CN102374960B - 一种变径管式钻井液流变性测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种变径管式钻井液流变性测量方法，尤其适合现场钻井液的流变性于在线检测。本方法由下列步骤完成：用2～20段不同直径细管的串联组成变径管系统；用恒流泵和缓冲器为变径管系统提供稳定的流量；根据流量和细管的横截面积计算变径管系统不同直径段的流动速度；根据变径管不同直径段的流动速度和管径计算不同直径管段的速度梯度；通过压差计检测变径管不同直径段的压力损耗；根据这些压力损耗计算变径管不同直径段的切应力值；根据不同速度梯度下的切力值即可计算出被测钻井液的塑性粘度、动切力、流型指数和稠度系数等流变性参数。采用本方法可以在不变换流量的情况下，实时测量出钻井液的流变性及其变化情况。

Description

一种变径管式钻井液流变性测量方法

技术领域

本发明涉及一种变径管式钻井液流变性测量方法，尤其适合于现场钻井液的流变性在线检测。

背景技术

流变学是研究物质流动和变形的一门科学，钻井液流变学的研究是流变学的一个重要方面。钻井液的流变性一般包括流体的粘度、静切力、动切力和剪切稀释特性等。这些流变性的掌握和调整，与提高钻井速度和井下安全有很重要的关系。钻井液流变性关系到(1)钻井液携带钻屑、清洁井眼的能力；(2)悬浮能力；(3)对井壁的稳定作用；(4)钻井参数的优化设计——钻头水马力设计和循环压耗的计算等等。所以钻井液流变学及流变性的测量研究一直深受重视。

目前流变性的测量方法有很多种，最常用的方法有管流法、旋转法、落球法、圆盘法、振动法等。其中旋转法和管流法是钻井液流变性测量的常用方法。

旋转法测量钻井液粘度是目前应用广泛的一种方法。其基本原理是：当流体与浸于其中的物体二者之一或者二者都作旋转运动时，物体将受到流体粘性力矩的作用而改变原来的转速或转矩，通过测量流体作用于物体的粘性力矩或物体的转速来确定流体的粘度。旋转法适用范围宽，测量方便，易得到大量的数据，但是存在很多局限性。

西安石油学院的景天佑等人早在1989年就对现场钻井液的流变性遥测装置进行了研究，他们研制的遥测装置的主要原理是一个力矩电机带动转筒转动，根据旋转速度和力矩测定值计算出流变性参数。该论文还论证了单转筒粘度计，虽然在理论上可以测定流体粘度，但是只能测定低剪切速率下的粘度，在实际钻井中，流体的速度梯度往往很高，这就要求调幅范围很宽的直流力矩电机，给实际电机选用带来了一定的困难。

2008年A.Saasen等人采用了能在不同剪切速率下测量粘度的Couette(库爱特)粘度计，这种粘度计是控制转速的双筒粘度计。而双筒式旋转粘度计则存在内外桶之间钻井液的顶替问题。所以要使用旋转法来连续测量钻井液流变性还存在很多问题需要解决，难以实现目前钻井液流变性在线测量。

管流法也是流变性测量的一种常用方法，这种方法的原理是哈根·泊肃叶定律，即一定体积的液体在一定压力梯度下通过给定毛细管所需时间正比于层流液体的粘度。因此，通过测量液体流速和液体流经毛细管产生的压力差即可得液体粘度。毛细管粘度计制造简单，价格较低，温度控制简单，实验操作方便，能够进行粘度的绝对测量，因此毛细管法是一种有吸引力的测量方法。

1991年，专利CN2085960曾经提出了一种毛细管流变仪用于测量钻井液的流变性，其特征在于：差压测量系统由狭缝式毛细管和一个安装在该毛细管器壁上的压力传感器组成。但是，这种仪器只能改变不同流量才能变换速度梯度和压力损耗，不能同时实现不同速度梯度下剪切应力的测量，因此不能从本质上实现流变性的连续测量。

2002年，专利G01N11/06提出的毛细管粘度计，这种毛细管粘度计，主要用来测定运动粘度。

总之，现有的毛细管粘度计只能实现单一流速下的表观粘度的测量，如果要测定不同速度梯度下的流变性，就需变化流量，因此不能连续测量非牛顿流体瞬时流变性。而且，传统的毛细管粘度计容易被小颗粒物堵塞。

当前，随着石油钻井工程自动化程度的提高，钻井液性能的自动化监控技术越来越受到重视，特别是对钻井液流变性在线测量技术的需求更加迫切。要实现钻井液流变性自动化在线测量技术，其关键在于连续测定钻井液流变性及其变化的方法。目前常规的钻井液流变性测试方法，不管是旋转法还是毛细管法都不能满足连续测量钻井液流变性的需要。因为常规毛细管法只能测定单一速度梯度下的表观粘度，或者必须逐次改变流动速度来实现流变性测量，要测定一套流变曲线需要时间较长，因此钻井液流变性的变化很难迅速测出；而旋转法测量流变性时又存在内外筒之间钻井液的顶替效率问题；因此，现有流变性测量方法很难实现钻井液流变性连续测量，为了克服上述缺陷，本发明提供了一种变径管式钻井液流变性测量方法。

