CN112229764B - 一种流动式高温、高压自动钻井液参数测量***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种流动式高温、高压自动钻井液参数测量***及方法，所述***包括，配浆罐，用于从进液口接收流动测试装置排出的测试钻井液，还用于配置钻井液；加热套，设置于配浆罐外表面，用于对配浆罐内流体保温；泥浆热交换器，用于接收从配浆罐流出的测试钻井液，并根据实际工况对测试钻井液进行实时循环加热；柱塞泵，用于使配置后的测试钻井液输至流动测试装置中；流动测试装置，用于模拟实际工况下钻井液处于环空或常规管流中的流动状态，还用于实时获取钻井液进、出流动测试装置时的压力和流量；控制模块，用于根据瞬时压力和流量进行反演，获取常规管或环空管最佳流变模式及流经钻井液流变参数。本发明***提高了流变参数测量的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及石油天然气钻井技术领域，尤其涉及一种流动式高温、高压自动钻井液参数测量***及方法。
背景技术
目前各油田对钻井液等流体有关流变参数测量多采用取样方法或自动测量方式。取样测量时并不能保证其环境温度压力与实际井眼工况一致，且钻井固井中为改善泥浆水泥浆的性能常在其中加入添加剂等，并不能实时反映钻井液性能变化；常用自动测量装置基于旋转粘度计原理，并需要大量的数据输入和操作，且其使用范围有限，结构复杂，可靠性差，且实验时间间隔较长，不适合钻井现场使用。
已有的自动钻井液流变参数测量分析方法，通过设置传感器测量流体流量和压力推演流体密度、瞬时压力。
测量原理过于简易，与钻井液在井下实际流动状态差异较大，并未考虑泥浆等受切应力所表现的触变性，无法准确测得不同压力或流量下钻井液黏度等流变特性参数，流变参数测量并不能反映钻井实际情况，导致测量结果不准确。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种流动式高温、高压自动钻井液参数测量***及方法，用以解决现有技术中测量结果不准确的问题。
本发明提供一种流动式高温、高压自动钻井液参数测量***，包括配浆罐、泥浆热交换器、加热套、柱塞泵、流动测试装置及控制模块，其中：
所述配浆罐、泥浆热交换器、柱塞泵依次管道连接，所述泥浆热交换器位于所述配浆罐下方位置；所述配浆罐上端开设有进液口，所述配浆罐用于从进液口接收流动测试装置排出的测试钻井液，所述配浆罐还用于配置测试钻井液，所述加热套设置于配浆罐外表面，用于对配浆罐内流体保温，所述泥浆热交换器，用于接收从配浆罐流出的测试钻井液，并根据实际工况对测试钻井液进行实时循环加热，所述柱塞泵用于使配置后的测试钻井液输至流动测试装置中，所述流动测试装置用于模拟实际工况下钻井液处于环空或常规管流中的流动状态，还用于实时获取钻井液进、出流动测试装置时的压力和流量；所述控制模块，用于根据瞬时压力和流量进行反演，获取常规管或环空管最佳流变模式及流经钻井液流变参数。
进一步地，所述流动测试装置包括温度传感器、压力流量传感器、常规测试管段和环空测试管段，所述温度传感器用于检测进入柱塞泵的液体温度，所述压力流量传感器用于实时获取钻井液进、出流动测试装置时的压力和流量，所述常规测试管段和环空测试管段分别用于模拟实际工况下钻井液处于环空、常规管流中的流动状态。
进一步地，所述控制模块，根据瞬时压力和流量信号进行反演，获取常规管或环空管最佳流变模式及流经钻井液流变参数，具体包括，根据瞬时压力和流量分别获取幂律模式下流变参数值、宾汉模式下流变参数值、赫-巴模式下流变参数值及卡森模式下流变参数值，根据各流变模式下流变参数值及对应的不同流变模式压耗计算模型得到各流变模式下的流量和压耗，将所述流量、压耗与实时获取的流量、压力对比拟合，得到常规管或环空管最佳流变模式及对应的流经钻井液流变参数。
