鉆井液流變性在線檢測(cè)新方法

劉保雙，　王忠杰，　馬云謙，　羅云鳳，　劉尊年，　孫建孟

鉆井液流變性在線檢測(cè)新方法

劉保雙1，王忠杰1，馬云謙1，羅云鳳1，劉尊年2，孫建孟3

（1.勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營(yíng)257017；2.青島理工大學(xué)理學(xué)院，山東青島266520；3.中國(guó)石油大學(xué)（華東）地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東青島266555）

劉保雙等.鉆井液流變性在線檢測(cè)新方法［J］.鉆井液與完井液，2016，34（4）：56-59.

鉆井液流變性是鉆井液的重要性能，自動(dòng)化鉆井需要自動(dòng)化在線測(cè)量流變性參數(shù)。從分析現(xiàn)場(chǎng)鉆井液流變性測(cè)量的技術(shù)現(xiàn)狀和存在問(wèn)題出發(fā)，提出了一種鉆井液流變性實(shí)時(shí)在線測(cè)量新方法，論述了新方法的測(cè)量原理，設(shè)計(jì)了測(cè)量方案，并對(duì)試制的測(cè)量裝置進(jìn)行了室內(nèi)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了所提出測(cè)量新方法和測(cè)量方案的可行性。

鉆井液；流變性；在線測(cè)量；測(cè)量原理；可行性

鉆井液流變性的實(shí)時(shí)測(cè)量和調(diào)整，對(duì)于提高鉆井速度和井下安全具有重要意義，一直深受現(xiàn)場(chǎng)工程師的重視［1］。但是，目前現(xiàn)場(chǎng)一般采用手動(dòng)測(cè)量，這不但增加了鉆井液工程師的工作量，而且資料系統(tǒng)性不強(qiáng)、可比性差，所以實(shí)現(xiàn)鉆井液流變性的自動(dòng)化在線測(cè)量至關(guān)重要，而且也很有意義［2］。首先，可以實(shí)時(shí)反映井下狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理井下異常情況，減少鉆井事故發(fā)生，降低鉆井總成本。其次，有利于實(shí)現(xiàn)鉆井液流變性的連續(xù)記錄，可以提高數(shù)據(jù)的系統(tǒng)性和可靠性，從而提高勘探開發(fā)效果。第三，有利于數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳，及時(shí)為專家決策提供依據(jù)。另外，可以改善現(xiàn)場(chǎng)人員的工作環(huán)境，保障石油礦場(chǎng)安全。

1　傳統(tǒng)方法的局限性

鉆井液流變性的傳統(tǒng)測(cè)量方法大致有2種：旋轉(zhuǎn)法和管流法。

旋轉(zhuǎn)法是目前現(xiàn)場(chǎng)鉆井液流變性測(cè)量最常用的方法，旋轉(zhuǎn)法測(cè)量原理科學(xué)，適用范圍寬，測(cè)量方便。2008年，Saasen A［3］等人采用旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)原理，通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)外筒轉(zhuǎn)速來(lái)測(cè)定不同速度梯度下的切應(yīng)力，以實(shí)現(xiàn)鉆井液流變性的自動(dòng)測(cè)量。但是改變并穩(wěn)定轉(zhuǎn)速需要一定的時(shí)間，難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、連續(xù)測(cè)量。而且旋轉(zhuǎn)流變儀內(nèi)外筒之間的間隙狹小，外界鉆井液流變性發(fā)生變化時(shí)，內(nèi)外筒之間狹小間隙內(nèi)的鉆井液與外界交換需要一定時(shí)間，致使測(cè)量產(chǎn)生一些滯后，無(wú)法真正實(shí)現(xiàn)流變性的實(shí)時(shí)在線測(cè)量。

管流法也是測(cè)量流變性的一種常用方法。但是，傳統(tǒng)的管流法用來(lái)實(shí)現(xiàn)鉆井液流變性在線測(cè)量具有以下局限性：①傳統(tǒng)的毛細(xì)管法測(cè)量流體黏度，或采用恒流法或采用恒壓法，只能測(cè)定一個(gè)切應(yīng)力下的速度梯度，所以難以實(shí)時(shí)連續(xù)測(cè)量鉆井液的流變性；②傳統(tǒng)毛細(xì)管流變儀斷面一般為圓形，這樣既容易造成鉆井液堵塞管道，又不利于壓力儀表的安裝；③壓力傳感器一般安裝在管子兩端，容易導(dǎo)致端邊效應(yīng)和動(dòng)能影響等問(wèn)題；④壓力傳感器引壓孔太細(xì)，測(cè)量觸變性流體會(huì)降低壓力傳感器的靈敏度；⑤壓力傳感器與毛細(xì)管壁的連接處，易影響流動(dòng)，造成壓力測(cè)量不準(zhǔn)。

