试验研究悬架的入侵气钻井液与屈服应力

文摘

气悬浮现象引起的钻井液的屈服应力影响的准确计算井筒压力气体入侵。目前,大多数研究在泡沫悬浮屈服应力流体集中在气泡悬浮状态,很少有研究气体悬浮浓度。本文进行的GSC(气体悬浮浓度)实验模拟钻井液,黄原胶溶液,不同气体入侵的方法。GSC的钻井液条件下扩散气体入侵和差压气体入侵被使用两种方法模拟stir-depressurization和持续通风。结果表明,当一个泡沫满足中小气泡的大小悬浮条件下,可以将多个泡沫悬浮在同一时间。GSC受到的平均大小是暂停了泡沫,钻井液的屈服应力,气体入侵模式。对不同气体入侵模式,关键GSC的实证模型与无量纲数有关建立了。与实验数据相比,相对误差的关键GSC扩散气体入侵的相对误差小于6%,临界GSC差压气体入侵还不到10%。这项工作的结果可以为准确计算井筒压力提供指导意义。

1。介绍

随着石油和天然气钻探继续朝着深度字段和深海,复杂的地层条件和温度和压力环境带来了巨大的挑战,井筒压力的准确计算和控制(1,2]。钻井液的流变学主要是宾厄姆(3]或Hershel-Bulkley [4流体。当应用剪切应力小于屈服应力的钻井液,钻井液不流可塑性。当气体侵入井筒时,屈服应力的存在将导致泡沫小悬浮在钻井液浮力。气体悬浮的现象会影响气体分布和迁移规则后的井筒气体入侵,导致不准确的计算井筒压力(5- - - - - -7]。

1.1。气泡暂停状态

大部分的现有研究在屈服应力流体悬浮泡沫专注于井筒流体的非牛顿流变学8- - - - - -10),屈服应力流体中的气泡滑移速度(11,12),气泡(或粒子)悬浮条件(13- - - - - -16]。当泡沫悬浮在屈服应力流体,浮力向上运动的原因和它的大小与泡沫的大小和密度差。流体粒子的速度和剪切速率在暂停泡沫都是零,和velocity-related部队如液体的粘滞力和惯性力粒子也是零。当暂停泡沫的形状是球形或椭球形,表面张力的合力的方向重力也是0,只有屈服应力提供了抗泡沫。Beris et al。17提出无量纲数 ,屈服应力比浮力,来描述一个球体的悬浮条件,并发现当吗值大于某一临界值 ,这将是悬浮在液体中。

Tsamopoulos和Dimakopoulos16,18)获得了一个球形泡沫悬浮在大约0.143的数值模拟,以及暂停泡沫的长宽比的增加,值逐渐增加。Dubash和Frigaard19,20.)利用变分原理计算临界悬浮标准泡沫进行了临界悬浮实验条件单一泡沫羧乙烯聚合物解决方案,但与实验结果相比,理论计算的太保守了。西科尔斯基等。13)进行气泡临界悬浮实验羧乙烯聚合物解决方案与屈服应力的24.1 Pa和33.5 Pa和获得临界悬浮泡沫值分别为0.59和0.72。

最近,太阳et al。21]建立了泡沫动态模型的预测数量和几何考虑暂停泡沫的流变特性和临界产量地区周围的泡沫。这项工作实现了预测的形状暂停泡沫和临界悬浮流体具有不同屈服应力的条件。刘等人的实验数据。13]参孙et al。22)也同意模型计算的结果。由于他们的模型结果,临界悬浮条件下, ,屈服应力的函数,表面张力和弹性模量。这个函数结合气泡悬浮条件,一个球形悬浮泡沫约为0.243。这项工作GSC的计算奠定了基础,提供了一个准确的预测可能性的井筒压力在气体悬浮。

1.2。暂停泡沫群体

实际上,大部分的气体分散钻井液中泡沫的形式组织。当多个泡沫屈服应力流体满足一个泡沫的悬浮条件同时,每个泡沫液相的应变状态影响的耦合应力场本身和周围的泡沫21]。泡沫之间的距离足够远时,液相在一个泡沫不会流耦合应力场的作用下,也就是说,多个泡沫可以在同一时间中保持悬浮状态。当多个泡沫是暂停时,单位体积的气体总量GSC。

应力场的计算模型在一个暂停泡沫建立了太阳et al。21]表明,泡沫中心越远,越小的压力流体粒子。不同气体分布特征,在井筒泡沫之间的距离是不同的。气泡周围的耦合应力场也不同,导致不同的浓度气体悬浮。当钻井液中的多个悬浮气泡之间的距离就满足的条件同时悬浮气体入侵后,相应的GSC GSC是至关重要的。

