張 峰，烏效鳴，吳 川，趙 民

(中國地質(zhì)大學(xué) 工程學(xué)院，湖北 武漢430074)

0 引 言

鉆井液和工程漿液的性能對(duì)鉆進(jìn)效率和鉆進(jìn)安全影響重大。在石油天然氣鉆井、煤層氣鉆井、地質(zhì)科學(xué)鉆探等方向，鉆井液、護(hù)壁堵漏材料、壓裂液、穩(wěn)定液、注漿液、混凝土漿等漿液的用途越來越廣，作用越來越重要［1］。泥漿的性能直接決定了成孔的完整性，地層穩(wěn)定，鉆進(jìn)的安全［2］，不匹配的漿液極易誘發(fā)井壁失穩(wěn)、塌孔、通道堵塞等問題，造成次生災(zāi)害和安全事故。

針對(duì)鉆進(jìn)現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)設(shè)備匱乏，實(shí)驗(yàn)室檢測繁瑣等問題，設(shè)計(jì)研究一種能夠準(zhǔn)確檢測泥漿參數(shù)，便于攜帶的泥漿性能檢測設(shè)備，為現(xiàn)場作業(yè)人員提供及時(shí)的泥漿性能參考。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)工作原理

泥漿性能快速檢測系統(tǒng)用于自動(dòng)檢測和分析鉆機(jī)配備的泥漿攪拌罐中泥漿的性能，其所測性能參數(shù)包括:泥漿密度、粘度、切力、失水量、潤滑性、pH 值。系統(tǒng)快速采樣，分析出泥漿各個(gè)性能參數(shù)，并通過合適的方式顯示，反饋給技術(shù)人員。泥漿性能智能檢測系統(tǒng)總體工作原理圖見圖1。

圖1 系統(tǒng)工作原理圖Fig 1 System working principle diagram

1.2 硬件組成

如圖2 所示，系統(tǒng)由浮筒、多只壓力傳感器(測密度)、一個(gè)潛水密封電機(jī)旋轉(zhuǎn)槳葉加轉(zhuǎn)矩傳感器(測粘度和切力)、一個(gè)潛水密封電機(jī)旋轉(zhuǎn)摩擦副加扭力傳感器(測潤滑性)、一只pH值傳感器，一臺(tái)數(shù)據(jù)采集/記錄顯示/智能分析儀組成該系統(tǒng)。其傳感器組和記錄分析儀之間的測試信號(hào)和控制信號(hào)由纜線連接實(shí)現(xiàn)，失水量數(shù)據(jù)由分析儀中的軟件程序根據(jù)采集到的密度、粘度、切力三個(gè)參數(shù)綜合法組合計(jì)算得到。

圖2 結(jié)構(gòu)原理圖Fig 2 Structure principle diagram

1.3 密度及其分布

在泥漿攪拌灌里沿垂向在不同深度處安裝多只壓力傳感器(圖2)，分別測量出它們所在深度處的泥漿壓力。由于泥漿始終處于流動(dòng)狀態(tài)，檢測到的壓力會(huì)有波動(dòng)，需要選用精度較高，量程較小的水壓傳感器，得到的數(shù)據(jù)還要進(jìn)行濾波和擬合處理，得到理想波動(dòng)曲線。沿筒狀結(jié)構(gòu)體周圍自上而下安裝3 只壓力傳感器，依次測出壓力，于是可以在泥漿密度上下不均勻(但視為線性變化)，且不知液面高度的情況下按以下推導(dǎo)來計(jì)算所求的密度參數(shù)［3］

其中，F(xiàn) 為水位壓力，S 為水位截面積，ρ 為密度，g 為重力加速度，h 為水深，ρ0為密度常量，k 為比例系數(shù)。

積分得

力為

壓力為

作為上式計(jì)算的一些常見特例，認(rèn)為泥漿密度分布不均勻，但已知液面高度

已知p1，p2，p3，Δh，可以計(jì)算出液體密度。

1.4 粘稠性

如圖3 所示，粘度檢測模塊內(nèi)部有獨(dú)立的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，按照程序控制進(jìn)行調(diào)速，轉(zhuǎn)速可以自動(dòng)從低速向高速切換換;電機(jī)上安裝有光電編碼器對(duì)速度進(jìn)行反饋控制，保持轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定;電機(jī)通過聯(lián)軸器和轉(zhuǎn)子連接，通過機(jī)械密封保證電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)不會(huì)有液體侵入電機(jī)密封艙;轉(zhuǎn)子定子同軸，采用API 制定的轉(zhuǎn)筒和定子尺寸，微扭矩傳感器采用應(yīng)變片制作，安裝在定子下方測量軸上［4］。

