用于鉆井堵漏的特種凝膠屈服應(yīng)力研究

摘 要

摘要：特種凝膠是一種處理鉆井惡性漏失的堵漏劑，其屈服應(yīng)力與凝膠的可泵性、施工管線的安全性和在地層的堵漏效果等密切相關(guān)。為此，采用先進(jìn)的HAKKE RS6000流變性錐板系統(tǒng)及鋸齒
摘要：特種凝膠是一種處理鉆井惡性漏失的堵漏劑，其屈服應(yīng)力與凝膠的可泵性、施工管線的安全性和在地層的堵漏效果等密切相關(guān)。為此，采用先進(jìn)的HAKKE RS6000流變性錐板系統(tǒng)及鋸齒板系統(tǒng)研究了特種凝膠(ZND-2)的屈服應(yīng)力，分析了穩(wěn)態(tài)方法和動(dòng)態(tài)方法測(cè)試之間的關(guān)系，并與鉆井液常用屈服應(yīng)力評(píng)價(jià)方法的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，還分析研究了屈服應(yīng)力恢復(fù)與時(shí)間的關(guān)系。結(jié)果表明，選用控制應(yīng)力模式的應(yīng)變-應(yīng)力雙對(duì)數(shù)曲線拐點(diǎn)和應(yīng)力掃描測(cè)試的線性黏彈區(qū)與非線性黏彈區(qū)界限能夠準(zhǔn)確的獲取凝膠的屈服應(yīng)力，凝膠屈服應(yīng)力在溫度低于50℃時(shí)隨溫度增加而小幅增加，屈服應(yīng)力在剪切作用停止后恢復(fù)速度快，是有利于堵漏成功的因素。
關(guān)鍵詞：井漏；堵漏；黏彈性凝膠；屈服應(yīng)力；剪切作用；堵漏效果
0 引言
    特種凝膠是一種處理惡性漏失的堵漏劑，具有強(qiáng)內(nèi)聚力、高黏度、剪切稀釋性能和強(qiáng)觸變性等特點(diǎn)，曾成功地處理了鉆井工程中十余口井的惡性井漏和雙廟1井、羅家2井和徐深8-平1井等3口高難度“噴漏”同存復(fù)雜井[1～2]。屈服應(yīng)力是特種凝膠觸變性的一個(gè)重要參數(shù)，屈服應(yīng)力，也稱(chēng)屈服值或屈服點(diǎn)，屈服應(yīng)力是一個(gè)應(yīng)力界限，低于此應(yīng)力時(shí)樣品表現(xiàn)為固體，施加應(yīng)力時(shí)樣品像彈簧一樣發(fā)生形變；而一旦應(yīng)力除去，應(yīng)變則完全消失。屈服應(yīng)力嚴(yán)重影響流體流動(dòng)時(shí)等速核(柱塞)的寬度，而此柱塞對(duì)流體的驅(qū)替性質(zhì)有重要的影響[3]。凝膠的屈服應(yīng)力測(cè)量方法分為穩(wěn)態(tài)測(cè)試和動(dòng)態(tài)測(cè)試兩大類(lèi)。穩(wěn)態(tài)測(cè)試指通過(guò)對(duì)樣品施加設(shè)定的剪切應(yīng)力或剪切速率產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，獲取樣品的剪切應(yīng)變、表觀黏度等參數(shù)，然后判斷樣品的屈服值[4]。穩(wěn)態(tài)測(cè)試屈服應(yīng)力包括兩種方式：控制應(yīng)力(CS)模式測(cè)量的流動(dòng)曲線應(yīng)力-應(yīng)變雙對(duì)數(shù)拐點(diǎn)法；控制剪切速率(CR)模式流動(dòng)曲線拐點(diǎn)法[5]。動(dòng)態(tài)測(cè)試包括：①固定頻率時(shí)對(duì)樣品進(jìn)行應(yīng)力掃描繪制彈性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，視最大彈性為屈服值[6]；②蠕變回復(fù)測(cè)試時(shí)，樣品在恒定應(yīng)力下長(zhǎng)時(shí)間作用，在低于樣品的屈服值時(shí)，樣品達(dá)到一個(gè)恒定應(yīng)變，高于屈服值時(shí)，應(yīng)變-時(shí)間曲線按恒定斜率增加[7]；③儲(chǔ)能模量(G′)和耗能模量(G″)的交點(diǎn)[8]。此外，鉆井液評(píng)價(jià)屈服值采用范氏旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)(屬CR模式)，用600rad/min高速攪拌后靜置10s和10min時(shí)的3rad/min的最大剪切應(yīng)力分別作為樣品的初始屈服值和最終屈服值[9]。
1 凝膠屈服值的測(cè)試
1.1 范氏旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)法
范氏旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)試的1.2%ZND-2的流變數(shù)據(jù)如圖1所示，采用帶屈服值的假塑性流變模式回歸得到的相關(guān)系數(shù)高，回歸計(jì)算得到的30℃、50℃的屈服值分別為28.08Pa、28.67Pa；而采用鉆井液靜屈服值測(cè)量方法得到的10min屈服值分別為33.5Pa和41Pa，高于回歸方法得到的屈服值。受量程限制，此法不能測(cè)更高濃度的凝膠ZND2。
 

