美国Brookfield博勒飞粘度计，流变仪，质构仪等仪器在石油行业的应用

Brookfield 仪器在石油行业的应用  Brookfield博勒飞中国技术服务中心  一、石油行业中的几种流体及其性质  1、钻井液  钻井是石油天然气开采的重要环节，为了保证高效、安全的钻井，防止井漏和井喷， 需要再钻井过程中采用钻井液，钻井液现在已经成为油井的命脉。钻井液是一种粘稠的、 泥浆状的水和泥土的混合物，钻井工人用泵将它送入钻孔中。钻井液如今仍被称作泥浆， 但工程师们已不再只依赖水和泥土作为钻井液的原料。他们对混合物的成分进行精心调 配，以满足各种钻探条件下的具体需要。在石油天然气钻井工程中所使用的钻井液一般 都具有剪切稀释能力和良好的触变性。高剪切速率下钻井液在钻头喷嘴处的粘度就越 低，越有利于高压喷射钻井，而在低剪切速率时(环空内)粘度又将增加，切力增大，有 利于带砂、携屑。钻井液要有良好的触变性，在泥浆停止循环时，剪切力能较快地增大 到某个适当的数值，即有利于钻屑的悬浮，又不至于静置后开泵的泵压过高。随着深井 技术的发展，钻井深度不断增加，井内水泥浆承受的温度、压力越来越高，钻井液在高  温高压下的流变性能的研究也越来越多。  在国内外石油钻井工程中，使用较多的是含有膨润土的钻井液，然而该钻井液中微 细的粘土颗粒很容易浸入储层，使储层渗透率大大降低，对保护储层不利。虽然可以通 过酸化的办法来恢复渗透率，但酸化后效果并不明显，尤其对于酸敏感性储层，根本就 不能使用这种方法。因此有人研究开发出新型的无粘土弱凝胶钻井液体系以保护油气 层。这种钻井液是使用了稳定性较好的优质聚合物，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），这种弱凝胶可以通过加入适当的氧 化剂进行破胶降解，使储层的渗透率恢复80%以上，从而使油层段免遭损害。  近年，一项新的近平衡钻井技术使用“微泡”---非聚集且可循环使用的可产生比 水的密度还低的泥浆体系，可以减少水平井底层伤害。这些被称作“Aphrons”的泡体 被用于无注入空气或气体的泥浆体系中。在此条件下，Aphrons作为独立的一相与一种 被多层液体膜包裹着的气体或空气一同存在。该液体膜是保持这种微泡强度的关键，它 可使Aphrons作为一稳定的泥浆密度还原机制而起作用。一种表面活性剂被用于产生表面张力以便在微泡形成时能包裹Aphrons，建立起多层泡沫墙，并且产生界面张力，以 将Aphrons桥接进入一个具有创建井下桥堵能力的网络。为了取得最佳的使用效率，使 用一种高屈服应力和剪切变稀的聚合物，使Aphrons在钻井液中十分稳定。这种聚合物 能有效地粘合那些用来分隔和环绕在Aphrons核心周围微泡膜中的水的隔膜。这一突出 特性允许他们去抵制压缩和膨胀，并因此在井下产生效能和具有可循环的能力。研究发 现一种叫黄原胶的生物聚合物是稳定钻井液中Aphrons最有效的物质。这种低剪切率粘 度物质过去常被用于清洁井孔，携带岩屑悬浮物和流体浸入控制以及保护Aphrons稳定 性方面。  2、压裂液  目前作为油气井最常规的压裂增产技术，压裂已应用半个世纪了。该技术是利用地 面高压泵组(即压裂车组)将具有一定的粘度的压裂液以高压大排量沿井筒注入油气层， 使注入速度大于油气层的吸入速度，在井底附近憋起高压，当此压力逐渐增大到超过井 壁附近的地应力和岩石的抗张强度后，油气层就会在最薄弱的地方开始破裂形成裂缝， 继续注入携带有固体颗粒支撑剂的液体扩展裂缝并使之充填支撑剂，停泵后在地层中形 成一条具有足够长度、宽度和高度的填砂裂缝。扩大了油气水的渗滤面积，从而起到了 增产增注的目的。压裂液主要有油基压裂液和水基压裂液。  一般地，压裂后增产效果除了与设备等因素有关之外，都与压裂液的性质有直接关 系。压裂液要具有低的滤失量、较好的悬砂性能、摩阻损失少、性能稳定，以及良好的 流变性等等。滤失性能、悬浮性能、摩阻损失等性能都与压裂液的粘度关系很大。一般 来说，粘度越大，滤失量越小，悬浮性能越好，如果是油基压裂液的话，粘度大摩阻损 失也会较大。所以在压裂液的生产使用过程中，粘度是重要的测试指标。另外压裂液还 必须具有良好的破胶化水性，以提高压裂液的返排率，减少对储层的伤害。  