：
?
??
?
??
?
??
??? sp
ps
A ??
???
粘塑性流体
? 由于固相颗粒的高度不均匀 (如粘土 )，在
表面引力与斥力作用下易形成结构，在低
剪切速率下其流变曲线 (本来是直线 )往往
偏离直线，形成曲线变化，当剪切速率增
加至层流段时才成直线变化 (图 3)，这种流
体称为 粘塑性流体 。
粘塑性流体
τ
τ
不流
0
塞流 层流
0
s
紊流
1
2
图 3 粘塑流体流动图
属于粘塑性流
体的有泥浆、
沥青、某些原
油、水泥浆等，
粘度高的牛顿
流体也表现出
粘塑性流体的
性质。
粘塑性流体
? 图中 AB为凹向轴的曲线, BD为直线段, BD延
长线与轴的交点为 C,OC坏, 此时产生像塞子
一样的流动, 故称为塞流 。 随着的逐步升高,
结构逐步破坏, 表观粘度也逐渐变小, 此段流
变曲线为一曲线变化 。 B点之后处于较稳定的层
流段, 此时粘塑流体内部的结构破坏与形成处
于平衡状态, BD为一直线段, 表示有一个稳定
的塑性粘度值 。 而 D点之后, 由于流速快, 剪切
速率高, 就转为紊流态了 。
? τ0表示此流体运动时结构的存在及其数值的大
小 。
粘塑性流体
???? ???? p0
与式 (2)比较, 此式也是直线方程, 截
距为 τ0,而不是 τs。 即此宾汉方程只能
代表流变曲线的层流直线段, 而不能
代表低剪切速率下的塞流曲线段 。 粘
塑性流变参数有两个, 即塑性粘度 ηp，
及动切力 (或叫屈服值 )τ0。
粘塑性流体
? 仿牛顿粘度表示法，求粘塑流体的表观粘度值：
?
??
?
???
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?
?
00 ??????
p
p
A
图 3中，在 ABD线上任何一点 F1,F2…… 与原点 O的连线
OF1,OF2…… 斜率的倒数均表示表观粘度值。剪切速率越
高，表观粘度越低。这种 表观粘度随剪切速率升高而降低
的现象，可称为剪切稀释作用 。
泥浆剪切稀释作用的好坏可用 动塑比 (动切力 /塑性粘度 )来
表示, 动塑比越大, 表示剪切稀释作用越好 。 加入高分子
处理剂的低固相泥浆 (特别是加入 XC生物聚合物 ),可使塑
性粘度增加慢而动切力增加快, 能提高泥浆的动塑比 。
3、幂律流体
θ
θ
θ
θ
0
'
假塑流体
'
膨胀流体
2
3
4
1
图 4 幂律流体流变曲线
?用高分子处理剂
处理的低固相泥浆
及聚合物钻井液,
也多属于假塑流体,
或介于宾汉体与假
塑体之间 。
?浓的淀粉糊, 一
些矿浆, 高固相含
量的涂料等属于膨
胀流体 。
幂律流体
nK ?? ???
式中,K—— 稠度系数, 或称为幂律系数, Pa·sn； n——
流性指数, 或称为幂律指数, 无单位 。
K值是粘度的度量, 但不等于粘度值, 而粘度越高, K值
也越高 。 在剪切速率一定范围内, n值可当作常数处理 。
n值是非牛顿性的度量, n值越低或越高曲线也越弯曲,
非牛顿性也越强, 泥浆 n值一般在 0.5以下为好 。
上式中, 当 n<1时为假塑流体；当 n=1时为牛顿流体；当
n>1时为膨胀流体 。 因此, 幂律流体又区分为 假塑流体 与
膨胀流体 两种, 其中最常见的是假塑流体 。
假塑流体
? 如图 4所示, 假塑流体的流变曲线为凹向轴的曲
线 OAB,曲线 OA’B’ 是膨胀流体 (在高剪切速率
下接近于直线 )。 它通过原点 O,表示一加外力
即产生流动, 不存在静切力 。 随着剪切速率的
不断升高, 其表观粘度是不断下降的, 属于剪
切稀释液 。
表观粘度：
1?????? n
n
A K
K ?
