Brookfield粘度計及流變儀在石油行業(yè)的應(yīng)用

Brookfield粘度計及流變儀石油行業(yè)中的幾種流體及其性質(zhì)
1、鉆井液
鉆井是石油天然氣開采的重要環(huán)節(jié)，為了保證高效、**的鉆井，防止井漏和井噴，需要再鉆井過程中采用鉆井液，鉆井液現(xiàn)在已經(jīng)成為油井的命脈。鉆井液是一種粘稠的、泥漿狀的水和泥土的混合物，鉆井工人用泵將它送入鉆孔中。鉆井液如今仍被稱作泥漿，但工程師們已不再只依賴水和泥土作為鉆井液的原料。他們對混合物的成分進(jìn)行精心調(diào)配，以滿足各種鉆探條件下的具體需要。在石油天然氣鉆井工程中所使用的鉆井液一般都具有剪切稀釋能力和良好的觸變性。高剪切速率下鉆井液在鉆頭噴嘴處的粘度就越低，越有利于高壓噴射鉆井，而在低剪切速率時(環(huán)空內(nèi))粘度又將增加，切力增大，有利于帶砂、攜屑。鉆井液要有良好的觸變性，在泥漿停止循環(huán)時，剪切力能較快地增大到某個適當(dāng)?shù)臄?shù)值，即有利于鉆屑的懸浮，又不至于靜置后開泵的泵壓過高。隨著深井技術(shù)的發(fā)展，鉆井深度不斷增加，井內(nèi)水泥漿承受的溫度、壓力越來越高，鉆井液在高溫高壓下的流變性能的研究也越來越多。
在國內(nèi)外石油鉆井工程中，使用較多的是含有膨潤土的鉆井液，然而該鉆井液中微細(xì)的粘土顆粒很容易浸入儲層，使儲層滲透率大大降低，對保護(hù)儲層不利。雖然可以通過酸化的辦法來恢復(fù)滲透率，但酸化后效果并不明顯，尤其對于酸敏感性儲層，根本就不能使用這種方法。因此有人研究開發(fā)出新型的無粘土弱凝膠鉆井液體系以保護(hù)油氣層。這種鉆井液是使用了穩(wěn)定性較好的上等聚合物，不含粘土，但在低剪切速率下（如0.0636s-1）具有很高的粘度（10000-50000mPa.s），這種弱凝膠可以通過加入適當(dāng)?shù)难趸瘎┻M(jìn)行破膠降解，使儲層的滲透率恢復(fù)80%以上，從而使油層段免遭損害。
近年，一項新的**衡鉆井技術(shù)使用“微泡”---非聚集且可循環(huán)使用的可產(chǎn)生比水的密度還低的泥漿體系，可以減少水平井底層傷害。這些被稱作“Aphrons”的泡體被用于無注入空氣或氣體的泥漿體系中。在此條件下，Aphrons作為獨立的一相與一種被多層液體膜包裹著的氣體或空氣一同存在。該液體膜是保持這種微泡強(qiáng)度的關(guān)鍵，它可使Aphrons作為一穩(wěn)定的泥漿密度還原機(jī)制而起作用。一種表面活性劑被用于產(chǎn)生表面張力以便在微泡形成時能包裹Aphrons，建立起多層泡沫墻，并且產(chǎn)生界面張力，以將Aphrons橋接進(jìn)入一個具有創(chuàng)建井下橋堵能力的網(wǎng)絡(luò)。為了取得*佳的使用效率，使用一種高屈服應(yīng)力和剪切變稀的聚合物，使Aphrons在鉆井液中十分穩(wěn)定。這種聚合物能有效地粘合那些用來分隔和環(huán)繞在Aphrons核心周圍微泡膜中的水的隔膜。這一突出特性允許他們?nèi)サ种茐嚎s和膨脹，并因此在井下產(chǎn)生效能和具有可循環(huán)的能力。研究發(fā)現(xiàn)一種叫黃原膠的生物聚合物是穩(wěn)定鉆井液中Aphrons*有效的物質(zhì)。這種低剪切率粘度物質(zhì)過去常被用于清潔井孔，攜帶巖屑懸浮物和流體浸入控制以及保護(hù)Aphrons穩(wěn)定性方面。