1.2 流變儀測(cè)量法
1.2.1應(yīng)力幅度掃描
使用RS6000型流變儀，采用錐板C60/1轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，固定頻率1Hz，應(yīng)力幅度掃描0～60Pa，樣品在加熱到待測(cè)溫度時(shí)恒溫10min(以下同)。1.2%ZND-2的應(yīng)力掃描曲線(見(jiàn)圖2)的儲(chǔ)能模量大于耗能模量，表明凝膠彈性高于黏性，屬于黏彈性流體。儲(chǔ)能模量(G′)平行于橫坐標(biāo)，直到τ0=4.55Pa時(shí)才開(kāi)始明顯偏離G′=0.54Pa的恒定值。線性黏彈區(qū)限定為G′=0.54Pa以?xún)?nèi)，此種方法認(rèn)為線性黏彈區(qū)和非線性黏彈區(qū)的界限為樣品的屈服值。
 

1.2.2 CS模式測(cè)量
    CS模式下(圖3)，剪切應(yīng)變(γ)-剪切應(yīng)力(τ)雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)拐點(diǎn)求得的1.5%凝膠ZND-2在30℃和50℃時(shí)的屈服值分別為5.992Pa、6.977Pa。采用CS模式測(cè)量時(shí)，在低剪切應(yīng)力下，凝膠表現(xiàn)出一個(gè)明顯黏度(表觀黏度η)平臺(tái)，當(dāng)施加的應(yīng)力接近屈服值時(shí)，黏度下降加快，一般認(rèn)為，在對(duì)數(shù)坐標(biāo)下黏度曲線的陡然下降(-40°～-45°)時(shí)，認(rèn)為此時(shí)黏度所對(duì)應(yīng)的剪切應(yīng)力為屈服應(yīng)力，應(yīng)變曲線拐點(diǎn)與黏度曲線陡降段具有一致性，但在很低剪切速率下測(cè)量高黏高彈性的凝膠材料時(shí)測(cè)的黏度數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，易產(chǎn)生波動(dòng)[8]。
 

1.2.3 CR模式測(cè)量
    采用CR模式測(cè)量結(jié)果如圖4所示，在低剪切速率(γ)區(qū)域得到的應(yīng)力、應(yīng)變和黏度數(shù)據(jù)比CS模式在低應(yīng)力區(qū)域得到的穩(wěn)定，黏度先增加，表現(xiàn)出一個(gè)較為穩(wěn)定的平臺(tái)，然后黏度急劇下降，黏度開(kāi)始陡降處所對(duì)應(yīng)的剪切應(yīng)力即為屈服值。流動(dòng)曲線測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖5，將流動(dòng)曲線明顯偏離Y軸時(shí)的剪切應(yīng)力定義為屈服值，其值經(jīng)常比CS方式測(cè)得到的屈服值高。
 

