鄧都都， 趙建剛， 陳延濱， 石 凱， 王 琪， 李 進(jìn)， 許云博， 王雪竹

(北京探礦工程研究所，北京 100083)

Fann 50SL流變儀測試高粘流體爬桿問題的機(jī)理研究及解決方法

鄧都都， 趙建剛， 陳延濱， 石 凱， 王 琪， 李 進(jìn)， 許云博， 王雪竹

(北京探礦工程研究所，北京 100083)

Fann 50SL高溫高壓流變儀作為經(jīng)典的鉆井液流變性能測試儀器，為高溫鉆井液體系的研發(fā)發(fā)揮了巨大的作用。但采用原裝的Fann 50SL流變儀做高粘流體的流變性能測試時，發(fā)現(xiàn)流體容易出現(xiàn)爬桿的現(xiàn)象，這個問題會導(dǎo)致測試數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，實驗的重復(fù)性較差，甚至?xí)捎谏吓赖臉悠肺廴就廪D(zhuǎn)筒軸承，導(dǎo)致軸承銹死和驅(qū)動電機(jī)燒毀的嚴(yán)重問題。通過分析這類流體的流動特性和Fann 50SL的測量原理，找出了影響高粘流體測試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的原因，并據(jù)此設(shè)計了2款防爬桿結(jié)構(gòu)，實際安裝在Fann 50SL流變儀上使用后，有效地解決了高粘流體的爬桿問題。

流變性能；高粘流體；爬桿效應(yīng)；高溫高壓流變儀

0 引言

隨著現(xiàn)代鉆探技術(shù)的日益發(fā)展，鉆井越來越深，對于鉆井液在高溫高壓條件下的流變性能要求更為苛刻，如何準(zhǔn)確地檢測鉆井液在高溫高壓條件下的流變性能至關(guān)重要。Fann 50SL流變儀作為一款經(jīng)典的高溫高壓流變儀在檢測各類流體高溫高壓流變性能方面應(yīng)用廣泛，為高溫高壓鉆井液體系的研發(fā)發(fā)揮了巨大的作用。大量的實驗表明，F(xiàn)ann 50SL高溫高壓流變儀具有測試精度高、操作使用方便等優(yōu)點[1-4]。

但在使用Fann 50SL測試諸如高分子聚合物溶液、壓裂液、凍膠等高粘流體樣品時容易出現(xiàn)流體爬桿的問題。樣品爬桿會直接影響測量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和重復(fù)性，而且測試結(jié)束后在軸的上方容易殘留大量的實驗液體，長期積累會導(dǎo)致液體進(jìn)入測試粘度的軸承和驅(qū)動外轉(zhuǎn)筒的軸承，這不僅會腐蝕軸承影響設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)，嚴(yán)重情況會導(dǎo)致軸承銹死而燒毀電機(jī)，影響設(shè)備的使用。

1 高粘流體爬桿現(xiàn)象的分析

為了觀察高粘流體的爬桿現(xiàn)象，選取2種流體來進(jìn)行實驗，一種為水，另一種為聚丙烯酰胺(PAM)的水溶液。在常規(guī)低速攪拌機(jī)的帶動下攪動，可以明顯地觀察到水由于受離心力的作用，中央液面呈凹形，液體沿著杯壁上爬，實驗現(xiàn)象見圖1；而PAM水溶液則正好相反，中間的液體沿著桿往上爬，離心力越大，爬桿越高，實驗現(xiàn)象見圖2。

圖1 水?dāng)噭赢a(chǎn)生離心的現(xiàn)象

圖2 PAM溶液攪動產(chǎn)生的爬桿現(xiàn)象

上述在聚丙烯酰胺溶液中出現(xiàn)的爬桿現(xiàn)象也稱Weissenberg效應(yīng)[5]，早在1944年Weissenberg在英國倫敦帝國學(xué)院就公開了類似的實驗。對于高粘流體，在旋轉(zhuǎn)過程中會做向心運動并沿低速攪拌機(jī)的旋轉(zhuǎn)桿向上爬動，實驗中可以明顯地觀察到流體液面變成凸形，這種現(xiàn)象即使在較低的轉(zhuǎn)速時也能夠發(fā)生?，F(xiàn)在普遍認(rèn)為該現(xiàn)象的產(chǎn)生是由于這類流體流動不穩(wěn)定性導(dǎo)致的。

