用于钻井堵漏的特种凝胶屈服应力研究.pdf

天然气工业 2 0 1 0年 3月 用于钻 井堵漏的特种凝胶屈服应 力研 究 聂勋勇 王平全 罗平亚 中国 工程院院士 1 ． 西南石油大学石油工程学院 2 ． “ 油气藏地质及开发 工程 ” 国家重点实验室 - 西南石油大学 聂勋勇等． 用于钻井堵漏的特种凝胶屈服应力研 究． 天然气工业， 2 0 1 0 ， 3 0 3 8 0 8 2 ． 摘要特种凝胶是一种处理钻井恶性漏 失的堵满剂， 其屈服应力与凝胶 的可泵性、 施工管线的安全性和在地层 的 堵满效果 等密切相关。为此 ， 采用先进 的 HAK KE R S 6 0 O 0流变性锥板 系统及锯 齿板 系统研究 了特种凝胶 Z N【 - 2 的屈 服应力， 分析 了稳态方法和动态方法测试之间的关系， 并与钻 井液 常用屈服应力评价方法 的结果进 行 了对 比， 还 分析研 究 了屈服应力恢复与时间的关 系。结果表 明， 选用控制应力模式 的应 变一 应力双对 数曲线拐点和应力 扫描 测试的线性 黏弹区与非线性黏弹 区界限能够准确 的获取凝胶 的屈服应力， 凝胶 屈服 应力在温度低于 5 O℃ 时随温度增加而小幅增 加， 屈服应力在剪切作用停 止后恢复速度快， 是有利于堵漏成功 的因素。 关键词 井满 堵满 黏弹性凝胶 屈服应力 剪切作用 堵漏效果 DOI 1 0 ． 3 7 8 7 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 0 0 9 7 6 ． 2 0 1 0 ． 0 3 ． 0 2 1 0 引言 特种凝胶 是一种 处 理恶 性 漏 失 的堵漏 剂 ， 具 有强 内聚力 、 高黏 度 、 剪切 稀 释性 能 和强 触 变性 等 特点 ， 曾 成功地处理了钻井工程中十余 口井的恶性井漏和双庙 1 井 、 罗家 2 并 和 徐深 8 一 平 1井 等 3口高 难 度“ 喷漏 ” 同存复杂 井[ 1 ] 。屈 服应 力 是 特种 凝胶 触 变性 的一 个 重要参数 ， 屈服应力 ， 也 称 屈服 值 或屈 服 点 ， 屈服 应 力 是 一个应力 界限 ， 低 于此应 力时样 品表现 为固体 ， 施 加 应 力时样 品像 弹簧一 样发生 形变 ； 而一旦应 力除去 ， 应 变则 完全消失 。屈服应 力严重 影响 流体流动 时等速 核 柱塞 的宽度 ， 而此 柱塞 对 流体 的驱 替 性 质有 重要 的 影响L 3 ] 。凝 胶的屈 服应力测 量方法 分为稳 态测试 和动 态测试 两大类 。稳 态测试 指通过对 样 品施 加设定 的剪 切 应力或 剪切速率 产生 稳 态 流动 ， 获 取样 品的剪 切 应 变 、 表观黏度 等参数 ， 然后判 断样 品的屈服值 ] 。稳 态 测试 屈服应 力包括 两种方式 控 制应 力 C S 模式 测 量 的流动曲线应力一应变双对数拐点法 ； 控制剪切速率 C R 模式流动曲线拐点法[ 5 ] 。动态测试包括 ①固定 频率时对样品进行应力扫描绘制弹性应力一应变关系 曲线 ， 视最 大 弹性 为屈 服值 ； ② 蠕变 回复测试 时 ， 样 品在恒定应力下长时间作用 ， 在低于样品的屈服值时， 样品达到一个恒定应变， 高于屈服值时， 应变一时间曲 线 按恒 定 斜 率 增 加[ 7 ； ③ 储 能 模 量 G 和耗 能 模 量 的交点[ 8 ] 。此外 ， 钻井液评价屈服值采用范氏旋 转黏度计 属 C R模式 ， 用 6 0 0 r a d ／ mi n高速搅拌后静 置 1 0 S 和 1 0 mi n时 的 3 r a d ／ mi n的最 大剪 切应 力 分 别作为样品的初始屈服值和最终屈服值[ 9 ] 。 1 凝胶屈服值的测试 1 ． 1 范 氏旋转 黏度计 法 范氏旋转黏度计测试的 1 ． 2 Z ND 2的流变数据 如 图 1 所示 ， 采用 带屈 服值 的假 塑性 流 变模 式 回归 得 到 的相 关 系数高 ， 回归计算 得到 的 3 0℃ 、 5 O℃的屈 服 值分别 为 2 8 ． 0 8 P a 、 2 8 ． 6 7 P a ； 而采 用钻井 液静屈服值 测量方 法得 到的 1 0 mi n屈 服值 分 别 为 3 3 ． 