張 超 韓 成 黃凱文 魏安超 許發(fā)賓

(中海石油(中國(guó))有限公司湛江分公司 廣東 湛江 524057)

0 引 言

隨著石油勘探開發(fā)向著深層發(fā)展，將會(huì)鉆遇到更多復(fù)雜地層，鉆井液流變性能的控制與維持問題日益突出。鉆井液的流變性關(guān)系到井眼清潔、攜巖性能、保持井眼規(guī)則。為確保深井、超深井的安全鉆進(jìn)，準(zhǔn)確測(cè)量鉆井液的流變性能顯得十分重要。本文分析了鉆井液流變性測(cè)量過程中的影響因素，總結(jié)了鉆井液用流變儀研究進(jìn)展。

1 流變儀測(cè)量影響因素

1.1 末端效應(yīng)

鉆井液常用的流變儀一般為同軸圓筒(Couette)旋轉(zhuǎn)流變儀。末端效應(yīng)就是待測(cè)流體作用于懸垂端面造成的附加黏性力矩，其作用相當(dāng)于延長(zhǎng)懸垂一定的長(zhǎng)度。鉆井液常用的六速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)懸垂設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為38 mm，Kelessidis 通過計(jì)算流體對(duì)懸垂底部端面、上部圓錐部分、懸垂固定桿作用的力矩，分別相當(dāng)于作用在長(zhǎng)度為0.162 mm、1.724 mm、0.655 mm 的圓柱懸垂產(chǎn)生的力矩［1］。目前定量研究鉆井液用的流變儀測(cè)量產(chǎn)生的末端效應(yīng)研究較少。Gucuyener 針對(duì)懸垂端部幾何設(shè)計(jì)做過研究，結(jié)果表明懸垂底部中空或是懸垂上下端面均為圓錐形的，測(cè)試結(jié)果誤差均較大［2］。Kelessidis 用六速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)量非牛頓流體流變性時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)懸垂底部與測(cè)試杯底的間距小于API 標(biāo)準(zhǔn)距離28.2 mm 時(shí)，隨著間距的減小，剪切應(yīng)力顯著增大，即末端效應(yīng)較為嚴(yán)重［1］。

1.2 二次流與湍流

同軸圓筒旋轉(zhuǎn)流變儀基于Couette 流假設(shè)設(shè)計(jì)的，Couette 流假設(shè)流體為等溫穩(wěn)定的平面層流，并且忽略流體重力及端部效應(yīng)影響。這些假設(shè)與含固相顆粒的鉆井液區(qū)別較大，懸垂轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中固相顆粒撞擊內(nèi)筒，會(huì)導(dǎo)致不穩(wěn)定的扭轉(zhuǎn)。此外，當(dāng)外筒繞著內(nèi)筒旋轉(zhuǎn)，流體慣性會(huì)導(dǎo)致一個(gè)較小的軸對(duì)稱的二次流或湍流，因此會(huì)消耗一部分能量使得扭矩增大，因而測(cè)量的表觀粘度也會(huì)增大［3、4］。

1.3 壁面滑移

壁面滑移是指流體與固體表面之間存在相對(duì)切向運(yùn)動(dòng)速度，影響待測(cè)液流變測(cè)量的準(zhǔn)確性［5］。一般鉆井液流變儀忽略壁面滑移的影響，但是在測(cè)量泡沫鉆井液、高密度水基鉆井液流變性時(shí)，存在較為嚴(yán)重的壁面滑移現(xiàn)象。泡沫鉆井液循環(huán)時(shí)，管壁剪切應(yīng)力較大，壁面處液膜的水在剪切作用下析出，該液層內(nèi)存在較大的速度梯度，產(chǎn)生壁面滑移，導(dǎo)致測(cè)量值不能真實(shí)反映泡沫內(nèi)部的實(shí)際剪切形態(tài)。Wang 通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)高密度水基鉆井液的壁面滑移速度與壁面剪切應(yīng)力呈線性關(guān)系，當(dāng)壁面剪切應(yīng)力大于某一臨界值后滑移才發(fā)生，而高密度水基鉆井液壁面滑移的臨界剪切應(yīng)力很小，因而容易出現(xiàn)壁面滑移現(xiàn)象［6］。并且通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)增大懸垂壁面的粗糙度，可在一定程度上抑制滑移的發(fā)生。

