用于钻井堵漏的特种凝胶屈服应力研究

摘 要

摘要：特种凝胶是一种处理钻井恶性漏失的堵漏剂，其屈服应力与凝胶的可泵性、施工管线的安全性和在地层的堵漏效果等密切相关。为此，采用先进的HAKKE RS6000流变性锥板系统及锯齿
摘要：特种凝胶是一种处理钻井恶性漏失的堵漏剂，其屈服应力与凝胶的可泵性、施工管线的安全性和在地层的堵漏效果等密切相关。为此，采用先进的HAKKE RS6000流变性锥板系统及锯齿板系统研究了特种凝胶(ZND-2)的屈服应力，分析了稳态方法和动态方法测试之间的关系，并与钻井液常用屈服应力评价方法的结果进行了对比，还分析研究了屈服应力恢复与时间的关系。结果表明，选用控制应力模式的应变-应力双对数曲线拐点和应力扫描测试的线性黏弹区与非线性黏弹区界限能够准确的获取凝胶的屈服应力，凝胶屈服应力在温度低于50℃时随温度增加而小幅增加，屈服应力在剪切作用停止后恢复速度快，是有利于堵漏成功的因素。
关键词：井漏；堵漏；黏弹性凝胶；屈服应力；剪切作用；堵漏效果
0 引言
    特种凝胶是一种处理恶性漏失的堵漏剂，具有强内聚力、高黏度、剪切稀释性能和强触变性等特点，曾成功地处理了钻井工程中十余口井的恶性井漏和双庙1井、罗家2井和徐深8-平1井等3口高难度“喷漏”同存复杂井[1～2]。屈服应力是特种凝胶触变性的一个重要参数，屈服应力，也称屈服值或屈服点，屈服应力是一个应力界限，低于此应力时样品表现为固体，施加应力时样品像弹簧一样发生形变；而一旦应力除去，应变则完全消失。屈服应力严重影响流体流动时等速核(柱塞)的宽度，而此柱塞对流体的驱替性质有重要的影响[3]。凝胶的屈服应力测量方法分为稳态测试和动态测试两大类。稳态测试指通过对样品施加设定的剪切应力或剪切速率产生稳态流动，获取样品的剪切应变、表观黏度等参数，然后判断样品的屈服值[4]。稳态测试屈服应力包括两种方式：控制应力(CS)模式测量的流动曲线应力-应变双对数拐点法；控制剪切速率(CR)模式流动曲线拐点法[5]。动态测试包括：①固定频率时对样品进行应力扫描绘制弹性应力-应变关系曲线，视最大弹性为屈服值[6]；②蠕变回复测试时，样品在恒定应力下长时间作用，在低于样品的屈服值时，样品达到一个恒定应变，高于屈服值时，应变-时间曲线按恒定斜率增加[7]；③储能模量(G′)和耗能模量(G″)的交点[8]。此外，钻井液评价屈服值采用范氏旋转黏度计(属CR模式)，用600rad/min高速搅拌后静置10s和10min时的3rad/min的最大剪切应力分别作为样品的初始屈服值和最终屈服值[9]。
1 凝胶屈服值的测试
1.1 范氏旋转黏度计法
范氏旋转黏度计测试的1.2%ZND-2的流变数据如图1所示，采用带屈服值的假塑性流变模式回归得到的相关系数高，回归计算得到的30℃、50℃的屈服值分别为28.08Pa、28.67Pa；而采用钻井液静屈服值测量方法得到的10min屈服值分别为33.5Pa和41Pa，高于回归方法得到的屈服值。受量程限制，此法不能测更高浓度的凝胶ZND2。
 

1.2 流变仪测量法
1.2.1应力幅度扫描
使用RS6000型流变仪，采用锥板C60/1转子系统，固定频率1Hz，应力幅度扫描0～60Pa，样品在加热到待测温度时恒温10min(以下同)。1.2%ZND-2的应力扫描曲线(见图2)的储能模量大于耗能模量，表明凝胶弹性高于黏性，属于黏弹性流体。储能模量(G′)平行于横坐标，直到τ0=4.55Pa时才开始明显偏离G′=0.54Pa的恒定值。线性黏弹区限定为G′=0.54Pa以内，此种方法认为线性黏弹区和非线性黏弹区的界限为样品的屈服值。
 

1.2.2 CS模式测量
    CS模式下(图3)，剪切应变(γ)-剪切应力(τ)双对数坐标拐点求得的1.5%凝胶ZND-2在30℃和50℃时的屈服值分别为5.992Pa、6.977Pa。采用CS模式测量时，在低剪切应力下，凝胶表现出一个明显黏度(表观黏度η)平台，当施加的应力接近屈服值时，黏度下降加快，一般认为，在对数坐标下黏度曲线的陡然下降(-40°～-45°)时，认为此时黏度所对应的剪切应力为屈服应力，应变曲线拐点与黏度曲线陡降段具有一致性，但在很低剪切速率下测量高黏高弹性的凝胶材料时测的黏度数据不稳定，易产生波动[8]。
 

