鉆井液用流變儀測量的影響因素及研究進(jìn)展

張 超 韓 成 黃凱文 魏安超 許發(fā)賓

(中海石油(中國)有限公司湛江分公司 廣東 湛江 524057)

0 引 言

隨著石油勘探開發(fā)向著深層發(fā)展，將會鉆遇到更多復(fù)雜地層，鉆井液流變性能的控制與維持問題日益突出。鉆井液的流變性關(guān)系到井眼清潔、攜巖性能、保持井眼規(guī)則。為確保深井、超深井的安全鉆進(jìn)，準(zhǔn)確測量鉆井液的流變性能顯得十分重要。本文分析了鉆井液流變性測量過程中的影響因素，總結(jié)了鉆井液用流變儀研究進(jìn)展。

1 流變儀測量影響因素

1.1 末端效應(yīng)

鉆井液常用的流變儀一般為同軸圓筒(Couette)旋轉(zhuǎn)流變儀。末端效應(yīng)就是待測流體作用于懸垂端面造成的附加黏性力矩，其作用相當(dāng)于延長懸垂一定的長度。鉆井液常用的六速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)懸垂設(shè)計(jì)長度為38 mm，Kelessidis 通過計(jì)算流體對懸垂底部端面、上部圓錐部分、懸垂固定桿作用的力矩，分別相當(dāng)于作用在長度為0.162 mm、1.724 mm、0.655 mm 的圓柱懸垂產(chǎn)生的力矩［1］。目前定量研究鉆井液用的流變儀測量產(chǎn)生的末端效應(yīng)研究較少。Gucuyener 針對懸垂端部幾何設(shè)計(jì)做過研究，結(jié)果表明懸垂底部中空或是懸垂上下端面均為圓錐形的，測試結(jié)果誤差均較大［2］。Kelessidis 用六速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測量非牛頓流體流變性時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)懸垂底部與測試杯底的間距小于API 標(biāo)準(zhǔn)距離28.2 mm 時，隨著間距的減小，剪切應(yīng)力顯著增大，即末端效應(yīng)較為嚴(yán)重［1］。

1.2 二次流與湍流

同軸圓筒旋轉(zhuǎn)流變儀基于Couette 流假設(shè)設(shè)計(jì)的，Couette 流假設(shè)流體為等溫穩(wěn)定的平面層流，并且忽略流體重力及端部效應(yīng)影響。這些假設(shè)與含固相顆粒的鉆井液區(qū)別較大，懸垂轉(zhuǎn)動的過程中固相顆粒撞擊內(nèi)筒，會導(dǎo)致不穩(wěn)定的扭轉(zhuǎn)。此外，當(dāng)外筒繞著內(nèi)筒旋轉(zhuǎn)，流體慣性會導(dǎo)致一個較小的軸對稱的二次流或湍流，因此會消耗一部分能量使得扭矩增大，因而測量的表觀粘度也會增大［3、4］。

1.3 壁面滑移

壁面滑移是指流體與固體表面之間存在相對切向運(yùn)動速度，影響待測液流變測量的準(zhǔn)確性［5］。一般鉆井液流變儀忽略壁面滑移的影響，但是在測量泡沫鉆井液、高密度水基鉆井液流變性時，存在較為嚴(yán)重的壁面滑移現(xiàn)象。泡沫鉆井液循環(huán)時，管壁剪切應(yīng)力較大，壁面處液膜的水在剪切作用下析出，該液層內(nèi)存在較大的速度梯度，產(chǎn)生壁面滑移，導(dǎo)致測量值不能真實(shí)反映泡沫內(nèi)部的實(shí)際剪切形態(tài)。Wang 通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)高密度水基鉆井液的壁面滑移速度與壁面剪切應(yīng)力呈線性關(guān)系，當(dāng)壁面剪切應(yīng)力大于某一臨界值后滑移才發(fā)生，而高密度水基鉆井液壁面滑移的臨界剪切應(yīng)力很小，因而容易出現(xiàn)壁面滑移現(xiàn)象［6］。并且通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)增大懸垂壁面的粗糙度，可在一定程度上抑制滑移的發(fā)生。

1.4 粘性發(fā)熱

粘性發(fā)熱由于粘性阻力做功而轉(zhuǎn)化為熱并滯留于流體中，致使其溫度升高，從而影響流變性的測量［7］。粘性發(fā)熱引起的升溫與鉆井液的粘度、體積、轉(zhuǎn)速、測量間隙寬度、測試時間等有關(guān)。減小粘性發(fā)熱對測量結(jié)果影響的主要辦法有對外圓筒控溫，減少測量間隙寬度、減小轉(zhuǎn)速及縮測量時間等。

2 傳統(tǒng)鉆井液流變儀

2.1 漏斗粘度計(jì)

漏斗粘度計(jì)操作簡單，是現(xiàn)場鉆井液性能測量常用的工具。漏斗粘度計(jì)測量鉆井液流動時間來判斷流動性能，雖然反映了液體的流動性能，但并不能反映液體的流變性能［8］。

