安 琦，熊俊杰，張 宸

(中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司 天津 300452)

0 引 言

加砂壓裂技術(shù)是低滲透油氣田勘探開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)之一，而壓裂液體系的性能關(guān)乎整個壓裂施工作業(yè)成敗及壓裂效果，壓裂過程中要求壓裂液具有高的攜帶支撐劑的能力，及在不同的幾何空間、不同的流動狀態(tài)下優(yōu)良的承受破壞的能力[1-2]。因此，壓裂液耐溫耐剪切性能成為壓裂液評價中的重要指標(biāo)[3-4]。HAAKE RS6000流變儀是壓裂液測試的有效工具，能夠模擬壓裂液在地層溫度條件下的耐溫耐剪切性能測試。筆者在采用RS6000進行壓裂液的測試當(dāng)中，發(fā)現(xiàn)經(jīng)常出現(xiàn)幾個問題：1)測試溫度的控制有偏差；2)測試過程中剪切速率波動；3)測試粘度存在偏差。張翠林[5]在MCR 301流變儀使用過程中總結(jié)了油浴溫度要高于測量筒溫度的使用經(jīng)驗，實驗總結(jié)了流變儀溫度設(shè)置的修正值，但由于流變儀結(jié)構(gòu)的不同，溫度的修正值仍存在一定差異。本文對故障事例進行分析研究，提出了解決方案，有效解決了上述問題。

1 RS6000流變儀介紹及原理分析

RS6000流變儀是一臺高溫高壓流變儀，用于壓裂液的流變特性研究。RS6000流變儀由主機、油浴、壓力系統(tǒng)和計算機系統(tǒng)組成。通過計算機或油浴上的溫控器進行溫度控制，氮氣經(jīng)減壓閥，高壓管線直接連到測量筒，氮氣壓力的大小由手動調(diào)節(jié)減壓閥進行控制。

壓裂液在耐溫耐剪切測試過程中要求在恒定剪切速率下進行測試，由表觀粘度計算公式(1)可知，流體表觀粘度與剪切應(yīng)力成正比，與剪切速率成反比。在剪切速率出現(xiàn)波動的情況下，壓裂液粘度曲線與速率曲線呈現(xiàn)鏡像對稱狀態(tài)，如圖1所示，因此測量結(jié)果誤差較大。

(1)

式中，η為流體表觀粘度，Pa·s；τ為剪切應(yīng)力，Pa；γ為剪切速率，s-1。

圖1 流變儀剪切速率波動現(xiàn)象

2 溫度校準(zhǔn)

溫度是影響壓裂液性能的重要因素之一[6]。流變儀測定壓裂液的粘度測試顯示，隨著溫度升高，流變儀相對誤差變大，儀器間相對誤差在± 10% 以內(nèi)[7]。在壓裂液耐溫耐剪切性能測試中，溫度由油浴單元控制，通過保溫管線對保溫套筒加熱。油浴在循環(huán)過程中不可避免地存在著熱交換，會有一定的熱量損失，因此油浴溫度與測試壓裂液溫度存在一定的偏差。對油浴溫度和測試壓裂液溫度分別進行了20～160 ℃測試，測試結(jié)果如表1所示。

表1 RS6000流變儀油浴溫度與套筒溫度測試結(jié)果

從表1中可以看出，壓裂液性能測試時油浴溫度要稍高于測定溫度，即t設(shè)定=t測定+Δt，根據(jù)測試結(jié)果，Δt在0～2.5 ℃之間。

從安全的角度考慮，為了防止水和鹽酸的沸騰、揮發(fā)，當(dāng)測試溫度超過85 ℃時，應(yīng)當(dāng)對測量筒加上氮氣進行保護，加上1 MPa的氮氣可以起到很好的保護作用[5]。

3 剪切速率校準(zhǔn)

3.1 壓力單元測試原理

RS6000流變儀測試單元主要由外磁環(huán)、內(nèi)磁環(huán)、轉(zhuǎn)子以及密閉系統(tǒng)杯體等組成，測試轉(zhuǎn)子通過磁力耦合驅(qū)動壓力系統(tǒng)測量杯內(nèi)的轉(zhuǎn)子進行轉(zhuǎn)動，如圖2所示。外磁環(huán)為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)提供驅(qū)動力，密閉系統(tǒng)頂部與底部的寶石軸承為轉(zhuǎn)子提供支撐與定位。

圖2 RS6000流變儀密閉單元示意圖

外磁環(huán)與內(nèi)磁環(huán)之間產(chǎn)生的法向力(軸向力Fn)隨兩者相對距離的變化而變化，圖3為RS6000流變儀測量的軸向力Fn隨距離變化的關(guān)系，可以分為以下4個階段：

1)測量頭向下運動，磁環(huán)之間的磁力作用逐漸增強，當(dāng)軸向力Fn增加至足夠克服轉(zhuǎn)子重力G時，轉(zhuǎn)子在垂直方向上發(fā)生跳躍，從停靠在下部支撐球頭位置，跳至上部寶石軸承位置。