2 測(cè)試結(jié)果與分析
2.1 不同方法測(cè)得屈服值結(jié)果對(duì)比分析
    不同方法測(cè)得屈服值結(jié)果見(jiàn)表1。采用應(yīng)力幅度掃描的G′與G″交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的屈服值均遠(yuǎn)高于RS6000流變儀其他方法的測(cè)量結(jié)果，其偏高幅度高于本文參考文獻(xiàn)[8]報(bào)道的40%。通過(guò)CR模式測(cè)得的屈服值數(shù)比CS模式測(cè)得的屈服值較高；采用流動(dòng)曲線得到的屈服值均高于CS模式和CR模式得到的屈服值；評(píng)價(jià)鉆井液用的范氏6速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)的10min靜屈服應(yīng)力值最大，回歸曲線外推法測(cè)量得到的屈服值介于G′和G″交點(diǎn)法和10min靜切力之間。線性黏彈區(qū)與非線性黏彈區(qū)交點(diǎn)得到的屈服值，與CS模式測(cè)得的屈服值比較接近，其原理均為：當(dāng)對(duì)樣品施加應(yīng)力在低于屈服值時(shí)，樣品表現(xiàn)類(lèi)似固體；而高于屈服值時(shí)，樣品產(chǎn)生的形變不能完全恢復(fù)，發(fā)生流動(dòng)。
表1 不同方法得到的屈服值表
ZND-2濃度
溫度/℃
應(yīng)力幅度掃描
CS/Pa
CR/Pa
流動(dòng)曲線/Pa
鉆井液用旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)
線性黏彈區(qū)界限/Pa
G′和G″交點(diǎn)/Pa
曲線外推/Pa
靜切力法/Pa
1.2%
30
4.55
32.75
4.77
6.85
7.2
28.08
33.5
50
6.71
—
—
6.79
7.8
28.67
41.5
1.5%
30
6.11
36.43
5.99
10.09
13.4
—
45.5
50
6.83
34.95
6.98
12.32
11.4
—
48.0
1.8%
30
10.83
47.77
10.35
13.25
9.7
—
57.0
50
14.94
—
14.27
16.77
18.5
—
62.5
2.2 壁面滑移的影響
    考慮了壁面光滑程度對(duì)屈服值的影響，采用了鋸齒狀平板轉(zhuǎn)子測(cè)量凝膠的屈服值(見(jiàn)圖6)，光滑錐板和鋸齒狀板線性黏彈區(qū)與非線性黏彈區(qū)交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的1.8%凝膠ZND2的屈服值為16.77Pa和24.56Pa，屈服值差為46.5%。而鋸齒狀平板轉(zhuǎn)子選用CS模式和CR模式在低應(yīng)力和低剪切速率范圍內(nèi)得到的數(shù)值波動(dòng)到劇烈，數(shù)值不穩(wěn)定[10]。
 

2.3 屈服應(yīng)力恢復(fù)速度
    實(shí)驗(yàn)考察了凝膠結(jié)構(gòu)回復(fù)與時(shí)間的關(guān)系，凝膠的屈服應(yīng)力(τy)與時(shí)間(t)的關(guān)系，如圖7所示，在較短的時(shí)間內(nèi)，凝膠的切力可以很快的恢復(fù)到一個(gè)較高的值，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸增加到最大值。凝膠的結(jié)構(gòu)恢復(fù)快，有利于堵漏。

3 結(jié)論
    1) 選用CS控制應(yīng)力模式測(cè)量特種凝膠的屈服值符合屈服值定義，通過(guò)應(yīng)變一應(yīng)力雙對(duì)數(shù)曲線拐點(diǎn)能夠準(zhǔn)確的判斷凝膠樣品的屈服值。
    2) 選用應(yīng)力幅度掃描線性黏彈區(qū)與非線性黏彈區(qū)界限得到的屈服值能夠客觀反映特種凝膠的屈服特性。
3) 溫度對(duì)特種凝膠的樣品產(chǎn)生了一定的影響，隨溫度的升高，屈服值增加，溫度從30℃上升到50℃，屈服值增加幅度為10%～30%，特種凝膠的屈服值恢復(fù)速度較快，有利于成功堵漏。
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(本文作者：聶勛勇1 王平全1 羅平亞2 1.西南石油大學(xué)石油工程學(xué)院；2.“油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程”國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué))