超声分散技术配制钻井液的室内试验.pdf

第 3 3卷 第 2期 2 0 1 1年 3月 石 油 钻 采 工 艺 OI L DRI L LI NG PR0DUCT1 0N TECHNOL0GY V0 1 ． 33 No ． 2 Ma r ．2 011 文章编号 1 0 0 0 7 3 9 3 2 0 1 1 0 20 0 5 1 0 5 超声分 散技术 配制钻 井液 的室 内试验 杨先国 ， 蒋国 盛 王双庆 1 ． 中国地质 大学工程 学院， 湖北武 汉4 3 0 0 7 4 ； 2 ． 中石化石 油工程 西南有 限责任公 司湖南钻 井分公 司， 湖南长沙4 1 0 1 1 8 3 ． 长城钻探 测井公 司国I -- ,3 k 务 项 目部 ， 北京1 0 0 1 0 1 摘要 在应用超声波清洗机对钻井液样品进行超声分散和粒度测量时， 无意中发现配浆膨润土粉在超声清洗机中很快实 现均匀分散 ， 因此尝试采用超声波来完成配浆过程。应用超声分散技术顺利地实现 了3 种钻井液的成功配制， 初步证实该方法 有一定的科学性和可行性。但要进行实际生产应用， 有一些技术和设备方面的问题还需要进一步加强研究。 关键词 钻井液 ；功率超声 ；激光粒度仪 ；亚微米级颗粒 ；超声分散 ； 室 内试验 中图分类号 T E 2 5 4 ． 2 文献标识码 A La b o r a t o r y e x pe r i me nt o f d r i l l i ng fl ui d c ompo un de d b y s upe r s o ni c d i s pe r s i n g me t h o d Y A N G X i a n g u 0 ， J I AN G G u 0 s h e n g ， wA NG S h u a n g q i n g 1 E n g i n e e r i n gI n s t i t u t e o fC h i n a Un i v e r s i t y ofGe o s c i e n c e s ， Wu h a n 4 3 0 0 7 4 ， C h i n a ； 2 ． Hu n a nDr i l l i n gB r a n c h S o u t h w e s t C o L t d ． P e t r o l e u mEn g i n e e r i n go f S I NO P E C， C h a n g s h a4 1 0 1 1 8 ， C h i n a 3 ． I n t e r n a t io n a l De p a r t me n t ， GWDC Wi r e l i n e L o g g i n g C o m p a n y ， Be ij i n g 1 0 0 1 0 1 ， C h i n a Ab s t r a c t I t i s a c c i d e n t l y f o u n d t h a t t h e mu d b u i l d i n g b e n t o n i t e p o wd e r c a n e a s i l y a n d h o mo g e n e o u s l y d i s p e r s e i n u l t r a s o n i c wa s h i n g ma c h i n e wh e n u s i n g u l t r a s o n i c wa v e wa s h i n g m a c h i n e t o c o n d u c t i n g u l t r a s o n i c d i s p e r s i n g a n d p a r t i c l e me a s u r e me n t f o r d r i l l i n g fl u i d s a mp l e s ． S o mu d mi x i n g p r o c e d u r e i s fi n i s h e d b y a d o p t i n g s u p e