1 液体的流变特性

第一章 液体的流变特性 — 非牛顿流体的流变方程 第一节 概 论 液体区别于固体的主要特征，就是液体具有流动性。这就是说，很小的力就能使液体发生变形；而且只要力作用的时间相当长，很小的力就能使液体发生很大的变形。液体在流动和变形过程中所呈现出的各种特性，如塑性粘度，动切应力、观粘度、切力和角变性等性能都属于流变性。这些性能对钻井速度、压力损耗、排量大小、岩屑的携带、井下安全等都有着十分密切的关系，因此研究与控制液体的流变性是钻井工作（特别是泥浆工作）的重要内容。 泥浆流变学是专门研究泥浆变形流动的一门科学。它与作用力及时间等因素有密切关系，如泥浆的流动涉及到作用力的大小及作用力历程，例如静止时间、搅拌时间、开始加作用力或加作用力一段时间以后，其流变性是不相同的。所以流变性实际包括作用力、流动状况以及作用力作用的时间历程，因而严格的定义应该是研究某一瞬间泥浆所受到的作用力及它的流动状况。 泥浆受到一定的作用力就流动，但由于作用力大小不同流动速度不同其流动状态、流变性也不同。例如一个比较平缓宽阔的河床，河水平稳而缓慢的向前流动，清澈透明见底，这种流动，水流质点是规则成层的向前流动，在流态上称为层流。假如流经一较狭窄的河谷，水流速度加快，有一定的波纹，但水还是清亮的，这时是层流向紊流转化，称为过渡流。当流经狭窄而地形险恶的山峡，水流质点受周围岩石激烈冲击，河流波浪翻滚，呈现白色不透明状态，质点呈现完全不规则运动，这时称紊流。 描绘液体流态最科学的方法是采用流变性曲线—在平面直角坐标上以剪切应力与剪切速率的关系所作出的关系曲线。 当液体以层流状在槽中流动时，处于槽边的液体基本是静止的，离槽边近的液体流速较小，而靠近槽中心流速最大，其流速分布如图1-1所示。 在垂直于流速方向上的一段无限近的距离dx内，流速由u 变到 , 则比值 表示在垂直于流速方向上的单位距离内的流速的增量，称为速度梯度，又称剪切速度。单位为（厘米/秒）/厘米=秒 。 钻井过程中的泥浆循环，由于各部位的流速不同，其速梯（剪切速率）也不同。大体数据为 沉砂池处速梯为10~20秒 ； 环形空间内速梯为15~150秒 ； 钻杆内速梯为100~1000秒 ； 钻头水眼速梯为10000~100000秒 ； 液体流动时，由于各层流速不同，则液层间相互发生内摩擦，阻碍液层的相对运动。液体流动时产生内摩擦阻滞液体作相对运动的这种特性，称为液体的粘滞性。 实验证明，在定温下，液体层与层之间的内摩擦力（F）不仅取决于液体的性质，还与液层间的接触面积（A）和速度梯度成正比。即 写成等式为： （1-1） 式中，比例常数 称为粘滞系数，简称粘度。 令 代入（1-1）式则得： （1-2） 表单位面积上的内摩擦力，称为切应力，单位为达因/厘米 从（1-2）式可以看出 即粘滞系数代表单位速度梯度的切应力。 的单位为 =达因.秒/厘米 ，1达因●秒/厘米 称为1泊。对于同一液体，速度梯度越大，单位面积上产生的内摩擦力也越大，但单位速度梯度的切应力则是个常数。对于不同液体， 大者，表示单位速度梯度的切应力大，即在相同速度梯度时它能产生较大的内摩擦力，亦即粘滞性较大。所以粘滞系数 是量度液体粘滞性大小的物理参数。 （1-2）式称为液体的内摩擦定律。它只适用于牛顿液体，即不具有结构的液体，对于泥浆则不适用。 遵守牛顿内摩擦定律的液体，称为牛顿液体；不遵守牛顿内摩擦定律的液体，称非牛顿液体。 液体的流动特性可用流变曲线来表示。所谓流变曲线，就是速度梯度—切应力关系曲线。如牛顿液体的流变曲线如图1-2所示。 直线斜率的倒数代表其粘度，即 显然， 越小， 也越小， 越大，即 小表示粘度大，如图中液体1的粘度比液体2的粘度高。 第二节 液体的流型及其流变方程 用旋转粘度计测定各种液体的流变曲线，通常将液体分为四种基本类型（见图1-3）： 一、牛顿流型 如水、汽油、煤油、低分子化合物都属于这种类型。它的流型曲线为通过原点的直线。其流动特征是，在很小的应力作用下就可以流动，液流的速度梯度与切应力成正比，即这类液体的流动遵从牛顿内摩擦定律。在层流范围内，粘度不随切应力或速度梯度变化，是个常量。其粘度是图中直线斜率的倒数。 二、塑性流型 一般泥浆属于这种类型。塑性液体不同于牛顿液体，当所加的切应力低于静切应力 时，塑性液体的内部不发生相对运动，而象固体一样。