專(zhuān)利名稱(chēng)：異型管式鉆井液流變性測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于鉆井液流變性測(cè)量領(lǐng)域，尤其是涉及一種異型管式鉆井液流變性測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
鉆井液的流變性一般包括流體的粘度、靜切力、動(dòng)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(I)鉆井液攜帶鉆屑、清潔井眼的能力；(2)懸浮能力；(3)對(duì)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(cè)量研究一直深受重視。目前流變性的測(cè)量方法有很多種，如管流法、旋轉(zhuǎn)法、落球法、圓盤(pán)法、振動(dòng)法等。其中旋轉(zhuǎn)法和管流法是鉆井液流變性測(cè)量的常用方法。旋轉(zhuǎn)法測(cè)量鉆井液粘度是目前應(yīng)用較廣泛的一種方法。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(dòng)時(shí)，物體將受到流體粘性力矩的作用而改變?cè)瓉?lái)的轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩，通過(guò)測(cè)量流體作用于物體的粘性力矩或物體的轉(zhuǎn)速來(lái)確定流體的粘度。旋轉(zhuǎn)法適用范圍寬，測(cè)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(duì)現(xiàn)場(chǎng)鉆井液的流變性遙測(cè)裝置進(jìn)行了研究，他們研制的遙測(cè)裝置的主要原理是一個(gè)力矩電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)動(dòng)，根據(jù)旋轉(zhuǎn)速度和力矩測(cè)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(cè)定流體粘度，但是只能測(cè)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(lái)了一定的困難。2008年A.Saasen等人采用了能在不同剪切速率下測(cè)量粘度的Couette (庫(kù)愛(ài)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效率問(wèn)題。所以要使用旋轉(zhuǎn)法來(lái)自動(dòng)測(cè)量鉆井液流變性還存在很多問(wèn)題需要解決，難以實(shí)現(xiàn)目前鉆井液流變性在線測(cè)量。管流法也是流變性測(cè)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(guò)給定毛細(xì)管所需時(shí)間正比于層流液體的粘度。因此，通過(guò)測(cè)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(jiǎn)單，價(jià)格較低，溫度控制簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)操作方便，能夠進(jìn)行粘度的絕對(duì)測(cè)量，因此毛細(xì)管法是一種有吸引力的測(cè)量方法。1991年，專(zhuān)利CN2085960曾經(jīng)提出了一種毛細(xì)管流變儀用于測(cè)量鉆井液的流變性，其特征在于:差壓測(cè)量系統(tǒng)由狹縫式毛細(xì)管和一個(gè)安裝在該毛細(xì)管器壁上的壓力傳感器組成。但是這種方法由于壓力傳感器的引壓孔太細(xì)，測(cè)量含有顆粒且有觸變性的鉆井液時(shí)，容易堵塞引壓孔，致使壓力傳 感器靈敏度降低甚至失去作用。1992年，專(zhuān)利CN 2114159U提出了一種多根毛細(xì)管粘度計(jì)，這種毛細(xì)管粘度計(jì)由氮?dú)馄?、流體罐、輸入管道、輸出管道、流出容器、不同直徑的毛細(xì)管及液體罐上的壓力傳感器等組成。該儀器可以在同一壓力下測(cè)定不同剪切速率下的粘度，可以大大節(jié)約測(cè)量時(shí)間。但是這類(lèi)儀器均存在不同程度的端部效應(yīng)。再就是這種方法使用的毛細(xì)管的斷面為圓形，而且管徑較細(xì)，很各易引起鉆井液中的顆粒堵塞。隨著石油鉆井工程自動(dòng)化程度的提高，鉆井液性能的自動(dòng)化監(jiān)控技術(shù)越來(lái)越受到重視，特別是對(duì)鉆井液流變性在線測(cè)量技術(shù)的需求更加迫切。要實(shí)現(xiàn)鉆井液流變性自動(dòng)化在線測(cè)量技術(shù)，其關(guān)鍵在于測(cè)定鉆井液流變性的方法。目前常規(guī)的鉆井液流變性測(cè)試方法，不管是旋轉(zhuǎn)法還是管流法都不能滿足現(xiàn)場(chǎng)鉆井液流變性自動(dòng)化測(cè)量的需要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了克服上述缺陷，提供一種操作簡(jiǎn)便，測(cè)量準(zhǔn)確，可用于現(xiàn)場(chǎng)鉆井液的流變性自動(dòng)化在線測(cè)量的異型管式鉆井液流變性測(cè)量方法。本發(fā)明的技術(shù)方案是:首先把鉆井液以不同的流量通過(guò)斷面為平橢圓環(huán)的異型毛細(xì)管，其次用平面膜壓力傳感器測(cè)量離異型管兩端一段距離的兩測(cè)壓點(diǎn)之間的壓力損耗，第三是根據(jù)不同流量和損耗壓力計(jì)算η值；第四是根據(jù)流量、異型管的平橢圓環(huán)流動(dòng)斷面面積和平橢圓環(huán)隙厚度以及η值計(jì)算不同流量時(shí)的剪切速率；第五是根據(jù)測(cè)量點(diǎn)之間的管長(zhǎng)、平橢圓環(huán)面積和平橢圓環(huán)隙的側(cè)面積以及兩測(cè)壓點(diǎn)之間的壓力損耗計(jì)算不同流量時(shí)的動(dòng)切力值；最后用不同流量下的剪切速率和切應(yīng)力值計(jì)算鉆井液的流變參數(shù)。