專利名稱：異型管式鉆井液流變性測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于鉆井液流變性測量領(lǐng)域，尤其是涉及一種異型管式鉆井液流變性測量方法。
背景技術(shù)：
鉆井液的流變性一般包括流體的粘度、靜切力、動切力和剪切稀釋特性等。這些流變性的掌握和調(diào)整，與提高鉆井速度和井下安全有很重要的關(guān)系。鉆井液流變性關(guān)系到(I)鉆井液攜帶鉆屑、清潔井眼的能力；(2)懸浮能力；(3)對井壁的穩(wěn)定作用；(4)鉆井參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計——鉆頭水馬力設(shè)計和循環(huán)壓耗的計算等等。所以鉆井液流變學(xué)及流變性的測量研究一直深受重視。目前流變性的測量方法有很多種，如管流法、旋轉(zhuǎn)法、落球法、圓盤法、振動法等。其中旋轉(zhuǎn)法和管流法是鉆井液流變性測量的常用方法。旋轉(zhuǎn)法測量鉆井液粘度是目前應(yīng)用較廣泛的一種方法。其基本原理是:當(dāng)流體與浸于其中的物體二者之一或者二者都作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時，物體將受到流體粘性力矩的作用而改變原來的轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩，通過測量流體作用于物體的粘性力矩或物體的轉(zhuǎn)速來確定流體的粘度。旋轉(zhuǎn)法適用范圍寬，測量方便，易得到大量的數(shù)據(jù)，但是存在很多局限性。西安石油學(xué)院的景天佑等人早在1989年就對現(xiàn)場鉆井液的流變性遙測裝置進(jìn)行了研究，他們研制的遙測裝置的主要原理是一個力矩電機(jī)帶動轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)動，根據(jù)旋轉(zhuǎn)速度和力矩測定值計算出流變性參數(shù)。該論文還論證了單轉(zhuǎn)筒粘度計，雖然在理論上可以測定流體粘度，但是只能測定低剪切速率下的粘度，在實際鉆井中，流體的速度梯度往往很高，這就要求調(diào)幅范圍很寬的直流力矩電機(jī)，給實際電機(jī)選用帶來了一定的困難。2008年A.Saasen等人采用了能在不同剪切速率下測量粘度的Couette (庫愛特)粘度計，這種粘度計是控制轉(zhuǎn)速的雙筒粘度計。而雙筒式旋轉(zhuǎn)粘度計則存在內(nèi)外桶之間鉆井液的頂替效率問題。所以要使用旋轉(zhuǎn)法來自動測量鉆井液流變性還存在很多問題需要解決，難以實現(xiàn)目前鉆井液流變性在線測量。管流法也是流變性測量的一種常用方法，這種方法的原理是哈根 泊肅葉定律，即一定體積的液體在一定壓力梯度下通過給定毛細(xì)管所需時間正比于層流液體的粘度。因此，通過測量液體流速和液體流經(jīng)毛細(xì)管產(chǎn)生的壓力差即可得液體粘度。毛細(xì)管粘度計制造簡單，價格較低，溫度控制簡單，實驗操作方便，能夠進(jìn)行粘度的絕對測量，因此毛細(xì)管法是一種有吸引力的測量方法。1991年，專利CN2085960曾經(jīng)提出了一種毛細(xì)管流變儀用于測量鉆井液的流變性，其特征在于:差壓測量系統(tǒng)由狹縫式毛細(xì)管和一個安裝在該毛細(xì)管器壁上的壓力傳感器組成。但是這種方法由于壓力傳感器的引壓孔太細(xì)，測量含有顆粒且有觸變性的鉆井液時，容易堵塞引壓孔，致使壓力傳 感器靈敏度降低甚至失去作用。1992年，專利CN 2114159U提出了一種多根毛細(xì)管粘度計，這種毛細(xì)管粘度計由氮?dú)馄?、流體罐、輸入管道、輸出管道、流出容器、不同直徑的毛細(xì)管及液體罐上的壓力傳感器等組成。該儀器可以在同一壓力下測定不同剪切速率下的粘度，可以大大節(jié)約測量時間。但是這類儀器均存在不同程度的端部效應(yīng)。再就是這種方法使用的毛細(xì)管的斷面為圓形，而且管徑較細(xì)，很各易引起鉆井液中的顆粒堵塞。隨著石油鉆井工程自動化程度的提高，鉆井液性能的自動化監(jiān)控技術(shù)越來越受到重視，特別是對鉆井液流變性在線測量技術(shù)的需求更加迫切。要實現(xiàn)鉆井液流變性自動化在線測量技術(shù)，其關(guān)鍵在于測定鉆井液流變性的方法。目前常規(guī)的鉆井液流變性測試方法，不管是旋轉(zhuǎn)法還是管流法都不能滿足現(xiàn)場鉆井液流變性自動化測量的需要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了克服上述缺陷，提供一種操作簡便，測量準(zhǔn)確，可用于現(xiàn)場鉆井液的流變性自動化在線測量的異型管式鉆井液流變性測量方法。