表面活性劑在連續管鉆井降摩減阻中的應用

長江大學石油工程學院于建濤 黃志強 劉高 沈家訓 胡靖 廖江東 路萍

表面活性劑在連續管鉆井降摩減阻中的應用

長江大學石油工程學院于建濤 黃志強 劉高 沈家訓 胡靖 廖江東 路萍

連續管（CT）鉆井過程中，由于連續管尺寸小、易發生屈曲現象，在發生彎曲后，流體通過連續管時會產生離心效應，并且由于連續管不旋轉，導致摩擦損失在連續管中比在傳統直井中高得多。應用水溶性聚合物減阻存在機械降解現象，并且降解后分子結構無法恢復使得減阻能力下降，表面活性劑在受到大的剪切應力的時候會發生機械降解但是可以自行修復，因此在連續管鉆井中用表面活性劑來進行減阻更有優勢。本文，筆者介紹了表面活性劑減阻機理，并討論了影響減阻效果的各種因素。

一、表面活性劑減阻機理

1.在靜止狀態下，表面活性劑膠束形成并隨機分布在溶液中，剪切速率的增加可以使線性膠束延伸并且使線性膠束與流動方向保持一致。因此，紊流波動、漩渦減少、紊流能量的耗損降低，呈現減阻特性。

2.表面活性劑線性膠束的糾纏形成剪切誘導結構，剪切誘導結構的彈性性能或者網絡狀膠束抑制紊流的連續形成，減少大量的能量消耗，產生減阻。

3.表面活性劑的高拉伸黏度使渦流拉伸產生附加阻力從而限制紊流漩渦的增加，減小了能量消耗，產生減阻。通常表面活性劑流體（SB）在油管流動時以不同的膠束結構形式出現。在靜止時，線狀膠束隨機的分布在溶液中，隨著溶液的流動，剪切應力增加，尤其是管壁附近剪切應力最大。由于在管壁面附近比較大的剪應力使越來越多的膠束與水流方向保持一致，紊流波動和漩渦越來越少，使表面活性劑溶液出現減阻現象。隨著剪切應力的增加，越來越多的線性膠束與流動方向一致。SIS是膠束與水流方向一致的狀態，SIS狀態時獲得最大的減阻效果。之后，管壁附近的線狀膠束被打破，然而由于在管內流動的非均勻應力分布（管壁處最大而中心為零）遠離管壁的膠束還未受到影響，減阻現象會持續比較長的時間。隨著剪切應力的增加，膠束在管壁和中心之間的交換，原來遠離管壁的膠束逐漸向管壁靠攏并且被分解，造成溶液減阻能力的下降。最終，表面活性劑溶液中所有的膠束被分解成長度不夠大而無法產生減阻的膠束。此時，溶液完全失去其減阻的能力。

二、表面活性劑減阻的影響因素

在連續管鉆井過程中，表面活性劑的自身結構及性質是降摩減阻作用的關鍵，但是外界因素對表面活性劑的減阻效果也起到重要作用。這些因素主要包括：表面活性劑的質量分數、溫度、鹽度、剪切速率，連續管的管徑和曲率比等。

1.表面活性劑的質量分數。表面活性劑的質量分數是使它成為一種高效的減阻劑的關鍵因素。增加表面活性劑的質量分數有利于形成線性膠束提高減阻效果。圖1表示了在1/2in連續管中（1in=25.4mm），表面活性劑質量分數對減阻的影響。在雷諾數相同的情況下，增加表面活性劑質量分數能增加減阻效果。例如，在雷諾數達到100000時，質量分數為1.5%的表面活性劑流體減阻效果為36%，質量分數為4%的表面活性劑流體減阻效果為51%，但是隨著質量分數的增加減阻效果達到最大，然后隨著質量分數的增加減阻效果逐漸下降。

圖1 在1/2in連續管中，表面活性劑質量分數對減阻的影響

2.溫度。溫度是影響表面活性劑減阻效果的重要的因素之一。首先，當表面活性劑處于特定的溫度范圍內，表面活性劑才能起到減阻作用。其次，當溫度高于減阻溫度上限時，表面活性劑減阻作用消失；當溫度降低到有效減阻溫度范圍內時，溶液的減阻作用將重新恢復。

3.鹽度。鹽度可促進線性膠束的形成，增加了膠束的彈性，降低了摩擦系數，提高了減阻效果。Hartmann和Cressely發現在含鹽量較低情況下，隨著鹽度的增加，減阻效果增加；在鹽含量較高情況下，減阻效果反而會降低。通過圖2可以直觀看出在表面活性劑在質量分數為4%的鹽水中比在清水中減阻效果要好。

圖2 在1/2in連續管中，鹽度對表面活性劑減阻效果的影響

4.連續管管徑。對于牛頓流體，在相同雷諾數的情況下，無論管徑大小，摩擦系數將是相同的。但對于非牛頓流體，在相同雷諾數情況下，摩擦系數是隨著管徑的變化而變化。從圖3可以明顯得出相同質量分數的表面活性劑流體在1/2in的連續管中減阻效果最差，隨著管徑的增加，減阻效果越好，23/8in的連續管減阻效果最好。

圖3 不同管徑對質量分數為4%表面活性劑減阻效果的影響

5.連續管曲率比。在連續管與直管中減阻行為是不同的。與直管相比，連續管的幾何曲率會使減阻效果降低10%～30%。圖4描述了在1/2in的連續管中連續管曲率比對質量分數為4%表面活性劑減阻效果的影響。得出高的曲率比增加摩擦系數從而使減阻效果下降，當流體通過最大曲率比為0.031時，減阻效果最差。

6.剪切速率。剪切速率也是影響起減阻作用的因素之一。在剪切速率較低的情況下，剪切速率的增加能促進線性膠束的形成并增加其彈性，從而使減阻效果增強，但是隨著剪切速率的增加減阻效果達到最好后減阻效果會越來越差。

三、結論

1.在連續管鉆井過程中表面活性劑起減阻作用主要是由于在其結構中有棒狀或蠕蟲狀的線性膠束結構，這種結構在抑制紊流和降低摩擦系數上起著重要作用。但是一些外在因素對表面活性劑的減阻也起到重要作用，這些因素包括活性劑的質量分數、溫度、鹽度、剪切速率，連續管的管徑和曲率比等。

2.連續管鉆井在國內外作業數量急劇增加，而在鉆井過程中降摩減阻又是關鍵技術之一。表面活性劑在連續管鉆井降摩減阻中的應用會提高鉆井速度、減少鉆井事故，從而提高連續管鉆井的經濟效益。