（油气田开发工程专业论文）高压充填防砂机理研究.pdf

s t u d yo nm e c h a n i s m o fh i g hp r e s s u r ep a c k i n gs a n dc o n t r o l g o n gz h i g a n g ( o i l & g a sf i e l dd e v e l o p m e m e n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rz h o u x i a o - j u n a b s t r a c t b e c a u s et h e r ei sn o t e n o u g ht h e o r e t i c a ls u p p o r tf o rh i g hp r e s s u r ep a c k i n gs a n d c o n t r o l ，s a n dc o n t r o l l i n gr e s u l t sa r cd i f f e r e n ti nd i f f e r e n tb l o c k ， w i t hab a d l yp e r f o r m a n c eo f l o ws u c c e s sr a t ea n ds h o r tv a l i d i t y f o rt h i sr e a s o n ，t h i st h e s i ss t u d i e st h a ti nt h ee v e n tt h a tt h e f o r m a t i o ni sn o tv o i d e d ，t h es a n d st h r o u g ht h eb l a s th o l er u s hi n t of o r m a t i o n ，a n do r i g i n a l f o r m a t i o ns k e l e t o nw i l ls u f f e rh e a v yb r e a k f i r s t , n o n - n e w t o n i a nf l u i dh p gi se l e c t e d 舔t h e s a n d - c a r r i e r , t h ee x p e r i m e n t a la n a l y s i ss h o w st h a tt e m p e r a t u r e ，s t o r a g ed u r a t i o n ，c o n c e n t r a t i o n a n ds h e a r i n gr a t eh a v eag r e a ti n f l u e n c eo nt h er h e o l o g yo fh p g , a n dg e tt h er h e o l o g i c a l p a r a m e t e r sa c c o r d i n gt or h e o - c u r v e s e c o n d i na c c o r d a n c ew i t l ls o l i d - l i q u i dt w o - p h a s ef l o w a n dt h r o u g he x p e r i m e n t si nl a b o r a t o r ya n dt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，i ts t u d i e st h es e t t l e m e n t r e g u l a r i t yo fs a n d si nw e l lb o r e ，t h ea n a l y s ts a y sd i a m e t e r so fs a n d s ，c o n c e n t r a t i o no fh p g a n d s i z e so ft u b i n ga f f e c tt h e t t l e r r 呛n tr c g u l a r i t yo fs a n d s ，a n da f f i r m sh p g ss a n d - c a r r y i n g c a p a c i t y , a n dr e c e i v e sa p p r o p r i a b l ec o n c e n t r a t i o no fh p g t ob eu s e di no i lf i e l d f i n a l l y , t h e f r i c t i o nl o s e so fs a n d - c a r t i e ri nt u b i n ga n db l a s th o l ea r ec a l c u l a t e db yt h e o r e t i c a l a p p r o a c h ，t h em a x i m u mv e l o c i t yo fs a n