可循環(huán)泡沫鉆井液動密度測定方法研究

可循環(huán)泡沫鉆井液動密度測定方法研究

鉆井液密度在一定質量的已知溫度和濕度條件下，將鉆頭密度隨sy5336-93標準方法注入pvt筒中，并根據(jù)sy5336-93標準方法測量不同溫度下鉆頭密度和泡沫體積的變化數(shù)據(jù)。測量相應的壓力和溫度下的鉆頭密度。設計鉆孔密度與壓力、鉆孔密度與溫度的關系曲線。泡沫鉆井液密度計算公式如下。式中,m0為常溫常壓下可循環(huán)泡沫鉆井液質量,g;V0為常溫常壓下可循環(huán)泡沫鉆井液體積,cm3;V為打入工作介質的體積,cm3;k為綜合校正系數(shù);V1為工作介質的總體積,cm3。可循環(huán)泡沫鉆孔液的動密度測量1.實驗裝置的改進(1)測試裝置的研制對可循環(huán)泡沫鉆井液靜密度測試裝置進行改進,研制出了如圖1所示的可循環(huán)泡沫鉆井液動密度測定儀。該動密度測定儀與靜密度測定儀的主要區(qū)別在于:①通過增加攪拌單元,模擬地層條件下可循環(huán)泡沫鉆井液在環(huán)空中的旋轉過程;②改進了裝置的加溫系統(tǒng),由原靜態(tài)裝置的水浴加溫,改進為直熱式加溫,提高了工作效率。(2)測試裝置的調(diào)試與校準以煤油為工作介質,采用可循環(huán)泡沫鉆井液測定程序,進行可循環(huán)泡沫鉆井液動密度測試裝置的調(diào)試與校準。圖2是測試裝置的綜合校正系數(shù)與溫度的等壓關系曲線,圖3是測試裝置的綜合校正系數(shù)與壓力的等溫關系曲線。從圖2可以看出,裝置的綜合校正系數(shù)與溫度的等壓關系為:①隨著溫度的升高,綜合校正系數(shù)逐漸減小;②隨著壓力的增加,綜合校正系數(shù)與溫度關系曲線上移;③壓力大于0.5MPa時,隨著溫度的升高,綜合校正系數(shù)與溫度呈線性關系。從圖3可以看出,裝置的綜合校正系數(shù)與壓力的等溫關系為:①隨著壓力增加,綜合校正系數(shù)逐漸增加,在0～1MPa之間綜合校正系數(shù)增加顯著;②隨著溫度的升高,綜合校正系數(shù)與壓力關系曲線上移;③壓力大于1MPa時,隨著壓力的增加,綜合校正系數(shù)呈線性關系增加。由此可以推出,在壓力較低的情況下,工作介質中溶解的少量氣體是引起綜合校正系數(shù)變化較大的原因。2.可循環(huán)泡沫鉆井液動密度的確定(1)可循環(huán)泡沫鉆井液的制備按照可循環(huán)泡沫鉆井液現(xiàn)場使用要求配制可循環(huán)泡沫鉆井液。①原料準備。按干樣品Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的總質量為水量的5%、初始密度約為0.6g/cm3備料。②配樣。在容器中加入所需水量;攪拌器調(diào)至2檔,將水攪動起來;將干樣品Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ按順序抖動逐漸加入水中,持續(xù)攪拌3h以上;攪拌過程中保證平穩(wěn),容器不能振動、移動;若攪動困難,則干樣品按4.5%濃度計算,添加適量水,若仍然攪動困難,則繼續(xù)降低干樣品濃度為4.0%,直至能順利攪動。可循環(huán)泡沫鉆井液攪拌好后,測量可循環(huán)泡沫鉆井液在常溫常壓下的密度,該密度為可循環(huán)泡沫鉆井液的初始密度。