稠油侵入對鉆井液流變性影響研究

許佳欣 馮惠

摘? 要：在欠平衡或近平衡鉆井中，經(jīng)常發(fā)生稠油與鉆井液溢漏同存的問題。稠油侵入井筒，改變了鉆井液的物性，對井筒壓力精確預(yù)測帶來了很大困難。文章基于流變學(xué)基本原理，利用高溫高壓流變儀開展了不同溫壓條件下的稠油鉆井液混合流體的流變性測試，通過鉆井液稠油混合流體流變模型優(yōu)選，總結(jié)了赫巴模式下的混合流體流變方程。該方程為精確建立稠油侵入井筒的復(fù)雜流動(dòng)數(shù)學(xué)模型奠定物性研究基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：稠油;鉆井液;流變性;赫巴模式

中圖分類號(hào)：TE254 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）32-0072-02

Abstract： In underbalanced or near balanced drilling， the problem of heavy oil and drilling fluid leakage often occurs. The invasion of heavy oil into the wellbore changes the physical properties of the drilling fluid and brings great difficulties to the accurate prediction of wellbore pressure. In this paper， based on the basic principle of rheology， the rheological properties of heavy oil drilling fluid mixed fluid under different temperature and pressure conditions are tested by using high temperature and high pressure rheometer， and the rheological model is optimized by drilling fluid heavy oil mixed fluid rheological model. The rheological equation of mixed fluid in Herschel-Buckley Model is summarized. The equation lays a foundation for the study of physical properties for the accurate establishment of the complex flow mathematical model of heavy oil invading wellbore.

Keywords： heavy oil; drilling fluid; rheology; Herschel-Buckley Model

1 概述

當(dāng)欠平衡鉆井鉆至產(chǎn)層段時(shí)，產(chǎn)層內(nèi)的油、氣等流體在井底負(fù)壓差下會(huì)流入井筒，油、氣的流入會(huì)使井底壓力發(fā)生變化，而井底壓力的變化將導(dǎo)致井底壓差的變化，進(jìn)而影響地層流體的流入[1]。

同時(shí)，油、氣等侵入鉆井液后嚴(yán)重影響了鉆井液的性能并且造成了一系列問題。尤其針對稠油侵入，由于井底的高溫環(huán)境，稠油在鉆井液中以液態(tài)的形式四處分散，這種情況增加了鉆井液的液相黏度。當(dāng)處于地面上的低溫環(huán)境時(shí)，稠油的狀態(tài)可能變?yōu)楣虘B(tài)，使鉆井液固相含量增加，鉆井液內(nèi)的摩擦力變大。上述原因?qū)︺@井液的流變性造成了很大的影響，鉆井液黏度、切應(yīng)力迅速增大，使鉆井開泵的過程變得困難，激動(dòng)壓力和循環(huán)壓耗變大。另一方面由于稠油不斷地侵入鉆井液，鉆井液流變性能越來越差。在鉆井過程中，振動(dòng)篩的位置跑漿狀況明顯;起下鉆時(shí)，稠油的侵入讓井筒內(nèi)的鉆井液受到嚴(yán)重污染，使這部分鉆井液無法再繼續(xù)正常使用，大大增加了鉆井液的成本和消耗量。大量的稠油的排放讓鉆井液池遭受到污染，造成了嚴(yán)重的環(huán)境破壞，導(dǎo)致鉆井廢棄物變得更加難以處理[2]。伊朗雅達(dá)油田就發(fā)生過多次瀝青侵入井筒導(dǎo)致的停鉆事故[3-4]。

因此，研究侵入鉆井液對其流變性的影響將為建立精確井筒復(fù)雜流動(dòng)數(shù)學(xué)描述奠定物性研究基礎(chǔ)。

2 流變學(xué)理論基礎(chǔ)

2.1 概述

流變學(xué)在廣義上就是研究物體的流動(dòng)與形變，并考慮物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)隨著時(shí)間的延續(xù)發(fā)生變化的過程。根據(jù)不同的流變性，可將流體分為牛頓流體與非牛頓流體。石油工業(yè)中的鉆井液屬于無時(shí)變性純黏性非牛頓流體的范疇。

2.2 流變模式

根據(jù)非牛頓流體流動(dòng)時(shí)剪切應(yīng)力與剪切速率之間的關(guān)系，無時(shí)變性純黏性非牛頓流體的流變模式可以劃分為如下四種。

（1）賓漢模式

大多數(shù)鉆井液實(shí)測流變曲線一般為曲線，賓漢模式是一個(gè)直線方程，在低剪速率和高剪速率下，賓漢模式的計(jì)算值都將大于實(shí)測值。其本構(gòu)方程如式（1）所示。

τ=τ0+ηpγ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中：τ-剪切應(yīng)力，Pa;τ0-極限動(dòng)切應(yīng)力，Pa;ηp-塑性黏度，Pa·s;γ-剪切速率，s-1。

（2）冪律模式

冪律模式所描述的液體，隨著剪切速率γ的減少，液體的粘度趨于無窮大，隨著剪切速率γ的無限增加，液體便被剪切成沒有粘度的液體;在較高和較低剪切速率下冪律模式的計(jì)算值將小于實(shí)測值。其本構(gòu)方程如式（2）所示。

τ=kγn? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

式中：k-稠度系數(shù)，Pa·sn;n-流性指數(shù)，無量綱。

（3）卡森模式

該模式能夠反映大多數(shù)鉆井液具有屈服應(yīng)力這一特點(diǎn);能夠描述鉆井液的剪切稀釋特性，但不能描述靜態(tài)粘度。其本構(gòu)方程如式（3）所示。

