CN105675444A - 一种三管混联式塑性流体漏斗黏度在线测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及三管混联式塑性流体漏斗黏度在线测量装置及方法，包括恒流泵、质量流量计、测试管组、连接管、压力传感器、数据采集器和数据处理系统，其中所述测试管组由一根主管路通过一个三通接头与另外两根并联的分支管路相连后连接到连接管上；四个压力传感器分成两组分别安装在主管路和其中一个分支管路的管壁上。测量方法是通过流量计和连接在混联管路中的压差传感器记录管路中不同位置的剪切速率及切应力，将所得数据经由数据采集系统录入、件计算得出塑性流体的动切力和塑性黏度瞬时值，并根据能量守恒进一步计算得出该种流体的漏斗黏度。该发明可以连续自动在线测量钻井液漏斗黏度，监测现场施工钻井液漏斗黏度的变化。

Description

一种三管混联式塑性流体漏斗黏度在线测量装置及方法

技术领域

本发明属于钻井液流变性测量技术领域，尤其涉及一种钻井液漏斗黏度的在线测量装置和方法，适用于现场钻井液漏斗黏度的连续自动化在线测量。

背景技术

在钻井过程中，钻井液黏度的测量是预防井喷、井涌、调整钻井液流变性能、维持井壁稳定、平衡地层压力的重要依据，其中漏斗黏度是表征流体综合流动性的一个重要参数，对于钻井液的配制和维护起着至关重要的作用；在地质录井工作中，钻井液黏度的变化会影响脱气器的效率，钻井液黏度的测量可实现利用黏度校正脱气效率以消除黏度对气测的影响；在对储层评价上，钻井液漏斗黏度的变化影响井内钻井液向地层空隙的侵入、人工井壁的形成、地层压力的平衡、地层油气水的扩散运移，从而影响对单井及区域储层的产能评价。因此钻井液漏斗黏度的测量和记录是钻井液工程师和录井工程师共同关心的问题。

马氏于20世纪20年代发明了漏斗黏度计，用于测量钻井液的漏斗黏度。漏斗黏度的测定是在特制的漏斗中装入规定体积(1500mL)的钻井液，打开漏斗喷嘴，记录流出一定体积钻井液(目前API标准为1qt，即946mL)所用的时间，它是日常应用中定义钻井液黏度的权威方法。漏斗黏度用时间来表示钻井液的黏度，这个流出时间可以作为一定条件下某一有效黏度的度量，能够反应钻井液稠度的变化。不同稠度的钻井液，流出相同的体积所需的时间也不相同。

由于漏斗黏度测定方法简单，可以直观反映钻井液黏度大小，因此这一参数已经沿用多年，一直是现场钻井液性能调整维护的重要指导依据。但是，由于该参数由手动测量获得，用于指导现场施工还存在许多问题：首先，钻井液的手动取样和漏斗黏度手动测量耗时较长，增加了现场工作人员的劳动强度，也增加了实验人员在有害环境下的暴露时间，不利于现场人员的身体健康；其次，手动测量易受环境及人为因素影响，结果误差较大。如实验人员的操作习惯不同会造成不同人员所测数据存在差别，使所得数据可靠性差；第三，手动测量频率低，不能及时反映钻井液黏度的变化，无法对钻井液性能的维护提供实时依据，不利于及时发现并处理井下异常情况；第四，手动测量系统性差，不利于数据之间的对比分析。

