酒東油田長(zhǎng)2-29井鉆井液高溫流變性研究

薛新茹 孟文斐 徐進(jìn)軍 孫向濤

（1.玉門(mén)油田分公司鉆采工程研究院，甘肅 酒泉 735019；2.玉門(mén)油田煉化總廠化驗(yàn)檢測(cè)中心，甘肅 酒泉 735019）

鉆井液流變性是鉆井液的一項(xiàng)基本性能，體現(xiàn)了攜帶巖屑，保證井底和井眼清潔的能力；懸浮巖屑及加重物質(zhì)的能力；有效提高機(jī)械鉆速的能力；加固井壁，保證井下安全的能力等。此外，鉆井液的某些流變參數(shù)還直接用于鉆井環(huán)空水力學(xué)的有關(guān)計(jì)算。因此，對(duì)鉆井液流變性做深入研究，對(duì)于每口油氣井鉆井液流變參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)和有效調(diào)控鉆井液工藝技術(shù)有著重要意義。

目前常用的鉆井液流變性測(cè)量方法，是利用六速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)，測(cè)量鉆井液地面條件下的流變參數(shù)，外推到井下情況，不能有效反映高溫高壓條件下鉆井液流變性能的變化。本文主要利用RS6000 流變儀，針對(duì)酒東油田長(zhǎng)2-29 井在鉆井井深4104m所使用的鉆井液，開(kāi)展了高溫流變參數(shù)測(cè)量及流變性分析，能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)實(shí)際地層狀況下的鉆井液流變性能，鉆井調(diào)控、工程管理具有指導(dǎo)意義。

1 鉆井液常用的流變參數(shù)及含義

鉆井液的流變性通常用流變參數(shù)、流變曲線和流變方程描述。流變參數(shù)常用的有塑性粘度μp、表觀粘度μa、動(dòng)切力（屈服值）τ0、靜切力等。

塑性粘度是塑性流體所具有的性質(zhì)，它不隨剪切速率而變化。塑性粘度的大小反映了在層流情況下，鉆井液中網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的破壞與恢復(fù)處于動(dòng)平衡時(shí)，懸浮的固體顆粒之間、固體顆粒與液相之間以及連續(xù)液相內(nèi)部的內(nèi)摩擦作用的強(qiáng)弱。大小與鉆井液體系特征、作業(yè)溫度有關(guān)。表觀粘度是流體在流動(dòng)過(guò)程中的總粘度，是剪切應(yīng)力與剪切速率的比值，塑性流體的表觀粘度具有剪切稀釋性。動(dòng)切力是塑性流體流變曲線中的直線段在τ軸上的截距，反映了流體形成網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的能力。

2 長(zhǎng)2-29井鉆井液流體模型的確定

按照流體流動(dòng)時(shí)剪切速率與剪切應(yīng)力之間的關(guān)系，流體可以劃分為不同的模型。根據(jù)所測(cè)出的流變曲線形狀的不同，分為牛頓流體和非牛頓流體，非牛頓流體又分為塑性流體、假塑性流體和膨脹流體，幾種流體模型的流變曲線見(jiàn)圖1。

圖1 四種基本流體模型的曲線

用RS6000流變儀測(cè)長(zhǎng)2-29井鉆井液不同剪切速率下的剪切應(yīng)力值，對(duì)應(yīng)的流體模型的曲線見(jiàn)圖2。

圖2 長(zhǎng)2-29井鉆井液流體模型曲線

由圖2 明顯看出，長(zhǎng)2-29 井鉆井液屬于塑性流體（也稱(chēng)帶屈服值的假塑性流體）。塑性流體內(nèi)部結(jié)構(gòu)多為內(nèi)相濃度較大，粒子間結(jié)合力較強(qiáng)的多相混合體系，當(dāng)粒子濃度大到使粒子間相互接觸的程度時(shí)，便形成粒子的三維空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，屈服值是這種結(jié)構(gòu)強(qiáng)弱的反映。

塑性流體的流變方程為：

τ=τ0+μpγ（τ0為屈服值，Pa；μp為塑性粘度）（方程1）

或μa=μp+τ0/γ（μa為表觀粘度）（方程2）

當(dāng)τ＜τ0時(shí)，流體不產(chǎn)生流動(dòng)，只發(fā)生有限的形變，當(dāng)τ＞τ0時(shí)，流體才能流動(dòng)，且具有剪切稀釋性。