測量時(shí)，被測泥漿處于兩個(gè)同心圓筒間的環(huán)形空間內(nèi)，通過電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)筒以恒速旋轉(zhuǎn)，外轉(zhuǎn)筒通過被測液體作用于內(nèi)筒產(chǎn)生一個(gè)轉(zhuǎn)矩，微扭矩傳感器就能感知到此時(shí)產(chǎn)生的扭矩，根據(jù)牛頓定律，該轉(zhuǎn)角的大小與液體的粘度呈正比，于是液體粘度的測量轉(zhuǎn)換為內(nèi)筒扭矩的測量。反映在微扭矩傳感器上，采集600，300 r/min 下的數(shù)據(jù)，通過計(jì)算即為液體粘度、切應(yīng)力［5］。

圖3 粘稠性測量模塊Fig 3 Viscosity measurement module

粘度和切應(yīng)力計(jì)算公式如下［6］:

1)表觀粘度

3)動(dòng)切力

其中，θ600為600 r/m 下儀器數(shù)據(jù);θ300為300 r/m 下儀器數(shù)據(jù);τ 為剪切應(yīng)力;γ 為剪切速率;ηa為表觀粘度，mPa·s;μp為塑性粘度，mPa·s;τ0為動(dòng)切粘度，mPa·s。

1.5 潤滑性

當(dāng)一個(gè)物體在另一個(gè)物體表面做平行滑動(dòng)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)摩擦力，其大小與作用在摩擦面上的力呈正比，即，F(xiàn)=pμ。式中F 為摩擦力;p 為摩擦面上的垂直作用力;μ為摩阻系數(shù)［7，8］。

摩阻系數(shù)μ，不但與接觸物體的質(zhì)料、表面狀況有關(guān)，而且與相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度的大小有關(guān)。潤滑儀就是在固定壓力p 下，通過測定在潤滑劑形成“液膜”后摩擦力大小，測試摩阻系數(shù)μ 的值用來表示潤滑劑的潤滑性［9］。如圖4 所示，具體實(shí)現(xiàn)為:通過恒速電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸以設(shè)定速度勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)摩擦副旋轉(zhuǎn);由于摩擦副和夾塊之間存在設(shè)定的壓力，夾塊受摩擦力產(chǎn)生軸向扭矩，帶動(dòng)其同軸的測量模塊，從而輸出測量信號(hào);測量信號(hào)經(jīng)過處理后傳輸?shù)缴戏竭M(jìn)行顯示和后期處理。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

將各個(gè)模塊集成之后安裝在密閉倉內(nèi)，所有的連接節(jié)點(diǎn)做防水處理，并涂抹潤滑劑。投入到泥漿池中時(shí)，保持儀

圖4 潤滑性測量模塊Fig 4 Lubricity measurement module

2)塑性粘度器豎直朝上，并且固定。泥漿將儀器全部淹沒，攪拌機(jī)充分?jǐn)噭?。先開機(jī)預(yù)熱，儀器自檢正常的情況下軟件數(shù)據(jù)采集。

粘度測量選取了粘度梯度降低的幾種漿液配方，分別采用標(biāo)準(zhǔn)測量儀器標(biāo)定，再采用設(shè)計(jì)儀器測量，得到了關(guān)于實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)結(jié)果，可見儀器能夠反映出泥漿粘度的梯度變化。所有樣品都是以0.5%比例配制而成，在溫度6 ℃下水化16 h 所測數(shù)據(jù)。選取的提粘劑分別是魔芋(Konjac)，雷膨(LeiPng)，HEC，XC，聚陰離子纖維素(PAC)，羧甲基纖維素(CMC)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖5 所示。

圖5 粘度測量對(duì)比結(jié)果Fig 5 Comparison result of viscosity measurement

密度測量采用基漿加入重晶石(硫酸鋇)混配成不同比重的漿液來驗(yàn)證儀器對(duì)不同比重泥漿是否產(chǎn)生變化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果區(qū)分明顯，基本呈線性變換規(guī)律，有參考性，且測量精度隨傳感器量程和精度變化。圖6 為重晶石加入量為0%，50%，70%三種情況下漿液的比重變化。

圖6 加入不同量重晶石的泥漿比重Fig 6 Proportion of mud with different quantity of Barite

潤滑性檢測采用清水、皂化油、OP—10 混配成不同效果的漿液，用專業(yè)儀器做對(duì)比，取同樣的漿液依次測量，如表1，發(fā)現(xiàn)潤滑性差別明顯，區(qū)分效果理想，但是精度略微不足。

表1 潤滑性對(duì)比結(jié)果Tab 1 Comparison result of lubricity

3 結(jié) 論

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明:該系統(tǒng)能夠迅速反映出漿液體系的宏觀性能參數(shù)，尤其是粘度、比重等關(guān)鍵因素的變化。對(duì)作業(yè)過程中泥漿性能的變化能夠測出準(zhǔn)確的變化關(guān)系，尤其是在時(shí)間緊迫的情況下為配漿提供參考。這種簡單的設(shè)計(jì)方法可以大大節(jié)約操作時(shí)間，使現(xiàn)場測量變得可行。

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