鄧都都， 趙建剛， 陳延濱， 石 凱， 王 琪， 李 進(jìn)， 許云博， 王雪竹

(北京探礦工程研究所，北京 100083)

Fann 50SL流變儀測(cè)試高粘流體爬桿問(wèn)題的機(jī)理研究及解決方法

鄧都都， 趙建剛， 陳延濱， 石 凱， 王 琪， 李 進(jìn)， 許云博， 王雪竹

(北京探礦工程研究所，北京 100083)

Fann 50SL高溫高壓流變儀作為經(jīng)典的鉆井液流變性能測(cè)試儀器，為高溫鉆井液體系的研發(fā)發(fā)揮了巨大的作用。但采用原裝的Fann 50SL流變儀做高粘流體的流變性能測(cè)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)流體容易出現(xiàn)爬桿的現(xiàn)象，這個(gè)問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致測(cè)試數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，實(shí)驗(yàn)的重復(fù)性較差，甚至?xí)捎谏吓赖臉悠肺廴就廪D(zhuǎn)筒軸承，導(dǎo)致軸承銹死和驅(qū)動(dòng)電機(jī)燒毀的嚴(yán)重問(wèn)題。通過(guò)分析這類流體的流動(dòng)特性和Fann 50SL的測(cè)量原理，找出了影響高粘流體測(cè)試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的原因，并據(jù)此設(shè)計(jì)了2款防爬桿結(jié)構(gòu)，實(shí)際安裝在Fann 50SL流變儀上使用后，有效地解決了高粘流體的爬桿問(wèn)題。

流變性能；高粘流體；爬桿效應(yīng)；高溫高壓流變儀

0 引言

隨著現(xiàn)代鉆探技術(shù)的日益發(fā)展，鉆井越來(lái)越深，對(duì)于鉆井液在高溫高壓條件下的流變性能要求更為苛刻，如何準(zhǔn)確地檢測(cè)鉆井液在高溫高壓條件下的流變性能至關(guān)重要。Fann 50SL流變儀作為一款經(jīng)典的高溫高壓流變儀在檢測(cè)各類流體高溫高壓流變性能方面應(yīng)用廣泛，為高溫高壓鉆井液體系的研發(fā)發(fā)揮了巨大的作用。大量的實(shí)驗(yàn)表明，F(xiàn)ann 50SL高溫高壓流變儀具有測(cè)試精度高、操作使用方便等優(yōu)點(diǎn)[1-4]。

但在使用Fann 50SL測(cè)試諸如高分子聚合物溶液、壓裂液、凍膠等高粘流體樣品時(shí)容易出現(xiàn)流體爬桿的問(wèn)題。樣品爬桿會(huì)直接影響測(cè)量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和重復(fù)性，而且測(cè)試結(jié)束后在軸的上方容易殘留大量的實(shí)驗(yàn)液體，長(zhǎng)期積累會(huì)導(dǎo)致液體進(jìn)入測(cè)試粘度的軸承和驅(qū)動(dòng)外轉(zhuǎn)筒的軸承，這不僅會(huì)腐蝕軸承影響設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，嚴(yán)重情況會(huì)導(dǎo)致軸承銹死而燒毀電機(jī)，影響設(shè)備的使用。

1 高粘流體爬桿現(xiàn)象的分析

為了觀察高粘流體的爬桿現(xiàn)象，選取2種流體來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，一種為水，另一種為聚丙烯酰胺(PAM)的水溶液。在常規(guī)低速攪拌機(jī)的帶動(dòng)下攪動(dòng)，可以明顯地觀察到水由于受離心力的作用，中央液面呈凹形，液體沿著杯壁上爬，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象見(jiàn)圖1；而PAM水溶液則正好相反，中間的液體沿著桿往上爬，離心力越大，爬桿越高，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象見(jiàn)圖2。

圖1 水?dāng)噭?dòng)產(chǎn)生離心的現(xiàn)象

圖2 PAM溶液攪動(dòng)產(chǎn)生的爬桿現(xiàn)象

上述在聚丙烯酰胺溶液中出現(xiàn)的爬桿現(xiàn)象也稱Weissenberg效應(yīng)[5]，早在1944年Weissenberg在英國(guó)倫敦帝國(guó)學(xué)院就公開(kāi)了類似的實(shí)驗(yàn)。對(duì)于高粘流體，在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中會(huì)做向心運(yùn)動(dòng)并沿低速攪拌機(jī)的旋轉(zhuǎn)桿向上爬動(dòng)，實(shí)驗(yàn)中可以明顯地觀察到流體液面變成凸形，這種現(xiàn)象即使在較低的轉(zhuǎn)速時(shí)也能夠發(fā)生。現(xiàn)在普遍認(rèn)為該現(xiàn)象的產(chǎn)生是由于這類流體流動(dòng)不穩(wěn)定性導(dǎo)致的。

