一种钻井液沉降稳定性评价装置及方法与流程

本发明属于石油钻井液体测量领域，尤其涉及一种钻井液沉降稳定性评价装置及方法，可用于现场及室内测量钻井液的沉降稳定性。

背景技术：

随着石油勘探开发不断向深部地层进展，深井，高压井数量也逐渐增多，所需钻井液的密度也越来越高，经常需要密度在2.0g/cm³以上的高密度钻井液，甚至是密度超过3.0g/cm³以上的超高密度钻井液。配制此类钻井液时通常采取加入固体加重材料的方法来提高钻井液的密度，常用材料有重晶石、碳酸钙、铁矿粉等，其中重晶石因为其低廉的价格、较高的密度（可达4.2g/cm³以上）以及较低的硬度而成为使用最多的加重材料。在配制高密度和超高密度钻井液时，需要加入接近或者超过钻井液本身质量的加重材料，例如，将1m³密度为1.10g/cm³的钻井液加重至2.0g/cm³，需要加入密度为4.2g/cm³的重晶石1.72吨。如此大数量的重晶石加入钻井液中后极易因重力作用发生沉降，同时为了减轻大量固相颗粒加入后造成的粘切升高，配制高密度或超高密度钻井液时往往需要加入稀释剂，以恢复良好的流变性，这使得钻井液中的结构进一步被破坏，悬浮能力下降，加剧了加重材料的沉降。

高密度钻井液中加重材料的沉降不仅造成了资源的浪费，也会对钻井施工带来严重的影响。在直井中，加重材料的沉降会掩埋下部钻具，从而引发卡钻，另外紧密堆积的加重材料还会形成人工井底导致井眼报废；在定向井、水平井尤其是大位移水平井中，斜井段和水平段加重材料的沉降大大加大了井眼清洁的难度，严重影响完井和固井的质量。因此，在钻井液现场施工中，如何快速有效的评价钻井液特别是高密度及超高密度钻井液的沉降稳定性就变得尤为重要。

目前石油工业对于钻井液沉降稳定性的评价方法有很多，针对不同沉降条件，包括传统的老化罐静态沉降测试法，黏度计沉降测试法、大型的能够模拟现场的流动回路测试法，但上述几种方法的本质均为上下密度差法，即通过测量沉降体系不同位置的密度来反映体系的沉降稳定性。静态沉降测试法和粘度计沉降测试法均采用密度计，而流动回路测试法则采用密度传感器，《钻井液与完井液》2012年9月第29卷第5期中发表的 《钻井液沉降稳定性测试与预测方法研究进展》一文中对上述几种方法做了详细的介绍。专利《一种钻井液的沉降稳定性的测试方法》中提出的方法为将钻井液置于量筒中静置一段时间，取容器不同位置的钻井液用密度称测量其密度，其本质仍为上下密度差法。《工程地球物理学报》2010年4月第7卷第2期中发表的文章《一种评价加重泥浆沉静稳定性的装置研究》一文中提出的方法为利用加重钻井液沉降时会使钻井液液柱压力发生变化这一原理，在容器上放置压力传感器，通过测量静液柱压力的变化来反映钻井液的沉降稳定性。专利《一种高密度试油工作液沉降稳定性测试装置及方法》中使用压力传感器测量容器底部沉淀物的沉实程度来反映试油工作液的沉降稳定性。此外，稳定性分析仪turbiscan利用红外光的透射率来测量乳化液、悬浮液、泡沫等分散体系的沉淀、乳化、絮凝、凝结、分相等综合现象，但由于钻井液尤其是加重钻井液的固相含量高，颗粒多，此仪器未在钻井液沉降稳定性测量中有所应用。上述各文章及专利中所涉及的钻井液沉降稳定性装置及方法均未涉及采用受力平衡的方法，即钻井液加重材料在封闭的容器中的沉降引起容器重心的变化，通过测量这一变化来评价钻井液的沉降稳定性。

技术实现要素：

本发明的目的就是针对现有技术存在的问题,提供一种钻井液沉降稳定性评价方法及装置，利用钻井液在密闭容器中沉降引起容器重心变化这一现象，可以快速准确的反映出钻井液中加重材料的沉降现象随时间的变化规律，沉降越慢则沉降稳定性越好；还可以测量相同时间内重心变化范围，重心变化越小则沉降稳定性越好，从而反应出钻井液体系的沉降稳定性。

