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摘 要:
為了解超高溫高壓條件下鉆井液的流變規(guī)律,采用M7500 型超高溫高壓流變儀測定了勝科1 井四開井段抗高溫鉆井液的超高溫高壓流變性并進行了分析研究。試驗結(jié)果表明,抗高溫鉆井液的表觀黏度、塑性黏度和動切力隨溫度的升高而降低,隨壓力的增加而增大;溫度對流變性的影響遠比壓力的影響大,但隨著溫度的升高,壓力的影響逐漸增大。流變曲線擬合結(jié)果表明,赫切爾2巴爾克萊模式能夠比較準確地描述超高溫高壓條件下抗高溫鉆井液的流變性。在大量現(xiàn)場鉆井液流變性試驗的基礎(chǔ)上,運用回歸分析方法建立了能夠準確預(yù)測井下超高溫高壓條件下鉆井液表觀黏度的數(shù)學(xué)模型。該研究為超高溫鉆井液技術(shù)在勝科1 井的成功應(yīng)用提供了理論指導(dǎo)。
國內(nèi)外鉆井實踐表明,鉆井液的流變性對提高機械鉆速、井眼凈化、井眼穩(wěn)定和地面清除固相的效果都有十分重要的作用[122 ] 。為了確保深井、超深井的鉆進安全,有必要了解井下鉆井液的流變性能否滿足鉆井的需要,以便及時采取相應(yīng)的調(diào)整措施,這就需要對深部井段高溫高壓條件下鉆井液的流變性進行研究。國內(nèi)外很多學(xué)者對鉆井液高溫高壓流變性進行了研究,但研究的溫度一般不超過200 ℃,壓力不超過100 MPa ,這顯然與超深井井底溫度和壓力有一定差距[327 ] 。鉆井液在超高溫（大于200 ℃）高壓條件下的流變規(guī)律與高溫高壓條件下是否一致,尚需進一步研究。筆者利用美國Grace 公司生產(chǎn)的M7500 型超高溫高壓流變儀,在更寬的溫度和壓力范圍內(nèi)對勝科1 井四開井段抗高溫鉆井液的流變特性進行了研究,分析了溫度、壓力對其流變性的影響規(guī)律,優(yōu)選了鉆井液在超高溫高壓條件下的流變模式,并建立了能夠比較準確預(yù)測井下超高溫高壓條件下鉆井液表觀黏度的數(shù)學(xué)模型。
1 測試儀器及測試樣品
1.1 測試儀器
M7500 型超高溫高壓流變儀的zui高工作溫度為260 ℃,工作壓力為140 MPa ,剪切速率可以在1～1 022 s - 1 范圍內(nèi)任意設(shè)定。進行超高溫高壓流變性測試時,可根據(jù)試驗需要設(shè)定條件（溫度、恒溫時間、壓力和轉(zhuǎn)速） 。該流變儀可自動控制壓力,壓
力精度為114 MPa 。
M7500 型超高溫高壓流變儀的工作原理同其他旋轉(zhuǎn)式流變儀相同,轉(zhuǎn)子. 浮子組合是標準API旋轉(zhuǎn)黏度計的轉(zhuǎn)子. 浮子組合。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時,帶動浮子. 轉(zhuǎn)子環(huán)空間隙內(nèi)的樣品旋轉(zhuǎn),并將樣品產(chǎn)生的剪切應(yīng)力通過浮子頂部的彈簧及傳感器傳輸?shù)接嬎銠C上并記錄下來。
1.2 測試樣品
測試樣品為勝科1 井四開井段抗高溫超低滲透聚磺鉆井液（其常規(guī)性能為:密度1172 kg/ L ,表觀黏度7310 mPa ·s ,塑性黏度6210 mPa ·s ,動切力1110 Pa , 高溫高壓濾失量9180 mL , 固相含量3010 %） ,基本配方為: 310 %基漿+ 012 %PAMS2601 + 310 %Soltex + 210 %Desco + 210 %Drical2D +510 %Resinex + 115 %SPN H + 210 %TRL + 015 %FLC2000 + 310 %RZF23 + 重晶石粉。在進行高溫高壓流變性測試前,將鉆井液樣品在220 ℃條件下經(jīng)滾子爐老化16 h ,然后高速攪拌10 min 以保持鉆井液的均勻性,來減少試驗誤差。
1.3 測試方法
