提高鉆井液粘度在線測量精度的標準化措施探索

盧齊 龐東曉 聶秋露

摘 要：隨著數(shù)字鉆井技術(shù)的發(fā)展，基于傳感器技術(shù)的鉆井液粘度在線檢測設(shè)備應(yīng)運而生。然而現(xiàn)行標準僅對鉆井液性能人工檢測方法進行了規(guī)范，其測量方法及內(nèi)容、HSE相關(guān)要求等內(nèi)容已不滿足以自動化傳感器為核心的鉆井液性能在線檢測的基本要求。目前聚焦于提高鉆井液粘度在線檢測精度和重復(fù)性的標準化措施研究尚屬空白。本文通過對檢測方法優(yōu)選，檢測條件因素分析等方面開展研究，旨在提高粘度測量結(jié)果精確性，對鉆井液粘度在線計量技術(shù)標準化體系建立具有積極意義。

關(guān)鍵詞：鉆井液，粘度，在線測量，精度，標準化，探索

鉆井液是由粘土、水和一些無機或有機化學(xué)處理劑通過攪拌而成的成分復(fù)雜的懸浮液與膠體溶液的混合物，是一種具有剪切稀釋特性的時間獨立性非牛頓流體系統(tǒng)[1]。在鉆井工程領(lǐng)域鉆井液常被稱作鉆井的“血液”，其粘度性能與攜巖能力、井眼清潔、井壁穩(wěn)定等息息相關(guān)，及時、準確地獲取鉆井液綜合性能參數(shù)是井筒水力學(xué)、鉆柱動力學(xué)分析的前提和基礎(chǔ)，對于預(yù)測鉆頭托壓、卡鉆等井下復(fù)雜情況，降低鉆井NPT，縮短完鉆周期，保障鉆井安全起著重要作用[2]。在全球工業(yè)4.0革命浪潮影響下，石油工業(yè)的數(shù)字化、信息化轉(zhuǎn)型已經(jīng)成為必然趨勢，鉆井液粘度檢測技術(shù)由人工檢測逐漸發(fā)展成為了基于傳感器技術(shù)的全自動在線測量技術(shù)。

然而，現(xiàn)行鉆井液流變性能檢測標準所規(guī)定的為實驗室人工檢測設(shè)備，盡管其測量手段已經(jīng)成熟，并形成了從儀器制造、測量、校準全流程標準化體系。然而，其隨鉆在線粘度性能因其檢測方法、作業(yè)環(huán)境、測量條件、精度影響因素與室內(nèi)人工測量存在很大差異，不能將現(xiàn)有標準直接套用。本文將從測量方法優(yōu)選、加工精度、測量條件等關(guān)鍵影響因素開展探索，使其能夠滿足高準確度測量需求，對建立鉆井液粘度在線測量標準化體系具有現(xiàn)實意義。

1 鉆井液粘度在線檢測方法優(yōu)選

1.1 流管法

1.1.1 測量原理

根據(jù)哈根泊肅葉定律，假設(shè)毛細管的半徑R，長度L，毛細管兩端的壓力差P，液體在外力的作用下在毛細管中作勻速流動，在穩(wěn)定流動下，外力與粘滯阻力平衡[3]。將待測液體用恒流泵和緩沖器引入測量管路中，管路為單一直徑的細長圓管或多段變徑管路系統(tǒng)，根據(jù)變徑管不同直徑段的流動速度和管徑計算不同直徑管段的速度梯度；或采用通徑一致的直管，通過改變泵的排量改變流速計算速度梯度，通過壓差計檢測變徑管不同直徑段的壓力損耗，計算變徑管不同直徑段的切應(yīng)力值，即可計算出被測鉆井液的塑性粘度、動切力、流型指數(shù)和稠度系數(shù)等流變性參數(shù)，有如下關(guān)系。

2.1.2 同軸度試驗

在現(xiàn)有鉆井液6速標準粘度計上加裝可調(diào)定子軸承座，選取ε=0.05，0.08，0.10，0.14開展試驗，確定不同偏心率對檢測結(jié)果的影響。試驗選擇國家標準粘度物質(zhì)GBW13607，20℃時標稱粘度為179.11mPa.s。分別測試300轉(zhuǎn)、3轉(zhuǎn)高低兩個轉(zhuǎn)速下粘度值，試驗結(jié)果分析如下。

（1）如表1所示，高轉(zhuǎn)速、低轉(zhuǎn)速兩組測量結(jié)果與標稱粘度符合率均在95%以上，低轉(zhuǎn)速組測量總體符合率低于高轉(zhuǎn)速組，偏心率越大，測量結(jié)果的偏差越大。

（2）如圖1所示，低轉(zhuǎn)速下偏心率0.1和0.14組檢測數(shù)據(jù)抖動劇烈，測量結(jié)果重復(fù)性不好。

（3）如圖2所示，偏心率越大測量結(jié)果偏低程度越明顯，說明受到的附加阻力矩越大，這與理論分析結(jié)果一致。

（4）如圖3所示，偏心率越大，測量結(jié)果的離散程度越大，低轉(zhuǎn)速組中當偏心率為0.14時，測量結(jié)果中已經(jīng)出現(xiàn)一個離散的非點。

