深井钻井液流型研究.pdf

油 钻 井 工 程 第 3卷第 4蛔I 9 9 6年 I 2月 一 一 第一作者简 介 深 井钻 井液流 型研 究 徐 显广邓建 民。钟 守明 钻 井上艺研究院 l 西南石油学院】 钻井工艺研 究院 9 8 4年毕 止于西南石油 学院拈苷 工程 }业． 高掘工程 师、现从事 坫午技 术 宽工作 摘要 r 本文套招j 高温高压 F 钻井泣的流 型研究、内吝包 括拈井时 循环温度的计算；温度 压力对钻井糠 型 的彰 响规 肆 等 矸 究 裳体 为 室 内配万 钻 井遘 通过 研究 ．提 出 了新 的循 坪温度 计 算式 ， 9 妒 了温度 丘 力对钻 井 l膻 流型 的影 响规 律 主 题词 蔓 持 曼 垦 兰 研究 一 r F ， { 前 言 目前， 国内外深 井 技术有银大发展 ，深 井钻 井液 技术 的发 展更 为迅 速，钻井 液组成 复 杂 的胶体 分数体系 ，随着井 深 的增 加，井 内钻井 液承受 的温度 、压力越来越 高。那 幺，随 着井深 增加，钻井 滚 的温 度在井下 的分 布有何规律 温度 和压 力对钻 井液流型 有何 影 响呢 对此，我 院和 西南石 油学院共 同进行 了研 究探讨。 钻 井液温度 沿井深分布规律 要研 究钻井 液在温度 、压 力均发 生 变化 的井 眼中的流变 行为 ，必须先确定温 度、 压力 在井 内的分布规律 关 于压 力的计算， 已有成 熟而且 比较 准确 的 方法，在许多 有关手册 上 都 可 查 到 。 对 于 温 度 的 计 算 其 困难 在 于 循 环 温 度 的 预 测 。 此 处 的研 究 足 于 根 据 前 人 所 进行的现场 实{ 嬖 】 所得 的温度资料，建立起 适合于现场应 用而且 又比较准确 的计算 方法 。 ’ ．静止温度沿井潦分布怒律 当由于某些原因 如 起下钻、电测 而使钻井液在井 内静止 丁较长的时 间后 ，其温度分布 将趋于地层 的温度，这 时就 应利用静止温度计 算钻 井液 的有关流变性 能参数 基于大量的现场 数据 ， 目前 普遍 的作 法是视 静止温 度沿 井深 呈线性 分布 井 内各 点温 度可简单表 示为 T ； T 。 T G t L 1 式 中 L 计 算点井深， T o 地 表温度 ，℃ 丁 一 井深 L处静止 温度， ℃， G c 平 均地温梯度 ， ℃ ／ m， 2．循 环温度沿并潦分布 | 基 律 现场实测和理论 分析 均表明循环温度 有如下 特点 D 温度沿井深 呈非 线性 分布，总趋势是井 口低 ，井底 高 温 度最高点 在井底 ，而在井眼下部 靠近井底处 温 度最 高点到井 口的距 离大 约是总 ～ 维普资讯 第 3 告第 4 朋1 9 9 6 年 1 2 月 石 油 砧井 工程 l 5 井深的 7 0％左右 ．进行统计分析后可得循环温度的表达式为 毒 A 1X A 2 X 2 A 3 X 3 ㈦ 式 中 T r 井 深 L处循环温度 L L b ， ℃ C 1 0 ． 5 4 1 0 L 循 环点 也 即钻头处 井深， m ； C 2一 l 1 1 7 m X无 量纲井深，无因次；X L6 A l O ． 9 9 8 4 K s O - 3 A 2- 一 0 ． 4 0 3 6 A 3一 一 0 ． 2 9 4 8 式 2 的 回归统计 的相关指 数为 0 ． 8 4 5 2，剩余标 准差为 0 ． 0 7 3 3 8 一 般文献 的循 环温度计算式为 T cT 0 G t L b K s A 1 X A 2 X A 3 X 3 2 式与 3 式的差别在于 3 式认为井底循环温度随循环点深度 变化而线性变化，而 2 式 却 表 明井 底循环 温度 进而 整个井 眼的循环 温度 随循环 点深度 变化 为 非线性 变化． 这一 点在 有关的理论分析 中很少谈及，但在 实际使用 的有关 图表 中却 有体现 ．式 2 更接近实 际． 我们对所收集的 7 0口井的 7 8组现场实测井底循环温度数据，分别用 2 和 3 式计算 了 井 底循 环温 度，并与实测值进 行了 比较 表 1是计算 结果对比， 只列 出部分 计算结果 ． 