綜上所述，旋轉(zhuǎn)流變儀和管流法基本都是手動(dòng)測(cè)量?jī)x器，取樣、測(cè)量時(shí)間較長(zhǎng)，只能定時(shí)單點(diǎn)測(cè)量，實(shí)現(xiàn)流變性的實(shí)時(shí)在線測(cè)量具有一定局限性。

2　在線檢測(cè)新方法研究

2.1測(cè)量原理

針對(duì)傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)和管式流變儀存在的問(wèn)題，提出了一種基于管流法的鉆井液流變性在線測(cè)量新方法。在線測(cè)量新方法的改進(jìn)思路如下：①采用改變流道斷面的形狀和面積方法改變速度梯度；②采用流道斷面為平橢圓環(huán)或矩形的毛細(xì)管；③采用平面膜差壓傳感器測(cè)量流體通過(guò)管道的壓力降；④管道中的兩個(gè)測(cè)壓點(diǎn)布置在距離管端一定距離的管壁上，以便消除端邊效應(yīng)和動(dòng)能變化對(duì)壓力測(cè)量的影響；⑤方案設(shè)計(jì)上還考慮了鉆井液的阻塞、沉降和流態(tài)控制等問(wèn)題。

對(duì)于管式流變儀的測(cè)量原理已經(jīng)有大量的參考文獻(xiàn)［4-11］，這里不再贅述，只討論矩形斷面管流變儀原理［12］。

設(shè)矩形斷面的寬度為b，高度為h，2個(gè)測(cè)壓點(diǎn)之間的距離為L(zhǎng)，如圖1所示。

根據(jù)文獻(xiàn)［12］的研究結(jié)果，管壁處作用在流體上的剪切應(yīng)力

式中：τw為管壁處作用在流體上的剪切應(yīng)力，Pa；△p為流經(jīng)長(zhǎng)度L的流動(dòng)壓降，Pa；h為矩形斷面管高度，m；L為2個(gè)測(cè)壓點(diǎn)之間的距離，m。

壁面處的剪切速率為：

式中，γw為管壁處的速度梯度，s-1；Q為流經(jīng)矩形斷面的流量，m3/s；b為矩形斷面的寬度，m。

采用串聯(lián)2個(gè)寬度b分別為b1和b2，高度均為h，測(cè)壓點(diǎn)之間的距離均為L(zhǎng)的矩形斷面管，2管的壓力損耗分別為△p1和△p2，那么管1和管2管壁處的剪切應(yīng)力分別為：

式中：τ1、τ2分別為管1和管2管壁處作用在流體上的剪切應(yīng)力，Pa；△p1、△p2分別為流經(jīng)管1和管2長(zhǎng)度L的流動(dòng)壓降，Pa。

管1和管2管壁處的速度梯度分別為：

式中：γ1、γ2分別為管1和管2管壁處的速度梯度，s-1；b1、b2分別為管1和管2矩形斷面的寬度，m；n為無(wú)因次；

得出了2個(gè)速度梯度下的切應(yīng)力值，則可通過(guò)賓漢模式計(jì)算出塑性黏度、動(dòng)切力和表觀黏度，根據(jù)冪律模型計(jì)算出流性指數(shù)和稠度系數(shù)。原則上，該儀器通過(guò)靜止10 s和10 min后，小流量開泵，可測(cè)量靜切應(yīng)力，但不能連續(xù)測(cè)量、記錄靜切應(yīng)力。

2.2在線檢測(cè)裝置試制方案

在線檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)采用管道式結(jié)構(gòu)，如圖2所示，具體試制方案有以下幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：①用裝有入口過(guò)濾器的立式螺桿泵，把從井口流出的經(jīng)振動(dòng)篩過(guò)濾的鉆井液，以一定的流速注入儀器內(nèi)；②鉆井液以恒定的流量進(jìn)入流量計(jì)，流量計(jì)將流量信號(hào)傳送給微型計(jì)算機(jī)；③鉆井液以恒定的流量進(jìn)入矩形斷面管Ⅰ，用一套平面膜差壓傳感器測(cè)定通過(guò)一定管程的壓力損耗，把差壓信號(hào)送入微型計(jì)算機(jī)；④鉆井液以恒定的流量進(jìn)入矩形斷面管Ⅱ，用一套平面膜差壓傳感器測(cè)定通過(guò)一定管程的壓力損耗，把壓力信號(hào)送入微型計(jì)算機(jī)；⑤根據(jù)這些輸入和矩形斷面管的尺寸，連續(xù)計(jì)算并記錄鉆井液流變性。

