一種鉆井液沉降穩定性評價裝置及方法與流程

本發明屬于石油鉆井液體測量領域，尤其涉及一種鉆井液沉降穩定性評價裝置及方法，可用于現場及室內測量鉆井液的沉降穩定性。

背景技術：

隨著石油勘探開發不斷向深部地層進展，深井，高壓井數量也逐漸增多，所需鉆井液的密度也越來越高，經常需要密度在2.0g/cm³以上的高密度鉆井液，甚至是密度超過3.0g/cm³以上的超高密度鉆井液。配制此類鉆井液時通常采取加入固體加重材料的方法來提高鉆井液的密度，常用材料有重晶石、碳酸鈣、鐵礦粉等，其中重晶石因為其低廉的價格、較高的密度（可達4.2g/cm³以上）以及較低的硬度而成為使用最多的加重材料。在配制高密度和超高密度鉆井液時，需要加入接近或者超過鉆井液本身質量的加重材料，例如，將1m³密度為1.10g/cm³的鉆井液加重至2.0g/cm³，需要加入密度為4.2g/cm³的重晶石1.72噸。如此大數量的重晶石加入鉆井液中后極易因重力作用發生沉降，同時為了減輕大量固相顆粒加入后造成的粘切升高，配制高密度或超高密度鉆井液時往往需要加入稀釋劑，以恢復良好的流變性，這使得鉆井液中的結構進一步被破壞，懸浮能力下降，加劇了加重材料的沉降。

高密度鉆井液中加重材料的沉降不僅造成了資源的浪費，也會對鉆井施工帶來嚴重的影響。在直井中，加重材料的沉降會掩埋下部鉆具，從而引發卡鉆，另外緊密堆積的加重材料還會形成人工井底導致井眼報廢；在定向井、水平井尤其是大位移水平井中，斜井段和水平段加重材料的沉降大大加大了井眼清潔的難度，嚴重影響完井和固井的質量。因此，在鉆井液現場施工中，如何快速有效的評價鉆井液特別是高密度及超高密度鉆井液的沉降穩定性就變得尤為重要。

目前石油工業對于鉆井液沉降穩定性的評價方法有很多，針對不同沉降條件，包括傳統的老化罐靜態沉降測試法，黏度計沉降測試法、大型的能夠模擬現場的流動回路測試法，但上述幾種方法的本質均為上下密度差法，即通過測量沉降體系不同位置的密度來反映體系的沉降穩定性。靜態沉降測試法和粘度計沉降測試法均采用密度計，而流動回路測試法則采用密度傳感器，《鉆井液與完井液》2012年9月第29卷第5期中發表的 《鉆井液沉降穩定性測試與預測方法研究進展》一文中對上述幾種方法做了詳細的介紹。專利《一種鉆井液的沉降穩定性的測試方法》中提出的方法為將鉆井液置于量筒中靜置一段時間，取容器不同位置的鉆井液用密度稱測量其密度，其本質仍為上下密度差法。《工程地球物理學報》2010年4月第7卷第2期中發表的文章《一種評價加重泥漿沉靜穩定性的裝置研究》一文中提出的方法為利用加重鉆井液沉降時會使鉆井液液柱壓力發生變化這一原理，在容器上放置壓力傳感器，通過測量靜液柱壓力的變化來反映鉆井液的沉降穩定性。專利《一種高密度試油工作液沉降穩定性測試裝置及方法》中使用壓力傳感器測量容器底部沉淀物的沉實程度來反映試油工作液的沉降穩定性。此外，穩定性分析儀turbiscan利用紅外光的透射率來測量乳化液、懸浮液、泡沫等分散體系的沉淀、乳化、絮凝、凝結、分相等綜合現象，但由于鉆井液尤其是加重鉆井液的固相含量高，顆粒多，此儀器未在鉆井液沉降穩定性測量中有所應用。上述各文章及專利中所涉及的鉆井液沉降穩定性裝置及方法均未涉及采用受力平衡的方法，即鉆井液加重材料在封閉的容器中的沉降引起容器重心的變化，通過測量這一變化來評價鉆井液的沉降穩定性。

技術實現要素：

本發明的目的就是針對現有技術存在的問題,提供一種鉆井液沉降穩定性評價方法及裝置，利用鉆井液在密閉容器中沉降引起容器重心變化這一現象，可以快速準確的反映出鉆井液中加重材料的沉降現象隨時間的變化規律，沉降越慢則沉降穩定性越好；還可以測量相同時間內重心變化范圍，重心變化越小則沉降穩定性越好，從而反應出鉆井液體系的沉降穩定性。

