钻井液用流变仪测量的影响因素及研究进展

张 超 韩 成 黄凯文 魏安超 许发宾

(中海石油(中国)有限公司湛江分公司 广东 湛江 524057)

0 引 言

随着石油勘探开发向着深层发展，将会钻遇到更多复杂地层，钻井液流变性能的控制与维持问题日益突出。钻井液的流变性关系到井眼清洁、携岩性能、保持井眼规则。为确保深井、超深井的安全钻进，准确测量钻井液的流变性能显得十分重要。本文分析了钻井液流变性测量过程中的影响因素，总结了钻井液用流变仪研究进展。

1 流变仪测量影响因素

1.1 末端效应

钻井液常用的流变仪一般为同轴圆筒(Couette)旋转流变仪。末端效应就是待测流体作用于悬垂端面造成的附加黏性力矩，其作用相当于延长悬垂一定的长度。钻井液常用的六速旋转粘度计悬垂设计长度为38 mm，Kelessidis 通过计算流体对悬垂底部端面、上部圆锥部分、悬垂固定杆作用的力矩，分别相当于作用在长度为0.162 mm、1.724 mm、0.655 mm 的圆柱悬垂产生的力矩［1］。目前定量研究钻井液用的流变仪测量产生的末端效应研究较少。Gucuyener 针对悬垂端部几何设计做过研究，结果表明悬垂底部中空或是悬垂上下端面均为圆锥形的，测试结果误差均较大［2］。Kelessidis 用六速旋转粘度计测量非牛顿流体流变性时发现，当悬垂底部与测试杯底的间距小于API 标准距离28.2 mm 时，随着间距的减小，剪切应力显著增大，即末端效应较为严重［1］。

1.2 二次流与湍流

同轴圆筒旋转流变仪基于Couette 流假设设计的，Couette 流假设流体为等温稳定的平面层流，并且忽略流体重力及端部效应影响。这些假设与含固相颗粒的钻井液区别较大，悬垂转动的过程中固相颗粒撞击内筒，会导致不稳定的扭转。此外，当外筒绕着内筒旋转，流体惯性会导致一个较小的轴对称的二次流或湍流，因此会消耗一部分能量使得扭矩增大，因而测量的表观粘度也会增大［3、4］。

1.3 壁面滑移

壁面滑移是指流体与固体表面之间存在相对切向运动速度，影响待测液流变测量的准确性［5］。一般钻井液流变仪忽略壁面滑移的影响，但是在测量泡沫钻井液、高密度水基钻井液流变性时，存在较为严重的壁面滑移现象。泡沫钻井液循环时，管壁剪切应力较大，壁面处液膜的水在剪切作用下析出，该液层内存在较大的速度梯度，产生壁面滑移，导致测量值不能真实反映泡沫内部的实际剪切形态。Wang 通过实验发现高密度水基钻井液的壁面滑移速度与壁面剪切应力呈线性关系，当壁面剪切应力大于某一临界值后滑移才发生，而高密度水基钻井液壁面滑移的临界剪切应力很小，因而容易出现壁面滑移现象［6］。并且通过实验发现增大悬垂壁面的粗糙度，可在一定程度上抑制滑移的发生。

1.4 粘性发热

粘性发热由于粘性阻力做功而转化为热并滞留于流体中，致使其温度升高，从而影响流变性的测量［7］。粘性发热引起的升温与钻井液的粘度、体积、转速、测量间隙宽度、测试时间等有关。减小粘性发热对测量结果影响的主要办法有对外圆筒控温，减少测量间隙宽度、减小转速及缩测量时间等。

2 传统钻井液流变仪

2.1 漏斗粘度计

漏斗粘度计操作简单，是现场钻井液性能测量常用的工具。漏斗粘度计测量钻井液流动时间来判断流动性能，虽然反映了液体的流动性能，但并不能反映液体的流变性能［8］。

Matthew 把马氏漏斗测量的体积与时间的关系转化成剩余高度与时间的关系［9］，然后应用物质平衡方程及哈根-泊肃叶方程，计算出所测流体的粘度、切力的表达式。Chandan 根据马氏漏斗的几何尺寸计算出测量流体时的壁面剪切应力及剪切速率［10］，更能客观反应流体在低剪切速率下的粘度变化，并且相对于六速旋转粘度计得到的数据点多。还可通过残留在马氏漏斗粘度计管嘴的高度可计算出钻井液的动切力，具有较高的测量精度。

2.2 六速旋转粘度计

六速旋转粘度计是钻井液流变性能测试最常用的工具。待测流体处于悬垂和转筒之间的环形空间内，对于每一个固定的转速，转筒都是以恒定的转速旋转，转筒带动流体作用于悬垂，产生一个扭矩，使得同弹簧连接的定子旋转了一个相应角度，反应到刻度盘上为指针指示的读数，通过合适的计算公式计算可切力、流性指数和稠度系数等一系列技术参数。

但是由于钻井液在六速旋转粘度计同心圆柱中分布不均匀，因而剪切速率难以直接给出。Bourgoyne 和Apelblat 分别根据六速旋转粘度计［11、12］，剪切速率关于剪切应力的泰勒级数展开式的前两项、前三项，计算不同转速下的剪切速率，分别如方程(1)、方程(2)所示。

Vineet 针对同轴圆筒粘度计测量稳定等温线性层流流体［13］，提出剪切速率计算公式，如方程(3)所示。并且通过对比四种非牛顿流体的流变性测试结果，结果显示较方程(1)、(2)计算结果更加精确。

