泡沫鉆井液粘度與溫度壓力關(guān)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(guān)系的方法,測定并分析了泡沫鉆井液粘度與壓力、溫度的關(guān)系。通過(guò)實(shí)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(shí)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(guān)鍵詞:泡沫鉆井液 粘度 溫度 壓力 關(guān)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(yōu)點(diǎn),能滿(mǎn)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(shù)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(jìn)行深入研究有較重要的現實(shí)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(guān)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(guān)系的方法;測定泡沫鉆井液粘度與壓力、溫度關(guān)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(guān)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(shí)間,s;K為定標常數,K值大小與管徑、管子長(cháng)度及傾斜角度、鋼球直徑等有關(guān),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(shí)間的測量,根據電感和電橋電路相關(guān)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(xiàn)圈和閥門(mén)接頭,接頭中芯是用軟鐵制成的,上面裝有電磁線(xiàn)圈,通電后產(chǎn)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(gè)檢測線(xiàn)圈用來(lái)檢測感應信號,用以控制計時(shí)器開(kāi)始或停止計時(shí)。溫度由接在外套上的進(jìn)液口和出液口與超級恒溫水浴的管線(xiàn)相連,有循環(huán)液體控制溫度,液溫由溫控器控制。被測液體可通過(guò)連接在兩端的高壓活動(dòng)嘴子進(jìn)入,高壓管線(xiàn)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(shí)際測量時(shí)轉動(dòng)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(dòng)到鋼球在上面時(shí),按下電磁鐵按鈕,燈滅鋼球釋放下落,鋼球經(jīng)過(guò)第一個(gè)檢測線(xiàn)圈時(shí)開(kāi)始計時(shí),運動(dòng)到第二個(gè)檢測線(xiàn)圈時(shí)停止計時(shí),計時(shí)器顯示的時(shí)間就是鋼球通過(guò)兩個(gè)檢測線(xiàn)圈之間的時(shí)間。同樣按下電磁鐵按鈕,吸住鋼球,從另一方向進(jìn)行測量。

 

  測量方法(1)按照勝利石油管理局鉆井技術(shù)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(dòng)起來(lái);將干樣品(總質(zhì)量為水量的5%)按順序,抖動(dòng)逐漸加入水中,持續攪拌3 h以上。攪拌過(guò)程中保證平穩,容器不能振動(dòng)、移動(dòng)。泡沫鉆井液攪拌好后,測量可循環(huán)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(shí)驗結果與分析泡沫鉆井液的粘度與壓力的關(guān)系分析不同溫度下粘度隨壓力變化情況可知:溫度一定時(shí)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(shí)粘度達到一極小值,而后慢慢地增加。

 

  壓力小于5 MPa時(shí),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(zhù)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(guān)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(diǎn)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(guān)系曲線(xiàn)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(shí),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(huán)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(huì )減小液相的粘度;壓力的增加會(huì )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(guān)。泡沫鉆井液是由一定比例的水、粘土顆粒和表面活性劑(發(fā)泡劑)與助劑配制成的一種氣、液、固三相分散體系。低壓狀態(tài)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(zhù)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(zhù)壓力的繼續增大,泡沫鉆井液中氣泡已經(jīng)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(shí)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(zhì)的離子活動(dòng)能力與鉆井液中可溶性鹽的溶解度相關(guān)。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(xué)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(dòng)能增加大于表面能的增加時(shí),粘度開(kāi)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(shí)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(shí)達到最小值,泡沫鉆井液在不同溫度下的壓力-粘度曲線(xiàn)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(xiàn)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(jìn)一步研究。