?
?
?
?? ?
?
?
?
假塑流体
? 当 n<1时, 0<tgβ<1,0° <β<45°, 为假塑流体；
n=1时, β=45°, 为牛顿流体 (图 1可见 ),n>1时,
β>45°, 为膨胀流体 。
? 因此 n值和 K值是假塑流体的两个流变参数 。
? 长链高分子聚合物悬浮体是典型的假塑流体 。
静止时分子链任意相互纠缠, 但由于静电斥力
占优势, 不易形成结构 。 运动时, 分子链趋向
于平行流动方向, 顺序排列, 运动阻力减小,
随剪切速率增加, 这一趋势增加, 加上分子链
可能断裂, 因此表观粘度减少 。
卡森流体
? 卡森模式 是假定凝聚成长条状的棒状物，
在剪切下特别是在高剪切速率下能分解为
原始短颗粒。
21212121 ???? ????
? c
式中,—— 任意剪切速率或每分钟转数 (rpm)下表
观粘度,Pa·s； —— 剪切速率为无穷大时的表观粘
度,Pa·s； —— 剪切速率,s-1； —— 屈服值或卡森
动切力,Pa。
??
?
?? c?
卡森流体
? 卡森斜率：
2121
21
21 ??
?
?? ?
?
???? ?tgC s
卡森斜率越高，表示泥浆的
剪切稀释作用越好，而值
等于截距 (图 5)。
0 0.04 0.08 0.12
0.16 1
22
-
170.3s
θ
8
6
4
2
10
-
2
∞
1
1 0 02s -1
12
1
2
-
-1
1/2
c
η
图 5 卡森模式图
? 卡森流体的两个主要流变参数是卡森动切
力 和极限高剪粘度 。c? 21
??
不同钻井液流型的形成机理分析
? 泥浆流动时的剪切应力与剪切速率之间的
关系用流变方程和流变曲线来表达 。 如第
二章所述, 不同泥浆的流变关系大体上可
以分为四种理论流型, 即牛顿流型, 宾汉
流型, 幂律流型和卡森流型 。 一种具体泥
浆的实际流型与哪一种理论流型较相近,
就认为它属于该理论流型 。 泥浆的流型主
要取决于构成泥浆的材料组成及其它们的
含量 。
不同钻井液流型的形成机理分析
动画演示 3－－ 流型形成机理
不同钻井液流型的形成机理分析
? 粘土含量较少的细分散泥浆比较接近于牛顿流
型, 其剪切应力主要由相互无连接力的粘土微
粒及水分子之间的摩擦力构成 。 由牛顿流型关
系式 (1)可知, 反映该类泥浆粘稠性的流变参数
是牛顿粘度 η。
? 由于一般泥浆（在未加稀释剂和高聚物加量很
少的情况下）存在粘土颗粒之间的结合力，具
有一定程度的网架结构。因此，泥浆在发生流
动之前需要克服一定的结构力。其流型用宾汉
流型来反映较为合适。 由宾汉流型关系式 (2)可
知，反映该类泥浆粘稠性的流变参数是动切力
τo和塑性粘度 ηp。
不同钻井液流型的形成机理分析
? 当泥浆中的线形高聚物或类似油微粒的可变形
物质含量较高, 并且泥浆结构力很低时, 可以
用幂律关系来描述泥浆流型 。 这种流型的切应
力随剪切速率的变化不是线性关系, 而是由快
到慢呈幂指数关系, 也就是说流动慢时切力增
加得快, 流动快时切力增加得慢 。 其原因是线
形高聚物等在流动中具有顺流方向性 。 流速越
大, 顺流方向性越强, 阻力增加得越慢 。 由幂
律流型关系式 (8)可知, 反映该类泥浆粘稠性的
流变参数是稠度系数 K和流型指数 n。
不同钻井液流型的形成机理分析
? 对于许多泥浆而言, 既存在着粘土颗粒的
空间网架, 又有线形高聚物或类似的物质,
也就是说既存在结构力, 又有剪切稀释作
用 。 因此, 用卡森流型来反映其流变关系
更为合适 。 由卡森流型关系式 (10)可知,