2、壓裂液
目前作為油氣井*常規(guī)的壓裂增產(chǎn)技術(shù)，壓裂已應(yīng)用半個世紀(jì)了。該技術(shù)是利用地面高壓泵組(即壓裂車組)將具有一定的粘度的壓裂液以高壓大排量沿井筒注入油氣層，使注入速度大于油氣層的吸入速度，在井底附近憋起高壓，當(dāng)此壓力逐漸增大到超過井壁附近的地應(yīng)力和巖石的抗張強(qiáng)度后，油氣層就會在*薄弱的地方開始破裂形成裂縫，繼續(xù)注入攜帶有固體顆粒支撐劑的液體擴(kuò)展裂縫并使之充填支撐劑，停泵后在地層中形成一條具有足夠長度、寬度和高度的填砂裂縫。擴(kuò)大了油氣水的滲濾面積，從而起到了增產(chǎn)增注的目的。壓裂液主要有油基壓裂液和水基壓裂液。一般地，壓裂后增產(chǎn)效果除了與設(shè)備等因素有關(guān)之外，都與壓裂液的性質(zhì)有直接關(guān)系。壓裂液要具有低的濾失量、較好的懸砂性能、摩阻損失少、性能穩(wěn)定，以及良好的流變性等等。濾失性能、懸浮性能、摩阻損失等性能都與壓裂液的粘度關(guān)系很大。一般來說，粘度越大，濾失量越小，懸浮性能越好，如果是油基壓裂液的話，粘度大摩阻損失也會較大。所以在壓裂液的生產(chǎn)使用過程中，粘度是重要的測試指標(biāo)。另外壓裂液還必須具有良好的破膠化水性，以提高壓裂液的返排率，減少對儲層的傷害。
3、聚合物驅(qū)油
目前我國大慶、勝利、中原、華北、大港等大型油田均已進(jìn)入開采中后期，采出油含水率高達(dá)90%，所以必需提高石油的采收率。所以國內(nèi)很多石油企業(yè)和研究單位采用了聚合物驅(qū)油。這類聚合物在油藏條件下，必需具有優(yōu)良的增黏性能，而且在溫度、壓力及鹽的作用下要有高的黏度保持率。現(xiàn)在國內(nèi)使用的驅(qū)油聚合物主要是聚丙烯酰胺(PAM)及部分水解的聚丙烯酰胺(HPAM)，其驅(qū)油機(jī)理是聚合物水溶液在很低的濃度下具有很高的黏度以降低水相的滲透率，控制水的流動度，改善流度比，提高波及系數(shù)，*終達(dá)到提高原油采收率的目的。聚合物溶液的增稠效果、零切粘度和剪切變稀特性等流變參數(shù)都對其在多孔介質(zhì)中的流變行為和傳輸性質(zhì)有很大的影響，所以測定聚合物溶液的流變參數(shù)很重要。
4、稠油的開采
地球上稠油的可采儲藏量非常豐富，但由于其粘度大、密度高、可流動性差而不能用常規(guī)方法開采。稠油沿井筒向上流動過程中，隨溫度、壓力的降低，原油粘度增加，流動阻力增大，其流動性進(jìn)一步變差。因此，稠油油井在將原油舉升至地面的過程中，常出現(xiàn)泵效較低、懸點載荷變化大和調(diào)參等問題。為了實現(xiàn)稠油的高效開采，無論是常規(guī)抽油機(jī)井，還是采用了井筒電加熱或摻稀油等措施后得抽油機(jī)井，急待解決的是原油在井筒中的流動問題。稠油的開采關(guān)鍵是降粘、降磨阻、改善流動性。國內(nèi)外提出的開采技術(shù)有：熱采法（包括蒸氣驅(qū)、蒸氣吞吐、熱水驅(qū)），清油稀釋、乳化降粘、微生物采油、火燒油層、催化裂化等。近年來乳化降粘法的研究很活躍，粘度計、流變儀就成為很重要的研究工具。稠油是典型的非牛頓流體，冪律流型和賓漢流型基本包括了所有的稠油油藏類型。正是由于稠油的非牛頓流體特性，使得開采稠油十分困難。稠油油田的開采，大部分是在含水期采出的，井筒中由于水的存在，一方面將形成油水乳狀液，增加原油在井筒中流動時的粘度；另一方面，游離水的存在將減小稠油在井筒中流動時的粘度。這兩方面因素的作用主要取決于油水混合物的乳化程度。
