六速粘度計(jì)計(jì)算塑性粘度與表觀粘度的方法

1、鉆井液流變參數(shù)(塑性粘度,動(dòng)切力,靜切力,n,k)的測量與計(jì)算鉆井液的流變參數(shù)與鉆井工程有著密切的關(guān)系，是鉆井液重要性能之一。因此，在鉆井過程中必須對其流變性進(jìn)行測量和調(diào)整，以滿足鉆井的需要。鉆井液的流變參數(shù)主要包括塑性粘度、漏斗粘度、表觀粘度、動(dòng)切力和靜切力、流性指數(shù)、稠度系數(shù)等。 一、旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)的構(gòu)造及工作原理旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)是目前現(xiàn)場中廣泛使用的測量鉆井液流變性的儀器。它由電動(dòng)機(jī)、恒速裝置、變速裝置、測量裝置和支架箱體等五部分組成。恒速裝置和變速裝置合稱旋轉(zhuǎn)部分。在旋轉(zhuǎn)部件上固定一個(gè)能旋轉(zhuǎn)的外筒。測量裝置由測量彈簧、刻度盤和內(nèi)筒組成。內(nèi)筒通過扭簧固定在機(jī)體上、扭簧上附有刻度盤，如圖41所示。通

2、常將外筒稱為轉(zhuǎn)子，內(nèi)筒稱為懸錘。測定時(shí)，內(nèi)筒和外筒同時(shí)浸沒在鉆井液中，它們是同心圓筒，環(huán)隙1mm左右。當(dāng)外筒以某一恒速旋轉(zhuǎn)時(shí)，它就帶動(dòng)環(huán)隙里的鉆井液旋轉(zhuǎn)。由于鉆井液的粘滯性，使與扭簧連接在一起的內(nèi)筒轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度。根據(jù)牛頓內(nèi)摩擦定律，轉(zhuǎn)動(dòng)角度的大小與鉆井液的粘度成正比，于是，鉆井液粘度的測量就轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)筒轉(zhuǎn)角的測量。轉(zhuǎn)角的大小可從刻度盤上直接讀出，所以這種粘度計(jì)又稱為直讀式旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)。轉(zhuǎn)子和懸錘的特定幾何結(jié)構(gòu)決定了旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)轉(zhuǎn)子的剪切速率與其轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。按照范氏儀器公司設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)子、懸錘組合(兩者的間隙為1.17mm)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與剪切速率的關(guān)系為：1r/min1.703s-1 （41）旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)

3、的刻度盤讀數(shù) (為圓周上的度數(shù)，不考慮單位)與剪切應(yīng)力(單位為Pa)成正比。當(dāng)設(shè)計(jì)的扭簧系數(shù)為3.8710-5時(shí)，兩者之間的關(guān)系可表示為：0.511 (-2)旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)有兩速型和多速型兩種。兩速型旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)用600 rmin和300 rmin這兩種固定的轉(zhuǎn)速測量鉆井液的剪切應(yīng)力，它們分別相當(dāng)于1022s-1和511s-1的剪切速率(由式4-1計(jì)算而得)。但是，僅在以上兩個(gè)剪切速率下測量剪切應(yīng)力具有一定的局限性，因?yàn)樗鶞y得的參數(shù)不能反映鉆井液在環(huán)形空間剪切速率范圍內(nèi)的流變性能。因此，目前國內(nèi)外已普遍使用多速型旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)。六速粘度計(jì)是目前最常用的多速型粘度計(jì)，該粘度計(jì)的六種轉(zhuǎn)速和與之相對應(yīng)的剪切速

4、率見表4-1表-1 轉(zhuǎn)速與剪切速率的對應(yīng)關(guān)系轉(zhuǎn)速（r/min）60030020010063剪切速率s-11022511340.7170.310.225.11為了連續(xù)測量各種剪切速率下的剪切應(yīng)力，NL Baroib公司又研制出從1r/min至600r/min可連續(xù)變速的286型粘度計(jì)。對于抗高溫深井鉆井液，常用高溫高壓流變儀等測定高溫高壓條件下的流變性能。二、流變參數(shù)的測量與計(jì)算直讀公式推導(dǎo) ）表觀粘度的測量與計(jì)算根據(jù)表觀粘度的定義，某一剪切速率下的表現(xiàn)粘度可用下式表示：a/(0.511N/1.703N)(1000)(300N)/N (43)式中N表示轉(zhuǎn)速，單位為rmin；N表示轉(zhuǎn)速為N時(shí)的刻度

5、盤讀數(shù)；a表現(xiàn)粘度，mPas。利用式(-3)，可將任意剪切速率(或轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速)下測得的刻度盤讀數(shù)換算成表觀粘度，常用的六種轉(zhuǎn)速的換算系數(shù)見表-2表-2 刻度讀數(shù)與表觀粘度的換算系數(shù)轉(zhuǎn)速/rmin-160030020010063換算系數(shù)0.51.01.53.050.0100.0例如，在300r/min時(shí)測得刻度盤讀數(shù)為36，則該剪切速率下的表觀粘度等與361.036（mPas）；若在6r/min時(shí)測得刻度盤讀數(shù)為4.5，則該剪切速率下的表現(xiàn)粘度等于4.550.0225（mPas）在評價(jià)鉆井液的性能時(shí)，為了便于比較，如果沒有特別注明某一剪切速率，一般是指測定600r/min時(shí)的表觀粘度，即e(1/

6、2)600 (44)使用旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測定表觀粘度和其它流變參數(shù)步驟如下：(1)將預(yù)先配好的鉆井液進(jìn)行充分?jǐn)嚢瑁缓蟮谷肓勘?，使液面與粘度計(jì)外筒的刻度線相齊。(2)將粘度計(jì)轉(zhuǎn)速設(shè)置在600r/min，待刻度盤穩(wěn)定后讀取數(shù)據(jù)。(3)再將粘度計(jì)轉(zhuǎn)速分別設(shè)置在300、200、100、6和3rmin，待刻度盤穩(wěn)定后讀取數(shù)據(jù)。(4)計(jì)算各流變參數(shù)。必要時(shí)，通過將刻度盤讀數(shù)換算成、將轉(zhuǎn)速換算成，繪制出鉆井液的流變曲線。）塑性流體流變參數(shù)的測量與計(jì)算由測得的600r/min和300r/min的刻度盤讀數(shù)，可以利用以下公式求得塑性粘度和動(dòng)切力：p600300 (45)00.511(300p) (46)式中p的單位為mPas，0的單位為Pa。其推導(dǎo)過程如下：如前所述，塑性粘度是塑性流體流變曲線中直線段的斜率，600r/min和300r/min所對應(yīng)的剪切應(yīng)力應(yīng)該在直線段上。因此p(600300)(600300)0.511(600300)(1022511)1000600300依據(jù)賓漢模式，0p，因此0600p60