用于鉆井堵漏的特種凝膠屈服應力研究

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。為此，采用先進的HAKKE RS6000流變性錐板系統及鋸齒
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。為此，采用先進的HAKKE RS6000流變性錐板系統及鋸齒板系統研究了特種凝膠(ZND-2)的屈服應力，分析了穩態方法和動態方法測試之間的關系，并與鉆井液常用屈服應力評價方法的結果進行了對比，還分析研究了屈服應力恢復與時間的關系。結果表明，選用控制應力模式的應變-應力雙對數曲線拐點和應力掃描測試的線性黏彈區與非線性黏彈區界限能夠準確的獲取凝膠的屈服應力，凝膠屈服應力在溫度低于50℃時隨溫度增加而小幅增加，屈服應力在剪切作用停止后恢復速度快，是有利于堵漏成功的因素。
關鍵詞：井漏；堵漏；黏彈性凝膠；屈服應力；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，具有強內聚力、高黏度、剪切稀釋性能和強觸變性等特點，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”同存復雜井[1～2]。屈服應力是特種凝膠觸變性的一個重要參數，屈服應力，也稱屈服值或屈服點，屈服應力是一個應力界限，低于此應力時樣品表現為固體，施加應力時樣品像彈簧一樣發生形變；而一旦應力除去，應變則完全消失。屈服應力嚴重影響流體流動時等速核(柱塞)的寬度，而此柱塞對流體的驅替性質有重要的影響[3]。凝膠的屈服應力測量方法分為穩態測試和動態測試兩大類。穩態測試指通過對樣品施加設定的剪切應力或剪切速率產生穩態流動，獲取樣品的剪切應變、表觀黏度等參數，然后判斷樣品的屈服值[4]。穩態測試屈服應力包括兩種方式：控制應力(CS)模式測量的流動曲線應力-應變雙對數拐點法；控制剪切速率(CR)模式流動曲線拐點法[5]。動態測試包括：①固定頻率時對樣品進行應力掃描繪制彈性應力-應變關系曲線，視最大彈性為屈服值[6]；②蠕變回復測試時，樣品在恒定應力下長時間作用，在低于樣品的屈服值時，樣品達到一個恒定應變，高于屈服值時，應變-時間曲線按恒定斜率增加[7]；③儲能模量(G′)和耗能模量(G″)的交點[8]。此外，鉆井液評價屈服值采用范氏旋轉黏度計(屬CR模式)，用600rad/min高速攪拌后靜置10s和10min時的3rad/min的最大剪切應力分別作為樣品的初始屈服值和最終屈服值[9]。
1 凝膠屈服值的測試
1.1 范氏旋轉黏度計法
范氏旋轉黏度計測試的1.2%ZND-2的流變數據如圖1所示，采用帶屈服值的假塑性流變模式回歸得到的相關系數高，回歸計算得到的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，此法不能測更高濃度的凝膠ZND2。
 

1.2 流變儀測量法
1.2.1應力幅度掃描
使用RS6000型流變儀，采用錐板C60/1轉子系統，固定頻率1Hz，應力幅度掃描0～60Pa，樣品在加熱到待測溫度時恒溫10min(以下同)。1.2%ZND-2的應力掃描曲線(見圖2)的儲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。儲能模量(G′)平行于橫坐標，直到τ0=4.55Pa時才開始明顯偏離G′=0.54Pa的恒定值。線性黏彈區限定為G′=0.54Pa以內，此種方法認為線性黏彈區和非線性黏彈區的界限為樣品的屈服值。
 

1.2.2 CS模式測量
    CS模式下(圖3)，剪切應變(γ)-剪切應力(τ)雙對數坐標拐點求得的1.5%凝膠ZND-2在30℃和50℃時的屈服值分別為5.992Pa、6.977Pa。采用CS模式測量時，在低剪切應力下，凝膠表現出一個明顯黏度(表觀黏度η)平臺，當施加的應力接近屈服值時，黏度下降加快，一般認為，在對數坐標下黏度曲線的陡然下降(-40°～-45°)時，認為此時黏度所對應的剪切應力為屈服應力，應變曲線拐點與黏度曲線陡降段具有一致性，但在很低剪切速率下測量高黏高彈性的凝膠材料時測的黏度數據不穩定，易產生波動[8]。
 

1.2.3 CR模式測量
    采用CR模式測量結果如圖4所示，在低剪切速率(γ)區域得到的應力、應變和黏度數據比CS模式在低應力區域得到的穩定，黏度先增加，表現出一個較為穩定的平臺，然后黏度急劇下降，黏度開始陡降處所對應的剪切應力即為屈服值。流動曲線測試結果見圖5，將流動曲線明顯偏離Y軸時的剪切應力定義為屈服值，其值經常比CS方式測得到的屈服值高。
 

2 測試結果與分析
2.1 不同方法測得屈服值結果對比分析
    不同方法測得屈服值結果見表1。采用應力幅度掃描的G′與G″交點對應的屈服值均遠高于RS6000流變儀其他方法的測量結果，其偏高幅度高于本文參考文獻[8]報道的40%。通過CR模式測得的屈服值數比CS模式測得的屈服值較高；采用流動曲線得到的屈服值均高于CS模式和CR模式得到的屈服值；評價鉆井液用的范氏6速旋轉黏度計的10min靜屈服應力值最大，回歸曲線外推法測量得到的屈服值介于G′和G″交點法和10min靜切力之間。線性黏彈區與非線性黏彈區交點得到的屈服值，與CS模式測得的屈服值比較接近，其原理均為：當對樣品施加應力在低于屈服值時，樣品表現類似固體；而高于屈服值時，樣品產生的形變不能完全恢復，發生流動。
表1 不同方法得到的屈服值表
ZND-2濃度
溫度/℃
應力幅度掃描
CS/Pa
CR/Pa
流動曲線/Pa
鉆井液用旋轉黏度計
線性黏彈區界限/Pa
G′和G″交點/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屈服值的影響，采用了鋸齒狀平板轉子測量凝膠的屈服值(見圖6)，光滑錐板和鋸齒狀板線性黏彈區與非線性黏彈區交點對應的1.8%凝膠ZND2的屈服值為16.77Pa和24.56Pa，屈服值差為46.5%。而鋸齒狀平板轉子選用CS模式和CR模式在低應力和低剪切速率范圍內得到的數值波動到劇烈，數值不穩定[10]。
 

2.3 屈服應力恢復速度
    實驗考察了凝膠結構回復與時間的關系，凝膠的屈服應力(τy)與時間(t)的關系，如圖7所示，在較短的時間內，凝膠的切力可以很快的恢復到一個較高的值，隨著時間的延長逐漸增加到最大值。凝膠的結構恢復快，有利于堵漏。

3 結論
    1) 選用CS控制應力模式測量特種凝膠的屈服值符合屈服值定義，通過應變一應力雙對數曲線拐點能夠準確的判斷凝膠樣品的屈服值。
    2) 選用應力幅度掃描線性黏彈區與非線性黏彈區界限得到的屈服值能夠客觀反映特種凝膠的屈服特性。
3) 溫度對特種凝膠的樣品產生了一定的影響，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速度較快，有利于成功堵漏。
參考文獻
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(本文作者：聶勛勇1 王平全1 羅平亞2 1.西南石油大學石油工程學院；2.“油氣藏地質及開發工程”國家重點實驗室·西南石油大學)