泡沫钻井液粘度与温度压力关系特性研究

 摘要 泡沫钻井液的粘度是欠平衡钻井设计中应考虑的主要因素之一。介绍了一种测定泡沫钻井液粘度与压力、温度关系的方法,测定并分析了泡沫钻井液粘度与压力、温度的关系。通过实验研究表明,泡沫钻井液的粘度随压力的升高先降低后增大,大约在压力为5~10 MPa时达到最小值;随温度的升高先增大后减小,粘度极大值出现的温度范围基本在50~70e之间。从气液表面能和分子间能量变化的角度分析了温度、压力影响泡沫钻井液粘度的原因,在低压低温下,表面能是影响钻井液粘度的主要因素;而在高温高压下,分子间能量是影响泡沫钻井液粘度的主要因素。

 

  关键词:泡沫钻井液 粘度 温度 压力 关系特性方法.

 

  泡沫钻井液是一种适用于欠平衡钻井的新型钻井液,和常规钻井液相比,它具有密度低、悬浮和携带岩屑能力强、静液柱压力低、滤失量小、摩阻损失小、助排能力强、抗污染效果好、对油层伤害小等优点,能满足欠平衡压力钻井的需要,且能减少低压油气层的损害。因而泡沫钻井液在欠平衡钻井中的应用受到重视。粘度是欠平衡压力钻井技术设计中要考虑的泡沫钻井液重要参数之一,温度和压力对泡沫钻井液的粘度影响又较大,对此进行深入研究有较重要的现实意义。

 

  测量原理与方法建立室内试验方法,测定泡沫钻井液的粘度与压力、温度之间的关系,主要包括:设计测定泡沫钻井液粘度的装置;建立测定泡沫钻井液粘度)压力)温度关系的方法;测定泡沫钻井液粘度与压力、温度关系。

 

  11测量原理测量高温高压流体粘度的原理是落球法测粘度方法,即在层流条件下,钢球在光滑盛液标准管中的自由下落与流体的粘度有以下关系。

 

  L=K(Q2-Q1)t(1)式中,L为流体粘度,mPa#s;Q2为钢球密度,g/cm3;Q1为流体密度,g/cm3;t为钢球下落时间,s;K为定标常数,K值大小与管径、管子长度及倾斜角度、钢球直径等有关,可由已知粘度的标准液体测出。

 

  21测量装置根据式(1),粘度的测量主要是小球下落时间的测量,根据电感和电桥电路相关原理,设计制作了如图1所示的高温高压粘度测量装置[3]。该装置用防磁不锈钢制成,两端有检测线圈和阀门接头,接头中芯是用软铁制成的,上面装有电磁线圈,通电后产生磁力能吸住钢球,断电后磁力消失,钢球可下落。两端装有的两个检测线圈用来检测感应信号,用以控制计时器开始或停止计时。温度由接在外套上的进液口和出液口与超级恒温水浴的管线相连,有循环液体控制温度,液温由温控器控制。被测液体可通过连接在两端的高压活动嘴子进入,高压管线连接到压力缓冲罐上,压力缓冲罐有压力泵提供压力,并可测量出打入液体的量。

 

  实际测量时转动中心管,使钢球落回到一端,按下电磁铁按钮,电磁铁指示灯亮,将钢球吸住;将中心管转动到钢球在上面时,按下电磁铁按钮,灯灭钢球释放下落,钢球经过第一个检测线圈时开始计时,运动到第二个检测线圈时停止计时,计时器显示的时间就是钢球通过两个检测线圈之间的时间。同样按下电磁铁按钮,吸住钢球,从另一方向进行测量。

 

  测量方法(1)按照胜利石油管理局钻井技术工程公司提供的原料和配方配制泡沫钻井液。步骤为:?在容器中加入所需水量;搅拌器调至2档,将水搅动起来;将干样品(总质量为水量的5%)按顺序,抖动逐渐加入水中,持续搅拌3 h以上。搅拌过程中保证平稳,容器不能振动、移动。泡沫钻井液搅拌好后,测量可循环泡沫钻井液在常温常压下的密度,该密度为泡沫钻井液的初始密度。  (2)将一定量的泡沫钻井液转入测量装置,在一定温度下,调节压力泵在1~40 Mpa的范围内改变压力,测量不同压力下泡沫钻井液的粘度。