5 P a和 4 1 P a ， 高于回归方法得到的屈服值 。受量程 限制 ， 此法 不能测更 高浓度 的凝胶 Z N 2 。 1 ． 2流 变仪测 量法 1 ． 2 ． 1 应 力 幅度 扫 描 使 用 R S 6 0 0 O型 流变 仪 ， 采 用锥 板 C 6 0 ／ 1 转 子 系 统 ， 固定频率1 Hz ， 应力幅度扫描0 ～6 0 P a ， 样品在加 基金项 目 国家科技支撑计划课题“ 三高气井固完井安全保障技术与装备” 编号 2 0 0 8 B AB 3 7 B 0 3 。 作者简介 聂勋勇， 1 9 8 2年生 ， 博士研究生 ； 主要从事钻井液及钻井堵漏 研究工作 。地址 6 1 0 5 0 0 四川省成都市新 都区新都 大道 8号 。电话 1 3 8 8 0 7 5 8 0 0 8 。E - ma i l n i e x u n y o n g 1 6 3 ． c o rn 第 3 0卷第 3期 钻 井 丁 程 8 l 山 ＼ 尽 低 剪切速率／ s 。 。 图 1 1 ． 2 特 种 凝 胶 的 范 氏 6速 旋 转 黏 度 计 测 量 值 图 热 到待测温 度 时恒 温 1 0 rai n 以下 同 。 1 ． 2 z ND 一 2 的应 力扫描 曲线 见 图 2 的储 能 模 量 大 于 耗 能 模 量 ， 表 明凝 胶 弹性高 于 黏 性 ， 属 于 黏 弹性 流 体 。储 能 模 量 G 平行 于横 坐 标 ， 直 到 一4 ． 5 5 P a时才 开 始 明显 偏离 G 一0 ． 5 4 Pa的恒 定 值 。线 性 黏弹 区限定 为 G 一 0 ． 5 4 P a以 内 ， 此 种 方 法 认 为 线 性 黏 弹 区 和 非 线 性 黏 弹 区的界 限为样 品 的屈服值 。 切麻 力 ／ P a 图 2 3 0 oC 时 1 ． 2 ％ZND- 2应 力 扫 描 曲线 图 1 ． 2 ． 2 CS模 式 测 量 C S模 式下 图 3 ， 剪 切应 变 y ⋯剪 切 应 力 r 双 对数 坐标 拐点求 得 的 1 ． 5 凝 胶 Z ND一 2在 3 0℃ 和 5 0 ℃ 时 的屈 服 值 分 别 为 5 ． 9 9 2 P a 、 6 ． 9 7 7 P a 。 采 用 C S 模式 测量 时 ， 在 低剪 切应力 下 ， 凝胶 表现 出一个 明显 的 黏度 表观 黏度 7 7 平 台 ， 当施 加 的应 力 接 近屈 服 值 时 ， 黏度 下降加 快 ， 一 般认 为 ， 在对 数坐标 下 黏度 曲线 的陡 然下 降 一4 0 。 ～ 一4 5 。 时 ， 认 为此 时黏 度 所 对 应 的 剪 切应力 为屈 服应 力 ， 应 变 曲线 拐 点 与 黏度 曲线 陡降 段 具有一 致性 ， 但在 很 低剪 切 速 率 下 测 量 高黏 高 弹性 的 凝 胶材料 时测得 的黏度 数据 不稳 定 ， 易产 生波 动一 。 舟 山 图 3 C_s模 式 测 量 的 通 过 应 变 一 应 力 关 系确 定 的 屈 服 值 图 ＼ 尽 总 1 ． 2 ． 3 CR 模 式 测 量 采 用 C R 模式 测 量 结 果 如 图 4所 示 ， 在低 剪 切 速 率 ， 区域 得到 的应力 、 应 变 和黏 度数 据 比 CS模式 在 低 应力 区域 得到 的稳 定 ， 黏 度先增 加 ， 表现 出一个 较为 稳 定 的平 台 ， 然后 黏度 急剧 下 降 ， 黏度 开始 陡降处所 对 应 的剪 切 应 力 即为 屈 服 值 。流 动 曲 线 测 试 结 果 见 图 5 ， 将流 动 曲线 明 显 偏 离 y轴 时 的剪 切 应 力 定 义 为 屈 服 值 ， 其 值经 常 比 C S方 式测得 到 的屈服 值高 。 1 0 O0 O 1 00 0 苎 1 ． 0 0 娄 O 1 O O O l L O 0l 8 0 6 0 40 2 0 O 屈服 点～ ＼● 3 0 ℃时1 5％Z ND． 2 切应变 3 O ℃时l 8％Z ND． 2 剪切成变 O 0 O O 0 0 2 o 0 。 