提高鉆井液粘度在線測量精度的標準化措施探索

盧齊 龐東曉 聶秋露

摘 要：隨著數字鉆井技術的發展，基于傳感器技術的鉆井液粘度在線檢測設備應運而生。然而現行標準僅對鉆井液性能人工檢測方法進行了規范，其測量方法及內容、HSE相關要求等內容已不滿足以自動化傳感器為核心的鉆井液性能在線檢測的基本要求。目前聚焦于提高鉆井液粘度在線檢測精度和重復性的標準化措施研究尚屬空白。本文通過對檢測方法優選，檢測條件因素分析等方面開展研究，旨在提高粘度測量結果精確性，對鉆井液粘度在線計量技術標準化體系建立具有積極意義。

關鍵詞：鉆井液，粘度，在線測量，精度，標準化，探索

鉆井液是由粘土、水和一些無機或有機化學處理劑通過攪拌而成的成分復雜的懸浮液與膠體溶液的混合物，是一種具有剪切稀釋特性的時間獨立性非牛頓流體系統[1]。在鉆井工程領域鉆井液常被稱作鉆井的“血液”，其粘度性能與攜巖能力、井眼清潔、井壁穩定等息息相關，及時、準確地獲取鉆井液綜合性能參數是井筒水力學、鉆柱動力學分析的前提和基礎，對于預測鉆頭托壓、卡鉆等井下復雜情況，降低鉆井NPT，縮短完鉆周期，保障鉆井安全起著重要作用[2]。在全球工業4.0革命浪潮影響下，石油工業的數字化、信息化轉型已經成為必然趨勢，鉆井液粘度檢測技術由人工檢測逐漸發展成為了基于傳感器技術的全自動在線測量技術。

然而，現行鉆井液流變性能檢測標準所規定的為實驗室人工檢測設備，盡管其測量手段已經成熟，并形成了從儀器制造、測量、校準全流程標準化體系。然而，其隨鉆在線粘度性能因其檢測方法、作業環境、測量條件、精度影響因素與室內人工測量存在很大差異，不能將現有標準直接套用。本文將從測量方法優選、加工精度、測量條件等關鍵影響因素開展探索，使其能夠滿足高準確度測量需求，對建立鉆井液粘度在線測量標準化體系具有現實意義。

1 鉆井液粘度在線檢測方法優選

1.1 流管法

1.1.1 測量原理

根據哈根泊肅葉定律，假設毛細管的半徑R，長度L，毛細管兩端的壓力差P，液體在外力的作用下在毛細管中作勻速流動，在穩定流動下，外力與粘滯阻力平衡[3]。將待測液體用恒流泵和緩沖器引入測量管路中，管路為單一直徑的細長圓管或多段變徑管路系統，根據變徑管不同直徑段的流動速度和管徑計算不同直徑管段的速度梯度；或采用通徑一致的直管，通過改變泵的排量改變流速計算速度梯度，通過壓差計檢測變徑管不同直徑段的壓力損耗，計算變徑管不同直徑段的切應力值，即可計算出被測鉆井液的塑性粘度、動切力、流型指數和稠度系數等流變性參數，有如下關系。

2.1.2 同軸度試驗

在現有鉆井液6速標準粘度計上加裝可調定子軸承座，選取ε=0.05，0.08，0.10，0.14開展試驗，確定不同偏心率對檢測結果的影響。試驗選擇國家標準粘度物質GBW13607，20℃時標稱粘度為179.11mPa.s。分別測試300轉、3轉高低兩個轉速下粘度值，試驗結果分析如下。

（1）如表1所示，高轉速、低轉速兩組測量結果與標稱粘度符合率均在95%以上，低轉速組測量總體符合率低于高轉速組，偏心率越大，測量結果的偏差越大。

（2）如圖1所示，低轉速下偏心率0.1和0.14組檢測數據抖動劇烈，測量結果重復性不好。

（3）如圖2所示，偏心率越大測量結果偏低程度越明顯，說明受到的附加阻力矩越大，這與理論分析結果一致。

（4）如圖3所示，偏心率越大，測量結果的離散程度越大，低轉速組中當偏心率為0.14時，測量結果中已經出現一個離散的非點。

2.1.3 儀器加工與裝配精度推薦值

從上述試驗分析可知，在理論計算的許用偏心率范圍內，現有鉆井液用粘度量具測量結果與標準粘度物質符合率均在95%以上，能滿足測量精度要求。然而，試驗結果表明當偏心率ε≥1時，兩組不同轉速下測量結果均出現不同程度的離散，導致儀器重復性下降，尤其是在3轉下測量的25組數據中已經出現一個非點。對于現有依賴人工操作的粘度計來說，出現非點時操作者能夠根據經驗篩選排除，但若進行在線自動化測量，實現智能篩選難度很大，而且會造成數據失真，因此，鉆井液用在線粘度量具加工及裝配偏心率推薦控制在0.1以內。

2.2 測量條件影響因素分析

鉆井液粘度在線檢測應用環境為鉆井工程現場，儀器工作環境，檢測條件和現有人工在實驗室環境下使用的儀器有很大不同。為保證測量精度，有必要對檢測條件、工作環境中的影響因素開展分析，確定適當的在線測量條件，保證儀器精度。

