稠油侵入對鉆井液流變性影響研究

許佳欣 馮惠

摘? 要：在欠平衡或近平衡鉆井中，經常發生稠油與鉆井液溢漏同存的問題。稠油侵入井筒，改變了鉆井液的物性，對井筒壓力精確預測帶來了很大困難。文章基于流變學基本原理，利用高溫高壓流變儀開展了不同溫壓條件下的稠油鉆井液混合流體的流變性測試，通過鉆井液稠油混合流體流變模型優選，總結了赫巴模式下的混合流體流變方程。該方程為精確建立稠油侵入井筒的復雜流動數學模型奠定物性研究基礎。

關鍵詞：稠油;鉆井液;流變性;赫巴模式

中圖分類號：TE254 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）32-0072-02

Abstract： In underbalanced or near balanced drilling， the problem of heavy oil and drilling fluid leakage often occurs. The invasion of heavy oil into the wellbore changes the physical properties of the drilling fluid and brings great difficulties to the accurate prediction of wellbore pressure. In this paper， based on the basic principle of rheology， the rheological properties of heavy oil drilling fluid mixed fluid under different temperature and pressure conditions are tested by using high temperature and high pressure rheometer， and the rheological model is optimized by drilling fluid heavy oil mixed fluid rheological model. The rheological equation of mixed fluid in Herschel-Buckley Model is summarized. The equation lays a foundation for the study of physical properties for the accurate establishment of the complex flow mathematical model of heavy oil invading wellbore.

Keywords： heavy oil; drilling fluid; rheology; Herschel-Buckley Model

1 概述

當欠平衡鉆井鉆至產層段時，產層內的油、氣等流體在井底負壓差下會流入井筒，油、氣的流入會使井底壓力發生變化，而井底壓力的變化將導致井底壓差的變化，進而影響地層流體的流入[1]。

同時，油、氣等侵入鉆井液后嚴重影響了鉆井液的性能并且造成了一系列問題。尤其針對稠油侵入，由于井底的高溫環境，稠油在鉆井液中以液態的形式四處分散，這種情況增加了鉆井液的液相黏度。當處于地面上的低溫環境時，稠油的狀態可能變為固態，使鉆井液固相含量增加，鉆井液內的摩擦力變大。上述原因對鉆井液的流變性造成了很大的影響，鉆井液黏度、切應力迅速增大，使鉆井開泵的過程變得困難，激動壓力和循環壓耗變大。另一方面由于稠油不斷地侵入鉆井液，鉆井液流變性能越來越差。在鉆井過程中，振動篩的位置跑漿狀況明顯;起下鉆時，稠油的侵入讓井筒內的鉆井液受到嚴重污染，使這部分鉆井液無法再繼續正常使用，大大增加了鉆井液的成本和消耗量。大量的稠油的排放讓鉆井液池遭受到污染，造成了嚴重的環境破壞，導致鉆井廢棄物變得更加難以處理[2]。伊朗雅達油田就發生過多次瀝青侵入井筒導致的停鉆事故[3-4]。

因此，研究侵入鉆井液對其流變性的影響將為建立精確井筒復雜流動數學描述奠定物性研究基礎。

2 流變學理論基礎

2.1 概述

流變學在廣義上就是研究物體的流動與形變，并考慮物體的內部結構隨著時間的延續發生變化的過程。根據不同的流變性，可將流體分為牛頓流體與非牛頓流體。石油工業中的鉆井液屬于無時變性純黏性非牛頓流體的范疇。

2.2 流變模式

根據非牛頓流體流動時剪切應力與剪切速率之間的關系，無時變性純黏性非牛頓流體的流變模式可以劃分為如下四種。

（1）賓漢模式

大多數鉆井液實測流變曲線一般為曲線，賓漢模式是一個直線方程，在低剪速率和高剪速率下，賓漢模式的計算值都將大于實測值。其本構方程如式（1）所示。

τ=τ0+ηpγ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中：τ-剪切應力，Pa;τ0-極限動切應力，Pa;ηp-塑性黏度，Pa·s;γ-剪切速率，s-1。

（2）冪律模式

冪律模式所描述的液體，隨著剪切速率γ的減少，液體的粘度趨于無窮大，隨著剪切速率γ的無限增加，液體便被剪切成沒有粘度的液體;在較高和較低剪切速率下冪律模式的計算值將小于實測值。其本構方程如式（2）所示。