r s o n i c wa v e t e c h n o l o g y ． T h e s u c c e s s f u l mu d mi x i n g fo r t h r e e we l l s u s i n g t h i s t e c h n o l o g y d e mo n s t r a t e p r e l i m i n a r i l y t h a t t h i s me t h o d i s o f s o me e x t e n d s c i e n t i fi c n a t u r e a n d c e r t a i n a p p l i c a t i o n f e a s i b i l i t y ． On t h e ot he r ha nd ，furth e r s tud y o n t h e t e c hni q ue s a nd f a c i l i t i e s a r e n e e de d i f t he s u pe r s on i c d i s pe r s i ng me t h od us e d i n pr a c t i c a l印 一 p l i c a t i o n． Ke y wo r d s d r i l l i n g fl u i d ； p o we r u l t r a s o n i c ； l a s e r d i f f r a c t i o n s i z e a n a l y z e r ； s u b mi c r o n p a rti c l e ； u l t r a s o n i c d i s p e r s i n g； l a b o r a t o r y 功率超声的应用 已先后在塑料焊接 、 清洗乃至 原油开采增产等领域取得了很好 的应用成果 ， 但 目 前 ， 尚未在钻井液配制方面进行应用。在应用超声 波清洗机对钻井 液样 品进行超声 分散和粒度测 量 时， 无 意中发现配浆膨润土粉在超声清洗机中很快 实现均匀分散 ， 因此产生 了使用超声波进行 配浆 的 想法。众所周知 ， 目前所采用的高速射 流配浆 系统 存在 占地面积大等缺点 ， 如果能够使用 功率超声进 行钻井液配制 ， 将有效解 决现场应用 中的一些 问题。 为此进行 了一系列调研与试验。 1 传统配浆工艺的弊端 湖南 钻井分公 司在新疆 施工配套 的钻机包 括 F 3 2 0 4 D H、 Z J 7 0 L DB 等类型 ， 其循环固控系统均 是近年来更新改造的， 配置基本一致 。其主要弊端 占用空间大 ， 降低 了泥浆罐 的总储存容量 ；结构复 杂 ， 维护成本高；能耗高 ， 功率利用率和设备使用率 低；冬季施工容易冻堵。 2 功率超声理论概 述 功率 超声波是相对检测超声 波 又称弱超声 作者简介 杨先国 ， 1 9 7 4年生。钻井工程专业在读博 士生。电话 0 9 9 6 ． 4 6 9 7 1 8 7 。E - ma i l y a n g x g 7 4 0 2 1 5 1 6 3 ． c o m。 5 2 石油钻采- T - Z ； 2 0 1 1 年 3月 第 3 3 卷 第 2期 的一种超声波定 义， 主要是 指一定强度 的超声 波。 这种超声波在媒质中传播时， 会产生力学、 热学、 光 学、 电学和化学等一系列效应， 这些效应可归纳为机 械作用、 空化作用和热作用。这 3 种作用对固液相 界 面产生不同程度 的影响 ， 对于可溶物会 明显加速 溶解 ， 对不溶物则会加速均匀分散 ， 应用于钻井液的 配制则可以加速钻井液材料的水化分散⋯。 3 超声分散技术配制钻井液室 内试验 2 0 0 8年 7月准备 了所有钻井液配浆材料和相关 测量仪器仪表 ， 使用 1 台昆山市超声仪器有限公 司 生产 的 KQ 2 1 8型超声波清洗机进行 了常规钻井液 的配制试验。为 了确保试验过程和数据真实有效 ， 使用了数码像机 、 扫描仪等视频设备。 