一3 o ℃时1 5 ％Z N D- 2表观黏度 j 1 0 一 l 一3 0 C 时1 8 ％Z N D一 2表观 黏度 I ～ 4 J ‘J L L L J J 』 J J L L 』 J J J J J L L 』 ‘ - L L l l l 一 0 l 0 1 0 0 1 0 0 O 1 0 0 O O 心力 a 图 4 C R模 式 测量 样 品 的屈 服值 图 2 0 4 0 6 O 8 O 1 O O l 2 O 低 切速率／ S 图 5 3 0℃ 时 C R模 式 测量 的屈 服应 力 图 天然气工业 2 0 1 0年 3 月 2测试 结 果与 分 析 2 ． 1 不 同方法测 得屈服值 结果对 比分析 不 同方 法测得 屈服值 结果 见表 1 。采用 应力 幅度 扫描 的 G 与 G 交 点 对 应 的 屈 服 值 均 远 高 于 RS 6 0 0 0 流变仪其他 方法 的测 量 结果 ， 其 偏 高 幅度 高 于本 文参 考 文献[ 8 ] 报 道 的 4 0 。通过 C R 模式 测 得 的屈 服值 数 比 C S模式 测 得 的屈 服值 较 高 ； 采 用 流 动 曲线得 到 的屈服值均高于 C S模式和C R模式得到的屈服值 ； 评 价钻井液用的范氏 6速旋转黏度计的 1 0 mi n静屈服 应力值最大， 回归曲线外推法测量得到的屈服值介于 G 和 G 交 点法和 1 0 mi n静 切力 之 间 。线 性黏 弹 区与 非线性黏弹区交点得到的屈服值 ， 与 C S模式测得的 屈 服值 比较 接近 ， 其原理 均为 当对 样 品施 加应力在低 于屈 服值 时 ， 样 品表 现 类 似 固体 ； 而 高于 屈服 值 时 ， 样 品产 生 的形 变不能 完全恢复 ， 发生 流动 。 表 1 不 同 方 法得 到的 屈 服 值 表 2 ． 2 壁 面滑移 的影响 考虑 了壁面光 滑程 度 对 屈服 值 的影 响 ， 采用 了锯 齿 状平板 转子测 量凝 胶 的屈 服值 见 图 6 ， 光 滑 锥 板 和锯齿状 板线 性 黏 弹 区 与非 线 性 黏 弹 区 交点 对 应 的 1 ． 8 凝胶 Z ND - 2的屈 服值为 1 6 ． 7 7 P a和 2 4 ． 5 6 P a ， 屈 服值 差为 4 6 ． 5 。而锯齿 状平板转 子选用 C S模式 和 C R模式在 低应力 和低剪切 速率 范 围内得 到的数 值 波动 到剧 烈 ， 数值 不稳定 口 。 0 螋 剪切应力 ／ P a 图 6壁面 滑移 对 屈 服 应 力 的影 响 图 2 ． 3屈服应力 恢复速 度 实验 考察 了凝 胶结 构 回复与 时 间 的关 系 ， 凝 胶 的 屈 服应力 与 时 间 的关 系 ， 如 图 7所 示 ， 在 较 短 的时间 内 ， 凝 胶 的切 力 可 以很快 的恢 复到 一 个较 高 的 值 ， 随着时间的延长逐渐增加到最大值 。 凝胶的结构 图 7屈服应 力的恢复速度图 恢复快 ， 有利 于堵漏 。 3 结论 1 选 用 C S控 制应力模 式测 量特 种凝 胶 的屈服 值 符合屈服值定义， 通过应变一应力 双对数曲线拐点能 够 准确 的判断凝胶 样 品的屈服值 。 2 选用应 力 幅度扫描 线性黏 弹区与非 线性黏 弹区 界 限得 到 的 屈 服 值 能 够 客 观 反 映 特 种 凝 胶 的 屈 服 特性 。 3 温度对 特种凝 胶 的样 品产 生 了一定 的影 响 ， 随 温度 的升高 ， 屈 服值增 加 ， 温度 从 3 O℃ 上升 到 5 O℃ ， 屈服值增加幅度为 1 O ～3 O ， 特种凝胶的屈服值恢 复速度较 快 ， 有 利于成 功堵漏 。 下转第 8 6页 8 6 天然气工业 2 0 1 0年 3 月 参 考 文 献 [ 1 ]G UO B， GHA L AMB 0 R A． 欠平衡 钻井气 体体积 流量 的 计算 I- M] ． 北京 中国石化 出版社 ， 2 0 0 6 ． E 2 ]O K P O B I R I ， GO D WI N A，I KO KU，e t a 1 ． V o l u me t r i c r e q u i r e me n t s f o r f o a m a n d mi s t d r i l l i n g o p e r a t i o n s [ J ] ， S P E Dr i l l i ng En gi ne er i ng， 1 9 86， 1 1 7 1 88 ． r 3 ] HERZ HAF T B，TOURE A，B RUNI F，e t a 1 ．