总结了赫巴模式下的混合流体流变方程。该方程为精确建立稠油侵入井筒的复杂流动数学模型奠定物性研究基础。
关键词：稠油;钻井液;流变性;赫巴模式
中图分类号：TE254 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）32-0072-02
Abstract： In underbalanced or near balanced drilling， the problem of heavy oil and drilling fluid leakage often occurs. The invasion of heavy oil into the wellbore changes the physical properties of the drilling fluid and brings great difficulties to the accurate prediction of wellbore pressure. In this paper， based on the basic principle of rheology， the rheological properties of heavy oil drilling fluid mixed fluid under different temperature and pressure conditions are tested by using high temperature and high pressure rheometer， and the rheological model is optimized by drilling fluid heavy oil mixed fluid rheological model. The rheological equation of mixed fluid in Herschel-Buckley Model is summarized. The equation lays a foundation for the study of physical properties for the accurate establishment of the complex flow mathematical model of heavy oil invading wellbore.
Keywords： heavy oil; drilling fluid; rheology; Herschel-Buckley Model
1 概述
當欠平衡钻井钻至产层段时，产层内的油、气等流体在井底负压差下会流入井筒，油、气的流入会使井底压力发生变化，而井底压力的变化将导致井底压差的变化，进而影响地层流体的流入[1]。
同时，油、气等侵入钻井液后严重影响了钻井液的性能并且造成了一系列问题。尤其针对稠油侵入，由于井底的高温环境，稠油在钻井液中以液态的形式四处分散，这种情况增加了钻井液的液相黏度。当处于地面上的低温环境时，稠油的状态可能变为固态，使钻井液固相含量增加，钻井液内的摩擦力变大。上述原因对钻井液的流变性造成了很大的影响，钻井液黏度、切应力迅速增大，使钻井开泵的过程变得困难，激动压力和循环压耗变大。另一方面由于稠油不断地侵入钻井液，钻井液流变性能越来越差。在钻井过程中，振动筛的位置跑浆状况明显;起下钻时，稠油的侵入让井筒内的钻井液受到严重污染，使这部分钻井液无法再继续正常使用，大大增加了钻井液的成本和消耗量。大量的稠油的排放让钻井液池遭受到污染，造成了严重的环境破坏，导致钻井废弃物变得更加难以处理[2]。伊朗雅达油田就发生过多次沥青侵入井筒导致的停钻事故[3-4]。
因此，研究侵入钻井液对其流变性的影响将为建立精确井筒复杂流动数学描述奠定物性研究基础。
2 流变学理论基础
2.1 概述
流变学在广义上就是研究物体的流动与形变，并考虑物体的内部结构随着时间的延续发生变化的过程。根据不同的流变性，可将流体分为牛顿流体与非牛顿流体。石油工业中的钻井液属于无时变性纯黏性非牛顿流体的范畴。
2.2 流变模式
根据非牛顿流体流动时剪切应力与剪切速率之间的关系，无时变性纯黏性非牛顿流体的流变模式可以划分为如下四种。
（1）宾汉模式
大多数钻井液实测流变曲线一般为曲线，宾汉模式是一个直线方程，在低剪速率和高剪速率下，宾汉模式的计算值都将大于实测值。其本构方程如式（1）所示。
τ=τ0+ηpγ （1）
式中：τ-剪切应力，Pa;τ0-极限动切应力，Pa;ηp-塑性黏度，Pa·s;γ-剪切速率，s-1。