發明的技術方案：

一種鉆井液沉降穩定性評價裝置，包括支架和樣品管，其中：樣品管的兩端分別通過垂直向和水平向連桿傾斜吊裝在支架的橫梁和立柱，并在橫向連接與立柱之間連接拉力傳感器。

上述鉆井液沉降穩定性評價裝置優化方案還包括：

拉力傳感器為電子式拉力傳感器，拉力傳感器通過數據采集處理器與計算機連接。

垂直向連桿與樣品管連接段采用鉸鏈方式連接。

根據前述的鉆井液沉降穩定性評價裝置的評價方法是：將樣品管中注滿待測鉆井液并保持均勻，連接在裝置中，記錄拉力傳感器測量均勻時刻和其后任意時刻水平拉力F的大小，計算并繪制出拉力F隨時間變化的曲線。

根據前述的鉆井液沉降穩定性評價裝置優化方案的評價方法：將樣品管中注滿待測鉆井液并保持均勻，連接在裝置中，通過數據采集處理器和計算機記錄拉力傳感器測量均勻時刻和其后任意時刻水平拉力F的大小，由計算機軟件程序計算并繪制出拉力F隨時間變化的曲線。

前述評價方法中的計算方法是：將樣品管中注滿待測鉆井液，用連桿固定在支架上，樣品管在垂直向連桿的垂直方向拉力和水平向連桿水平方向拉力的作用下保持靜止狀態，樣品管中軸線與豎直方向夾角為θ，此時樣品管所受合外力為零。可以認為剛剛加入時樣品管內鉆井液是均勻的，因此體系的重心為樣品管中軸線上的中點。以樣品管中軸線為X軸，對樣品管所收外力進行分解，由受力平衡可知，在樣品管上端與水平向連桿的連接點處，水平拉力沿Y軸方向的分量F_y與重力在Y軸方向的分量G_y產生的合力矩為零。即：

將，代入上式，可得

，整理得：（1）

經過時間T后，隨著樣品管中加重材料的沉降，樣品管的重心下移，重心沿中軸線向下移動，此時處合力矩依然平衡，可得：

將，代入上式，可得

，整理得：（2）

上述各式中：L為樣品管的長度，L’為沉降后重心B點距樣品管頂端與連桿連接點間的距離，其值范圍為（0-L）；θ是樣品管中軸線與豎直方向夾角，其值范圍為（0-90）。在（2）式中，tanθ、L均為常數，當樣品管中注滿鉆井液后G也是常數，上式可簡化為：

（3）

上式反應了水平方向拉力F與樣品管重心位置之間的關系，其中L’是時間的函數，所以水平拉力F也是關于時間T的函數，F隨時間的變化率可以反映出樣品管重心位置沿中軸線的變化率，即樣品管中鉆井液的沉降穩定性，變化率越小，說明待測鉆井液沉降穩定性越好。

本發明的技術方案首先從依據的原理不同，具體體現在：鉆井液中的加重材料由于其密度高，用量大，容易發生沉降。若在軸對稱形的容器中裝滿均勻的液體，則體系的重心應該是一個固定的點（不同形狀的容器位置不同，通常是容器的幾何中心）。如果容器中的液體發生沉降，液體密度分布不再均勻，但液體體積不變，那么整個體系的重心也會發生相應的變化。如果沉降過程中將容器固定于某一平衡位置使容器始終保持靜止，由受力平衡可知，容器在整個過程中所受合外力為零。由于重心即重力的作用點位置發生改變，但體系總重力不變，因此為了保持體系的平衡狀態，體系所受重力以外的合力也必然發生變化，這個合力的變化程度和變化速率就反映了體系重心位置變化的程度和速率。由于容器恒定，所以重心變化就反映出容器中液體密度均勻程度的變化，也就是容器中待測鉆井液的沉降穩定性。

發明的效果：本發明所涉及的裝置和方法，利用封閉容器中鉆井液的沉降引起的重心變化，通過固定樣品管的位置，得出拉力F隨時間變化的關系，用拉力傳感器測量水平方向上的拉力值，測量數據由數據采集和錄入系統錄入計算機，通過軟件得出拉力隨時間變化的曲線，并記錄與保持最終結果。

本發明涉及的裝置解決了當前鉆井液沉降穩定性測量中樣品用量大、測量時間長、測量結果不準確、測量方法精確度低的問題，可以在室內及現場快速準確的評價鉆井液的沉降穩定性，計算機記錄并保存測量結果，便于進行數據分析和對比。

本發明與現有技術相比有以下優點：樣品用量少，測量結果準確，靈敏度高，測量更快速，能夠及時反應出加重材料的沉降，測量數據更系統，易于對比分析，可用于現場及室內的鉆井液沉降穩定性測量。