本發(fā)明的技術(shù)方案是:首先把鉆井液以不同的流量通過斷面為平橢圓環(huán)的異型毛細(xì)管，其次用平面膜壓力傳感器測量離異型管兩端一段距離的兩測壓點之間的壓力損耗，第三是根據(jù)不同流量和損耗壓力計算η值；第四是根據(jù)流量、異型管的平橢圓環(huán)流動斷面面積和平橢圓環(huán)隙厚度以及η值計算不同流量時的剪切速率；第五是根據(jù)測量點之間的管長、平橢圓環(huán)面積和平橢圓環(huán)隙的側(cè)面積以及兩測壓點之間的壓力損耗計算不同流量時的動切力值；最后用不同流量下的剪切速率和切應(yīng)力值計算鉆井液的流變參數(shù)。發(fā)明的優(yōu)化方案是包括構(gòu)建異型管，測量異型管幾何參數(shù)，初定鉆井液流量，測量實際流量及壓耗，計算η值，校正速度梯度，計算切應(yīng)力值，判斷流型，計算流變參數(shù)，記錄試驗結(jié)果。其中:構(gòu)建異型管:由平橢圓管和平橢圓柱插接后之間形成一個平橢圓環(huán)隙；在平橢圓管壁上安裝兩個齊平膜壓力傳感器，齊平膜壓力傳感器分別距離平橢圓管兩端10倍水力直徑以上的距離；測量異型管幾何 參數(shù):首先測量平橢圓管內(nèi)壁形成的平橢圓斷面的兩個半圓半徑A和公切線長度b ;其次測定平橢圓柱外壁形成平橢圓斷面的兩個半圓的半徑1*2 ;第三測量異型管壁上兩個齊平膜壓力傳感器的中心距離L ;然后根據(jù)這些參數(shù)計算平橢圓環(huán)隙間距δ和平橢圓環(huán)的面積a ;最后根據(jù)平橢圓環(huán)隙的幾何尺寸計算平橢圓環(huán)隙的側(cè)面積s ；δ = T1-T2a = (rX) +2b (r「r2)s = 2 r^+2 π r2L初定鉆井液流量:按照要求的速度梯度Y初步確定至少三個實驗流量Q，然后根據(jù)確定的流量，將鉆井液泵入異型管中；Q =測量實際流量及壓耗:用流量計準(zhǔn)確測量前述實驗點的流量q，并用齊平膜壓力傳感器測量每個實驗點的壓力損耗Λρ ;計算η值:作壓力損耗的對數(shù)值與測量流量的對數(shù)值的關(guān)系曲線，IgAp--1gq,線性回歸，求取斜率η值；校正速度梯度:用流量和異型管幾何參數(shù)δ和a計算速度梯度，并用η值校正；
權(quán)利要求
1.異型管式鉆井液流變性測量方法，其特征是:把鉆井液以不同的流量通過斷面為平橢圓環(huán)的異型毛細(xì)管，用平面膜壓力傳感器測量離異型管兩端一段距離的兩測壓點之間的壓力損耗，根據(jù)不同流量和損耗壓力計算η值，根據(jù)流量、異型管的平橢圓環(huán)流動斷面面積和平橢圓環(huán)隙厚度以及η值計算不同流量時的剪切速率，根據(jù)測量點之間的管長、平橢圓環(huán)面積和平橢圓環(huán)隙的側(cè)面積以及兩測壓點之間的壓力損耗計算不同流量時的動切力值，用不同流量下的剪切速率和切應(yīng)力值計算鉆井液的流變參數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的異型管式鉆井液流變性測量方法，其特征是包括構(gòu)建異型管，測量異型管幾何參數(shù)，初定鉆井液流量，測量實際流量及壓耗，計算η值，校正速度梯度，計算切應(yīng)力值，判斷流型，計算流變參數(shù)，記錄試驗結(jié)果；其中: 構(gòu)建異型管:由平橢圓管和平橢圓柱插接后之間形成一個平橢圓環(huán)隙；在平橢圓管壁上安裝兩個齊平膜壓力傳感器，齊平膜壓力傳感器分別距離平橢圓管兩端10倍水力直徑以上的距離； 測量異型管幾何參數(shù):首先測量平橢圓管內(nèi)壁形成的平橢圓斷面的兩個半圓半徑!^和公切線長度b ;其次測定平橢圓柱外壁形成平橢圓斷面的兩個半圓的半徑1"2 ;第三測量異型管壁上兩個齊平膜壓力傳感器的中心距離L ;然后根據(jù)這些參數(shù)計算平橢圓環(huán)隙間距δ和平橢圓環(huán)的面積a ;最后根據(jù)平橢圓環(huán)隙的幾何尺寸計算平橢圓環(huán)隙的側(cè)面積s ；δ = rrr全文摘要
本發(fā)明公開了一種操作簡便，測量準(zhǔn)確，可用于現(xiàn)場鉆井液的流變性自動化在線測量的異型管式鉆井液流變性測量方法。發(fā)明的技術(shù)方案是包括構(gòu)建異型管，測量異型管幾何參數(shù)，初定鉆井液流量，測量實際流量及壓耗，計算n值，校正速度梯度，計算切應(yīng)力值，判斷流型，計算流變參數(shù)，記錄試驗結(jié)果。本發(fā)明涉及的異型管式鉆井液流變性測量方法解決了常規(guī)管流法在測量鉆井液時存在的問題，提高了測量精度，操作簡便，可用于現(xiàn)場鉆井液的流變性自動化在線測量。
文檔編號G01N11/08GK103076263SQ20121005268
公開日2013年5月1日 申請日期2012年2月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月25日
發(fā)明者劉保雙, 王中杰, 李公讓, 喬軍 申請人:中國石油化工股份有限公司, 中國石化集團(tuán)勝利石油管理局鉆井工藝研究院