3、聚合物驱油  目前我国大庆、胜利、中原、华北、大港等大型油田均已进入开采中后期，采出油 含水率高达90%，所以必需提高石油的采收率。所以国内很多石油企业和研究单位采用 了聚合物驱油。这类聚合物在油藏条件下，必需具有优良的增黏性能，而且在温度、压 力及盐的作用下要有高的黏度保持率。现在国内使用的驱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)，其驱油机理是聚合物水溶液在很低的浓度下 具有很高的黏度以降低水相的渗透率，控制水的流动度，改善流度比，提高波及系数，最终达到提高原油采收率的目的。聚合物溶液的增稠效果、零切粘度和剪切变稀特性等 流变参数都对其在多孔介质中的流变行为和传输性质有很大的影响，所以测定聚合物溶 液的流变参数很重要。  4、稠油的开采   地球上稠油的可采储藏量非常丰富，但由于其粘度大、密度高、可流动性差而不能 用常规方法开采。稠油沿井筒向上流动过程中，随温度、压力的降低，原油粘度增加， 流动阻力增大，其流动性进一步变差。因此，稠油油井在将原油举升至地面的过程中， 常出现泵效较低、悬点载荷变化大和调参等问题。为了实现稠油的高效开采，无论是常 规抽油机井，还是采用了井筒电加热或掺稀油等措施后得抽油机井，急待解决的是原油 在井筒中的流动问题。稠油的开采关键是降粘、降磨阻、改善流动性。国内外提出的开 采技术有：热采法（包括蒸气驱、蒸气吞吐、热水驱），清油稀释、乳化降粘、微生物 采油、火烧油层、催化裂化等。近年来乳化降粘法的研究很活跃，粘度计、流变仪就成 为很重要的研究工具。稠油是典型的非牛顿流体，幂律流型和宾汉流型基本包括了所有 的稠油油藏类型。正是由于稠油的非牛顿流体特性，使得开采稠油十分困难。  稠油油田的开采，大部分是在含水期采出的，井筒中由于水的存在，一方面将形成 油水乳状液，增加原油在井筒中流动时的粘度；另一方面，游离水的存在将减小稠油在 井筒中流动时的粘度。这两方面因素的作用主要取决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动及其代谢进行强化采油的技术，近年该技术在全国 各油田发展很快。其基本方法是将经过专门筛选和培养的微生物注入油层，微生物利用 原油中的碳源为营养物在油层中繁殖和运移，产生多种代谢物，从而有利于改善水驱后 剩余油的才出。提高油藏最终采收率。   作用机理是将微生物注入井眼或地层，通过微生物的繁殖代谢产生的分解酶类对原 油进行降解，能够直接将原油中长链碳氢化合物降解为短链碳氢化合物，降低原油粘度， 改善原油在地下的流动性。微生物在油藏中的新陈代谢过程，还产生大量的生物产物（甲 酸、乙酸等）、表面活性剂、有机溶剂、聚合物等。有机酸类能溶蚀油藏的碳酸盐，进 而扩大裂隙和通道，提高地层渗透率。代谢产生的生物表面活性剂能降低油水界面张力。 改变油层岩石界面的润湿性，并乳化原油，促使残余油的流动，改善岩石对原油的相对 渗透性，提高驱油率。微生物在新生代谢中还会产生一定量的气体（CO2、CH4、H2、N2）等，这些气体能够恢复和提高地层压力，降低流体粘度，有利于驱替滞留在“死 空间”的原油发生流动。  6、原油储运  原油流变性是储存和管道运输工艺设计的重要参数。原油储存输送过程中，由于粘 度过高，通常需要降粘，改变其流变学特性，以方便储存和运输，同时也能控制输油的 能耗。流变学的表征就是通过粘度来表征的。  目前,国内外一般采用加入分散剂或降粘剂来降低稠油在开采和输送过程中的流 动阻力,提高输送效率。 在原油的开采和输送中,减阻剂是指能降低原油在流动过程中 流动阻力的一类活性物质的总称。一般情况,可分为原油掺水减阻,称之为乳化降粘,所 用的活性剂称为降粘剂(viscosity reducer)。原油不掺水减阻通常称之为原油本体分 散减阻,所用的活性剂称之原油分散剂(dispersant)。另外,还有一类减阻剂称之为降 摩阻剂(frictional reducer)。 降摩阻剂与降粘剂和分散剂不同之处在于,降摩阻剂 一般不掺水或掺少量水(5%～10%),通过改变原油和介质表面的作用力,进而减小原油 的流动阻力。而乳化降粘一般掺水为30%左右,通过改变原油乳状液的类型,使其转变为 以水为连续相,油为分散相的水包油的乳状液,进而降低在原油在流动过程中的阻力。  在石油和天然气混合管道运输时，对油气混合后流动性的影响以及对含石蜡原油 的晰蜡点的研究很重要，用高温高压流变仪则可实现这方面的研究。  二、Brookfield 在石油流变学的测量方案  1、随着深井技术的发展，钻井深度不断增加，井内钻井液/压裂液 /原油乳液受的温度、压力越来越高，高温、高压对钻井液/压裂液/ 原油乳液的流变性的影响越来越受到研究人员的重视。Brookfield  的PVS 流变仪可以对高温高压下的粘度进行测量。具有以下优点： 轻便易携带，可以在现场工作；耐高温高压，可在－40℃－＋200 ℃的温度范围内和压力高达1000psi 的高压下测量样品，特殊的 Couette结构可以使剪切高达1700 s-1；在低剪切0.02s-1下可以测量； 由于其样品测量系统是封闭的，所以可以避免样品挥发损失；坚固耐用，哈式合金样品 杯和转子可以在恶劣环境下操作，有很好的抗腐蚀能力。  随着凝胶聚合物在钻井泥浆的应用和“微泡”近平衡钻井技术的使用，使得钻井技术得到了很大的提高。过去人们常用Fann35六速粘度计来测量低剪切速率粘度体系泥浆 的凝胶强度，这就是驰预测量（Relaxation Measurement），但这种测粘度值的方法不 能直观的评判凝胶的强度。随着质 构分析技术的越来越普及，现在有 了新型的质构分析手段来进行凝胶 强度的直接评价。Brookfield的CT3 质构仪就是一款特别适合测量凝胶 强度的仪器，用于测试淀粉凝胶强度和面团强度，其测试标准符合国际标准AOAC的 Bloom实验方法和中国标准GB6783。中国石油勘探院和胜利油田就已经在近两年买了 Brookfield质构仪测量油田钻井液中凝胶的强度。  2、聚合物溶液在实验室内进行粘度测试和配方调试，可以采用LVDV-II+Pro 粘度计或 LVDV-III Ultra 流变仪。LVDV-II+Pro 粘度计或LVDV-III  Ultra 流变仪均可以测量不同剪切转速下的流体粘度，可以配 合小量样品适配器AULA等附件，应用范围更加广泛，另外还 可通过计算机设定程序来进行测量，LVDV-III Ultra 流变仪单 机也可以设定测量程序，通过计算机保存和分析数据，极大的 方便了客户。   近年来，随着各大油田日益开采，油量越来越少，开采越来越困难，采收率越来越 低，人们不得不采用更粘稠的钻井用聚合物来进行驱油，我们发现用LV机型已经不能满 足测试需要，慢慢地一些油田开始改用RV型号的粘度计，例如大庆、胜利和辽河油田。 3、Brookfield 的R/S 流变仪可以通过控制剪切速率和剪切应力两种方式来测量钻井液/ 压裂液/聚合物溶液/原油的流变性，控制剪切应力方式可以准确测量屈服应力，以及凝 胶的蠕变性和弹性。测量流体在不同剪切速率/剪切应力下的粘度变 化，可以模拟各种工艺条件，通过对所附带的软件进行流体类型的分析，可以预测流体的流变学性质，给生产更大的指导。 4、Brookfield TT 系列在线粘度计可以测量支撑剂凝胶实时粘度， 可以根据美国石油协会（API）指定的剪切速率511s-1测量方法进行 测量。另外，TT系列在线粘度计还具有耐高温（260℃）高压（500psi）， 测量剪切速率范围大等优点。如果在同样条件下，TT在线粘度计测 量所得数据可以和实验室用粘度计测量数据相吻合。  三、国内的石油公司和研究单位概况  1、石油公司   目前国内三大石油公司下属有几十个油田，大庆油田、胜利油田、中原油田、大港 油田、江汉油田、辽河油田、吐哈油田和吉林油田等，还有一些海上油田，这些公司在 石油钻采和储运当中，都需要对一些钻井液/压裂液等一些流体的流变性质进行测量。 目前大庆、胜利、克拉玛依、常庆、大港、中原和吐哈等油田都采用了Brookfield的流 变学测量设备。  2、石油类高校和科研单位   中国石油大学、西安石油学院、西南石油学院、大庆石油学院等高等院校均有石油 开采储运的院系或者研究所，培养了大批科技人员，同时这些高校的科技人员也对石油 开采储运进行研究，需要比较先进的设备。还有一些科研院所也做了同类的工作，象石 油化工研究院、石勘院和成都有机化学研究所等。  3、油田化学剂生产企业等   在油田化学剂（聚合物）的生产企业中，也必需测量聚合物溶液的粘度和流变性。 聚丙烯酰胺的生产企业有山东昌九生化、大庆东昊投资有限公司和北京市恒聚油田化学 剂有限公司等等。