盧齊 龐東曉 聶秋露

摘 要：隨著數(shù)字鉆井技術(shù)的發(fā)展，基于傳感器技術(shù)的鉆井液粘度在線檢測(cè)設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生。然而現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)僅對(duì)鉆井液性能人工檢測(cè)方法進(jìn)行了規(guī)范，其測(cè)量方法及內(nèi)容、HSE相關(guān)要求等內(nèi)容已不滿足以自動(dòng)化傳感器為核心的鉆井液性能在線檢測(cè)的基本要求。目前聚焦于提高鉆井液粘度在線檢測(cè)精度和重復(fù)性的標(biāo)準(zhǔn)化措施研究尚屬空白。本文通過(guò)對(duì)檢測(cè)方法優(yōu)選，檢測(cè)條件因素分析等方面開展研究，旨在提高粘度測(cè)量結(jié)果精確性，對(duì)鉆井液粘度在線計(jì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化體系建立具有積極意義。

關(guān)鍵詞：鉆井液，粘度，在線測(cè)量，精度，標(biāo)準(zhǔn)化，探索

鉆井液是由粘土、水和一些無(wú)機(jī)或有機(jī)化學(xué)處理劑通過(guò)攪拌而成的成分復(fù)雜的懸浮液與膠體溶液的混合物，是一種具有剪切稀釋特性的時(shí)間獨(dú)立性非牛頓流體系統(tǒng)[1]。在鉆井工程領(lǐng)域鉆井液常被稱作鉆井的“血液”，其粘度性能與攜巖能力、井眼清潔、井壁穩(wěn)定等息息相關(guān)，及時(shí)、準(zhǔn)確地獲取鉆井液綜合性能參數(shù)是井筒水力學(xué)、鉆柱動(dòng)力學(xué)分析的前提和基礎(chǔ)，對(duì)于預(yù)測(cè)鉆頭托壓、卡鉆等井下復(fù)雜情況，降低鉆井NPT，縮短完鉆周期，保障鉆井安全起著重要作用[2]。在全球工業(yè)4.0革命浪潮影響下，石油工業(yè)的數(shù)字化、信息化轉(zhuǎn)型已經(jīng)成為必然趨勢(shì)，鉆井液粘度檢測(cè)技術(shù)由人工檢測(cè)逐漸發(fā)展成為了基于傳感器技術(shù)的全自動(dòng)在線測(cè)量技術(shù)。

然而，現(xiàn)行鉆井液流變性能檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的為實(shí)驗(yàn)室人工檢測(cè)設(shè)備，盡管其測(cè)量手段已經(jīng)成熟，并形成了從儀器制造、測(cè)量、校準(zhǔn)全流程標(biāo)準(zhǔn)化體系。然而，其隨鉆在線粘度性能因其檢測(cè)方法、作業(yè)環(huán)境、測(cè)量條件、精度影響因素與室內(nèi)人工測(cè)量存在很大差異，不能將現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)直接套用。本文將從測(cè)量方法優(yōu)選、加工精度、測(cè)量條件等關(guān)鍵影響因素開展探索，使其能夠滿足高準(zhǔn)確度測(cè)量需求，對(duì)建立鉆井液粘度在線測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)化體系具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 鉆井液粘度在線檢測(cè)方法優(yōu)選

1.1 流管法

1.1.1 測(cè)量原理

根據(jù)哈根泊肅葉定律，假設(shè)毛細(xì)管的半徑R，長(zhǎng)度L，毛細(xì)管兩端的壓力差P，液體在外力的作用下在毛細(xì)管中作勻速流動(dòng)，在穩(wěn)定流動(dòng)下，外力與粘滯阻力平衡[3]。將待測(cè)液體用恒流泵和緩沖器引入測(cè)量管路中，管路為單一直徑的細(xì)長(zhǎng)圓管或多段變徑管路系統(tǒng)，根據(jù)變徑管不同直徑段的流動(dòng)速度和管徑計(jì)算不同直徑管段的速度梯度；或采用通徑一致的直管，通過(guò)改變泵的排量改變流速計(jì)算速度梯度，通過(guò)壓差計(jì)檢測(cè)變徑管不同直徑段的壓力損耗，計(jì)算變徑管不同直徑段的切應(yīng)力值，即可計(jì)算出被測(cè)鉆井液的塑性粘度、動(dòng)切力、流型指數(shù)和稠度系數(shù)等流變性參數(shù)，有如下關(guān)系。