Matthew 把馬氏漏斗測量的體積與時間的關(guān)系轉(zhuǎn)化成剩余高度與時間的關(guān)系［9］，然后應(yīng)用物質(zhì)平衡方程及哈根-泊肅葉方程，計(jì)算出所測流體的粘度、切力的表達(dá)式。Chandan 根據(jù)馬氏漏斗的幾何尺寸計(jì)算出測量流體時的壁面剪切應(yīng)力及剪切速率［10］，更能客觀反應(yīng)流體在低剪切速率下的粘度變化，并且相對于六速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)得到的數(shù)據(jù)點(diǎn)多。還可通過殘留在馬氏漏斗粘度計(jì)管嘴的高度可計(jì)算出鉆井液的動切力，具有較高的測量精度。

2.2 六速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)

六速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)是鉆井液流變性能測試最常用的工具。待測流體處于懸垂和轉(zhuǎn)筒之間的環(huán)形空間內(nèi)，對于每一個固定的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)筒都是以恒定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)筒帶動流體作用于懸垂，產(chǎn)生一個扭矩，使得同彈簧連接的定子旋轉(zhuǎn)了一個相應(yīng)角度，反應(yīng)到刻度盤上為指針指示的讀數(shù)，通過合適的計(jì)算公式計(jì)算可切力、流性指數(shù)和稠度系數(shù)等一系列技術(shù)參數(shù)。

但是由于鉆井液在六速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)同心圓柱中分布不均勻，因而剪切速率難以直接給出。Bourgoyne 和Apelblat 分別根據(jù)六速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)［11、12］，剪切速率關(guān)于剪切應(yīng)力的泰勒級數(shù)展開式的前兩項(xiàng)、前三項(xiàng)，計(jì)算不同轉(zhuǎn)速下的剪切速率，分別如方程(1)、方程(2)所示。

Vineet 針對同軸圓筒粘度計(jì)測量穩(wěn)定等溫線性層流流體［13］，提出剪切速率計(jì)算公式，如方程(3)所示。并且通過對比四種非牛頓流體的流變性測試結(jié)果，結(jié)果顯示較方程(1)、(2)計(jì)算結(jié)果更加精確。

其中N 為六速粘度計(jì)轉(zhuǎn)速，r/min;m 為鉆井液流性指數(shù)。

3 高溫高壓/低溫高壓鉆井液流變儀

3.1 高溫高壓流變儀

隨著國內(nèi)油氣田勘探開發(fā)的不斷深入，深井、超深井鉆井?dāng)?shù)量持續(xù)增加。深井、超深井地層復(fù)雜，井下溫度壓力高，準(zhǔn)確測量鉆井液高溫高壓流變性顯得非常重要。

美國Fann 公司長期致力于鉆井液用高溫高壓流變儀的開發(fā)。主要產(chǎn)品有早期的Fann 50C/Fann 50SL 型高溫高壓流變儀和近期的Fann 70/Fann 75 型高溫高壓流變儀。Fann 50SL 流變儀工作原理:鉆井液在由兩個圓筒組成的環(huán)狀間隙里，外筒以一定的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動帶動環(huán)形孔間隙內(nèi)鉆井液跟著旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生一個扭矩，使得內(nèi)筒轉(zhuǎn)過一個角度，測量這一角度，即可確定剪切應(yīng)力值。

Fann 75 和Fann 70 是Fann 公司較為成熟的高溫高壓流變儀。壓力由程序控制高壓液壓泵加壓，整機(jī)既可單獨(dú)工作，又可與計(jì)算機(jī)相連，F(xiàn)ann 公司設(shè)計(jì)的軟件實(shí)現(xiàn)了對壓力、溫度和馬達(dá)速度的全自動控制及對數(shù)據(jù)的全面處理以得到最終結(jié)果。并且Fann 75 型流變儀體積小巧，既可用于實(shí)驗(yàn)室，又可用鉆井現(xiàn)場［14］。

美國Grace 公司也專門設(shè)計(jì)生產(chǎn)鉆井液用高溫高壓流變性測量的流變儀，主要產(chǎn)品有M7400、M7500、M7600。其中M7600 型極高溫高壓全自動流變儀，測試溫度最高可達(dá)316 ℃，壓力最高可達(dá)276 MPa，是目前國內(nèi)外測試壓力和溫度最高的流變儀，其在墨西哥灣高溫高壓井鉆井液流變性測試得到成功應(yīng)用［15］。

3.2 低溫高壓流變儀

隨著世界能源需求的不斷增長，石油的勘探開發(fā)不斷向海洋深處拓展，根據(jù)一份關(guān)于海洋極端井況油氣井的報(bào)告顯示，自1982 至2012 年的30 年間，各作業(yè)公司在全球共鉆了415 口海上高溫高壓井。而根據(jù)預(yù)測，近海極端井?dāng)?shù)量在十年內(nèi)就將增加兩倍。

