CN110573854B - 使用十字弹簧枢轴的凝胶剪切强度测量 - Google Patents

使用十字弹簧枢轴的凝胶剪切强度测量 Download PDF

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Abstract

提供了一种流变仪设备以及使用方法。在一个实施方案中，所述流变仪包括：套筒，所述套筒具有内部空间；圆柱形浮子，所述圆柱形浮子设置在所述套筒的所述内部空间内并且联接到浮子轴的第一端；十字弹簧枢轴，所述十字弹簧枢轴联接到所述浮子轴的第二端；臂，所述臂联接到所述圆柱形浮子并且从所述圆柱形浮子径向突出；以及线性致动器，所述线性致动器联接到所述臂。在一些实施方案中，所述流变仪设备可促成更准确的凝胶剪切强度测量值和/或可与现有流变仪测量值相关联。

Description

使用十字弹簧枢轴的凝胶剪切强度测量
背景技术
本公开整体涉及流体的流变学测量，并且更具体地，涉及用于测量在钻井液中使用的凝胶化流体的凝胶剪切强度的设备和方法以及在地下地层中的使用的其他处理液。
诸如油和气体等烃类通常从可以位于陆上或海上的地下地层获得。涉及将烃类从地下地层移除的地下操作和过程的发展往往很复杂。通常，可通过向已知或怀疑包含有价值的烃类的地下地层钻孔来形成井筒。通常使用复合钻井泥浆执行这些钻井操作，所述钻井泥浆可被凝胶化以产生独特的流变学特征曲线。此外，许多压裂方法和其他井筒处理操作使用大量凝胶化流体和交联流体在井筒内执行特定任务。
因此，结合这些操作来确定在各种温度、压力、大气环境等的条件下凝胶化流体的凝胶剪切强度以评估流体在将要采用流体的期望工作环境中的性能往往很有用。待测液体和/或藉以执行测试的环境可能对测试设备有腐蚀性或至少有害或有毒。例如，可能期望确定在模拟流体将会经受的实际钻孔条件的条件下凝胶化流体的凝胶剪切强度。在深井筒操作中遭遇超过400℉(204.4℃)的温度以及超过10,000psi(磅每平方英寸)(68,947.57kPa(千帕))的压力并不少见。因此，为了正确地评估可用于深钻井操作的钻井液，期望获得在这些恶劣条件下进行的粘度测量。事实上，期望在更极端的条件下，例如在超过700℉(371.1℃)的温度以及超过20,000psi(137,895.15kPa)的压力下，进行这些测试。另外，通常期望在存在腐蚀性物质(例如，硫化氢)以及在钻井操作中经常遭遇的粒子的情况下执行这些测试。
用于测量流体的凝胶剪切强度的设备包括常规流变仪。这些常规流变仪通常包括用于浸入待测流体中的悬挂在同心管状套筒内的圆柱形浮子。这些装置还包括：用于以已知速度旋转套筒的某些装置，以及用于测量施加受控速度时悬挂的浮子的角偏转的某些装置。在这种速率受控模式中，在不同角速度(或剪切速率)下浮子上的剪切应力可用于确定流体的流变特征。另选地，在套管初始启动时施加在浮子上的峰值剪切应力可用于指示流体处于预定静态下的凝胶剪切强度。浮子和套筒通常悬挂在静止框架上，所述浮子由常规滚珠轴承或滚子轴承悬挂。这些轴承的条件和润滑性对于常规流变仪的正常运行很重要。本领域技术人员应当理解，可能需要悬挂和轴承系统的润滑性和条件来保证施加到浮子的角运动或扭矩的精确测量。这些轴承有许多缺点，特别是当用于远程的腐蚀性或有害环境中时。常规的滚珠轴承或滚子轴承随时间推移倾向于变得有凹痕或有粘性，从而导致粘度测量不准确，并且最终导致器械故障。这些问题在用于在远程的腐蚀性或有害环境中进行准确和精确的凝胶剪切强度测量的流变仪中加速或加重。
附图说明
为了更完整地理解本公开以及其特征和优点，现在结合附图参考以下描述，在附图中：
图1为示出了根据本公开的某些实施方案的关于音圈致动器的扭矩校准的数据的曲线图；
图2为示出了根据本公开的某些实施方案的关于十字弹簧刚度校准的数据的曲线图；
图3为示出了根据本公开的某些实施方案的关于浮子的角偏转的数据的曲线图；
图4为示出了根据本公开的某些实施方案的十字弹簧枢轴流变仪浮子组件的立体图；
图5为示出了根据本公开的某些实施方案的十字弹簧枢轴的示意图；
图6为示出了根据本公开的某些实施方案的十字弹簧枢轴流变仪的部分示意图；以及
图7为示出了用于本公开的某些实施方案的某些控制方面的框图。
具体实施方式
本文详细描述了本公开的说明性实施方案。为了清楚起见，本说明书并未描述实际具体实施的所有特征。当然，应当理解，在任何这种实际实施方案的开发中，必须做出大量特定于具体实施的决策来实现开发人员的特定目标，诸如符合系统相关约束和业务相关约束，所述目标根据具体实施而变化。此外，应当理解，这种开发工作可能复杂且耗时，但是仍将是受益于本公开的本领域一般技术人员的例行任务。此外，以下实例决不应被理解为限制或限定本公开的范围。
