可壓縮流體密度測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

陳 鋮, 趙素麗, 石秉忠

(中國石油化工股份有限公司石油工程技術(shù)研究院 北京 100101)

0 引 言

隨著低壓低滲地層的開發(fā)和欠平衡技術(shù)的發(fā)展，對類似低密度鉆井液、低密度水泥漿等低密度流體的研究越來越多。由于大多數(shù)低密度流體都是將氣體引入其中，如充氣、泡沫、加入具有中孔結(jié)構(gòu)的減輕劑等，因此該類型流體在高壓下具有可壓縮性，導(dǎo)致壓力下密度的變化，從而影響鉆井工程作業(yè)的準(zhǔn)確性。

現(xiàn)有的流體密度測試主要多利用杠桿原理通過密度秤來測定，在常溫常壓下進(jìn)行，不能反映流體在高溫高壓條件下的真實(shí)密度。秦積舜等[1]設(shè)計(jì)了一種泡沫鉆井液密度測試儀，建立測定泡沫鉆井液密度-壓力-溫度關(guān)系的方法，雖然測定和分析了泡沫鉆井液密度與壓力溫度的關(guān)系，但是無法表征三者的共同作用，且這是一種完全手動(dòng)的裝置，無法保證每次測試的平行性，也不具備電腦記錄數(shù)據(jù)的功能。因此自主開發(fā)了一種可壓縮流體密度評價(jià)設(shè)備，該設(shè)備本著操作安全、方便、測試精度高等原則，可用于評價(jià)各種可壓縮流體在壓力0～60 MPa，溫度0～150 ℃下密度的變化情況。

1 工作原理及設(shè)計(jì)

1.1 測試原理

該設(shè)備的原理是利用公式ρ=m/V，固定試樣的質(zhì)量，通過測試體積的變化量，計(jì)算出密度的變化，同時(shí)通過計(jì)算機(jī)繪制數(shù)據(jù)曲線，反映密度的變化情況。

1.2 設(shè)計(jì)思路

將測試流體裝入固定的釜體當(dāng)中，釜體下部密封，上部為可移動(dòng)的活塞，通過活塞密封檢測流體與加壓介質(zhì)。由于釜體內(nèi)徑不可變，當(dāng)可壓縮流體試樣的體積在壓力溫度作用下發(fā)生變化時(shí)，活塞就會(huì)上下移動(dòng)，活塞上連有活塞桿，內(nèi)置位移傳感器，活塞位移的變化通過位移傳感器檢測其數(shù)值，從而計(jì)算出釜體內(nèi)液體的體積及密度，設(shè)備的工作原理如圖1所示。

圖1 可壓縮流體密度測試系統(tǒng)工作原理

由于該設(shè)備是高溫高壓設(shè)備，需保證操作的安全性，所有管線、油路等封閉在抗壓殼體中，使用時(shí)操縱殼體上的閥門即可完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)，保證實(shí)驗(yàn)操作人員的安全；由于對設(shè)備的承壓能力要求很高，釜體厚重，本設(shè)計(jì)采用固定釜體，方便操作的同時(shí)避免釜體變形。

傳統(tǒng)的加壓設(shè)備多采用外部對釜體加壓，內(nèi)外隔絕，傳感器反映的是外部加壓介質(zhì)的壓力。本設(shè)計(jì)的活塞桿不是實(shí)心的，有一通孔，通過這個(gè)通孔可以實(shí)現(xiàn)排氣，保證實(shí)驗(yàn)時(shí)活塞與流體液面接觸。活塞桿通孔上方連接壓力傳感器，從而保證測量的壓力為內(nèi)部試樣壓力，消除了由于活塞和釜體的摩擦對壓力的影響，使測量的壓力更準(zhǔn)確。

釜體包裹兩道管路，一路為電加熱管，用于控制釜體溫度；一路為水管線，可通冷凝水為釜體降溫。釜體下方的開口是放液口，下釜蓋可在需要的時(shí)候打開。釜體的組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2 測試實(shí)例

2.1 玻璃中空微珠低密度鉆井液密度測試

在配置低密度鉆井液中，經(jīng)常加入中空玻璃微珠作為減輕劑用于降低鉆井液的密度[2-3],但是在實(shí)際鉆進(jìn)過程中，受高速剪切、碰撞等作用，中空玻璃微珠會(huì)發(fā)生破碎，內(nèi)部的空氣釋放，從而造成密度改變。

