陳 鋮, 趙素麗, 石秉忠

(中國石油化工股份有限公司石油工程技術研究院 北京 100101)

0 引 言

隨著低壓低滲地層的開發和欠平衡技術的發展，對類似低密度鉆井液、低密度水泥漿等低密度流體的研究越來越多。由于大多數低密度流體都是將氣體引入其中，如充氣、泡沫、加入具有中孔結構的減輕劑等，因此該類型流體在高壓下具有可壓縮性，導致壓力下密度的變化，從而影響鉆井工程作業的準確性。

現有的流體密度測試主要多利用杠桿原理通過密度秤來測定，在常溫常壓下進行，不能反映流體在高溫高壓條件下的真實密度。秦積舜等[1]設計了一種泡沫鉆井液密度測試儀，建立測定泡沫鉆井液密度-壓力-溫度關系的方法，雖然測定和分析了泡沫鉆井液密度與壓力溫度的關系，但是無法表征三者的共同作用，且這是一種完全手動的裝置，無法保證每次測試的平行性，也不具備電腦記錄數據的功能。因此自主開發了一種可壓縮流體密度評價設備，該設備本著操作安全、方便、測試精度高等原則，可用于評價各種可壓縮流體在壓力0～60 MPa，溫度0～150 ℃下密度的變化情況。

1 工作原理及設計

1.1 測試原理

該設備的原理是利用公式ρ=m/V，固定試樣的質量，通過測試體積的變化量，計算出密度的變化，同時通過計算機繪制數據曲線，反映密度的變化情況。

1.2 設計思路

將測試流體裝入固定的釜體當中，釜體下部密封，上部為可移動的活塞，通過活塞密封檢測流體與加壓介質。由于釜體內徑不可變，當可壓縮流體試樣的體積在壓力溫度作用下發生變化時，活塞就會上下移動，活塞上連有活塞桿，內置位移傳感器，活塞位移的變化通過位移傳感器檢測其數值，從而計算出釜體內液體的體積及密度，設備的工作原理如圖1所示。

圖1 可壓縮流體密度測試系統工作原理

由于該設備是高溫高壓設備，需保證操作的安全性，所有管線、油路等封閉在抗壓殼體中，使用時操縱殼體上的閥門即可完成相關實驗，保證實驗操作人員的安全；由于對設備的承壓能力要求很高，釜體厚重，本設計采用固定釜體，方便操作的同時避免釜體變形。

傳統的加壓設備多采用外部對釜體加壓，內外隔絕，傳感器反映的是外部加壓介質的壓力。本設計的活塞桿不是實心的，有一通孔，通過這個通孔可以實現排氣，保證實驗時活塞與流體液面接觸?；钊麠U通孔上方連接壓力傳感器，從而保證測量的壓力為內部試樣壓力，消除了由于活塞和釜體的摩擦對壓力的影響，使測量的壓力更準確。

釜體包裹兩道管路，一路為電加熱管，用于控制釜體溫度；一路為水管線，可通冷凝水為釜體降溫。釜體下方的開口是放液口，下釜蓋可在需要的時候打開。釜體的組成結構如圖2所示。

2 測試實例

2.1 玻璃中空微珠低密度鉆井液密度測試

在配置低密度鉆井液中，經常加入中空玻璃微珠作為減輕劑用于降低鉆井液的密度[2-3],但是在實際鉆進過程中，受高速剪切、碰撞等作用，中空玻璃微珠會發生破碎，內部的空氣釋放，從而造成密度改變。

2.1.1 測試樣的配置

配制低密度鉆井液，在基漿中加入美國3M公司的中空玻璃微珠HGS，試樣配方為：

圖2 釜體的結構示意圖

(2%～3%)膨潤土+ 0.2%NaOH + (1%～2%)CMC + (0.1%～0.2%)XC + 10%HGS

混合體系的初始密度由式(1)計算得出:

(1)

其中，ρ為終密度；m1，m2分別為基漿與中空玻璃微珠的質量；ρ1，ρ2分別為基漿與中空玻璃微珠的密度。

中空玻璃微珠的密度為0.63 g/cm3，基漿密度以1.00 g/cm3計，由(1)式計算得測試液的初始密度為0.95 g/cm3，同時利用密度秤測得密度為0.95 g/cm3，與計算結果相符。

2.1.2 測試步驟

1)將上述測試液體倒入釜體，放入活塞至接觸頁面，擰緊釜蓋；

2)活塞上部連接壓力傳感器，擰緊；隨后放置位移傳感器；

3)打開儀器，設置加溫程序；

4)開啟計算機軟件，輸入樣品的初始密度，開始測試；

5)打開加熱開關，升至指定溫度，并手動加壓至指定壓力。

2.1.3 測試結果

通過計算機觀測密度變化曲線，獲得液體在溫度壓力下的密度變化情況。測得的密度曲線如圖3所示。

由曲線可以得出，溫度從室溫升高到100 ℃，壓力從常壓升高到55 MPa，在溫度和壓力變化過程中，密度曲線基本保持一條直線，有小幅上升，穩定在1.00 g/cm3，這說明在測試液中有部分的中空玻璃微珠發生破碎，按照密度變化，玻璃本體密度以2.6 g/cm3計，算出玻璃微珠破碎率為48.8%。

圖3 玻璃中空微珠鉆井液密度隨溫度壓力變化曲線

2.2 充氣流體密度測試

鉆井中也會用在流體中充氣，形成泡沫的的方法降低流體的密度[4]，但氣體受壓力作用非常敏感，且難以表征其密度變化。利用本儀器也可測試這一類型的流體密度變化情況。

2.2.1 測試樣的配置

配制低密度泡沫鉆井液，試樣配方為：

4%膨潤土 + 0.2%HV-CMC + 0.6%發泡劑 + (0.1%～0.2%)XC；混合體系的初始密度密度由密度秤測出，泡沫鉆井液密度為0.54 g/cm3。

2.2.2 測試步驟

1)將上述測試液體倒入釜體，放入活塞至接觸頁面，擰緊釜蓋；

2)活塞上部連接壓力傳感器，擰緊；隨后放置位移傳感器；

3)打開儀器，設置加溫程序；

4)開啟計算機軟件，輸入樣品的初始密度，開始測試；

5)打開加熱開關，升至指定溫度，并手動加壓至指定壓力。

2.2.3 測試結果

通過計算機觀測密度變化曲線，獲得液體在溫度壓力下的密度變化情況。測得的密度曲線如圖4所示。

由曲線可以得出，溫度從室溫升高到32℃，在溫度小幅升高的情況下，壓力從常壓升高到1 MPa，由于泡沫的抗壓性很差，在溫度和壓力變化過程中，密度曲線快速上升，在短時間內從0.54 g/cm3上升到0.98 g/cm3，穩定在0.98 g/cm3，這說明在測試液中絕大多數的泡沫發生破裂，說明泡沫的抗壓能力遠遠差于玻璃微珠。

圖4 泡沫鉆井液密度隨溫度壓力變化曲線

3 結 論

可壓縮流體密度測試系統，可以測試在壓力下體積可變流體的密度變化情況，與現有設備不同的是，該系統可測定高溫高壓下密度的實時變化情況。通過利用低密度鉆井液體系進行測試，該設備可以準確的反應出密度的變化情況，并生成數據圖表，在低密度鉆井液體系高溫高壓下的密度測試方面，形成了一套準確快速的評價方法。