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1、聚合物（聚合物（HECHEC）基泡沫钻井液）基泡沫钻井液在常温条件下的流变性和水力特性在常温条件下的流变性和水力特性Z.Chen等著等著/资料来源：资料来源：SPE94273引言引言研究意义：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
2、基的要高得多文献调研ReidenbachReidenbach等等人人研研究究了了水水基基和和聚聚合合物物基基泡泡沬沬压压裂裂液液在在7575下下的的流流动动特特性性，证证明明了了屈屈服服点点和和泡泡沬沬稠稠度指数与泡沬的质量和液相稠度系数有关。度指数与泡沬的质量和液相稠度系数有关。 HarrisHarris等等人人延延伸伸了了ReidenbachReidenbach法法，即即测测量量温温度度从从7575300300，HPGHPG浓浓度度(0,20,40,60(0,20,40,60和和8080磅磅/ /千千加加仑仑) )，实验压力为，实验压力为1000psi1000psi，泡沬质量范围从，泡沬质
3、量范围从0%0%80%80%，描述在各种情况下泡沫的流变特性，描述在各种情况下泡沫的流变特性 。BonillaBonilla等等人人在在和和的的环环形形管管中中对对水水基基和和瓜瓜尔尔胶胶增增粘粘泡泡沫沫进进行行了了循循环环流流动动性性研研究究，采采用用瓜瓜尔尔胶胶（2020，4040到到60 60 磅磅/ /千千加加仑仑）作作为为增增粘粘剂剂，表表面面活活性性剂剂浓浓度度为为0.5% 0.5% V/VV/V，测测试试压压力力为为1000 1000 psipsi，测试温度范围为测试温度范围为75 75 200200。 SaniSani等等人人使使用用同同样样的的流流环环，研研究究了了黄黄原原胶
4、胶泡泡沬沬的的流流变变性性，然然而而仅仅仅仅采采用用了了管管面面情情况况。黄黄原原胶胶的的浓浓度度为为20, 20, 3030和和40 40 磅磅/ /千千加加仑仑，表表面面活活性性剂剂浓浓度度为为0.5% 0.5% V/VV/V，泡泡沬沬质质量量和和温温度度变变化化的的范范围围分分别别为为0%0%80%80%和和7575200200。 KhadeKhade等等人人使使用用管管式式粘粘度度计计测测量量研研究究了了瓜瓜尔尔胶胶的的流流变变性性，实实验验压压力力为为1000psi1000psi，实实验验温温度度（100100200200），瓜尔胶浓度（），瓜尔胶浓度（20, 3020, 30和和4
5、0 40 磅磅/ /千加仑）和泡沫质量（千加仑）和泡沫质量（0%0%80%80%）。）。在在所所有有这这些些实实验验中中可可知知：泡泡沬沬钻钻井井液液的的流流变变性性与与不不同同泡泡沫沫质质量量、液液相相的的流流变变性性、聚聚合合物物浓浓度度，温温度、压力等有关。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。Hatschek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
6、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
7、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
8、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管线标准直径直径( (英寸英寸) )内径内径( (英寸英寸) )长度长度( (英尺英尺) )2 21.921.9252.7552.753 32.902.9052.7552.754 43.833.8366.5066.50环形空间环形空间(6(63.5)3.5)5.765.763.
9、53.557.3357.33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
10、降为100psi；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-测试模型实验设置实验设置#1#1实验设置实验设置#2#2实验设置实验设置#3#3聚合物浓度聚合物浓度0%,0.25%,0.5%0%,0.25%,0.5%0%,0.25%,0.5%0%,0.25%,0.5%0%,0.25%,0.5%0%,0.25%,0.5%KLEAN-FOAMKLEAN-FOAM表面活性剂浓度表面活性剂浓度1%1%1%1%1%1%泡沫质量泡沫质量70%70%80%80%90%90%4 4”
11、管流速管流速( (英尺英尺/ /秒秒) )1.0,2.0,3.01.0,2.0,3.01.0,2.0,3.0,4.01.0,2.0,3.0,4.01.0,2.0,3.0,4.01.0,2.0,3.0,4.0压力压力(psig)(psig)100100100100100100温度温度()()808080808080管径管径()()2,3,42,3,42,3,42,3,42,3,42,3,4环形空间环形空间()()663.53.5663.53.5663.53.5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
12、。组成组成读数读数幂律模型幂律模型(600)(600)(300)(300)(200(200) )(100(100) )(6(6) )(3)(3)0.25%0.25%液态液态HECHEC的聚合的聚合物流体物流体8 84.14.13.23.21.61.60.20.20.10.1=0.0143=0.01430.8060.8060.5%0.5%液态液态HECHEC的聚合的聚合物流体物流体13.513.57.57.55 53 30.30.30.20.2=0.0255=0.02550.7990.799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
13、-实验结论二、滑移未修正泡沬的流变性：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 . 2 5 %， 0 . 5 % )牛顿剪切速率1/s剪切应力Pa剪切应力