附圖說明

圖1是鉆井液沉降穩定性測量裝置示意圖；

圖1中：1.支架；2.連桿（即垂直向連桿）；3.樣品管；4.連桿（即水平向連桿）；5. 拉力傳感器；6.數據采集處理器；7.計算機。

圖2是鉆井液沉降穩定性裝置支架部分的側視圖；

圖2中：8.橫梁；9.立柱；10.底座。

圖3 是鉆井液沉降穩定性測量裝置測量計算方法示意圖；其中（1）是初始狀態；（2）是沉降后狀態。

具體實施方式

下面將結合附圖對本發明的實施方式進行詳細的描述。

參照圖1和圖2，本發明所述的一種鉆井液沉降穩定性測量裝置由支架1、連桿2和4、樣品管3、拉力傳感器5、數據采集處理器6和計算機7組成。其中支架1由橫梁8、立柱9及底座10三部分構成。三部分均采用金屬材質，通過螺絲連接在一起保證整體結構的強度。其中橫梁長35cm，寬20cm，厚度為0.5cm；立柱高50cm，寬15cm，厚度為1cm；底座長40cm，寬25cm，厚度為1cm，底座厚度寬度較大，保證支架的穩定性。

本發明所述樣品管使用工程塑料材質，該材料堅固，不易變形，密度小，用此種材料制作容器質量更小，可以排除因樣品管自身重量對測量帶來的干擾，對整個沉降體系總質量影響很小，能夠更好的反應鉆井液的沉降。

樣品管為圓柱形，長度為30cm，底面半徑為2cm，管壁厚度為0.2cm，長度與直徑比為15/2，管壁薄，在沉降發生時近似認為重心沿樣品管中軸線變化。樣品管上端有蓋，蓋與管體通過螺紋連接，墊有橡膠圈，保證容器的密封。蓋上端與樣品管底端均有小鐵圈可以與連桿連接。

本發明所述的連桿采用輕質合金，質量小，強度高，不容易發生彎折和斷裂。長度為15 cm，連桿一端有螺紋，用于與支架橫梁連接，固定在豎直方向，另一端帶有掛鉤，用于于樣品管上端連接；連桿一端有掛鉤，與樣品管下端連接，另一端與固定在立柱上的拉力傳感器相連，連桿與底座保持平行，當測量時底座置于水平面，則連桿保持水平。

本發明所用拉力傳感器精度為0.01N，一端與連桿連接，另一端固定在支架的立柱上，用于測量水平方向拉力F。

本發明中數據采集與處理器把拉力傳感器測量得拉力F的值采集到計算機中，計算機軟件做出拉力F隨時間變化的曲線，并將計算結果即時記錄。

利用本發明裝置的評價方法：

將待測鉆井液攪拌20min，攪拌均勻后緩緩注入樣品管中，防止注入過程中產生氣泡，注滿后蓋上樣品管的蓋子。將連桿2上端通過螺紋與支架1的橫梁連接，下端與樣品管3頂部連接。樣品管下部與連桿4的一端連接，另一端與拉力傳感器5連接，傳感器固定在支架的立柱上。數據采集與處理器6將拉力傳感器的信號采集到計算機7中。

打開電源，拉力傳感器開始測量任意時刻水平方向上的拉力F（如圖3中所示），計算機軟件記錄數據并作出拉力F隨時間T變化的曲線，該曲線任意時刻的斜率代表拉力F的變化率，即盛滿待測鉆井液的樣品管重心移動的速率，可以反應出樣品管中待測鉆井液的沉降穩定性；比較不同樣品所得到的曲線的斜率變化，相同時間點處斜率越大則說明對應鉆井液的沉降穩定性越差，反之則越好。通過對比相同時間內拉力F的變化量可以比較不同鉆井液在相同時間內的沉降程度，拉力F變化量越大，則沉降越明顯，說明體系的沉降穩定性越差，反之則說明沉降穩定性越好。

本發明的所涉及的裝置也可以采用人工讀數和計時的方式，只是計算效率會降低，但同樣可以實現本發明的目的。

例如：一種鉆井液沉降穩定性評價裝置，包括支架和樣品管，其中：樣品管的兩端分別通過垂直向和水平向連桿傾斜吊裝在支架的橫梁和立柱，并在橫向連接與立柱之間連接拉力傳感器。

根據前述的鉆井液沉降穩定性評價裝置的評價方法是：將樣品管中注滿待測鉆井液并保持均勻，連接在裝置中，記錄拉力傳感器測量均勻時刻和其后任意時刻水平拉力F的大小，計算并繪制出拉力F隨時間變化的曲線

將樣品管中注滿待測鉆井液，按上述順序連接裝置個部分，由受力平衡可知在樣品管所受合外力為零，拉力傳感器測量任意時刻水平拉力F的大小，計算機軟件繪制出拉力F隨時間變化的曲線。當樣品管中鉆井液發生沉降時，樣品管的重心發生改變，但樣品管仍保持靜止，因此重力G及水平拉力F在樣品管上端與連桿連接處的合力矩為零，由于重力G保持不變，所以重心改變必然導致水平拉力F的變化，重心變化越快，則拉力F變化也越快，通過拉力F關于時間變化的曲線即可分析出待測鉆井液的沉降穩定性。