對于粘彈性流體的流動不穩(wěn)定性，國內(nèi)外的學(xué)者進(jìn)行了大量的實驗研究[6-9]，最為經(jīng)典的裝置為T-C(Taylor-Couette)流動裝置，測試原理見圖3。該裝置是將測試液體放在2個獨立旋轉(zhuǎn)同心圓筒中間，然后觀察各類流體在圓筒旋轉(zhuǎn)過程中的流態(tài)變化。該實驗裝置以其結(jié)構(gòu)簡單、存在封閉流動系統(tǒng)并且能產(chǎn)生豐富的不穩(wěn)定流態(tài)等優(yōu)點，一直作為流體不穩(wěn)定性研究的經(jīng)典裝置。Couette[10]首次設(shè)計出了該裝置，并利用該裝置進(jìn)行了流體粘度的測量，F(xiàn)ann 50SL實際上就是一款Couette式粘度計。

聚合物溶液作為一種高分子溶液，分子量一般都在上百萬以上，是一種典型的高粘流體。研究表明，聚合物的長分子鏈由于流動而受到拉伸作用，但是流動變化引起聚合物分子的變形需要一定的松弛時間才能恢復(fù)，彈性勢能因此儲存在了受到拉伸作用的聚合物分子鏈中，并最終在流動的旋渦結(jié)構(gòu)中釋放，這種勢能的釋放就會誘發(fā)聚合物流體的流動不穩(wěn)定[11]。

圖3 T-C流動裝置

高粘的聚合物溶液流動時出現(xiàn)的Weissenberg效應(yīng)，可以說是一種典型的流體彈性誘發(fā)的不穩(wěn)定現(xiàn)象。當(dāng)采用Fann 50SL進(jìn)行測試時，由于外筒的高速旋轉(zhuǎn)帶動聚合物流體產(chǎn)生了強(qiáng)烈的剪切流動，其周圍的聚合物分子在周向曲線流動方向受到劇烈的拉伸作用，把這些受到強(qiáng)烈拉伸作用的分子與向外擴(kuò)張的橡皮筋類比，其必然會產(chǎn)生一個反向的環(huán)向應(yīng)力，該應(yīng)力的存在使得流體向圓柱軸心方向流動，碰到圓柱表面便沿著表面向上爬[12]，其上爬原理如圖4所示。一旦開始上爬，由于高粘流體的分子間的作用力相互拉扯，就會逐步上移，速度越快，時間越久，爬桿問題越明顯。

圖4 聚合物流體Weissenberg效應(yīng)的產(chǎn)生

2 Fann 50SL高溫高壓流變儀測試原理分析

Fann 50SL高溫高壓流變儀是一款經(jīng)典的測量各類流體粘度的設(shè)備，其主要用于測量各類流體在高溫高壓狀態(tài)下的流變性能。該設(shè)備測試溫度最高260 ℃，測試壓力最高1000 psi(6.90 MPa)，配合專用的測試軟件，能夠自動進(jìn)行實驗過程，具有簡單方便、性能可靠的特點。

Fann 50SL的粘度測試原理與Fann 35直讀式旋轉(zhuǎn)粘度計相同，具體原理見圖5。整個結(jié)構(gòu)由彈簧、傳感器、軸和內(nèi)外筒組成，外筒由高精度的驅(qū)動電機(jī)帶動，可以控制其在固定的轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn)，內(nèi)筒固定在軸上，軸上端連接著扭力彈簧。測試時在電機(jī)驅(qū)動下，外筒以固定轉(zhuǎn)速帶動流體旋轉(zhuǎn)；流體旋轉(zhuǎn)過程中會產(chǎn)生剪切應(yīng)力，作用在內(nèi)筒上，使得內(nèi)筒帶動軸產(chǎn)生一定的偏角，通過傳感器測量偏角就能夠計算出在該剪切速率下的剪切應(yīng)力的大小，根據(jù)流體力學(xué)給出的計算公式，流體的粘度即為剪切應(yīng)力與剪切速率的比值。