本公开整体涉及流体的流变学测量，并且更具体地，涉及用于测量凝胶化流体(诸如，钻井泥浆)的凝胶剪切强度的设备和方法。在本公开中，术语钻井泥浆和钻井液可互换地使用并且具有相同的含义。如本文所使用的，术语“凝胶化流体”意指在静态或动态条件下形成键合网络(即，凝胶微观结构)的流体。凝胶化流体的强度与对应的凝胶微结构部分地相关，所述凝胶微结构尤其与胶凝剂(例如，多糖分子之间的氢键合)之间的分子间力相关。然而，分子间力可相对较弱(例如，与离子键和共价键相比)。当将能量输入到凝胶(例如，通过流动或混合凝胶)中时，这些相对较弱的键可能会断开，并且随着能量输入的减弱或停止，这些相对较弱的键可能会随时间恢复。因而，单一凝胶化流体可能会基于凝胶化流体的过程(例如，剪切过程)具有不同的强度。通常，流体由于以下描述而视为凝胶化流体：展现出触变性流体的特性的流体；在特定剪切速率下的应力反应为时变的流体；当剪切启动时展现应力并且应力为时变的流体；当剪切启动并且以特定剪切速率继续时在所述剪切速率下测量的应力随时间减小的流体；当剪切力停止时在固定时间内返回较高应力状态的流体；或展现这些特性中的多于一者的流体。
在一些实施方案中，凝胶化流体可包含能够形成交联网络的组分。能够形成交联网络的合适组分可包括但不限于：聚合物(交联或非交联)、表面活性剂(交联或非交联)、surfiner(交联或非交联)、螯合剂、加重剂、胶粒、液晶等，或其任何组合。另外，能够形成交联网络的合适组分可包括但不限于：能够通过氢键合、偶极-偶极相互作用、伦敦(London)色散力、π-π键合、磁吸引、电子吸引等或其任何组合相互作用的分子和粒子。
凝胶化流体的合适组分的非限制性实例可包括：沉淀重晶石、重晶石、亚微米重晶石、赤铁矿、钛铁矿、四氧化锰、方铅矿、碳酸钙、地层插条、粘土颗粒、糖、多糖、生物聚合物、衍生物多糖和含有一个或多个单糖单元(半乳糖、甘露糖、葡萄糖苷、葡萄糖、木糖、阿拉伯糖、果糖、葡萄糖醛酸、或硫酸吡喃糖酯)的生物聚合物、合成聚合物、有机羧化聚合物、交联剂等，或其任何组合。合适多糖的实例包括但不限于：瓜尔胶(例如，羟乙基瓜尔胶、羟丙基瓜尔胶、羧甲基瓜尔胶、羧甲基羟乙基瓜尔胶和羧甲基羟丙基瓜尔胶(“CMHPG”))、纤维素衍生物(例如，羟乙基纤维素，羧乙基纤维素，羧甲基纤维素，和羧甲基羟乙基纤维素)、黄原胶、硬葡聚糖、琥珀酰聚糖、diutan等，或其任何组合。
合适的合成聚合物包括但不限于：2,2'-偶氮双(2,4-二甲基戊腈)、2,2'-偶氮双(2,4-二甲基-4-甲氧基戊腈)、丙烯酰胺乙基三甲基氯化铵、丙烯酰胺、丙烯酰胺基-和甲基丙烯酰胺基-烷基三烷基铵盐的聚合物和共聚物、丙烯酰胺甲基丙烷磺酸，丙烯酰胺丙基三甲基氯化铵、丙烯酸、二甲基氨基乙基甲基丙烯酰胺、甲基丙烯酸二甲基氨基乙、二甲基氨基丙基甲基丙烯酰胺、二甲基氨基丙基甲基丙烯酰胺、二甲基二烯丙基氯化铵、丙烯酸二甲基乙酯、富马酰胺、甲基丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺丙基三甲基氯化铵、甲基丙烯酰胺丙基二甲基正十二烷基氯化铵、甲基丙烯酰胺丙基二甲基正辛基氯化铵、甲基丙烯酰胺丙基三甲基氯化铵、甲基丙烯酰基烷基三烷基铵盐、甲基丙烯酰基乙基三甲基氯化铵、甲基丙烯酰胺基丙基二甲基乙基氯化铵、N-(3-磺丙基)-N-甲基丙烯酰氨基-N、N-二甲基铵甜菜碱、N,N-二甲基丙烯酰胺，N-甲基丙烯酰胺，壬基苯氧基聚(乙烯氧基)乙基甲基丙烯酸酯、部分水解聚丙烯酰胺、聚2-氨基-2-甲基丙磺酸，聚乙烯醇、2-丙烯酰氨基-2-甲基丙磺酸钠，季铵化二甲氨基乙基丙烯酸酯，季铵化二甲氨基乙基甲基丙烯酸酯，以及其衍生物和组合。在一些实施方案中，凝胶化流体的组分可包含丙烯酰胺/2-(甲基丙烯酰氧基)乙基三甲基铵甲基硫酸盐共聚物。在某些实施方案中，凝胶化流体的组分可包含衍生纤维素，其包含用烯丙基或乙烯基单体接枝的纤维素。另外，包含一个或多个官能团(例如，羟基、顺式羟基、羧酸、羧酸衍生物、硫酸盐、磺酸盐、磷酸盐、膦酸盐、氨基、或酰胺基团)的聚合物和共聚物可用作凝胶化流体的组分。
