实时预测钻井液中的悬浮体外文翻译资料

实时预测钻井液中的悬浮体

S.C. Magalhaes ， C.M. Scheid , L.A. Calccedil;ada , L.M.M. Lutterbach , R.S. Rezende , A.T.A. Wa

摘要：钻井操作需要使用钻井液，钻井液不仅有清洗和冷却功能，而且能控制油井内的压力。因为固体悬浮物与密度、表观粘度有关，所以监测固体悬浮物在这种液体中的数量是很重要的。这两个物理化学数据影响着计算中摩擦压力的损失，这个计算是确定液压的第一步计算。固体的自动化测量可能不仅仅提高钻井性能，同时也标志着朝向完全自动化的钻井作业的初始步骤。这项工作测量超声波衰减、声速、在几种不同悬浮液中的密度和表观粘度的实时数据。这些数据被用来确定在水基钻井液中固体的含量。结果表明,超声衰减和密度与固体悬浮物(最大的密度范围从0.98到1.6kg/ l，即水到重泥浆；固体悬浮的浓度变化从0到1000g/l，导致超声波衰减范围为6到32 dB)的数量成正比。这种现象表明粘度影响超声波衰减(1 cP - 135 cP的粘度变化造成超声波大约从6 - 22分贝衰减变化)。声音的速度是与溶解固体量成正比的(大约300 g / l的氯化钠添加在水中，速度从1500米/秒提高到1750米/秒)。结果还表明,牛顿和非牛顿悬浮液有所不同，因为为了准确确定固体含量，非牛顿流体的剪切率必须是已知的。为了从实时水基钻井液研究数据中预测固体的含量，本文成功的实现了一个统计模型。当预测和实验值在一个案例研究中进行比较，该模型允许精度为plusmn;10%。

关键词：钻井液 声学参数 液压传输 微粒体系

1. 介绍

今天用于钻井的唯一方法是旋转法。它包括应用钻柱用自身的重量在地表钻井。钻井操作者只有使用钻井液时，这种技术进行才可行。钻井液进入钻柱，通过钻头出口孔,并返回到表面,形成了一个封闭循环。因此，钻井液冷却钻头，传递的压力给井，保证结构稳定，从井下设备传输电子信号和携带钻头生成的的砾石。钻井液可以分为两个部分，即水性液体和油性液体。水性液体是由水、化学添加剂和大量的悬浮物(填充物)组成的。油性液体的主要区别在于它们有一个稳定的水油乳液,而不是纯水。相比在工业过程中常用的液体,钻井液倾向于显示较高的粘度和密度，它们体现非牛顿现象。固体含量在钻探过程中持续改变，因此，它的浓度必须被控制。悬浮物数量的最佳范围能够被保证钻井过程顺利进行。

其中，不难发现在控制过程中使用了声学参数。这证明使用这样的参数监测多相流的特点是可能的。超过五十年的文学提供了各种理论和数学建模。由于缺乏物理化学数据或长时间的计算，使用复杂的模型的缺点是在真实系统解决方案中使用它会被限制。因此,为了描述多相流动系统，研究人员已经探索了常用的超声参数。研究表明，超声衰减和声速特性与固体悬浮的数量有关。不同的数学方法被用来经验性得预测基于一组独立的变量的一个因变量,包括时间。现在流行的算法是神经网络、阶乘回归、线性/非线性回归、Autoregressive-moving-average模型(ARMA)、方差分析以及其他。利用ARMA模型能够预测每月流入伊朗水库大坝的水流量。

通常ARMA / ARIMA模型用于时间序列事件，虽然在这些工作中并非如此。这项工作旨在将固体浓度作为钻井液的实际状态(密度、粘度、超声波衰减和声音速度)的函数，不涉及时间。对于这个任务，神经网络可能是合适的,但它需要很多参数进行调整,如:数量神经元、网络结构、阶层之间的传递函数等等。最重要的是，矩阵运算能够预测可靠的因变量，并且这不是微不足道的，可以根据神经元的数量(它需要计算机编程)来确定，这是一个艰难的任务。

