文档库

最新最全的文档下载
当前位置:文档库 > 实验一 水基钻井液配制及其流变性质的测定

实验一 水基钻井液配制及其流变性质的测定

实验一水基钻井液配制及其流变性质的测定

一、原理

阅读《钻井与完井工程》第三章和本指导书。

二、实验目的要求

1、了解和掌握钻井液的配制过程及方法,学会按所需比重配制一定量的水基钻井液。

2、了解测定钻井液常规性能的各种仪器的测定原理,正确掌握测定钻井液常规性能

的仪器设备的使用方法。

3、掌握四种常用流变模式的流变曲线绘制及流变参数的测定。

三、实验仪器及药品

六速旋转粘度计、泥浆比重计和漏斗粘度计、电动搅拌机等各一台,搪瓷量杯、药物天平、安丘土、纯碱等。

四、实验内容与测定方法

(一)水基钻井液的配制

钻井液(泥浆)的种类很多,通常分为两种基本类型:即水基钻井液和油基钻井液。油基钻井液是以柴油(或原油)作分散介质,水及有机土或其他的亲油粉末物质作分散相,加乳化剂等处理剂配制而成;水基钻井液是以水为分散介质,其基本组分是粘土(搬土)、水、和化学处理剂,这类钻井液发展最早,使用最广泛。我们这里所要配制的钻井液只是其中一种最基本、最简单的水基钻井液,即般土原浆。它的配制要点是在选定粘土的基础上,加入适量纯碱或其它处理剂,以提高粘土的造浆率。纯碱的加量依粘土中钙的含量而异,可通过小型实验求得,一般不超过泥浆体积的1%。加入纯碱的目的是除去粘土中的部分钙离子,使钙质膨润土转化为钠质膨润土,从而提高它的水化分散能力,使粘土颗粒分散得更细。Ca(土)+Na2CO3=Na(土)+CaCO3。因此,原浆加纯碱一般呈现粘度增大,失水量减小;如果随着纯碱加入失水量反而增大,就说明纯碱加过量了。有的粘土只加纯碱还不行,需要加少量烧碱,其作用是把粘土中氢质土转化为钠质土。

计算出配制密度为1.05的水基钻井液1000ml所需膨润土重量(一般常用的是安丘土,密度为2.20g/cm3),用药物天平称取所需安丘土。其计算公式如下:

实验一 水基钻井液配制及其流变性质的测定

实验一 水基钻井液配制及其流变性质的测定

W土——配浆所需的膨润土粉重量 g;

γ浆——所配钻井液的密度 g/cm3;

γ土——安丘土粉的密度 g/cm3;

V浆——需配制的钻井液体积 ml。

所需水量V=V浆-W土/γ土 ml

2、钻井液配制

用1000ml的搪瓷量杯从电热水器上接取热水(60℃左右)1000ml(忽略土粉体积),将搪瓷量杯放于电动搅拌器下低速搅拌,一边搅拌一边缓慢加入已称好的膨润土粉(注意防止土粉在杯底堆积),待土粉全部加完后,继续搅拌3~5分钟,按土粉重量的2~5%称取所需的纯碱粉边搅边加入钻井液中,继续搅拌15~30分钟,直到钻井液的温度基本接近室温即可。

注:现场一般配浆是用自来水在常温下配制,配好后需放置几天至十几天,以使土粉充分水化分散,钻井液性能稳定下来才能使用。本实验用热水配浆的目的是为了加快膨润土的水化分散,配制的钻井液也应放置几天,性能才能稳定。因时间限制本实验配制的钻井液没有放置陈放。由于配制的钻井液性能受到的影响因素很多,如水温、搅拌时间长短和强度、加土和碱的速度及时间、室温高低等,所以配制的钻井液性能各组可能有所不同。

(二)测定钻井液密度

钻井液单位体积的重量称为钻井液的密度,常以g/cm3(kg/m3)表示。钻井液的密度主要用来调节钻井液静液柱压力,以平衡地层孔隙压力,防止发生井喷。有时亦用来平衡地层构造应力,控制或减轻井塌。一般用来测定钻井液密度的仪器是泥浆比重称(见图1)。测量范围一般为0.8~2.4g/cm3。

实验一 水基钻井液配制及其流变性质的测定

1-杠杆; 2-主刀口;3-泥浆杯;4-杯盖;5-平衡圆柱;6-砝码;7-底座;8-主刀垫;9-挡臂;10-水准泡

图1 ZNB型泥浆比重计

1.实验测定前应对仪器进行校正:将泥浆杯中盛满自来水,使泥浆杯始终保持垂直,轻轻盖好杯盖,让多余的水从杯盖孔中溢出,然后用布擦干,把刻度臂梁(平衡梁)轻轻放在支架上,使主刀口正好放在底座的主刀垫上,移动游码(砝码)至游码左侧对准刻度的1.00g/cm 时,称臂梁的水准泡应居中。若不平衡则需旋开平衡圆柱的盖子,添加或取出一些铅粒使之平衡(若游码偏离“1.00”处不远,水平泡就可居中,则可记下游码偏离1的刻度值,记为Δ,然后进行数据处理)。

