研究泥漿流動規律的學科。泥漿是一類複雜的結構流體,其粘度不但隨剪切速率而變(即流變性),而且還與剪切持續時間有關(即觸變性)。

  發展簡史 泥漿流變學的發展與鑽探工程密切相關。早期(1901~1930)的鑽孔較淺,泥漿的流動性未受到重視,至1930年前後才相繼開始用馬氏漏鬥和斯托姆粘度計來測定泥漿的粘度。40年代末至50年代初,噴射鑽井技術得到推廣,鑽探水力學的研究受到重視,但但斯托姆粘度計測得的粘度,不能用於水力學計算。1951年,美國J.C.梅爾羅斯和W.B.利連斯德,首次解決瞭用同軸旋轉圓筒式粘度計測定賓漢流變參數和靜切力的問題。在此基礎上,1954年,J.G.薩文斯和W.F.羅珀通過適當選擇測量元件的幾何尺寸和彈簧系統,進一步使測定的結果可以直接讀出,此即今天廣為應用的直讀式旋轉粘度計。這使賓漢(流變)模式在泥漿中得到廣泛應用。

  賓漢模式在低剪切速率區誤差較大,在60年代末期美國和加拿大廣泛推廣應用低固相聚合物泥漿後,其應用受到限制。雙常數冪律模式正好能克服賓漢模式這一缺陷,在70年代初期得到廣泛應用。但冪律模式也有其不足,當所描述的剪切速率范圍較寬時誤差也很大。70年代中期以來,研究者又陸續推薦一些更精確然而也更為復雜的模式。主要有帶屈服應力的冪模式、羅伯特遜-斯蒂夫模式和卡森模式等。

  研究內容 主要有以下幾個方面:①研究各類泥漿的結構屬性和流動規律,並建立相應的數學模式(流變方程);②查明剪切持續時間、溫度和壓力等因素對泥漿流變性能的影響,為解決鉆進過程中的一系列流體力學問題奠定理論基礎;③建立泥漿在孔內的流動力學公式;④研究流動對孔內狀態的影響(流動效應);⑤研究泥漿流動性能與其成分的關系,為泥漿及其材料的合成提供依據等。此外,在鉆探工程中,還研究泥漿的粘度、剪應力和剪切速率等的變化,以及其變化對破碎巖石、攜帶和懸浮巖屑、穩定孔壁、上下鉆和泥漿失量等方面的影響。從而為確定現場應用的泥漿類型、材料合成和對泥漿進行處理(主要是化學處理和調節)提供最優的方案,使其能適應鉆探各種不同地層時的需要。

  研究方法 流變方程的研究,通常采用實測數據點的典線擬合法或線性回歸法。通常先令溫度和壓力固定,以最基本的剪切速率和剪切應力作為變量和應變量,在剪切平衡的狀態下測出一系列數據點,然後與設定的數學模式比較,取擬合精度高者或相關系數近於1者,作為該流體的流變方程。方程中的常數(又稱流變參數),定量地說明瞭泥漿在該溫度、壓力和剪切平衡條件下的流變性質。改變溫度或壓力,重復上述試驗,可查明溫度或壓力的影響。

  觸變性的試驗,通常采用測定靜止10秒和10分鐘後的膠凝強度(靜切力)法。在實驗室內還應用滯後環法,即令剪切速率勻速增加又勻速降低,這時剪應力曲線將形成一個閉合環,稱為滯後環。環的面積表明觸變性的大小。

  實驗所用的儀器,有同軸旋轉圓筒式,毛細管式和錐板式等。多速的或程控變速的、能在溫度和壓力變化條件下使用的同軸旋轉筒式粘度計最為適用。

  現狀及展望 現代泥漿流變學已發展成為一個完善的理論體系。廣泛應用的流變模式有

      賓漢模式

  卡森模式

        雙常數冪律模式

式中τ為剪應力,r為剪切速率,τbτc為屈服應力,ηbηc為塑性粘度,k為冪律稠度系數,n為流性指數。

  此外,帶屈服應力的冪模式

和羅伯特遜-斯蒂夫模式

也常應用。但其常數的測定較麻煩,有關的流體力學公式過於復雜甚至沒有解析解,因此沒有廣泛推廣。式中τyr0kn為模式的常數。

  電子計算機技術的發展,尤其是微機的廣泛應用,為復雜的多常數模式的應用提供瞭條件。直接利用實測流變曲線來進行非牛頓流體力學的計算也成為可能。可以預計,流變學方法將會在科學鉆井和優化鉆井技術中發揮愈來愈大的作用。

  

參考書目

武漢地質學院主編:《鉆探工藝學》(中冊),地質出版社,北京,1981。

 G.V.Chilingarian and P.Vorabutr,Drilling and Drilling Fluids,Elsevier Scientific Publishing Co.,Amsterdam-Ox-ford-New York,1983.

 G.R.Gray et al.,Composition and Properties of Oil Well Drilling Fluids,4th ed.,Gulf Publishing Co.,Houston-London,1980.