d st h r o u g ht h eb l a s th o l ei sr e c e i v e d b yt h e o r e t i c a l a n a l y s i s ，e f f e c t i v ei m p a c te n e r g yi n d e xc a nj u d g et h ed e s t r u c t i o no ff o r m a t i o ns k e l e t o n ，a n d w o r ko u tt h ec r i t i c a ls p e e dr o u g h l yw h i c hc a nb r e a kf o r m a t i o ns k e l e t o n ，a n dr e c e i v et h e m i g r a t i o nr e g u l a r i t yo fs a n d s ig e tt h eo p e r a t i o np a r a m e t e r sb yp r o g r a m m i n g ，w h i c hp r o v i d ea b a s i sf o rt h eo p t i m i z a t i o no fp a r a m e t e r si n c l u d i n gp u m pp m s s u r e ，s a n d - f l u i dr a t i o , o p e r a t i o n d i s c h a r g ea n dv i s c o s i t yo fs a n d c a r r i e ra n ds oo n l a b o r a t o r ya n df i e l de x p e r i m e n ti n d i c a t e s t h a th p gi se n o u g hf o rt h ed e m a n do fs a n d - c o n t r o l ，a n da c h i e v e st h ea i ms e t t i n go nt h ew h o l e k e yw o r d s ：r h e o l o g y , s o l i d l i q u i dt w o p h a s ef l o w , s a n d c a r r y i n gc a p a c i t y , c r i t i c a ls p e e d , o p e r a t i o np a r a m e t e r s 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 日期：。7 年华月2 巾 i 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门 ( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被 查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用 影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者 指导教师签名 日期：必叩年妒月巧日 醐咖。7 年牛月狮 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第一章绪论 油井出砂是困扰砂岩油藏开采的一个主要问题，出砂不仅易造成油井的减产、停产， 加剧地面和井下设备的磨损，而且严重时会造成套管的损坏和油井报废。因此，要确保 油田稳产、高产，就必须采取一些有效的措施来解决油井的防砂问题f 1 1 。 1 1 高压充填防砂技术概述 高压充填防砂是以砂防砂的油井防砂工艺技术。携砂液在高压作用下进入地层，在 油层形成稳定的砂桥，阻挡低渗透储层疏松砂岩随油水进入井筒，形成砂埋或者砂卡， 从而提高防砂效果，延长油井作业周期【2 j 。 高压充填工具与割缝筛管配套，携砂液以大排量将砾石带到油气井产层管外空洞和 筛管与套管的环形空间，解除近井地带的污染堵塞，在疏通地层的基础上在地层内产生 若干通道，并在通道内及井壁周围、筛管与套管之间的环空沉积、压实，形成高渗透砾 石作为挡砂屏障并使地层被加固，减少了应力变化、剪切破坏和液流拖曳导致的出砂。 同时，因新的供油通道大大增加了供油面积，并且原有堵塞被消除而代之以高渗透砾石 充填的通道，大大降低了液流阻力从而达到既能防砂又增产的目的【3 l 。 i 1 1 出砂原因及危害 油井出砂是由近井地带岩层结构破坏引起的，与地层应力和地层强度有关。地层应 力包括地层结构应力( 如弹性、塑性应力) 、地层孔隙压力、上覆岩层压力、流体流动 时的拖曳力和生产压差。地层被钻开后，井壁岩石原始应力平衡状态首先被破坏，并且 在整个采油过程中始终保持最大应力【4 】。因此，在一定的外部条件作用下，井壁岩石将 首先发生变形和破坏。地层强度大, b n 主要取决于地层岩石结构、胶结强度、孔隙度、 渗透率及其其他地层物理特性。当地层应力超过地层强度时，地层结构受到破坏，油井 就有可能出砂【5 1 。 