进一步地，所述流动式高温、高压自动钻井液参数测量***，还包括止回阀、第一、第二回压控制阀及流量计，所述止回阀设置于流动测试装置入口管道，用于预防测试钻井液倒流，所述第一回压控制阀设置于流动测试装置出口管道，所述第二回压控制阀设置于配浆罐与柱塞泵之间，所述第一、第二回压控制阀，均用于节流，所述流量计设置于止回阀与流动测试装置之间，用于对流动测试装置流量的监测。
本发明还提供一种流动式高温、高压自动钻井液参数测量方法，包括以下步骤：
模拟实际工况下钻井液处于环空或常规管流中的流动状态；
实时获取钻井液进、出流动测试装置时的压力和流量；
根据瞬时压力和流量进行实时反演，获取常规管或环空管最佳流变模式及流经钻井液流变参数。
进一步地，根据瞬时压力和流量信号进行实时反演，获取常规管或环空管最佳流变模式及流经钻井液流变参数，具体包括，根据瞬时压力和流量分别获取幂律模式下流变参数值、宾汉模式下流变参数值、赫-巴模式下流变参数值及卡森模式下流变参数值，根据各流变模式下流变参数值及对应的不同流变模式压耗计算模型得到各流变模式下的流量和压耗，将所述流量、压耗与实时获取的流量、压力对比拟合，得到常规管或环空管最佳流变模式及对应的流经钻井液流变参数。
进一步地，对于常规管，根据瞬时压力和流量分别获取幂律模式下流变参数值、宾汉模式下流变参数值、赫-巴模式下流变参数值及卡森模式下流变参数值，具体包括，根据公式
获取幂律模式下流变参数值，其中，K为稠度系数，n为流性指数，V为平均流速，τb为圆柱面上剪切应力，D为常规管直径；
根据公式
获取宾汉模式下流变参数值，其中，τ0为流体动切力，μp为塑性黏度；
根据公式
获取赫-巴模式下流变参数值；
根据公式
获取卡森模式下流变参数值，其中，τc为卡森动切力，μ∞为极限剪切黏度。
进一步地，对于常规管，根据各流变模式下流变参数值及对应的不同流变模式压耗计算模型得到各流变模式下的流量和压耗，具体包括，根据各流变模式下流变参数值及对应的不同流变模式压耗计算模型，获取各流变模式下压耗，根据压耗与流量的关系式
获取流量，其中，q为流量，Δp为压耗，rb为流核半径，R为管段半径，L为管段长度。
进一步地，对于环空管，根据瞬时压力和流量分别获取幂律模式下流变参数值、宾汉模式下流变参数值、赫-巴模式下流变参数值及卡森模式下流变参数值，具体包括，根据公式
获取幂律模式下流变参数值，其中，Q为流量，Ro为环空外径，Ri为环空内径，K为稠度系数，n为流性指数，τb为圆柱面上剪切应力；
根据公式
获取宾汉模式下流变参数值，其中，τ0为流体动切力，μp为塑性黏度；
根据公式
获取赫-巴模式下流变参数值；
根据公式
获取卡森模式下流变参数值，其中，τc为卡森动切力，μ∞为极限剪切黏度。
进一步地，对于环空管，根据各流变模式下流变参数值及对应的不同流变模式压耗计算模型得到各流变模式下的流量和压耗，具体包括，根据各流变模式下流变参数值及对应的不同流变模式压耗计算模型，获取各流变模式下压耗，根据压耗与流量的关系式
获取流量，其中，q为流量，Ro为环空外径，Ri为环空内径，Δp为压耗，f为范宁阻力系数。
与现有技术相比，本发明的有益效果包括：通过模拟实际工况下钻井液处于环空或常规管流中的流动状态；实时获取钻井液进、出流动测试装置时的压力和流量；根据瞬时压力和流量进行反演，获取常规管或环空管最佳流变模式及流经钻井液流变参数；更加真实的反映钻井实际情况，提高了流变参数测量的准确性。
附图说明
图1为本发明提供的流动式高温、高压自动钻井液参数测量***的结构示意图；
图2为本发明提供的圆管流动的力平衡关系示意图；
图3为本发明提供的环空压耗与流体剪切应力的平衡关系示意图。
附图标记：1-高温高压控制单元；2-流动测试装置；3-PLC控制***；11-配浆罐；12-泥浆热交换器；13-温度传感器；14-柱塞泵；15-止回阀；16-流量计；17-第一回压控制阀；18-第二回压控制阀；21-压力流量传感器；22-常规测试管段；23-环空测试管段。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
实施例1
