聚合物基泡泡沫钻井液流变性和水力特性

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1、聚合物（HEC）基泡沫钻井液在常温条件下的流变性和水力特性Z.Chen等著/资料来源：SPE94273引言研究意义：实践中，水基泡沫钻井液与聚合物基泡沫钻井液已得到很成功的商业应用，但泡沫钻井液流变性和水力学特性还没有得到充分的了解。大家普遍认为液相中聚合物的增加会影响其粘度和稳定性，加入聚合物后泡沫钻井液综合性质的变化还没有得到很好的认识并且也无法预测。泡沫的流变性和压降预测还不够准确到足够提高充分的水力学设计信息，例如当量密度的设计。当泡沫中加入聚合物时这个问题就显得更加突出，因为聚合物基泡沫的粘度会比水基的要高得多文献调研Reidenbach等人研究了水基和聚合物基泡沬压裂液在75下的流

2、动特性，证明了屈服点和泡沬稠度指数与泡沬的质量和液相稠度系数有关。 Harris等人延伸了Reidenbach法，即测量温度从75300，HPG浓度(0,20,40,60和80磅/千加仑)，实验压力为1000psi，泡沬质量范围从0%80%，描述在各种情况下泡沫的流变特性 。Bonilla等人在和的环形管中对水基和瓜尔胶增粘泡沫进行了循环流动性研究，采用瓜尔胶（20，40到60 磅/千加仑）作为增粘剂，表面活性剂浓度为0.5% V/V，测试压力为1000 psi，测试温度范围为75 200。 Sani等人使用同样的流环，研究了黄原胶泡沬的流变性，然而仅仅采用了管面情况。黄原胶的浓度为20, 3

3、0和40 磅/千加仑，表面活性剂浓度为0.5% V/V，泡沬质量和温度变化的范围分别为0%80%和75200。 Khade等人使用管式粘度计测量研究了瓜尔胶的流变性，实验压力为1000psi，实验温度（100200），瓜尔胶浓度（20, 30和40 磅/千加仑）和泡沫质量（0%80%）。在所有这些实验中可知：泡沬钻井液的流变性与不同泡沫质量、液相的流变性、聚合物浓度，温度、压力等有关。文献调研Lourenco， Okpobiri， Ozbayagolu， Capo, Martins，Mitchell研 究了水基泡沬的流变性和携岩能力。研究表明水基泡沬的表观粘度受 到泡沬质量的影响非常大。 Ha

4、tschek建立了一个对于高质量聚合物泡沬（74%96%）流变性的数 学模型，此模型以泡沬粘度，泡沬质量，液相粘度为变量。它的表达 式如下： 在实验的基础上Mitchell修正了这个模型，将指数常数从0.33改为 0.49，即： 文献调研调研研究得知：仅有少数的模型可以用来预测聚合物基泡沬钻井液的流变性参数。至于液相流变性对泡沬钻井液流变性的影响有多大仍然不清楚。因此，这项的研究目标是： 实验研究水基和聚合物基泡沬的流变性； 评估液相流变性对泡沬钻井液流变性的影响； 建立预测环空摩阻压力降的水力模型。引言实验两种泡沫水力模型：无壁面滑移模型假设：在管面和环空没有滑移的边界条件，无修正的泡沫流变

5、参数可以通过粘度仪测得。可以发现不考虑管子直径、泡沫质量、流动速度，绘制摩擦力因子与雷诺数之间关系曲线，那么就可以绘成一条单独的曲线。这条曲线类似于无压缩的流体流动，通过预测模型可以计算出环空压力降，并且可以得到满意的预测值。有壁面滑移模型假设：在管柱和环空存在壁面滑移，流变参数和壁面滑移的剪切粘滞系数首先可以通过Oldroyd-Jastrzebski方法得到，然后可以在滑移修正过的流变参数和壁面滑移剪切粘滞系数的基础上预测环空压力损耗。实验研究-实验设备 泡沫流变性实验是使用塔尔萨大学研制的岩屑运移环形流动设备进行 的。 实验设备是用来研究在升高压力和温度的条件下，可压缩和不可压缩 钻井液的