對(duì)于粘彈性流體的流動(dòng)不穩(wěn)定性，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究[6-9]，最為經(jīng)典的裝置為T(mén)-C(Taylor-Couette)流動(dòng)裝置，測(cè)試原理見(jiàn)圖3。該裝置是將測(cè)試液體放在2個(gè)獨(dú)立旋轉(zhuǎn)同心圓筒中間，然后觀察各類流體在圓筒旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的流態(tài)變化。該實(shí)驗(yàn)裝置以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、存在封閉流動(dòng)系統(tǒng)并且能產(chǎn)生豐富的不穩(wěn)定流態(tài)等優(yōu)點(diǎn)，一直作為流體不穩(wěn)定性研究的經(jīng)典裝置。Couette[10]首次設(shè)計(jì)出了該裝置，并利用該裝置進(jìn)行了流體粘度的測(cè)量，F(xiàn)ann 50SL實(shí)際上就是一款Couette式粘度計(jì)。

聚合物溶液作為一種高分子溶液，分子量一般都在上百萬(wàn)以上，是一種典型的高粘流體。研究表明，聚合物的長(zhǎng)分子鏈由于流動(dòng)而受到拉伸作用，但是流動(dòng)變化引起聚合物分子的變形需要一定的松弛時(shí)間才能恢復(fù)，彈性勢(shì)能因此儲(chǔ)存在了受到拉伸作用的聚合物分子鏈中，并最終在流動(dòng)的旋渦結(jié)構(gòu)中釋放，這種勢(shì)能的釋放就會(huì)誘發(fā)聚合物流體的流動(dòng)不穩(wěn)定[11]。

圖3 T-C流動(dòng)裝置

高粘的聚合物溶液流動(dòng)時(shí)出現(xiàn)的Weissenberg效應(yīng)，可以說(shuō)是一種典型的流體彈性誘發(fā)的不穩(wěn)定現(xiàn)象。當(dāng)采用Fann 50SL進(jìn)行測(cè)試時(shí)，由于外筒的高速旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)聚合物流體產(chǎn)生了強(qiáng)烈的剪切流動(dòng)，其周圍的聚合物分子在周向曲線流動(dòng)方向受到劇烈的拉伸作用，把這些受到強(qiáng)烈拉伸作用的分子與向外擴(kuò)張的橡皮筋類比，其必然會(huì)產(chǎn)生一個(gè)反向的環(huán)向應(yīng)力，該應(yīng)力的存在使得流體向圓柱軸心方向流動(dòng)，碰到圓柱表面便沿著表面向上爬[12]，其上爬原理如圖4所示。一旦開(kāi)始上爬，由于高粘流體的分子間的作用力相互拉扯，就會(huì)逐步上移，速度越快，時(shí)間越久，爬桿問(wèn)題越明顯。

圖4 聚合物流體Weissenberg效應(yīng)的產(chǎn)生

2 Fann 50SL高溫高壓流變儀測(cè)試原理分析

Fann 50SL高溫高壓流變儀是一款經(jīng)典的測(cè)量各類流體粘度的設(shè)備，其主要用于測(cè)量各類流體在高溫高壓狀態(tài)下的流變性能。該設(shè)備測(cè)試溫度最高260 ℃，測(cè)試壓力最高1000 psi(6.90 MPa)，配合專用的測(cè)試軟件，能夠自動(dòng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)過(guò)程，具有簡(jiǎn)單方便、性能可靠的特點(diǎn)。

Fann 50SL的粘度測(cè)試原理與Fann 35直讀式旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)相同，具體原理見(jiàn)圖5。整個(gè)結(jié)構(gòu)由彈簧、傳感器、軸和內(nèi)外筒組成，外筒由高精度的驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)，可以控制其在固定的轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn)，內(nèi)筒固定在軸上，軸上端連接著扭力彈簧。測(cè)試時(shí)在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下，外筒以固定轉(zhuǎn)速帶動(dòng)流體旋轉(zhuǎn)；流體旋轉(zhuǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生剪切應(yīng)力，作用在內(nèi)筒上，使得內(nèi)筒帶動(dòng)軸產(chǎn)生一定的偏角，通過(guò)傳感器測(cè)量偏角就能夠計(jì)算出在該剪切速率下的剪切應(yīng)力的大小，根據(jù)流體力學(xué)給出的計(jì)算公式，流體的粘度即為剪切應(yīng)力與剪切速率的比值。

