CN102778411B - 一种钻井液固相研磨模拟实验的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种钻井液固相研磨模拟实验的方法及装置，属于石油勘探中钻井液性能分析领域。本发明的方法是在陈化釜中置入研磨棒，利用滚动条件下陈化釜和研磨棒的相对运动来模拟钻杆与套管或井壁的作用，从而测量钻井液在研磨条件下由于固相粒径的变化所引起的性能变化，本发明的装置包括高温滚子炉、陈化釜和研磨棒，工作时，研磨棒是放置在陈化釜内的。利用本发明，可模拟井下研磨、碰撞、挤压条件对钻井液性能的影响。通过调整滚子炉的转速可模拟不同钻井速度。研磨棒置于陈化釜内部，滚动作用下模拟钻杆和套管及钻杆与井壁之间的研磨、碰撞作用。温度和时间可根据现场情况自由调整。

Description

一种钻井液固相研磨模拟实验的方法及装置

技术领域

本发明属于石油勘探中钻井液性能分析方法领域，具体涉及一种钻井液固相研磨模拟实验的方法及装置，用于模拟钻井液在研磨条件下性能的变化。

背景技术

钻井液是由多种处理剂分散在水、油中形成的液态体系。通常需要加入一些固相颗粒如加重剂、减轻剂来调节钻井液的密度。固相颗粒的粒径对钻井液的流变性、失水有很大影响，在钻井液循环过程中，由于钻杆与井壁的碰撞、挤压，固相的粒径有变小的趋势，从而引起钻井液粘度、失水和密度的变化。尤其是在固相含量比较高的高密度钻井液和低密度钻井液中，这种由于固相粒径变化而引起的钻井液性能的变化是不可忽视的。

高密度钻井液中，通常采用重晶石或铁矿粉作为加重剂，例如用重晶石加重钻井液密度至2.2g/cm³时，需要在100ml钻井液基浆（密度约为1.05 g/cm³）中加入重晶石230g，如此高的固相，当固相粒子在研磨情况下粒径变小时，由于颗粒比表面积增大引起的吸水会使钻井液的粘度急剧升高，性能变坏。

低密度钻井液中，由于减轻剂多为空心玻璃微珠或多孔颗粒，外壳较脆，研磨作用下外壳破碎，不但失去降密度效果，并且因为壳体本身密度较大，破碎后反而加重钻井液的密度，因此在研磨作用下评估钻井液的性能和密度具有重要意义。在显微镜下观察油田上最常用的3M公司的产品玻璃微珠HGS10000研磨情况，结果表明，玻璃微珠用手轻轻研磨10下后几乎完全破碎，而它的抗压能力达70MPa。因此可以推测，在钻井液中HGS的破损大多不是因为抗压能力不够，而是因为其脆性强，在研磨和高速剪切下破碎所致。

因此在高固相情况下，研磨对钻井液性能变化影响的评价是很有必要的，但是，目前国内外还没有专门测试研磨对钻井液性能影响方面的仪器。现有的研磨仪主要测试单纯固相在一定条件下的破碎情况，例如测试空心玻璃微球耐磨性时，在室温条件下用压力试验机测试粉体的破裂压力、用研磨仪测试其耐磨性等。测试的主要是固体与固体之间的研磨情况，这种研磨属于硬性研磨，力度大，与固体之间的润滑性、表面光滑度有很多的关系。而在钻井液中，研磨是在液相中进行的，主要考察钻井液循环过程中，由于钻杆与井壁、套管之间的高速碰撞、挤压和摩擦作用，从而引起固相粒子粒径变化进而对钻井液性能产生的影响。它与固相的加量、钻井液的粘度、转速、温度和压力等都有关系，单纯的固相研磨数字是没有意义的。目前钻井液性能的评价均没有考虑到实际钻井过程中的井下研磨作用，尤其是固相含量比较高的高密度钻井液和添加密度减轻剂的低密度钻井液中，现有的方法不能反映钻井液的实际变化，而现有的固相研磨评价装置也不适用于钻井液评价。

通过专利检索和文献查询，未发现适用于钻井液中固相研磨模拟实验设备和方法。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种钻井液固相研磨模拟实验的方法及装置，用来模拟并分析钻井液在井下研磨作用下所发生的变化。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种钻井液固相研磨模拟实验的方法，所述方法是在陈化釜中置入研磨棒，利用滚动条件下陈化釜和研磨棒之间的相对运动来模拟钻杆与套管或井壁之间的作用，从而测量钻井液在研磨条件下由于固相粒径的变化而引起的性能变化。

所述方法包括以下步骤：

（1）将研磨棒置于陈化釜内，倒入钻井液使液面浸过研磨棒，盖好密封盖，拧紧釜盖，并拧紧压紧螺栓；

（2）把陈化釜放入高温滚子炉内的滚筒上，开启电源，设定好温度、时间及转速，开始滚动；

（3）陈化釜在滚筒作用下开始滚动，而研磨棒在重力作用下始终位于陈化釜下方且保持相对静止，研磨棒和陈化釜之间就存在相对运动，滚动过程中研磨棒和陈化釜之间存在的碰撞、研磨、挤压作用，通过这些作用来模拟钻井过程中钻杆和套管或井壁之间的作用；