作为凝胶化流体的组分的合适交联剂可包含：硼酸盐离子、金属离子或能够交联至少两个胶凝剂分子的类似组分。作为凝胶化流体组分的合适交联剂的实例包括但不限于：硼酸盐离子、镁离子、锆Ⅳ离子、钛Ⅳ离子、铝离子、锑离子、铬离子、铁离子、铜离子、镁离子和锌离子。可通过提供能够产生这些离子中的一者或多者的化合物来提供这些离子。这种化合物的实例包括但不限于：氯化铁、硼酸、四硼酸二钠四水合物、二硼酸钠、五硼酸盐、钠盐、硬硼钙石、氧化镁、乳酸锆、三乙醇胺锆、乳酸锆三乙醇胺、碳酸锆、乙酰丙酮锆、苹果酸锆、柠檬酸锆、乳酸二异丙胺锆、锆乙醇酸盐、三乙醇胺乙醇酸盐、乳酸锆乙醇酸盐、乳酸钛、苹果酸钛、柠檬酸钛、乳酸钛铵、三乙醇胺钛和乙酰丙酮钛、乳酸铝、柠檬酸铝、锑化合物、铬化合物、铁化合物、铜化合物、锌化合物，以及其组合。在本公开的某些实施方案中，交联剂可经配制以保持非活性，直到其被流体的特定条件(例如，pH、温度等)和/或与一些其他物质的相互作用等“激活”为止。在一些实施方案中，交联剂的激活可通过用涂层(交联剂可缓慢地扩散穿过的多孔涂层，或在井下降解的可降解涂层)包封来延迟，所述涂层延迟交联剂的释放直到期望的时间或位置为止。特定交联剂的选择将受到本领域技术人员将认识到的若干考虑因素的支配，所述考虑因素包括但不限于以下各者：所包括的胶凝剂的类型、胶凝剂的分子质量、正在操作的地下地层的条件、安全处理要求、处理液的pH、温度和/或针对交联剂交联胶凝剂分子的期望延迟。
用于结合本公开使用的合适流体为或包含凝胶化流体，所述凝胶化流体包含但不限于：处理液、钻井液、钻探液、绝缘液、堵漏液、增产液、防砂液、完井液、酸化液、阻垢液、阻水液、粘土稳定液、压裂液、压裂充填液、砾石充填液、井筒强化液、下垂控制液、煤浆、胶体液、颗粒悬浮液、食品液(例如，芥末和番茄酱)、个人护理液(例如，乳液、发胶、牙膏)、油墨、水泥、粘合剂、油漆、废物流(例如，尾矿悬浮液)等，或其任何混合。
凝胶剪切强度可尤其影响流动开始时凝胶化流体对其所含介质(例如，管路、管道、井筒、容器等)施加的压力增加的量值。例如，在井筒中，经常会执行一些操作以便于将井筒压力保持在泥浆比重窗口(即，地下地层的孔隙压力与破裂压力之间的范围)内。当不平衡压力超过破裂压力时，可能会诱发破裂并且出现井漏。因此，当与井筒中的凝胶化流体相关联地执行设备操纵时，凝胶剪切强度可为需要考虑的因素。
流变仪设备可用于确定凝胶化流体的凝胶剪切强度。流变仪设备通常包括可操作地连接到被构造成旋转浮子组件的马达的浮子组件。通常，浮子组件包括用于浸入待测流体中的悬挂在同心管状套筒内的圆柱形浮子。常规流变仪中设置的浮子通常使用常规滚珠轴承或滚子轴承支撑和旋转。当与凝胶化流体和具有精细粒子物质的流体(诸如，钻井液)结合使用时，轴承有时可变得堵塞或有磨损，并且因此可变得不可操作。
相比之下，本公开的流变仪设备通常在浮子组件中包括十字弹簧枢轴。十字弹簧枢轴不需要使用常规滚珠轴承或滚子轴承。因此，十字弹簧枢轴降低或消除了粒子、凝胶化流体或其他材料可能在组件中变得堵塞并且磨损枢轴的可能。因此，本公开的设备和方法特别地非常适合用于在钻井点或井筒内可能遭遇的极端和恶劣环境。
本公开的浮子组件包括悬挂在浮子轴一端的浮子。浮子轴的另一端附接到十字弹簧枢轴。可能适合用于一些实施方案的一个十字弹簧枢轴的商业实例可购自纽约法兰克福的C-Flex Bearing有限公司。十字弹簧枢轴包括固定部分和可动部分。支脚锚定固定部分，同时浮子轴附连到可动部分。可动部分被构造使得其随浮子的运动而旋转。臂可附接到可动部分，从而从十字弹簧枢轴上的点径向突出。如下文中将详细讨论的，臂可用于测量浮子的偏转。
十字弹簧枢轴通常使用两个弯曲带来构造。弯曲带通常各自包括金属平片，所述金属平片能够足够弯曲以产生浮子的角偏转。弯曲带可由具有必要柔韧性、弹性和耐用性的任何合适材料(例如，弹簧钢、不锈钢、铍铜合金等)构造。弯曲带可为任何合适的形状，包括但不限于大致矩形或细长形。弯曲带可被设计使得一个弯曲带可穿过另一弯曲带中的孔。因此，第一弯曲带中可具有孔。孔可包含适合用于允许第二弯曲带通过其的任何构型。因此，孔可为具有允许第二弯曲带插入的足够大小和可产生针对浮子组件的期望旋转轴线或旋转中心的取向的圆形、矩形、椭圆形或任何其他对称或非对称的形状(如下参考图1所讨论的)。两个弯曲带可包含相同的材料或不同的材料，并且其中的带和/或孔可具有相同的形状或不同的形状。弯曲带可被构造使得第一弯曲带和第二弯曲带相对于彼此以约90°角取向。另选地，弯曲带可被构造使得第一弯曲带和第二弯曲带相对于彼此以任何合适角度取向，以允许浮子组件绕着期望的旋转轴线或旋转中心正确地旋转。弯曲带可被构造使得第一弯曲带和第二弯曲带以在约45°至约90°范围内的角取向。弯曲带还包括弯曲带末端附近的一个或多个突部，以促进带到浮子组件的安装。突部可由弯曲带整体形成并且可由相同的材料制成。另选地，突部可单独形成并且附接到弯曲带，并且可由与弯曲带相同的材料或不同的材料制成。不同于弯曲带的其余部分，突部可被变形以进一步促进带的安装。突部可附接到浮子组件的固定部分以及可动部分。突部可使用任何合适的方法附接，所述方法包括但不限于螺钉、粘合剂、焊接、锡焊等。