室内配制了基浆、 聚合物胶液、 聚磺钻井液和加 重聚磺钻井液 ， 配制过程分超声分散和搅拌超声分 散 ， 最后对配制过程和配制浆体进行性能对 比评价 ， 对比参照物是通过常规方法喷射高搅配制的钻井液。 由于事先并 没有做好相应 的理论 与试验准备 ， 试验过程中不 断修正既定的方案和程序 ， 适当增加 试验和检测项 目， 以提高试验结果的可对 比性。例 如 试验 中发现钻井液温度不断上升， 经查询相关 资料 确定这是功率超声的一个特性 ， 后来在试验 中调整 了连续超声时间；原计划纯粹依靠功率超声 分散配制钻井液 ， 试验 中发现适当的搅拌可以大幅 提高配制效率 ， 因此增加 了对 比试验；刚开始计划 依据性能测定 对 比配制效果 ， 同时辅 以数码照片说 明， 后来发现通过扫描仪可 以更直观地 观察到钻井 液沉淀和分散状况 ， 因此增加了试验结果扫描对 比。 3 ． 1 基浆配制 3 ． 1 ． 1第 1组试 验 配方 淡 水 0 ． 3 ％ Na OH 0 ． 3 ％ Na E C O 6 ％ 膨 润土粉。 配制过程 取水 5 0 0 mL倒人清洗机容器中， 再 分别 倒 人 1 ． 5 g的 Na OH和 1 g的 N a 2 C O3 ， 启 动超 声波清洗机确定两种材料完全溶入水后倒入膨润土 粉 3 0 g ， 连续启动超声波清洗机 ， 静置超声 8 mi n后 的基浆 见图 1 。试验初期 ， 也就是在倒入 Na O H和 Na ， C O ， 后 ， 明显可看出两种可溶物晶体在超声波作 用下迅速跳动溶解 较搅拌状况下溶解速度快得多 。 从 图 1 可以看出， 8 mi n后膨润土粉并未在水中完全 分散开 ， 主要是倒人膨润土粉时部分土粉成 团， 在水 中分散的速度非常慢。 图 1 基 浆配方静置超声 8mi n的照片 1 9 mi n 2 4 S 后超声波清洗机因 自动保护断电关 闭， 当时感觉水温较高， 但未测量温度； 2 5 m i n 时测 量未分散的钻井液温度为 4 2 ． 3 o C， 而当时水温为 2 8 ℃； 2 6 mi n时重启超声波清洗机， 4 1 mi n时手动关闭 超声波清洗机 ， 测得温度为 5 2℃， 中途将图 1中两团 未分散膨润土粉团捣碎 ， 此后多次开停超声波清洗 机并测温 ， 发现超声时间越长， 温度也相对越高。 第 1 组基浆配制历 时 3 ． 2 2 h ， 分 5次超声分散 ， 总超声分散 时间 7 6 mi n 2 0 S ， 中途经简单搅拌即将 图 1中的两个膨润土粉团捣散。静置至次 日， 水化 分散时间累计 9 - 3 h后倒入储存器 中 见图 2 。 图 2第 1 组基浆水化 9 ． 3 h后 的照片 从图 2可以看出， 膨润土粉已充分水化 ， 由于没 有搅拌 ， 所以有成 团现象 ， 没有均匀分散 在液相 中。 分析该 配制过程 ， 只要通过简单 的搅拌就可以实现 膨润土粉的均匀分布。 3 ． 1 ． 2 第 2组试验本组及 以后 的试验改为水浴超 声分 散 ， 即采用烧杯 放人超声清洗槽 中水浴分散。 另外 为了充分对 比使用效果 ， 本组分别进行两次试 验 第 1 次对 比水浴超声分散效果 ， 先用少量水超 声分 散后加足水 ， 再超声分散观察效果 ；第 2次缩 短超声分散时间 ， 对 比观察效果 。观察记 录方式 由 纯数码拍照记录改为与烧杯底部扫描记录相结合 。 试验配方同第 1 组。配制过程 称测出所需物 品后 ， 在烧杯 中先加入 Na O H、 Na 2 C O 和膨润土粉 ， 再加水 7 5 mL， 超声波清洗机水浴槽 中加入一定量 的水 ， 把烧杯放入水浴槽 中启动超声波清洗机 ， 一定 5 4 石油钻采工艺 2 0 1 1 年 3月 第 3 3卷 第 2期 制均匀分散速度， 同时分散得非常均匀 见图 6 。 a 高浓度聚合物胶液 b 高浓度膨润土浆 图6 高浓度聚合物胶液和高浓度膨润土 浆边搅边超声后的照片 3 ． 4 聚磺胶液与聚磺钻井液混配 塔河油田一般使用两种钻井液配方 一是聚合 物钻井液体系； 二是聚磺钻井液体系。本组试验目 的是确认聚磺胶液配方超声分散效果。 配方 淡水 0 ． 