本发明实施例提供了一种流动式高温、高压自动钻井液参数测量***，包括配浆罐、泥浆热交换器、加热套、柱塞泵、流动测试装置及控制模块，其中：
所述配浆罐、泥浆热交换器、柱塞泵依次管道连接，所述泥浆热交换器位于所述配浆罐下方位置；所述配浆罐上端开设有进液口，所述配浆罐用于从进液口接收流动测试装置排出的测试钻井液，所述配浆罐还用于配置测试钻井液，所述加热套设置于配浆罐外表面，用于对配浆罐内流体保温，所述泥浆热交换器，用于接收从配浆罐流出的测试钻井液，并根据实际工况对测试钻井液进行实时循环加热，所述柱塞泵用于使配置后的测试钻井液输至流动测试装置中，所述流动测试装置用于模拟实际工况下钻井液处于环空或常规管流中的流动状态，还用于实时获取钻井液进、出流动测试装置时的压力和流量；所述控制模块，用于根据瞬时压力和流量进行反演，获取常规管或环空管最佳流变模式及流经钻井液流变参数。
上述技术方案可以提高了流变参数测量的准确性，实现流变参数测量的快速、实时和自动测试。
一个具体实施例中，流动式高温、高压自动钻井液参数测量***的结构示意图，如图1所示，所述流动式高温、高压自动钻井液参数测量***包括依次相连通的配浆罐11(含加热套)、泥浆热交换器12、温度传感器13、柱塞泵14、止回阀15、流量计16、第一回压控制阀17、第二回压控制阀18；
所述配浆罐11下端还设有去泥浆池通道，用于排出废弃钻井液；所述配浆罐11呈上端进口，用来接收整个循环管路排出的测试钻井液，下端设有出口，能将泥浆送至泥浆热交换器12或去泥浆池，并设有加热套起到钻井液保温作用，最高加热温度可达70℃，同时也能满足实际工况下需要加入添加剂等需求，该罐体主要用来配置测试用钻井液，配浆罐的四个顶角设有高速水嘴，通过管线从罐中引出液体，经泵加压重新注入罐内，能有效防止罐底沉淀并使得固体物充分水化，同时由于配浆罐罐体容积较大，整个循环管路呈稳定工况时，也能充当缓冲罐的作用；
所述泥浆热交换器12于配浆罐下游位置，设有全热交换管，流经钻井液状态符合湍流边界层内的强对流换热性质，能起到充分热交换和温控要求，设备布置较旋转式更易于维护，节能高效；罐体配有加热器，；所述温度传感器13用于检测循环回路液体温度；所述柱塞泵14与泥浆热交换器相连，并将配置好后钻井液输至整个循环流动测试装置2(流动测试区)或完成高温高压控制单元内部流体循环；
一个具体实施例中，在配浆罐11中加好实验用钻井液，然后依次打开泥浆热交换器12、温度传感器13、柱塞泵14、第一回压控制阀17相关通道，关闭止回阀15，实现在高温高压控制单元内部的高温高压钻井液循环；待内部钻井液所处物理状态与实际工况一致后，打开止回阀15，并关闭第一回压控制阀17；实现对流动测试区输液，待整体回路内充满钻井液时，即可开始实时钻井液流变参数测量，并实时返回值；
具体实施时，需要进行高温高压环境设置，通过设置一台加热套管的配浆罐和泥浆热交换器完成高温环境部署；其中，电加热器包裹在泥浆配浆罐的外部，对实验泥浆进行预热，通过热交换器后进一步加热，首先在高温高压控制单元内部完成泥浆循环，随后打开去测试单元的止回阀，泥浆泵送到测试单元之间的管线采用包裹保温棉的方式进行保温；通过传感器将温度状态反馈给上位机，上位机随即发出指令，完成温度的自动化调节，主要控温装置控温范围为室温+15～150℃，控温精度：≤±1℃；高压环境由装置注液***完成，整体流程输出流量由柱塞泵、ABB变频器、电磁流量计、控制软件组成的闭环控制***组成，流量计将检测到的管路中的流量参数反馈至控制软件，控制软件通过PID计算，输出频率控制信号给变频器，通过变频器调节注液泵的转速来控制输出流量。当压力值超过额定时，回压控制阀开启，充分保证***的正常运行和操作人员的人身安全；其中柱塞泵最大排量为45m3/h，扬程可达100m；沿线装置均采用耐高温高压材料，流动测试段材料均为316L号钢，并敷设保温材料环空段外管为高强度玻璃，保温性良好；上述方案可以满足自动加温、加压要求，能很好模拟实际井下工况；