本发明与现有技术相比有以下优点：操作简便，可实现钻井液的流变性连续测量。

发明内容

现有流变性测量方法很难实现钻井液流变性连续测量，因为常规毛细管法只能测定单一速递梯度下的表观粘度，或者必须逐次改变流动速度来实现流变性测量，要测定一套流变曲线需要时间较长，因此钻井液流变性的变化很难迅速测出；而旋转法测量流变性时又存在内外筒之间钻井液的顶替效率问题。为了克服常规流变性测量方法的不足，本发明专利提供了一种变径毛细管测试方法。

本专利公开的方法所采用的技术方案是：利用2～20段不同直径的细管组成变径管，在流量相同的情况下，在不同直径的管段产生不同的流速；然后根据流速和细管的几何尺寸计算出不同直径管段的速度梯度；通过压差计测量不同直径管段压差，根据细管几何尺寸和压力损耗计算出不同直径管段的剪切应力；最后根据不同速度梯度下的剪切应力计算被测钻井液的流变性参数。

本发明优点是：该测试方法从根本上改变现有钻井液流变性测量模式，可实现连续测量流体的流变特性，该发明有利于实现钻井液流变性参数的在线测量，提高了钻井液流变性等参数的测量效率，对钻井生产过程中钻井液性能的在线控制和调节具有重要意义。

附图说明

图1是根据本发明一实施方式的变径管式钻井液流变性测量方法流程简图；

图2是图1所示的方法步骤102所构建的变径管系统的结构示意图；

图3是第一个实施例所构建的变径管系统的结构图；

图4是第一个实施例的测量结果——流变曲线示意图；

图5是第二个实施例，所构建的变径管系统的结构图；

图6是第二个实施例的一个测量结果——流变曲线示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的实施方式进行详细的描述。

图1是按照本发明一实施方式的变径管式钻井液流变性测量方法流程简图，该流程开始于步骤101。然后，在步骤102，构建变径管系统。

图2示出了变径管系统的结构组成，在图2中，变径管(205)是由2～20节不同直径的细管串联而成，不同直径的细管用锥形接头相连。变径管系统由恒流泵(201)、缓冲器202、流量计203、压差计组204和变径管205组成。恒流泵、缓冲器、流量计和变径管依次串联，压差计组中的各压差计分别接在变径管各节管的两个测压点上。为了减少管流的端边效应，测压点应离开各节细管端点10倍管径以上的距离。

图1中的步骤103是由恒流泵201和缓冲器202联合实现的。恒流泵201可以是两缸以上的柱塞泵、螺杆泵、离心泵等；缓冲器可以具有一定弹性的容器组成，以减小泵的压力激动，以便提供给便径管系统更加稳定的流量。

图1中的步骤104，是用计时器记录测试流变性的时刻。

图1中的步骤105，是用流量计准确测量变径管系统内的体积流量q。

图1中的步骤106，是用多个压力计测量不同直径管段上两测压点之间的压力差Δp_m(m＝1，2，......，20；其中m为变径管的细管节数)，或者一定长度的不同直径管段上的压力损耗。测量压差的压差计也可以采用两一对力表或一对压力传感器。

图1中的步骤107，是用流量q和不同管段的直径计算不同管段的速度梯度γ_m(m＝1，2，......，20其中m为变径管的细管节数)。

图1中的步骤108，是根据各管段管内的沿程压力损耗Δp_m和各管段的横截面积计算出各管段流体对管壁的切力，然后根据管壁的切力和管壁侧面积计算各管段切应力值。

图1中的步骤109，是根据若干个(m个)速度梯度下的剪切应力值，在切应力一速度梯度座标上，对宾汉模式和幂律模式进行曲线拟合，求出关联系数，根据关联系数判断钻井液更接近于何种流型。

图1中的步骤110，是如果符合宾汉模式，则计算出塑性粘度和动切力。

图1中的步骤111，是如果流型更接近于幂律流体，则计算出流型指数和稠度系数。

图1中的步骤107～111也可以改为：测量流量q和不同管径段的压力损失后，根据变径毛细管不同直径管段的几何参数和压力损耗，按宾汉流体的管内流压力损失方程和幂律流体的管内流压力损失方程，用最小二乘法求出塑性粘度、动切力、流性指数和稠度系数的最优解。

图1中的步骤112，是记录测量时刻的流变参数。

图1中的113步骤，是根据需要设定下一次测量的时刻，之间的时刻间隔可长可短，可以定时测量，也可以随意测量。

图1中的步骤114，是根据测量的需要，决策是继续测量还是结束测量的一个步骤。

流程结束于步骤115。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域普通技术人员可以在所附权利要求的范围内作出各种变形和修改。

