專利名稱：一種變徑管式鉆井液流變性測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種變徑管式鉆井液流變性測量方法，尤其適合于現(xiàn)場鉆井液的流變性在線檢測。
背景技術(shù)：
流變學(xué)是研究物質(zhì)流動和變形的一門科學(xué)，鉆井液流變學(xué)的研究是流變學(xué)的一個重要方面。鉆井液的流變性一般包括流體的粘度、靜切力、動切力和剪切稀釋特性等。這些流變性的掌握和調(diào)整，與提高鉆井速度和井下安全有很重要的關(guān)系。鉆井液流變性關(guān)系到 (1)鉆井液攜帶鉆屑、清潔井眼的能力；⑵懸浮能力；(3)對井壁的穩(wěn)定作用；(4)鉆井參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)——鉆頭水馬力設(shè)計(jì)和循環(huán)壓耗的計(jì)算等等。所以鉆井液流變學(xué)及流變性的測量研究一直深受重視。目前流變性的測量方法有很多種，最常用的方法有管流法、旋轉(zhuǎn)法、落球法、圓盤法、振動法等。其中旋轉(zhuǎn)法和管流法是鉆井液流變性測量的常用方法。旋轉(zhuǎn)法測量鉆井液粘度是目前應(yīng)用廣泛的一種方法。其基本原理是當(dāng)流體與浸于其中的物體二者之一或者二者都作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時，物體將受到流體粘性力矩的作用而改變原來的轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩，通過測量流體作用于物體的粘性力矩或物體的轉(zhuǎn)速來確定流體的粘度。旋轉(zhuǎn)法適用范圍寬，測量方便，易得到大量的數(shù)據(jù)，但是存在很多局限性。西安石油學(xué)院的景天佑等人早在1989年就對現(xiàn)場鉆井液的流變性遙測裝置進(jìn)行了研究，他們研制的遙測裝置的主要原理是一個力矩電機(jī)帶動轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)動，根據(jù)旋轉(zhuǎn)速度和力矩測定值計(jì)算出流變性參數(shù)。該論文還論證了單轉(zhuǎn)筒粘度計(jì)，雖然在理論上可以測定流體粘度，但是只能測定低剪切速率下的粘度，在實(shí)際鉆井中，流體的速度梯度往往很高，這就要求調(diào)幅范圍很寬的直流力矩電機(jī)，給實(shí)際電機(jī)選用帶來了一定的困難。2008年A. Masen等人采用了能在不同剪切速率下測量粘度的Couette (庫愛特) 粘度計(jì)，這種粘度計(jì)是控制轉(zhuǎn)速的雙筒粘度計(jì)。而雙筒式旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)則存在內(nèi)外桶之間鉆井液的頂替問題。所以要使用旋轉(zhuǎn)法來連續(xù)測量鉆井液流變性還存在很多問題需要解決， 難以實(shí)現(xiàn)目前鉆井液流變性在線測量。管流法也是流變性測量的一種常用方法，這種方法的原理是哈根 泊肅葉定律，即一定體積的液體在一定壓力梯度下通過給定毛細(xì)管所需時間正比于層流液體的粘度。因此，通過測量液體流速和液體流經(jīng)毛細(xì)管產(chǎn)生的壓力差即可得液體粘度。毛細(xì)管粘度計(jì)制造簡單，價格較低，溫度控制簡單，實(shí)驗(yàn)操作方便，能夠進(jìn)行粘度的絕對測量，因此毛細(xì)管法是一種有吸引力的測量方法。1991年，專利CN2085960曾經(jīng)提出了一種毛細(xì)管流變儀用于測量鉆井液的流變性，其特征在于差壓測量系統(tǒng)由狹縫式毛細(xì)管和一個安裝在該毛細(xì)管器壁上的壓力傳感器組成。