6、岩屑运移能力和水力学参数。先进的岩屑运移环形流动设备 实验研究-实验设备计量泵空气储积桶 活性剂注入泵注入塔球阀与静态混合器泥浆泵冷却罐3英寸管线加热罐泥浆罐泥浆罐缓冲罐4英寸管线环形管线部分分离塔2英寸管线消泡剂注入塔多相泵实验设备包括：1）泵送设备，2）空气注入设备，3）发泡和消泡系统，4）测 试部分，5）存储器，6）数据采集和控制系统。流环也包括这个实验中没有用 的其它设备，例如：加热和冷却设备，岩屑注入和收集系统。表1 环流测试部分的直径管线标准 直径(英寸 )内径(英寸)长度(英尺 )21.9252.7532.9052.7543.8366.50环形空间 (63.5)5.763.557

7、.33实验研究-实验步骤实验用来测量管面和环面的压力差。实验参数包括：液体和空气的注入速度，温度，静态压力，聚合物和表面活性剂的浓度。具体的测试步骤如下： 1.将100桶存储罐加入预先准备好的水量； 2.将羟乙基纤维素(HEC, KLEAN-VISH) 注入到罐里并混合好； 3.用旋转粘度计（Chan35）测量液相的流变性； 4.起动离心泵将液相注入计量泵； 5.通过计量泵控制液相的流动速度，通过多相泵和控制阀调节压缩气体的流动速度； 6.使用表面活性剂注入泵（液体注入速度的1% V/V）注入表面活性剂，同时启动消泡剂注入泵注入消泡剂（WFT DF-250）； 7.部分关闭球阀稳定压力降为10

8、0psi； 8.利用回压控制阀（CV2和CV3）使环空压力平衡在预定值； 9.调整多相泵，液相注入泵和空气注入控制阀以获得适当的流速和测试压力； 10维持稳态泡流五分钟后开始测量。实验研究-测试模型实验设置#1实验设置#2实验设置#3聚合物浓度0%,0.25%,0.5%0%,0.25%,0.5%0%,0.25%,0.5%KLEAN-FOAM 表面活性剂浓度1%1%1%泡沫质量70%80%90%4”管流速(英尺/秒)1.0,2.0,3.01.0,2.0,3.0,4.01.0,2.0,3.0,4.0压力(psig)100100100温度()808080管径()2,3,42,3,42,3,4环形空间

9、()63.563.563.5实验研究-实验结论一、泡沫钻井液中液相聚合物HEC溶液的流变性测定：液相浓度（0.25%和0.5% V/V）旋转粘度仪测量得到幂律流变参数。组成读数幂律模型(600)(300)(200 )(100 )(6 )(3)0.25%液态HEC的聚合 物流体84.13.21.60.20.1=0.01430.8060.5%液态HEC的聚合 物流体13.57.5530.30.2=0.02550.799结果显示：液相的稠度指数“KL”随聚合物浓度的降低而明显减小，流性指数“ nL”的减小趋势却很小。实验研究-实验结论 二、滑移未修正泡沬的流变性：假设没有壁面滑移的存在，理论上， 在

10、不同流速下泡沬的流变性使用单一尺寸的粘度计即可测出，流变性 与管子的直径无关。类似的，在2、3和4管的实验数据中管壁剪 切应力的实验数据相对观测的管壁剪切速率应该落到同一条曲线上。 对于幂律流体，广义稠度指标K和流性指标N是常数，可以从流动曲线 图中获得。因此： 稠度指数K可由下式给出： 实验研究-实验结论 二、牛顿剪切速率1/s剪切应力Pa相对于测得公称牛顿剪切速 率的井壁剪切应力(=70% 、80%、90%, 聚合物浓度为 0，0.25%，0.5%)牛顿剪切速率1/s剪切应力Pa剪切应力Pa牛顿剪切速率1/s实验研究-实验结论实验总结，从表中可以看出随着 聚合物浓度的增加，泡沬的稠度 指数