从 计 算结果中可知，本研究 中提 出的计算式 的精度 是很 高 的， 总的平均 绝对误差 为 3 ． 9 ℃，平均 相对误差 为 3 ． 6％．而采用 文献计算式 的平均绝 对误 差 为 1 6 ． 5℃，平均相对误 差 为 1 3 ． 5％，最大 绝对误 差为 4 5℃，误差较 大 ．这说 明本研究 中所提 出的钻 井液循环温 度计 算式 是可用的 ． 温度 、压 力对钻井液 流型 的影 响 1． 钻 井液藏塑及渣变模式 钻 井 液一般为 非牛顿液体 ，描述 其剪切 应力一 剪切速 率 关系 的流 变模 式有多种 ． 若钻 井 液的剪切应 力_ 剪切速 率关系符合某 一流 变模 式，则称 其为某一 流型 ． 当温度 、压 力变化 时。钻井液 的流型 可 能发生改 变， 因此若 仍用 原 流变模式 来计 算 有 关 的水力参 数则可 能带来 较大误差 ．或者 ， 可能存 在 某 一流变模 式 。在 不 同的 温度、 压 力 下均可较好 地描 述液体的流变规律 只 是流变参 数发生 变化而 已 ，则 说 明该 模式的 适应 性较 好． 流型 角度 而言，则可说该液体 就是 此种流 型， 且流型不 随温度 、压 力而 变化． 因此， 漉 型的变化 问题 也即是流变模式 的适应性 问题． B前，常甩的流变模式有两参数及三参数的流变模式．由于两参数模式简单，使用方 便，一般精度也满足使用要求，另外，用其流变参数描述钻井液的某些特性 如宾汉模式的 过塑 比一 剪切稀释性 时，意义简单 、明确 因此使 用范围仍很 广． 本研 究 中对常 用的 三种 二参 数流 变模式 印宾汉模式、幂律模 式 、卡森模式 都进 行 了研 究． 各模 式的 表达形式如下 宾汉模式 f T 0 n s v 3 】 维普资讯 、 一 t ，f i 率 f 睦拈 鹱 袭 1 井底落环温度f T c h 计算结果对比 l 七 el 真警 j 丰研究- { i l 锋j | 瞅1 l 式 I f m _c 1 一 0 m r c ℃1 ． r c ℃， △ T‘ f ℃ 1 曲 c1 ‘ 、 2 g 2 46 66 7 67 8 1、 1 g 5 O - 1 7 0 44 8 3 01 63 9 68 3 4 4 e 7 2 3 9 ‘ 一 2 42 ￡ 1 7 6 3 1 0 O 2 8 0 2 07 07 j 0 O ￡ 4 ～ 2 8 5 6 O 3 0 7 1 ￡4 2 8 1 3 3 3 4 3 9 J C E 9 1 7 2 0B b 1 1 ’ O 6 11 0 0 ． 3 6 1 37 4 4 5 1 45 0 J 础d 8 8 1 37 2 8 4 8 3 d5 6 2 5 0 91 7 6 5 一 6 7 7 5 1 ． 1 5 6 0 45 77 3 1 4 j 46 1 { 4 2 8 3 3 ，1 5 8 ～ 3O 5 1 O d 229 2 42 1 02 8 1 00 6 2 2 B5 ． 6 ～ 1 7 2 3 45 8 3 01 98 9 9 8 1 2 8 8 6 1 1 2 8 1 7 3 747 3 7 C 1 21 1 1 2 2 8 1 7 1 07 2 ～ 1 3 9 1 0 35 4 4 3 ， 44 1 2 8 1 06． 7 6 t 9 5 6 t 7 2 4 31 77 3 5 0 1 0 4 4 98 9 5 5 9 0 6 1 3 8 1 S 4 688 3 3 O 1 406 1 4 94 8 8 T 2 0 6 2OO 1 0 1 E32 4 21 63 3 5 9 4 3 9 6 6． 7 3 4 7 41 3 2 O 0 B C 6 8 4 4 3 8 7 3 3 7 3 1 6 ’ 2 5 9 9 9 08 0 一 O 5 85 6 1 3 B 1 9 45 72 2 4 6 1 23 3 1 2 0 O 一 3 3 1 01 ． 7 21 6 20 5 30 7 8 7 2 90 6 34 7 5 0 1 2 2 0 23 3 0 7 9 4 ∞7 7 3 01 1 2 1 3 1 0 2 g 1 0 4 4 1 06 1 93 1 1 1 23 3 5 62 3 37 1 3 0 6 1 2 3 9 6 7 1 O6 ． 