5、微生物采油
微生物采油是利用微生物的活動及其代謝進(jìn)行強(qiáng)化采油的技術(shù)，近年該技術(shù)在國內(nèi)各油田發(fā)展很快。其基本方法是將經(jīng)過專門篩選和培養(yǎng)的微生物注入油層，微生物利用原油中的碳源為營養(yǎng)物在油層中繁殖和運移，產(chǎn)生多種代謝物，從而有利于改善水驅(qū)后剩余油的才出。提高油藏*終采收率。
作用機(jī)理是將微生物注入井眼或地層，通過微生物的繁殖代謝產(chǎn)生的分解酶類對原油進(jìn)行降解，能夠直接將原油中長鏈碳?xì)浠衔锝到鉃槎替溙細(xì)浠衔铮档驮驼扯龋纳圃驮诘叵碌牧鲃有浴Ｎ⑸镌谟筒刂械男玛惔x過程，還產(chǎn)生大量的生物產(chǎn)物（甲酸、乙酸等）、表面活性劑、有機(jī)溶劑、聚合物等。有機(jī)酸類能溶蝕油藏的碳酸鹽，進(jìn)而擴(kuò)大裂隙和通道，提高地層滲透率。代謝產(chǎn)生的生物表面活性劑能降低油水界面張力。改變油層巖石界面的潤濕性，并乳化原油，促使殘余油的流動，改善巖石對原油的相對滲透性，提高驅(qū)油率。微生物在新生代謝中還會產(chǎn)生一定量的氣體（CO2、CH4、H2、N2）等，這些氣體能夠恢復(fù)和提高地層壓力，降低流體粘度，有利于驅(qū)替滯留在“死空間”的原油發(fā)生流動。
6、原油儲運
原油流變性是儲存和管道運輸工藝設(shè)計的重要參數(shù)。原油儲存輸送過程中，由于粘
度過高，通常需要降粘，改變其流變學(xué)特性，以方便儲存和運輸，同時也能控制輸油的
能耗。流變學(xué)的表征就是通過粘度來表征的。
目前,國內(nèi)外一般采用加入分散劑或降粘劑來降低稠油在開采和輸送過程中的流動阻力,提高輸送效率。在原油的開采和輸送中,減阻劑是指能降低原油在流動過程中流動阻力的一類活性物質(zhì)的總稱。一般情況,可分為原油摻水減阻,稱之為乳化降粘,所用的活性劑稱為降粘劑(viscosityreducer)。原油不摻水減阻通常稱之為原油本體分散減阻,所用的活性劑稱之原油分散劑(dispersant)。另外,還有一類減阻劑稱之為降摩阻劑(frictionalreducer)。降摩阻劑與降粘劑和分散劑不同之處在于,降摩阻劑一般不摻水或摻少量水(5%～10%),通過改變原油和介質(zhì)表面的作用力,進(jìn)而減小原油的流動阻力。而乳化降粘一般摻水為30%左右,通過改變原油乳狀液的類型,使其轉(zhuǎn)變?yōu)橐运疄檫B續(xù)相,油為分散相的水包油的乳狀液,進(jìn)而降低在原油在流動過程中的阻力。在石油和天然氣混合管道運輸時，對油氣混合后流動性的影響以及對含石蠟原油的晰蠟點的研究很重要，用高溫高壓流變儀則可實現(xiàn)這方面的研究。
二、Brookfield 在石油流變學(xué)的測量方案
1、隨著深井技術(shù)的發(fā)展，鉆井深度不斷增加，井內(nèi)鉆井液/壓裂液/原油乳液受的溫度、壓力越來越高，高溫、高壓對鉆井液/壓裂液/原油乳液的流變性的影響越來越受到研究人員的重視。Brookfield的PVS流變儀可以對高溫高壓下的粘度進(jìn)行測量。具有以下優(yōu)點：輕便易攜帶，可以在現(xiàn)場工作；耐高溫高壓，可在－40℃－＋200℃的溫度范圍內(nèi)和壓力高達(dá)1000psi的高壓下測量樣品，特殊的Couette結(jié)構(gòu)可以使剪切高達(dá)1700s-1；在低剪切0.02s-1下可以測量；由于其樣品測量系統(tǒng)是封閉的，所以可以避免樣品揮發(fā)損失；堅固耐用，哈式合金樣品杯和轉(zhuǎn)子可以在惡劣環(huán)境下操作，有很好的抗腐蝕能力。