当前在该领域并没有相关专利。《油气田地面工程》于2001年1月(第21卷第1期)发表的《钻井液黏度在线检测技术实验研究》一文中提出采用电阻法测量漏斗中液位的变化，该方法可以提高漏斗黏度测量的精度，但无法实现漏斗黏度的实时测量和连续测量。《天然气工业》于2003年7月(第23卷第24期)发表的《应用漏斗黏度计测定幂率流体的流变参数》及2004年1月(第24卷第1期)发表的《应用漏斗黏度计测定塑性流体的流变参数研究》这两篇文章中分别提出了现场用漏斗黏度测量幂率及塑性流体流变参数的方法，作者研究了非恒定静压作用下幂率及塑性流体垂直下落的规律及流变参数与时间的关系，为计算漏斗黏度计中流体的流变参数提供了理论依据。采用流体静压头下降成比例的测量方法，较为简便的求出了幂率流体及塑性流体的流变参数。但是文章作者在推导流变参数与下落时间关系时，都忽略了流体在漏斗黏度计锥管段的摩阻，将此处流体的在静压作用下的下落看作自由落体运动，简化了推导及运算过程，造成结果的不准确。《西部探矿工程》于2004年2月(第93期)发表的《非牛顿流体漏斗黏度与塑性黏度的实验研究》及《国外油田工程》于2001年12月(第17卷12期)发表的《马氏漏斗及钻井液黏度：油田应用的新方程》两篇文章在实验基础上分析了马氏漏斗黏度与非牛顿流体密度与表观黏度之间的关系。但是钻井液在漏斗中的运动速度随漏斗中的液面高度不同而变化，因而钻井液在漏斗直管中的速度梯度不同，而对非牛顿流体来说，不同的速度梯度下同样的流体具有不同的表观黏度，也就是说测量过程中，钻井液的表观黏度是一个变量，如果用不变的表观黏度去计算漏斗黏度，往往误差较大。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种能够连续自动测量钻井液漏斗黏度辅助参数的仪器及计算漏斗黏度的方法，以便及时、准确的反映钻井液黏度的变化，更好的为现场施工提供指导。为此本发明提供了一种三管混联式塑性流体漏斗黏度在线测量装置及方法。

本发明的技术方案：

一种三管混联式塑性流体漏斗黏度在线测量装置，包括恒流泵、质量流量计、测试管组、连接管、压力传感器、数据采集器和数据处理系统，其中，恒流泵、质量流量计、与测试管组通过连接管连接在一起，并与钻井液容器构成液体循环流道，四个压力传感器和质量流量计通过信号线连接到数据采集器与具有数据处理系统的计算机上；其中所述测试管组由一根主管路通过一个三通接头与另外两根并联的分支管路相连后，再通过同样的三通接头连接到连接管上，三条管路采用相同的直管，三通接头的内部流道为流线型，且三个接头各断面面积相等；四个压力传感器分成两组分别安装在主管路和其中一个分支管路的管壁上。

所述压力传感器均为柱面膜压力传感器，压力传感器与三通接头的间距不小于15cm，每组压力传感器相距50cm。

按照前述的三管混联式塑性流体漏斗黏度在线测量装置的测量方法是，连续循环容器中的钻井液，并实时记录质量流量计测量的流量和密度以及和4个压力传感器记录的的压力；根据流量计测出的流量瞬时值及主管路、分支管路的几何参数计算管路内钻井液的流动速度梯度瞬时值，同时根据主管路及分支管路上两对压力传感器所测定的压力损耗和管路的几何参数计算管内的切应力瞬时值，根据两个速度梯度和相应的切应力值，由宾汉模式下钻井液流变方程计算钻井液塑性黏度、动切力的瞬时值；测量漏斗中盛满待测液体时的液面高度，和当待测液体流出后的最低液面高度，根据瞬时流量与液面高度的关系得到当液面高度下降单位长度时流出液体所需的时间，将液面每下降单位高度所流出流体的流出时间逐次累加即可得到当液面自最高下降至最低后，流出总体积待测液体所需的时间，即为待测液体的漏斗黏度。

测量方法中将液面每下降单位高度设定为0.2mm

本发明与现有技术相比有以下优点：测量准确迅速，数据更系统，易于对比分析，自动化程度高，可用于现场钻井液漏斗黏度的自动化在线测量。

附图说明

图1是本发明的测量装置示意图。

图1中；1.恒流泵；2.质量流量计；3.测试管组；4.压力传感器I；5.压力传感器II；6.压力传感器III；7.压力传感器IV；8.数据采集与处理器；9.计算机和数据处理系统。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

钻井液在中高剪切速率下遵循塑性流体流变模式，该模式下有两个重要的流变参数，塑性黏度(PV)和动切力(YP)，得知这两个参数可以得到钻井液塑性流体流变模式下的流变方程τ＝τ₀+μ_pγ，由此便可以对钻井液进行流变学计算。根据能量守恒定律，可以通过流变参数计算出一定体积钻井液流出漏斗所需的时间，即漏斗黏度，从而建立流变参数和漏斗黏度之间的关系。因此通过连续测量钻井液流变参数，即可通过计算得出钻井液的漏斗黏度，实现钻井液漏斗黏度的连续在线测量。