2.1.2 同軸度試驗(yàn)

在現(xiàn)有鉆井液6速標(biāo)準(zhǔn)粘度計(jì)上加裝可調(diào)定子軸承座，選取ε=0.05，0.08，0.10，0.14開展試驗(yàn)，確定不同偏心率對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。試驗(yàn)選擇國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)粘度物質(zhì)GBW13607，20℃時(shí)標(biāo)稱粘度為179.11mPa.s。分別測(cè)試300轉(zhuǎn)、3轉(zhuǎn)高低兩個(gè)轉(zhuǎn)速下粘度值，試驗(yàn)結(jié)果分析如下。

（1）如表1所示，高轉(zhuǎn)速、低轉(zhuǎn)速兩組測(cè)量結(jié)果與標(biāo)稱粘度符合率均在95%以上，低轉(zhuǎn)速組測(cè)量總體符合率低于高轉(zhuǎn)速組，偏心率越大，測(cè)量結(jié)果的偏差越大。

（2）如圖1所示，低轉(zhuǎn)速下偏心率0.1和0.14組檢測(cè)數(shù)據(jù)抖動(dòng)劇烈，測(cè)量結(jié)果重復(fù)性不好。

（3）如圖2所示，偏心率越大測(cè)量結(jié)果偏低程度越明顯，說(shuō)明受到的附加阻力矩越大，這與理論分析結(jié)果一致。

（4）如圖3所示，偏心率越大，測(cè)量結(jié)果的離散程度越大，低轉(zhuǎn)速組中當(dāng)偏心率為0.14時(shí)，測(cè)量結(jié)果中已經(jīng)出現(xiàn)一個(gè)離散的非點(diǎn)。

2.1.3 儀器加工與裝配精度推薦值

從上述試驗(yàn)分析可知，在理論計(jì)算的許用偏心率范圍內(nèi)，現(xiàn)有鉆井液用粘度量具測(cè)量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)粘度物質(zhì)符合率均在95%以上，能滿足測(cè)量精度要求。然而，試驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)偏心率ε≥1時(shí)，兩組不同轉(zhuǎn)速下測(cè)量結(jié)果均出現(xiàn)不同程度的離散，導(dǎo)致儀器重復(fù)性下降，尤其是在3轉(zhuǎn)下測(cè)量的25組數(shù)據(jù)中已經(jīng)出現(xiàn)一個(gè)非點(diǎn)。對(duì)于現(xiàn)有依賴人工操作的粘度計(jì)來(lái)說(shuō)，出現(xiàn)非點(diǎn)時(shí)操作者能夠根據(jù)經(jīng)驗(yàn)篩選排除，但若進(jìn)行在線自動(dòng)化測(cè)量，實(shí)現(xiàn)智能篩選難度很大，而且會(huì)造成數(shù)據(jù)失真，因此，鉆井液用在線粘度量具加工及裝配偏心率推薦控制在0.1以內(nèi)。

2.2 測(cè)量條件影響因素分析

鉆井液粘度在線檢測(cè)應(yīng)用環(huán)境為鉆井工程現(xiàn)場(chǎng)，儀器工作環(huán)境，檢測(cè)條件和現(xiàn)有人工在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下使用的儀器有很大不同。為保證測(cè)量精度，有必要對(duì)檢測(cè)條件、工作環(huán)境中的影響因素開展分析，確定適當(dāng)?shù)脑诰€測(cè)量條件，保證儀器精度。

