隨鉆測井工具氣液混合流體泄漏現象分析

王紅亮， 王金田， 王智明， 菅志軍， 陸慶超

（中海油服油田技術研究院，北京101149）

1 引 言

隨鉆測井工具在井下工作過程中，由于井下泥漿壓力較大，并混入一定量的空氣，在泥漿中產生壓力較大的氣泡，形成一種氣液混合流體，這時要求儀器有較好的密封性能，使泥漿不能侵入到儀器內部，保證儀器的正常運行。一旦出現密封問題并產生泥漿泄漏，儀器就會損壞甚至報廢。

測井儀器在現場應用中，出現過這樣一種特殊的現象：儀器密封腔內被高壓空氣壓迫變形，但液體泥漿并沒有泄漏進去，經過檢測，儀器一切正常，并沒有被損壞。對于這種氣液混合流體的泄漏現象，為了找出泄漏原因，提高儀器的密封性能，排除隱患，需要從液體和氣體的物理性質出發，分析和比較這兩種流體的相關特性，確定其產生的原因及過程，并提出相應的改進措施。

2 液體和氣體的基本特性及其流動特征

2.1 粘性

粘性是流體在受到外部剪切力作用時發生變形，內部相應產生對變形的抵抗，并以內摩擦的形式表現出來的性質，液體在有相對運動時都要產生內摩擦力。

粘性的大小用粘度表示，粘度又分為動力粘度μ（m2/s），運動粘度ν，ν=μ/ρ。

水的運動粘度ν（cm2/s）通常可用經驗公式計算：

式中，t 為水溫，℃。

流體粘度μ 的數值隨流體種類不同而不同，并隨壓強、溫度變化而變化。相同條件下，液體的粘度大于氣體的粘度。對常見的流體，如水、氣體等，μ 值隨壓強的變化不大，一般可忽略不計。

τ-粘性切應力，是單位面積上的內摩擦力，Pa。流體的切應力與剪切變形速率，或角變形率成正比；

流體的切應力與動力粘度μ 成正比；

對于平衡流體dμ/dy=0，對于理想流體μ=0，所以均不產生切應力，即t=0。

式中：流速梯度dμ/dy 代表流體微團的剪切變形速率。線性變化時，即dμ/dy=U/Y；非線性變化時，dμ/dy 即是μ對y 求導。

空氣的粘度受壓力的影響很小，一般可忽略不計。隨溫度的升高，空氣分子熱運動加劇，因此，空氣的粘度隨溫度的升高而略有增加。粘度隨溫度的變化關系見表1。

表1 空氣的運動粘度ν 隨溫度的變化值（壓力為0.1MPa）

根據以上分析，由于氣體的粘性比液體小得多，氣液混合流體在受到外力作用時，氣體易于移動和變形，當工具密封部分出現一個極細小的通道時，高壓氣體就很容易通過，而液體由于粘性較大，液體內部存在一定的內摩擦力，液面外部細小的壓力變化不足以使液體產生變形，其形狀和位置沒有受到影響，因而這種氣液混合流體在氣體通過的情況下，液體不會從小孔流出而產生泄漏現象。

2.2 壓縮性

液體不能承受拉力，只能承受壓力，抵抗體積壓縮變形，當壓力除去后又恢復原狀，消除變形，壓縮性亦可稱之為彈性。

流體的壓縮性在工程上往往用體積模量來表示。體積模量是體積壓縮率的倒數：

κ 與K 隨溫度和壓強而變化，但變化甚微。

說明：（a）K 越大，越不易被壓縮，當K→∞時，表示該流體絕對不可壓縮；（b）流體的種類不同，其κ 和K 值不同；（c）同一種流體的κ 和K 值隨溫度、壓強的變化而變化；（d）在一定溫度和中等壓強下，水的體積模量變化不大。

通常情況下，我們認為液體是不可壓縮的，即認為液體的體積和密度是不隨溫度和壓力的變化而變化的。

氣體與液體和固體相比具有明顯的壓縮性和膨脹性。空氣的體積較易隨壓力和溫度的變化而變化。氣體體積在外界作用下容易產生變化，氣體的可壓縮性導致氣壓傳動系統剛度差，定位精度低。