（4）模拟完成后，通过测试研磨前后钻井液的性能变化，结合利用显微镜、扫描电镜、透射电镜表征手段，考察研磨作用对钻井液中固相材料粒径、形态等的影响，进而评价钻井液密度调节材料在钻进过程中对钻井液密度的真实作用。

本发明还提供了用于实现上述方法的一种钻井液固相研磨模拟实验装置，其包括高温滚子炉、陈化釜和研磨棒。

在高温滚子炉内设有至少一对转速可调节的滚筒，所述滚筒平行安装在高温滚子炉内。

陈化釜为耐高温金属制桶状结构，其内部衬以耐磨耐腐蚀材料。

使用时，研磨棒是放置在陈化釜内的，陈化釜是放置在高温滚子炉内的滚筒上的，陈化釜与滚筒平行放置，其重量由两个滚筒一起承担，两个滚筒同向转动，带动陈化釜转动。

所述高温滚子炉内滚筒的由变频电机提供动力。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：利用本发明，可模拟井下研磨、碰撞、挤压条件对钻井液性能的影响。通过调整滚子炉的转速可模拟不同钻井速度。研磨棒置于陈化釜内部，滚动作用下模拟钻杆和套管及钻杆与井壁之间的研磨、碰撞作用。温度和时间可根据现场情况自由调整。 

附图说明

图1  是本发明方法所使用的陈化釜的剖面图。

图2  是本发明方法中工作状态下陈化釜与滚筒位置关系的示意图。

图3  是本发明方法所使用的的高温滚子炉的结构示意图。

图4  是本发明方法所使用的研磨棒的示意图。

其中，1为压圈，2为螺钉，3为釜盖，4为排气阀，5为“O”型密封圈，6为压紧螺栓，7为支撑环，8为密封盖，9为密封环，10为釜体，11为高温滚子炉，12为滚筒，13为支架，14为陈化釜，15为炉门，16为密封圈。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

一种钻井液固相研磨模拟实验的方法，所述方法通过测试研磨前后钻井液的密度、流变性、失水等性能变化，结合利用显微镜、扫描电镜、透射电镜等表征手段，考察研磨作用对钻井液中固相材料粒径、形态等的影响，进而评价对钻井液密度调节材料在钻进过程中对泥浆密度的真实作用。

本发明方法的步骤如下：将研磨棒置于陈化釜内，倒入钻井液使液面浸过研磨棒（此时陈化釜处于竖直状态）。盖好密封盖，拧紧釜盖，并拧紧压紧螺栓。把陈化釜放入滚子炉内的滚筒上（此时陈化釜处于水平状态），开启电源，设定好温度和时间及转速，开始滚动。陈化釜在滚筒作用下开始滚动，而研磨棒在重力作用下始终位于陈化釜下方保持相对静止，研磨棒和陈化釜之间就存在相对运动（陈化釜直接接触滚筒，当滚筒转动后就带动陈化釜转动，而研磨棒是放置在滚筒中的，由于重力作用研磨棒在滚筒中一直处于下方位置，陈化釜滚动时，研磨棒会和陈化釜有一点碰撞和相对运动，但研磨棒一直在陈化釜下方）。不同规格的研磨棒的直径、重量是不同的，使用时主要根据现场摩擦力的大小、钻速等确定所使用的规格。滚动过程中研磨棒和陈化釜之间存在碰撞、研磨、挤压作用，通过这些作用来模拟钻井过程中钻杆和套管（或井壁）的作用。

本发明还包括一种钻井液固相研磨模拟实验装置，其包括可加热至200℃的高温滚子炉11、陈化釜14和研磨棒。

如图3所示，在高温滚子炉11内设有至少一对转速可调节的滚筒12，所述滚筒12平行安装在高温滚子炉11内。

陈化釜14为耐高温金属（如铬316）制桶状结构，其内部衬以耐磨耐腐蚀材料。

使用时，如图2所示，使用时，研磨棒是放置在陈化釜14内的，陈化釜14是放置在高温滚子炉11内的滚筒12上的，陈化釜14与滚筒12平行放置，其重量由两个滚筒12一起承担，两个滚筒12同向转动，带动陈化釜14转动。

所述温滚子炉内的滚筒12由变频电机提供动力，可以模拟不同的钻井速度，评价不同研磨速度对钻井液的影响。

本发明中所使用的陈化釜14与现有技术中的陈化釜相比，在结构上没有区别（如图1所示，包括压圈1，螺钉2，釜盖3，排气阀4，“O”型密封圈5，压紧螺栓6，支撑环7，密封盖8，密封环9，釜体10。），只是在尺寸上进行了改进，釜体10比普通陈化釜的加长，加长的原因是：放置了研磨棒后要占体积，所放入的钻井液量就要减少，为了使放入的钻井液量还能够维持原量，因此要加长釜体。

