泡沫鉆井液粘度與溫度壓力關系特性研究

 摘要 泡沫鉆井液的粘度是欠平衡鉆井設計中應考慮的主要因素之一。介紹了一種測定泡沫鉆井液粘度與壓力、溫度關系的方法,測定并分析了泡沫鉆井液粘度與壓力、溫度的關系。通過實驗研究表明,泡沫鉆井液的粘度隨壓力的升高先降低后增大,大約在壓力為5~10 MPa時達到最小值;隨溫度的升高先增大后減小,粘度極大值出現的溫度范圍基本在50~70e之間。從氣液表面能和分子間能量變化的角度分析了溫度、壓力影響泡沫鉆井液粘度的原因,在低壓低溫下,表面能是影響鉆井液粘度的主要因素;而在高溫高壓下,分子間能量是影響泡沫鉆井液粘度的主要因素。

 

  關鍵詞:泡沫鉆井液 粘度 溫度 壓力 關系特性方法.

 

  泡沫鉆井液是一種適用于欠平衡鉆井的新型鉆井液,和常規鉆井液相比,它具有密度低、懸浮和攜帶巖屑能力強、靜液柱壓力低、濾失量小、摩阻損失小、助排能力強、抗污染效果好、對油層傷害小等優點,能滿足欠平衡壓力鉆井的需要,且能減少低壓油氣層的損害。因而泡沫鉆井液在欠平衡鉆井中的應用受到重視。粘度是欠平衡壓力鉆井技術設計中要考慮的泡沫鉆井液重要參數之一,溫度和壓力對泡沫鉆井液的粘度影響又較大,對此進行深入研究有較重要的現實意義。

 

  測量原理與方法建立室內試驗方法,測定泡沫鉆井液的粘度與壓力、溫度之間的關系,主要包括:設計測定泡沫鉆井液粘度的裝置;建立測定泡沫鉆井液粘度)壓力)溫度關系的方法;測定泡沫鉆井液粘度與壓力、溫度關系。

 

  11測量原理測量高溫高壓流體粘度的原理是落球法測粘度方法,即在層流條件下,鋼球在光滑盛液標準管中的自由下落與流體的粘度有以下關系。

 

  L=K(Q2-Q1)t(1)式中,L為流體粘度,mPa#s;Q2為鋼球密度,g/cm3;Q1為流體密度,g/cm3;t為鋼球下落時間,s;K為定標常數,K值大小與管徑、管子長度及傾斜角度、鋼球直徑等有關,可由已知粘度的標準液體測出。

 

  21測量裝置根據式(1),粘度的測量主要是小球下落時間的測量,根據電感和電橋電路相關原理,設計制作了如圖1所示的高溫高壓粘度測量裝置[3]。該裝置用防磁不銹鋼制成,兩端有檢測線圈和閥門接頭,接頭中芯是用軟鐵制成的,上面裝有電磁線圈,通電后產生磁力能吸住鋼球,斷電后磁力消失,鋼球可下落。兩端裝有的兩個檢測線圈用來檢測感應信號,用以控制計時器開始或停止計時。溫度由接在外套上的進液口和出液口與超級恒溫水浴的管線相連,有循環液體控制溫度,液溫由溫控器控制。被測液體可通過連接在兩端的高壓活動嘴子進入,高壓管線連接到壓力緩沖罐上,壓力緩沖罐有壓力泵提供壓力,并可測量出打入液體的量。

 

  實際測量時轉動中心管,使鋼球落回到一端,按下電磁鐵按鈕,電磁鐵指示燈亮,將鋼球吸住;將中心管轉動到鋼球在上面時,按下電磁鐵按鈕,燈滅鋼球釋放下落,鋼球經過第一個檢測線圈時開始計時,運動到第二個檢測線圈時停止計時,計時器顯示的時間就是鋼球通過兩個檢測線圈之間的時間。同樣按下電磁鐵按鈕,吸住鋼球,從另一方向進行測量。

 

  測量方法(1)按照勝利石油管理局鉆井技術工程公司提供的原料和配方配制泡沫鉆井液。步驟為:?在容器中加入所需水量;攪拌器調至2檔,將水攪動起來;將干樣品(總質量為水量的5%)按順序,抖動逐漸加入水中,持續攪拌3 h以上。攪拌過程中保證平穩,容器不能振動、移動。泡沫鉆井液攪拌好后,測量可循環泡沫鉆井液在常溫常壓下的密度,該密度為泡沫鉆井液的初始密度。  (2)將一定量的泡沫鉆井液轉入測量裝置,在一定溫度下,調節壓力泵在1~40 Mpa的范圍內改變壓力,測量不同壓力下泡沫鉆井液的粘度。