3 ％K P A M 2 ％S P N H 2 ％S MP 一 1 ， 0 ． 6 ％K P AM 胶 液水 化 2 4 h后 ， 加 水搅 拌 均匀 混 成 0 - 3 ％K P AM 溶液， 再加入 4 g S P NH和 4 g S MP 一 1 ， 超 声分散搅拌 1 mi n和 2 mi n后扫描烧杯底部记录试 验结果 见图 7 。可以看出， 超声分散加搅拌 2 mi n 就可以实现聚磺胶液的均匀分散。 图 7 聚磺胶液边搅边超声后的照片 未搅拌样 品中溶液表面始终存在一些未完全溶 人液体中的材料 ， 若先加材料后加聚合物胶液 ， 情况 可能会好一些。此前配膨润土浆先加纯碱和烧碱时， 水浴超声效果非常明显 ， 两材料溶解速度明显加快。 试验结果 表明， 高黏稠性 的聚合物 中加入其他 可 溶材 料 的均 匀分 散 ， 超过 1 0 mi n超声 分散 和 2 mi n的超声分散加搅拌可 以达到相同的效果 ， 但后者 效率更高。 3 ． 5 加重浆酉 己 带 0 取已配制 的聚磺胶液样品 2 0 mL， 加 6 ％膨润土 浆 2 0 mL和水 2 0 mL混合均匀后加入一定量的加重 剂 ， 超声分散并手搅 2 mi n ；另一样品配方一致 ， 只 手搅 2 mi n不做超声分散。 试验过程 中发现 ， 超声分散时间不够时 ， 不能看 出加重剂在钻井液 中的分布情况， 2次共计 7 mi n 超 声分散后加重剂明显下沉到在锥形瓶底 ， 而手搅始 终无法实现聚合物材料的均匀分散。 4 功率超声 配浆试验对 比分析 4 ． 1 钻井液性能 对超声分散样 品 6 ％膨润 土浆 、 常规方法配制 的 4 ％ 膨润土浆和高搅后 的超声分散 6 ％膨润土浆 进行性能测量 ， 结果见表 1 。 表 1 超声分散与常规方法配制钻井液性能对比 根据钻井液相关行业标准 J ， 实测常规样品的 各项性能并不完全符合标准要求 ， 但从 总体效果来 看 ， 几种方法配制的基浆均基本满足现场要求。 4 ． 2 配浆效 率 通过上述试验可 以看 出， 使用超声分散技术配 制钻井液 的效率大幅提高 ， 建议采用 中低速搅拌配 合间断式超声波配浆 系统来实现钻井液基浆和胶液 的配制。如果能够设计加工 出功率足够大的超声波 源 ， 几分钟即可配出一罐胶液。同时， 由于超声分散 配制钻井液不需要把材料一袋袋均匀地倒入配浆漏 斗 ， 施工效率和员工工作量将得到大幅改善。 4 ． 3 能耗对比 以 8 ％膨润土浆为例 ， 只需要超声分散 2 mi n配 合手搅 2 2 6 r ／ mi n搅拌速度 即可配制出该浓度的膨 润土浆 2 0 0 m L ， 当时使用的K Q 2 1 8 超声波清洗机功 率 为 1 0 0 W ， 其超声配浆单位 重量 的功耗 为 1 0 0 W 2 mi n／ 1 6 g膨润土即 0 ． 7 5 k J ／ g ， 而现场施工过程 中 通常是开启 5 5 k W 电机驱动的配浆漏斗， 每分钟配 制土粉约 2 ～ 3 袋 2 5 k g ， 其常规配浆单位重量的功 耗为 5 5 k W 1 mi n／ 7 5 k g膨润土 即 0 ． 0 4 4 k J ／ g 。二 者功耗 比为 1 7 1 。同样配制 的 I ％K P A M ， 功耗为 1 0 0 W 2mi n／ 2 g即 6 k J ／ g ， 而现场施工过程中通常 是开启 5 5 k w 电机驱动的配浆漏斗， 聚合物材料的 杨先国等超声分散技术配制钻井液的室内试验 5 5 加速要求控制在 3 - 8 m i rd袋 2 5 k g ， 其常规配浆单 位重量的功耗为5 5 k W 3 mi n／ 2 5 k g 膨润土即0 ． 3 9 6 k J ／ g 。即前者功耗与后者功耗 比例为 1 5 ． 1 5 1 。 因为 目前利用超声波的方式是波源在工作对象 之外 ， 如果使用水浴超声即将超声源置于配浆罐 内， 其利用 率将大幅提 高， 具体分析需 要进一 步进 行。 另一方面， 还需要了解电能向超声波转化过程中能 耗损失情况 ， 单纯从超声波的应用方面来说 ， 其能耗 应该远高于常规漏斗式配浆系统。 4 ． 