2.测定钻井液的密度:将配好的钻井液充分搅拌以后,注入密度计泥浆杯中,慢慢向下旋转泥浆杯盖,让多余的钻井液从杯盖的溢流孔中流出,确保杯盖与泥浆杯紧密接触,然后用手指堵住溢流孔,用水清洗掉杯外的钻井液并擦干,然后进行测定。测定方法与校正方法相同,游码左侧边缘所指示的数值,即为该钻井液的密度。

(三)钻井液漏斗粘度的测定

API标准是把从盛有1500ml钻井液的马氏漏斗中流出946ml钻井液所用的时间(秒)称为漏斗粘度,校正时淡水的漏斗粘度(水值)为26±0.5秒。我国是把从盛有700ml钻井液的较小漏斗中 (见图2)流出500ml钻井液所经历的时间(秒),称之为钻井液的漏斗粘度,它与钻井液的塑性粘度、屈服值、以及仪器的尺寸和形状有关,它可以作为一定条件下某一表观粘度的量度,能反映钻井液稠度的变化。

实验一 水基钻井液配制及其流变性质的测定

图2 ZNN型漏斗粘度计

1.漏斗粘度计的校正:用自来水把漏斗和量杯冲洗干净,左手握住漏斗的下端部并用食指、堵住漏斗流出管口,使漏斗始终保持垂直状态,将筛网放在漏斗上端口上,用量杯分别量取500ml和200ml自来水倒入漏斗中,将漏斗出口对准量杯500ml的一端,右手握住秒表,放开堵住漏斗流出口的左手食指让漏斗中的水自然流入量杯中,放开手指的同时按动秒表,当量杯(500ml)盛满水时,停止计时,同时用左手食指堵住漏斗流出口,记录下清水的流出时间(标准值为15±0 5秒),如不合标准,则应重新清洗或更换漏斗。

2.钻井液漏斗粘度的测定:用手指堵住流出口,把刚搅拌好的钻井液用量杯量取700ml 通过筛网倒入漏斗中,把量杯置于流出口下,移取手指的同时计时,记录注满500ml量杯的时间(秒),以此值作为该钻井液的漏斗粘度值。若数据可疑,应多测几次,然后取平均值。

实验一 水基钻井液配制及其流变性质的测定

图3 ZNN-D6型旋转粘度计

(四)用ZNN-D6型旋转粘度计测定钻井液的流变参数

本仪器(见图3)可进行多个流变参数的测量,根据多点测量数值绘制流变曲线,确定液体在流动过程中的流型,选用合适的计算公式,对非牛顿流体进行精确的测量,用于钻井液流变、参数的研究,有利于安全、快速、科学钻井的需要。

粘度是钻井液流动时固体颗粒之间、固体颗粒与液体之间、以及液体分子之间的总反映。它包括漏斗粘度、表观粘度和塑性粘度、切力(包括静切力、动切力)。切力是钻井液结构强度的大小,而各种流型系数表示钻井液流变状态。这些指标主要用来表示钻井液在钻井过程中清洗井底、携带岩屑的能力及流动阻力的大小。

实验一 水基钻井液配制及其流变性质的测定

图4 四种基本流型

1.仪器测量原理:

对牛顿流体流动服从于牛顿内摩擦定律;塑性流体流动服从于宾汉公式;假塑性流体和膨胀流体流动服从于幂函数公式。见图4。

液体放置在两个同心圆筒的环形空间内,通过变速传动外筒以恒速旋转,外筒通过被测液体作用于内筒上一转距,使同扭簧连接的内筒旋转了一个相应角度,根据牛顿定律,该转角的大小与液体的粘度成正比,于是液体粘度的测量转为内筒转角的测量。

2.操作说明:

把仪器与电源相接(220V、50Hz),查看铭牌上的变速位置图(见图5),启动电机转换手柄,可获得要求的转速;无须停机可变换速度从刻度盘上读出扭力值;取下外筒只须顺时针旋转便可取下,内筒与轴锥度配合,装卸时用手捏住悬轴,将内筒右旋,向上或向下拉进行装卸,内筒为空心式,使用温度不得超过95℃。

3.操作步骤:

①接通电源,指示灯亮,将转换开关旋钮(见图6)向左旋至“高速”时,变换变速手把可得转速为200、6、600r/min;将转换开关旋钮向右旋至“低速”时,变换变速手把可得转速为100、3、300r/min;

实验一 水基钻井液配制及其流变性质的测定

图5 变速手把图6转换开关

②调整变速手把以300或600转动时,外筒不得偏摆,否则再重新清洗后重装。

③检查刻度盘0位,如刻度盘指针不对0,取下护罩A,松开螺钉E调整手轮G对正0

位,然后拧紧螺钉,盖好护罩。

④校正仪器:把自来水倒入样品杯刻线处(350ml),立即置于托盘上,上升托盘使钻井液液面对齐外筒刻线处拧紧托盘手轮(如用其他样品杯,外筒底部与杯底部之间距离不应低于1.3cm),测定600转/分(或300转/分)的清水值,标准应为:Φ600=2(或Φ300=1)。