只有当切应力超过静切应力时，塑性液体才开始流动；初期，切应力与速度梯度成曲线关系（见图1-3）。当切应力达到一定程度后，切应力与速度梯度成直线关系。该直线斜率的倒数，称为塑性粘度，又称结构粘度，常用 表示。直线的延长线在切应力轴上的交点 ，称为动切应力，有的文献称作屈服值，塑性粘度和动切应力是泥浆的两个重要参数。 静切应力是指要使静止的朔性液体开始运动时，破坏其单位面积上的网状结构所需要的切力。它常用于分析塑性液体由静止状态发展到运动状态的转变过程。 动切应力是指塑性液体在流动时，需要经常克服的，而与朔性粘度和速度梯度无关的那一部分定值切应力。动切应力常用于分析塑性液体的流动问题。 当朔性液体的流速大到一定程度时，它的流变方程常可以用宾汉公式表示为： （1-3） 或 （1-4） 式中： — 切应力； —动切应力； — 塑性粘度或结构粘度； — 速度梯度或剪切速率； 凡是流变规律符合上式的液体，叫做宾汉液体。 塑性液体的流变性之所以不同于牛顿液体，是与其内部结构密切相关。例如：钻井泥浆中，由于固体颗粒形状的不规则和表面性质的不均匀，使得颗粒之间相互粘结，形成絮凝网状结构。在低的速度梯度范围内，网状结构的拆散程度随着切应力的增大而增大，所以泥浆的粘性随着切应力的增大而降低，如图1-3中的曲线部分。随着网状结构拆散程度的增大，可供拆散的网状结构逐渐减少，拆散速度逐渐减小；同时，由于被拆散的结构多了，它们之间再碰到一起而重新恢复网状结构的机会也就多了，于是网状结构的恢复速度增大。当达到一定的速度梯度后，网状结构的拆散速度等于其恢复速度而变化，则泥浆的粘性也不随切应力的增大而变化，因此作为塑性液体的泥浆有一个稳定的塑性粘度，如图1-3中所示的直线部分。 由于塑性液体的动切应力 和塑性粘度 不随切应力和速度梯度而变化，即对于给定的塑性液体来说， 和 分别为定值，因此人们常把它们作为反映塑性液体流变性的两个重要参数。 另外，还有一种表征非牛顿液体流变性的简便方法，就是使用视粘度来表示。视粘度又称为表观粘度或有效粘度。它是仿照牛顿内摩擦定律，取切应力与切应变的比值，即 （1-5） 式中， ---视粘度 显然，视粘度是随切应力和切应变而变化。如图1-4所示 a点的视粘度： b点的视粘度： 对于塑性液体来说，一般可以将视粘度表示为 (1-6) 从上式可以看出，塑性液体的视粘度是由动切应力、塑性粘度和速度梯度三个参数决定的。而对于给定的塑性液体来说， 和 分别为定值，所以视粘度随着速度速度梯度增加而降低，为一变数。使用视粘度的优点是在一定条件下用它表示比较简单、方便；但缺点是它把表征塑性液体流变性的两个意义不同的参数（动切应力塑性粘度）混在一起了。漏斗粘度计所测的结果就是反映这种粘度。 由于塑性液体的流变性不同于牛顿液体，所以它的流动状态也和牛顿液体的不同。塑性液体具有结构流和紊流两种流动状态。 今以宾汉液体在圆管中的流动为例，说明其流动状态。如图1-5所示。取一段水平液流1-2进行分析，设两端的压强差为 ，则 应符合以下要求： （2 ） 所以 （1-7） （1-8） 此时，仅仅在半径R处，推动力 超过了由动切应力所引起的阻力 ，所以只有该处的液体才开始流动。 同时也可以看出，推动力与半径的平方成正比，而阻力与半径的一次方成正比。当半径减小时，推动力的减少较多，而阻力的减少较少。所以在上述情况下，仅仅在半径R处的宾汉液体可以流动，其内部的宾汉液体则不可能发生相对运动，而像一根固体的液柱一样，随着半径R的液层向前移动。这根类似固体的液柱叫做流核。在流核内，各个质点的运动速度是一样的，即速度梯度为零。而流核之外，各液层的速度不同，存在着速度梯度，该区域称为速梯区。随着两端压强差的增大，流核的半径将逐渐减小。速梯区的范围将逐逐渐扩大，最后流核消失。这种具有流核的流动状态称为结构流。当速度再继续增大时，则流动状态由结构流转变为紊流。 塑性液体的整个流动状态转变过程如图1-6所示。 还可将结构流细分为，其初期流核很大，几乎占据整个流流，好象一个塞子，称为流塞；其末期的流核很小，类似牛顿液体的层流，故有人称其为层流。 三、假塑性流型 高分子化合物溶液，乳化泥浆及油色水乳化泥浆都属于这种流型。流变曲线是通过原点并凸向切应力轴的曲线。其流动特性是，施加极小的切应力就能发生流动，没有静切应力；而且粘度随切应力的增大而降低。 