2)測量頭繼續(xù)向下運動，當(dāng)外磁環(huán)與內(nèi)磁環(huán)相對面達到50%重合時，磁力作用最強，軸向力達到最大值。

3)測量頭進一步下移，磁環(huán)之間磁力作用減弱。在外磁環(huán)與內(nèi)磁環(huán)相對面完全重合之前，轉(zhuǎn)子在磁力與重力作用下達到平衡，處于近似“懸浮”狀態(tài)(該過程轉(zhuǎn)子并非真正懸浮，只是上下支撐球頭與寶石軸承之間的壓緊程度相近)，此時軸向力出現(xiàn)一個平臺區(qū)。在該階段，理論上摩擦阻力最低，只存在于支撐球頭與寶石軸承最邊緣。

4)當(dāng)兩個磁環(huán)相對面完成重合時，轉(zhuǎn)子?？吭谙虏康闹吻蝾^上，磁力作用最弱，軸向力接近于0。

圖3 軸向力Fn隨距離變化的關(guān)系

通過以上分析可知，測量間隙Gap取決于外磁環(huán)與內(nèi)磁環(huán)在不同位置時的相互作用力即軸向力Fn?？赏ㄟ^調(diào)整測量間隙Gap值，使轉(zhuǎn)子達到平衡狀態(tài)，從而消除摩擦阻力對轉(zhuǎn)速的影響。

3.2 測量間隙Gap值的確定

3.2.1 軟件設(shè)置

選擇法向漸變(Axial Ramp)測試模塊，根據(jù)法向力Fn的變化，確定合適的測量間隙Gap值范圍。在控制界面選中Go to standby position at 15 mm。雙擊法向-漸變圖標(biāo)(Axial-Ramp)，間隙起始位置和結(jié)束位置分別為20 mm和0.5 mm，剪切速率200 s-1，Duration處設(shè)置t為600 s(參考值)，溫度以實際測試溫度為準(zhǔn)。

3.2.2 試驗與數(shù)據(jù)處理

將密閉系統(tǒng)安裝至保溫套筒，對設(shè)備完成調(diào)零后，將帶有內(nèi)磁環(huán)的轉(zhuǎn)子放入測量杯中，加入待測樣品進行法向漸變掃描測試。

測試結(jié)束后，通過RheoWin Date Manager軟件打開測試數(shù)據(jù)，將坐標(biāo)軸設(shè)置為：x軸為間隙h，y軸為法向力Fn和扭矩值M。如圖4所示，測試結(jié)果顯示測量間隙一般在1～2.9 mm之間選擇，將轉(zhuǎn)子的參數(shù)里面的Distance值修改為該值。

圖4 轉(zhuǎn)子Gap值測試結(jié)果

3.3 校正效果

通過對測試溫控系統(tǒng)、測試單元及轉(zhuǎn)子參數(shù)的優(yōu)化，提高了壓裂液在耐溫耐剪切測試中的準(zhǔn)確性，測量結(jié)果及數(shù)據(jù)有了明顯改善，見圖5所示。

圖5 校正后的壓裂液流變曲線

4 磨阻校準(zhǔn)

4.1 磨阻對測量結(jié)果的影響

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)DIN 53019 《粘度測定法用旋轉(zhuǎn)粘度計測量粘度和流量曲線》，對于圓筒旋轉(zhuǎn)粘度計，采用典型粘度法求值，在考慮摩擦扭矩的情況下，剪切速率、剪切應(yīng)力由下式給出[8]：

(2)

(3)

(4)

轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，寶石軸承會產(chǎn)生額外的、跟轉(zhuǎn)速成正比的摩擦扭矩，會使測試結(jié)果比實際值偏大，尤其是在測量低粘壓裂液的時候，錯誤來源不可忽略。

4.2 磨阻校準(zhǔn)參數(shù)的計算

在軟件中正確選擇測量轉(zhuǎn)子、溫度控制單元，采用“stationary flow curve (CS/CR-rotation step)”方法進行測試。測試結(jié)束后，通過RheoWin Date Manager軟件打開測試數(shù)據(jù)，將坐標(biāo)軸設(shè)置為：x軸為轉(zhuǎn)速Ω，y軸為扭矩值M，得到扭矩隨轉(zhuǎn)速變化的曲線，如圖6所示。

對測試曲線進行回歸擬合，一般用y=ax2+bx+c來回歸，得到擬合參數(shù)a，b，c，如本例中測得的a=0.004 024,b=1.070，c=165.2。一般參數(shù)c對測試的影響最大，可以通過標(biāo)準(zhǔn)油的測試對擬合參數(shù)進行調(diào)整。

圖6 擬合參數(shù)曲線

5 結(jié) 論

1)對HAAKE RS6000流變儀的溫度偏差進行了試驗分析，測試結(jié)果顯示t設(shè)定=t測定+Δt，Δt在0～2.5 ℃之間，采用流變儀進行測量過程中可設(shè)置附加溫度。

2)HAAKE RS6000在壓裂液耐溫耐剪切性能測試中出現(xiàn)剪切速率不穩(wěn)定或上下波動的現(xiàn)象，可以通過測量間隙Gap值進行校正，Gap值一般在1～2.9 mm之間。

3)為了得到更好的測量結(jié)果，轉(zhuǎn)子與軸承的磨阻有必要考慮，通過采用“stationary flow curve (CS/CR-rotation step)”方法校準(zhǔn)參數(shù)a、b、c值，從而達到了校準(zhǔn)摩阻的目的，減少了摩阻對粘度的影響。