隨著凝膠聚合物在鉆井泥漿的應(yīng)用和“微泡”**衡鉆井技術(shù)的使用，使得鉆井技術(shù)得到了很大的提高。過去人們常用Fann35六速粘度計來測量低剪切速率粘度體系泥漿的凝膠強(qiáng)度，這就是馳預(yù)測量（RelaxationMeasurement），但這種測粘度值的方法不能直觀的評判凝膠的強(qiáng)度。隨著質(zhì)構(gòu)分析技術(shù)的越來越普及，現(xiàn)在有了新型的質(zhì)構(gòu)分析手段來進(jìn)行凝膠強(qiáng)度的直接評價。Brookfield的CT3質(zhì)構(gòu)儀就是一款特別適合測量凝膠強(qiáng)度的儀器，用于測試淀粉凝膠強(qiáng)度和面團(tuán)強(qiáng)度，其測試標(biāo)準(zhǔn)符合國際標(biāo)準(zhǔn)AOAC的Bloom實驗方法和中國標(biāo)準(zhǔn)GB6783。中國石油勘探院和勝利油田就已經(jīng)在近兩年買了Brookfield質(zhì)構(gòu)儀測量油田鉆井液中凝膠的強(qiáng)度。
2、聚合物溶液在實驗室內(nèi)進(jìn)行粘度測試和配方調(diào)試，可以采用LVDV-II+Pro 粘度計或
LVDV-III Ultra 流變儀。LVDV-II+Pro 粘度計或LVDV-IIIUltra流變儀均可以測量不同剪切轉(zhuǎn)速下的流體粘度，可以配合小量樣品適配器AULA等附件，應(yīng)用范圍更加廣泛，另外還
可通過計算機(jī)設(shè)定程序來進(jìn)行測量，LVDV-III Ultra流變儀單機(jī)也可以設(shè)定測量程序，通過計算機(jī)保存和分析數(shù)據(jù)，極大的方便了客戶。近年來，隨著各大油田日益開采，油量越來越少，開采越來越困難，采收率越來越低，人們不得不采用更粘稠的鉆井用聚合物來進(jìn)行驅(qū)油，我們發(fā)現(xiàn)用LV機(jī)型已經(jīng)不能滿足測試需要，慢慢地一些油田開始改用RV型號的粘度計，例如大慶、勝利和遼河油田。
3、Brookfield 的R/S流變儀可以通過控制剪切速率和剪切應(yīng)力兩種方式來測量鉆井液/壓裂液/聚合物溶液/原油的流變性，控制剪切應(yīng)力方式可以準(zhǔn)確測量屈服應(yīng)力，以及凝膠的蠕變性和彈性。測量流體在不同剪切速率/剪切應(yīng)力下的粘度變化，可以模擬各種工藝條件，通過所附帶的軟件進(jìn)行流體類型的分析，可以預(yù)測流體的流變學(xué)性質(zhì)，給生產(chǎn)更大的指導(dǎo)。
4、Brookfield TT系列在線粘度計可以測量支撐劑凝膠實時粘度，可以根據(jù)美國石油協(xié)會（API）指定的剪切速率511s-1測量方法進(jìn)行測量。另外，TT系列在線粘度計還具有耐高溫（260℃）高壓（500psi），測量剪切速率范圍大等優(yōu)點。如果在同樣條件下，TT在線粘度計測量所得數(shù)據(jù)可以和實驗室用粘度計測量數(shù)據(jù)相吻合。