发明的技术方案：

一种钻井液沉降稳定性评价装置，包括支架和样品管，其中：样品管的两端分别通过垂直向和水平向连杆倾斜吊装在支架的横梁和立柱，并在横向连接与立柱之间连接拉力传感器。

上述钻井液沉降稳定性评价装置优化方案还包括：

拉力传感器为电子式拉力传感器，拉力传感器通过数据采集处理器与计算机连接。

垂直向连杆与样品管连接段采用铰链方式连接。

根据前述的钻井液沉降稳定性评价装置的评价方法是：将样品管中注满待测钻井液并保持均匀，连接在装置中，记录拉力传感器测量均匀时刻和其后任意时刻水平拉力F的大小，计算并绘制出拉力F随时间变化的曲线。

根据前述的钻井液沉降稳定性评价装置优化方案的评价方法：将样品管中注满待测钻井液并保持均匀，连接在装置中，通过数据采集处理器和计算机记录拉力传感器测量均匀时刻和其后任意时刻水平拉力F的大小，由计算机软件程序计算并绘制出拉力F随时间变化的曲线。

前述评价方法中的计算方法是：将样品管中注满待测钻井液，用连杆固定在支架上，样品管在垂直向连杆的垂直方向拉力和水平向连杆水平方向拉力的作用下保持静止状态，样品管中轴线与竖直方向夹角为θ，此时样品管所受合外力为零。可以认为刚刚加入时样品管内钻井液是均匀的，因此体系的重心为样品管中轴线上的中点。以样品管中轴线为X轴，对样品管所收外力进行分解，由受力平衡可知，在样品管上端与水平向连杆的连接点处，水平拉力沿Y轴方向的分量F_y与重力在Y轴方向的分量G_y产生的合力矩为零。即：

将，代入上式，可得

，整理得：（1）

经过时间T后，随着样品管中加重材料的沉降，样品管的重心下移，重心沿中轴线向下移动，此时处合力矩依然平衡，可得：

将，代入上式，可得

，整理得：（2）

上述各式中：L为样品管的长度，L’为沉降后重心B点距样品管顶端与连杆连接点间的距离，其值范围为（0-L）；θ是样品管中轴线与竖直方向夹角，其值范围为（0-90）。在（2）式中，tanθ、L均为常数，当样品管中注满钻井液后G也是常数，上式可简化为：

（3）

上式反应了水平方向拉力F与样品管重心位置之间的关系，其中L’是时间的函数，所以水平拉力F也是关于时间T的函数，F随时间的变化率可以反映出样品管重心位置沿中轴线的变化率，即样品管中钻井液的沉降稳定性，变化率越小，说明待测钻井液沉降稳定性越好。

本发明的技术方案首先从依据的原理不同，具体体现在：钻井液中的加重材料由于其密度高，用量大，容易发生沉降。若在轴对称形的容器中装满均匀的液体，则体系的重心应该是一个固定的点（不同形状的容器位置不同，通常是容器的几何中心）。如果容器中的液体发生沉降，液体密度分布不再均匀，但液体体积不变，那么整个体系的重心也会发生相应的变化。如果沉降过程中将容器固定于某一平衡位置使容器始终保持静止，由受力平衡可知，容器在整个过程中所受合外力为零。由于重心即重力的作用点位置发生改变，但体系总重力不变，因此为了保持体系的平衡状态，体系所受重力以外的合力也必然发生变化，这个合力的变化程度和变化速率就反映了体系重心位置变化的程度和速率。由于容器恒定，所以重心变化就反映出容器中液体密度均匀程度的变化，也就是容器中待测钻井液的沉降稳定性。

发明的效果：本发明所涉及的装置和方法，利用封闭容器中钻井液的沉降引起的重心变化，通过固定样品管的位置，得出拉力F随时间变化的关系，用拉力传感器测量水平方向上的拉力值，测量数据由数据采集和录入系统录入计算机，通过软件得出拉力随时间变化的曲线，并记录与保持最终结果。

本发明涉及的装置解决了当前钻井液沉降稳定性测量中样品用量大、测量时间长、测量结果不准确、测量方法精确度低的问题，可以在室内及现场快速准确的评价钻井液的沉降稳定性，计算机记录并保存测量结果，便于进行数据分析和对比。

本发明与现有技术相比有以下优点：样品用量少，测量结果准确，灵敏度高，测量更快速，能够及时反应出加重材料的沉降，测量数据更系统，易于对比分析，可用于现场及室内的钻井液沉降稳定性测量。

附图说明

图1是钻井液沉降稳定性测量装置示意图；

图1中：1.支架；2.连杆（即垂直向连杆）；3.样品管；4.连杆（即水平向连杆）；5. 拉力传感器；6.数据采集处理器；7.计算机。

图2是钻井液沉降稳定性装置支架部分的侧视图；

图2中：8.横梁；9.立柱；10.底座。

图3 是钻井液沉降稳定性测量装置测量计算方法示意图；其中（1）是初始状态；（2）是沉降后状态。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的实施方式进行详细的描述。