發(fā)明的優(yōu)化方案是包括構(gòu)建異型管，測(cè)量異型管幾何參數(shù)，初定鉆井液流量，測(cè)量實(shí)際流量及壓耗，計(jì)算η值，校正速度梯度，計(jì)算切應(yīng)力值，判斷流型，計(jì)算流變參數(shù)，記錄試驗(yàn)結(jié)果。其中:構(gòu)建異型管:由平橢圓管和平橢圓柱插接后之間形成一個(gè)平橢圓環(huán)隙；在平橢圓管壁上安裝兩個(gè)齊平膜壓力傳感器，齊平膜壓力傳感器分別距離平橢圓管兩端10倍水力直徑以上的距離；測(cè)量異型管幾何 參數(shù):首先測(cè)量平橢圓管內(nèi)壁形成的平橢圓斷面的兩個(gè)半圓半徑A和公切線長(zhǎng)度b ;其次測(cè)定平橢圓柱外壁形成平橢圓斷面的兩個(gè)半圓的半徑1*2 ;第三測(cè)量異型管壁上兩個(gè)齊平膜壓力傳感器的中心距離L ;然后根據(jù)這些參數(shù)計(jì)算平橢圓環(huán)隙間距δ和平橢圓環(huán)的面積a ;最后根據(jù)平橢圓環(huán)隙的幾何尺寸計(jì)算平橢圓環(huán)隙的側(cè)面積s ；δ = T1-T2a = (rX) +2b (r「r2)s = 2 r^+2 π r2L初定鉆井液流量:按照要求的速度梯度Y初步確定至少三個(gè)實(shí)驗(yàn)流量Q，然后根據(jù)確定的流量，將鉆井液泵入異型管中；Q =測(cè)量實(shí)際流量及壓耗:用流量計(jì)準(zhǔn)確測(cè)量前述實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的流量q，并用齊平膜壓力傳感器測(cè)量每個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的壓力損耗Λρ ;計(jì)算η值:作壓力損耗的對(duì)數(shù)值與測(cè)量流量的對(duì)數(shù)值的關(guān)系曲線，IgAp--1gq,線性回歸，求取斜率η值；校正速度梯度:用流量和異型管幾何參數(shù)δ和a計(jì)算速度梯度，并用η值校正；
權(quán)利要求
1.異型管式鉆井液流變性測(cè)量方法，其特征是:把鉆井液以不同的流量通過(guò)斷面為平橢圓環(huán)的異型毛細(xì)管，用平面膜壓力傳感器測(cè)量離異型管兩端一段距離的兩測(cè)壓點(diǎn)之間的壓力損耗，根據(jù)不同流量和損耗壓力計(jì)算η值，根據(jù)流量、異型管的平橢圓環(huán)流動(dòng)斷面面積和平橢圓環(huán)隙厚度以及η值計(jì)算不同流量時(shí)的剪切速率，根據(jù)測(cè)量點(diǎn)之間的管長(zhǎng)、平橢圓環(huán)面積和平橢圓環(huán)隙的側(cè)面積以及兩測(cè)壓點(diǎn)之間的壓力損耗計(jì)算不同流量時(shí)的動(dòng)切力值，用不同流量下的剪切速率和切應(yīng)力值計(jì)算鉆井液的流變參數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的異型管式鉆井液流變性測(cè)量方法，其特征是包括構(gòu)建異型管，測(cè)量異型管幾何參數(shù)，初定鉆井液流量，測(cè)量實(shí)際流量及壓耗，計(jì)算η值，校正速度梯度，計(jì)算切應(yīng)力值，判斷流型，計(jì)算流變參數(shù)，記錄試驗(yàn)結(jié)果；其中: 構(gòu)建異型管:由平橢圓管和平橢圓柱插接后之間形成一個(gè)平橢圓環(huán)隙；在平橢圓管壁上安裝兩個(gè)齊平膜壓力傳感器，齊平膜壓力傳感器分別距離平橢圓管兩端10倍水力直徑以上的距離； 測(cè)量異型管幾何參數(shù):首先測(cè)量平橢圓管內(nèi)壁形成的平橢圓斷面的兩個(gè)半圓半徑!^和公切線長(zhǎng)度b ;其次測(cè)定平橢圓柱外壁形成平橢圓斷面的兩個(gè)半圓的半徑1"2 ;第三測(cè)量異型管壁上兩個(gè)齊平膜壓力傳感器的中心距離L ;然后根據(jù)這些參數(shù)計(jì)算平橢圓環(huán)隙間距δ和平橢圓環(huán)的面積a ;最后根據(jù)平橢圓環(huán)隙的幾何尺寸計(jì)算平橢圓環(huán)隙的側(cè)面積s ；δ = rrr全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種操作簡(jiǎn)便，測(cè)量準(zhǔn)確，可用于現(xiàn)場(chǎng)鉆井液的流變性自動(dòng)化在線測(cè)量的異型管式鉆井液流變性測(cè)量方法。發(fā)明的技術(shù)方案是包括構(gòu)建異型管，測(cè)量異型管幾何參數(shù)，初定鉆井液流量，測(cè)量實(shí)際流量及壓耗，計(jì)算n值，校正速度梯度，計(jì)算切應(yīng)力值，判斷流型，計(jì)算流變參數(shù)，記錄試驗(yàn)結(jié)果。本發(fā)明涉及的異型管式鉆井液流變性測(cè)量方法解決了常規(guī)管流法在測(cè)量鉆井液時(shí)存在的問(wèn)題，提高了測(cè)量精度，操作簡(jiǎn)便，可用于現(xiàn)場(chǎng)鉆井液的流變性自動(dòng)化在線測(cè)量。
文檔編號(hào)G01N11/08GK103076263SQ20121005268
公開(kāi)日2013年5月1日 申請(qǐng)日期2012年2月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月25日
發(fā)明者劉保雙, 王中杰, 李公讓, 喬軍 申請(qǐng)人:中國(guó)石油化工股份有限公司, 中國(guó)石化集團(tuán)勝利石油管理局鉆井工藝研究院