圖5 Fann 50SL粘度測(cè)試原理示意圖

根據(jù)測(cè)試原理可得流體粘度η：

η=τ/γ=KΘ(R02-R12)/(4πωLR02R12)

式中：K——彈簧的勁度系數(shù)，dyne·cm/(°)；Θ——扭力彈簧的角度，(°)；R0——樣品杯的半徑，m；R1——內(nèi)筒的半徑，m；ω——杯體旋轉(zhuǎn)的角速度，s-1；L——內(nèi)筒的長(zhǎng)度，m。

上式中R0為1.8415 cm，一般為定值。表1中給出了常用的幾種彈簧的K值和內(nèi)筒的尺寸(L、R1)，通過(guò)改變上述參數(shù)能夠得到不同的流體粘度測(cè)量范圍。

采用Fann 50SL進(jìn)行流體粘度測(cè)試時(shí)，測(cè)試前整個(gè)杯體內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖6所示，當(dāng)外筒以一定的角速度ω旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于高粘的聚合物流體的Weissenberg效應(yīng)，導(dǎo)致流體通過(guò)內(nèi)筒爬到了杯體的上部，并沿著軸逐步往上躥，見(jiàn)圖7。該問(wèn)題的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致測(cè)試數(shù)據(jù)出現(xiàn)一定的偏差：首先高粘的聚合物流體爬到了內(nèi)筒的上部，導(dǎo)致實(shí)際流體與內(nèi)筒的接觸面積變小，根據(jù)Fann50SL的測(cè)量計(jì)算公式，這會(huì)對(duì)粘度的測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生影響；聚合物分子爬到軸后會(huì)纏繞在軸上面，這部分殘留的聚合物也會(huì)對(duì)軸的扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生一定的阻力，導(dǎo)致上部的彈簧的扭力測(cè)試值不準(zhǔn)。最終這些影響因素會(huì)導(dǎo)致用戶在使用Fann 50SL測(cè)試高粘流體時(shí)出現(xiàn)測(cè)試數(shù)據(jù)不夠準(zhǔn)確，實(shí)驗(yàn)重復(fù)性較差的問(wèn)題。

表1 Fann 50SL常用彈簧及內(nèi)外筒尺寸組合

圖6測(cè)試前杯體內(nèi)部狀態(tài)圖7旋轉(zhuǎn)過(guò)程中杯體內(nèi)部狀態(tài)

而且上躥的聚合物液體極易進(jìn)入軸部的大小軸承中，導(dǎo)致軸承腐蝕嚴(yán)重，軸承摩擦力變大，會(huì)在出現(xiàn)測(cè)試軟件上初始扭矩不歸零的問(wèn)題，也會(huì)導(dǎo)致測(cè)試過(guò)程中扭力彈簧的測(cè)量值出現(xiàn)較大偏差。長(zhǎng)期測(cè)試高粘流體會(huì)腐蝕軸承導(dǎo)致軸承壞死，降低設(shè)備的使用壽命，嚴(yán)重的情況下會(huì)燒毀電機(jī)，實(shí)際測(cè)試過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題見(jiàn)圖8～10。

3 爬桿問(wèn)題的解決辦法探討

通過(guò)對(duì)高粘流體的流動(dòng)特性分析，可以看出爬桿效應(yīng)是這類流體的固有特性，在高剪切速率條件下，這類聚合物流體不可避免地會(huì)沿著內(nèi)筒上躥。采用Fann 50SL進(jìn)行測(cè)試時(shí)候，如何盡可能地減少流體上躥是解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵。

設(shè)計(jì)了一種防爬桿的卡套，原理圖與實(shí)物圖見(jiàn)圖11和圖12。卡套直接固定在軸上，與外軸間有一定的余量，不會(huì)對(duì)軸的扭動(dòng)產(chǎn)生影響。當(dāng)液體沿桿爬到卡套位置時(shí)就會(huì)被擋住，從而阻止了聚合物的上躥?？ㄌ撞捎镁鬯姆蚁┎牧希哂辛己玫哪蜏啬透g性能，適合測(cè)試各類流體高溫高壓下的流變性能。該結(jié)構(gòu)具有簡(jiǎn)單實(shí)用，方便安裝與拆卸，能夠阻止大部分的流體上躥的優(yōu)點(diǎn)；不足之處是測(cè)試時(shí)間比較長(zhǎng)時(shí)，會(huì)有少量的流體通過(guò)間隙爬到上部。