2.2.1 溫度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響

不同于現(xiàn)有鉆井液粘度手動(dòng)測(cè)量量具，在線粘度計(jì)一旦開啟將自動(dòng)連續(xù)運(yùn)行。正常鉆井過(guò)程中，返出鉆井液溫度一般在55～90℃。在線粘度計(jì)運(yùn)行期間將一直受到鉆井液熱源持續(xù)加熱，此時(shí)儀器本身的熱膨脹將不能被忽略。當(dāng)轉(zhuǎn)子、定子尺寸受到熱膨脹影響發(fā)生變化時(shí)，儀器的流場(chǎng)系數(shù)f和儀器常數(shù)K也將發(fā)生變化，將影響測(cè)量精度。儀器熱膨脹系數(shù)可由式15表示。

其中，α—金屬熱膨脹系數(shù)。

以現(xiàn)有不銹鋼材質(zhì)粘度計(jì)為例，模擬現(xiàn)場(chǎng)90℃鉆井液，保溫5小時(shí)，選擇國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)粘度物質(zhì)GBW13607開展試驗(yàn)。分別在10min、1小時(shí)、2小時(shí)、3小時(shí)、4小時(shí)、5小時(shí)測(cè)量粘度數(shù)據(jù)，以10min測(cè)量數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，記錄分析結(jié)果如下。

（1）如表2，持續(xù)加熱5小時(shí)，儀器膨脹明顯，因膨脹導(dǎo)致的最大測(cè)量誤差為3.5%，與理論計(jì)算結(jié)果相符合。

（2）如圖4所示，測(cè)量的粘度值隨著時(shí)間增加逐漸減小，且下降趨勢(shì)逐漸平穩(wěn)，3小時(shí)及以后的3個(gè)測(cè)點(diǎn)粘度值基本一致，說(shuō)明儀器熱膨脹逐漸趨于穩(wěn)定。

（3）建議對(duì)鉆井液在線檢測(cè)量具開展出廠熱膨脹系數(shù)標(biāo)定試驗(yàn)，繪制熱膨脹系數(shù)-溫度-時(shí)間曲線，并將其考慮在傳感器模型中。

2.2.2 定子浸沒深度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響

由于現(xiàn)有的鉆井液粘度計(jì)采用人工取樣測(cè)量的方法，每次取樣量能夠準(zhǔn)確控制，同理浸入定子、轉(zhuǎn)子深度也能精確確定。然而，在線粘度計(jì)通常安裝在管道旁路上，進(jìn)液和出液均為自動(dòng)控制，管道內(nèi)液體流動(dòng)情況受鉆井工況、泵排量等諸多復(fù)雜因素制約，若要實(shí)現(xiàn)量具運(yùn)行期間檢測(cè)液面高度絕對(duì)一致需要額外增加復(fù)雜的閥門控制結(jié)構(gòu)及控制算法，同時(shí)還將影響系統(tǒng)可靠性。因此，有必要研究浸沒深度對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響規(guī)律。

浸沒深度對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響有兩方面：（1）浸沒深度增加相當(dāng)于增加了定子側(cè)面積，增加了粘滯阻力矩，測(cè)量結(jié)果將比實(shí)際值大，然而由于定子桿半徑遠(yuǎn)小于定子半徑，由式7可知，這部分附加力矩不足總扭矩的1%，因此，可以忽略。（2）浸沒深度增加將減小端面效應(yīng)，以現(xiàn)有不銹鋼材質(zhì)粘度計(jì)為例，控制浸沒深度為沒過(guò)定子上端面1.5mm，2mm，2.5mm，3mm，4mm，5mm，選擇國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)粘度物質(zhì)GBW13607恒溫20℃條件下開展試驗(yàn)，結(jié)果如下。

（1）由表3可知，隨著浸沒深度的增加，測(cè)量結(jié)果也隨之增大，當(dāng)浸沒深度小于3mm時(shí)，測(cè)量結(jié)果增幅更為明顯。