Aq u e o u s f o a ms f o r u n d e r b a l a n c e d d r i l l i n g t h e q u e s t i o n o f s o l i d s E c ] } } S P E An n u a l T e c h n i c a l C o n f e r e n c e a n d E x h i b i t i o n ． D a l l as ， Te x a s SPE， 2 00 0． I- 4 ]MAS UD A Y，D O AN Q， O GUZ T OR E I I F M，e t a 1 ． C r i t i e al c u t t i n g s t r a ns po r t v e l o c i t y i n i nc l i ne d a n nu l u se xp e r i ～ me n t a l s t u d i e s a n d n u me r i c a l s i mu l a t i o n C]∥ S PE ／ CI M I n t e r na t i o na l Co nf e r e n c e o n Ho r i z on t a l W e I l Te c h n ol og y． Ca l ga r y， Al be r t a， Ca n a d a SPE， 2 00 0． [ 5 ]王利 国， 杨虎 ， 许期聪 ， 等． 稳定 泡沫钻 井水平 井井筒稳 定 流动的解析模型E J ] ． 天然气工业 ， 2 0 0 8 ， 2 8 6 9 0 9 2 ． [ 6 ]K UR U E， OK UNS E B O R O M， L I Y ． Hy d r a u l i c o p t i mi z a t i o n o f f o a m d r i l l i n g f o r ma x i mu m d r i l l i n g r a t e i n v e r t i c a l we l l s J ] ． S P E D r i l l i n g C o mp l e t i o n ， 2 0 0 5 ， 2 0 4 2 5 8 2 67 ． [ 7 ]C HI E N S Z E F O O． S e t t l i n g v e l o c i t y o f i r r e g u l a r l y s h a p e d p a r t i c l e s [ J ] ． S P E D r i l l i n g 8 L C o mp l e t i o n 。 1 9 9 4 ， 9 4 2 8 1 2 89 ． [ 8 ] I ND R A G UNAWAN，RU DI R UB I AND I NI ． De t e r mi n i n g c u t t i n g t r a n s p o r t p a r a me t e r i n a h o r i z o n t a l c o i l e d t u b i n g u n d e r b a l a n c e d d r i l l i n g o p e r a t i o n 1． C ] ／ ／S P E As i a P a c i f i c O i l a n d Ga s Co n f e r e n c e a n d Ex h i b i t i o n ． M e l b o u r n e ， Au s t r a l i a SPE， 2 0 02 ． L 9 ]庞东豪 ， 袁骐 骥． 空 气钻井携 岩及 防爆 最小 注气量计算 方 法_ J ] ． 天然气工业 ， 2 0 0 9 ， 2 9 3 6 2 6 4 ． [ 1 o ]李 国美 ， 王跃社 ， 孙虎 ， 等． 