观察Stigter等的工作，作者能够预测农业土地中地下水中的硝酸盐浓度（使用一个阶层回归模型）。因为这些模型不为时间序列事件，最终的响应是一个代数方程，因此这项工作被认为是一种数学方法。因为本文的重点不是在不同的回归模型的不同现象上而是在测量系统上，阶乘的方法是依据简单的模型基础之上选择的。这样一个最终产品适用于工业使用，与所需要的性能相关。因此，在线自动测量系统需要实验数据统计模型来预测总固体悬浮的浓度。实际钻井情况中，每个控制和测量在本质上是手动的，这项工作可能给钻井运营商以及石油和天然气公司带来好处。此外，它满足了不合格的劳动者的操作。例如，如果测量系统安装在固体处理站后，可以在钻井岩屑早期检测出效率低下(筛分破碎/水力旋流器操作的最优规格)。另一方面，如果系统是安装在流水线，可以跟踪不合格的浓度的悬浮体(重晶石、方解石)。目前，该系统只适合安装在表面水流线，而不是作为一种井下工具。它允许安装在危险区域，它的设计不仅允许在陆地上使用，而且可以在海上钻井平台运行。

1. 材料和方法

2.1 流循环单元和超声波设备

两个flow-loop单元被用来生成悬浮液和溶液。第一个能够产生每天超过1000升的液体。在所有操作条件下，它也拥有自动控制器以及拥有自动传感器来测量钻井液的物理化学状态。所有的设备都由在虚拟仪器开发的环境下的软件控制。

上图所示，简化方案的自动循环流动与超声波设备的细节。

1 -搅拌槽，2 -主泵，3 -辅助泵，4 -压力表，5 -热交换器，6 -温度计,7 -流量计,8 -管式粘度计,9 -压降传感器， 10 -同轴圆筒粘度计，12 -电导率仪，13 -电子稳定计，14 -密度计,，15 -液位计，16 -流量检测仪，17 -超声波传感器，18 -粒度传感器,，19 -水油传感器，20 -高温高压显示器，21-主机(主要功能)，22 -无线路由器，23/24 -远程终端

第二个开发生产在小范围内的油性悬浮体。第二个是完全的手工操作，安装在循环Rhosonics产生的超声换能器，型号9670，能够提供超声波衰减和声速的测量。

2.1.1 自动循环流动

在图1可以观察到自动流循环及其安装设备的简化方案,以及超声波设备的细节。本单元执行测试，研究实时监控超声波衰减、声速、密度和表观粘度，也控制流量、温度和压力。依据科里奥利力计算密度，它使用了在线质量流量计。表观粘度是通过改良后的在线设备才被决定的，这个设备是库爱特过程粘度计，它作为一个在线流变仪具有再造工程的功能。这样允许修改监控系统控制外筒旋转的速度。该设备报告偏转角，其内筒显示4 e20 mA电流环。从已知的物理参数，可以确定剪切速率和剪切应力，并因此确定表观粘度。确定剪切速率，使用以下方程:

同时，

(n)是无量纲因子,r2外圆柱的半径,r1内缸的半径,旋转气缸的角速度(由监控系统控制)和n是液体的行为指标。

方程1是隐含的;因此,它的分辨率是数字。创建一个算法来解决实时方程1,使用共同的近似值:

以下考虑n迭代的第一步:

这里是剪切应力。这样的参数只取决于物理参数和几何参数，可以观察到在方程2:

k是弹簧或扭矩传感器的弹性常数,H内圆筒的高度(必须全部浸没)和theta;扭力弹簧或传感器(在实时监控系统中作为一个4 e20 mA电流环而被报道)的偏转角度。超声波衰减和声速的确定详细论述在2.1.3节。

2.1.2 手动流循环

手动循环是由100 L搅拌槽、泵、压力表、模拟的温度测量器和超声换能器组成的。它的原理图可以在图2中观察到。

图2所示，手动流循环的简化方案

对于本单元的测试执行，超声衰减需要手动通过设备的显示。

2.1.3 超声设备

Rhosonics设备产生的超声波脉冲,类似于Xu et al所呈现的设备。超声信号的发射和接收在其他仪器上。在每次测量中(0.05秒)，设备决定了温度、声速(差异)、吸光度(衰减)以及测量介质在0.7和12.5兆赫之间频率范围的超声阻抗。压电传感器以这样一种方式安装，即允许直接从流程中获得的数据。图3显示了一个更详细的原理图，即在监测过程中，声学参数是如何测量以及报告如何发回发监控系统的。

