表面活性劑在連續(xù)管鉆井降摩減阻中的應(yīng)用

長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院于建濤 黃志強(qiáng) 劉高 沈家訓(xùn) 胡靖 廖江東 路萍

表面活性劑在連續(xù)管鉆井降摩減阻中的應(yīng)用

長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院于建濤 黃志強(qiáng) 劉高 沈家訓(xùn) 胡靖 廖江東 路萍

連續(xù)管（CT）鉆井過(guò)程中，由于連續(xù)管尺寸小、易發(fā)生屈曲現(xiàn)象，在發(fā)生彎曲后，流體通過(guò)連續(xù)管時(shí)會(huì)產(chǎn)生離心效應(yīng)，并且由于連續(xù)管不旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致摩擦損失在連續(xù)管中比在傳統(tǒng)直井中高得多。應(yīng)用水溶性聚合物減阻存在機(jī)械降解現(xiàn)象，并且降解后分子結(jié)構(gòu)無(wú)法恢復(fù)使得減阻能力下降，表面活性劑在受到大的剪切應(yīng)力的時(shí)候會(huì)發(fā)生機(jī)械降解但是可以自行修復(fù)，因此在連續(xù)管鉆井中用表面活性劑來(lái)進(jìn)行減阻更有優(yōu)勢(shì)。本文，筆者介紹了表面活性劑減阻機(jī)理，并討論了影響減阻效果的各種因素。

一、表面活性劑減阻機(jī)理

1.在靜止?fàn)顟B(tài)下，表面活性劑膠束形成并隨機(jī)分布在溶液中，剪切速率的增加可以使線性膠束延伸并且使線性膠束與流動(dòng)方向保持一致。因此，紊流波動(dòng)、漩渦減少、紊流能量的耗損降低，呈現(xiàn)減阻特性。

2.表面活性劑線性膠束的糾纏形成剪切誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)，剪切誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)的彈性性能或者網(wǎng)絡(luò)狀膠束抑制紊流的連續(xù)形成，減少大量的能量消耗，產(chǎn)生減阻。

3.表面活性劑的高拉伸黏度使渦流拉伸產(chǎn)生附加阻力從而限制紊流漩渦的增加，減小了能量消耗，產(chǎn)生減阻。通常表面活性劑流體（SB）在油管流動(dòng)時(shí)以不同的膠束結(jié)構(gòu)形式出現(xiàn)。在靜止時(shí)，線狀膠束隨機(jī)的分布在溶液中，隨著溶液的流動(dòng)，剪切應(yīng)力增加，尤其是管壁附近剪切應(yīng)力最大。由于在管壁面附近比較大的剪應(yīng)力使越來(lái)越多的膠束與水流方向保持一致，紊流波動(dòng)和漩渦越來(lái)越少，使表面活性劑溶液出現(xiàn)減阻現(xiàn)象。隨著剪切應(yīng)力的增加，越來(lái)越多的線性膠束與流動(dòng)方向一致。SIS是膠束與水流方向一致的狀態(tài)，SIS狀態(tài)時(shí)獲得最大的減阻效果。之后，管壁附近的線狀膠束被打破，然而由于在管內(nèi)流動(dòng)的非均勻應(yīng)力分布（管壁處最大而中心為零）遠(yuǎn)離管壁的膠束還未受到影響，減阻現(xiàn)象會(huì)持續(xù)比較長(zhǎng)的時(shí)間。隨著剪切應(yīng)力的增加，膠束在管壁和中心之間的交換，原來(lái)遠(yuǎn)離管壁的膠束逐漸向管壁靠攏并且被分解，造成溶液減阻能力的下降。最終，表面活性劑溶液中所有的膠束被分解成長(zhǎng)度不夠大而無(wú)法產(chǎn)生減阻的膠束。此時(shí)，溶液完全失去其減阻的能力。

二、表面活性劑減阻的影響因素

在連續(xù)管鉆井過(guò)程中，表面活性劑的自身結(jié)構(gòu)及性質(zhì)是降摩減阻作用的關(guān)鍵，但是外界因素對(duì)表面活性劑的減阻效果也起到重要作用。這些因素主要包括：表面活性劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、溫度、鹽度、剪切速率，連續(xù)管的管徑和曲率比等。