假塑性液体的流动服从指数定律。指数方程如下式： （1-9） 式中 —切应力，达因/厘米 ； —速度梯度，秒 ； K—稠度系数； N—流性指数，无因次。 n和K是表征假塑性液体特性的两个重要流变参数。 K与流体在1秒 速度梯度下的粘度有关，K 值越大，粘度越高。 指数n表示假塑性液体在一定速度梯度范围内的非牛顿性程度。牛顿液体的n值等于1，n值越小，非牛顿性越强，即表明该假塑性液体的流变性偏离牛顿液体越远。 从图1-7可以看出，在较高的剪切速率范围内，指数方程和宾汉公式均能代表实际泥浆的流动特性。但是在环形空间低剪切速率范围内，指数方程却比宾汉公式更接近泥浆的真实流动性。因此，用指数方程可以更精确地表示泥浆的流变性，更精确地预测压力降和判断流态。特别是在环形空间的低剪切速率范围内。 四、膨胀流型 淀粉糊、面团等都属于这种类型的流型。其流动特点是，它和假塑性液体一样，施加极小的切应力就能产生流动，而不具有静切应力；但是，它的视粘度随切应力的增大而增加，其流变曲线凹向切应力轴。 一般膨胀流型的流变方程也可以用式（1-9）表示。不过，它的流性指数n>1。 由于假塑性液体和膨胀液体的流变方程都可以用指数方程表示，故这种液体又统称为幂律液体。 五、卡森流型 油漆、涂料、塑料等都属于这种类型。描绘这种液体流动特性的流变方程为，卡森（Casson）模式： （1-10） 如令 或 则上式可改写为： （1-11） 或 （1-12） （1-13） 式中： —视粘度（或称有效粘度）； —剪切速率； —极限高剪切速率下的粘度（或简称卡森粘度）； —动切力（或称卡森屈服应力）； —切应力； C—卡森C值； 凡符合上述方程的非牛顿液体称为卡森液体。卡森液体的流变曲线可以平方根坐标系作图，如1-8所示。 卡森流变曲线是一直线，其截距为 ；其斜率 为 。 卡森模式是在1959年由卡森提出来的，①首先应用于颜料悬浮液中，经过近几年国内外实验的检验，②③，卡森模式能更好地表征钻井泥浆的流变特性，试验表明，卡森模式不但在低、中剪切速率区有良好的精确度，而且还可以利用低、中剪切速率区所测得的结果测高甚至极高剪切速率区的流变特性。因而愈益引起人们的广泛重视。 公式（1-10）的特点是，把一般的 流变曲线变成了直线。该直线不仅包括层流区，还包括紊流区和塞流区，即包括低、中剪切速率到高剪切速率区的流动特性，这是它优于宾汉模式和幂律模式的主要特点。 卡森方程中有两个独立的常数 与 此外，还有一个由 与 派生的 （即 ）三者有不同的物理意义。 卡森屈服值 ，又称屈服点、屈服极限。它是泥浆内的动结构强度或电吸引力大小的量度。因此，凡是能够影响胶体体系的电化学性质的物质（如分散剂、电解质、絮剪剂、固相含量等）以及外界条件（如温度）都可以影响 值。一般来说，高固相泥浆的 值也高，加入分散剂和水，可使 降低，加入电解质和絮凝剂（至某一限度内），可提高 ，实测结果证明⑶，卡森 大大低于宾汉屈服值、而且很接近初始胶凝强度。 极限高剪切粘度 ：简称卡森粘度。这是体系内摩擦性质的量度，数值上等于剪切速率为无限大时的有效粘度。对钻井泥浆来说，可近似地代表水眼处的粘度。 层流流动时，邻层流体之间的摩擦，表现于固相颗粒之间，固相与液相之间、液相内部。因此，固相的种类、含量、比表面和形状、液相本身的粘度都将影响 。此外，温度的影响也很大。低固相泥浆中， 约为2~6厘泊，比重1.5以上的加重泥浆， 常超过15厘泊。低的 ，有利于降低高剪切速率下的压力降，有利于清除井底岩屑。 结构指数 ：它是结构性质与内摩擦相对大小的量度。 大，则结构性质占主导， 小，则摩擦性质起主要作用。对牛顿液体来说， =0。钻井时， 将影响环空中的流体的速度场、剪率场和流态。 卡森液体流变参数的测定： 使用旋转粘度计测定卡森液体的流变参数时，由于目前的旋转粘度计是按牛顿液体内摩擦定律的，这对卡森液体是不适用的，将会产生较大的误差，而必须加以校正。 研究表明（3、5），当采用 内外筒组合的旋转粘度计时，其 ，B=1.0667，当粘度计的外筒旋转速采用600和300转/分时，可以得出下列计算公式： 厘泊 （1-14） ，（达因/厘米 ） （1-15） 当外筒转速采用600和100转/分时，其计算公式分别为： 厘泊 （1-16） （达因/厘米 ） （1-17） 式中， ， ，和 分别为外筒转速等于600，300和100转/分时，粘度计刻度盘的读数。