参照图1和图2，本发明所述的一种钻井液沉降稳定性测量装置由支架1、连杆2和4、样品管3、拉力传感器5、数据采集处理器6和计算机7组成。其中支架1由横梁8、立柱9及底座10三部分构成。三部分均采用金属材质，通过螺丝连接在一起保证整体结构的强度。其中横梁长35cm，宽20cm，厚度为0.5cm；立柱高50cm，宽15cm，厚度为1cm；底座长40cm，宽25cm，厚度为1cm，底座厚度宽度较大，保证支架的稳定性。

本发明所述样品管使用工程塑料材质，该材料坚固，不易变形，密度小，用此种材料制作容器质量更小，可以排除因样品管自身重量对测量带来的干扰，对整个沉降体系总质量影响很小，能够更好的反应钻井液的沉降。

样品管为圆柱形，长度为30cm，底面半径为2cm，管壁厚度为0.2cm，长度与直径比为15/2，管壁薄，在沉降发生时近似认为重心沿样品管中轴线变化。样品管上端有盖，盖与管体通过螺纹连接，垫有橡胶圈，保证容器的密封。盖上端与样品管底端均有小铁圈可以与连杆连接。

本发明所述的连杆采用轻质合金，质量小，强度高，不容易发生弯折和断裂。长度为15 cm，连杆一端有螺纹，用于与支架横梁连接，固定在竖直方向，另一端带有挂钩，用于于样品管上端连接；连杆一端有挂钩，与样品管下端连接，另一端与固定在立柱上的拉力传感器相连，连杆与底座保持平行，当测量时底座置于水平面，则连杆保持水平。

本发明所用拉力传感器精度为0.01N，一端与连杆连接，另一端固定在支架的立柱上，用于测量水平方向拉力F。

本发明中数据采集与处理器把拉力传感器测量得拉力F的值采集到计算机中，计算机软件做出拉力F随时间变化的曲线，并将计算结果即时记录。

利用本发明装置的评价方法：

将待测钻井液搅拌20min，搅拌均匀后缓缓注入样品管中，防止注入过程中产生气泡，注满后盖上样品管的盖子。将连杆2上端通过螺纹与支架1的横梁连接，下端与样品管3顶部连接。样品管下部与连杆4的一端连接，另一端与拉力传感器5连接，传感器固定在支架的立柱上。数据采集与处理器6将拉力传感器的信号采集到计算机7中。

打开电源，拉力传感器开始测量任意时刻水平方向上的拉力F（如图3中所示），计算机软件记录数据并作出拉力F随时间T变化的曲线，该曲线任意时刻的斜率代表拉力F的变化率，即盛满待测钻井液的样品管重心移动的速率，可以反应出样品管中待测钻井液的沉降稳定性；比较不同样品所得到的曲线的斜率变化，相同时间点处斜率越大则说明对应钻井液的沉降稳定性越差，反之则越好。通过对比相同时间内拉力F的变化量可以比较不同钻井液在相同时间内的沉降程度，拉力F变化量越大，则沉降越明显，说明体系的沉降稳定性越差，反之则说明沉降稳定性越好。

本发明的所涉及的装置也可以采用人工读数和计时的方式，只是计算效率会降低，但同样可以实现本发明的目的。

例如：一种钻井液沉降稳定性评价装置，包括支架和样品管，其中：样品管的两端分别通过垂直向和水平向连杆倾斜吊装在支架的横梁和立柱，并在横向连接与立柱之间连接拉力传感器。

根据前述的钻井液沉降稳定性评价装置的评价方法是：将样品管中注满待测钻井液并保持均匀，连接在装置中，记录拉力传感器测量均匀时刻和其后任意时刻水平拉力F的大小，计算并绘制出拉力F随时间变化的曲线

将样品管中注满待测钻井液，按上述顺序连接装置个部分，由受力平衡可知在样品管所受合外力为零，拉力传感器测量任意时刻水平拉力F的大小，计算机软件绘制出拉力F随时间变化的曲线。当样品管中钻井液发生沉降时，样品管的重心发生改变，但样品管仍保持静止，因此重力G及水平拉力F在样品管上端与连杆连接处的合力矩为零，由于重力G保持不变，所以重心改变必然导致水平拉力F的变化，重心变化越快，则拉力F变化也越快，通过拉力F关于时间变化的曲线即可分析出待测钻井液的沉降稳定性。