4 温度 分布 对 比 超声分散配制钻井液材料会造成钻井液温度的 明显上升 ， 通常情况下， 使用 KQ 2 1 8超声波清洗器 ， 1 0 mi n会造成水浴槽中水温升高 l 0 左右 ， 而普通 配浆程序则没有这个现象。超声分散过程 中的温度 升高 ， 是超声 波传播过程 中造成 的介质 内部运动加 速造成的， 该运动本身也在促进钻井液材料 的分散 ， 与普通 电路系统的发热能耗完全不一样 ， 后者除电 热设施外几乎全部做的是无用功。 4 ． 5 粒度分布对比 由于条件所限， 目前还没有做粒度对 比分析， 从 两种分散机理来看 ， 超声分散造成 的粒径分布情况 可能会更小 一些 ， 失水测定显示超声 分散样 品的失 水值偏小 ， 这也近似地佐证了这一分析 。 湖南钻井分公司在钻井液粒度分布的测定分析 方面取得 了一系列成果 J 。通过该成果分析 ， 低于 微米级的颗粒会大大地影响钻井机械钻速 。因此如 果超声分散技术配制的钻井液基浆粒度偏低 ， 将影 响钻井机械钻速 ， 就只能选择超声配浆方案来配制 胶液了 5 技术可行性分析 目前超声清洗方面可以做到的超声波设备 的超 声功率密度一般控制在不低于 0 ． 3 W／ c m ， 而 KQ 2 I 8 超声波清洗机也可以按此超声功率分析计算。笔者 也就此问题向胜利油 田钻井院超声波驱油项 目的技 术人员做 了一些咨询 ， 井下高温高压环境下 ， 大功率 超声换能器可以实现井简周围 1 m 范围的超声驱油 增产作业 。依照此做计算 ， 如果做一个 3 0 k W 的发 生器， 可以实现发射板面积达到 1 0 m ， 如果把这样 的 2块超声 波发射板置于钻井 液罐 内或搅拌机下 ， 再辅 以中低速搅拌 机不停地搅拌 ， 应该完全可 以满 足 目前 7 5 1T I 左右容积钻井液罐 内的基浆和胶液配 制 6 存在的技术问题 功率超声 的应用 ， 要想在钻井液配制方面取得 实质性 的进展 ， 需要解决以下几个问题。 1 大功率超声波对人的伤害。功率超声在传播 的过程中存在着难以有效隔绝的弊端， 而且大功率 超声波的传播对于置身于其传播范围内的人体的伤 害也是可以分析和检测的。 防护措施 可 以考虑在其伤害人体 的范 围内， 设计智能监测 系统 ， 一旦发现有人进入 ， 即实现 自动 关闭电源。而控制开启开关则必须要安装在其对人 体伤害的范围之外或者实现远程遥控开关操作。 2 大功率超声波对设备的损害。与对人的作用 机理一样 ， 功率超声波在传播到固液 、 液气和固气界 面时都会造成震 动叠加和雾化效应 ， 这势必会影 响 与其配套的循环系统 的密封件等相关零配件 。同时 还应该研究其对设备是否会造成其他方面的损害。 3 大功率超声波设备 的制备与配套。目前大功 率超声换能器的关键技术 已成熟 ， 并 已开始陆续 在国内很多企业使用。但上文谈到的对于人身和其 他设备的安全保障， 必须在设计加工时提前考虑 。 7 结束语 超声分散技术在钻井液配制过程中的应用前景 是非 常可观的。 目前 ， 该技术实 际投入应用还有一 些技术 问题需要解决 。笔者通过一些简单的试验把 该过程演示 出来 ， 除了向大家介绍这样的一种工艺 外 ， 更重要的是希望能够借此试验扩展钻井现场人 员 ， 尤其是工程技术人员的思路 ， 启发大家在钻井现 场施 工过程 中能够充分引进非本专业 的知识理论 ， 解决现场遇到的一些技术 问题 。 参考文献 [ 1 ] 范百刚 ． 超声原理与应用 [ M ]． 南京江苏科学技术 出版 社 ． 1 9 8 5 ． [ 2] S Y9 4 9 O 一9 3钻井液试验用钠膨润土 [ s]． [ 3] 班 国， 文红 阳， 侯丽萍 ， 等 ． 钻 井液 中亚微米颗粒含 量对 钻井机械钻遮的影响 [ J ] ． 江汉石油科技， 2 0 0 8 ， 1 8 4 26 2 8． [ 4] 尹文波， 王平， 董怀荣， 等 ． 大功率超声波采油成套装备 的研制及应用 [ J ]． 石油机械 ， 2 0 0 7 。 3 5 5 1 4 ． 修 改稿收到 日期2 0 1 1 - O 1 ． t 4 [ 编辑朱伟 ]