圖5 Fann 50SL粘度測試原理示意圖

根據(jù)測試原理可得流體粘度η：

η=τ/γ=KΘ(R02-R12)/(4πωLR02R12)

式中：K——彈簧的勁度系數(shù)，dyne·cm/(°)；Θ——扭力彈簧的角度，(°)；R0——樣品杯的半徑，m；R1——內(nèi)筒的半徑，m；ω——杯體旋轉(zhuǎn)的角速度，s-1；L——內(nèi)筒的長度，m。

上式中R0為1.8415 cm，一般為定值。表1中給出了常用的幾種彈簧的K值和內(nèi)筒的尺寸(L、R1)，通過改變上述參數(shù)能夠得到不同的流體粘度測量范圍。

采用Fann 50SL進(jìn)行流體粘度測試時，測試前整個杯體內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖6所示，當(dāng)外筒以一定的角速度ω旋轉(zhuǎn)時，由于高粘的聚合物流體的Weissenberg效應(yīng)，導(dǎo)致流體通過內(nèi)筒爬到了杯體的上部，并沿著軸逐步往上躥，見圖7。該問題的出現(xiàn)會導(dǎo)致測試數(shù)據(jù)出現(xiàn)一定的偏差：首先高粘的聚合物流體爬到了內(nèi)筒的上部，導(dǎo)致實際流體與內(nèi)筒的接觸面積變小，根據(jù)Fann50SL的測量計算公式，這會對粘度的測試結(jié)果產(chǎn)生影響；聚合物分子爬到軸后會纏繞在軸上面，這部分殘留的聚合物也會對軸的扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生一定的阻力，導(dǎo)致上部的彈簧的扭力測試值不準(zhǔn)。最終這些影響因素會導(dǎo)致用戶在使用Fann 50SL測試高粘流體時出現(xiàn)測試數(shù)據(jù)不夠準(zhǔn)確，實驗重復(fù)性較差的問題。

表1 Fann 50SL常用彈簧及內(nèi)外筒尺寸組合

圖6測試前杯體內(nèi)部狀態(tài)圖7旋轉(zhuǎn)過程中杯體內(nèi)部狀態(tài)

而且上躥的聚合物液體極易進(jìn)入軸部的大小軸承中，導(dǎo)致軸承腐蝕嚴(yán)重，軸承摩擦力變大，會在出現(xiàn)測試軟件上初始扭矩不歸零的問題，也會導(dǎo)致測試過程中扭力彈簧的測量值出現(xiàn)較大偏差。長期測試高粘流體會腐蝕軸承導(dǎo)致軸承壞死，降低設(shè)備的使用壽命，嚴(yán)重的情況下會燒毀電機(jī)，實際測試過程中出現(xiàn)的問題見圖8～10。

3 爬桿問題的解決辦法探討

通過對高粘流體的流動特性分析，可以看出爬桿效應(yīng)是這類流體的固有特性，在高剪切速率條件下，這類聚合物流體不可避免地會沿著內(nèi)筒上躥。采用Fann 50SL進(jìn)行測試時候，如何盡可能地減少流體上躥是解決這一問題的關(guān)鍵。

設(shè)計了一種防爬桿的卡套，原理圖與實物圖見圖11和圖12?？ㄌ字苯庸潭ㄔ谳S上，與外軸間有一定的余量，不會對軸的扭動產(chǎn)生影響。當(dāng)液體沿桿爬到卡套位置時就會被擋住，從而阻止了聚合物的上躥?？ㄌ撞捎镁鬯姆蚁┎牧希哂辛己玫哪蜏啬透g性能，適合測試各類流體高溫高壓下的流變性能。該結(jié)構(gòu)具有簡單實用，方便安裝與拆卸，能夠阻止大部分的流體上躥的優(yōu)點；不足之處是測試時間比較長時，會有少量的流體通過間隙爬到上部。