將鉆井液樣品裝入高溫高壓樣品池中,將壓力升至設(shè)定壓力,再升溫至設(shè)定溫度并恒溫10 min 。以不同轉(zhuǎn)速對鉆井液進行剪切,轉(zhuǎn)速分別選用600 、500 、400 、300 、200 、100 、50 、20 和10 r/ min ,每個轉(zhuǎn)速下剪切時間120 s ,記錄不同轉(zhuǎn)速下的剪切應(yīng)力。然后增加壓力,考察溫度一定時,壓力對鉆井液流變性的影響;或者升高溫度,考察壓力一定時,溫度對鉆井液流變性的影響。整個測試過程必須在3h 內(nèi)完成,時間過長會導(dǎo)致試驗誤差增大。繪制一定溫度和壓力條件下剪切應(yīng)力2剪切速率曲線,采用數(shù)據(jù)處理和曲線擬合軟件Origin715 對流變曲線進行流變模式擬合分析,并計算鉆井液流變參數(shù)。
2 溫度和壓力對鉆井液流變性的影響
2.1 溫度對鉆井液流變性的影響
測試溫度分別為90 、180 、200 、220 和240 ℃,測試壓力恒定為100 MPa ,鉆井液的高溫高壓流變曲線如圖1 所示。
從圖1 可以看出:在低剪切速率下,當溫度升至180 ℃時,剪切應(yīng)力逐漸降低; 當溫度大于180 ℃時,剪切應(yīng)力隨溫度的升高而增大; 在高剪切速率下,溫度升至240 ℃時,剪切應(yīng)力逐漸減小。從流變曲線上來看,當溫度低于180 ℃時,抗高溫鉆井液屬于典型的假塑性流體,當溫度高于200 ℃時,鉆井液的流型屬于含有一定屈服值的脹流型。
勝科1 井不同溫度下抗高溫鉆井液黏度隨剪切速率的變化如圖2 所示。
從圖2 可以看出:剪切速率對鉆井液黏度影響較大;隨著剪切速率的升高,不同溫度下鉆井液的黏度總體上均呈降低趨勢;在超高溫條件下,當剪切速率超過300 s - 1 時,曲線趨于平穩(wěn),即鉆井液的黏度基本上穩(wěn)定,且表觀黏度大于20 mPa ·s。國內(nèi)外研究表明,鉆井液在高溫高壓條件下表觀黏度大于20 mPa ·s 時,就能很好地保證鉆井液的攜巖能力,
這表明勝科1 井用的抗高溫鉆井液體系適用于超深井鉆井。
為了解超高溫高壓條件下鉆井液的流變規(guī)律,采用M7500 型超高溫高壓流變儀測定了勝科1 井四開井段抗高溫鉆井液的超高溫高壓流變性并進行了分析研究。試驗結(jié)果表明,抗高溫鉆井液的表觀黏度、塑性黏度和動切力隨溫度的升高而降低,隨壓力的增加而增大;溫度對流變性的影響遠比壓力的影響大,但隨著溫度的升高,壓力的影響逐漸增大。流變曲線擬合結(jié)果表明,赫切爾2巴爾克萊模式能夠比較準確地描述超高溫高壓條件下抗高溫鉆井液的流變性。在大量現(xiàn)場鉆井液流變性試驗的基礎(chǔ)上,運用回歸分析方法建立了能夠準確預(yù)測井下超高溫高壓條件下鉆井液表觀黏度的數(shù)學(xué)模型。該研究為超高溫鉆井液技術(shù)在勝科1 井的成功應(yīng)用提供了理論指導(dǎo)。
國內(nèi)外鉆井實踐表明,鉆井液的流變性對提高機械鉆速、井眼凈化、井眼穩(wěn)定和地面清除固相的效果都有十分重要的作用[122 ] 。為了確保深井、超深井的鉆進安全,有必要了解井下鉆井液的流變性能否滿足鉆井的需要,以便及時采取相應(yīng)的調(diào)整措施,這就需要對深部井段高溫高壓條件下鉆井液的流變性進行研究。國內(nèi)外很多學(xué)者對鉆井液高溫高壓流變性進行了研究,但研究的溫度一般不超過200 ℃,壓力不超過100 MPa ,這顯然與超深井井底溫度和壓力有一定差距[327 ] 。鉆井液在超高溫（大于200 ℃）高壓條件下的流變規(guī)律與高溫高壓條件下是否一致,尚需進一步研究。筆者利用美國Grace 公司生產(chǎn)的M7500 型超高溫高壓流變儀,在更寬的溫度和壓力范圍內(nèi)對勝科1 井四開井段抗高溫鉆井液的流變特性進行了研究,分析了溫度、壓力對其流變性的影響規(guī)律,優(yōu)選了鉆井液在超高溫高壓條件下的流變模式,并建立了能夠比較準確預(yù)測井下超高溫高壓條件下鉆井液表觀黏度的數(shù)學(xué)模型。
1 測試儀器及測試樣品
1.1 測試儀器