实施例1：在图3的实施例中，用恒流泵(301)和阻尼器(302)结合，提供无脉冲的流量，并用流量计(303)准确测定流体的流量q；用半径分别r₁和r₂的两节毛细管(306和307)串联，组成变径管，以实现不同的流动速度v_m(m＝1，2)；根据各节变径管的流动速度v_m和各节变径管的直径计算出两节变径管壁上的速度梯度γ₁和γ₂；用压差计(304和305)测量分别第一节和第二节变径管在ΔL₁和ΔL₂管程内的压力损耗Δp₁和Δp₂，根据两节变径管的半径r₁和r₂、长度ΔL₁和ΔL₂、以及压力损耗Δp₁和Δp₂计算两节管壁上的剪切应力值τ₁和τ₂。根据不同速度梯度γ₁和γ₂时的剪切应力值τ₁和τ₂，计算表观粘度η_a、塑性粘度η_p、动切力τ₀、流性指数n和稠度系数K。第一个实施例的流变性测试结果见图3。

实施例2：在图5的实施例中，用恒流泵(501)和阻尼器(502)结合，提供无脉冲的流量，并用流量计(503)准确测定流体的流量q；用半径分别r₁、r₂、r₃、r₄、r₅、r₆的六节毛细管(516、517、518、519、520、521)组成变径管，以实现不同的流动速度v_n(n＝1，2，3，4，5，6)和速度梯度γ₁、γ₂、γ₃、γ₄、γ₅、γ₆；用压力计(504和505)测量第一节毛细管内的ΔL₁管程内的压力损耗Δp₁，用压力计(506和507)测量第二节毛细管的ΔL₂管程内的压力损耗Δp₂，用压力计(508和509)测量第三节毛细管内ΔL₃管程内的压力损耗Δp₃，用压力计(510和511)测量第四节毛细管内在ΔL₄管程内的压力损耗Δp₄，用压力计(512和513)测量第五节毛细管内在ΔL₅管程内的压力损耗Δp₅，用压力计(514和515)测量第六节毛细管内ΔL₆管程内的压力损耗Δp₆；根据宾汉流体管内流压力损耗公式(方程1)建立矛盾方程组，解出塑性粘度(μ_p)和动切力(τ₀)；根据幂律流体管内流压力损耗公式(方程2)建立矛盾方程组，解出流性指数(n)和稠度系数(k)。第二个实施例的流变性测试结果如图6所示。

$\mathrm{\Δ}{p}_n=\frac{128\mathrm{\Δ}{L}_{n}q{\mathrm{\μ}}_P}{\mathrm{\π}{D_n}^4}+\frac{4{\mathrm{\τ}}_0\mathrm{\Δ}{L}_n}{D_n}$ 方程1

$\mathrm{\Δ}{p}_n=\frac{4\mathrm{k\Δ}{L}_n}{D_n}{\left(\frac{q}{\mathrm{\π}{D_n}^3}\frac{24n+8}{n}\right)}^n$ 方程2

Claims (1)

1.一种变径管式钻井液流变性测量方法，属于管流式流变性测量方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1.开始；

步骤2.构建变径管系统：变径管是由2～20节不同直径的细管串联而成，不同直径的细管由锥形接头连接，变径管系统由恒流泵、缓冲器、流量计、压差计组和变径管组成，恒流泵、缓冲器、流量计和变径管依次串联，压差计组中的各压差计分别接在变径管的各节管的两个测压点上，为了减少管流的端边效应，测压点离开各节管端点10倍管径以上的距离，测压点在管壁上；

步骤3.提供稳定的钻井液流量：由恒流泵和缓冲器联合实现；

步骤4.记录测量时刻t：用计时器记录测量时刻t；

步骤5.测量时刻t的流量：用流量计测量变径管系统内的体积流量；

步骤6.测量时刻t的各段压力损耗：用多组压差计测量时刻t各段管子的压力损耗；

步骤7.计算时刻t不同管段的速度梯度：用流量和不同管段的直径计算不同管段的速度梯度；

步骤8.计算时刻t不同管段的切应力值：根据各管段的压力损耗和各管段的横截面积计算出各管段流体对管壁的切力，然后根据管壁的切力和管壁侧面积计算各管段切应力值；

步骤9.判断流型：根据不同速度梯度下的切应力值，对流变模式进行曲线拟合，求出关联系数，判断钻井液更接近于何种流型；

步骤10.计算流变参数：根据步骤9判断的流型，如果符合宾汉模式，则计算时刻t的塑性粘度和动切应力值；如果符合幂律模式，则计算时刻t的稠度系数和流型指数；

步骤11.记录时刻t的各种流变参数；

步骤12.重复步骤4～11，测量并记录下一时刻的流变参数；

步骤13.根据需要确定是否结束实验；

步骤14.结束测量。

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