具体实施例1

一种三管混联式塑性流体漏斗黏度在线测量装置由恒流泵1、质量流量计2、测试管组3、四个柱面膜压力传感器(4、5、6、7)、数据采集器8与计算机和数据处理系统9组成。其中测试管组3由三根长度80cm，半径5cm，壁厚2.75mm的玻璃直管组成，一根主管路通过一个三通接头与两根并联的分支管路相连，从而在流量恒定时，在主管路及分支管路中产生不同的剪切速率。该三通接头的内部流道为流线型，接头各断面面积相等，可实现流体的等流速变形。恒流泵1、质量流量计2、与测试管组3通过管线连接在一起，压力传感器(4、5、6、7)和质量流量计2通过信号线连接到数据采集器8与计算机和数据处理系统9(也称为计算机软件处理系统)上。

本实施例中采用质量流量计，测量管路中的瞬时流量及流体的密度，为漏斗黏度的计算提供重要的参数。

本实施例中压力传感器均为柱面膜压力传感器，两对压力传感器分别安装在主管路和其中一个分支管路的管壁上，与三通接头的距离分别等于15cm，以消除端口效应，每对压力传感器相距50cm，分别测量50cm主管路和50cm分支管路的压力损耗。

本实施例中数字采集与处理器8把质量流量计及四个压力传感器的信号采集到计算机和数据处理系统9中。计算机软件将流量计与压力传感器测得的流量、压耗、流体密度，结合管路几何尺寸计算得到不同剪切速率下流体的塑性黏度和动切力，得到塑性流体的流变方程，进一步计算得出流体的漏斗黏度，并将计算结果即时记录。

基于上述测试装置的测试方法实施例

首先，本发明采用恒流泵作为连续取样工具，代替手动取样；其次，本发明采用三个内径、管长均相同的玻璃直管组成测试管组，将主管路通过三通接头分流至两个分支管路，以便在恒流泵流量不变的情况下，在主管路及分支管路中产生不同的剪切速率；第三，用质量流量计分别测量通过主管路及分支管路流量和钻井液密度的瞬时值，并分别根据三管的几何尺寸和流量计算管内速度梯度瞬时量；第四，分别在主管路及其中一个分支管路上各安装一对压力传感器，用来测量管内的压力损耗瞬时量，并根据两管内的压力损耗瞬时量，计算两管管壁的切应力瞬时值；第五，根据两个不同速度梯度下的切应力瞬时值，计算宾汉模式下钻井液流变参数的瞬时值；第六，连续自动测量并记录钻井液流变参数的瞬时值，并根据宾汉模式下钻井液流变参数与漏斗黏度的关系方程计算得到钻井液漏斗黏度，实现钻井液漏斗黏度的连续自动化在线测量。

由塑性流体流变参数计算漏斗黏度的方法：根据能量守恒定律，可以得到如下公式

$\begin{array}{c}v=0.0015-\{\frac{1}{3}*3.142{(0.2422h+0.002375)}^2(h+0.009806)-\frac{1}{3}*3.142\×{0.002375}^2\×0.009806\\ +3.142\×{0.002375}^2\×0.508\}\end{array}$ ${\mathrm{\ρ}}_{m}g(h+L)-\frac{{8\mathrm{\ρ}}_m}{{\mathrm{\π}}^2{D}^4}{Q}^2=\frac{{128\mathrm{Q\μ}}_P}{{\mathrm{\πD}}^4}+\frac{16{\mathrm{\τ}}_{0}L}{3D}+\frac{767.68{\mathrm{Q\μ}}_P(h-{0.01}^3)}{{3h}^3\×{0.01}^3}+11.1{\mathrm{\τ}}_0\ln \frac{h+0.01}{0.01}$

令 $a=\frac{{8\mathrm{\ρ}}_m}{{\mathrm{\π}}^2{D}^4},b=[\frac{128L}{{\mathrm{\πD}}^4}+\frac{767.68(h-{0.01}^3)}{{3h}^3\×{0.01}^3}]{\mathrm{\μ}}_p,$ $c=-{\mathrm{\ρ}}_{m}g(h+L)+11.1{\mathrm{\τ}}_0\ln \frac{h+0.01}{0.01}+\frac{16{\mathrm{\τ}}_{0}L}{3D},$ 可以得到 $Q=\frac{-b+\sqrt{b^2-4\mathrm{ac}}}{2a}$