其中N 为六速粘度计转速，r/min;m 为钻井液流性指数。

3 高温高压/低温高压钻井液流变仪

3.1 高温高压流变仪

随着国内油气田勘探开发的不断深入，深井、超深井钻井数量持续增加。深井、超深井地层复杂，井下温度压力高，准确测量钻井液高温高压流变性显得非常重要。

美国Fann 公司长期致力于钻井液用高温高压流变仪的开发。主要产品有早期的Fann 50C/Fann 50SL 型高温高压流变仪和近期的Fann 70/Fann 75 型高温高压流变仪。Fann 50SL 流变仪工作原理:钻井液在由两个圆筒组成的环状间隙里，外筒以一定的转速转动带动环形孔间隙内钻井液跟着旋转，产生一个扭矩，使得内筒转过一个角度，测量这一角度，即可确定剪切应力值。

Fann 75 和Fann 70 是Fann 公司较为成熟的高温高压流变仪。压力由程序控制高压液压泵加压，整机既可单独工作，又可与计算机相连，Fann 公司设计的软件实现了对压力、温度和马达速度的全自动控制及对数据的全面处理以得到最终结果。并且Fann 75 型流变仪体积小巧，既可用于实验室，又可用钻井现场［14］。

美国Grace 公司也专门设计生产钻井液用高温高压流变性测量的流变仪，主要产品有M7400、M7500、M7600。其中M7600 型极高温高压全自动流变仪，测试温度最高可达316 ℃，压力最高可达276 MPa，是目前国内外测试压力和温度最高的流变仪，其在墨西哥湾高温高压井钻井液流变性测试得到成功应用［15］。

3.2 低温高压流变仪

随着世界能源需求的不断增长，石油的勘探开发不断向海洋深处拓展，根据一份关于海洋极端井况油气井的报告显示，自1982 至2012 年的30 年间，各作业公司在全球共钻了415 口海上高温高压井。而根据预测，近海极端井数量在十年内就将增加两倍。

海洋高温高压井使用的钻井液必须要经历低温环境，这种特殊的低温高压环境给钻井液流变性测量带来诸多挑战。室内和现场用于评价钻井液流变特性的流变仪但都存在一定的局限性。比广泛应用的ZNN-6 型六速旋转粘度计只适用于室温常压条件下流变性的测定;Fann 50 高温高压流变仪可用于测定高温高压条件下钻井液的流变参数，但无法实现低温条件钻井液流变性的测定。

OFITE 公司研制生产了全自动高温高压流变仪，该流变仪的测试系统压力达207 MPa，温度最高至260℃的条件，并且制冷系统可使测试温度低于0℃，剪切速率范围在0.01 s-1～1700 s-1。根据剪切力、剪切速率、时间和温度等参数完成钻井液等溶液的流变特性测定。进一步增加了全自动高温高压流变仪的应用范畴。

美国Fann 公司也推出了FanIX77 型全自动钻井液流变仪，与ZNN-6 型六速旋转粘度计的测量原理相似，不同的是，FanIX77 型全自动钻井液流变仪采用特殊的磁敏传感器测量扭矩组合的磁转角来实现数据的采集，大大提高了数据的精确性。使用外接冷凝装置，通过向测试体和加热套之间的间隙均匀喷射毛细管状的冷凝液，并由加热套底部返回冷凝装置，整个冷凝过程在密闭空间内进行，确保温度不随时间波动或者波动小(0.5℃)。该装置能够模拟深水钻井中的低温条件，测试温度最低可达到-10℃，粘度测量范围为0 ～360 mPa·s，测试样品约为160 mL。

美国Grace 公司M7500 型超高/低温高压钻井液流变仪，它主要由型号为Neslab RTE-7 型冷却循环器，高压釜体、程序控制系统和电脑等组成。流变仪的最高测量温度为260℃，最低温度-20℃。M7500 型超高/低温高压钻井液流变仪利用软件精确控制试验所需的温度、压力和转速，温度的精确度可以控制在±0.01℃，这避免了粘性发热对测量结果的影响。其工作原理同其他旋转式流变仪相同，测量的流变数据可以与其他流变仪测量的数据进行比较，符合API 标准［16］。

4 泡沫流变仪

近年由于泡沫钻井液具有提高钻速、储层损害小等优点，应用越来越广泛。但是泡沫是一种低密度、可压缩性、热不稳定流体，流变学是相当复杂的。泡沫粘度的测量不能简单地应用旋转粘度计，主要因为在高剪切速率下液相很容易被离心出来，除此泡沫的产生及质量控制、气泡聚集及析水、壁面滑移及轴流效应都导致测量结果的误差［17］。

Affonso 和Rojas 通过管式粘度计的不锈钢管道后摩擦压降、体积流率，间接研究泡沫钻井液流变性能，避开旋转粘度计产生导致的壁面滑移的影响［18、19］。然后根据Oldroyd-Jastrzebski 模型，假设滑移速度与壁面剪切应力成正比τw，与管道直径D 成反比，引入壁面滑移系数βc，则有真实剪切速率γ真与实测剪切速率γ测之间的关系为，

根据方程(4)，绘制γ测与1/D2的关系曲线，曲线在纵轴上的截距即为消除滑移后的真实剪切速率γ真。尽管Oldroyd-Jastrzebski 模型可以修正泡沫的壁面滑移，但是该方法需要建立较复杂的管流测试装置，计算也较为复杂。

5 结束语

钻井液流变性测量的影响因素较多，应尽量避免这些因素对测量结果的影响。目前钻井液用流变仪测量过程基本都是单点测量，随着钻井液技术的不断发展，要求钻井液用流变仪的测量过程更能真实地反映钻井液井底温度和压力条件下的流变性，实现实时多点测量。同时钻井液用流变仪要进一步提高测试温度和压力，提高现场应用能力。泡沫钻井液作为一种特殊的流体，亟需研制测量泡沫钻井液流变性的专用流变仪。

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