这样构造的十字弹簧枢轴允许可动部分相对于固定部分围绕旋转轴线或旋转中心的弯曲。十字弹簧枢轴还可被设计使得围绕旋转轴线或旋转中心的最大旋转度为不引起弯曲带的永久屈服或校准偏移的偏转度。例如，当旋转角被限制为小于约两度(2°)时，弯曲带的交叉不会从旋转中心明显偏移，并且弹簧可用于精确的力或扭矩测量装置中。另选地，旋转角可被限制为小于约三度(3°)或小于约(1°)。
如上所讨论的，本公开的流变仪包括浮子组件。浮子组件包含悬挂在套筒的内部空间中的浮子。套筒可具有构造为完全包围浮子的大小和形状，所述套筒可保护浮子在用来执行测量时不与其他物体接触，并且套筒可由任何合适材料形成，所述材料包括但不限于不锈钢、哈氏合金或其他高性能合金。主轴和主轴轴承可联接到套筒，并且轴可被旋转以转动套筒同时允许浮子在套筒内保持悬挂。主轴和主轴轴承可由任何合适材料形成，所述材料包括但不限于不锈钢、哈氏合金或其他高性能合金。马达(例如，旋转马达)可用于转动套筒，并且框架可联接到主轴或马达以将套筒支撑在包围浮子的位置中。如上所讨论的，臂可附接到十字弹簧枢轴的可动部分，从而从十字弹簧枢轴上的点径向突出。一个或多个支架可支撑十字弹簧枢轴的固定部分。一个或多个支架可联接到组件中的另一结构。例如，在一些实施方案中，一个或多个支架可联接到可安装在框架顶部的结构，诸如线性致动器。如本领域普通技术人员将会理解，线性致动器不需要安装或定位在框架顶部，并且可定位或安装在组件的其他地方。在线性致动器没有定位在框架上方的实施方案中，一个或多个支架可联接到框架的垂直部分。线性致动器联接到臂，并且可为适合向臂施加线性力的任何致动器，从而将旋转扭矩传递到浮子，所述线性致动器包括但不限于音圈致动器。线性致动器可用于通过臂向浮子施加预定的负载受控或变形受控负载。流变仪设备还可包括能够测量臂的角偏转的数字编码器。如得益于本公开的本领域普通技术人员将会理解，数字编码器可为线性致动器的部件或可为设备的独立部分，并且可使用任何已知数字编码器设备。
如上所述，在一些实施方案中，线性致动器可为音圈致动器。当使用音圈致动器时，在任何给定的电压或电流下由音圈致动器施加的扭矩可使用通常已知的净重校准技术计算。对于其他线性致动器，包括气动致动器和马达驱动致动器，本领域普通技术人员会知道如何计算由致动器施加的扭矩。现在参考图1，示出了示例扭矩校准曲线图，在所述扭矩校准图中使用净重校准技术针对音圈致动器计算扭矩。曲线图提供了音圈致动器电压对比施加的扭矩的图以及音圈致动器对比施加的扭矩的图。如受益于本公开的本领域普通技术人员将会理解，任何给定扭矩校准曲线图可仅适合于特定流变仪设备构型。总体设计和个别设备部件的改变可致使生成用于准确结果的新扭矩校准曲线图成为必要。
本公开的设备和方法通常适合于流体的凝胶剪切强度的测量。可将本公开的流变仪组件放入一定量的给定流体中来进行凝胶剪切强度测量。流体的量可足以浸没并且完全覆盖流变仪组件的浮子。随后，马达可旋转套筒以剪切流体达预定时间量。马达可以任何速率旋转套筒并且达足以摇动并且搅拌流体的任何时间。受益于本公开的本领域普通技术人员将会理解，用于凝胶剪切强度测量的特定规程可以600rpm(转每分)剪切流体达10分钟的时段，虽然也可使用其他速率和时间段。例如，旋转马达可以约1x 10-17rpm至约3000rpm的范围旋转套筒达1秒、10分钟、30分钟、60分钟或120分钟的时段。在剪切流体后，可允许流体静置达预定的弛豫时间段期间。弛豫时间允许流体的凝胶结构(如果有的话)形成。受益于本公开的本领域普通技术人员将会理解，用于凝胶剪切强度测量的特定规程可使用持续10秒、10分钟和/或30分钟的弛豫时间段。在每个弛豫时间段结束时，音圈致动器在流变仪设备的臂上施加线性力。线性力可导致十字弹簧枢轴的可动部分旋转，从而在浮子上施加旋转力。
随着音圈致动器向浮子施加旋转力，流体的凝胶结构可能会抑制浮子的旋转运动。给定流体的凝胶剪切强度可通过发现凝胶断裂点来测量。凝胶断裂点可定义为浮子的旋转运动出现显著增强的扭矩。这可通过施加稳定增大的量的扭矩并且测量浮子的角偏转来确定。为发现凝胶断裂点，可例如使用数字编码器来测量臂的角偏转。此角偏转值可针对时间绘制以确定在何时达到凝胶断裂点。在一些实施方案中，计算机或其他数据处理器可随后计算在所述特定时间施加到浮子的扭矩的量。此计算如何执行的更具体描述在下文中。
可使用许多不同类型的流变仪来确定关于流体的流变特性的多种数据测量值，包括凝胶剪切强度测量值。这些流变仪包括但不限于FannTM35和RheoVADRTM流变仪。因此，在本公开的许多应用中，可能需要使用这些已知装置的标准规程获取的值与使用本公开的设备和方法获取的值之间的关联。因此，将由音圈致动器施加到本公开的浮子的扭矩关联到由FannTM35流变仪或其他已知装置施加以产生类似凝胶剪切强度测量值的扭矩可为有用的。根据方程(1)，由音圈致动器施加的扭矩(“Tvc”)在弯曲十字弹簧所需的扭矩(“Tcs”)与施加在浮子上以使凝胶变形所需的扭矩(“Tgel”)之间共享：