2.1.1 測試樣的配置

配制低密度鉆井液，在基漿中加入美國3M公司的中空玻璃微珠HGS，試樣配方為：

圖2 釜體的結(jié)構(gòu)示意圖

(2%～3%)膨潤土+ 0.2%NaOH + (1%～2%)CMC + (0.1%～0.2%)XC + 10%HGS

混合體系的初始密度由式(1)計(jì)算得出:

(1)

其中，ρ為終密度；m1，m2分別為基漿與中空玻璃微珠的質(zhì)量；ρ1，ρ2分別為基漿與中空玻璃微珠的密度。

中空玻璃微珠的密度為0.63 g/cm3，基漿密度以1.00 g/cm3計(jì)，由(1)式計(jì)算得測試液的初始密度為0.95 g/cm3，同時(shí)利用密度秤測得密度為0.95 g/cm3，與計(jì)算結(jié)果相符。

2.1.2 測試步驟

1)將上述測試液體倒入釜體，放入活塞至接觸頁面，擰緊釜蓋；

2)活塞上部連接壓力傳感器，擰緊；隨后放置位移傳感器；

3)打開儀器，設(shè)置加溫程序；

4)開啟計(jì)算機(jī)軟件，輸入樣品的初始密度，開始測試；

5)打開加熱開關(guān)，升至指定溫度，并手動(dòng)加壓至指定壓力。

2.1.3 測試結(jié)果

通過計(jì)算機(jī)觀測密度變化曲線，獲得液體在溫度壓力下的密度變化情況。測得的密度曲線如圖3所示。

由曲線可以得出，溫度從室溫升高到100 ℃，壓力從常壓升高到55 MPa，在溫度和壓力變化過程中，密度曲線基本保持一條直線，有小幅上升，穩(wěn)定在1.00 g/cm3，這說明在測試液中有部分的中空玻璃微珠發(fā)生破碎，按照密度變化，玻璃本體密度以2.6 g/cm3計(jì)，算出玻璃微珠破碎率為48.8%。

圖3 玻璃中空微珠鉆井液密度隨溫度壓力變化曲線

2.2 充氣流體密度測試

鉆井中也會(huì)用在流體中充氣，形成泡沫的的方法降低流體的密度[4]，但氣體受壓力作用非常敏感，且難以表征其密度變化。利用本儀器也可測試這一類型的流體密度變化情況。

2.2.1 測試樣的配置

配制低密度泡沫鉆井液，試樣配方為：

4%膨潤土 + 0.2%HV-CMC + 0.6%發(fā)泡劑 + (0.1%～0.2%)XC；混合體系的初始密度密度由密度秤測出，泡沫鉆井液密度為0.54 g/cm3。

2.2.2 測試步驟

1)將上述測試液體倒入釜體，放入活塞至接觸頁面，擰緊釜蓋；

2)活塞上部連接壓力傳感器，擰緊；隨后放置位移傳感器；

3)打開儀器，設(shè)置加溫程序；

4)開啟計(jì)算機(jī)軟件，輸入樣品的初始密度，開始測試；

5)打開加熱開關(guān)，升至指定溫度，并手動(dòng)加壓至指定壓力。

2.2.3 測試結(jié)果

通過計(jì)算機(jī)觀測密度變化曲線，獲得液體在溫度壓力下的密度變化情況。測得的密度曲線如圖4所示。

由曲線可以得出，溫度從室溫升高到32℃，在溫度小幅升高的情況下，壓力從常壓升高到1 MPa，由于泡沫的抗壓性很差，在溫度和壓力變化過程中，密度曲線快速上升，在短時(shí)間內(nèi)從0.54 g/cm3上升到0.98 g/cm3，穩(wěn)定在0.98 g/cm3，這說明在測試液中絕大多數(shù)的泡沫發(fā)生破裂，說明泡沫的抗壓能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)差于玻璃微珠。

圖4 泡沫鉆井液密度隨溫度壓力變化曲線

3 結(jié) 論

可壓縮流體密度測試系統(tǒng)，可以測試在壓力下體積可變流體的密度變化情況，與現(xiàn)有設(shè)備不同的是，該系統(tǒng)可測定高溫高壓下密度的實(shí)時(shí)變化情況。通過利用低密度鉆井液體系進(jìn)行測試，該設(shè)備可以準(zhǔn)確的反應(yīng)出密度的變化情況，并生成數(shù)據(jù)圖表，在低密度鉆井液體系高溫高壓下的密度測試方面，形成了一套準(zhǔn)確快速的評價(jià)方法。