节流器 内液一 固两相 流固体 颗 粒冲蚀数值模拟 [ J ] ． 石油学报 ， 2 0 0 9 ， 2 9 1 1 4 5 1 4 8 ． 收稿 日期2 0 0 9 1 0 2 8 编辑钟水清 上接第 8 2页 参 考 文 献 [ 1 ]王平全 ， 罗平亚， 聂勋 勇， 等． 双庙 1 井喷漏同存 复杂井况的 处理[ J ] ． 天然气工业 ， 2 0 0 7 ， 2 7 1 6 0 6 3 ． [ 2 ]王平全 ， 聂勋勇 ， 张新 民， 等． 特种凝 胶在 处理“ 井漏 井喷” 中的应用[ J ] ． 天然气工业 ， 2 0 0 8 ， 2 8 6 8 1 8 2 ． [ 3 ]李兆敏 ， 张平， 董 贤勇 ， 等． 屈服 假塑性 流体 轴 向同心环空 中速度及温度分布研究[ J ] ． 水动力学研究与进 展， 2 0 0 4 ， 1 9 1 3 1 - 3 7 ． [ 4 ]G E B HAR D S CHR A MM． 实用流变测量学[ M] ． 修订版． 朱 怀 江 ， 译 ． 北 京 石 油 工 业 出版 社 ， 2 0 0 9 ． [ 5 ]N G UYE N Q D，B O GE R D V． Yi e l d s t r e s s me a s u r e me n t f o r c o n c e n t r a t e d s u s p e n s j 。 n s _ J ] ． J o u r n a l o f R h e o l o g y ， 1 9 8 3 2 7 3 21 3 49 ． r 6 ]YANG M C，S C RI VEN L E，MACOS KO I E． S o me r h e o l og i c a l me a s ur e me n t s o n ma gn e t i c i r on o xi d e s u s p e ns i o ns i n s i l i c o n e o i l E J ] ． J o u r n a l o f R h e o l o g y ， 1 9 8 6 3 0 1 0 1 5 1 0 2 9 ． r 7 ]HUS BAND D M ，AKS EL N，GLEI S S LE W． Th e e x i s t e nc e of s t at i c yiel d s t r e s s e s i n s u s p e ns i o ns c ont a i n i ng n on c o l l o i d a l p a r t i c l e s [ J ． J o u r n a l o f Rh e o l o g y ， 1 9 9 3 3 7 2 1 5 2 35 ． [ 8 ]S HI H W Y， S HI H W H， AKS A Y 1 ． E l a s t i c a n d y i e l d b e h a v i o r o f s t r o n g l y f l o c c u l a t e d c o l l o i d s [ J ] ． J o u r n a l o f t h e A me r i c a n Ce r a mi c So c i e t y， 1 99 9 8 2 6 1 6 - 6 2 4． [ 9 ]黄汉仁， 杨昆鹏 ， 罗平亚． 泥浆工艺原理 [ M] ． 北京 石 油工 业 版 社 ， l 9 8 1 ． [ 1 O ]wAI 【 S H J ，C A I N E S B ，AN GE L I C A M S ， e t a 1 ． Y i e l d s t r e s s a n d wa l l s l i p p h e n o m e n a i n c o l l o i d a l s i l i c a g e l s 1, J ． J o u r n a l o f Rh e o l o g y ， 2 0 0 3 ， 4 7 4 8 4 7 8 6 8 ． 收稿 日期2 0 0 9 1 卜2 8 编辑钟水 清 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载