1.4 粘性發(fā)熱

粘性發(fā)熱由于粘性阻力做功而轉(zhuǎn)化為熱并滯留于流體中，致使其溫度升高，從而影響流變性的測(cè)量［7］。粘性發(fā)熱引起的升溫與鉆井液的粘度、體積、轉(zhuǎn)速、測(cè)量間隙寬度、測(cè)試時(shí)間等有關(guān)。減小粘性發(fā)熱對(duì)測(cè)量結(jié)果影響的主要辦法有對(duì)外圓筒控溫，減少測(cè)量間隙寬度、減小轉(zhuǎn)速及縮測(cè)量時(shí)間等。

2 傳統(tǒng)鉆井液流變儀

2.1 漏斗粘度計(jì)

漏斗粘度計(jì)操作簡(jiǎn)單，是現(xiàn)場(chǎng)鉆井液性能測(cè)量常用的工具。漏斗粘度計(jì)測(cè)量鉆井液流動(dòng)時(shí)間來判斷流動(dòng)性能，雖然反映了液體的流動(dòng)性能，但并不能反映液體的流變性能［8］。

Matthew 把馬氏漏斗測(cè)量的體積與時(shí)間的關(guān)系轉(zhuǎn)化成剩余高度與時(shí)間的關(guān)系［9］，然后應(yīng)用物質(zhì)平衡方程及哈根-泊肅葉方程，計(jì)算出所測(cè)流體的粘度、切力的表達(dá)式。Chandan 根據(jù)馬氏漏斗的幾何尺寸計(jì)算出測(cè)量流體時(shí)的壁面剪切應(yīng)力及剪切速率［10］，更能客觀反應(yīng)流體在低剪切速率下的粘度變化，并且相對(duì)于六速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)得到的數(shù)據(jù)點(diǎn)多。還可通過殘留在馬氏漏斗粘度計(jì)管嘴的高度可計(jì)算出鉆井液的動(dòng)切力，具有較高的測(cè)量精度。

2.2 六速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)

六速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)是鉆井液流變性能測(cè)試最常用的工具。待測(cè)流體處于懸垂和轉(zhuǎn)筒之間的環(huán)形空間內(nèi)，對(duì)于每一個(gè)固定的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)筒都是以恒定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)筒帶動(dòng)流體作用于懸垂，產(chǎn)生一個(gè)扭矩，使得同彈簧連接的定子旋轉(zhuǎn)了一個(gè)相應(yīng)角度，反應(yīng)到刻度盤上為指針指示的讀數(shù)，通過合適的計(jì)算公式計(jì)算可切力、流性指數(shù)和稠度系數(shù)等一系列技術(shù)參數(shù)。

但是由于鉆井液在六速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)同心圓柱中分布不均勻，因而剪切速率難以直接給出。Bourgoyne 和Apelblat 分別根據(jù)六速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)［11、12］，剪切速率關(guān)于剪切應(yīng)力的泰勒級(jí)數(shù)展開式的前兩項(xiàng)、前三項(xiàng)，計(jì)算不同轉(zhuǎn)速下的剪切速率，分別如方程(1)、方程(2)所示。

Vineet 針對(duì)同軸圓筒粘度計(jì)測(cè)量穩(wěn)定等溫線性層流流體［13］，提出剪切速率計(jì)算公式，如方程(3)所示。并且通過對(duì)比四種非牛頓流體的流變性測(cè)試結(jié)果，結(jié)果顯示較方程(1)、(2)計(jì)算結(jié)果更加精確。