上式中：h为漏斗中液面高度，v表示当漏斗中液面高度为h时流出漏斗的液体的总体积，L为漏斗直管段长度，D为漏斗直管段直径(内径)，Q表示当液面高度为h时流经漏斗喷嘴处的瞬时流量，μ_p、τ₀是塑性流体的塑性黏度和动切力，ρ_m为所测液体的密度，所有单位均采用标准单位。

容易算出当漏斗中盛满待测液体时，液面高度h₁＝0.2794m，当流出1qt待测液体时，最低液面高度h₂＝0.1972m。根据瞬时流量与液面高度h的关系可以得到当液面高度下降单位长度时流出液体所需的时间，将时间逐次累加即可得到当液面自h₁下降至h₂，流出总体积1qt待测液体所需的时间，既为待测液体的漏斗黏度FV。

实施效果：实施例1所涉及的装置，在流量恒定的前提下，通过改变管路半径来获得不同的速度梯度，同时测量不同速度梯度下的切应力值，由此得到钻井液的动切力和塑性黏度，并由动切力和塑性黏度进一步计算得出钻井液漏斗黏度，测量数据经由数据采集和录入系统录入计算机，由计算机软件计算并记录最终结果。装置解决了当前钻井液漏斗黏度手动测量在现场应用中存在的问题，能够自动连续在线测量钻井液漏斗黏度，并即时记录测量数据，便于数据的对比分析。

具体实施例2

结合图1，把恒流泵1的入口管与钻井液容器相连，恒流泵1与质量流量计2、测试管组3依次连接，出口与钻井液容器连接，数字采集与处理器8把流量计及四个压力传感器的信号采集到计算机和数据处理系统9中。

连续循环容器中的钻井液，并实时记录质量流量计测量的流量和密度以及和4个压力传感器记录的的压力；根据流量计测出的流量瞬时值及管路的几何参数计算管内钻井液的流动速度梯度瞬时值，同时根据主管路及分支管路上两对压力传感器所测定的压力损耗和管路的几何参数计算管内的切应力瞬时值，根据两个速度梯度和相应的切应力值，由宾汉模式下钻井液流变方程τ＝τ₀+μ_pγ计算钻井液塑性黏度、动切力的瞬时值。当漏斗中盛满待测液体时，液面高度h₁＝0.2794m，当流出1qt待测液体时，最低液面高度h₂＝0.1972m。根据瞬时流量与液面高度h的关系可以得到当液面高度下降单位长度⊿h(取0.2mm)时流出液体所需的时间⊿t，将液面每下降单位高度所流出流体的流出时间逐次累加即可得到当液面自h₁下降至h₂，流出总体积1qt待测液体所需的时间t，既为待测液体的漏斗黏度FV。

应用实施例3

本装置由恒流泵、质量流量计、混联玻璃管路、四个压力传感器、数据采集器与数据处理系统组成，恒流泵、流量计、测试管组通过管线连接在一起，两对压力传感器分别安装在主管路和其中一个分支管路的管壁上，与三通接头的距离分别等于15cm，以消除端口效应，压力传感器和流量计通过信号线连接到数据采集器与数据处理系统上。

测试方法，将恒流泵入口管线及出口管线分别放入义34-1HF井4号循环罐中，连接电源，打开恒流泵，使钻井液开始在装置管路内循环，达到稳定后打开数据采集与处理器及计算机，开始测量并记录数据，记录数据包括瞬时质量流量、密度、压降瞬时值、切应力瞬时值，分别由计算软件计算得出塑性黏度、动切力及相应漏斗黏度的瞬时值，得到测量结果。

应用实施例4

装置由恒流泵、质量流量计、混联玻璃管路、四个压力传感器、数据采集器与数据处理系统组成，恒流泵、流量计、测试管组通过管线连接在一起，两对压力传感器分别安装在主管路和其中一个分支管路的管壁上，与三通接头的距离分别等于15cm，以消除端口效应，压力传感器和流量计通过信号线连接到数据采集器与数据处理系统上。

测试方法，将恒流泵入口管线及出口管线分别放入义123-5HF井3号循环罐中，连接电源，打开恒流泵，使钻井液开始在装置管路内循环，达到稳定后打开数据采集与处理器及计算机，开始测量并记录数据，记录数据包括瞬时质量流量、密度、压降瞬时值、切应力瞬时值，分别由计算软件计算得出塑性黏度、动切力及相应漏斗黏度的瞬时值，得到测量结果。