2.1.3 儀器加工與裝配精度推薦值

從上述試驗分析可知，在理論計算的許用偏心率范圍內(nèi)，現(xiàn)有鉆井液用粘度量具測量結(jié)果與標準粘度物質(zhì)符合率均在95%以上，能滿足測量精度要求。然而，試驗結(jié)果表明當偏心率ε≥1時，兩組不同轉(zhuǎn)速下測量結(jié)果均出現(xiàn)不同程度的離散，導(dǎo)致儀器重復(fù)性下降，尤其是在3轉(zhuǎn)下測量的25組數(shù)據(jù)中已經(jīng)出現(xiàn)一個非點。對于現(xiàn)有依賴人工操作的粘度計來說，出現(xiàn)非點時操作者能夠根據(jù)經(jīng)驗篩選排除，但若進行在線自動化測量，實現(xiàn)智能篩選難度很大，而且會造成數(shù)據(jù)失真，因此，鉆井液用在線粘度量具加工及裝配偏心率推薦控制在0.1以內(nèi)。

2.2 測量條件影響因素分析

鉆井液粘度在線檢測應(yīng)用環(huán)境為鉆井工程現(xiàn)場，儀器工作環(huán)境，檢測條件和現(xiàn)有人工在實驗室環(huán)境下使用的儀器有很大不同。為保證測量精度，有必要對檢測條件、工作環(huán)境中的影響因素開展分析，確定適當?shù)脑诰€測量條件，保證儀器精度。

2.2.1 溫度對測量結(jié)果的影響

不同于現(xiàn)有鉆井液粘度手動測量量具，在線粘度計一旦開啟將自動連續(xù)運行。正常鉆井過程中，返出鉆井液溫度一般在55～90℃。在線粘度計運行期間將一直受到鉆井液熱源持續(xù)加熱，此時儀器本身的熱膨脹將不能被忽略。當轉(zhuǎn)子、定子尺寸受到熱膨脹影響發(fā)生變化時，儀器的流場系數(shù)f和儀器常數(shù)K也將發(fā)生變化，將影響測量精度。儀器熱膨脹系數(shù)可由式15表示。

其中，α—金屬熱膨脹系數(shù)。

以現(xiàn)有不銹鋼材質(zhì)粘度計為例，模擬現(xiàn)場90℃鉆井液，保溫5小時，選擇國家標準粘度物質(zhì)GBW13607開展試驗。分別在10min、1小時、2小時、3小時、4小時、5小時測量粘度數(shù)據(jù)，以10min測量數(shù)據(jù)為基準，記錄分析結(jié)果如下。

（1）如表2，持續(xù)加熱5小時，儀器膨脹明顯，因膨脹導(dǎo)致的最大測量誤差為3.5%，與理論計算結(jié)果相符合。

（2）如圖4所示，測量的粘度值隨著時間增加逐漸減小，且下降趨勢逐漸平穩(wěn)，3小時及以后的3個測點粘度值基本一致，說明儀器熱膨脹逐漸趨于穩(wěn)定。

（3）建議對鉆井液在線檢測量具開展出廠熱膨脹系數(shù)標定試驗，繪制熱膨脹系數(shù)-溫度-時間曲線，并將其考慮在傳感器模型中。

2.2.2 定子浸沒深度對測量結(jié)果的影響

由于現(xiàn)有的鉆井液粘度計采用人工取樣測量的方法，每次取樣量能夠準確控制，同理浸入定子、轉(zhuǎn)子深度也能精確確定。然而，在線粘度計通常安裝在管道旁路上，進液和出液均為自動控制，管道內(nèi)液體流動情況受鉆井工況、泵排量等諸多復(fù)雜因素制約，若要實現(xiàn)量具運行期間檢測液面高度絕對一致需要額外增加復(fù)雜的閥門控制結(jié)構(gòu)及控制算法，同時還將影響系統(tǒng)可靠性。因此，有必要研究浸沒深度對檢測結(jié)果的影響規(guī)律。

浸沒深度對檢測結(jié)果的影響有兩方面：（1）浸沒深度增加相當于增加了定子側(cè)面積，增加了粘滯阻力矩，測量結(jié)果將比實際值大，然而由于定子桿半徑遠小于定子半徑，由式7可知，這部分附加力矩不足總扭矩的1%，因此，可以忽略。（2）浸沒深度增加將減小端面效應(yīng)，以現(xiàn)有不銹鋼材質(zhì)粘度計為例，控制浸沒深度為沒過定子上端面1.5mm，2mm，2.5mm，3mm，4mm，5mm，選擇國家標準粘度物質(zhì)GBW13607恒溫20℃條件下開展試驗，結(jié)果如下。

（1）由表3可知，隨著浸沒深度的增加，測量結(jié)果也隨之增大，當浸沒深度小于3mm時，測量結(jié)果增幅更為明顯。

（2）當浸沒深度大于3mm時，測量結(jié)果逐漸趨于穩(wěn)定，增加浸沒深度對測量結(jié)果影響不大，其原因是增加深度帶來的附加粘滯力矩與端面效應(yīng)互相作用的結(jié)果。