1.2.3 CR模式测量
    采用CR模式测量结果如图4所示，在低剪切速率(γ)区域得到的应力、应变和黏度数据比CS模式在低应力区域得到的稳定，黏度先增加，表现出一个较为稳定的平台，然后黏度急剧下降，黏度开始陡降处所对应的剪切应力即为屈服值。流动曲线测试结果见图5，将流动曲线明显偏离Y轴时的剪切应力定义为屈服值，其值经常比CS方式测得到的屈服值高。
 

2 测试结果与分析
2.1 不同方法测得屈服值结果对比分析
    不同方法测得屈服值结果见表1。采用应力幅度扫描的G′与G″交点对应的屈服值均远高于RS6000流变仪其他方法的测量结果，其偏高幅度高于本文参考文献[8]报道的40%。通过CR模式测得的屈服值数比CS模式测得的屈服值较高；采用流动曲线得到的屈服值均高于CS模式和CR模式得到的屈服值；评价钻井液用的范氏6速旋转黏度计的10min静屈服应力值最大，回归曲线外推法测量得到的屈服值介于G′和G″交点法和10min静切力之间。线性黏弹区与非线性黏弹区交点得到的屈服值，与CS模式测得的屈服值比较接近，其原理均为：当对样品施加应力在低于屈服值时，样品表现类似固体；而高于屈服值时，样品产生的形变不能完全恢复，发生流动。
表1 不同方法得到的屈服值表
ZND-2浓度
温度/℃
应力幅度扫描
CS/Pa
CR/Pa
流动曲线/Pa
钻井液用旋转黏度计
线性黏弹区界限/Pa
G′和G″交点/Pa
曲线外推/Pa
静切力法/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 壁面滑移的影响
    考虑了壁面光滑程度对屈服值的影响，采用了锯齿状平板转子测量凝胶的屈服值(见图6)，光滑锥板和锯齿状板线性黏弹区与非线性黏弹区交点对应的1.8%凝胶ZND2的屈服值为16.77Pa和24.56Pa，屈服值差为46.5%。而锯齿状平板转子选用CS模式和CR模式在低应力和低剪切速率范围内得到的数值波动到剧烈，数值不稳定[10]。
 

2.3 屈服应力恢复速度
    实验考察了凝胶结构回复与时间的关系，凝胶的屈服应力(τy)与时间(t)的关系，如图7所示，在较短的时间内，凝胶的切力可以很快的恢复到一个较高的值，随着时间的延长逐渐增加到最大值。凝胶的结构恢复快，有利于堵漏。

3 结论
    1) 选用CS控制应力模式测量特种凝胶的屈服值符合屈服值定义，通过应变一应力双对数曲线拐点能够准确的判断凝胶样品的屈服值。
    2) 选用应力幅度扫描线性黏弹区与非线性黏弹区界限得到的屈服值能够客观反映特种凝胶的屈服特性。
3) 温度对特种凝胶的样品产生了一定的影响，随温度的升高，屈服值增加，温度从30℃上升到50℃，屈服值增加幅度为10%～30%，特种凝胶的屈服值恢复速度较快，有利于成功堵漏。
参考文献
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[2] 王平全，聂勋勇，张新民，等.特种凝胶在处理“井漏井喷”中的应用[J].天然气工业，2008，28(6)：81-82.
[3] 李兆敏，张平，董贤勇，等.屈服假塑性流体轴向同心环空中速度及温度分布研究[J].水动力学研究与进展，2004，19(1)：31-37.
[4] GEBHARD SCHRAMM.实用流变测量学[M].修订版.朱怀江，译.北京：石油工业出版社，2009.
[5] NGUYEN Q D，BOGER D V. Yield stress measurement for concentrated suspensions[J].Journal of Rheology，1983(27)：321-349.
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[7] HUSBAND D M，AKSEL N，GLEISSLE W. The existence of static yield stresses in suspensions containing noncolloidal particles[J].Journal of Rheology，1993(37)：215-235.
[8] SHIH W Y，SHIH W H，AKSAY I. Elastic and yield behavior of strongly flocculated colloids[J].Journal of the American Ceramic Society，1999(82)：616-624.
[9] 黄汉仁，杨昆鹏，罗平亚.泥浆工艺原理[M].北京：石油工业出版社，1981.
[10] WALLS H J，CAINES B，ANGELICA M S，et al. Yield stress and wall slip phenomena in colloidal silica gels[J]. Journal of Rheology，2003，47(4)：847-868.
 
(本文作者：聂勋勇1 王平全1 罗平亚2 1.西南石油大学石油工程学院；2.“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室·西南石油大学)