圖2　鉆井液流變性在線檢測(cè)儀結(jié)構(gòu)

3　在線檢測(cè)儀樣機(jī)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究

3.1精密度和準(zhǔn)確度實(shí)驗(yàn)

配制5%膨潤(rùn)土漿，對(duì)研制的鉆井液流變性在線檢測(cè)儀樣機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，鉆井液流變性—時(shí)間曲線如圖3所示。

圖3　鉆井液流變性實(shí)時(shí)記錄曲線

同時(shí)，取鉆井液樣品，用旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)試，并將2種方法測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，結(jié)果見表1。由表1可以看出，樣機(jī)的測(cè)量精密度和誤差都在可以接受的范圍之內(nèi)。

3.2實(shí)時(shí)在線檢測(cè)能力實(shí)驗(yàn)

配制密度為1.03 g/cm3的5%膨潤(rùn)土漿，水化24 h后，次日9:40開始用鉆井液流變性在線檢測(cè)裝置測(cè)試鉆井液基漿的流變性能；10：00加入0.1%的聚丙烯酰胺膠液，發(fā)現(xiàn)鉆井液的表觀黏度、塑性黏度和動(dòng)切應(yīng)力迅速上升；10:39加入0.1%的聚丙烯腈銨鹽，發(fā)現(xiàn)鉆井液表觀黏度、塑性黏度和動(dòng)切應(yīng)力迅速下降，最后趨于穩(wěn)定；然后分5次加入XC，每一次加入，鉆井液的表觀黏度和動(dòng)切應(yīng)力都會(huì)有一些上升，塑性黏度變化較小，結(jié)果如圖4所示。

表1　鉆井液流變參數(shù)的精密度和準(zhǔn)確度測(cè)試結(jié)果

同時(shí)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不斷取鉆井液樣品用旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)量，即手動(dòng)測(cè)量。由圖4可以看出，儀器可以實(shí)時(shí)測(cè)量鉆井液流變性能，并連續(xù)記錄鉆井液的流變性能的變化過(guò)程，其測(cè)量結(jié)果與手動(dòng)測(cè)量結(jié)果相比，基本一致，誤差很小。

圖4　鉆井液處理過(guò)程中鉆井液流變性變化實(shí)時(shí)記錄

4　結(jié)論與認(rèn)識(shí)

1.根據(jù)鉆井流變性在線檢測(cè)新方法研制的測(cè)量裝置樣機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)鉆井液表觀黏度、塑性黏度、動(dòng)切力等流變性參數(shù)的實(shí)時(shí)測(cè)量、連續(xù)記錄和自動(dòng)運(yùn)行，儀器性能可靠、準(zhǔn)確度高，與旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)相比，表觀黏度和塑性黏度誤差小于0.5 mPa·s。

2.樣機(jī)的室內(nèi)測(cè)試實(shí)驗(yàn)證明，提出的鉆井流變性在線測(cè)量新方法是可行的，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用發(fā)展前景較好，具有進(jìn)一步研究開發(fā)的價(jià)值。

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New Method of Online Measurement of Drilling Fluid Rheology

LIU Baoshuang1， WANG Zhongjie1， MA Yunqian1， LUO Yunfeng1， LIU Zunnian2， SUN Jianmeng3
（1.Drilling Technology Research Institute of Shengli Petroleum Engineering Ltd.， Dongying， Shandong 257017；2.School of Science， Qingdao Technological University， Qingdao， Shandong 266520；3.School of Geosciences， China University of Petroleum （East China）， Qingdao， Shandong 266555）

Drilling fluid rheology is an important property of drilling fluid， the measurement of which in automatic drilling needs to be automatic. A new method of online real-time measurement of drilling fluid rheology has been proposed through the analyses of the status-quo and the problems encountered in field operation of rheology measurement. In this paper the principles of the new method are discussed， and a measurement scheme is proposed. The designed measurement apparatus was evaluated in laboratory， demonstrating the feasibility of the new method and the measurement scheme.

Drilling fluid； Rheology； Online measurement； Measuring principle； Feasibility

TE254.3

A

1001-5620（2016）04-0056-04

10.3696/j.issn.1001-5620.2016.04.011

國(guó)家863課題“錄井鉆井液參數(shù)檢測(cè)技術(shù)與裝備”（2013AA064702）資助；國(guó)家科技重大專項(xiàng)“非常規(guī)油氣鉆井關(guān)鍵自動(dòng)化工具儀器研制”（2016ZX05022-006）。

劉保雙，高級(jí)工程師，1963年生，現(xiàn)在從事鉆井液方面的研究工作。電話 13561018763；E-mail：liubaoshuang.slyt@sinopec.com。

（2016-4-9；HGF=1604F1；編輯付玥穎）