14、Pa牛顿剪切速率1/s实验研究-实验结论实验总结，从表中可以看出实验总结，从表中可以看出随着随着聚合物浓度的增加，泡沬的稠度聚合物浓度的增加，泡沬的稠度指数指数K KF F增加；而泡沬质量升高，增加；而泡沬质量升高，又会导致流性指数又会导致流性指数n n下降。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：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
15、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0.453.863.42980%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：三、滑移修正泡沬的流变性：由
16、于由于壁面滑移的存在，所观测到的剪切速率壁面滑移的存在，所观测到的剪切速率要比要比“真实的真实的”剪切速率高。剪切速率高。使用所观测的剪切速率来进行流变数据分析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也许错误解释为“真实真实”的流变参数。在这个实验中，观察了泡沬在同一的流变参数。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。移的存在。因此，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
17、剪切速率。的剪切速率。在本实验研究中使用在本实验研究中使用Oldroyd-JastrzebskiOldroyd-Jastrzebski法来计算泡沬的滑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：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：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：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
18、.sn)KF(Pa.sn)70%水基泡沫0.402.762.4370%0.25%聚合物泡沫0.407.096.2470%0.5%聚合物泡沫0.407.536.6380%水基泡沫0.365.815.0980%0.25%聚合物泡沫0.3612.8111.2280%0.5%聚合物泡沫0.3615.2613.3790%水基泡沫0.316.966.0790%0.25%聚合物泡沫0.3114.8812.9790%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0.450.940.83570%0.25%聚合物泡沫0.452.4
19、62.18570%0.5%聚合物泡沫0.453.863.42980%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假设设无无滑滑移移的的水水力力学学模模型型：对对于于泡泡沫沫用用的的幂幂律律流流变变模模型型，广广义义的的雷雷诺诺数数和和
20、摩摩擦擦因因子子在在滑滑移移无无修修正正流流变变参参数数、流流动动速速率率和和环环空空几几何何学学基基础础上上可可以以计计算算出出来来，可可以以获获得得雷雷诺诺数数和和摩摩擦擦因因子子之之间间的的关关系系。对对于于层层状状流流动动，如如果果这这个个关关系系近近似似符符合合f f = = 16/Re16/Re曲曲线线，那那么么环环空空压压力力降降计计算算可可看看做做是是不不可可压压缩缩非非牛牛顿顿流流体体流流动动。假假设设流流动动为为层层流流状状态态，对对于于给给定定的的流流体体流流速速，忽忽略略通通过过计计算算长长度度上上温温度度、压力和质量，流变性参数（压力和质量，流变性参数（n n和和k
21、k）的变化环空中的压耗的计算式是：）的变化环空中的压耗的计算式是：是比率，代表环空中最大粘度值的位置。的确切值可以根据直径比 = Di/Do, 和n计算出来:简单说：值与n和k的关系式为： 环空中泡沬流动的水力学模型假设壁面滑移条件下的水力学模型：假设壁面滑移条件下的水力学模型：滑移修正流变参数需要应用于这个模型中。滑移修正流变参数可从壁面剪切应力曲线和真实的滑移剪切速率相关性中获得。在这个模型中，为了预测带有滑移的同心环空中的泡沫流动的压降，环空几何学可由带有等价管直径的管子来表征。等价直径是指对可以产生相同压力降的管子直径。等价管的滑移速度也能通过公式计算得到：剪切应力、泡沬质量和液相表观
22、粘度(= 300 s-1) 的函数，相关性是从经验数据到计算的滑移系数得到。由于滑移流动和剪切流动，泡沬流动速度： 上式得出：流动速度是摩擦压力梯度，dP/dL.的函数，因此，对于给定的泡沬流动速率，如果提供了几何学，流动修正流变参数、滑移因子，可得到压力梯度。 水力模型预测和实测比较滑移无修正水力模型预测和实测比较使用滑移无修正流变参数得到的摩擦因子和雷诺数的关系。数据包括，泡沬中不同聚合物的浓度、泡沫质量、流动速率和不同管径。这些数据能成为一条线，且能很好的符合f = 16/Re，因此滑移无修正流量公式可用来推断环空压耗。预测和实测的环空摩擦压力梯度，预测和实测结果是相符的，误差20%以内
23、。经验摩擦系数f=16/Re预测值psi/ft测量值psi/ft水力模型预测和实测比较滑移无修正水力模型预测和实测比较预测值psi/ft测量值psi/ft实验所得系数ft2/s Pa计算所得系数ft2/s Pa水基的系数0.25%系数 0.5%系数使用滑移修正流变预测的结果：在泡沬流变实验中得到滑移修正泡沫流变参数。环空可以用等价管径来代替，对于管柱流动，通过使用滑动系数，可算出泡沬流动压力梯度。此种预测结果也是可行的，有20%的误差，而且与第一种方法相比存在更多的离散点。这主要滑动系数预测的不精确导致的。可以提高剪切速率范围以便获得滑动系数的精确度。 。结论1实验结果表明除泡沬的质量外，聚合物浓度对泡沬的流变性有很大影响；2在泡沫流动过程中壁面滑移是要考虑的重要现象。然而当考虑了壁面滑移后，对滑动系数预测的经验关系式的精确性对压降预测是至关很重要的；3通过考虑壁面滑移，可获得滑移修正流变性参数，对于环空里泡沫流动的压降预测、滑移修正流变参数和滑动系数一起使用以得到满意的结果；4实验结果表明对在不同管子中进行单一流型实验获得的数据进行处理，有可能避免壁面滑移修正。滑移无修正流变参数也可通过这种方式得到，环空压降也可使用滑移无修正流变性参数来计算而不用考虑壁面滑移。