R为外筒的内半径， 为内筒的外半径。 � EMBED Equation.3 ��� � � PAGE 11 _1236097736.unknown _1236098414.unknown _1236101265.unknown _1236314099.unknown _1236426215.unknown _1236426962.unknown _1236426436.unknown _1236314453.unknown _1236102395.unknown _1236228321.unknown _1236228405.unknown _1236227520.unknown _1236101932.unknown _1236101933.unknown _1236101277.unknown _1236100831.unknown _1236101182.unknown _1236101192.unknown _1236100845.unknown _1236100603.unknown _1236100743.unknown _1236098432.unknown _1236098161.unknown _1236098325.unknown _1236098402.unknown _1236098176.unknown _1236098016.unknown _1236098131.unknown _1236097764.unknown _1029217059.unknown _1029224582.unknown _1029237494.unknown _1029239005.unknown _1029239757.unknown _1029239849.unknown _1029239935.unknown _1029239955.unknown _1029239895.unknown _1029239798.unknown _1029239314.unknown _1029239424.unknown _1029239295.unknown _1029238046.unknown _1029238448.unknown _1029237978.unknown _1029224952.unknown _1029225605.unknown _1029225650.unknown _1029224985.unknown _1029224691.unknown _1029224842.unknown _1029224628.unknown _1029224682.unknown _1029221997.unknown _1029224214.unknown _1029224487.unknown _1029224536.unknown _1029224358.unknown _1029222121.unknown _1029222377.unknown _1029222055.unknown _1029218578.unknown _1029219906.unknown _1029219966.unknown _1029219867.unknown _1029218487.unknown _1029218520.unknown _1029217466.unknown _1029153267.unknown _1029216336.unknown _1029216686.unknown _1029217019.unknown _1029216370.unknown _1029216612.unknown _1029154769.unknown _1029216018.unknown _1029216047.unknown _1029155437.unknown _1029215685.unknown _1029153814.unknown _1029154722.unknown _1029153775.unknown _1029139139.unknown _1029153039.unknown _1029153206.unknown _1029152100.unknown _1029152977.unknown _1029138933.unknown