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泡沫介质流变性试验研究及应用

聂衍钊  
【摘要】:由于钻探地质条件的复杂,有些特殊的地层条件必须要采用新型的钻探冲洗液,泡沫是新型冲洗液中的一种。它利用均匀稳定的泡沫流作为钻井时的循环介质,它既克服了高密度钻井液体的缺点,同时也克服了雾化及空气钻井的缺点,有效的解决了在高原、沙漠等干旱缺水地区的钻进难题,同时由于其密度低,在破碎裂隙发育地层、低压油气层中,得到了广泛地应用。 虽说这种新技术能得到广泛的应用,但是对泡沫钻进工艺系统理论的研究掌握太少,对泡沫流体的流变规律的研究几乎是空白,使用泡沫钻进时不能有效控制井内泡沫流的质量、压力、流速等,影响泡沫钻进优越性的发挥。因此,对泡沫流体的流变特性研究是推进我国泡沫钻进研究进程,推广其应用的关键问题。 泡沫是气、液两相流均匀混合体,泡沫在钻进循环过程中是多变化系列,运动泡沫中其压力、体积、泡沫质量、泡沫比重、粘度、速度、流型等等都处于不断变化之中,泡沫的多变性给研究泡沫流变性造成很大困难。 在1928年物理化学家宾汉(Bingham)倡议成立美国流变学会,并创刊“流变学杂志”,流变学已成为一门新的科学。流变学是研究材料的流动与变形的科学。 Wise通过对消防泡沫流经普通铁管的流动阻力的研究发现,泡沫并没有宾汉模型的屈服值,认为泡沫纯粹属于假塑性流体,其流变模式为: Logμ=logτ2+alog +b Mitchell使用毛细管研究泡沫流动,Mitchell用下式计算τy和μp: WP=133 而Buckingham-Reiners对泡沫修正了用于管内流动的宾汉塑性模型,形式如下: Herschell-Buckley模型-又称H-B模型,方程形式为: 广义流变方程: 剪切速率方程为: 在环空中的流动时 其中 完成本论文的所有工作都是在试验台上进行,在该试验台上可进行与压力损失相关的数据测试,可模拟钻孔进行与岩屑运动有关的测试研究。 利用泡沫流变实验台对不同气液比、不同压力、不同管径、不同泡沫液浓度下的稳定泡沫进行测试,从中找出压力损失与气液比、试验压力、管径及泡沫液浓度之间的变化关系。 研究泡沫的流变性,对于指导泡沫钻探生产及对泡沫钻井的应用研究具有十分重要的理论意义。 利用建立的泡沫流变性的试验研究台测试: 1)不同管径、不同气液比、不同泡沫液浓度、不同压力下的压力损失情况; 2)可用来观察和测试岩屑在管中的运动情况,测试其在不同条件下(本 WP=134 论文中是不同的气液比)的上返速度,测试泡沫的悬浮能力; 3)观察泡沫在不同气液比下的流态; 4)测量剪切应力和计算粘度; 5)测试管路的压力损失,进行压力损失的初步计算研究; 6)对消泡器进行试验与改进。 对所测出的数据进行回归分析得出压力损失计算公式: ⊿P= (水平管) △P= (垂直管) 进行综合计算整理得出泡沫钻探灌注压力公式:P=P1+P2 与宁夏泡沫增压钻探试验压力值进行对比分析如右图。 该计算公式有如下几点优势: 1.用于计算的数据都可以在生产现场测试,在实际生产中简便实用。 2.不用进行测试泡沫难以测试的参数,如孔内温度、泡沫的剪切力、阻力系数等。 通过运用流体分析软件对泡沫流体进行分析,得出结论:泡沫的粘度在管中各个部位都有变化,通过计算出来的泡沫粘度是泡沫在这段管中的平均粘度。我们在谈到泡沫的粘度时,不仅要考虑其气液比、泡沫液浓度等,还要考虑到泡沫在管中所处的位置。 对消泡器内的压力分布进行分析,并加工出二种通过分析后改进的消泡器进行实验对比其消泡能力。通过测试研究发现,消泡器扩散管锥度不能太小,扩散管锥度要大于79/350;消泡器扩散管长度大于350mm;泡沫液流入消泡器的速度不能太大,泡沫液流速:0.3~0.6m/s;缝隙宽度在0.2~0.5mm, WP=135 较为合适。为了能更好地消泡,需要对消泡器进行全面的改进,包括:扩散管的形状及进气口的形状;增加缝隙级数;或者,在消泡器内部放置喷咀,做成缝隙式与轴流式混合消泡器。 由于泡沫的流变性难以控制和测试,其变化较大,提出以利用所有泡沫钻探生产的钻进压力值,利用数学分析的方法对这些钻进压力值进行分析,在此基础上总结出更加合适、简捷的泡沫灌注压力公式。 为了更好地测试泡沫的粘度,利用六速粘度计的测试部件,改装成在线粘度计,这样就可以随时测量不同部位及在不同压力下的粘度。 随着今后对泡沫流变性的更加全面的研究,对泡沫流变规律的全面掌握,泡沫钻探技术有更加广泛的应用前景,应用更加方便,它必将为社会创造出显著的经济和社会效益。 通过推广泡沫水泵增压钻探技术,取得了很好的经济效益。进一步完善其钻进工艺和配套设备,更加全面的推进该钻探新技术。


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