（3）由上述結(jié)果可知，在線粘度計不需要精確地控制測量液面高度，只需要保證其浸沒深度始終高于3mm并注意不要溢出或憋壓，并將這部分附加粘滯力矩納入儀器系數(shù)即可。

3 結(jié)論與建議

針對非鉆井液粘度測量過程復(fù)雜和體系不穩(wěn)定兩個難點，探討各種測量因素對粘度測量結(jié)果的影響，建立標準方法，主要得到以下結(jié)論。

3.1 旋轉(zhuǎn)法更適合鉆井液粘度在線測量

流管法測量鉆井液粘度時，層流條件限定最大剪切速率不超過300s-1，不滿足鉆井液粘度測量要求的1022s-1的條件。旋轉(zhuǎn)法可通過調(diào)整測量間隙寬度，改變層流極限角速度，其測量剪切速率范圍遠遠超過鉆井液粘度測量要求，由于其自動化程度高、應(yīng)用范圍廣、操作簡便、對實驗環(huán)境要求相對較低等特點得到廣泛應(yīng)用［9、10］。旋轉(zhuǎn)法最為顯著的特點是它能夠設(shè)置不同的剪切速率／轉(zhuǎn)速，能夠?qū)ο嗤馁|(zhì)的材料在不同剪切速率下進行粘度的測量，因此旋轉(zhuǎn)法被廣泛運用在牛頓流體流變性能和非牛頓流體的粘度測量以及流變行為的研究中。

3.2 偏心率推薦控制在1.0以內(nèi)

通過試驗驗證，盡管偏心率在1.4以內(nèi)各轉(zhuǎn)速下測量結(jié)果與標稱值符合率均在95%以上，但試驗表明偏心率超過1時，測量結(jié)果重復(fù)性降低，尤其是低轉(zhuǎn)速條件下還容易出現(xiàn)非點，因此，偏心率控制在1.0以內(nèi)，設(shè)備精度更高。

3.3 鉆井液粘度在線檢測設(shè)備不能忽略溫度膨脹效應(yīng)

試驗表明，鉆井液粘度在線檢測設(shè)備由于需要長期在高溫環(huán)境下連續(xù)工作，轉(zhuǎn)子、定子等關(guān)鍵探測結(jié)構(gòu)金屬膨脹發(fā)生形變會影響精度，試驗中該效應(yīng)引發(fā)的結(jié)果差異達到3%，盡管在模擬90℃環(huán)境下3小時后測量數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定，但缺乏大量多次重復(fù)試驗驗證，因此，強烈建議出廠開展熱膨脹系數(shù)標定試驗，繪制熱膨脹系數(shù)-溫度-時間曲線，并將其考慮在傳感器模型中。

3.4 測量液面高度對鉆井液粘度在線檢測設(shè)備影響較小

由于液面高度產(chǎn)生的附加粘滯力矩和端面效應(yīng)的共同作用，試驗表明當測量液面高度高于定子上端面3mm以上時，測量結(jié)果趨于穩(wěn)定，因此綜合考慮系統(tǒng)復(fù)雜度和制造成本，無須額外增加液面控制設(shè)備和算法，精確控制測量液位高度。

參考文獻

張進.基于非牛頓流體特征的鉆井液旋流分離行為研究[D].成都：西南石油大學(xué)， 2019.

樊帆.偏心環(huán)空中非牛頓流體的廣義水力計算方法[J].內(nèi)蒙古石油化工，2018，44（03）：4-9.

房乾，于向江，張宇，等.一種基于毛細管法的注入剖面井下流體粘度測量方法[J].石油管材與儀器，2020，6（06）：7-11.

劉保雙，王忠杰，馬云謙，等.鉆井液流變性在線檢測新方法[J].鉆井液與完井液，2016，33（04）：56-59.

K e b r i a DY， Mo a f i m a d a n i S R ， G ol i Y L a b o r a t o r yinvestigation of the effect of cr umb r ubber on thecharacteristics and rheological behavior of asphaltbinder [J ] . Road Mater ia ls a nd Pavement De sig n ，2015，16（4）：946-956.

張超，韓成，黃凱文，等.鉆井液用流變儀測量的影響因素及研究進展[J].石油管材與儀器，2015，1（04）：1-4.DOI：10.19459/j.cnki.61-1500/te.2015.04.001.

馬力. 基于旋轉(zhuǎn)法粘度測量系統(tǒng)的研究[D].大連：大連海事大學(xué)，2016.

劉戰(zhàn)果，龐學(xué)霞，常晗碩，等.毛細管法測量流體黏度理論分析[J].物理通報，2020（06）：59-62+69.

廖勇前.毛細管黏度計在測量非牛頓流體黏度中的使用方法和注意事項[J]．河南技術(shù)，2013（11）：51.

孫丹．基于旋轉(zhuǎn)法的多功能液體黏度自動檢測裝置的研究[D].南寧：廣西大學(xué)，2012.