2.2.1 溫度對測量結果的影響

不同于現有鉆井液粘度手動測量量具，在線粘度計一旦開啟將自動連續運行。正常鉆井過程中，返出鉆井液溫度一般在55～90℃。在線粘度計運行期間將一直受到鉆井液熱源持續加熱，此時儀器本身的熱膨脹將不能被忽略。當轉子、定子尺寸受到熱膨脹影響發生變化時，儀器的流場系數f和儀器常數K也將發生變化，將影響測量精度。儀器熱膨脹系數可由式15表示。

其中，α—金屬熱膨脹系數。

以現有不銹鋼材質粘度計為例，模擬現場90℃鉆井液，保溫5小時，選擇國家標準粘度物質GBW13607開展試驗。分別在10min、1小時、2小時、3小時、4小時、5小時測量粘度數據，以10min測量數據為基準，記錄分析結果如下。

（1）如表2，持續加熱5小時，儀器膨脹明顯，因膨脹導致的最大測量誤差為3.5%，與理論計算結果相符合。

（2）如圖4所示，測量的粘度值隨著時間增加逐漸減小，且下降趨勢逐漸平穩，3小時及以后的3個測點粘度值基本一致，說明儀器熱膨脹逐漸趨于穩定。

（3）建議對鉆井液在線檢測量具開展出廠熱膨脹系數標定試驗，繪制熱膨脹系數-溫度-時間曲線，并將其考慮在傳感器模型中。

2.2.2 定子浸沒深度對測量結果的影響

由于現有的鉆井液粘度計采用人工取樣測量的方法，每次取樣量能夠準確控制，同理浸入定子、轉子深度也能精確確定。然而，在線粘度計通常安裝在管道旁路上，進液和出液均為自動控制，管道內液體流動情況受鉆井工況、泵排量等諸多復雜因素制約，若要實現量具運行期間檢測液面高度絕對一致需要額外增加復雜的閥門控制結構及控制算法，同時還將影響系統可靠性。因此，有必要研究浸沒深度對檢測結果的影響規律。

浸沒深度對檢測結果的影響有兩方面：（1）浸沒深度增加相當于增加了定子側面積，增加了粘滯阻力矩，測量結果將比實際值大，然而由于定子桿半徑遠小于定子半徑，由式7可知，這部分附加力矩不足總扭矩的1%，因此，可以忽略。（2）浸沒深度增加將減小端面效應，以現有不銹鋼材質粘度計為例，控制浸沒深度為沒過定子上端面1.5mm，2mm，2.5mm，3mm，4mm，5mm，選擇國家標準粘度物質GBW13607恒溫20℃條件下開展試驗，結果如下。

（1）由表3可知，隨著浸沒深度的增加，測量結果也隨之增大，當浸沒深度小于3mm時，測量結果增幅更為明顯。

（2）當浸沒深度大于3mm時，測量結果逐漸趨于穩定，增加浸沒深度對測量結果影響不大，其原因是增加深度帶來的附加粘滯力矩與端面效應互相作用的結果。

（3）由上述結果可知，在線粘度計不需要精確地控制測量液面高度，只需要保證其浸沒深度始終高于3mm并注意不要溢出或憋壓，并將這部分附加粘滯力矩納入儀器系數即可。

3 結論與建議

針對非鉆井液粘度測量過程復雜和體系不穩定兩個難點，探討各種測量因素對粘度測量結果的影響，建立標準方法，主要得到以下結論。

3.1 旋轉法更適合鉆井液粘度在線測量

流管法測量鉆井液粘度時，層流條件限定最大剪切速率不超過300s-1，不滿足鉆井液粘度測量要求的1022s-1的條件。旋轉法可通過調整測量間隙寬度，改變層流極限角速度，其測量剪切速率范圍遠遠超過鉆井液粘度測量要求，由于其自動化程度高、應用范圍廣、操作簡便、對實驗環境要求相對較低等特點得到廣泛應用［9、10］。旋轉法最為顯著的特點是它能夠設置不同的剪切速率／轉速，能夠對相同材質的材料在不同剪切速率下進行粘度的測量，因此旋轉法被廣泛運用在牛頓流體流變性能和非牛頓流體的粘度測量以及流變行為的研究中。

3.2 偏心率推薦控制在1.0以內

通過試驗驗證，盡管偏心率在1.4以內各轉速下測量結果與標稱值符合率均在95%以上，但試驗表明偏心率超過1時，測量結果重復性降低，尤其是低轉速條件下還容易出現非點，因此，偏心率控制在1.0以內，設備精度更高。

3.3 鉆井液粘度在線檢測設備不能忽略溫度膨脹效應

試驗表明，鉆井液粘度在線檢測設備由于需要長期在高溫環境下連續工作，轉子、定子等關鍵探測結構金屬膨脹發生形變會影響精度，試驗中該效應引發的結果差異達到3%，盡管在模擬90℃環境下3小時后測量數據趨于穩定，但缺乏大量多次重復試驗驗證，因此，強烈建議出廠開展熱膨脹系數標定試驗，繪制熱膨脹系數-溫度-時間曲線，并將其考慮在傳感器模型中。

3.4 測量液面高度對鉆井液粘度在線檢測設備影響較小

由于液面高度產生的附加粘滯力矩和端面效應的共同作用，試驗表明當測量液面高度高于定子上端面3mm以上時，測量結果趨于穩定，因此綜合考慮系統復雜度和制造成本，無須額外增加液面控制設備和算法，精確控制測量液位高度。

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