1.表面活性劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。表面活性劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)是使它成為一種高效的減阻劑的關(guān)鍵因素。增加表面活性劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)有利于形成線性膠束提高減阻效果。圖1表示了在1/2in連續(xù)管中（1in=25.4mm），表面活性劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)減阻的影響。在雷諾數(shù)相同的情況下，增加表面活性劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)能增加減阻效果。例如，在雷諾數(shù)達(dá)到100000時(shí)，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%的表面活性劑流體減阻效果為36%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的表面活性劑流體減阻效果為51%，但是隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加減阻效果達(dá)到最大，然后隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加減阻效果逐漸下降。

圖1 在1/2in連續(xù)管中，表面活性劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)減阻的影響

2.溫度。溫度是影響表面活性劑減阻效果的重要的因素之一。首先，當(dāng)表面活性劑處于特定的溫度范圍內(nèi)，表面活性劑才能起到減阻作用。其次，當(dāng)溫度高于減阻溫度上限時(shí)，表面活性劑減阻作用消失；當(dāng)溫度降低到有效減阻溫度范圍內(nèi)時(shí)，溶液的減阻作用將重新恢復(fù)。

3.鹽度。鹽度可促進(jìn)線性膠束的形成，增加了膠束的彈性，降低了摩擦系數(shù)，提高了減阻效果。Hartmann和Cressely發(fā)現(xiàn)在含鹽量較低情況下，隨著鹽度的增加，減阻效果增加；在鹽含量較高情況下，減阻效果反而會(huì)降低。通過(guò)圖2可以直觀看出在表面活性劑在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的鹽水中比在清水中減阻效果要好。

圖2 在1/2in連續(xù)管中，鹽度對(duì)表面活性劑減阻效果的影響

4.連續(xù)管管徑。對(duì)于牛頓流體，在相同雷諾數(shù)的情況下，無(wú)論管徑大小，摩擦系數(shù)將是相同的。但對(duì)于非牛頓流體，在相同雷諾數(shù)情況下，摩擦系數(shù)是隨著管徑的變化而變化。從圖3可以明顯得出相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的表面活性劑流體在1/2in的連續(xù)管中減阻效果最差，隨著管徑的增加，減阻效果越好，23/8in的連續(xù)管減阻效果最好。

圖3 不同管徑對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%表面活性劑減阻效果的影響

5.連續(xù)管曲率比。在連續(xù)管與直管中減阻行為是不同的。與直管相比，連續(xù)管的幾何曲率會(huì)使減阻效果降低10%～30%。圖4描述了在1/2in的連續(xù)管中連續(xù)管曲率比對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%表面活性劑減阻效果的影響。得出高的曲率比增加摩擦系數(shù)從而使減阻效果下降，當(dāng)流體通過(guò)最大曲率比為0.031時(shí)，減阻效果最差。

6.剪切速率。剪切速率也是影響起減阻作用的因素之一。在剪切速率較低的情況下，剪切速率的增加能促進(jìn)線性膠束的形成并增加其彈性，從而使減阻效果增強(qiáng)，但是隨著剪切速率的增加減阻效果達(dá)到最好后減阻效果會(huì)越來(lái)越差。

三、結(jié)論

1.在連續(xù)管鉆井過(guò)程中表面活性劑起減阻作用主要是由于在其結(jié)構(gòu)中有棒狀或蠕蟲(chóng)狀的線性膠束結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)在抑制紊流和降低摩擦系數(shù)上起著重要作用。但是一些外在因素對(duì)表面活性劑的減阻也起到重要作用，這些因素包括活性劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、溫度、鹽度、剪切速率，連續(xù)管的管徑和曲率比等。

2.連續(xù)管鉆井在國(guó)內(nèi)外作業(yè)數(shù)量急劇增加，而在鉆井過(guò)程中降摩減阻又是關(guān)鍵技術(shù)之一。表面活性劑在連續(xù)管鉆井降摩減阻中的應(yīng)用會(huì)提高鉆井速度、減少鉆井事故，從而提高連續(xù)管鉆井的經(jīng)濟(jì)效益。