但是，這種儀器只能改變不同流量才能變換速度梯度和壓力損耗，不能同時實(shí)現(xiàn)不同速度梯度下剪切應(yīng)力的測量，因此不能從本質(zhì)上實(shí)現(xiàn)流變性的連續(xù)測量。2002年，專利GOlNl 1/06提出的毛細(xì)管粘度計(jì)，這種毛細(xì)管粘度計(jì)，主要用來測定運(yùn)動粘度?？傊F(xiàn)有的毛細(xì)管粘度計(jì)只能實(shí)現(xiàn)單一流速下的表觀粘度的測量，如果要測定不同速度梯度下的流變性，就需變化流量，因此不能連續(xù)測量非牛頓流體瞬時流變性。而且，傳統(tǒng)的毛細(xì)管粘度計(jì)容易被小顆粒物堵塞。當(dāng)前，隨著石油鉆井工程自動化程度的提高，鉆井液性能的自動化監(jiān)控技術(shù)越來越受到重視，特別是對鉆井液流變性在線測量技術(shù)的需求更加迫切。要實(shí)現(xiàn)鉆井液流變性自動化在線測量技術(shù)，其關(guān)鍵在于連續(xù)測定鉆井液流變性及其變化的方法。目前常規(guī)的鉆井液流變性測試方法，不管是旋轉(zhuǎn)法還是毛細(xì)管法都不能滿足連續(xù)測量鉆井液流變性的需要。因?yàn)槌Ｒ?guī)毛細(xì)管法只能測定單一速度梯度下的表觀粘度，或者必須逐次改變流動速度來實(shí)現(xiàn)流變性測量，要測定一套流變曲線需要時間較長，因此鉆井液流變性的變化很難迅速測出；而旋轉(zhuǎn)法測量流變性時又存在內(nèi)外筒之間鉆井液的頂替效率問題；因此，現(xiàn)有流變性測量方法很難實(shí)現(xiàn)鉆井液流變性連續(xù)測量，為了克服上述缺陷，本發(fā)明提供了一種變徑管式鉆井液流變性測量方法。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有以下優(yōu)點(diǎn)操作簡便，可實(shí)現(xiàn)鉆井液的流變性連續(xù)測量。

發(fā)明內(nèi)容
現(xiàn)有流變性測量方法很難實(shí)現(xiàn)鉆井液流變性連續(xù)測量，因?yàn)槌Ｒ?guī)毛細(xì)管法只能測定單一速遞梯度下的表觀粘度，或者必須逐次改變流動速度來實(shí)現(xiàn)流變性測量，要測定一套流變曲線需要時間較長，因此鉆井液流變性的變化很難迅速測出；而旋轉(zhuǎn)法測量流變性時又存在內(nèi)外筒之間鉆井液的頂替效率問題。為了克服常規(guī)流變性測量方法的不足，本發(fā)明專利提供了一種變徑毛細(xì)管測試方法。本專利公開的方法所采用的技術(shù)方案是利用2 20段不同直徑的細(xì)管組成變徑管，在流量相同的情況下，在不同直徑的管段產(chǎn)生不同的流速；然后根據(jù)流速和細(xì)管的幾何尺寸計(jì)算出不同直徑管段的速度梯度；通過壓差計(jì)測量不同直徑管段壓差，根據(jù)細(xì)管幾何尺寸和壓力損耗計(jì)算出不同直徑管段的剪切應(yīng)力；最后根據(jù)不同速度梯度下的剪切應(yīng)力計(jì)算被測鉆井液的流變性參數(shù)。本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)是該測試方法從根本上改變現(xiàn)有鉆井液流變性測量模式，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)測量流體的流變特性，該發(fā)明有利于實(shí)現(xiàn)鉆井液流變性參數(shù)的在線測量，提高了鉆井液流變性等參數(shù)的測量效率，對鉆井生產(chǎn)過程中鉆井液性能的在線控制和調(diào)節(jié)具有重要意義。


