泡沫钻井液动密度随温度、压力、温度的变化规律

泡沫钻井液动密度随温度、压力、温度的变化规律

泡沫钻的使用广泛应用于平衡或不平衡的钻孔中。胜利钻井泥浆公司开发的泡沫钻井液是以水、化学剂和少量粘土组成的用于平衡钻井和欠平衡钻井的新型钻井液体系,它具有体系稳定、低滤失、剪切性能好、低伤害等优点,具有巨大的发展和应用潜力。在现场应用中,钻井液密度是欠平衡钻井设计中应考虑的重要因素之一,目前对泡沫钻井液密度的研究多局限于静密度和单独考虑温度或压力的影响,而事实上,地层温度、压力都对井筒中泡沫钻井液的稳定性、密度等产生很大的影响。笔者考虑井深和温度压力对密度的综合影响,测定了泡沫钻井液动态条件下密度随温度、压力的变化情况,初步形成了测量泡沫钻井液动密度的方法,为钻井过程中液柱压力分布计算及井下安全等提供理论依据。1测量设备和方法1.1动密度测定装置为了测试泡沫钻井液的动密度,根据中华人民共和国石油天然气行业标准SY5154—87,按储层流体高压物性分析要求对泡沫钻井液静密度测定装置进行改进,研制了泡沫钻井液动密度测定装置,形成了测定泡沫钻井液动密度—压力—温度关系的方法。主要包括:1)模拟井筒中钻井液的旋转方式,进行旋转搅拌,使泡沫钻井液转动起来;2)改进装置加热模式,使加热范围扩大到300℃。泡沫钻井液动密度测定装置系统主要包括高压计量泵、高压釜和控制器三个部分。高压釜由PVT筒、搅拌器、传动系统、加热炉等组成,采用强磁力旋转搅拌,转速连续可调。该装置的核心部分PVT筒为不锈钢制成的活塞容器,具有良好的耐腐蚀性能。两端采用金属硬密封及“O”型耐温硅橡胶密封圈密封。搅拌器与电机间采用磁耦合联动,反应釜顶部和底部均充满驱替介质,并有一压力平衡管连通,起到良好的密封作用。测量装置的技术指标:PVT筒容积为250cm3;温度调节范围为室温～300℃;电热功率为1500W;压力范围为常压～60MPa;搅拌速度为0～1500r/min。1.2井液动密度的测定根据胜利油田井下作业公司实测“商741-平1井充氮气泥浆测试报告”中数据,建立“温度—井深(压力)关系”(见表1),取对应的温度和静水柱压力作为试验点,进行泡沫钻井液动密度的测定。根据现场数据,确定泡沫钻井液动密度室内实验的测量条件为:温度为室温～140℃;压力为0～40MPa。1.3温度设定及注意事项1)连接好测量装置;2)将高压计量泵中加满工作介质;3)按照矿场使用要求配制泡沫钻井液,测量泡沫钻井液在常温常压下的密度;4)清洗高压容器,用天平称取待测泡沫钻井液加入PVT筒;5)放入隔离活塞,再在其上部注满工作介质,扭紧上盖;6)打开加热开关开始加热,直至达到设定温度;7)打开搅拌开关,设定搅拌转速,开始搅拌;8)改变压力,读取温度、压力、及打入工作介质的体积;9)重复步骤(6),测定不同温度下的各参数值;10)重复步骤(8),测定不同压力下的各参数值。2温度、压力随温度、压力的变化用泡沫钻井液动密度测定装置对某泡沫钻井液进行地层条件下动密度测定,设定温度范围为30～140℃,压力的范围为0.5～40.0MPa,测得了初始密度从0.380～0.722kg/L的泡沫钻井液动密度随温度、压力变化的有关数据,作出了不同条件下泡沫钻井液动密度随温度、压力变化的曲线。2.1钻井液密度随温度的变化保持压力不变,得到泡沫钻井液动密度与温度的关系曲线,如图1所示(初始密度ρ0=0.591kg/L)。