油、气井出砂是石油开采中经常遇到的重要问题之一。每年要花费大量人力物力进 行防治和研究【6 】。如果砂害得不到治理，油、气井出砂会越来越严重，导致油、气田不 能有效开发。出砂的危害主要表现在以下三方面： ( 1 ) 减产或停产作业 油、气井出砂，最容易造成油层砂埋、油管砂堵、地面管汇和贮油罐积砂。因此， 第一章绪论 常被强迫提起油管清除砂堵、冲洗砂埋油层、治理地面管汇和贮油罐，其工作量大，条 件艰苦，既费时又耗资。问题还没有最终解决，恢复生产不久，又须重新作业，周而复 始，生产周期越来越短，使油、气田产量大减。有的油、气田被迫在一定条件下采取控 制生产的办法来抑制地层出砂，但势必要减少油井产量川。 ( 2 ) 地面和井下设各磨蚀 由于油、气井产出流体中含有地层砂，而地层砂的主要成分是二氧化硅( 即石英) ， 硬度很高，是一种破坏性很强的磨蚀剂，能使抽油泵阀座磨损而不密封，阀球点蚀，柱 塞和泵缸拉伤，地面闸门失灵，输油泵叶轮严重冲蚀。使得油、气井不得不停产进行设 备维修或更换，造成产量下降，成本上升f 3 j 。 ( 3 ) 套管损坏、油井报废 最严重的情况是随着地层出砂量的不断增加，套管外的地层空穴越来越大，到一定 程度，往往会导致突发性的地层坍塌。套管受坍塌地层砂岩团块的撞击和地层应力变化 的作用，受力失去平衡而产生变形或损坏。这种情况严重时会导致油井报废【9 1 。 1 1 2 工作原理 在需要进行防砂作业的油气井内，将包括丝堵、s w l 筛管或金属筛管、割缝管、 高压充填工具、扶正器和油管组成的高压充填管柱下至预定位置，用液压原理使装置先 坐封，封隔油套环空，再打开充填通道，用压裂车组以高压、大排量携砂液携带一定规 范的砾石，经油管、高压一次充填工具的充填通道进入油管、套管环形空间，最后进入 油层，随着加砂量的逐渐增加，地层被充填结实，建立起以砂防砂的第一道屏障，随后 井筒筛管环形空间也被充填结实，由于挡砂屏障是在高压下形成的，故挡砂效果好，再 加上绕丝管( 割缝管) 的屏障作用，防砂有效期成倍增加【1 0 1 。这时地面泵压升高，达到预 定压力值后，停止充填，从油管、套管环形空间泵入洗井液体，经高压充填工具的反洗 通道，将油管内的砂子冲洗至地面，完成高压充填作业。投球打压丢手，充填孔道自动 关闭，完成高压充填防砂作业，提出井内管柱，下生产管柱投产。高压充填过程中携砂 液经过炮眼的射流作用和具有一定半径的高渗透性砂体的建立，可起到理想的防堵塞作 用。高压充填工艺一次性完成了地层充填和绕丝管外充填双重任务，形成了较好而且较 稳定的防砂屏障【1 1 1 。 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 2 国内外研究现状 1 2 1 高压充填防砂理论研究现状 王松，陈来平，陈广等【1 2 1 在封隔高压一次充填防砂技术及其应用中，介绍了高压充 填技术原理、工具结构及工作原理、施工程序，阐述了排量、压力等主要参数设计方法， 介绍了在单层老井、多层大井段井、新井新层、斜井及粉细砂岩井的应用效果。 李爱芬，王士虎，王文玲【1 3 1 在地层砂粒在液体中的沉降规律研究中，根据固液两相 流理论，推导了砂粒在牛顿流体、幂律流体及宾汉流体中不同沉降雷诺数范围内的沉降 规律；用不同类型的液体及不同粒径的砂粒对不同情况下沉降规律进行了实验验证。实 验及计算表明：常用的斯托克斯公式仅适应于颗粒沉降雷诺数较小的情况；当砂粒较大、 液体粘度较小时，用斯托克斯公式得出的计算值与实际值相差很大。新推导公式所得的 理论计算值与实测值的误差较小，得出的砂粒沉降规律较为准确，可用于现场流体携砂 能力的研究。 刘伟，彭存仓等人【4 l 对低渗油藏高压充填防砂技术进行了研究并在孤岛油田现场施 工。对高压充填工具、管柱和技术参数进行了设计，提出了高压充填过程中砂体状态模 式，主要以推移沉积式和突进式为主。 马涛【5 1 对高压充填工艺技术在疏松砂岩油田的应用进行研究分析。简单介绍了高压 充填工艺技术原理及一些技术参数，提出了对疏松油层高压充填过程中砂体状态模式， 一般有推移沉积式、堆积式、突进式和复合式四种模式。 常方瑞1 1 6 】对压裂充填防砂技术的应用进行研究分析。以孤岛油田为研究对象，详细 介绍了压裂充填防砂技术原理及设计，最后建议：在压裂充填条件不具备时，可以应用 压裂充填的理论对高压充填进行改进，提高高压充填的防砂效果。 蒋官澄，陈应淋，严进荣等【1 刀在高压充填防砂过渡带对产能影响研究中，在分析影 响过渡带形成因素的基础上，采用室内实验方法测定了不同条件下形成的过渡带厚度和 过渡带渗透率，并采用多元回归分析，建立了它们的计算模型并进行了验证；最后，根 据渗流力学原理建立了更加完善的高压充填防砂井产能预测模型。通过现场应用表明， 该模型提高了防砂井产能预测的准确性，可进一步提高防砂方法优选的科学性。 闰相祯，王伟章，陈宗毅等【1 8 l 基于专家系统的高压充填防砂方案智能设计中，该系 统可以根据工程数据库中已有的事例和知识库中的经验进行同类工程的类比分析和决 策，通过比较不同的施工参数，并根据类比推理调整和修改高压砾石充填的有关参数， 3 第一章绪论 给出可行的施工方案，并可以对施工方案进行评价，预测防砂效果，从而消除施工隐患， 提高工艺的科学性，保证施工质量。 