圖1是根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施方式的變徑管式鉆井液流變性測量方法流程簡圖；圖2是圖1所示的方法步驟102所構(gòu)建的變徑管系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是第一個實(shí)施例所構(gòu)建的變徑管系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖；圖4是第一個實(shí)施例的測量結(jié)果——流變曲線示意圖；圖5是第二個實(shí)施例，所構(gòu)建的變徑管系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖；圖6是第二個實(shí)施例的一個測量結(jié)果——流變曲線示意圖。
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)的描述。圖1是按照本發(fā)明一實(shí)施方式的變徑管式鉆井液流變性測量方法流程簡圖，該流程開始于步驟101。然后，在步驟102，構(gòu)建變徑管系統(tǒng)。圖2示出了變徑管系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成，在圖2中，變徑管(205)是由2 20節(jié)不同直徑的細(xì)管串聯(lián)而成，不同直徑的細(xì)管用錐形接頭相連。變徑管系統(tǒng)由恒流泵001)、緩沖器202、流量計(jì)203、壓差計(jì)組204和變徑管205組成。恒流泵、緩沖器、流量計(jì)和變徑管依次串聯(lián)，壓差計(jì)組中的各壓差計(jì)分別接在變徑管各節(jié)管的兩個測壓點(diǎn)上。為了減少管流的端邊效應(yīng)，測壓點(diǎn)應(yīng)離開各節(jié)細(xì)管端點(diǎn)10倍管徑以上的距離。圖1中的步驟103是由恒流泵201和緩沖器202聯(lián)合實(shí)現(xiàn)的。恒流泵201可以是兩缸以上的柱塞泵、螺桿泵、離心泵等；緩沖器可以具有一定彈性的容器組成，以減小泵的壓力激動，以便提供給便徑管系統(tǒng)更加穩(wěn)定的流量。圖1中的步驟104，是用計(jì)時器記錄測試流變性的時刻。圖1中的步驟105，是用流量計(jì)準(zhǔn)確測量變徑管系統(tǒng)內(nèi)的體積流量q。圖1中的步驟106，是用多個壓力計(jì)測量不同直徑管段上兩測壓點(diǎn)之間的壓力差
Apffl(m= 1,2,......,20 ；其中m為變徑管的細(xì)管節(jié)數(shù))，或者一定長度的不同直徑管段上
的壓力損耗。測量壓差的壓差計(jì)也可以采用兩一對力表或一對壓力傳感器。圖1中的步驟107，是用流量q和不同管段的直徑計(jì)算不同管段的速度梯度Ym(m =1,2,......，20其中m為變徑管的細(xì)管節(jié)數(shù))。圖1中的步驟108，是根據(jù)各管段管內(nèi)的沿程壓力損耗ΔΡω和各管段的橫截面積計(jì)算出各管段流體對管壁的切力，然后根據(jù)管壁的切力和管壁側(cè)面積計(jì)算各管段切應(yīng)力值。圖1中的步驟109，是根據(jù)若干個(m個)速度梯度下的剪切應(yīng)力值，在切應(yīng)力一速度梯度座標(biāo)上，對賓漢模式和冪律模式進(jìn)行曲線擬合，求出關(guān)聯(lián)系數(shù)，根據(jù)關(guān)聯(lián)系數(shù)判斷鉆井液更接近于何種流型。圖1中的步驟110，是如果符合賓漢模式，則計(jì)算出塑性粘度和動切力。圖1中的步驟111，是如果流型更接近于冪律流體，則計(jì)算出流型指數(shù)和稠度系數(shù)。圖1中的步驟107 111也可以改為測量流量q和不同管徑段的壓力損失后，根據(jù)變徑毛細(xì)管不同直徑管段的幾何參數(shù)和壓力損耗，按賓漢流體的管內(nèi)流壓力損失方程和冪律流體的管內(nèi)流壓力損失方程，用最小二乘法求出塑性粘度、動切力、流性指數(shù)和稠度系數(shù)的最優(yōu)解。圖1中的步驟112，是記錄測量時刻的流變參數(shù)。圖1中的113步驟，是根據(jù)需要設(shè)定下一次測量的時刻，之間的時刻間隔可長可短，可以定時測量，也可以隨意測量。圖1中的步驟114，是根據(jù)測量的需要，決策是繼續(xù)測量還是結(jié)束測量的一個步