由图1可看出,在相同压力下,泡沫钻井液密度随温度的升高而近线性降低;不同压力下的密度一温度曲线变化趋势基本相同,压力增大,密度一温度曲线上移。这是由于温度升高,气体分子的动能增加,气体难以压缩,体积膨胀,密度减小。另外,钻井液中的液体分子是极性的,温度升高,气泡中液体(水)分子增加,加剧了气泡中力系的相互作用,增加了气泡收缩的难度,系统体积增大,密度减小。压力增大,迫使气体分子间距减小,体积缩小,密度变大,具体表现为整条曲线上移。2.2温度对泡沫钻井液体系体积的影响泡沫钻井液动密度随压力变化的曲线如图2所示。从图2中可看出:在同一温度下,随着压力的升高,动密度是逐渐增加的,压力越大,动密度就越大;并且曲线的起始段的斜率较大,后来逐渐变小,即动密度随压力的升高一开始是迅速增加的,到一定压力后则增加缓慢。温度升高使泡沫钻井液体系体积难以压缩,表现为整条曲线下移。这些变化规律与其它文献中描述的基本相似。2.3气体分子间距加大时温度对泡沫钻井液密度的影响按照1.3中的测试步骤,同时改变温度和压力,测得一系列数据,得到几种不同初始密度泡沫钻井液动密度与井深的关系(如图3所示)。从图3可以看出,随着井深变化,温度和压力同时改变的情况下,泡沫钻井液的动密度随井深的变化趋势可以分为三段:低压快速上升段、中间弯曲段和高压高温下降段。1)低压快速上升段。该段的井深小于300m,压力小于3MPa。泡沫钻井液的密度变化主要原因为气体的压缩,气体体积缩小显著,若忽略气体在液体中溶解,泡沫钻井液密度将随井深的变化呈线性变化。该段泡沫钻井液密度变化明显。压力增大,气体分子间距进一步缩小时,将会出现斥力。2)中间弯曲段。该段的井深为300～1000m,压力范围为3～10MPa。随井深的变化,曲线进入中间段后,泡沫钻井液密度的变化速率下降并趋于平缓,其原因在于气体分子间距已接近DLVO理论中离子势垒值,分子间出现了排斥力。分子间的排斥力由两部分组成,一个是气体分子之间的排斥力,另一个是气泡内表面吸附的活性剂的非极性基碳链产生的斥力。当系统压力进一步升高时,分子间距有少量变化,气泡内气体分子与活性剂分子的非极性端之间所产生的斥力迅速增大,使气泡体积难以缩小,气体的压缩性逐渐逼近于液体受压特性。此时气相压缩为主,液相压缩为辅,同时温度升高又使其体积膨胀,密度变化速率逐渐变小,趋于平缓,当压力的升高引起体积减小和温度升高使体积膨胀基本达到平衡时,泡沫钻井液密度基本不变。3)高压高温下降段。该段的井深大于1000m,压力大于10MPa。温度压力继续上升,气体的压缩性类似于液体的压缩性:该段曲线的变化已完全表现为液体性质,特别是温度升高使体系的体积继续膨胀,由于气泡内及气泡表面的各种力的综合影响,足以抗拒系统内压力的大幅度变化。所以尽管钻井液中仍有大量气泡存在,但其体积变化不大。随着井深的增加,温度升高引起体积膨胀稍大于压力升高引起体积缩小的情况下,泡沫钻井液的密度稍有下降。从图3中还可以看到,不同起始密度的泡沫钻井液动密度随井深的变化趋势相同,起始密度低的曲线始终是低于起始密度高的曲线,泡沫钻井液的密度始终小于1.0kg/L。特别是在压力大于10MPa以后,也就是井深大约超过1000m后,随着井深增加,温度压力都升高,泡沫钻井液的密度还会越来越小。所以泡沫钻井液中大量气泡的存在,能使井下泡沫钻井液的密度不再增大,从而能够达到欠平衡钻井的要求。3温度对泡沫钻井液密度的影响1)当温度