23 9 24 3 24 1 33 4 3 6 1 11 3 3 21 1 25 3 4 05 2{1 7 g 4 83 3 3 9 75 6 3 8 2 5 l 1 9 2 ． 3 7 7 5 0 7 61 1 1 7 1 1 3 q 27 3 5 93 2 70 1 0 6 1 95 O 一 1 1 1 8 5 O 一 21 1 28 4 67 0 2 22 1 05 ． O 1 0 6 7 1 7 8 8． 9 161 29 43 53 2 ． 1 3 9 3 3 96 7 3 4 82 2 1 1 1 3 0 3 3 2 2 3 3 91 7 9 3 3 1 6 81 8 1 0 0 31 3 59 7 2 3 9 8 6 1 87 2 1 1 7 8． 3 7 8 3 2 53 ；3 4 2 4 6 1 28 3 1 31 7 3 4 1 05 6 22 7 3 3 35 97 2 3 9 88 3 9 1 7 3 4 82 8 S 5 3 4 4 00r3 2 5 9 1 0 0 O 1 0 2 2 2 2 88 9 1 1 1 35 43 5 7 2 6 6 11 0 0 1 1 3 3 3 3 95 6 1 44 3 6 l 41 7 6 2． 1 3 89 4 9 2 8 34 80 O 一 9 4 3 7 41 o 0 2 1 9 87 2 9 2 8 5 6 80 6 6 B 3 8 4 200 2 9 0 11 8 3 11 7 ． 2 1 00 0 1 8 3 汪 霉 c 『 c c 『 一～0 循 环 沮 ． ℃ 维普资讯 每 1 备旃 4韶 式 ． 卡森援 ℃ 式 中 】 9 9 6茸I 2 ， ； 一 流 性指 皴 ． 无 因 砖 K 一 瑚虚象黏 ， P a ．I 石 油 钻 井 工 程 f c ～卡 森 动切力， P a n 一 睾森粘度 或称 极剪粘 度 ， P a s 6 对 某 一 浆 休流 型的判断 ，采用 回归分析的 方法 在 回归的同 时 也可得 漉受参 萄馕 2 温 度对钻 并液 滚型 的影响 坷研 究温 腰对钻井 液漉型的影 响，我们配 制 了 5种钻井 液配 方． 见表 2 袭 2室 内钻 井液 配 方 蠓 ‘ } 配 方 】。 4 c 茎 装 o u 5 ％ x 一2 - I0 2 ％ F ， 3 6 7 】 2 3 m 堇 莓 5％ c I s 5％ c a o 】c ‘g , tc r n 基 蒙 5％ P s c 一Ⅱ 5 ％ sM C 1 8％ N a C L 】0 j 蔓禁 0 3 ％ F A 一 3 6 7 3％ S PN H 0．5 ％ J T s 8 】0 4 e J c m 基棠 O 3 * F A 一 3 67 3％ H L 一“ 3 ％ S PN H 囊 3为钻 井液 在 7 0 MP a压力 ，不 同温度下的备流变模式 的 回归 系数值 表 3不 同温 度 下的 屋归相 关指 藏 模 式 常温 4 0℃ 6 0℃ 8 0℃ 】 O 0℃ 】 2 0℃ 宾 投 0 8 8 9 0 9 22 o 95 7 C 9 6 7 o98 2 o 9 8 2 幂 律 o 9 9 i o 9 6 2 n 9 5 3 o 7 9 7 o 9 】 9 o 9 0 8 卡 森 o 9 7 】 o 9 5 9 o 9 9 5 o 9 】 4 o 9 9 4 o 9 9 】 由表 中可见，在低温 小于 4 O ℃ 下 ．其为幂律流型 当温度 升高时 ，该钻 井液逐渐 向 卡森 或 宾汉 流型转 变．表 4为 1号 钻井 液在 3 0 MP a下的 回归指效 ． 表 4不 月 温度 下的 目归相关 指藏 模 式 常温 4 0℃ 6 0℃ 曲 ℃ I o o ℃ i 2 0℃ 平均 宾 观 O 9 2 2 o 9 4 1 o 9 8 o 0 9 2 6 0 9 8 。 o 9 7 3 O 9 5 4 幂 律 o 9 8 5 o 9 8 2 0 9 3 8 0 9 6 8 O 9 6 。 