酒東油田長2-29井鉆井液高溫流變性研究

薛新茹 孟文斐 徐進軍 孫向濤

（1.玉門油田分公司鉆采工程研究院，甘肅 酒泉 735019；2.玉門油田煉化總廠化驗檢測中心，甘肅 酒泉 735019）

鉆井液流變性是鉆井液的一項基本性能，體現了攜帶巖屑，保證井底和井眼清潔的能力；懸浮巖屑及加重物質的能力；有效提高機械鉆速的能力；加固井壁，保證井下安全的能力等。此外，鉆井液的某些流變參數還直接用于鉆井環空水力學的有關計算。因此，對鉆井液流變性做深入研究，對于每口油氣井鉆井液流變參數優化設計和有效調控鉆井液工藝技術有著重要意義。

目前常用的鉆井液流變性測量方法，是利用六速旋轉粘度計，測量鉆井液地面條件下的流變參數，外推到井下情況，不能有效反映高溫高壓條件下鉆井液流變性能的變化。本文主要利用RS6000 流變儀，針對酒東油田長2-29 井在鉆井井深4104m所使用的鉆井液，開展了高溫流變參數測量及流變性分析，能夠準確預測實際地層狀況下的鉆井液流變性能，鉆井調控、工程管理具有指導意義。

1 鉆井液常用的流變參數及含義

鉆井液的流變性通常用流變參數、流變曲線和流變方程描述。流變參數常用的有塑性粘度μp、表觀粘度μa、動切力（屈服值）τ0、靜切力等。

塑性粘度是塑性流體所具有的性質，它不隨剪切速率而變化。塑性粘度的大小反映了在層流情況下，鉆井液中網架結構的破壞與恢復處于動平衡時，懸浮的固體顆粒之間、固體顆粒與液相之間以及連續液相內部的內摩擦作用的強弱。大小與鉆井液體系特征、作業溫度有關。表觀粘度是流體在流動過程中的總粘度，是剪切應力與剪切速率的比值，塑性流體的表觀粘度具有剪切稀釋性。動切力是塑性流體流變曲線中的直線段在τ軸上的截距，反映了流體形成網架結構的能力。

2 長2-29井鉆井液流體模型的確定

按照流體流動時剪切速率與剪切應力之間的關系，流體可以劃分為不同的模型。根據所測出的流變曲線形狀的不同，分為牛頓流體和非牛頓流體，非牛頓流體又分為塑性流體、假塑性流體和膨脹流體，幾種流體模型的流變曲線見圖1。

圖1 四種基本流體模型的曲線

用RS6000流變儀測長2-29井鉆井液不同剪切速率下的剪切應力值，對應的流體模型的曲線見圖2。

圖2 長2-29井鉆井液流體模型曲線

由圖2 明顯看出，長2-29 井鉆井液屬于塑性流體（也稱帶屈服值的假塑性流體）。塑性流體內部結構多為內相濃度較大，粒子間結合力較強的多相混合體系，當粒子濃度大到使粒子間相互接觸的程度時，便形成粒子的三維空間網絡結構，屈服值是這種結構強弱的反映。

塑性流體的流變方程為：

τ=τ0+μpγ（τ0為屈服值，Pa；μp為塑性粘度）（方程1）

或μa=μp+τ0/γ（μa為表觀粘度）（方程2）

當τ＜τ0時，流體不產生流動，只發生有限的形變，當τ＞τ0時，流體才能流動，且具有剪切稀釋性。

3 溫度對鉆井液流變參數的影響

國內研究表明，對于具體的鉆井液體系，壓力對流變性影響相對較小，溫度是主要的影響因素，因此，我們重點考察溫度對鉆井液流變性的影響。

實驗考察了不同溫度下（40-110℃）長2-29 井鉆井液的流變性，繪制了剪切應力—剪切速率關系曲線、表觀粘度—剪切速率關系曲線，見圖3、圖4。

圖3 不同溫度下的鉆井液剪切應力—剪切速率關系曲線

圖4 不同溫度下的表觀粘度—剪切速率關系曲線

由圖3可以看出：

（1）在測試溫度范圍內，相同剪切速率下，剪切應力隨著溫度升高而降低。

（2）溫度較高時，隨著剪切速率上升，剪切應力降低幅度變小。

（3）在測試溫度范圍內，剪切速率越高，剪切應力越大，流體模型沒有發生明顯變化。

由圖4可以看出：

（1）在測試溫度范圍內，低剪切速率下，表觀粘度較高。

（2）溫度較高時，隨著剪切速率上升，表觀粘度降低幅度變小。在溫度高于70℃的條件下，剪切速率大于500S-1時，表觀粘度趨于穩定。在不高于110℃條件下，表觀粘度最低為50mPa.s，能很好滿足鉆井液攜帶巖屑能力。

4 根據流變方程預測表觀粘度方法建立及分析應用

如何通過井口鉆井液的表觀粘度快速預測得到井下某一深度（溫度）鉆井液的表觀粘度,對于安全快速鉆井具有重大意義，尤其是超深井鉆井。

4.1 流變方程預測表觀粘度方法建立

根據上述實驗數據的分析，在一定的溫度范圍內，鉆井液保持塑性流體的特點。據資料顯示，當壓力一定時，塑性流體的表觀粘度對數與溫度的倒數成較好的線性關系，即：

式（3）、（4）中的a、T0均由實驗確定。

4.2 鉆井液表觀粘度-溫度方程建立與準確度評價

根據式（3），用線性回歸方法求出常數a=66.917，b=4.0447。帶入式（3），得出長2-29井鉆井液粘度-溫度方程：

用式（5）預測長2-29井不同溫度下的表觀粘度（剪切速率為170S-1），并與測量值對比，不同溫度表觀粘度實測、預測結果誤差分析。預測值和測量值吻合較好，相對誤差在5.0%以內，能夠基本滿足鉆井現場表觀粘度預測準確度的要求，表明建立的預測模型可用。

5 結語

5.1 利用RS6000流變儀測試酒東油田長2-29井鉆井液不同溫度下的流變性能，實驗結果表明：在測試溫度范圍內，相同剪切速率下，剪切應力隨著溫度升高而降低，溫度較高時，隨著剪切速率上升，剪切應力降低幅度變小；剪切速率越高，剪切應力越大，流體模型沒有發生明顯變化。

5.2 溫度對鉆井液表觀粘度有較大的影響，低剪切速率下，表觀粘度較高。溫度較高時，隨著剪切速率上升，表觀粘度降低幅度變小。在溫度高于70℃的條件下，剪切速率大于500S-1時，表觀粘度趨于穩定。

5.3 所建立的長2-29井粘度-溫度流變方程能夠比較準確的描述鉆井液在井下不同溫度段的表觀粘度的變化。

[1]鄢捷年鉆井液工藝學石油大學出版社.

[2]王富華，王瑞和等，高密度水基鉆井液高溫高壓流變性研究，石油學報，2010年3月.