周晓君，韩延峰，韩新德【1 9 1 在防砂充填颗粒对地层的作用机理研究中，利用液固两 相流理论分析了充填砂粒流经炮眼时的受力情况和运动状态，得到了砂砾最大加速距离 以及喷射速度与携砂液流量的关系；从能量守恒的角度分析了颗粒群与地层的作用，得 到了充填砂砾破坏地层胶结物所需的最小喷射速度；分析了后续施工所产生高压对已形 成砂墙的压实作用，得到了砂墙的当量直径表达式。计算结果表明，通常情况下，砂砾 以最大喷速进入地层，而且随着施工的进行，该喷射速度可以达到破坏地层胶结物所需 的最小速度。 大量的文献调研表明，当前国内外对高压充填防砂技术的研究重在应用和用后效果 分析，而理论研究处于滞后阶段，没有对携砂液及砂体在炮眼和地层的运移规律进行过 系统的研究。因此，本课题所研究内容具有较好的理论价值和工程意义。 1 2 2 技术评价 ( 1 ) 施工简单：减少了起下管柱次数，减少了作业占井时间，节省了地面施工费用。 ( 2 ) 防砂有效期长：由于大排量高压将地层充填与井筒充填结合在一起，确保了充 填砾石与空洞周壁紧密镶嵌，有效防砂半径大，形成了高效能的挡砂屏障，故有效期长 2 0 1 0 ( 3 ) 采液强度高：由于套管内下入了高强度的割缝管，地层与环空又被砾石充填结 实，滤砂效果好，故采液强度高，适应于大排量的提液。 ( 4 ) 携带力强：由于套管内下入了割缝油管，流通面积小，流速大，易将砾石运移 到空洞边界，把空洞填满挤实，故携带能力强。 ( 5 ) 油层保护：由于地层充填与环空充填合二为一，减少携砂液进入地层，减少了 油层污染。 ( 6 ) 具有一定的解堵作用。 ( 7 ) 能有效地恢复地层应力，防止地层坍塌。 ( 8 ) 该技术适应性强，适用于直井、斜井、稠油井、热采井、分层防砂井，不受温 度影响。 ( 9 ) 该技术能达到减少作业工作量、提高油井利用率、保护套管、减少防砂投入的 综合效果【2 。 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 防砂技术原理先进；设计方法适用；工具结构简单；性能优越可靠；功能齐全；管 柱配套合理：防砂施工工艺成熟；适应性强；有效率高：经济效益和社会效益显著；整 体技术达到国际先进水平【2 】。 1 3 论文的研究目标及研究内容 面对油田开发的新情况，目前防砂技术存在着适应性降低、有效期短、有效率难以 提高、防砂成本逐年增加等带有趋向性的问题。而如何进一步适应油田开发需要，提高 防砂有效率，延长有效期，提高防砂综合效益，研究出一种“既不降低井的生产能力又 能获得长期防砂效果 的防砂方法，这是防砂技术寻求的更高目标。 高压充填防砂技术在油层形成稳定的砂桥，阻挡低渗透储层疏松砂岩随油水进入井 筒，形成砂埋或者砂卡，从而提高防砂效果，延长油井作业周期。 1 3 1 研究的目标 通过分析不同流变性质的携砂液在并筒、炮眼和地层中的运移规律，得出充填砂砂 体在地层中的运移推进规律，以防砂效果为目标，对工艺相关参数进行优化，为高压充 填防砂工艺提供强有力的理论依据。 i 3 2 研究的内容 ( 1 ) 室内实验研究携砂液的流变性质。 ( 2 ) 携砂液在井筒中的沉降规律，并用现场数据或其它文献数据进行模拟比较。 ( 3 ) 携砂液在炮眼和地层中的运动规律，通过炮眼时的喷射机理，并对不同流变性 携砂液的运动规律进行比较。 ( 4 ) 数值模拟充填砂砂体在炮眼和地层中运移推进规律，优化防砂工艺参数。 1 4 论文的创新点 ( 1 ) 利用计算流体力学对不同流变性的携砂液在炮眼处的喷射机理进行研究。 ( 2 ) 在近井地带，模拟充填砂砂体在井筒、炮眼和地层中运移推进规律。 5 第_ 二章携砂液的流变性 第二章携砂液的流变性 高压砾石充填施工的关键是保证携砂液能够将砾石顺利携带，并通过水平射孔炮 眼，到达管外地层。目前国内外防砂作业使用的携砂液大致可分为水基携砂液、油基携 砂液和地层水三种形式。其中应用最广的是水基携砂液，其主要由聚合物组成，羟丙基 瓜胶具有代表性。羟丙基瓜胶溶液具有携砂能力强、配制简单等特点。 测定羟丙基瓜胶溶液的流变性也是研究高压充填防砂问题的最基本和最关键的步 骤。寻找分子结构、溶液结构和流变性之间的关系有助于进一步理解聚合物溶液流动的 本质。本章分析了温度、放置时间、浓度和剪切速率对瓜胶溶液剪切特性的影响，根据 流变曲线获得相应流变参数，为砂粒在携砂液的沉降规律实验提供理论基础和数据支 持。 2 1 流变性 我们平常讨论的水、油、气等流体，具有较低的粘度，在低速下发生剪切变形时， 其内摩擦力( 或称粘性切应力) 正比于流速梯度，即 f ：- 一d u - t ( 2 1 )f = k z 。i ， 。方 式中f 一粘性切应力，n m 2 ； 了d u 一流速梯度( 剪切速率) ，s ； 缈 一粘度，p a s 。 称为牛顿流体。( 2 1 ) 式称为牛顿流体内摩擦定律。 而另外有些工程上常见的流体，如高含蜡或沥青质的易凝原油、钻井用的钻井液、 采油的增粘液或降粘液，以及化工上的各种高分子溶液，它们的剪切变形规律都与牛顿 流体有别，剪切应力与速度梯度之间不存在线性关系，统称之为非牛顿流体。 