Tvc＝Tcs+Tgel (1)
如受益于本公开的本领域普通技术人员将会理解，Tgel可用于计算凝胶剪切强度。
根据方程(2)，十字弹簧可遵循线性弹簧相关：
Tcs＝Kcs×θ (2)
其中Kcs(达因*厘米/度)为十字弹簧的刚度，并且θ(度)为如由数字编码器测量的角偏转。十字弹簧的刚度可使用通常已知的净重校准技术计算。现在参考图3，示出了示例十字弹簧刚度校准曲线图。曲线图提供了扭矩对比角偏转度的图。如得益于本公开的本领域普通技术人员将会理解，新的十字弹簧扭矩校准曲线图可针对任何不同的十字弹簧构型生成。同样地，由于十字弹簧枢轴的强度和柔韧性可能会因为重复使用而变化，可在使用流变仪设备特定次数后生成新的十字弹簧刚度校准图。刚度Kcs可通过测量线性图的斜率来计算。在任何给定时间步骤施加到凝胶的扭矩的量通常可使用方程(3)来计算：
Figure GDA0002254909510000111
其中i指示时间步骤，
Figure GDA0002254909510000112
为在前一时间步骤施加的扭矩，并且ΔTgel为在当前时间步骤施加的扭矩。
为了将由音圈致动器施加的扭矩与由FannTM35流变仪施加的扭矩正确地相关联，施加的附加扭矩的值应与针对FannTM35流变仪的扭矩的值匹配。通过使用传统FannTM35流变仪，施加的附加扭矩可使用方程(4)来计算：
Figure GDA0002254909510000113
其中KF35为FannTM35弹簧常数并且
Figure GDA0002254909510000116
为角速度(度/秒)。假设初始扭矩值为0(即，
Figure GDA0002254909510000114
)，将在任何给定时间由音圈致动器施加的扭矩可使用方程(5)来计算：
Figure GDA0002254909510000115
在一些实施方案中，计算机软件系统可使用此方程来计算实时所需的扭矩，所述方程是时间和由数字编码器监视的角偏转的函数。
如上所讨论的，由音圈致动器施加的总扭矩(Tvc)在弯曲十字弹簧所需的扭矩(Tcs)与施加在浮子上以使凝胶变形并屈服的扭矩(Tgel)之间拆分。现在参考图2，提供示出具有以及不具有凝胶化效应的偏转特征曲线的曲线图。执行两次单独的凝胶剪切强度运行以生成此曲线图。在具有凝胶化流体(诸如，钻井液)的情况下使用本公开的流变仪设备执行第一运行。在不具有流体的情况下使用本公开的流变仪设备执行第二运行。必须使用与第一图相同的扭矩率方程生成第二图。两个图都将浮子的角偏转描述为时间的函数。实验性观测示出了凝胶断裂点可通过使用拟合第一线的第一图的最初5％的数据以及拟合第二线的第一图的最后5％的数据来确定。凝胶断裂点出现在第一线和第二线的交叉处。具有凝胶效应的角偏转(θgel)和不具有凝胶效应的角偏转(θcs)可使用如图3所示的生成曲线图来读取。
角偏转值可与十字弹簧刚度校准曲线图(诸如如图3中描述)一起使用以确定对于两次运行在凝胶断裂点的时间施加到十字弹簧的扭矩。对于第二运行，没有凝胶效应，因此对于这次特定的运行Tgel＝0，并且我们能直接读取针对Tvc的值。因为第一运行和第二运行使用相同的扭矩率方程，由音圈致动器针对第一运行和第二运行供应的总电压在从电压斜升开始的给定消逝时间内相同。对于第一运行，角偏转值θgel所需的扭矩等于Tcs。现在可能通过从Tvc减去Tcs计算Tgel。凝胶剪切强度可随后使用方程(6)获得：
Figure GDA0002254909510000121
其中τgel为凝胶剪切强度，Abob为浮子的面积，rbob为浮子的半径，并且
Figure GDA0002254909510000122
表1提供了对比使用本公开的设备和方法获得的凝胶剪切强度的结果与使用常规FannTM35流变仪获得的凝胶剪切强度的结果的样本测试数据的概述。
表1.测试结果概述
Figure GDA0002254909510000123
Figure GDA0002254909510000131
在井筒钻井操作期间提供钻井液的实时测量值可为有利的。钻井操作可使用诸如钻井泥浆的流体来实施。钻井泥浆的主要作用之一在于将由钻头产生的钻屑从井底通过井筒的环形间隙运送到地面。钻井泥浆可通过使用一个或多个钻井液泵的系统移动。每次将钻杆添加到钻柱，流体泵停止并且泥浆的循环也停止。当泥浆为静置的，存在于环形间隙中的钻屑具有落到井底的趋势。为了防止此类不便，使用相对粘性的钻井液以使流体静止时保持钻屑悬浮。然而，来自泵送装置中泥浆的粘度不能太大，以便在井中有效地循环泥浆。此外，必须在泵启动和停止的整个过程中保持粘度并且在流体流向地表时保持向流体施加剪切。因此，监视凝胶流体的剪切强度来知道其是否能够正确满足这些需求往往很有利。