Johnson et al。6)进行了试验研究的关键GSC差压气体入侵期间在黄原胶溶液,发现关键GSC的解决方案与屈服应力值7.2 Pa和14.4 Pa是0.76%和2.47%,分别。考虑到泡沫不能悬浮在屈服应力流体屈服应力值为0时,即GSC是0。Johnson et al。6]提出了临界GSC之间的关系和屈服应力的基础上,两组实验数据,如方程所示(2)。 在哪里关键GSC, 1%。

气悬架是阻力的共同作用所产生的浮力和屈服应力,和气体浮力泡沫大小密切相关。深水和深层钻井过程中,井筒中的压力变化分析和泡沫的大小是完全不同的23,24]。悬浮浓度预测模型,只考虑屈服应力钻井液的适用性较差。此外,只有两个数据点的Johnson et al。6)模型和可靠性的模型在工程应用中需要进一步验证。

GSC总之,现有的研究没有考虑泡沫的影响大小和气体入侵模式和GSC很少有实验数据。本文打算开展实验关键GSC在不同气体入侵方法,建立关键GSC预测模型考虑到泡沫的大小和分布特征。节2本文的实验设备,材料,实验方法的关键GSC详细介绍。部分3分析了泡沫的影响大小,屈服应力,气体入侵方法GSC至关重要。节4预测模型的关键GSC考虑钻井液的屈服应力,泡沫的大小,和天然气入侵模式建立了;部分5是结论和讨论。

2。关键GSC实验

有不同的气体入侵模式在钻井过程中,导致不同的井筒泡沫分布(5,25]。压差气入侵发生时,气体将继续入侵的井筒井底压差的作用下。在气体上升过程中,部分天然气在井筒将暂停。扩散气体入侵发生时,气体溶解到钻井液受浓度的差异。钻井液增加,溶解气体逐渐分离出由于减少压力。在这个过程中,气体分离出来后处于暂停状态。也有差异分布的气体在井筒钻井液在两个不同的气体入侵模式。

在这项工作,两种方法stir-depressurization和连续通风条件用于模拟扩散气体入侵和差压气体入侵,分别测量气泡的大小、分布特征、和天然气critical-suspended浓度在不同气体入侵模式。

2.1。实验装置

如图1实验设备的关键GSC由实验管柱,泡沫产生装置,压力控制装置和数据采集设备。实验列是一个透明PVC列15厘米的内径和长度为120厘米。列是密封作为一个整体,一个刻度线贴在外面读液位的高度。列的顶部连接到一个气瓶,真空泵,阀通过它连接到大气连接。管道中的压力可以控制通过调整相关的阀。打开阀控制的一个小洞在管柱底部的气体和液相注入和排出。bubble-generating设备主要由搅拌机、一个金属多孔介质,等等。在stir-depressurization实验中,气体进入液相的形式小型高速搅拌后泡沫和溶解气体。在连续通风实验中,气体进入井筒底部的多孔介质。压力控制装置主要由真空泵,氮气瓶,压力控制阀,压力计,可调整压力实验列。 Among them, the vacuum pump is a pressure-reducing device and the pressure in the pipe column can be reduced to 0.016 MPa at most during the experiment. The nitrogen cylinder is a pressurizing device, and the pressure in the column can be increased up to 5 MPa during the experiment. The data acquisition device is a high-speed camera, which is used to record the size and distribution of floating bubbles in the experiment.

2.2。实验材料和属性

在实验中,不同浓度的黄原胶解决方案是用来模拟钻井液与屈服应力(26]。准备解决方案后,其流变学测量与自然史MCR流变仪。一些实验解决方案的流变曲线如图2。

黄原胶溶液的流变曲线是在良好的协议与H-B模型。H-B模型是用来满足每组实验的流变曲线数据的解决方案,和每组实验的性质解决方案如表所示1。

2.3。实验方法

空气入侵扩散模拟实验使用搅拌器快速搅拌(500 - 600 rpm)混合空气进入准备实验方案。连续搅拌1小时后,混合解决方案是引入实验列和允许1小时。真空泵是用来减少压力管道模拟压力变化在上升过程中包含溶解气体的钻井液。

在实验中,计算出气体的浓度悬浮在管液位的高度。每次压力变化后,让它站10分钟,以确保气泡滑移完成。创纪录的高度液位的串在当前压力。用高速摄像机拍摄气泡大小和分布特征。后的压力达到0.016 MPa的绝对压力(最大真空压力允许的真空泵测试),氮气瓶是用来增加大约5 MPa的压力管。站了十分钟后,记录实验列中的液位的高度 。GSC的计算方程(3)如下: 在哪里GSC。