研究各种流体流动中剪切应力( 以下称切应力) 与剪切变形率( 即角变形速度，简 称速梯或剪速) 的关系的科学称为流变学【2 2 1 。 2 1 1 非牛顿流体及其流变曲线 牛顿流体是均匀单一的流体，非牛顿流体在化学上属于分散体系，一般分散相为颗 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 粒较大的质点。根据颗粒分散程度，可分为悬浊液( 颗粒大小约为0 1 m m - - 一0 2 r a m ) 、 胶状液( 颗粒大小约为0 1 a n - - 1 0 p m ) 、分子溶液( 颗粒高度分散，固相颗粒小于1 o p m ) 。 分散性愈高，即颗粒愈微，愈不容易沉淀，静止时形成网状结构，统称为结构性。结构 性的强弱不但与颗粒大小有关，而且与颗粒形状及排列状况有关。结构性的存在影响了 流体的流动，流体如要发生流动，首先要改变它的网状结构，破坏其结构性。颗粒表面 的润湿性亦将直接影响界面张力，而形成不同厚度的液膜，增大了颗粒间的阻力。此外， 分散相的性质、电荷的电位、分散相离子浓度的大小，也都要影响粘度的原因。 实践表明：配制时间的长短、温度变化的历史和搅拌剪切的历史等都要影响其结构 性和粘度。 我们知道，固体受力后将产生弹性变形，服从胡克定律，称为弹性体。而流体受力 后则主要产生剪切变形，变形程度随粘度大小而不同，称为粘性体。粘性较低的流体一 般属于牛顿流体，而粘性较高的流体多属于非牛顿流体。有些非牛顿流体不但具有粘性， 而且具有弹性，则称为粘弹性体。具体分类如表2 1 。 表2 - 1 非牛顿流体的分类 t a b l e 2 - 1t h ec a t e g o r yo fn o n - n e w t o n i a nf l u i d 塑性流体( b i n g h a m 流体) 与 假塑性流体 非 纯 时 间 膨胀性流体 粘 无 牛关 性 的 屈服假塑性流体 顿 流 流 体 屈服膨胀性流体 与有 触变性流体 体 时关 间的 。震凝性流体 粘弹性流体多种类型 纯粘性流体在撤除剪切应力后，它们在受剪切作用期间的任何形变都不会回复；而 粘弹性流体在撤除剪切应力后，它们在受剪切作用期间所产生的形变会完全或部分地得 到恢复，是最一般的流体。与牛顿流体相比，粘弹性流体在流动中除纯剪切流动外还要 多一种扩散形式的流动【2 2 j 。 故非牛顿流体的影响因素比较复杂，涉及物理化学的微观机理，而这些机理有的还 很难弄清楚。通常是采用实验方法建立切应力与剪速间的关系曲线，称为流变曲线。各 7 第二章携砂液的流变性 类流体的流变曲线见图2 1 。再按流变曲线结合理论分析，建立不同类型非牛顿流体的 切应力与剪速间的数学表达式，这些表达式就称为流变方程或本构方程。 4 y 1 牛顿流体；2 塑性流体；3 假塑性流体；4 膨胀性流体 图2 - 1 粘性流体的流变曲线i v i 9 2 - t t h er h e o - c u r v eo f v i s c o u sf l u i d 经验表明，某些非牛顿流体，其切应力与剪速间的关系与时间无关或基本无关。此 种流体基本上有三种类型： ( 1 ) 塑性类型。钻井液、油漆、稀润滑脂等，受力后，不能立刻变形。这是由于其 结构性较强，加力后，不能立即破坏其网状结构，必须所加的力足以破坏其结构性，发 生剪切变形，才开始流动。流动以后，随剪速增大，最后接近牛顿流体，即切应力与剪 速成正比，如图2 1 中曲线2 所示。 图中秒为开始发生流动时需要克服的切应力，称为极限静切应力。为直线段延长 线与纵轴的交点处虚拟切应力，是为计算方便而采用的，称为极限动切应力。而岛为曲 线段与直线段交点所对应的切应力，称为极限切应力上限值。静切应力的极限值亦称屈 服值( 或屈服应力) 。 此种类型的非牛顿流体，由于结构性较强，流动过后经过短时间静止，其结构将恢 复。 ( 2 ) 假塑性类型。高分子溶液、乳化液等，其结构性较弱，有的受力后立即流动， 有的则不立即流动。前者称为假塑性，后者称为屈服假塑性。随剪速增大，表观粘度下 降，或愈搅愈稀。这种特性称为剪切变稀性。在剪切速率很低时，流变曲线的斜率是一 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 常数，类似牛顿流体。但是，当剪切速率达到一定值时，曲线即偏离线性，偏离线性时 的曲线斜率称为极限粘度或零切粘度。曲线偏离线性后，斜率便会随剪切速率增加而降 低。这时若仍用形表示液体粘度，那么，它是指在某剪切速率y 时的粘度，称为视 ，l 粘度或表观粘度。其流变曲线，如图2 1 中曲线3 所示 2 4 1 。 ( 3 ) 膨胀性类型。般遇到较少，如淀粉糊、石灰浆等。由于所含颗粒形状极不规 则，在一定浓度下形成结构。随剪速愈搅愈稠。停止剪切后马上恢复。其流变曲线如图 2 1 中曲线4 所示。 另外有些非牛顿流体，其流变性随时间呈缓慢变化，如沥青、高分子聚合物溶液。 这些非牛顿流体，一般表现有如下性质： ( 1 ) 触变性。在一定剪速下，随时间增加而切应力下降，即粘度降低，由稠变稀， 达到某时刻以后，切应力不再变化，形成动平衡。此种流体，颗粒形状多不规则，表面 性质不一致，易成凝胶状，但不易被破坏。