⑤把刚搅拌过的钻井液倒入样品杯中,迅速从高速到低速进行测量,待刻度盘的读数稳定后,分别记录各转速(速梯)下的读数,对其触变性的流体,应在固定速梯下,取最小读数为准。

⑥静切力的测定:将上述液体经600转/分搅拌1分钟,关机静置一定时间,关机后立

即将变速手把调至3转/分那一档,当静置时间到时,开机前眼睛盯着读数窗,读出3转/分的最大读数即可。

a.初切力:在600转/分下搅拌1分钟,静置1分钟(现场有时是10秒),在3转/分下读取并记录最大读数。

b.终切力:在600转/分下搅拌1分钟,静置10分钟,在3转/分下读取并记录最大读数。

实验完后,关闭电源,松开托盘,移开样品杯,轻轻卸下内、外筒,相互不得擦伤,避免使悬柱弯曲。清洗内、外筒并擦干仪器。

4.数据处理:

A.外筒转速与内筒上剪切速率换算(见表1)。

实验一 水基钻井液配制及其流变性质的测定

绝对粘度η=Φ600 /2 cp 或 = Φ300 cp

C.塑性流体

视粘度η视=Φ600/2 cp

塑性粘度η塑=Φ600-Φ300 cp

动切力τo =5.11(Φ300 -η塑)

或τo =5.11(2Φ300-Φ600) dyn/cm2

静切力τ初=5.11×Φ3 (静止1分钟读数) dyn/cm2

τ终=5.11×Φ3 (静止10分钟读数) dyn/cm2

D.假塑性流体

实验一 水基钻井液配制及其流变性质的测定

流性指数 (无因次)

实验一 水基钻井液配制及其流变性质的测定

稠度系数 dyn·S n/cm2

5.实验数据全部测完后,取下样品杯,将钻井液回收备用。用自来水冲洗样品杯、盛约350ml自来水,让转筒浸入样品杯中,挂上600转/分的挡,开机清洗转筒约1分钟停机,倒去样品杯中的水,如上再清洗转筒一次,小心拧动转筒,使之脱开锁紧的挂销,卸下转筒,注意切不可碰着内筒。用洗净拧干的布轻轻将内筒(严防内筒转动或受力过大)和其它部件彻底擦净擦干。

五、选作实验

1.在800ml上述的钻井液中边搅拌边加入20克粘土粉,然后用漏斗粘度计和旋转粘度计测定之,测完后钻井液倒入共用的大泥浆桶中。

2.量取800ml钻井液,边搅拌边加入20克重晶石粉,然后用漏斗粘度计和旋转粘度计测定之,测后将钻井液倒入下水道。

试比较加土与加重晶石粉的漏斗粘度计与旋转粘度计测值的变化,说明二者在作用上的主要区别是什么?

六、实验报告内容

1.填写本讲义附表一和附表二实验报告单中的表格。

附表一

实验一 水基钻井液配制及其流变性质的测定

实验一 水基钻井液配制及其流变性质的测定

1.计算第六行、第七行和第八行数据时,要分别利用第九及第十行、第十一行及第十二行和第十三及第二、四行的数据,第5行数据是实测的钻井液切应力,6、7、8行数据是按宾汉模式、指数模式、卡森模式计算的钻井液切应力。

2.利用实验报告单中表二第五行数据,在直角坐标系中绘出实测的钻井液流变曲线。

注意:由于低速梯(D)下,用旋转粘度计测得的流变参数误差较大,所以3转/分的读数值的相应数据可不用来作图。曲线应平滑,尽可能靠近各实测点,但是并非必须通过所有的实测点。

3.利用表二中第6、7、8行数据,在上述直角坐标系中绘出计算的宾汉曲线、指数曲线、卡森曲线,分析这三条流变曲线与实测流变曲线的吻合程度。

4.回答下列问题。

(1)用你认为与实验流变曲线吻合的模式计算出速梯分别为700秒-1 、300秒-1 、100秒-1 、50秒-1 下的剪切应力。

(2)通过对实测流变曲线的绘制,你认为还应在哪些速梯阶段增加泥浆切应力的测点。

(3)旋转粘度计在设计时为什么在低梯度范围里多布点?

(4)旋转粘度计是根据牛顿内摩擦定律设计的,但为什么能反映非牛顿流体的性能?

(5)怎样才能提高漏斗粘度计的测量精度?

(6)用漏斗粘度计所测的粘度与旋转粘度计所测的粘度有什么不同。

(7)试分析泥浆粘度与比重增大或减小对钻井的影响。

(8)旋转粘度计换挡应怎样进行?