在陈化釜14内部放入起研磨作用的不同规格的金属制研磨棒（如图4所示，在使用时一个陈化釜内部放入一个研磨棒即可，但研磨棒的重量要根据地层情况确定，选择合适的规格），利用研磨棒和陈化釜的碰撞、挤压来模拟钻杆与套管（或井壁）的作用，釜盖3上设有压紧螺栓6，可通过螺栓为釜体内加压。

本发明进行了如下创新：

⑴在陈化釜中加入研磨棒，模拟钻井过程中钻杆和套管（井壁）之间的碰撞、摩擦、挤压作用（因为陈化釜放置在滚筒上，当滚筒转动时陈化釜就会滚动，但研磨棒是放置在陈化釜内部的，当陈化釜转动时它就和陈化釜不停地碰撞，但它不会转动），使评价结果与现场更加接近；

⑵滚子炉转速可调，可模拟钻井过程中不同转速对钻井液研磨结果的影响；

⑶陈化釜比普通陈化釜加长是为了避免由于加入研磨棒，而使加入的钻井液量减少；

⑷研磨棒是放置在陈化釜中的，陈化釜在滚动过程中，钻井液在陈化釜滚动的同时经受研磨棒和陈化釜碰撞所产生的作用。

在科研实验中，用本发明的方法和装置验证了高密度钻井液和低密度钻井液在研磨作用下性能发生的很大变化，具体数据如下：

实验1：

配置基浆：4%膨润土+0.25%CMC，按照“SY/T5621-93钻井液测试程序”分别测量它在研磨和非研磨条件下滚动16小时后钻井液的性能变化，实验结果如表1所示，

表1

从表1可知，对普通钻井液（固相含量比较低）来讲，研磨对钻井液的影响很小，可以忽略不计。

实验2：

配置400毫升0.2%黄原胶溶液，加入20克HGS8000（3M公司的玻璃微珠，抗压轻度为56MPa），测得密度为0.93g/cm³。按照“SY/T5621-93钻井液测试程序”分别测量它在研磨和非研磨条件下滚动16小时后钻井液的性能变化，实验结果如表2所示，

浆体	密度（g/cm3）
		滚动16小时	0.935
研磨条件下滚动16小时	1.05

表2

由表2可见，单纯滚动条件下，低密度钻井液的密度由0.93 g/cm³变化到0.935 g/cm³，变化幅度并不大，但在研磨存在的情况下，钻井液密度由0.93 g/cm³变化到1.05 g/cm³，玻璃微珠已经失去了降密度能力，变成了加重剂，与现场使用时的数据相似。

实验3：

配置一钻井液体系400毫升，基浆密度为1.05 g/cm³，加入重晶石（目数为400目）964克，测得加重后的密度为2.2 g/cm³，按照“SY/T5621-93钻井液测试程序”分别测量它在研磨和非研磨条件下滚动16小时后钻井液的性能变化，实验结果如表3所示，

表3

由表3可知，单纯滚动条件下高密度钻井液的性能变化很小，但在研磨条件下，由于重晶石被磨细，引起钻井液的粘度明显上升。

由以上三个实验可知，对高密度和低密度钻井液来说，研磨对钻井液的性能影响很大，而用常规的方法和装置不能反映出这种影响。

上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。

Claims (3)

1.一种钻井液固相研磨模拟实验的方法，其特征在于：所述方法是在陈化釜中置入研磨棒，利用滚动条件下陈化釜和研磨棒之间的相对运动来模拟钻杆与套管或井壁之间的作用，从而测量钻井液在研磨条件下由于固相粒径的变化而引起的性能变化；

所述方法包括以下步骤：

(1)将研磨棒置于陈化釜内，倒入钻井液使液面浸过研磨棒，盖好密封盖，拧紧釜盖，并拧紧压紧螺栓；

(2)把陈化釜放入高温滚子炉内的滚筒上，开启电源，设定好温度、时间及转速，开始滚动；

(3)陈化釜在滚筒作用下开始滚动，而研磨棒在重力作用下始终位于陈化釜下方且保持相对静止，研磨棒和陈化釜之间就存在相对运动，滚动过程中研磨棒和陈化釜之间存在的碰撞、研磨、挤压作用，通过这些作用来模拟钻井过程中钻杆和套管或井壁之间的作用；

(4)模拟完成后，通过测试研磨前后钻井液的性能变化，结合利用显微镜、扫描电镜、透射电镜表征手段，考察研磨作用对钻井液中固相材料粒径、形态等的影响，进而评价钻井液密度调节材料在钻进过程中对钻井液密度的真实作用。

2.根据权利要求1所述钻井液固相研磨模拟实验的方法，其特征在于：

在高温滚子炉内设有至少一对转速可调节的滚筒，所述滚筒平行安装在高温滚子炉内；

陈化釜为耐高温金属制桶状结构，其内部衬以耐磨耐腐蚀材料；

使用时，研磨棒是放置在陈化釜内的，陈化釜是放置在高温滚子炉内的滚筒上的，陈化釜与滚筒平行放置，其重量由两个滚筒一起承担，两个滚筒同向转动，带动陈化釜转动。

3.根据权利要求2所述钻井液固相研磨模拟实验的方法，其特征在于：所述温滚子炉内的滚筒由变频电机提供动力。