(2)可循環(huán)泡沫鉆井液動密度測定范圍對應實測“商741-平1井充氮氣鉆井液測試報告”中數(shù)據(jù),建立“溫度-垂深(壓力)關系”,取對應的溫度和靜水柱壓力作為實驗點,進行可循環(huán)泡沫鉆井液動密度的測定。實驗用溫度-垂深(壓力)關系回歸計算數(shù)據(jù)如表1所示。(3)不同溫度下可循環(huán)泡沫鉆井液動密度與壓力的關系按照表1壓力點和溫度點數(shù)值,進行可循環(huán)泡沫鉆井液樣品系統(tǒng)測試,按照表1中溫度-壓力關系數(shù)據(jù),進行典型可循環(huán)泡沫鉆井液樣品測試。圖4是初始密度為0.582g/cm3的可循環(huán)泡沫鉆井液密度-壓力-溫度系統(tǒng)測試結果。圖5是溫度相同、初始密度不同的可循環(huán)泡沫鉆井液動密度-壓力系統(tǒng)測試結果。圖6是初始密度為0.584g/cm3可循環(huán)泡沫鉆井液根據(jù)同時改變溫度和壓力時的密度-溫度-壓力系統(tǒng)測試結果。以上測定結果與相關文獻報道基本一致。(4)不同壓力下可循環(huán)泡沫鉆井液動密度與溫度的關系對不同初始密度的可循環(huán)泡沫鉆井液動態(tài)密度進行測定,測量了不同溫度、壓力條件下的可循環(huán)泡沫鉆井液動密度,并對可循環(huán)泡沫鉆井液的動密度隨起始密度的變化規(guī)律進行分析。選擇初始密度為0.380、0.422、0.491、0.591、0.628、0.660、0.700、0.722g/cm3的可循環(huán)泡沫鉆井液考察動密度與溫度、壓力的關系。圖7是初始密度為0.380g/cm3的可循環(huán)泡沫鉆井液的密度-壓力-溫度關系曲線。從圖7可知,可循環(huán)泡沫鉆井液的密度與溫度存在如下關系:①在同一壓力下,隨著溫度的升高,可循環(huán)泡沫鉆井液密度顯著降低,可循環(huán)泡沫鉆井液密度-溫度曲線基本呈線性下降形狀;②隨著壓力升高,密度-溫度曲線上移,在試驗壓力范圍內(nèi)形成一組密度-溫度曲線族;③8組試驗具有相同的結果。運動密度的理論分析和計算1.可循環(huán)泡沫鉆井液的基漿密度和磺可循環(huán)泡沫鉆井液是由氣、液、固相組成的復雜體系,計算時應全面考慮各相的組分和性質。在常溫常壓下,可循環(huán)泡沫鉆井液的密度計算公式為:式中,ρ為可循環(huán)泡沫鉆井液的密度,g/cm3;Vm為泡沫鉆井液的體積;mm為泡沫鉆井液的質量;mg為氣相物質的質量,g;ml為液相物質的質量,g;ms為固相物質的質量,g;Vg為氣相物質的體積,cm3;Vl為液相物質的體積,cm3;Vs為固相物質的體積,cm3。可循環(huán)泡沫鉆井液的地面密度ρ0可以由密度計測得,基漿密度通過實驗鉆井液的配制方法得到。本次實驗用的泡沫鉆井液配方是100g水中加5g鉆井液添加劑。由于鉆井液添加劑加量小、體積小,加到水中對水體積的影響可以忽略,故在計算可循環(huán)泡沫鉆井液的基漿密度時,忽略添加劑的體積,那么可循環(huán)泡沫鉆井液的基漿密度計算公式為:根據(jù)基漿密度和可循環(huán)泡沫鉆井液地面密度可推算泡沫質量,忽略添加劑的體積,泡沫質量的公式為:式中,Γ為泡沫質量;Vl為液相物質的體積;Vg為氣相物質的體積;Vm為泡沫流體的體積。