M7500 型超高溫高壓流變儀的zui高工作溫度為260 ℃,工作壓力為140 MPa ,剪切速率可以在1～1 022 s - 1 范圍內(nèi)任意設(shè)定。進行超高溫高壓流變性測試時,可根據(jù)試驗需要設(shè)定條件（溫度、恒溫時間、壓力和轉(zhuǎn)速） 。該流變儀可自動控制壓力,壓
力精度為114 MPa 。
M7500 型超高溫高壓流變儀的工作原理同其他旋轉(zhuǎn)式流變儀相同,轉(zhuǎn)子. 浮子組合是標準API旋轉(zhuǎn)黏度計的轉(zhuǎn)子. 浮子組合。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時,帶動浮子. 轉(zhuǎn)子環(huán)空間隙內(nèi)的樣品旋轉(zhuǎn),并將樣品產(chǎn)生的剪切應(yīng)力通過浮子頂部的彈簧及傳感器傳輸?shù)接嬎銠C上并記錄下來。
1.2 測試樣品
測試樣品為勝科1 井四開井段抗高溫超低滲透聚磺鉆井液（其常規(guī)性能為:密度1172 kg/ L ,表觀黏度7310 mPa ·s ,塑性黏度6210 mPa ·s ,動切力1110 Pa , 高溫高壓濾失量9180 mL , 固相含量3010 %） ,基本配方為: 310 %基漿+ 012 %PAMS2601 + 310 %Soltex + 210 %Desco + 210 %Drical2D +510 %Resinex + 115 %SPN H + 210 %TRL + 015 %FLC2000 + 310 %RZF23 + 重晶石粉。在進行高溫高壓流變性測試前,將鉆井液樣品在220 ℃條件下經(jīng)滾子爐老化16 h ,然后高速攪拌10 min 以保持鉆井液的均勻性,來減少試驗誤差。
1.3 測試方法
將鉆井液樣品裝入高溫高壓樣品池中,將壓力升至設(shè)定壓力,再升溫至設(shè)定溫度并恒溫10 min 。以不同轉(zhuǎn)速對鉆井液進行剪切,轉(zhuǎn)速分別選用600 、500 、400 、300 、200 、100 、50 、20 和10 r/ min ,每個轉(zhuǎn)速下剪切時間120 s ,記錄不同轉(zhuǎn)速下的剪切應(yīng)力。然后增加壓力,考察溫度一定時,壓力對鉆井液流變性的影響;或者升高溫度,考察壓力一定時,溫度對鉆井液流變性的影響。整個測試過程必須在3h 內(nèi)完成,時間過長會導(dǎo)致試驗誤差增大。繪制一定溫度和壓力條件下剪切應(yīng)力2剪切速率曲線,采用數(shù)據(jù)處理和曲線擬合軟件Origin715 對流變曲線進行流變模式擬合分析,并計算鉆井液流變參數(shù)。
2 溫度和壓力對鉆井液流變性的影響
2.1 溫度對鉆井液流變性的影響
測試溫度分別為90 、180 、200 、220 和240 ℃,測試壓力恒定為100 MPa ,鉆井液的高溫高壓流變曲線如圖1 所示。
從圖1 可以看出:在低剪切速率下,當溫度升至180 ℃時,剪切應(yīng)力逐漸降低; 當溫度大于180 ℃時,剪切應(yīng)力隨溫度的升高而增大; 在高剪切速率下,溫度升至240 ℃時,剪切應(yīng)力逐漸減小。從流變曲線上來看,當溫度低于180 ℃時,抗高溫鉆井液屬于典型的假塑性流體,當溫度高于200 ℃時,鉆井液的流型屬于含有一定屈服值的脹流型。
勝科1 井不同溫度下抗高溫鉆井液黏度隨剪切速率的變化如圖2 所示。
從圖2 可以看出:剪切速率對鉆井液黏度影響較大;隨著剪切速率的升高,不同溫度下鉆井液的黏度總體上均呈降低趨勢;在超高溫條件下,當剪切速率超過300 s - 1 時,曲線趨于平穩(wěn),即鉆井液的黏度基本上穩(wěn)定,且表觀黏度大于20 mPa ·s。國內(nèi)外研究表明,鉆井液在高溫高壓條件下表觀黏度大于20 mPa ·s 時,就能很好地保證鉆井液的攜巖能力,
這表明勝科1 井用的抗高溫鉆井液體系適用于超深井鉆井。
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