 

  (3)調節恒溫水浴,使溫度升高10e,待溫度穩定后,測量泡沫鉆井液在不同壓力下的粘度。

 

  (4)重復步驟(3),直到溫度達到90e為止。

 

  實驗結果與分析泡沫鉆井液的粘度與壓力的關系分析不同溫度下粘度隨壓力變化情況可知:溫度一定時泡沫鉆井液的粘度隨壓力增加先降低,當壓力增加到一定值時粘度達到一極小值,而后慢慢地增加。

 

  壓力小于5 MPa時,泡沫鉆井液粘度略有下降,大約在5~10 MPa范圍內粘度達到最小值,接著粘度隨壓力的增加而慢慢增加。

 

  泡沫鉆井液的粘度與溫度的關系在一定壓力下,粘度隨溫度的升高先增大,到達一最大值后又減小;粘度隨溫度的升高達到極大值的轉折點大約在60e左右。分析不同起始密度的泡沫鉆井液的粘度與溫度的關系曲線表明,相同壓力下,泡沫鉆井液的粘度都是隨溫度的升高先增大后減小,只是達到最大值的溫度稍有不同,在所測量的密度變化范圍為0.40~0.70 g/cm3時,粘度極大值出現的溫度范圍基本在50~70e之間。

 

  泡沫鉆井液的粘度特征淺析.

 

  井下條件下鉆井液的流變性能可能與地面環境壓力與溫度下測量的流變性能有很大程度的不同,高溫高壓能以不同的方式影響鉆井液流變性能。就一般流體而言,溫度的升高會減小液相的粘度;壓力的增加會增加液相的密度,從而增加體系的粘度。

 

  然而泡沫鉆井液的粘度變化不符合一般流體的規律,而表現出特有的粘度特性,這主要與泡沫鉆井液的組成有關。泡沫鉆井液是由一定比例的水、粘土顆粒和表面活性劑(發泡劑)與助劑配制成的一種氣、液、固三相分散體系。低壓狀態下,鉆井液中氣泡所占體積較大,氣泡的表面積也較大,而氣液面上的表面張力就較大,表面張力是影響泡沫鉆井液粘度的主要因素,隨著壓力增加氣泡體積減小,表面積減小,表面張力也減小,粘度隨之減小。達到一定壓力后,粘度達到一極小值,隨著壓力的繼續增大,泡沫鉆井液中氣泡已經很小,鉆井液密度增大,液體分子間的作用力為導致粘度變化的主要因素,此時的鉆井液也就像一般流體一樣,粘度隨壓力的上升而增大。

 

  另一方面,隨溫度升高,任何一種電解質的離子活動能力與鉆井液中可溶性鹽的溶解度相關。離子與堿性交換平衡改變了顆粒之間引力與斥力之間的平衡,導致分散程度與絮凝程度之間平衡的改變,這些變化的量值與方向以及它們對鉆井液流變性的影響,隨鉆井液特定的化學性能變化而異。特別是溫度的升高使泡沫鉆井液中的氣泡體積膨脹、表面積增大,表面張力增大導致粘度增大,當粘度達到極大值之后,溫度再繼續升高,液體分子的動能增加大于表面能的增加時,粘度開始隨溫度的升高而下降,粘度隨溫度的變化規律也就像一般流體一樣。

 

  溫度一定時泡沫鉆井液粘度隨壓力的增加先降低,達到一極小值后再緩慢增大,粘度在壓力大約為5~10 MPa時達到最小值,泡沫鉆井液在不同溫度下的壓力-粘度曲線變化趨勢基本相同。

 

  在一定壓力下泡沫鉆井液粘度隨溫度的升高先增大,到達一最大值后又減小,不同壓力的溫度-粘度曲線變化趨勢基本相同,粘度極大值出現的溫度范圍基本在50~70e之間。

 

  從氣液表面能和分子間能量變化分析了溫度、壓力影響泡沫鉆井液粘度的原因,深入地分析還有待于進一步研究。