將添加劑的質量和體積歸并到液相中,可循環(huán)泡沫鉆井液的地面密度計算公式為:式中,ρg為地面氣體密度,值為0.00129g/cm3,它與基漿密度ρl相比可完全忽略不計,上式可簡化為:則可循環(huán)泡沫鉆井液的泡沫質量的計算公式為:利用此式計算實驗中可循環(huán)泡沫鉆井液的泡沫質量,見表2。從表2可知,盡管基漿密度相同,但是可循環(huán)泡沫鉆井液的密度不同,泡沫質量也不相同,可循環(huán)泡沫鉆井液的密度越大,泡沫質量就越小。2.壓力、溫度、壓力對泡沫密度的影響常溫常壓下密度為ρ0、體積為V0的可循環(huán)泡沫鉆井液在一定溫度(T)和壓力(p)下的密度為:式中,m0為物質的質量,g;Vg為氣相物質的體積,cm3;Vl為液相物質的體積,cm3;Vs為固相物質的體積,cm3。以上各量可根據(jù)可循環(huán)泡沫鉆井液配制時配方中各物質的含量、可循環(huán)泡沫鉆井液的初始密度等進行計算,得出初始狀態(tài)時各量的數(shù)值。在不同溫度、壓力時,各相的質量保持不變,而體積隨溫度、壓力發(fā)生了變化。其中,氣相物質的體積Vg受壓力、溫度的影響最大,變化也最大,液相物質的體積Vl和固相物質的體積Vs一方面受溫度的影響發(fā)生熱脹冷縮,另一方面在壓力作用下壓縮或者膨脹。目前常采用工程氣體定律討論氣體壓縮性對泡沫密度的影響。但為了分析方便,暫不考慮液相和固相體積變化情況,只考慮氣相的體積變化,在低壓狀態(tài)下,空氣按理想氣體定律處理,有:結合式(8),簡化處理后,可循環(huán)泡沫鉆井液在不同壓力、不同溫度下的密度為:從式中可以看出,隨著壓力的增加,泡沫鉆井液的密度將隨之增加,當壓力趨向無窮大時,泡沫鉆井液的密度逐漸趨近基漿密度,這就說明基漿密度對可循環(huán)泡沫鉆井液的密度影響很大。3.密度極限因為水的可壓縮性,其體積隨壓力增大而縮小,密度隨壓力增加而變大;又因為水具有熱脹效應其體積隨溫度升高而膨脹增大,密度隨溫度升高而減小,有:式中,ρ0為溫度為0℃時的密度;ρpT為溫度為T時的密度;α為水的壓縮系數(shù),β、γ為水的溫度系數(shù)。通過對水的密度與溫度、壓力的關系曲線進行擬合,得到水的密度與溫度、壓力的關系表達式:因為可循環(huán)泡沫鉆井液中添加劑的總量只占水的5%,其壓縮和膨脹性能與水可認為相似,得到可循環(huán)泡沫鉆井液的極限密度與溫度、壓力的關系表達式:假設在一定壓力條件下,可循環(huán)泡沫鉆井液中的氣體體積已經(jīng)非常小,與固液兩相的體積相比可以忽略不計,此時可循環(huán)泡沫鉆井液的密度為極大值,只考慮固液兩相的體積變化情況,根據(jù)式(11)計算出常溫、40MPa下可循環(huán)泡沫鉆井液的密度為1.0487g/cm3,據(jù)式(13)計算常溫、40MPa下水的密度為1.0155g/cm3,可循環(huán)泡沫鉆井液的基漿密度為1.05g/cm3,兩值相乘得可循環(huán)泡沫鉆井液的密度極限值為1.065g/cm3。實驗結果表明,可循環(huán)泡沫鉆井液的密度皆小于此值。可循環(huán)泡沫鉆井液動密度的研究1.研制了對可循環(huán)泡沫鉆井液動密度測定儀并對其進行了綜合校正系數(shù)的測定。2.利用可循環(huán)泡沫鉆井液動密度測定儀測量了不同溫度、壓力下可循環(huán)泡沫鉆井液的