馬聚ο流程結(jié)束于步驟115。雖然結(jié)合附圖描述了本發(fā)明的實(shí)施方式，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)作出各種變形和修改。實(shí)施例1 在圖3的實(shí)施例中，用恒流泵(301)和阻尼器(302)結(jié)合，提供無脈沖的流量，并用流量計(jì)(30 準(zhǔn)確測定流體的流量q;用半徑分別！^和巧的兩節(jié)毛細(xì)管(306 和307)串聯(lián)，組成變徑管，以實(shí)現(xiàn)不同的流動速度vm(m = 1，幻；根據(jù)各節(jié)變徑管的流動速度Vm和各節(jié)變徑管的直徑計(jì)算出兩節(jié)變徑管壁上的速度梯度Y1和Y2;用壓差計(jì)(304和 305)測量分別第一節(jié)和第二節(jié)變徑管在AL1和AL2管程內(nèi)的壓力損耗Δρ2，根據(jù)兩節(jié)變徑管的半徑巧和巧、長度Δ L1和Δ L2、以及壓力損耗Δ Ρ2計(jì)算兩節(jié)管壁上的剪切應(yīng)力值^和τ2。根據(jù)不同速度梯度Y1和Y2時的剪切應(yīng)力值^和τ2，計(jì)算表觀粘度na、塑性粘度ηρ、動切力τ ^、流性指數(shù)η和稠度系數(shù)K。第一個實(shí)施例的流變性測試結(jié)果見圖3。實(shí)施例2 在圖5的實(shí)施例中，用恒流泵(501)和阻尼器(502)結(jié)合，提供無脈沖的流量，并用流量計(jì)(503)準(zhǔn)確測定流體的流量q;用半徑分別rpi^ivivivA的六節(jié)毛細(xì)管(516、517、518、519、520、521)組成變徑管，以實(shí)現(xiàn)不同的流動速度vn(n = 1,2,3,4,5,6) 和速度梯度h、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6;用壓力計(jì)(504和505)測量第一節(jié)毛細(xì)管內(nèi)的AL1 管程內(nèi)的壓力損耗ΔP1，用壓力計(jì)(506和507)測量第二節(jié)毛細(xì)管的AL2管程內(nèi)的壓力損耗Δ Ρ2，用壓力計(jì)(508和509)測量第三節(jié)毛細(xì)管內(nèi)Δ L3管程內(nèi)的壓力損耗Δρ3，用壓力計(jì) (510和511)測量第四節(jié)毛細(xì)管內(nèi)在AL4管程內(nèi)的壓力損耗Δρ4，用壓力計(jì)(512和513) 測量第五節(jié)毛細(xì)管內(nèi)在AL5管程內(nèi)的壓力損耗Δρ5，用壓力計(jì)(514和51 測量第六節(jié)毛細(xì)管內(nèi)AL6管程內(nèi)的壓力損耗Δρ6;根據(jù)賓漢流體管內(nèi)流壓力損耗公式(方程1)建立矛盾方程組，解出塑性粘度(μρ)和動切力(τ。)；根據(jù)冪律流體管內(nèi)流壓力損耗公式(方程 2)建立矛盾方程組，解出流性指數(shù)(η)和稠度系數(shù)(k)。第二個實(shí)施例的流變性測試結(jié)果如圖所示。
權(quán)利要求
1.一種變徑管式鉆井液流變性測量方法，屬于管流式流變性測量方法，其特征在于包括一下步驟組成變徑管和構(gòu)建變徑管系統(tǒng)；體系中鉆井液流量的穩(wěn)定；用流量計(jì)實(shí)時測量體積流量；用壓差計(jì)實(shí)時測量不同直徑管段的壓力損耗；根據(jù)體系鉆井液的流量、不同直徑管段的直徑和長度、不同直徑管段的壓力損耗計(jì)算被測鉆井液的流變參數(shù)；實(shí)時測量并計(jì)算鉆井液的流變參數(shù)，連續(xù)測量鉆井液流變性的變化。