破坏后，重新排列要一定时间，故恢复缓慢。 从此点看又带有假塑性性质。触变性还表现与温度历史及剪切历史有关。 ( 2 ) 震凝性。它与触变性相反，在一定剪速下，随时间增加而切应力上升，即由稀 变稠。一般也在一定时间后达到动平衡。 ( 3 ) 粘弹性。豆荚植物胶、田菁粉、聚丙烯酰胺等属于粘弹性流体。它即具有粘性， 又具有弹性。表现为自漏斗流出后，流束变粗，发生膨胀；搅拌时，停止搅动表现有弹 性反转，接近膨胀流型。其粘度用一般粘度计无法测定。 2 1 2 流变性的测量方法 非牛顿流体的本构方程中所包含的物质参数需要通过实验来测定。通常选择简单的 流动方式来测定应力剪切速率曲线，进而确定所测流体的物质参数。 牛顿流体仅有一个物质参数，即粘度。牛顿流体的粘度仅决定于流体的物性，与流 体运动无关。所以只要保证物性不变的条件下( 如保持温度、压力不变等) ，所测定的 物质参数在任何流动情况下均是一个常数值。对于非牛顿流体，则情况复杂得多。因为 非牛顿流体的物质结构复杂，其本构方程中往往会有多个物质参数。有的物质参数会随 运动状态的变化而变化，或在同一种运动状态下，与运动的时间有关，这就增加了流变 实验的难度。 流变性的测量是非牛顿流体研究中重要的研究手段。流变仪是用来测定非牛顿流体 流变性参数的试验仪器，根据待测物质的运动方式，流变仪可分为两大类，一类是旋转 9 第二章携砂液的流变性 式( 如同轴转筒流变仪、锥板流变仪、平行板流变仪等) ，一类为非旋转式( 如毛细管流变 仪、狭缝流变仪等) 。 ( 1 ) 旋转式流变仪 旋转式流变仪是现代流变仪中的重要组成部分，他们依靠旋转运动来产生简单剪切 流动，可以用来快速确定材料的粘度弹性等各方面的流变性能。 旋转流变仪一般是通过一对夹具的相对运动来产生流动的。引入流动的方法有两 种：一种是驱动一个夹具，测量产生的力矩，这种方法最早是由c o u e r e 在1 8 8 8 年提出 的，也称为应变控制型，即控制施加的应变，测量产生的应力；另一种是施加一定的力 矩，测量产生的旋转速度，它是由s e a r l e 于1 9 1 2 年提出的，也称为应力控制型，即控 制施加的应力，测量产生的应变。实际用于流变性能测量的几何结构有同轴圆筒、锥板 和平行板等。 同轴转筒式流变仪 同轴转筒式流变仪由两同轴圆筒组成，将内筒旋转而外筒固定的称为转锤式流变 仪，将外筒转动而内筒固定的称为转杯式流变仪。这种流变仪适用于平行板模型，以及 牛顿流体的测量。此类流变仪的比较突出的优点是能很好的控制待测样品的温度，但需 要的样品较多( 5 m l - - 5 0 m l ) ，且清洗也比较麻烦，但对于非牛顿流体，杯子和转子间的 狭缝处的速度梯度可能是非线性的，导致剪切速度计算中不可忽视的误差。 锥板流变仪 这是目前应用较为普遍的流变仪，它由一平板和圆锥体所组成，锥与面的夹角很小。 实验时平板固定，圆锥体转动，其顶点刚好与平板表面接触，间隙问装满待测流体，这 种流变仪的最大优点是缝各处的剪切速率相同，同时圆锥体的角速度可设计的很高，使 其可达到的剪切速率变化范围很大。经验表明，锥板流变仪比较适用于研究均质的牛顿 流体，以及中等剪切速率( 1 0 2s - 1 ) 下非牛顿流体的流变性，可以得到与同轴圆筒型 流变仪相同的测量结果，且试液量需要很少( 1 滴 - - 4 m l 左右) 。 当使用锥板测量头系统测量粘弹性样品时，受到剪切的样品做出的弹性响应产生法 向应力，这种法向应力能将粘弹性样品拉出斜面缝隙并使之上升到锥板外缘，引起测量 结果的严重偏差。因此这种测量头系统只能在低剪切速率下测量粘弹性液体的流变性。 另外，在锥板粘度计的几何结构中，间隔角很小，液体在任何位置的剪切速率几乎 处处相同，然而，当所研究的液体具有低粘度时，通常需要高转速产生足够大的转矩， 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 此时，可能出现“二次流，吸收额外的能量，增加力偶，造成剪切增稠的假象。而剪 切速率高于这个范围的问题通常采用毛细管流变仪较为合适。 锥板流变仪测量中产生误差的主要因素有： a 惯性效应：会引起所谓“负法向应力效应 ，从而把两块板拉在一起，使力f 的 测定值小于真实值。 b 孔压误差：使用压力分布法时，可能产生的主要误差来源是孔压误差( b r a d b e n t 等，1 9 6 8 ) 。故利用界面上的孔隙测量压力的任何方法都可能得出偏低的结果，这是弹 性液体流经该孔上方时流线伸长所致。 c 边缘效应：受检样品具粘弹性时，剪切速率超过1 0 0 s 。1 - - - 2 0 0 s d 时产生的剪切使样 品出现裂口并可能破坏样品的结构，导致边缘效应。 平行板式流变仪 平行板式测量头系统被誉为锥板测量头系统的替代物，测量时所需样品的量介于锥 板测量头系统与同轴转筒系统之间。 若测试样品含有较大的填充颗粒时，应选用平行板测量头系统，而不用锥板系统。 这种测量系统比较适合于测定半固体和粘弹性流体的流变性质。但只能在比较低的剪切 速率范围内使用。这种测量头板间隙中剪切速率不是单一值，而是一个很宽的范围，且 板中心为零，外半径欠处又很高。测试牛顿流体的粘度时，这一特点并不影响测量结果。 而对于非牛顿流体，剪切速率为板半径的非线性函数，必须对其进行威森伯格校正。 ( 2 ) 毛细管式流变仪 尽管旋转式流变仪在流变学研究中具有十分重要的地位，但在分散体系以及具粘弹 性的非牛顿流体的研究中，尤其是与多孔介质中非牛顿性质相关的流变学研究方面却存 在许多局限。比如，使用旋转式流变仪测量非牛顿流体时，作用于溶液运动的法向分力 不为零，当剪切速率较高时可使溶液的固有结构遭到破坏，在锥板间或圆筒间形成了新 的且尺寸难以确定的环缝，并将部分液体甩至锥板外缘，得到的数据不具有可靠的流变 学意义，粘弹性的乳状液体系尤其如此，这大大限制了高剪切速率条件下的测量。 毛细管流变仪是目前发展的最成熟，应用最广的流变仪之一，其主要优点在于操作 简单，测量准确，测量范围宽( 剪切速率1 0 2 s 一1 0 5 s ) 。毛细管式流变仪中，毛细管的 横截面积呈圆形或狭缝，流体在毛细管中的层流可以理解为各层间相互做套管式的滑 动。“毛细管流变仪 系指“流变仪模口 本身加上测定压差和流速的装置。实际操作 中设置压力( 或压差) 值，测定产生的流速，或设置流速，测定产生的压力，这使得它成 第二章携砂液的流变性 为最容易与多孔介质渗流模型建立关系的流变性测量模型，故在与渗流相关的流变性研 究中使用最多的也是这种毛细管流变仪。流变仪测得的压差与剪切应力成正比，而流速 与剪切速率成正比，毛细管流变仪、粘度计的设计有两种不同方式：一种采用重力作驱 动力，另一种采取施加可变压力使流体通过毛细管。 高剪切速率实验意味着促使样品流动的许多能量转换为热量，引起不可忽略的误 差，与旋转式流变仪相比，毛细管流变仪具有显著的优点：高剪切实验所产生的热量大 部分被挤压出的样品连续不断的带出毛细管，因而剪切热不会在流变仪中聚集。但这种 流变系统不适用于测量样品的短暂特性，如触变性，或大分子溶液体系在不同温度和剪 切条件下的降解等。 缝模毛细管流变仪 这种毛细管流变仪不仅可在高温5 0 0 的温度下测量流变参数，而且可在中等剪切 速率甚至高剪切速率下对聚合物等非牛顿流体进行测量。缝模毛细管流变仪也称狭缝毛 细管流变仪，其压力测点可设计在远离入口和出口处，因而减少甚至消除由于样品弹性 及非层流所引起的入口偏差与出口偏差。 毛细管流变仪的入口效应与出口效应的来源于： a 在入口前及收敛流线处的粘性和惯性损失； b 入口速度的重新分布使在管道中达到稳态速度分布； c 出口前将发生类似的效应。 棒状毛细管流变仪 由于制作工艺方面的原因，狭缝毛细管流变仪的剪切速率只能达到1 0 0 0 s ，要想达 到更高的剪切速率，则应使用棒状毛细管流变仪，其内径不能大于3 m m ，当驱替泵与 传感器的性能优异时，使用毛细管流变仪可得到非常有价值的流变数据。 由于每一体积元在毛细管中停留的时间有限，样品不能在规定的剪切条件下保持足 够长的时间，因而毛细管流变仪不能用于测定样品的动态特性( 如触变性) ，也不能用于 研究聚合物在不同温度和剪切条件下的降解。 2 2 携砂液的流变性实验 一定浓度的羟丙基瓜胶溶液具有粘度高、携砂比大、用量少、摩阻小、成本低、无 毒、无腐蚀、无污染、易降解和对油层损害小等优点，是一种能满足高压充填防砂工艺 要求、性能良好的高粘携砂液。 中国油大学( 华东) 硬学位论立 影响瓜胶溶液流变特性的因素有很多，如剪切速率、溶液浓度、温度、放置时问等 等。下面通过测定不同浓度瓜胶溶液的流变性分析温度、剪切速率、溶液浓度对瓜胶 溶液流变性的影响，井根据流变曲线回归满足指数模式的流变方程，确定瓜胶溶液表现 粘度、幂律指数 和稠度系数j r 髓瓜胶溶液浓度的变化规律。 2 2 1 实验所用仪器和材料 ( 1 ) 实验所用仪器及其测量方法 优选测量中等剪切速率流变特性的旋转式流变仪对聚合物溶液流变性进行测量。 成都仪器厂生产的n x s 1 l a 型旋转式流变仪，测量范围广，能测得1 2 3 s o 到9 9 6 s o 的翦切速率下28 m p a s 到1 7 8 1 07 m p as 的粘度范围。 田2 - 3n x s - i i a 型旋转粘度计 f 啦- 3 n x s - i i ar o t a t i o n a l v i s e o m e l e r 浚仪器是种通用的同轴圆筒上旋式粘度计。它适用于工矿企业和研究部门在实验 精密测量各种牛顿型流体的绝对粘度和非牛顿流体的流变特性。可用于油漆、树脂、化 纤、矿物油、润滑油、化妆品、糖浆、泥浆、绝缘材料等部门。仪器可胃于实验室取样 测试，也可拿在手中插入液体内作便携式测量。具有体积小、重量轻、测量迅速、读数 方便、指示准确等特点，转速、转子和外筒备有多种规格，可满足较宽范围的测量。转 筒系统用不锈钢制成，具有较强的耐腐蚀能力。 ( 2 ) 配制瓜胶溶液 羟丙基瓜胶是天然瓜胶粉的衍生物，是由瓜胶粉经化学改性后得到的，具有许多优 第二章携砂液的流变性 异特性，水不溶物及残渣均较瓜胶原粉有较大幅度的降低，淡黄色粉末。配制溶液所用 溶剂为生活自来水，密度为0 9 5 4 5 9 k m 3 。 配制瓜胶溶液时为了避免因温度变化而引起的实验误差，不采用容积法而采用称重 配制法具体配制流程如下： 在比较大烧杯中加入较多溶剂( 水) ，把称量好的瓜胶粉末分批均匀地分散在烧杯 中，用玻璃棒搅拌( 如同搅散鸡蛋一样搅拌) ，使粉末溶解在溶剂中，避免结块和部分 稠化。