 

  (3)调节恒温水浴,使温度升高10e,待温度稳定后,测量泡沫钻井液在不同压力下的粘度。

 

  (4)重复步骤(3),直到温度达到90e为止。

 

  实验结果与分析泡沫钻井液的粘度与压力的关系分析不同温度下粘度随压力变化情况可知:温度一定时泡沫钻井液的粘度随压力增加先降低,当压力增加到一定值时粘度达到一极小值,而后慢慢地增加。

 

  压力小于5 MPa时,泡沫钻井液粘度略有下降,大约在5~10 MPa范围内粘度达到最小值,接着粘度随压力的增加而慢慢增加。

 

  泡沫钻井液的粘度与温度的关系在一定压力下,粘度随温度的升高先增大,到达一最大值后又减小;粘度随温度的升高达到极大值的转折点大约在60e左右。分析不同起始密度的泡沫钻井液的粘度与温度的关系曲线表明,相同压力下,泡沫钻井液的粘度都是随温度的升高先增大后减小,只是达到最大值的温度稍有不同,在所测量的密度变化范围为0.40~0.70 g/cm3时,粘度极大值出现的温度范围基本在50~70e之间。

 

  泡沫钻井液的粘度特征浅析.

 

  井下条件下钻井液的流变性能可能与地面环境压力与温度下测量的流变性能有很大程度的不同,高温高压能以不同的方式影响钻井液流变性能。就一般流体而言,温度的升高会减小液相的粘度;压力的增加会增加液相的密度,从而增加体系的粘度。

 

  然而泡沫钻井液的粘度变化不符合一般流体的规律,而表现出特有的粘度特性,这主要与泡沫钻井液的组成有关。泡沫钻井液是由一定比例的水、粘土颗粒和表面活性剂(发泡剂)与助剂配制成的一种气、液、固三相分散体系。低压状态下,钻井液中气泡所占体积较大,气泡的表面积也较大,而气液面上的表面张力就较大,表面张力是影响泡沫钻井液粘度的主要因素,随着压力增加气泡体积减小,表面积减小,表面张力也减小,粘度随之减小。达到一定压力后,粘度达到一极小值,随着压力的继续增大,泡沫钻井液中气泡已经很小,钻井液密度增大,液体分子间的作用力为导致粘度变化的主要因素,此时的钻井液也就像一般流体一样,粘度随压力的上升而增大。

 

  另一方面,随温度升高,任何一种电解质的离子活动能力与钻井液中可溶性盐的溶解度相关。离子与碱性交换平衡改变了颗粒之间引力与斥力之间的平衡,导致分散程度与絮凝程度之间平衡的改变,这些变化的量值与方向以及它们对钻井液流变性的影响,随钻井液特定的化学性能变化而异。特别是温度的升高使泡沫钻井液中的气泡体积膨胀、表面积增大,表面张力增大导致粘度增大,当粘度达到极大值之后,温度再继续升高,液体分子的动能增加大于表面能的增加时,粘度开始随温度的升高而下降,粘度随温度的变化规律也就像一般流体一样。

 

  温度一定时泡沫钻井液粘度随压力的增加先降低,达到一极小值后再缓慢增大,粘度在压力大约为5~10 MPa时达到最小值,泡沫钻井液在不同温度下的压力-粘度曲线变化趋势基本相同。

 

  在一定压力下泡沫钻井液粘度随温度的升高先增大,到达一最大值后又减小,不同压力的温度-粘度曲线变化趋势基本相同,粘度极大值出现的温度范围基本在50~70e之间。

 

  从气液表面能和分子间能量变化分析了温度、压力影响泡沫钻井液粘度的原因,深入地分析还有待于进一步研究。