3 溫度對(duì)鉆井液流變參數(shù)的影響

國(guó)內(nèi)研究表明，對(duì)于具體的鉆井液體系，壓力對(duì)流變性影響相對(duì)較小，溫度是主要的影響因素，因此，我們重點(diǎn)考察溫度對(duì)鉆井液流變性的影響。

實(shí)驗(yàn)考察了不同溫度下（40-110℃）長(zhǎng)2-29 井鉆井液的流變性，繪制了剪切應(yīng)力—剪切速率關(guān)系曲線、表觀粘度—剪切速率關(guān)系曲線，見(jiàn)圖3、圖4。

圖3 不同溫度下的鉆井液剪切應(yīng)力—剪切速率關(guān)系曲線

圖4 不同溫度下的表觀粘度—剪切速率關(guān)系曲線

由圖3可以看出：

（1）在測(cè)試溫度范圍內(nèi)，相同剪切速率下，剪切應(yīng)力隨著溫度升高而降低。

（2）溫度較高時(shí)，隨著剪切速率上升，剪切應(yīng)力降低幅度變小。

（3）在測(cè)試溫度范圍內(nèi)，剪切速率越高，剪切應(yīng)力越大，流體模型沒(méi)有發(fā)生明顯變化。

由圖4可以看出：

（1）在測(cè)試溫度范圍內(nèi)，低剪切速率下，表觀粘度較高。

（2）溫度較高時(shí)，隨著剪切速率上升，表觀粘度降低幅度變小。在溫度高于70℃的條件下，剪切速率大于500S-1時(shí)，表觀粘度趨于穩(wěn)定。在不高于110℃條件下，表觀粘度最低為50mPa.s，能很好滿足鉆井液攜帶巖屑能力。

4 根據(jù)流變方程預(yù)測(cè)表觀粘度方法建立及分析應(yīng)用

如何通過(guò)井口鉆井液的表觀粘度快速預(yù)測(cè)得到井下某一深度（溫度）鉆井液的表觀粘度,對(duì)于安全快速鉆井具有重大意義，尤其是超深井鉆井。

4.1 流變方程預(yù)測(cè)表觀粘度方法建立

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，在一定的溫度范圍內(nèi)，鉆井液保持塑性流體的特點(diǎn)。據(jù)資料顯示，當(dāng)壓力一定時(shí)，塑性流體的表觀粘度對(duì)數(shù)與溫度的倒數(shù)成較好的線性關(guān)系，即：

式（3）、（4）中的a、T0均由實(shí)驗(yàn)確定。

4.2 鉆井液表觀粘度-溫度方程建立與準(zhǔn)確度評(píng)價(jià)

根據(jù)式（3），用線性回歸方法求出常數(shù)a=66.917，b=4.0447。帶入式（3），得出長(zhǎng)2-29井鉆井液粘度-溫度方程：

用式（5）預(yù)測(cè)長(zhǎng)2-29井不同溫度下的表觀粘度（剪切速率為170S-1），并與測(cè)量值對(duì)比，不同溫度表觀粘度實(shí)測(cè)、預(yù)測(cè)結(jié)果誤差分析。預(yù)測(cè)值和測(cè)量值吻合較好，相對(duì)誤差在5.0%以內(nèi)，能夠基本滿足鉆井現(xiàn)場(chǎng)表觀粘度預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度的要求，表明建立的預(yù)測(cè)模型可用。

5 結(jié)語(yǔ)

5.1 利用RS6000流變儀測(cè)試酒東油田長(zhǎng)2-29井鉆井液不同溫度下的流變性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在測(cè)試溫度范圍內(nèi)，相同剪切速率下，剪切應(yīng)力隨著溫度升高而降低，溫度較高時(shí)，隨著剪切速率上升，剪切應(yīng)力降低幅度變小；剪切速率越高，剪切應(yīng)力越大，流體模型沒(méi)有發(fā)生明顯變化。

5.2 溫度對(duì)鉆井液表觀粘度有較大的影響，低剪切速率下，表觀粘度較高。溫度較高時(shí)，隨著剪切速率上升，表觀粘度降低幅度變小。在溫度高于70℃的條件下，剪切速率大于500S-1時(shí)，表觀粘度趨于穩(wěn)定。

5.3 所建立的長(zhǎng)2-29井粘度-溫度流變方程能夠比較準(zhǔn)確的描述鉆井液在井下不同溫度段的表觀粘度的變化。

[1]鄢捷年鉆井液工藝學(xué)石油大學(xué)出版社.

[2]王富華，王瑞和等，高密度水基鉆井液高溫高壓流變性研究，石油學(xué)報(bào)，2010年3月.