图4为根据本公开的实施方案的十字弹簧枢轴流变仪浮子组件100的立体图。组件100包括悬挂在浮子轴102的一端的浮子101。浮子轴102的另一端附接到十字弹簧枢轴103。十字弹簧枢轴103包括固定部分104和可动部分105。支架(未示出)锚固固定部分104，同时浮子轴102附连到随浮子101的运动旋转的可动部分105。臂106附接到可动部分105，从而从十字弹簧枢轴103上的点径向突出。
参考图5，示出了用于形成十字弹簧枢轴内部件200的弯曲带的示例构型。第一弯曲带201为大致矩形带，其中具有大致椭圆形构型的对称定位孔202。孔202具有足够的大小以允许弯曲带203插入并且其取向可产生期望的旋转中心的轴线204。弯曲带201与弯曲带203示出为弯曲带201和弯曲带203相对于彼此以90°的角取向。弯曲带201、203在末端附近包括突部205，所述突部205可变形以促进带到浮子组件的固定部分104以及可动部分105的安装(图1中所示)。本文所示的十字弹簧枢轴允许可动部分相对于固定部分围绕旋转轴线或旋转中心208的弯曲。
图6示出了本公开的说明性流变仪组件300的部分示意图。流变仪组件300包括悬挂在套筒302的内部空间中的浮子301。主轴303和主轴轴承304示为用于转动套筒302，同时允许浮子301保持悬挂在套筒302内。马达(未示出)可用于转动套筒302。框架305支撑套筒组件。如上所讨论的，臂306附接到十字弹簧枢轴308的可动部分307，从而从十字弹簧枢轴308上的点径向突出。十字弹簧枢轴308的固定部分309由一个或多个支架310支撑。一个或多个支架310联接到安装在框架305顶部的线性致动器311。线性致动器311联接到臂306。如图所示，线性致动器311可用于通过臂306向浮子301施加预定的负载受控或变形受控负载。流变仪组件300还可包括能够测量臂306的角偏转的数字编码器312。
在某些实施方案中，控制系统可用于收集、处理并且展示关于井场处活动的数据(通过井场处的传感器自动地或手动地输入系统)，使用此数据执行计算，如上所述，和/或执行指令以在井场处执行各种功能。控制系统可以包括信息处理系统，诸如可编程逻辑控制器或PLC、适当编程的计算机等。控制系统可使用任何合适的处理应用软件包来处理数据。在一个实施方案中，软件产生可以在各种视觉显示呈现(诸如，显示器)中呈现给操作人员的数据。在某些示例系统中，可使用显示器向操作员显示参数的测量值组、参数的期望值组或两者。例如，参数的测量值组可使用显示器与参数的期望值组并置，从而允许用户手动地识别、表征或定位井下状况。这些组可以图形格式(例如，图表)或以文本格式(例如，值表格)呈现给用户。在另一示例系统中，当中央监视系统检测到井下状况时，显示器可向操作员显示警告或其他信息。用于本公开的方法和系统的合适控制系统和接口可包括由Halliburton Energy有限公司提供的BARALOGIXTM。可以使用任何合适的控制系统或接口来保持本公开的原理。
在某些实施方案中，控制系统可通信地联接到外部通信接口。外部通信接口可允许来自控制系统(即，来自井场以外的位置)的数据由任何远程信息处理系统远程地访问，所述远程信息处理系统通过例如卫星、调制解调器或无线连接联接到外部通信接口。在一个实施方案中，外部通信装置可包括路由器。
现在参考图7，示出说明可用于本公开的设备和方法的特定控制方面的框图。在一些实施方案中，本公开的设备和方法可由处理器500控制。处理器500可为数据处理器，诸如计算机处理器或微处理器。音圈致动器501可通信地联接到处理器500。处理器500可被配置以向音圈致动器501发送信息并且从音圈致动器501接收信息。此信息包括但不限于命令信号、电压测量值以及电流测量值。数字编码器502可通信地联接到处理器500。处理器500可从数字编码器502接收等同于浮子的角偏转的位置信息和数据(未示出)。处理器500可用于操作计算机软件和算法以计算以下进一步详细讨论的方程。处理器500可通信地联接到的用户接口503，以用于从处理器500读取数据并且向处理器500写入数据。用户接口503可物理地联接到本公开的流变仪，诸如在小键盘和小本地显示器的情况下，或用户接口503可为远程计算机系统或接口。