图3所示，图表数据采集和测量技术

其中，发射器以及发射器传感器被安装在法兰盘，可直接连接管道。在这种方式中，超声波直接在悬浮体上投射。所有信号(发射和接收)都在中央单位中被分析，包含用数学算法来确定声速和超声波衰减。其结果是依靠一个可定制的显示器或数据系统通过4 e20 mA电流环产生的报告来显示的。

2.2 固体和液体的特点

2.2.1 固体颗粒大小分布和密度

使用malvern(马尔文)激光粒度仪Mastersizer2000对固体进行描述。表1中可以观察到的结果。

表1

重晶石、方解石和氯化钠的粒度分布和密度

表1中给出的固体密度从制造商获得。氯化钠的大小分布与其水溶性无关。

2.2.2 粘度概要

四个不同的基质在以下悬浮液中被使用：水、石油以及黄原胶(XG)和羧甲基纤维素(CMC)的两种不同聚合物。水和油是牛顿流体，在25摄氏度下，其粘度测量在1 cP - 130 cP。聚合物是非牛顿液体，因此他们的粘度不仅是温度的函数,而且是切应变速率的函数。聚合物的浓度是4.26 g / L，因为它是在一个典型的钻井液中找到的。在25 摄氏度下，表观粘度与剪切速率的函数，如图4所示。

图4所示，在4.26 g / l和25 摄氏度子下，CMC和XG聚合物的表观粘度随着剪切速率的函数。

表2

4.26 g / l的浓度和25 摄氏度下，XG和CMC的聚合物的表观粘度。

图4中可以观察到,当剪切速率是5.1和1021.4 s-1时，XG溶液表观粘度从750 cP 降低到11.5 cP。CMC的结果是300 cP 降到25.5 cP。两种液体均呈现出假塑性现象。对于CMC溶液，最突出的流变特性符合幂次定律。另一方面，XG倾向于的水溶液,平息时为冻结状态，这种效应存在聚合物分子链的影响，当它不是流动时，XG分子改变其几何一致性，随着时间的推移，导致表观粘度的增加。当它流动时，XG分子倾向于一致线性对齐，表观粘度随时间迅速减少。因此，XG流变特性的最好代表不是幂指数定律，而是赫谢尔巴克利模型。在图4和表2的统计数据的拟合中可以看到两个方程。

2.3 测试程序

2.3.1 自动循环流动:使用水和聚合物

自动流循环用于测试水和聚合物水溶液的悬浮液。实验方法是在包含200 L的水或聚合物溶液的搅拌槽中添加固体样品重晶石、氯化钠、方解石。悬浮体的物理化学性质，包括声学参数，在分散固体的整个过程中，进行实时监控。只有在前面的色散已达到稳定状态情况下才添加其它的样品。样本数量的增加足以导致单元达到操作压力范围极限，在某些情况下，增加量可达到900 g / L的固体浓度。为本单元设计的测试矩阵如下表3所示。

表3

在自动化钻井液循环中简化测试矩阵的设计和执行

2.3.2 手动循环流动:使用油性悬浮液

当在自动循环中使用的同一程序扩展到了手动循环流动时，石油和固体样品没有超过1.4公斤的搅拌槽，其体积是50 L。对于这种情况,只能使用重晶石，因为方解石和膨润土是化学试剂，它们与使用的油不相融合。

1. 结果与讨论

3.1 重晶石、方解石和氯化钠对超声波衰减以及声音在水中的速度存在的效应

图5显示了时间作为超声波衰减和声速的函数的实验结果。

图5

图中还显示了实时测量的密度和表观粘度，固体浓度随时间的变化也出现了在图形中,但这是由质量平衡计算得来的。在图5中，左边轴是超声波衰减轴，右边的四轴代表如下：密度、剪切率1021 s-1的表观粘度、声速、固体含量。每轴与水平轴即时间轴相关。因此,它可以同时观察到所有的属性。首先添加重晶石，质量大约是5公斤，之后质量增加到25公斤。结果表明，超声衰减直接与固体悬浮的数量成正比，与发表的实验结果一致。重晶石的增加对表观粘度变化有轻微的影响。由于液体部分保持不变，流体中的声速没有明显的改变，类似的现象已被Urick报道(1947)。在图6中可以观察到水中方解石悬浮物类似的结果。

图6

图5和图6中出现了相同的变量。随着固体物的增加，表观粘度会继续按比例的增加。因为有密度的倾向，正如所料，固体浓度和超

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