其中N 為六速粘度計(jì)轉(zhuǎn)速，r/min;m 為鉆井液流性指數(shù)。

3 高溫高壓/低溫高壓鉆井液流變儀

3.1 高溫高壓流變儀

隨著國(guó)內(nèi)油氣田勘探開發(fā)的不斷深入，深井、超深井鉆井?dāng)?shù)量持續(xù)增加。深井、超深井地層復(fù)雜，井下溫度壓力高，準(zhǔn)確測(cè)量鉆井液高溫高壓流變性顯得非常重要。

美國(guó)Fann 公司長(zhǎng)期致力于鉆井液用高溫高壓流變儀的開發(fā)。主要產(chǎn)品有早期的Fann 50C/Fann 50SL 型高溫高壓流變儀和近期的Fann 70/Fann 75 型高溫高壓流變儀。Fann 50SL 流變儀工作原理:鉆井液在由兩個(gè)圓筒組成的環(huán)狀間隙里，外筒以一定的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)環(huán)形孔間隙內(nèi)鉆井液跟著旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生一個(gè)扭矩，使得內(nèi)筒轉(zhuǎn)過一個(gè)角度，測(cè)量這一角度，即可確定剪切應(yīng)力值。

Fann 75 和Fann 70 是Fann 公司較為成熟的高溫高壓流變儀。壓力由程序控制高壓液壓泵加壓，整機(jī)既可單獨(dú)工作，又可與計(jì)算機(jī)相連，F(xiàn)ann 公司設(shè)計(jì)的軟件實(shí)現(xiàn)了對(duì)壓力、溫度和馬達(dá)速度的全自動(dòng)控制及對(duì)數(shù)據(jù)的全面處理以得到最終結(jié)果。并且Fann 75 型流變儀體積小巧，既可用于實(shí)驗(yàn)室，又可用鉆井現(xiàn)場(chǎng)［14］。

美國(guó)Grace 公司也專門設(shè)計(jì)生產(chǎn)鉆井液用高溫高壓流變性測(cè)量的流變儀，主要產(chǎn)品有M7400、M7500、M7600。其中M7600 型極高溫高壓全自動(dòng)流變儀，測(cè)試溫度最高可達(dá)316 ℃，壓力最高可達(dá)276 MPa，是目前國(guó)內(nèi)外測(cè)試壓力和溫度最高的流變儀，其在墨西哥灣高溫高壓井鉆井液流變性測(cè)試得到成功應(yīng)用［15］。

3.2 低溫高壓流變儀

隨著世界能源需求的不斷增長(zhǎng)，石油的勘探開發(fā)不斷向海洋深處拓展，根據(jù)一份關(guān)于海洋極端井況油氣井的報(bào)告顯示，自1982 至2012 年的30 年間，各作業(yè)公司在全球共鉆了415 口海上高溫高壓井。而根據(jù)預(yù)測(cè)，近海極端井?dāng)?shù)量在十年內(nèi)就將增加兩倍。

海洋高溫高壓井使用的鉆井液必須要經(jīng)歷低溫環(huán)境，這種特殊的低溫高壓環(huán)境給鉆井液流變性測(cè)量帶來諸多挑戰(zhàn)。室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)用于評(píng)價(jià)鉆井液流變特性的流變儀但都存在一定的局限性。比廣泛應(yīng)用的ZNN-6 型六速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)只適用于室溫常壓條件下流變性的測(cè)定;Fann 50 高溫高壓流變儀可用于測(cè)定高溫高壓條件下鉆井液的流變參數(shù)，但無法實(shí)現(xiàn)低溫條件鉆井液流變性的測(cè)定。

OFITE 公司研制生產(chǎn)了全自動(dòng)高溫高壓流變儀，該流變儀的測(cè)試系統(tǒng)壓力達(dá)207 MPa，溫度最高至260℃的條件，并且制冷系統(tǒng)可使測(cè)試溫度低于0℃，剪切速率范圍在0.01 s-1～1700 s-1。根據(jù)剪切力、剪切速率、時(shí)間和溫度等參數(shù)完成鉆井液等溶液的流變特性測(cè)定。進(jìn)一步增加了全自動(dòng)高溫高壓流變儀的應(yīng)用范疇。