应用实施例5

装置由恒流泵、质量流量计、混联玻璃管路、四个压力传感器、数据采集器与数据处理系统组成，恒流泵、流量计、测试管组通过管线连接在一起，两对压力传感器分别安装在主管路和其中一个分支管路的管壁上，与三通接头的距离分别等于15cm，以消除端口效应，压力传感器和流量计通过信号线连接到数据采集器与数据处理系统上。

本装置测试方法为：将恒流泵入口管线及出口管线分别放入桩129-1HF井4号循环罐中，连接电源，打开恒流泵，使钻井液开始在装置管路内循环，达到稳定后打开数据采集与处理器及计算机，开始测量并记录数据，记录数据包括瞬时质量流量、密度、压降瞬时值、切应力瞬时值，分别由计算软件计算得出塑性黏度、动切力及相应漏斗黏度的瞬时值，得到测量结果。

应用实施例6

装置由恒流泵、质量流量计、混联玻璃管路、四个压力传感器、数据采集器与数据处理系统组成，恒流泵、流量计、测试管组通过管线连接在一起，两对压力传感器分别安装在主管路和其中一个分支管路的管壁上，与三通接头的距离分别等于15cm，以消除端口效应，压力传感器和流量计通过信号线连接到数据采集器与数据处理系统上。

本装置测试方法为：将恒流泵入口管线及出口管线分别放入桩74-1HF井5号循环罐中，连接电源，打开恒流泵，使钻井液开始在装置管路内循环，达到稳定后打开数据采集与处理器及计算机，开始测量并记录数据，记录数据包括瞬时质量流量、密度、压降瞬时值、切应力瞬时值，分别由计算软件计算得出塑性黏度、动切力及相应漏斗黏度的瞬时值，得到测量结果。

表1本发明所测钻井液漏斗黏度的结果

上表所示为本发明在5口井现场应用中所得到的数据，现场应用表明本发明所述装置可以连续在线测量钻井液的漏斗黏度，能够得到稳定的数据，并且在钻井液漏斗黏度发生变化时可以及时体现。

Claims (4)

1.一种三管混联式塑性流体漏斗黏度在线测量装置，包括恒流泵、质量流量计、测试管组、连接管、压力传感器、数据采集器和数据处理系统，其特征在于，恒流泵、质量流量计、与测试管组通过连接管连接在一起，并与钻井液容器构成液体循环流道，四个压力传感器和质量流量计通过信号线连接到数据采集器与具有数据处理系统的计算机上；其中所述测试管组由一根主管路通过一个三通接头与另外两根并联的分支管路相连后，再通过同样的三通接头连接到连接管上，三条管路采用相同的直管，三通接头的内部流道为流线型，且三个接头各断面面积相等；四个压力传感器分成两组分别安装在主管路和其中一个分支管路的管壁上。

2.根据权利要求1所述的三管混联式塑性流体漏斗黏度在线测量装置，其特征在于，所述压力传感器均为柱面膜压力传感器，压力传感器与三通接头的间距不小于15cm，每组压力传感器相距50cm。

3.根据权利要求1或2所述的三管混联式塑性流体漏斗黏度在线测量装置的测量方法，其特征在于，连续循环容器中的钻井液，并实时记录质量流量计测量的流量和密度以及和4个压力传感器记录的的压力；根据流量计测出的流量瞬时值及主管路、分支管路的几何参数计算管路内钻井液的流动速度梯度瞬时值，同时根据主管路及分支管路上两对压力传感器所测定的压力损耗和管路的几何参数计算管内的切应力瞬时值，根据两个速度梯度和相应的切应力值，由宾汉模式下钻井液流变方程计算钻井液塑性黏度、动切力的瞬时值；测量漏斗中盛满待测液体时的液面高度，和当待测液体流出后的最低液面高度，根据瞬时流量与液面高度的关系得到当液面高度下降单位长度时流出液体所需的时间，将液面每下降单位高度所流出流体的流出时间逐次累加即可得到当液面自最高下降至最低后，流出总体积待测液体所需的时间，即为待测液体的漏斗黏度。

4.根据权利要求3所述的三管混联式塑性流体漏斗黏度在线测量方法，其特征在于，将液面每下降单位高度设定为0.2mm。