11、KF增加；而泡沬质量升高， 又会导致流性指数n下降。牛顿剪切速率1/s剪切应力Pa泡沫质量为80%，0.25%幂率拟合 曲线 （泡沫质量为80%，0.00%）二、滑移未修正泡沬的流变性： 在这项研究中幂律流体模型非常适 合所有泡沫的实验数据。发现对于 一个给定的泡沬质量，聚合物浓度 的增加对泡沬的流性指标的影响较 小，这可能是因为聚合物浓度（或 液体的表观粘度）较低。为简便着 想，对于给定泡沫质量可以认为泡 沬的流性指标是常数。泡沫类型nFK(Pa.sn)KF(Pa.sn)70%水基泡沫0.450.940.83570%0.25%聚合物泡沫0.452.462.18570%0.5%聚合物泡沫0.4

12、53.863.42980%水基泡沫0.402.231.95980%0.25%聚合物泡沫0.404.814.23580%0.5%聚合物泡沫0.407.856.91190%水基泡沫0.364.263.73290%0.25%聚合物泡沫0.367.986.99190%0.5%聚合物泡沫0.3610.949.584实验研究-实验结论三、滑移修正泡沬的流变性：由于壁面滑移的存在，所观测到的剪切速率 要比“真实的”剪切速率高。使用所观测的剪切速率来进行流变数据分析也 许错误解释为“真实”的流变参数。在这个实验中，观察了泡沬在同一产生 条件但在不同管径下所产生的流型曲线是不相同的，这表明了壁面滑移的 存在。

13、因此，为了从观测的剪切速率中获得真实的剪切速率，则要减去壁面滑移 的剪切速率。在本实验研究中使用Oldroyd-Jastrzebski法来计算泡沬的滑 移速度、真实的泡沫剪切速率和滑移系数。泡沬的滑移速度表达式如下： 名义牛顿剪切速率和壁面滑移剪切速率如下： 因此，真实的管壁剪切速率为： 滑移系数可以由不 同实验条件流变曲 线得出。通过曲线拟合滑移 系数和壁面剪切应 力导出其相应的函 数关系。实验研究-实验结论考虑井壁滑移的泡沫流变性参数泡沫类型nFK(Pa.sn)KF(Pa.sn) 70%水基泡沫0.402.762.43 70%0.25%聚合物泡沫0.407.096.24 70%0.5%聚合

14、物泡沫0.407.536.63 80%水基泡沫0.365.815.09 80%0.25%聚合物泡沫0.3612.8111.2280%0.5%聚合物泡沫0.3615.2613.37 90%水基泡沫0.316.966.07 90%0.25%聚合物泡沫0.3114.8812.97 90%0.5%聚合物泡沫0.3119.1116.66无滑移修正泡沫流变性参数泡沫类型nFK(Pa.sn)KF(Pa.sn) 70%水基泡沫0.450.940.835 70%0.25%聚合物泡沫0.452.462.185 70%0.5%聚合物泡沫0.453.863.429 80%水基泡沫0.402.231.959 80%0.

15、25%聚合物泡沫0.404.814.235 80%0.5%聚合物泡沫0.407.856.911 90%水基泡沫0.364.263.732 90%0.25%聚合物泡沫0.367.986.991 90%0.5%聚合物泡沫0.3610.949.584幂律模型下滑移移修正泡沬的稠度指标 “”比使用滑移非修正方法测出的值要高。 三、滑移修正泡沬的流变性：环空中泡沬流动的水力学模型假设无滑移的水力学模型：对于泡沫用的幂律流变模型，广义的雷诺数和摩擦因子在滑移无修正流变参数、流动速率和环空几何学基础上可以计算出来，可以获得雷诺数和摩擦因子之间的关系。对于层状流动，如果这个关系近似符合f = 16/Re曲线，那么环空压力降计算可看做是不可压缩非牛顿流体流动。假设流动为层流状态，对于给定的流体流速，忽略通过计算长度上温度、压力和质量，流变性参数（n和k）的变化