（2）當(dāng)浸沒深度大于3mm時(shí)，測(cè)量結(jié)果逐漸趨于穩(wěn)定，增加浸沒深度對(duì)測(cè)量結(jié)果影響不大，其原因是增加深度帶來(lái)的附加粘滯力矩與端面效應(yīng)互相作用的結(jié)果。

（3）由上述結(jié)果可知，在線粘度計(jì)不需要精確地控制測(cè)量液面高度，只需要保證其浸沒深度始終高于3mm并注意不要溢出或憋壓，并將這部分附加粘滯力矩納入儀器系數(shù)即可。

3 結(jié)論與建議

針對(duì)非鉆井液粘度測(cè)量過(guò)程復(fù)雜和體系不穩(wěn)定兩個(gè)難點(diǎn)，探討各種測(cè)量因素對(duì)粘度測(cè)量結(jié)果的影響，建立標(biāo)準(zhǔn)方法，主要得到以下結(jié)論。

3.1 旋轉(zhuǎn)法更適合鉆井液粘度在線測(cè)量

流管法測(cè)量鉆井液粘度時(shí)，層流條件限定最大剪切速率不超過(guò)300s-1，不滿足鉆井液粘度測(cè)量要求的1022s-1的條件。旋轉(zhuǎn)法可通過(guò)調(diào)整測(cè)量間隙寬度，改變層流極限角速度，其測(cè)量剪切速率范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)鉆井液粘度測(cè)量要求，由于其自動(dòng)化程度高、應(yīng)用范圍廣、操作簡(jiǎn)便、對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境要求相對(duì)較低等特點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用［9、10］。旋轉(zhuǎn)法最為顯著的特點(diǎn)是它能夠設(shè)置不同的剪切速率／轉(zhuǎn)速，能夠?qū)ο嗤馁|(zhì)的材料在不同剪切速率下進(jìn)行粘度的測(cè)量，因此旋轉(zhuǎn)法被廣泛運(yùn)用在牛頓流體流變性能和非牛頓流體的粘度測(cè)量以及流變行為的研究中。

3.2 偏心率推薦控制在1.0以內(nèi)

通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，盡管偏心率在1.4以內(nèi)各轉(zhuǎn)速下測(cè)量結(jié)果與標(biāo)稱值符合率均在95%以上，但試驗(yàn)表明偏心率超過(guò)1時(shí)，測(cè)量結(jié)果重復(fù)性降低，尤其是低轉(zhuǎn)速條件下還容易出現(xiàn)非點(diǎn)，因此，偏心率控制在1.0以內(nèi)，設(shè)備精度更高。

3.3 鉆井液粘度在線檢測(cè)設(shè)備不能忽略溫度膨脹效應(yīng)

試驗(yàn)表明，鉆井液粘度在線檢測(cè)設(shè)備由于需要長(zhǎng)期在高溫環(huán)境下連續(xù)工作，轉(zhuǎn)子、定子等關(guān)鍵探測(cè)結(jié)構(gòu)金屬膨脹發(fā)生形變會(huì)影響精度，試驗(yàn)中該效應(yīng)引發(fā)的結(jié)果差異達(dá)到3%，盡管在模擬90℃環(huán)境下3小時(shí)后測(cè)量數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定，但缺乏大量多次重復(fù)試驗(yàn)驗(yàn)證，因此，強(qiáng)烈建議出廠開展熱膨脹系數(shù)標(biāo)定試驗(yàn)，繪制熱膨脹系數(shù)-溫度-時(shí)間曲線，并將其考慮在傳感器模型中。

3.4 測(cè)量液面高度對(duì)鉆井液粘度在線檢測(cè)設(shè)備影響較小

由于液面高度產(chǎn)生的附加粘滯力矩和端面效應(yīng)的共同作用，試驗(yàn)表明當(dāng)測(cè)量液面高度高于定子上端面3mm以上時(shí)，測(cè)量結(jié)果趨于穩(wěn)定，因此綜合考慮系統(tǒng)復(fù)雜度和制造成本，無(wú)須額外增加液面控制設(shè)備和算法，精確控制測(cè)量液位高度。

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