学兔兔 第29卷 第1期 钻 井 液 与 完 井 液 Vl01．29 No．1 2012年 1月 DRILLING FLUIDCOMPLETION FLUID Jan．2012 【理论研究与应用技术】 钻井液马氏漏斗黏度与表观黏度的关系 杨莉 ， 李家学 ， 刘会锋 (1．西南石油大学石油工程学院，成都；2．中国石油塔里木油田公司油气工程研究院，新疆库尔勒) 杨莉等．钻井液马氏漏斗黏度与表观黏度的关系[J]．钻井液与完井液，2012，29(1)：12—14． 摘要 马氏漏斗黏度和表观黏度在钻井流体性能表征上均有其及其重要的作用，但对于它们的相互关系目前尚未有 明确的结论。为此，基于漏斗黏度测定原理，探讨钻井流体在漏斗中流出的全过程，建立马氏漏斗黏度和表观黏 度之间的关系式，采用室内配制钻井流体的测定结果，证实所建关系式的可靠性。根据结果得出，钻井流体的漏斗黏 度反映了随漏斗剪切速率变化的表观黏度；当已知钻井流体的马氏漏斗黏度时。可用漏斗黏度与表观黏度的关系 式估算其表观黏度，计算结果可靠，为钻井流体表观黏度和漏斗黏度的应用提供了方便。 关键词 漏斗黏度 ；表观黏度 ；关系式；钻井液；流动性 中图分类号：TE254．1 文献标识码：A 文章编号：1001．5620(2012)01—0012 03 0 引言 度依赖于钻井液体系。刘崇建与刘孝良等人【7 应 用非牛顿流体力学等相关知识，采用理论推导方法， 马氏漏斗黏度由于使用起来更便捷和结果直观，在油 建立了漏斗黏度和表观黏度之间的联系，利用该式 气田钻井现场应用十分普遍[1-31o但随着旋转黏度 可由漏斗黏度计算出宾汉流体、幂律流体的流变参 计的发展与运用，钻井液流动性能评价开始采用另 数。在此研究基础上，从漏斗黏度测定的物理过程 一 个重要参数——表观黏度。马氏漏斗黏度与表观 出发，揭示了漏斗黏度与表观黏度之间的物理和数 黏度有不一样的物理意义，其测定值和测定过程也 值关系。 各不相同，但2个参数从不同角度反映了钻井流体 的流动性能，因而2者之间有几率存在某种关系，这 漏斗黏度的物理意义 引起了一些钻井液研究人员的关注。为此，采用理 论推导和实验验证的方法，研究了漏斗黏度和表观 测定黏度的漏斗是由一个倒置的圆椎体连接一 黏度之间的关系，旨在揭示2者之间的物理和数值 个直径很小的喷嘴组合而成的，图1为API标准规 关系，为表观黏度和漏斗黏度的应用提供方便。 定的马氏漏斗结构及几何参数。 Pitt[4-5]最早开始了钻井液马氏漏斗黏度和表观 黏度的关系研究，他通过丙三醇、HEC、XC等溶 液体系的漏斗黏度和表观黏度研究，提出了表观黏 度 与漏斗黏度t以及溶液密度P之间的数值关系 式 (t-25)，该式使用很方便，但该式没有揭示 出两者之间的物理关系，且计算值与实测钻井液黏 度值误差较大。此后，业金权等人【6】通过实验方 法测定了一系列钻井液的漏斗黏度和表观黏度的数 值，使用曲线者之间的数值计 算模型，但曲线拟合中的参数与计算结果的精确程 图1 马氏漏斗结构及尺寸特征 第一作者简介 ：杨莉，现在主要是做油田工作液实验研究与管理工作。地址：成都市新都区新都大道8号；邮政编码 610500；电E-mail：。 学兔兔 第29卷第1期 杨莉等：钻井液马氏漏斗黏度与表观黏度的关系 l3 漏斗黏度的测定是在漏斗中装人规定体积的钻 另有 ： 井液，打开漏斗喷嘴，记录流出一定体积(通常为 = kt 一∈ (9) 1 L)钻井流体的时间。漏斗黏度是一个时间的概念， 将式(9)代人式 (7)与式 (3)，可得到流体 其单位为秒，是表征流体综合流动性的一个参数。 在漏斗中流动的剪切速率为： 通过漏斗中钻井液的流动特性研究之后发现，钻井液的 4u 4~／2gh (10) ： 一 ： — — 流动是在由自重产生的变水头下流动，其流动特性 d dt4k 、 可用微积分方法分析。 式 (10)是漏斗黏度为t的流体在漏斗中流动 在如图1所示的容器截面上建立如图所示的计 的剪切速率表达式。从中能够准确的看出，在一定漏斗黏 算体系，在某一高度h处，其液面面积为 ： 度值下(t一定)，流体出流过程中的剪切速率正比 r 1：兀， ：兀 tg 0 (1) 液面高度的二分之一次方，即漏斗黏度反映流体从 式中， 为液面面积，m ； 为高h处液面半径，m； 高度变化到 高度过程中的剪切速率下流体的 为漏斗半锥角。 表观黏度。 在 时间内，从容器中流出了dQ的钻井流体， 液面下降了 ，则有： 2 漏斗黏度和表观黏度的关系 dQ=A(h)dh=7th tg Odh (2) 根据以上分析，清水和钻井流体的漏斗黏度分 由变水头出流问题可知： 别为t 与 ，即钻井流体通过漏斗的时间为清水通 =qo42gh (3) 过漏斗的时间t 和因钻井流体黏度引起的流动阻力 dQ=UAodt=~Ao42ghdt (4) 增加的部分时间 ，即tv=t广 。