反映该类泥浆粘稠性的流变参数是卡森动
切力 τc和卡森高剪粘度 η∞。
钻井液流变性的测量
? 1、漏斗粘度计
图 7 漏斗粘度计
漏斗粘度计
? 将漏斗呈垂直, 用手握紧并用食指堵住管口 。
然后用量筒两端, 分别装 200ml和 500ml泥浆倒
入漏斗 。 将量筒 500ml一端朝上放在漏斗下面,
放开食指, 同时启动秒表记时, 记录流满 500ml
泥浆所需的时间, 即为所测泥浆的粘度 。
? 仪器使用前, 应用清水进行校正 。 该仪器测量
清水的粘度为 15± 0.5秒 。 若误差在 ± 1秒以内,
可用下式计算泥浆的实际粘度 。
实测清水粘度
实测泥浆粘度实际粘度 ?? 15
ZNN型旋转粘度计
动力部分
双速同步电机, 电源
变速部分
可变六速 （ 转 /分 ）
3 6 100 200 300 600
测量部分
扭力弹簧、刻度盘与内外筒组
成测量系统。
图 8 旋转粘度计
ZNN型旋转粘度计
局部放大图
实物全图
图 9 旋转粘度计实物与局部放大图
ZNN型旋转粘度计－工作原理
? 液体放置在两个同心圆筒
的环隙空间内, 电机经过
传动装置带动外筒恒速旋
转, 借助于被测液体的粘
滞性作用于内筒一定的转
矩, 带动与扭力弹簧相连
的内筒一个角度 。 该转角
的大小与液体的粘性成正
比, 于是液体的粘度测量
转换为内筒转角的测量 。
R
2
R
r
2
钢丝或扭力弹簧
R
R 1
1
图 10 旋转粘度计工作原理
ZNN型旋转粘度计－－操作顺序
? 将刚搅拌好的泥浆倒入样品杯刻度线处
（ 350ml）, 立即放置于托盘上, 上升托盘
使液面至外筒刻度线处 。 拧紧手轮, 固定
托盘 。 如用其它样品杯, 筒底部与杯底之
间不应低于 1.3mm。
? 迅速从高速到低速进行测量, 待刻度盘读
数稳定后, 分别记录各转速下的读数 。
ZNN型旋转粘度计－－操作顺序
? 测静切力时, 应先用 600转 /分搅拌 10s,静置 10s
钟后将变速手把置于 3转 /分, 读出刻度盘上最大
读数, 即为初切力 。 再用 600转 /分搅拌 10s,静置
10min后将变速手把置于 3转 /分, 读出刻度盘上最
大读数, 即为终切力 。
? 试验结束后, 关闭电源, 松开托盘, 移开量杯 。
? 轻轻卸下内外筒，清洗内外筒并且擦干，再将内
外筒装好。
ZNN型旋转粘度计－－数据处理
说明,Φ600,Φ300,Φ3代表外筒转 600转 /分, 300
转 /分, 3转 /分从仪器刻度盘上读到的格数 。
牛顿流体
绝对粘度,（ mPa?s）
3 0 0???
ZNN型旋转粘度计－－数据处理
? 塑性流体和粘塑性流体,
? 表观粘度 （ mPa?s）
? 塑性粘度,（ mPa?s）
? 动切力 （ Pa）
? 静切力 （ 10s） （ Pa）
? （ 10min）（ Pa）
3 0 02
1 ??
A?
300600 ????P?
)2(511.0)(511.0 600300300 ??????? pd ??
35 1 1.0 ???初?
35 1 1.0 ???终?
ZNN型旋转粘度计－－数据处理
? 幂律流体,
流性指数 （ 无因次 ）
稠度指数 （ Pa·sn）
3 0 0
6 0 0lg3 2 2.3
?
??n
nk 5 1 1
5 1 1.0 600???
ZNN型旋转粘度计－－数据处理
? 卡森流体,
极限高剪粘度 （ mPa?s）
卡森动切力 (Pa)
)(1 9 5.1 2
1
100
2
1
600
2
1
??????
])6[(510.1 2
1
6 0 02
1
1 0 02
1
????c?