海洋高溫高壓井使用的鉆井液必須要經(jīng)歷低溫環(huán)境，這種特殊的低溫高壓環(huán)境給鉆井液流變性測量帶來諸多挑戰(zhàn)。室內(nèi)和現(xiàn)場用于評價鉆井液流變特性的流變儀但都存在一定的局限性。比廣泛應(yīng)用的ZNN-6 型六速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)只適用于室溫常壓條件下流變性的測定;Fann 50 高溫高壓流變儀可用于測定高溫高壓條件下鉆井液的流變參數(shù)，但無法實(shí)現(xiàn)低溫條件鉆井液流變性的測定。

OFITE 公司研制生產(chǎn)了全自動高溫高壓流變儀，該流變儀的測試系統(tǒng)壓力達(dá)207 MPa，溫度最高至260℃的條件，并且制冷系統(tǒng)可使測試溫度低于0℃，剪切速率范圍在0.01 s-1～1700 s-1。根據(jù)剪切力、剪切速率、時間和溫度等參數(shù)完成鉆井液等溶液的流變特性測定。進(jìn)一步增加了全自動高溫高壓流變儀的應(yīng)用范疇。

美國Fann 公司也推出了FanIX77 型全自動鉆井液流變儀，與ZNN-6 型六速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)的測量原理相似，不同的是，F(xiàn)anIX77 型全自動鉆井液流變儀采用特殊的磁敏傳感器測量扭矩組合的磁轉(zhuǎn)角來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，大大提高了數(shù)據(jù)的精確性。使用外接冷凝裝置，通過向測試體和加熱套之間的間隙均勻噴射毛細(xì)管狀的冷凝液，并由加熱套底部返回冷凝裝置，整個冷凝過程在密閉空間內(nèi)進(jìn)行，確保溫度不隨時間波動或者波動小(0.5℃)。該裝置能夠模擬深水鉆井中的低溫條件，測試溫度最低可達(dá)到-10℃，粘度測量范圍為0 ～360 mPa·s，測試樣品約為160 mL。

美國Grace 公司M7500 型超高/低溫高壓鉆井液流變儀，它主要由型號為Neslab RTE-7 型冷卻循環(huán)器，高壓釜體、程序控制系統(tǒng)和電腦等組成。流變儀的最高測量溫度為260℃，最低溫度-20℃。M7500 型超高/低溫高壓鉆井液流變儀利用軟件精確控制試驗(yàn)所需的溫度、壓力和轉(zhuǎn)速，溫度的精確度可以控制在±0.01℃，這避免了粘性發(fā)熱對測量結(jié)果的影響。其工作原理同其他旋轉(zhuǎn)式流變儀相同，測量的流變數(shù)據(jù)可以與其他流變儀測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，符合API 標(biāo)準(zhǔn)［16］。

4 泡沫流變儀

近年由于泡沫鉆井液具有提高鉆速、儲層損害小等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用越來越廣泛。但是泡沫是一種低密度、可壓縮性、熱不穩(wěn)定流體，流變學(xué)是相當(dāng)復(fù)雜的。泡沫粘度的測量不能簡單地應(yīng)用旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)，主要因?yàn)樵诟呒羟兴俾氏乱合嗪苋菀妆浑x心出來，除此泡沫的產(chǎn)生及質(zhì)量控制、氣泡聚集及析水、壁面滑移及軸流效應(yīng)都導(dǎo)致測量結(jié)果的誤差［17］。

Affonso 和Rojas 通過管式粘度計(jì)的不銹鋼管道后摩擦壓降、體積流率，間接研究泡沫鉆井液流變性能，避開旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)產(chǎn)生導(dǎo)致的壁面滑移的影響［18、19］。然后根據(jù)Oldroyd-Jastrzebski 模型，假設(shè)滑移速度與壁面剪切應(yīng)力成正比τw，與管道直徑D 成反比，引入壁面滑移系數(shù)βc，則有真實(shí)剪切速率γ真與實(shí)測剪切速率γ測之間的關(guān)系為，

根據(jù)方程(4)，繪制γ測與1/D2的關(guān)系曲線，曲線在縱軸上的截距即為消除滑移后的真實(shí)剪切速率γ真。盡管Oldroyd-Jastrzebski 模型可以修正泡沫的壁面滑移，但是該方法需要建立較復(fù)雜的管流測試裝置，計(jì)算也較為復(fù)雜。

5 結(jié)束語

鉆井液流變性測量的影響因素較多，應(yīng)盡量避免這些因素對測量結(jié)果的影響。目前鉆井液用流變儀測量過程基本都是單點(diǎn)測量，隨著鉆井液技術(shù)的不斷發(fā)展，要求鉆井液用流變儀的測量過程更能真實(shí)地反映鉆井液井底溫度和壓力條件下的流變性，實(shí)現(xiàn)實(shí)時多點(diǎn)測量。同時鉆井液用流變儀要進(jìn)一步提高測試溫度和壓力，提高現(xiàn)場應(yīng)用能力。泡沫鉆井液作為一種特殊的流體，亟需研制測量泡沫鉆井液流變性的專用流變儀。

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