本公开的实施方案为一种流变仪设备，其包括：套筒，所述套筒具有内部空间；圆柱形浮子，所述圆柱形浮子设置在所述套筒的所述内部空间内并且联接到浮子轴的第一端；十字弹簧枢轴，所述十字弹簧枢轴联接到所述浮子轴的第二端；臂，所述臂联接到所述圆柱形浮子并且从所述圆柱形浮子径向突出；以及线性致动器，所述线性致动器联接到所述臂。
在上一段落中描述的一个或多个实施方案中，所述十字弹簧枢轴还包括固定部分和可动部分。在上述一个或多个实施方案中，所述线性致动器为音圈致动器。在上述一个或多个实施方案中，所述音圈致动器还包括用于测量所述臂的角偏转的数字编码器。在上述一个或多个实施方案中，所述流变仪设备还包括通信地联接到所述线性致动器的处理器。在上述一个或多个实施方案中，所述十字弹簧枢轴限定被配置为旋转至少2°而没有偏移的旋转中心。
本公开的另一实施方案为一种方法，其包括：将包括套筒和浮子的流变仪设备的一部分放入流体中，其中所述浮子由十字弹簧枢轴支撑；通过旋转所述套筒达第一时间段来剪切所述流体；在剪切所述流体的步骤后允许所述流体静置达第二时间段；使用线性致动器向所述浮子施加扭矩以径向偏转所述浮子；测量所述浮子在所述流体中的角偏转值；以及使用所述角偏转值来确定所述流体的凝胶剪切强度。
在上一段落中描述的一个或多个实施方案中，使用线性致动器向所述浮子施加扭矩的步骤还包括使用音圈致动器施加所述扭矩。在上述一个或多个实施方案中，所述方法还包括通过绘制电压和电流中的至少一者对比如通过净重校准决定的扭矩来校准音圈致动器。在上述一个或多个实施方案中，向所述浮子施加扭矩的所述步骤还包括计算所述扭矩，所述扭矩为十字弹簧刚度常数、传统弹簧常数、浮子的角偏转以及时间的函数。在上述一个或多个实施方案中，使用所述角偏转值以确定所述凝胶剪切强度的所述步骤还包括绘制在不同时间点所述浮子的多个角偏转值对比时间以形成剪切扭矩图；使用所述剪切扭矩图来确定所述凝胶断裂点；以及使用所述凝胶断裂点来计算所述凝胶剪切强度。在上述一个或多个实施方案中，所述方法还包括通过绘制施加的扭矩对比测量的角偏转以确定所述十字弹簧刚度来校准所述十字弹簧枢轴。在上述一个或多个实施方案中，通过旋转套筒来剪切所述流体包括以600rpm旋转所述套筒。在上述一个或多个实施方案中，径向偏转所述浮子还包括旋转所述浮子2°或更少。在上述一个或多个实施方案中，测量所述浮子的角偏转值还包括用数字编码器测量所述角偏转。在上述一个或多个实施方案中，所述第二时间段从由以下组成的组中选取：10秒、10分钟、30分钟，及其任何组合。在上述一个或多个实施方案中，所述扭矩由施加到所述十字弹簧枢轴的第一扭矩量和施加到所述流体的第二扭矩量共享。在上述一个或多个实施方案中，所述流体为井筒钻井液。
本公开的另一实施方案为一种方法，其包括：将流体的凝胶剪切强度测量值关联到对应于使用FannTM35流变仪将观察到的所述流体的凝胶剪切强度的数据点，其中所述凝胶剪切强度的测量值是通过以下步骤测量的：将包括套筒和浮子的流变仪设备的一部分放入流体中，其中所述浮子由十字弹簧枢轴支撑；通过旋转所述套筒达第一时间段来剪切所述流体；在剪切所述流体的所述步骤后允许所述流体静置达第二时间段；使用线性致动器向所述浮子施加扭矩以径向偏转所述浮子；测量所述浮子的角偏转值；以及使用所述角偏转值来确定所述流体的所述凝胶剪切强度。
在上一段落中描述的一个或多个实施方案中，所述线性致动器还包括音圈致动器，并且将所述流体的所述凝胶剪切强度测量值关联到所述数据点还包括：使用方程(5)计算所述扭矩，其中Tvc为所述扭矩，Kcs为十字弹簧刚度常数，θ为所述浮子的角偏转测量值，KF35为FannTM35弹簧常数，
Figure GDA0002254909510000171
为FannTM35装置的角速度，并且t为时间；使用十字弹簧校准曲线图和所述浮子的所述角偏转测量值来确定所述扭矩的施加到所述十字弹簧枢轴的第一部分(Tvc))；使用方程(1)计算施加到所述凝胶的所述扭矩的第二部分(Tgel)；使用方程(6)计算所述凝胶剪切强度，其中τgel为所述凝胶剪切强度、Abob为所述浮子的面积，rbob为所述浮子的半径，并且
Figure GDA0002254909510000172
因此，本公开非常适合达到所提到的目的和优势以及本文固有的那些目的和优势。上文公开的特定实施方案仅是说明性的，因为本公开可按照受益于本文教义的本领域技术人员显而易见的不同但等效的方式来修改和实践。此外，除非以下权利要求中有所描述，否则并不意图对本文示出的构造或设计的细节进行限制。因此，很明显，上文公开的特定说明性实施方案可加以改变或修改，并且所有这些变化都视为在本公开的范围和精神内。另外，除非专利权人另外明确并清楚地定义，否则权利要求中的术语具有其平常、普通的意义。

Claims (18)