美國(guó)Fann 公司也推出了FanIX77 型全自動(dòng)鉆井液流變儀，與ZNN-6 型六速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)的測(cè)量原理相似，不同的是，F(xiàn)anIX77 型全自動(dòng)鉆井液流變儀采用特殊的磁敏傳感器測(cè)量扭矩組合的磁轉(zhuǎn)角來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，大大提高了數(shù)據(jù)的精確性。使用外接冷凝裝置，通過向測(cè)試體和加熱套之間的間隙均勻噴射毛細(xì)管狀的冷凝液，并由加熱套底部返回冷凝裝置，整個(gè)冷凝過程在密閉空間內(nèi)進(jìn)行，確保溫度不隨時(shí)間波動(dòng)或者波動(dòng)小(0.5℃)。該裝置能夠模擬深水鉆井中的低溫條件，測(cè)試溫度最低可達(dá)到-10℃，粘度測(cè)量范圍為0 ～360 mPa·s，測(cè)試樣品約為160 mL。

美國(guó)Grace 公司M7500 型超高/低溫高壓鉆井液流變儀，它主要由型號(hào)為Neslab RTE-7 型冷卻循環(huán)器，高壓釜體、程序控制系統(tǒng)和電腦等組成。流變儀的最高測(cè)量溫度為260℃，最低溫度-20℃。M7500 型超高/低溫高壓鉆井液流變儀利用軟件精確控制試驗(yàn)所需的溫度、壓力和轉(zhuǎn)速，溫度的精確度可以控制在±0.01℃，這避免了粘性發(fā)熱對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。其工作原理同其他旋轉(zhuǎn)式流變儀相同，測(cè)量的流變數(shù)據(jù)可以與其他流變儀測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，符合API 標(biāo)準(zhǔn)［16］。

4 泡沫流變儀

近年由于泡沫鉆井液具有提高鉆速、儲(chǔ)層損害小等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用越來越廣泛。但是泡沫是一種低密度、可壓縮性、熱不穩(wěn)定流體，流變學(xué)是相當(dāng)復(fù)雜的。泡沫粘度的測(cè)量不能簡(jiǎn)單地應(yīng)用旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)，主要因?yàn)樵诟呒羟兴俾氏乱合嗪苋菀妆浑x心出來，除此泡沫的產(chǎn)生及質(zhì)量控制、氣泡聚集及析水、壁面滑移及軸流效應(yīng)都導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果的誤差［17］。

Affonso 和Rojas 通過管式粘度計(jì)的不銹鋼管道后摩擦壓降、體積流率，間接研究泡沫鉆井液流變性能，避開旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)產(chǎn)生導(dǎo)致的壁面滑移的影響［18、19］。然后根據(jù)Oldroyd-Jastrzebski 模型，假設(shè)滑移速度與壁面剪切應(yīng)力成正比τw，與管道直徑D 成反比，引入壁面滑移系數(shù)βc，則有真實(shí)剪切速率γ真與實(shí)測(cè)剪切速率γ測(cè)之間的關(guān)系為，

根據(jù)方程(4)，繪制γ測(cè)與1/D2的關(guān)系曲線，曲線在縱軸上的截距即為消除滑移后的真實(shí)剪切速率γ真。盡管Oldroyd-Jastrzebski 模型可以修正泡沫的壁面滑移，但是該方法需要建立較復(fù)雜的管流測(cè)試裝置，計(jì)算也較為復(fù)雜。

5 結(jié)束語(yǔ)

鉆井液流變性測(cè)量的影響因素較多，應(yīng)盡量避免這些因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。目前鉆井液用流變儀測(cè)量過程基本都是單點(diǎn)測(cè)量，隨著鉆井液技術(shù)的不斷發(fā)展，要求鉆井液用流變儀的測(cè)量過程更能真實(shí)地反映鉆井液井底溫度和壓力條件下的流變性，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)多點(diǎn)測(cè)量。同時(shí)鉆井液用流變儀要進(jìn)一步提高測(cè)試溫度和壓力，提高現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用能力。泡沫鉆井液作為一種特殊的流體，亟需研制測(cè)量泡沫鉆井液流變性的專用流變儀。

［1］V C Kelessidis，R Maglione，G Bandelis. On the end -effect correction for Couette type oil - field direct - indicating viscometers for Newtonian and non -Newtonian fluids［J］.Journal of Petroleum Science and Engineering，2010，71:37 -46.