关键GSC取决于GSC的最大值。随着压力减少,GSC屈服应力相同的解决方案将有一个最大值。这个最大值是平衡了泡沫大小的增加造成的压降和气泡滑移。因此,GSC GSC最大值后是至关重要的。 在哪里最大液位实验记录。

差压气体入侵模拟实验使用了金属多孔介质底部的实验模拟生成字符串。气源气体侵入井筒的解决方案以气泡的形式作用下的压差。记录液位的高度在管柱初始时刻 。在连续通风实验中,空气源被关闭以产生泡沫后1小时的连续通风,和液位管站后10分钟。参加试验的临界气体浓度 在哪里是最大的液面在减压过程中记录和时液面在实验列5 MPa的压力。

Dubash和Frigaard20.)分析,当泡沫的纵横比小于1.1,泡沫形状可以近似为一个球形。临界悬浮气泡记录在本文实验有良好的轴对称特性,和长宽比的泡沫通常小于1.1,因此本研究假设所有暂停泡沫是球形泡沫。

因为有一个临界悬浮条件屈服应力流体泡沫,暂停泡沫体积的最大价值是观察到的实验,如图3。

当计算的体积漂浮的泡沫,IPP软件被用来处理实验用高速摄影机拍摄的照片和记录的体积泡沫在射击区域和泡沫的发生概率的大小 。实验使用体积平均粒径粒径分析来描述气泡的平均尺寸,和泡沫大小对应于平均泡沫体积作为泡沫的平均尺寸。 在哪里平均气泡半径的泡沫。

3所示。实验结果

3.1。在临界悬浮浓度影响泡沫的大小

暂停泡沫主要是受到浮力的影响,屈服应力,气液界面压差和表面张力(26]。减少的压力在实验专栏中,气液界面外的液体压力暂停泡沫减少,内部和外部之间的压力差气液界面的增加,和压力下的气液界面扩展泡沫。在泡沫膨胀,气泡内的压力逐渐降低,直到压差在气液界面再次平衡表面张力和流体剪切应力(屈服应力和粘滞力)。

如图4,气泡的直径进入解决方案在初始时刻的激动人心的解决方案的范围从0到2.75毫米和大部分的泡沫直径的范围集中在0.5 - 2毫米。实验柱的压力减少,小气泡进入搅拌的大小增加,导致增加0 - 0.5毫米大小的泡沫悬浮气泡的总量。的平均大小列逐渐增加,泡沫和泡沫悬浮气体总量的比例在0 - 2毫米的直径范围减小;大气泡的大小增加。

悬浮气泡平均直径的增加与减少压力的列,并相应地悬浮气体浓度变化。如图5相同的屈服应力时,GSC溶液中先增加然后减少的减少压力的列。减少压力的列,暂停了泡沫的体积增加,内部和外部之间的压力差气液界面的流体阻力的作用下再次达到平衡。当悬浮气泡的体积很小,周围流体的应力状态仍然没有收益流的满足条件,泡沫不会滑,上升,也就是说,它将继续暂停的屈服应力的解决方案。此时,气体悬浮浓度的增加与扩张。

列与实验压力进一步降低,泡沫体积会增加,最后超过一定规模。屈服应力不是足够大的泡沫被暂停。,泡沫就会下滑,这使得GSC减少与增加泡沫体积。当泡沫的体积增加因为扩张等于体积减少由于滑移,悬浮气体的浓度达到了极限。

实验结果表明,暂停了泡沫的大小是一个重要因素影响暂停泡沫浓度和GSC预测模型没有考虑泡沫的大小不能准确地描述气体悬浮后的井筒气体入侵特征。

3.2。屈服应力对临界悬浮浓度的影响

除了泡沫大小,屈服应力影响GSC也是一个重要因素。如图6,在解决方案更高的屈服应力,暂停泡沫需要更多的屈服应力产生的浮力克服阻力,所以暂停了泡沫的大小分布范围比较大。

列在减压的过程中,有一个有限的范围的泡沫大小的过程中泡沫扩张。当悬浮气泡的平均大小是相对较近,最终悬浮溶液在不同浓度的气体产生压力如图7。根据临界悬浮条件下一个泡沫,屈服应力值是常数时,存在一个临界悬浮气泡大小,当泡沫体积接近这个关键尺寸,GSC是0。当泡沫大小接近和不超过临界悬浮条件下一个泡沫,屈服应力越大,能力越强抑制流体粒子的流动趋势下泡沫耦合应力场,也就是说,暂停之间的距离越接近泡沫是被允许的。因此,屈服应力越大,GSC越高。