（2）幂律模式
幂律模式所描述的液体，随着剪切速率γ的减少，液体的粘度趋于无穷大，随着剪切速率γ的无限增加，液体便被剪切成没有粘度的液体;在较高和较低剪切速率下幂律模式的计算值将小于实测值。其本构方程如式（2）所示。
τ=kγn （2）
式中：k-稠度系数，Pa·sn;n-流性指数，无量纲。
（3）卡森模式
该模式能够反映大多数钻井液具有屈服应力这一特点;能够描述钻井液的剪切稀释特性，但不能描述静态粘度。其本构方程如式（3）所示。
（4）赫巴模式
该模式是一个三参数模式，是对宾汉模式和幂律模式的修正，可以反映体系所具有的屈服应力和剪切稀释特性，所描述的流变曲线是单调增加的。其本构方程如式（4）所示。
τ=τy+Kγn （4）
式中：τy-赫谢尔-巴克莱尔屈服值，Pa。
3 稠油与钻井液混合流体的流变性测试
3.1 实验目的与实验过程
稠油侵入钻井液后随着钻井液循环至地面，在井筒中随着机械搅拌作用下分散于钻井液中，钻井液的流变性发生改变。此实验主要研究在不同温度压力下，侵入稠油后钻井液的流变参数变化趋势，为预测井下钻井液流变性提供数据支撑。
将钻井液样品装入高温高压样品釜中，将压力升至设定压力，再升温至设定温度并恒温10min。以不同转速对钻井液进行剪切，转速分别选用600、300、200、100、6、3r/min，每个转速下剪切时间120s，记录不同转速下的剪切应力。然后增加压力，考察温度一定时，压力对钻井液流变性的影响;或者升高温度，考察压力一定时，温度对钻井液流变性的影响。
3.2 实验分析
不同溫度下，剪切速率与剪切应力的关系曲线如图1所示。
从图1可知，随着温度升高，同剪切速率下剪切应力逐渐降低;低剪切速率下，剪切应力受温度影响较小，随着剪切速率升高，剪切速率对剪切应力的影响逐渐增加。剪切速率对钻井液黏度影响较大;随着剪切速率的升高，不同温度下钻井液的黏度总体上均呈降低趋势。
不同压力下，剪切速率与剪切应力的关系曲线如图2所示。从图中可知，相同剪切速率下，钻井液剪切应力随着压力升高而逐渐增高，增加幅度较小，钻井液表观黏度随着压力的不断升高而逐渐升高。钻井液的剪切应力随着压力的升高而增大，低剪切速率下的剪切应力受压力的影响很小，高剪切速率下剪切应力的增幅越来越大。温度是影响钻井液流变性的主要因素，且温度对流变性的影响程度要远大于压力。
3.3 钻井液稠油混合流体流变模型优选及流变方程拟合
评价这些模型的准则主要有：在不同的剪切速率下、理论计算值和实测值较符合;对于不用的流道，所建立的压降模型精确和实用，此外具有通用性，能更好的适用于各种类型的非牛顿流体[5，6]。
将不同压力（高压）下的实验数据带入到四种流变模式中进行拟合，如图3所示。
由图3可知，卡森模式和赫巴模式都能较好的拟合出钻井液高压下流变特性，但是赫巴模式拟合系数更接近于1，拟合相关性更好，所以用赫巴模式来描述钻井液在高压下的流变性。根据H-B模式的流变拟合方程τ=a+bγc，拟合结果如式（5）所示。
流变方程拟合结果为：
τ=9.1633+1.0755γ0.495（5）
4 结论
（1）稠油侵入钻井液对钻井液的流变性能影响很大。
（2）相同剪切速率下，钻井液和稠油混合流体的动切力和塑性黏度及表观黏度均随着温度升高而降低;混合流体的剪切应力随着压力升高而逐渐增高，表观黏度随着压力的不断升高而逐渐升高，但增加幅度较小。温度是影响钻井液流变性的主要因素，且温度对流变性的影响程度要远大于压力。
（3）采用赫巴模式能够更好的描述混合流体在高温高压下的流变关系，该流变方程为精确建立稠油侵入井筒的复杂流动数学模型奠定物性研究基础。
参考文献：
[1]汪志明，平立秋，王玺，等.欠平衡钻井油气藏与井筒耦合模型[J].石油勘探与开发，2009，36（5）：646-649.
[2]何青水.伊朗Y油田沥青质稠油侵入钻井液处理技术[J].科学技术与工程，2014，14（31）：37-41.
[3]肖超，侯立中，薛玉志，等.伊朗雅达油田复杂地层钻井液技术[J].钻井液与完井液，2012，29（5）：40-43.
[4]赵向阳，孟英峰，侯绪田，等.沥青质稠油与钻井液重力置换规律与控制技术[J].石油钻采工艺，2016，38（05）：622-627.
[5]沈崇裳，刘鹤年.非牛顿流体力学及其应用[M].北京：高等教育出版社，1989：169-182.
[6]鄢捷年，赵雄虎.高温高压下油基钻井液的流变特性[J].石油学报，2003，24（3）：104-109.
作者简介：许佳欣（1996-），男，在读硕士，研究方向：井筒多相流。