圖8高粘聚合物流體上躥圖9小軸承被腐蝕

圖10 大軸承銹死

圖11 防爬桿卡套原理圖

圖12 防爬桿卡套實物圖

為此，設(shè)計了另外一種螺旋防爬桿結(jié)構(gòu)，原理圖與實物圖見圖13和圖14。該結(jié)構(gòu)采用反扣螺紋，旋轉(zhuǎn)時，聚合物流體通過反扣螺紋時候，螺紋在旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生較大的向下的作用力自動帶著液體向下走，從而達(dá)到阻止流體上爬的作用。該結(jié)構(gòu)對于低粘與中粘流體在轉(zhuǎn)速較低時能夠發(fā)揮良好的效果，上躥流體極少，但對于高粘流體在較高速度長時間旋轉(zhuǎn)時，還是會有少量樣品上躥。

圖13 螺旋防爬桿結(jié)構(gòu)原理示意圖

圖14 螺旋防爬桿結(jié)構(gòu)實物

采用上述的卡套結(jié)構(gòu)，選擇一種高粘流體進(jìn)行Fann 50SL高溫高壓流體性能測試，選擇測試溫度為90 ℃，測試壓力600 psi(4.14 MPa)，測試時間為1 h，測試結(jié)果見圖15。由圖15可以看出，該流體粘度高達(dá)1000 mPa·s以上，屬于典型的高粘流體。實驗結(jié)束后，取出卡套，發(fā)現(xiàn)軸上方的流體較少，防爬桿效果較好。

實際測試數(shù)據(jù)有一定波動，可能與杯體中的粘彈性較強(qiáng)的高粘流體流態(tài)不穩(wěn)定有關(guān)系，但整體來看粘度的變化趨勢明顯，而且實驗結(jié)束后發(fā)現(xiàn)測試流體基本都在杯體內(nèi)部，上躥的流體較少，實驗數(shù)據(jù)具有較好的可信度。

圖15加上卡套后測試高粘流體實驗結(jié)果

4 結(jié)論與展望

(1)通過設(shè)計卡套與螺旋防爬桿結(jié)構(gòu)，能夠有效地防止或減輕高粘流體的上躥，提高實驗的準(zhǔn)確性和重復(fù)性。

(2)使用Fann 50SL測試高粘流體樣品，一定要注意控制樣品的加量，過量的液體易導(dǎo)致上躥；實驗結(jié)束后一定要及時把上躥的流體清理干凈，定期檢查并更換相關(guān)配件，這樣才能提高設(shè)備的使用壽命。

(3)Fann 50SL采用氣體加壓方式，為了防止高粘流體樣品的上躥，需要加裝防樣品爬桿裝置。也可選擇使用Fann iX77高溫高壓流變儀，該設(shè)備采用液壓油加壓，密閉效果好，能夠有效地防止樣品爬桿。

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MechanismResearchonUpwardClimbinginHighViscosityFluidTestingbyFann50SLandtheSolution

DENGDu-du,ZHAOJian-gang,CHENYan-bin,SHIKai,WANGQi,LIJin,XUYun-bo,WANGXue-zhu

(Beijing Institute of Exploration Engineering, Beijing 100083, China)

As classic drilling fluid rheological properties test instrument, Fann 50SL HTHP (high temperature and high pressure) rheometer has played a great role in the research and development of high temperature drilling fluid system. But the fluid is prone to climb upward when the original Fann 50SL HTHP rheometer is used to test rheological properties of high viscosity fluid, which will result in inaccurate test data and poor reproducibility of experiment, and even polluted bearing lead to serious problems of bearing rust and driving motor burning. Through the analysis on the flow characteristics of the high viscosity fluid and the measuring principle of Fann 50SL, the reasons influencing the accuracy of test data are found out, on this basis, 2 kinds of prevent-climbing structures are designed and installed on Fann 50SL HTHP rheometer, the climbing upward is effectively solved.

rheological properties; high viscosity fluid; climbing upward effect; HTHP rheometer

2017-04-20

國家科技部重大科學(xué)設(shè)備開發(fā)專項“超高溫高壓鉆井液流變儀的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化”(編號：2012YQ050242)

鄧都都，男，漢族，1989年生，碩士，地質(zhì)工程專業(yè)，從事鉆井液儀器研發(fā)與鉆井液性能測試等研究工作，北京市海淀區(qū)學(xué)院路29號探工樓102室，duducugb@163.com。

P634.6

A

1672-7428(2017)10-0079-05