1.一种流变仪设备，其包括：
套筒，所述套筒具有内部空间；
圆柱形浮子，所述圆柱形浮子设置在所述套筒的所述内部空间内并且联接到浮子轴的第一端；
十字弹簧枢轴，所述十字弹簧枢轴联接到所述浮子轴的第二端；
臂，所述臂联接到所述圆柱形浮子并且从所述圆柱形浮子径向突出；以及
线性致动器，所述线性致动器联接到所述臂，
其中，所述十字弹簧枢轴限定被配置为旋转至少2°而没有偏移的旋转中心。
2.如权利要求1所述的流变仪设备，其中所述十字弹簧枢轴还包括固定部分和可动部分。
3.如权利要求1所述的流变仪设备，其中所述线性致动器为音圈致动器。
4.如权利要求3所述的流变仪设备，其中所述音圈致动器还包括用于测量所述臂的角偏转的数字编码器。
5.如权利要求1所述的流变仪设备，其还包括处理器，所述处理器通信地联接到所述线性致动器。
6.一种用于测量流体的凝胶剪切强度的方法，其包括：
将包括套筒和浮子的流变仪设备的一部分放入流体中，其中所述浮子由十字弹簧枢轴支撑；
通过旋转所述套筒达第一时间段来剪切所述流体；
在剪切所述流体的所述步骤后允许所述流体静置达第二时间段；
使用线性致动器向所述浮子施加扭矩以径向偏转所述浮子；
测量所述浮子在所述流体中的角偏转值；以及
使用所述角偏转值来确定所述流体的凝胶剪切强度，
其中，径向偏转所述浮子还包括旋转所述浮子2°或更少。
7.如权利要求6所述的方法，其中使用线性致动器向所述浮子施加扭矩还包括使用音圈致动器施加所述扭矩。
8.如权利要求7所述的方法，其还包括通过绘制电压和电流中的至少一者对比通过净重校准确定的扭矩来校准音圈致动器。
9.如权利要求6所述的方法，其中向所述浮子施加扭矩还包括计算所述扭矩，所述扭矩为十字弹簧刚度常数、传统弹簧常数、所述浮子的所述角偏转以及时间的函数。
10.如权利要求6所述的方法，其中使用所述角偏转值来确定所述凝胶剪切强度包括：
绘制所述浮子在不同时间点的多个角偏转值对比时间以形成剪切扭矩图；
使用所述剪切扭矩图来确定凝胶断裂点；以及
使用所述凝胶断裂点来计算所述凝胶剪切强度。
11.如权利要求6所述的方法，其还包括通过绘制施加的扭矩对比测量的角偏转以确定所述十字弹簧刚度来校准所述十字弹簧枢轴。
12.如权利要求6所述的方法，其中通过旋转套筒来剪切所述流体包括以600rpm旋转所述套筒。
13.如权利要求6所述的方法，其中测量所述浮子的角偏转值还包括使用数字编码器测量所述角偏转值。
14.如权利要求6所述的方法，其中所述第二时间段从以下组成的组中选取：10秒、10分钟、30分钟，或其任何组合。
15.如权利要求6所述的方法，其中所述扭矩包括施加到所述十字弹簧枢轴的第一扭矩量和施加到所述流体的第二扭矩量。
16.如权利要求6所述的方法，其中所述流体为井筒钻井液。
17.一种用于测量流体的凝胶剪切强度的方法，其包括：
将流体的凝胶剪切强度测量值关联到对应于使用FannTM35流变仪观察到的所述流体的凝胶剪切强度的数据点，其中所述凝胶剪切强度测量值是通过以下步骤测量的：
将包括套筒和浮子的流变仪设备的一部分放入流体中，其中所述浮子由十字弹簧枢轴支撑；
通过旋转所述套筒达第一时间段来剪切所述流体；
在剪切所述流体的所述步骤后允许所述流体静置达第二时间段；
使用线性致动器向所述浮子施加扭矩以径向偏转所述浮子；
测量所述浮子的角偏转值；以及
使用所述角偏转值来确定所述流体的所述凝胶剪切强度，
其中，径向偏转所述浮子还包括旋转所述浮子2°或更少。
18.如权利要求17所述的方法，其中
所述线性致动器还包括音圈致动器，并且
将所述流体的所述凝胶剪切强度测量值关联到所述数据点还包括：
使用以下方程计算所述扭矩：
Figure FDA0003396504720000044
其中Tvc为所述扭矩，Kcs为十字弹簧刚度常数，θ为所述浮子的角偏转测量值，KF35为所述FannTM35的弹簧常数，
Figure FDA0003396504720000041
为所述FannTM35装置的角速度，并且t为时间；
使用十字弹簧校准曲线图和所述浮子的所述角偏转测量值来确定所述扭矩的施加到所述十字弹簧枢轴的第一部分Tvc；
使用以下方程来计算所述扭矩的施加到所述凝胶的第二部分Tgel：
Tvc＝Tcs+Tgel，其中，Tcs是弯曲十字弹簧所需的扭矩；以及
使用以下方程来计算所述凝胶剪切强度：
Figure FDA0003396504720000042
其中τgel为所述凝胶剪切强度，Abob为所述浮子的面积，rbob为所述浮子的半径，并且
Figure FDA0003396504720000043
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