反映氣體流動規律的基本方程主要有連續性方程和能量方程。

（1）連續性方程。當氣體在管道中做穩定流動時，同一時間流過每一通流斷面的質量為一定值，即為連續性方程 qm＝ρAv＝常數

式中，qm-氣體在管道中的質量流量，kg·m3/s；ρ-流管的任意截面上流體的密度，kg/m3；A-流管的任意截面面積，m2；v-該截面上的平均流速，m/s。

由此方程可得，氣體通道截面積減小，氣體流速變大。

如果在兩通流斷面1、2 之間有流體機械對氣體做功供以能量Ek時，則絕熱過程能量方程變為

式中，p1，ρ1，v1-分別為通流斷面1 的壓力、密度和速度；p2，ρ2，v2-分別為通流斷面2 的壓力、密度和速度；k-為絕熱指數。

由此方程可得，當Ek一定時，氣體流速變大，則壓力變小。

由以上分析，液體基本上不可壓縮，而氣體相對液體壓縮性和膨脹性都很明顯，當氣體通過工具密封部分出現一個極細小的通道時，由于流道小，橫截面積減小，根據以上氣體狀態方程可知，氣體流速就會變大。根據伯努利方程，氣體流速變大，壓力就會變小，因而對密封腔內的電子元器件沒有造成損壞。

3 液體的表面張力特性

3.1 表面張力特性

表面張力特性是由于液體表層分子之間的相互吸引，使得液體表層形成拉緊收縮的趨勢，使得液體在表面薄層內能夠承受微小拉力的特性。表面張力不僅存在于液體的自由表面上，也存在于不相混合的兩層液體之間的接觸面上。

表面張力的方向和液面相切，并和兩部分的分界線垂直，如果液面是平面，表面張力就在這個平面上。如果液面是曲面，表面張力就在這個曲面的切面上。

表面張力系數與液體性質有關，與液面大小無關。

3.2 表面張力系數

液體表面張力的大小，可以用表面張力系數來度量，液面上單位長度所受的拉力稱為表面張力系數，用σ 表示，σ 的單位為N/m，表面張力系數的大小與液體的性質、溫度以及表面接觸情況有關。

影響液體的表面張力的因素如下：

（1）內因。無機液體的表面張力比有機液體的表面張力大得多；水的表面張力72.8mN/m（20℃）；有機液體的表面張力都小于水；含氮、氧等元素的有機液體的表面張力較大；含F、Si 的液體表面張力最小；分子量大表面張力大；如果含有無機鹽，表面張力比水大；水溶液如果含有有機物，表面張力比水小。

（2）外因。溫度升高表面張力減小；壓力和表面張力沒有關系。

由于測井儀器工作中所用的泥漿主要由液相、固相和化學處理劑組成，密度較大，無機物較多，所以表面張力較大，當密封部分出現細小裂縫時，由于表面張力的作用，液體表面拉緊收縮，外部小孔處雖然存在一定的單向壓力，但對整個液體表面不會產生任何影響，仍處于一種平衡狀態，因此在氣體通過的情況下，液體不會從小孔流出而產生泄漏。

4 結論及改進措施

綜上所述，在氣液混合流體內，液體的粘度比氣體大，不易移動和變形，液體可壓縮性小，氣體可壓縮性大，當密封部分有細小孔時，氣體就很容易通過，且壓力變小，液體具有本身所特有的表面張力特性，表面拉緊收縮，外部細小的孔對整個液體的平衡不會產生影響。由于以上原因，當密封部分出現細小孔時，液體不會流出，而氣體很容易通過，產生泄漏，但壓力變小，不會對密封腔內的器件造成損壞。

出現這種現象主要是由于密封面有裂紋和缺陷，以及密封圈的表面劃痕，導致密封部分存在細小孔，使氣體從中通過，而液體不受影響。雖然這種情形對儀器沒有造成損壞，但是隨著儀器工作時間的延長，密封部分破損就會越來越大，繼而造成液體泄漏。為了避免這種現象，必須保證密封面光滑平整，沒有缺陷和裂紋，密封圈要注意安裝前的檢查和及時更換，確保密封部分不會留下細小通孔，從而避免這種泄漏現象，保證儀器的正常工作。

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