［2］Gucuyener I H，Kok M V，Batmaz T.End effect evaluation in rheological measurement of drilling fluid using Coutte coaxial cylinder viscometer［J］. Energy Sources，2002，25(5):441-449.

［3］Hua Shu Dou，Boo Cheong Khoo，Khoon Seng Yeo.Instability of Taylor-Couette flow between concentric rotating cylinders［J］.International Journal of Thermal Sciences，2008，47:1422-1435.

［4］C M Gassa Feugaing，O Crumeyrolle，K S Yang. Destabilization of the Couette-Taylor flow by modulation of the inner cylinder rotation［J］. European Journal of Mechanics B/Fluids，2014，44:82 -87.

［5］Kalyon D M.Apparent slip and viscoplasticity of concentrated suspensions［J］. Journal of Rheology，2005，49 (3):621-640.

［6］G Wang，X L Pu.Rheology of High-Density Drilling Fluids:Wall Slip During Viscosity Measurement［J］. Petroleum Science and Technology，2011，29(22):2321 -2328.

［7］Kai - Uwe Hess，Benoit Cordonnier，Yan Lavallée. Viscous heating in rhyolite:An in situ experimental determination［J］.Earth and Planetary Science Letters，2008，275:121-126.

［8］M J Pitt.The Marsh Funnel and drilling Fluid Vicosity:A New Equation for Field Use［R］. SPE Drilling and Completion，SPE 62020，2000.

［9］Matthew T Balhoff，Larry W Lake，Paul M Bommer，et al.Rheological and yield stress measurements of non-Newtonian fluids using a Marsh Funne［J］.Journal of Petroleum Science and Engineering，2011，77:393 -402.

［10］Chandan Gurian，Rajesh Kumar，Prakash Mishra.Rheological analysis of drilling fluid using Marsh Funnel［J］. Journal of Petroleum Science and Engineering，2013，105:62 -69.

［11］Bourgoyne Jr，A T Chenevert，M E Millheim，et al. Applied drilling engineering［M］.SPE Text book Series，1991.

［12］Apelblat A，Healy J C，Joly M.Shear rate in the Couette viscometer with an arrow annular gap between cylinders:A new approximate formula［J］.Rheol. Acta 1975，14:976 -978.

［13］Vineet Kumar，Chandan Guria. An improved shear rate estimation using rotating coaxial cylinder Fann viscometer［J］.Journal of Petroleum Science and Engineering，2013，110:162 -168.

［14］Bahri Kutlu.Rheological Properties of Drilling Fluids Mixed with Lightweight Solid Additives［J］.SPE 167619，2013.

［15］William Gusler，Marvin Pless，Jason Maxey.A New Extreme-HP/HT Viscometer for New Drilling - Fluid Challenges［R］.SPE 99009，2007.

［16］Mahmood Amani，Mohammed Al -Jubouri.An Experimental Investigation of the Effects of Ultra - High Pressure and Temperature on the Rheological Properties of Water -Based Drilling Fluids［R］.2012，SPE 157219.

［17］Benjamin Herzhafta，Sarkis Kakadjian，Michel Moan. Measurement and modeling of the flow behavior of aqueous foams using a recirculating pipe rheometer［J］. Colloids and Surfaces A:Physicochem. Eng. Aspects，2005，23:153 -164.

［18］Affonso M.F Louren?o，Stefan Z Miska，Troy D Reed，et al.Study of the Effects of Pressure and Temperature on the Viscosity of Drilling Foams and Frictional Pressure Losses［J］.SPE 84175，2004.

［19］Y Rojas，S Kakadjian，A Aponte，et al.Stability and Rheological Behavior of Aqueous Foams for Underbalanced Drilling［J］.SPE 64999，2001.