τ=kγn? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

式中：k-稠度系數，Pa·sn;n-流性指數，無量綱。

（3）卡森模式

該模式能夠反映大多數鉆井液具有屈服應力這一特點;能夠描述鉆井液的剪切稀釋特性，但不能描述靜態粘度。其本構方程如式（3）所示。

（4）赫巴模式

該模式是一個三參數模式，是對賓漢模式和冪律模式的修正，可以反映體系所具有的屈服應力和剪切稀釋特性，所描述的流變曲線是單調增加的。其本構方程如式（4）所示。

τ=τy+Kγn? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

式中：τy-赫謝爾-巴克萊爾屈服值，Pa。

3 稠油與鉆井液混合流體的流變性測試

3.1 實驗目的與實驗過程

稠油侵入鉆井液后隨著鉆井液循環至地面，在井筒中隨著機械攪拌作用下分散于鉆井液中，鉆井液的流變性發生改變。此實驗主要研究在不同溫度壓力下，侵入稠油后鉆井液的流變參數變化趨勢，為預測井下鉆井液流變性提供數據支撐。

將鉆井液樣品裝入高溫高壓樣品釜中，將壓力升至設定壓力，再升溫至設定溫度并恒溫10min。以不同轉速對鉆井液進行剪切，轉速分別選用600、300、200、100、6、3r/min，每個轉速下剪切時間120s，記錄不同轉速下的剪切應力。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。

3.2 實驗分析

不同溫度下，剪切速率與剪切應力的關系曲線如圖1所示。

從圖1可知，隨著溫度升高，同剪切速率下剪切應力逐漸降低;低剪切速率下，剪切應力受溫度影響較小，隨著剪切速率升高，剪切速率對剪切應力的影響逐漸增加。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。

不同壓力下，剪切速率與剪切應力的關系曲線如圖2所示。從圖中可知，相同剪切速率下，鉆井液剪切應力隨著壓力升高而逐漸增高，增加幅度較小，鉆井液表觀黏度隨著壓力的不斷升高而逐漸升高。鉆井液的剪切應力隨著壓力的升高而增大，低剪切速率下的剪切應力受壓力的影響很小，高剪切速率下剪切應力的增幅越來越大。溫度是影響鉆井液流變性的主要因素，且溫度對流變性的影響程度要遠大于壓力。

3.3 鉆井液稠油混合流體流變模型優選及流變方程擬合

評價這些模型的準則主要有：在不同的剪切速率下、理論計算值和實測值較符合;對于不用的流道，所建立的壓降模型精確和實用，此外具有通用性，能更好的適用于各種類型的非牛頓流體[5，6]。

將不同壓力（高壓）下的實驗數據帶入到四種流變模式中進行擬合，如圖3所示。

由圖3可知，卡森模式和赫巴模式都能較好的擬合出鉆井液高壓下流變特性，但是赫巴模式擬合系數更接近于1，擬合相關性更好，所以用赫巴模式來描述鉆井液在高壓下的流變性。根據H-B模式的流變擬合方程τ=a+bγc，擬合結果如式（5）所示。

流變方程擬合結果為：

τ=9.1633+1.0755γ0.495（5）

4 結論

（1）稠油侵入鉆井液對鉆井液的流變性能影響很大。

（2）相同剪切速率下，鉆井液和稠油混合流體的動切力和塑性黏度及表觀黏度均隨著溫度升高而降低;混合流體的剪切應力隨著壓力升高而逐漸增高，表觀黏度隨著壓力的不斷升高而逐漸升高，但增加幅度較小。溫度是影響鉆井液流變性的主要因素，且溫度對流變性的影響程度要遠大于壓力。

（3）采用赫巴模式能夠更好的描述混合流體在高溫高壓下的流變關系，該流變方程為精確建立稠油侵入井筒的復雜流動數學模型奠定物性研究基礎。

參考文獻：

[1]汪志明，平立秋，王璽，等.欠平衡鉆井油氣藏與井筒耦合模型[J].石油勘探與開發，2009，36（5）：646-649.

[2]何青水.伊朗Y油田瀝青質稠油侵入鉆井液處理技術[J].科學技術與工程，2014，14（31）：37-41.

[3]肖超，侯立中，薛玉志，等.伊朗雅達油田復雜地層鉆井液技術[J].鉆井液與完井液，2012，29（5）：40-43.

[4]趙向陽，孟英峰，侯緒田，等.瀝青質稠油與鉆井液重力置換規律與控制技術[J].石油鉆采工藝，2016，38（05）：622-627.

[5]沈崇裳，劉鶴年.非牛頓流體力學及其應用[M].北京：高等教育出版社，1989：169-182.

[6]鄢捷年，趙雄虎.高溫高壓下油基鉆井液的流變特性[J].石油學報，2003，24（3）：104-109.

作者簡介：許佳欣（1996-），男，在讀碩士，研究方向：井筒多相流。