通过Pitt根据漏斗 由式 (2)与式 (4)可得 ： 形状提出的模拟计算公式[4 可知： rth tg Odh= √2 df (5) tv=飘( ÷) (11) 分离变量积分可得 ： P 由此得到表观黏度的计算公式为： — ( z s—H2z s) (6) 2．5qoAox／2g 式中，Q为流出钻井流体体积，m ；u为钻井流体 竽【 J 通过喷嘴时的速度，m／s； 为漏斗的出流参数， 式中， 为钻井流体表观黏度，mPa·S；P为钻井 与钻井流体性质和漏斗尺寸有关 ；A。为漏斗喷嘴的 流体密度，g／cm ；A0为喷嘴面积，mm 。 截面积，m2；t为流体的漏斗黏度值，S；H为流体 在开始测量前液面高度，m；I42为流体在测量后液 3 室内实验验证 面高度，111。 分别采取了漏斗和旋转黏度计，测定室内制备的 对于API标准的马式漏斗，／4,=28．405 cm， 5种钻井流体的漏斗黏度及表观黏度，同时利用式 H2=19．695 cm，且清水的马氏漏斗黏度为26 S，将 (12)计算表观黏度(式中t 取清水的漏斗黏度26 S、 此数值代人式 (6)中可求得 =0．988 8，由流体力 为实测漏斗黏度值， 。为马氏漏斗下部喷嘴面积， 学知识可知： ￡取0．022 9 o对比分析表观黏度实测值与漏斗表 = 1／√ +∈ (7) 观黏度计算值之间的差异，结果列于表l中。由此 式中， 为黏性流体相对于理想液体的偏差系数；∈ 可见，基于漏斗几何特征相关的出流参数及漏斗黏 为漏斗尺寸引起的偏差系数。 度计算的表观黏度，与实测数据相差较小，结果合 由于清水的a=l，故可知漏斗尺寸引起的偏差 理。实验中所用钻井流体配方如下。 因子∈为O．022 9，此系数与流体性质无关，故对漏 1 6％膨润土+0．2％CX一144B+1％CX．189+加 斗黏度为t的钻井流体，其偏差系数OL可表示为： 重剂 2 2．5％膨润++5％SMP一1+4％SPNH+1％PSC．1 一 ( ∈ (8) +4％SY A01+0．2％RH．4+5％KC1+15％NaCl+~JW重齐0 学兔兔 14 钻 井 液 与 完 井 液 2012年 1月 3 2．5％膨润土+4％SMP．1+4％SPNH+2％ 建立漏斗黏度与表观黏度之间的关系式，其理论依 PSC—l+2％SY．A01+0．05％SP一80+0．2％RH一4 据充分、使用起来更便捷。 +2％YX—l+加重剂 2．对漏斗黏度为t的钻井流体，其黏度值反映 4 3．O％膨润土+3％SMP—l+3％SPNH+0．05％ 了随漏斗剪切速率改变的表观黏度。 8OA51+0．4％KHPAN+2％SY．A01+2％CX—l 89+ 3．当已知钻井流体的马氏漏斗黏度时，可利用 5％KCl+加重齐0 漏斗黏度与表观黏度的关系式估算其表观黏度，计 5 3．0％膨润土+0．5％NaOH+l％K0H+3％ 算结果可靠。 SMP一1+6％SPNH+0．4％KHPAN+2％SY—A01 +2％Cx．1 89+3％KCI+1 5％NaCI+加重齐0 参考文献 表1 钻井液计算黏度与实测黏度对比 [1]刘斌，毕勤成，杨朝初，等．非圆小通道内非牛顿流体一 氮气两相流型研究[J]．化学工程，2010，38(1)：34—37． [2]孙洪全，韩纪庆．基于粒子的非牛顿流体模拟统一模型 [J]．哈尔滨工业大学学报，2010，42(7)：1104—1107． [3] Pitt M J．The Marsh Funnel and drilling Fluid Viscosity： A New Equation for Field Use[J】．SPE Drilling and Completion，2000，15(1)：3—6． [4]刘海军．马氏漏斗及钻井液黏度：油田应用的新方程 国外油田工程，2001，17(12)：28—31． [5]金业权．非牛顿流体漏斗黏度与塑形黏度的实验研究 [J]．西部探矿工程，2004，(2)：37．38． [6]6 刘崇建．准确测定三参数非牛顿液体的流变参数[J]_西 南石油学院学报，1984；(4)：33—43． [7】 刘孝，刘崇建，舒秋贵，等．利用漏斗黏度计测定幂律 流体的流变参数[J]．天然气工业，2003，23(4)：47—50． [8] 刘孝良，刘崇建，谢应权，等．利用漏斗黏度计测定塑性 4 结论 流体的流变参数[J]_天然气工业，2004，24(1)：47．49．
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