2.按權(quán)利要求1所述的一種變徑管式鉆井液流變性測量方法，其特征在于，所述的變徑管是利用2 20節(jié)不同直徑細(xì)管串聯(lián)而形成的，變徑管是通過變化細(xì)管直徑，來調(diào)整細(xì)管中流動速度的變化，從而測量不同速度梯度下的切應(yīng)力，計(jì)算鉆井液流變性參數(shù)的。
3.按權(quán)利要求1所述的一種變徑管式鉆井液流變性測量方法，其特征在于，所述的變徑管系統(tǒng)由恒流泵、緩沖器、流量計(jì)、壓差計(jì)組、變徑管組成；在變徑管的不同直徑段，可同時產(chǎn)生不同的速度梯度和壓力損耗，因此可以實(shí)時測量鉆井液流變性及其變化。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種變徑管式鉆井液流變性測量方法，其特征在于，變徑管系統(tǒng)將恒流泵、緩沖器、流量計(jì)、變徑毛細(xì)管依次串聯(lián)，有利于管道的清洗。
5.按權(quán)利要求1或2所述的一種變徑管式鉆井液流變性測量方法，其特征在于，所述的流變性參數(shù)計(jì)算，是根據(jù)變徑毛細(xì)管的不同直徑管段的流動速度計(jì)算不同管段的剪切速率，根據(jù)變徑管不同直徑段的壓力損耗，計(jì)算出相應(yīng)的切應(yīng)力值，根據(jù)不同剪切速率的剪切應(yīng)力，計(jì)算出鉆井液的流變參數(shù)。
6.按權(quán)利要求1和2所述的一種變徑管式鉆井液流變性測量方法，其特征在于，所述的流變性參數(shù)計(jì)算，是根據(jù)變徑管不同直徑管段的幾何參數(shù)和壓力損耗，按賓漢流體的管內(nèi)流壓力損失方程和冪律流體的管內(nèi)流壓力損失方程，用最小二乘法求出塑性粘度、動切力、 流性指數(shù)和稠度系數(shù)的最優(yōu)解。
7.按權(quán)利要求1所述的一種變徑管式鉆井液流變性測量方法，其特征在于，所述的系統(tǒng)管內(nèi)流量恒定方法是用恒流泵將鉆井液以一定的流量經(jīng)緩沖器泵入變徑毛細(xì)管的不同直徑管段中。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種變徑管式鉆井液流變性測量方法，其特征在于，所述的緩沖器可以減少整個系統(tǒng)的壓力激動，提高了流量計(jì)和壓力計(jì)的測量精度。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種變徑管式鉆井液流變性測量方法，尤其適合現(xiàn)場鉆井液的流變性于在線檢測。本方法由下列步驟完成用2～20段不同直徑細(xì)管的串聯(lián)組成變徑管系統(tǒng)；用恒流泵和緩沖器為變徑管系統(tǒng)提供穩(wěn)定的流量；根據(jù)流量和細(xì)管的橫截面積計(jì)算變徑管系統(tǒng)不同直徑段的流動速度；根據(jù)變徑管不同直徑段的流動速度和管徑計(jì)算不同直徑管段的速度梯度；通過壓差計(jì)檢測變徑管不同直徑段的壓力損耗；根據(jù)這些壓力損耗計(jì)算變徑管不同直徑段的切應(yīng)力值；根據(jù)不同速度梯度下的切力值即可計(jì)算出被測鉆井液的塑性粘度、動切力、流型指數(shù)和稠度系數(shù)等流變性參數(shù)。采用本方法可以在不變換流量的情況下，實(shí)時測量出鉆井液的流變性及其變化情況。
文檔編號G01N11/08GK102374960SQ20101024952
公開日2012年3月14日 申請日期2010年8月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月10日
發(fā)明者何興貴, 劉保雙, 唐代緒, 李公讓, 王忠杰, 隋旭強(qiáng), 馬云謙 申請人:中國石化集團(tuán)勝利石油管理局鉆井工藝研究院, 中國石油化工集團(tuán)公司