3.3。气体入侵模式对临界悬浮浓度的影响

GSC的实验结果表明,该影响因素类似于单个气泡的临界悬浮条件,也就是说,它们都是影响气泡大小和流体屈服应力。此外,单个气泡的临界悬浮条件影响GSC也是一个重要因素。因此,无量纲数 ,可以描述屈服应力和气体大小,介绍了描述气体浓度的变化。两种不同的气体下的GSC入侵模式如图8。

我们可以看到在图8在搅拌的过程中减压,当无量纲数值小于对应于临界悬浮的一个泡沫,气体浓度的暂停列是零。的增加价值、悬浮气体浓度通过搅拌和减压逐渐增加。最大暂停通过实验观察到气体浓度达到20.67%和稳定这个值。GSC的变化规律在连续通风实验stir-depressurization实验是相当不同的。在连续通风实验,GSC增加到峰值(大约5.37%),然后逐渐下降。GSC的两种不同的气体入侵模式几乎是相同的从1到1.05。

结果表明,和高峰值的范围记录在连续通风实验更小比stir-depressurization实验。原因是气体滑脱影响悬浮气泡的分布在连续通风实验。如图9,气泡紧密分布stir-depressurization实验中的实验列和GSC只是受到的浮力和屈服应力暂停泡沫。在连续通风实验中,由于大量的气体从底部的列和液面上升,一些暂停泡沫将高于液面上升,这将影响到GSC的列。另外,大多数之间的悬浮气泡位于滑动和不断上升的轨迹移动的泡沫,导致一个更大的距离比stir-depressurization悬浮气泡实验,导致较低的浓度比stir-depressurization气体悬浮实验。

在连续通风实验中,悬浮气泡之间的距离由悬浮泡沫之间的距离和迁移的轨迹泡沫和泡沫迁移轨迹的直径。越小暂停价值泡沫,越接近它的体积是关键暂停泡沫体积和周围的应力场悬挂更容易运输的干扰下的塑性流动泡沫。当允许距离暂停泡沫和泡沫移动的轨迹是足够大的27- - - - - -29日可以维护,暂停。然后,增加的价值,抗干扰能力越强的液体在暂停泡沫,容许暂停之间的距离越小泡沫和移动的轨迹泡沫和泡沫组之间的距离越小。暂停泡沫之间的距离增加的价值。当价值进一步提高,暂停之间的体积比体积和迁移泡沫变得越来越小,迁移的轨迹泡沫变大。影响悬浮气泡之间的距离超过周围的流体应力的影响减少了泡沫。泡沫会增加之间的实际距离,GSC的增加将减少 。

当流体屈服应力较大的实验中,泡沫生成组底部的连续通风过程中也很容易聚集,形成更大的泡沫。周围的流体区域的扰动大泡沫下滑的过程中会导致更大的悬浮气泡之间的距离(29日),导致GSC下降。

可以看出,气体入侵的方式也是一个重要因素影响气体悬浮的浓度。

4所示。关键GSC的预测模型在不同气体入侵模式

考虑泡沫大小的影响,流体屈服应力、和天然气GSC入侵方法,本文建立了一个GSC预测模型对不同气体入侵方法基于实验结果。在有效范围内的模型,它可以提供计算依据的计算后井筒气液两相流气体入侵。

4.1。预测模型的关键期间GSC扩散气体入侵

GSC的扩散气体入侵模式(在搅拌和减压实验)方程(所示7)。当一个单一气体不能保持悬浮,GSC是零。当气泡的安排达到最紧张的状态,GSC达到峰值。在实验中,可以看出GSC峰值发生在一个大约5值和峰值约为20.67%。如图10,该模型预测结果的误差小于6%,实验结果。

4.2。预测模型的关键期间GSC差压气体入侵

GSC的差压气体入侵模式(连续通风实验)方程所示(8)。当一个泡沫不能保持悬浮,GSC是零。当值约为1.1,GSC达到峰值,峰值GSC的实验中观察到的大约5.76%。如图11,该模型预测结果的误差小于10%,实验结果。

5。结论

摘要stir-depressurization和连续通风实验是用来模拟扩散气体入侵和差压气体钻井过程中入侵。根据实验结果,我们提出以下结论:(1)气体扩散的气体入侵的关键GSC无因次数的增加而增加 ,直到它到达峰值。差压气体入侵的关键GSC先增加然后随无量纲数的增加而减小(2)关键的峰值GSC扩散气体入侵大约是20.67%,和差压峰值的气体入侵约为5.67%(3)预测模型建立了临界GSC考虑悬浮气泡的平均大小,钻井液的屈服应力和天然气入侵模式。与实验结果相比,相对误差模型的预测临界GSC扩散气体入侵的预测模型误差小于6%,临界GSC差压气体入侵还不到10%

数据可用性

这项工作中所使用的数据给出了手稿。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者感谢中国石油大学(北京)和塔里木油田、中石油。

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