（4）赫巴模式

該模式是一個(gè)三參數(shù)模式，是對賓漢模式和冪律模式的修正，可以反映體系所具有的屈服應(yīng)力和剪切稀釋特性，所描述的流變曲線是單調(diào)增加的。其本構(gòu)方程如式（4）所示。

τ=τy+Kγn? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

式中：τy-赫謝爾-巴克萊爾屈服值，Pa。

3 稠油與鉆井液混合流體的流變性測試

3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c實(shí)驗(yàn)過程

稠油侵入鉆井液后隨著鉆井液循環(huán)至地面，在井筒中隨著機(jī)械攪拌作用下分散于鉆井液中，鉆井液的流變性發(fā)生改變。此實(shí)驗(yàn)主要研究在不同溫度壓力下，侵入稠油后鉆井液的流變參數(shù)變化趨勢，為預(yù)測井下鉆井液流變性提供數(shù)據(jù)支撐。

將鉆井液樣品裝入高溫高壓樣品釜中，將壓力升至設(shè)定壓力，再升溫至設(shè)定溫度并恒溫10min。以不同轉(zhuǎn)速對鉆井液進(jìn)行剪切，轉(zhuǎn)速分別選用600、300、200、100、6、3r/min，每個(gè)轉(zhuǎn)速下剪切時(shí)間120s，記錄不同轉(zhuǎn)速下的剪切應(yīng)力。然后增加壓力，考察溫度一定時(shí)，壓力對鉆井液流變性的影響;或者升高溫度，考察壓力一定時(shí)，溫度對鉆井液流變性的影響。

3.2 實(shí)驗(yàn)分析

不同溫度下，剪切速率與剪切應(yīng)力的關(guān)系曲線如圖1所示。

從圖1可知，隨著溫度升高，同剪切速率下剪切應(yīng)力逐漸降低;低剪切速率下，剪切應(yīng)力受溫度影響較小，隨著剪切速率升高，剪切速率對剪切應(yīng)力的影響逐漸增加。剪切速率對鉆井液黏度影響較大;隨著剪切速率的升高，不同溫度下鉆井液的黏度總體上均呈降低趨勢。

不同壓力下，剪切速率與剪切應(yīng)力的關(guān)系曲線如圖2所示。從圖中可知，相同剪切速率下，鉆井液剪切應(yīng)力隨著壓力升高而逐漸增高，增加幅度較小，鉆井液表觀黏度隨著壓力的不斷升高而逐漸升高。鉆井液的剪切應(yīng)力隨著壓力的升高而增大，低剪切速率下的剪切應(yīng)力受壓力的影響很小，高剪切速率下剪切應(yīng)力的增幅越來越大。溫度是影響鉆井液流變性的主要因素，且溫度對流變性的影響程度要遠(yuǎn)大于壓力。

3.3 鉆井液稠油混合流體流變模型優(yōu)選及流變方程擬合

評價(jià)這些模型的準(zhǔn)則主要有：在不同的剪切速率下、理論計(jì)算值和實(shí)測值較符合;對于不用的流道，所建立的壓降模型精確和實(shí)用，此外具有通用性，能更好的適用于各種類型的非牛頓流體[5，6]。

將不同壓力（高壓）下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)帶入到四種流變模式中進(jìn)行擬合，如圖3所示。

由圖3可知，卡森模式和赫巴模式都能較好的擬合出鉆井液高壓下流變特性，但是赫巴模式擬合系數(shù)更接近于1，擬合相關(guān)性更好，所以用赫巴模式來描述鉆井液在高壓下的流變性。根據(jù)H-B模式的流變擬合方程τ=a+bγc，擬合結(jié)果如式（5）所示。

流變方程擬合結(jié)果為：

τ=9.1633+1.0755γ0.495（5）

4 結(jié)論

（1）稠油侵入鉆井液對鉆井液的流變性能影響很大。

（2）相同剪切速率下，鉆井液和稠油混合流體的動(dòng)切力和塑性黏度及表觀黏度均隨著溫度升高而降低;混合流體的剪切應(yīng)力隨著壓力升高而逐漸增高，表觀黏度隨著壓力的不斷升高而逐漸升高，但增加幅度較小。溫度是影響鉆井液流變性的主要因素，且溫度對流變性的影響程度要遠(yuǎn)大于壓力。

（3）采用赫巴模式能夠更好的描述混合流體在高溫高壓下的流變關(guān)系，該流變方程為精確建立稠油侵入井筒的復(fù)雜流動(dòng)數(shù)學(xué)模型奠定物性研究基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

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[3]肖超，侯立中，薛玉志，等.伊朗雅達(dá)油田復(fù)雜地層鉆井液技術(shù)[J].鉆井液與完井液，2012，29（5）：40-43.

[4]趙向陽，孟英峰，侯緒田，等.瀝青質(zhì)稠油與鉆井液重力置換規(guī)律與控制技術(shù)[J].石油鉆采工藝，2016，38（05）：622-627.

[5]沈崇裳，劉鶴年.非牛頓流體力學(xué)及其應(yīng)用[M].北京：高等教育出版社，1989：169-182.

[6]鄢捷年，趙雄虎.高溫高壓下油基鉆井液的流變特性[J].石油學(xué)報(bào)，2003，24（3）：104-109.

作者簡介：許佳欣（1996-），男，在讀碩士，研究方向：井筒多相流。