圖8高粘聚合物流體上躥圖9小軸承被腐蝕

圖10 大軸承銹死

圖11 防爬桿卡套原理圖

圖12 防爬桿卡套實(shí)物圖

為此，設(shè)計(jì)了另外一種螺旋防爬桿結(jié)構(gòu)，原理圖與實(shí)物圖見(jiàn)圖13和圖14。該結(jié)構(gòu)采用反扣螺紋，旋轉(zhuǎn)時(shí)，聚合物流體通過(guò)反扣螺紋時(shí)候，螺紋在旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生較大的向下的作用力自動(dòng)帶著液體向下走，從而達(dá)到阻止流體上爬的作用。該結(jié)構(gòu)對(duì)于低粘與中粘流體在轉(zhuǎn)速較低時(shí)能夠發(fā)揮良好的效果，上躥流體極少，但對(duì)于高粘流體在較高速度長(zhǎng)時(shí)間旋轉(zhuǎn)時(shí)，還是會(huì)有少量樣品上躥。

圖13 螺旋防爬桿結(jié)構(gòu)原理示意圖

圖14 螺旋防爬桿結(jié)構(gòu)實(shí)物

采用上述的卡套結(jié)構(gòu)，選擇一種高粘流體進(jìn)行Fann 50SL高溫高壓流體性能測(cè)試，選擇測(cè)試溫度為90 ℃，測(cè)試壓力600 psi(4.14 MPa)，測(cè)試時(shí)間為1 h，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖15。由圖15可以看出，該流體粘度高達(dá)1000 mPa·s以上，屬于典型的高粘流體。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，取出卡套，發(fā)現(xiàn)軸上方的流體較少，防爬桿效果較好。

實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)有一定波動(dòng)，可能與杯體中的粘彈性較強(qiáng)的高粘流體流態(tài)不穩(wěn)定有關(guān)系，但整體來(lái)看粘度的變化趨勢(shì)明顯，而且實(shí)驗(yàn)結(jié)束后發(fā)現(xiàn)測(cè)試流體基本都在杯體內(nèi)部，上躥的流體較少，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有較好的可信度。

圖15加上卡套后測(cè)試高粘流體實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論與展望

(1)通過(guò)設(shè)計(jì)卡套與螺旋防爬桿結(jié)構(gòu)，能夠有效地防止或減輕高粘流體的上躥，提高實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性和重復(fù)性。

(2)使用Fann 50SL測(cè)試高粘流體樣品，一定要注意控制樣品的加量，過(guò)量的液體易導(dǎo)致上躥；實(shí)驗(yàn)結(jié)束后一定要及時(shí)把上躥的流體清理干凈，定期檢查并更換相關(guān)配件，這樣才能提高設(shè)備的使用壽命。

(3)Fann 50SL采用氣體加壓方式，為了防止高粘流體樣品的上躥，需要加裝防樣品爬桿裝置。也可選擇使用Fann iX77高溫高壓流變儀，該設(shè)備采用液壓油加壓，密閉效果好，能夠有效地防止樣品爬桿。

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MechanismResearchonUpwardClimbinginHighViscosityFluidTestingbyFann50SLandtheSolution

DENGDu-du,ZHAOJian-gang,CHENYan-bin,SHIKai,WANGQi,LIJin,XUYun-bo,WANGXue-zhu

(Beijing Institute of Exploration Engineering, Beijing 100083, China)

As classic drilling fluid rheological properties test instrument, Fann 50SL HTHP (high temperature and high pressure) rheometer has played a great role in the research and development of high temperature drilling fluid system. But the fluid is prone to climb upward when the original Fann 50SL HTHP rheometer is used to test rheological properties of high viscosity fluid, which will result in inaccurate test data and poor reproducibility of experiment, and even polluted bearing lead to serious problems of bearing rust and driving motor burning. Through the analysis on the flow characteristics of the high viscosity fluid and the measuring principle of Fann 50SL, the reasons influencing the accuracy of test data are found out, on this basis, 2 kinds of prevent-climbing structures are designed and installed on Fann 50SL HTHP rheometer, the climbing upward is effectively solved.

rheological properties; high viscosity fluid; climbing upward effect; HTHP rheometer

2017-04-20

國(guó)家科技部重大科學(xué)設(shè)備開(kāi)發(fā)專項(xiàng)“超高溫高壓鉆井液流變儀的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化”(編號(hào)：2012YQ050242)

鄧都都，男，漢族，1989年生，碩士，地質(zhì)工程專業(yè)，從事鉆井液儀器研發(fā)與鉆井液性能測(cè)試等研究工作，北京市海淀區(qū)學(xué)院路29號(hào)探工樓102室，duducugb@163.com。

P634.6

A

1672-7428(2017)10-0079-05