o 9 5 8 o 9 6 5 卡 囊 o 9 8 0 o 9 8 3 o 9 8 7 o 9 5 9 09 9 8 o 9 8 3 o 9 8 2 表 中数据说 明，该钻井液在 各种 温度下都表 现 出较好 的卡 森流 型． 3．压 力对 钻 并液潼 型的影响 表 5为 1号钻井液 在 6 0‘C与 1 2 O℃时在不 同压力下的各 流变模式 回归 的相关指 数值． 表 5说 明，该钻井 蔽在温度 为 6 O℃时，髓压力增加，其流型 总趋 势是 由宾汉 向卡 森转 变；而 当温度为 】 2 0℃时，压 力 由 7 0 MP a变 到 9 0 MP a时，其流 型发生 了很 大变化，三个流 变模式 的精度都不够 高 表 5还 说 明， 在 】 2 0℃压力小于 7 0 MP a时 ．钻 井液属 卡森 流型． 不 发生 流型转换现 象． 维普资讯 持显 广 深 井{ 占 井 液 流型 研 究 表 5不 同压 力 下 的回 妇相 荚指 数 、 ～ 一 ～ Ⅱ “P 0 3 0 5 0 7 0 9 0 ＼ 、 、 三 i ～～～ 宾疆 6 0 1 0 0 0 0 9 8 0 0 9 3 2 O 9 2 7 0 9 4 8 1 2 0 0 98 0 0 9 7．3 0 9 80 0 9 53 0 6 74 幂律 6 0 0 8 5 1 0 9 3 5 0 g 7 4 0 9 8 1 0 9 2 5 1 2 O 0 95 4 0 9 58 0 9 S 3 0 981 0 88 5 卡蒋 6 0 0 9 6 7 0 9 5 7 0 9 7 6 0 9 7 7 0 9 7 8 1 2 0 O 98 7 0 98 3 0 9 93 0 99 3 0 77 3 4 ．涅度，压 力对钻并液泫型的综合影 表 6 7分别为 4号 5号 钻井液在温 室 压 力 同0 寸变化 情况下 的 回归相关 指致情况． 袭 6温度 、压力对钻井液滚型的综台影嫡 4号钻井液 、 ～ ＼ l 4 。 6 0 6 0 3 0 8 0 x 5 0 1 0 0 x 7 0 1 2 O x 9 0 { 、、 ＼ l ℃ M p a ℃ x M p a ℃ x M p a c ℃ M p a c M p a 牟 汉 l 0 9 9 8 0 9 8 5 0 9 8 7 0 8 4 9 0 ． 7 5 3 幂 樟 l O 9 4 1 0 9 6 1 0 ． 9 4 0 0 9 9 1 0 9 8 9 卡 森 l 0 9 g 0 9 9 7 0 ． 9 8 8 0 9 3 8 0 8 9 5 表 7温鏖 压力对钻井液漶 型的综台影响 5号钻井液 ＼ ＼＼ 温度 压 力 4 0 x 1 O 6 0 x 3 0 8 0 5 0 1 0 0 x 7 0 1 2 D x 9 0 I 、＼ ． c x Mp a ℃ x Mp a 】 { ℃ Mp a ℃ Mp a ℃ x Mp a 宾 投 0 7 7 0 8 6 7 09 6 8 0 9 3 8 0 9 6 5 幕 律 O 9 7 l 0 9 2 8 0 9 7 0 0 9 6 9 卡 纛 O 95 -1 0 99 2 0 9 88 0 9 9 8 表 6说明，随着温度 、压力 的同时增 加， 4号钻 井液 由卡森 或宾汉 流型 向幂律 流型转 变而表 7则说 明 5号 钻井液 在温度、压力 同时改变的情 况下均 保持较好 的卡 森流 型。 综台 以上温度 、压力 单独 或同时对 流型的影 响情况 可知 ，在各种 情 况下 ，钻 井液 的流 型可 能发 生变化也可 能不 变， 因此正确地 选择流 变模 式就 显 得很重 要． 所 以，在 现场上 当 使 |[ I j 两参 数流变模式描 述钻 井 液的流 型时应注 意钻井 液流 型的转 变问题 ． 在实 际使 用 时， 对 于通常的六速粘度 计，可 相 关指数 0 ． 9 4 2为 流变模式 选用标 准 显 著性水 平 为 0 _ 0 0 5 ．当 各模式 的相关指数 均低 于该值 时，选 大者 ． 结 论 对 于不 同的钻井液，温 度，压力对 其流型的影 响规律 各不 相 同． 因此， 在实 际应 用中 对 于所 使用的特定 钻井 液都应 进行高 温、 高压 流变性 测量 ， 以掌握温度 、压 力对 其流型， 流变参 数的影响规律． 责任编辑阵蓥 山 维普资讯