充分搅拌后，待粉末充分分散后，静置至少l o 个小时。由于配制的瓜胶溶液在 储存过程中易被微生物降解，所以需在6 0 个小时内做完整个实验。 2 22 实验结果及分析 ( 1 ) 浓度的影响 图2 - 43 1 c 下不同质量浓度的瓜胶溶液的流变性曲线 f i 9 2 - 4t h e r h e o - c u r v e f o r h p g o f v a r y i n gc o n c e n t r a t i o na t 3 1 图2 4 列出了3 l 时不同质量浓度瓜胶溶液的流变曲线实验表明：相同温度和剪 切速率下，瓜胶溶液的表观粘度随其质量浓度的增加而呈增加的趋势。这是因为瓜胶溶 液的质量浓度越高单位体积内的分子数越多，分子之间相互吸引和相互缠结的能力就 越强，所以表观粘度越大。 从圈中也可看出，瓜胶溶液的表观粘度随浓度增加而增大的幅度不同，当瓜胶溶液 1 4 十日“油大 ( 十东) 颤i ：学位论文 浓度较低时，表观粘度随浓度增加的幅度小，而浓度较高时增加】幅度大。这是因为瓜胶 大分子之间有较强的分子间引力，随瓜胶溶液浓度的增加，瓜胶分子自】的距离逐渐减小， 分子日j 引力增加，加尉了分子问相互缠绕形成的同状结构教应，从而增大了溶液的表观 粘度。但是，随着剪切速率的增大，瓜胶分子问的网状结构被破坏，分子问的作用力减 弱，这种强化效应逐渐减弱。瓜胶溶液在低浓度( 如03 蜘时，在鞍宽的剪切速率范围内， 粘度变化不明显，曲线呈现处很氏一段牛顿区，接近于牛顿流体：随着浓度增大，流体 的幂律指数逐渐变小，假塑性特点变得明显p 】。 ( 2 ) 剪切速率的影响 ：一 田 54 5 下不同质量浓度瓜腔溶液的藏变曲线 f 1 9 2 - 5n e r h 忡吨n m f o r h p g o f v a 州n ge o m c e m u m t i o n “4 5 c 从图2 4 和2 - 5 都可以看出，随着剪切速率的增大，瓜胶溶液的表观粘度降低，并 n 浓度越= 白i 粘度下降得越快。比较图2 5 中浓度为o _ 3 和05 的溶 瘦可以看出，高 浓度的瓜胶溶液随着剪切速率的增大，在极短的剪切范围内表观粘度迅速下降，而当 翦切速率达到一定值后，溶液表观粘度变化幅度较小。甚至趋于稳定，不再随剪切速率 的增大而变化。对于低浓度的瓜胶溶液，剪切速率的影响相对较小，表观枯度随剪切速 率变化幅度不大。这表明浓度越高的瓜胶溶液剪切稀释特性越强。从图2 - 4 中也可以得 出这样的结论。 这是因为在低剪切速率下溶液受的剪切应力小瓜胶分子相互缠绕，分子闻引力 第= 章携砂滩的溅变性 较大溶液表现出较高的粘度。随着剪切速率增大，溶液受的剪切应力增大。瓜胶的无 规线团趋向拉仲，分子自j 网状结构被破坏或部分破坏，导致分子间引力和柔性分予间相 互缠结的能力减小，溶液粘度降低，因此在相同剪切速率下，溶液浓度越高，其分子网 状结构破坏越严重，粘度下降幅度就越大。当剪切速率足够大时，无规分子线团己经达 到最大限度的伸展和定向排列，部分网状结构已经达到了破坏限度，表观粘度也达到了 平衡，此时再增大剪切速率也不能改变表观粘度阱l 。 ( 3 ) 放簧时捌的影响 田2 石3 i 时不同放置时何下瓜胶溶液的藏变曲线 f t g z _ 6t h e 鼬e u n m f o r i l p g o f v a r y i n s s t o r a g e d u r a t i o na t3 l 如图2 - 6 所示，样品- 04 5 是指浓度04 5 的瓜胶溶液的流变曲线，样品- 0 4 5 是 指得到04 5 瓜胶溶液的流变曲线后再静置4 0 个小时进行实验而得到的流变曲线，样 品0 4 5 、样品o5 5 十亦即如此。从图中可以看出间隔4 0 个小时对瓜胶溶液的流变 性并没有改变，说明瓜胶溶液在这短时间内相当稳定。在后来的实验发现，配制好的瓜 胶溶液密封静置6 0 多个小时之后，瓜腔溶液几乎全部水化，只是有一些杂质除此之 外性质几乎与水相同。 这是因为在没剪切应力的情况下，瓜胶分子相互缠绕分子间引力较大，分子日j 网 状结构很难被破坏，从而分子间引力和柔性分子白j 相互缠结的能力几乎保持不变，故在 6 _ive* 中用石油尢学( 华东) 磺士学位论文 一定时间内保持稳定性。当在储存或使用过程中受到这样那样的影响，比如说热、光、 剪切、氧化、水解、微生物、残余杂质等，导致瓜胶溶液降解，失去了原有的物理化学 性质删。 ( 4 ) 温度的影响 图2 - 7 ”和4 5 下不同质量浓度瓜胶溶液的流变曲线 1 , 2 - 7t h e r h e u n f o r h p g o f v a r y i a gc o n c e n t r a t i o n a t 3 1 c ，耐钙 如图2 7 所示，样品0 3 是指浓度03 的瓜胶溶液在3 1 时的流变曲线，样品 0 3 是指0 3 的瓜胶溶液在4 5 c 时的流变曲线( 方法：样品配制好阻后，放在循环 的4 5 恒温水浴中恒温2 0 分钟后开始测试) ，样品- 0 4 、样品m4 十、样品- 0 5 、样 品- 05 十亦即如此。 温度是影响聚合物溶液表观粘度的