另一个具体实施例中，整套流程工艺主要包含整体设计、钻井液配置、注液***设置、流动测试区建模、恒温控制***、实时测量装置、采集控制***及核心计算模块。
其中整体设计主要有整体装置、流动测试区与PLC控制***，钻井液配置主要由配浆罐与泥浆热交换器两套***完成，同时能实现整体高温环境设置；
注液***设置主要由配浆罐、泥浆热交换器、柱塞泵、ABB变频器、电磁流量计、安全阀等组成，其中ABB变频器输出范围：0～400Hz，精度：数字：0.01％，模拟：0.1％；电子流量计量程：0～45m3/h，精度：±0.5％，输出信号：4～20mA，连接方式：法兰连接。
流动测试区主要包含常规管段测试区与环空管段测试区，常规管段规格：(可更换/>)，材质高强度玻璃；环空管段规格：(可更换/>)，材质：内套管：316L，外套管：高强度玻璃。
恒温控制***主要包括包裹在泥浆配浆罐外部的电加热装置，泥浆热交换器，以及沿线均采用包裹保温棉的方式进行保温；实时测量装置主要包括各测试段设置的流量/压力传感器，采用精密补偿技术设计生产，具有精度高、稳定性好等特点，测试精度为±1.0％，配备香港虹润NHR数显仪表作为二次显示仪表；
采集控制***及计算模块主要能实现设备***中的压力、温度、流量、等数值，控制注入泵的注入流量；数据采集与外部设备控制采用西门子PLC数据采集控制***，具有采集精度高，抗干扰能力强、可靠性高等优点。同时为了保证采集的精度及电气***的稳定性，采取了如下措施：(1)在电源进线处设置电源滤波器，防止电设备本身产生的电磁干扰进入电源线，同时防止电源线上的干扰进入设备；(2)所有模拟量输入输出信号都经过隔离安全栅进入电气***；增强了检测和控制回路的抗干扰能力，提高***的可靠性；(3)采取有效措施抑制电磁辐射。确保在距离控制柜30cm处的电磁场强度小于0.2uT，电磁辐射强度低于40μW/cm2，均低于国标中的安全限值；(4)采取有效措施提高电气***抗电瞬变快速脉冲群和电涌的能力，确保***在雷击、电流扰动的情况下能正常工作；(5)采取有效措施提高电气***抗电压跌落能力，确保***在电网电压波动时能正常工作；
优选的，所述流动测试装置包括温度传感器、压力流量传感器、常规测试管段和环空测试管段，所述温度传感器用于检测进入柱塞泵的液体温度，所述压力流量传感器用于实时获取钻井液进、出流动测试装置时的压力和流量，所述常规测试管段和环空测试管段分别用于模拟实际工况下钻井液处于环空、常规管流中的流动状态；
具体实施时，所述流动测试区进口和出口位置处，均设置有压力/流量传感器21，用于实时监测钻井液进和出流动测试区时的压力和流量变化；所述流动测试区包含有常规测试管段22和环空测试管段23，可实现分别模拟实际工况下钻井液处于环空或常规管流中流动状态；
优选的，所述控制模块，根据瞬时压力和流量信号进行反演，获取常规管或环空管最佳流变模式及流经钻井液流变参数，具体包括，根据瞬时压力和流量分别获取幂律模式下流变参数值、宾汉模式下流变参数值、赫-巴模式下流变参数值及卡森模式下流变参数值，根据各流变模式下流变参数值及对应的不同流变模式压耗计算模型得到各流变模式下的流量和压耗，将所述流量、压耗与实时获取的流量、压力对比拟合，得到常规管或环空管最佳流变模式及对应的流经钻井液流变参数；
一个具体实施例中，控制模块为PLC控制***3，其包括流程控制模块和运算模块，各类数据测量装置如温度传感器13、流量计15、压力/流量传感器21等均能实现将测量数据转换为电信号输至PLC***3以供使用及显示；泵送流量14、配浆罐11配比关系和温度加热均能通过用户依托PLC***3实现控制；
优选的，所述流动式高温、高压自动钻井液参数测量***，还包括止回阀、第一、第二回压控制阀及流量计，所述止回阀设置于流动测试装置入口管道，用于预防测试钻井液倒流，所述第一回压控制阀设置于流动测试装置出口管道，所述第二回压控制阀设置于配浆罐与柱塞泵之间，所述第一、第二回压控制阀，均用于节流，所述流量计设置于止回阀与流动测试装置之间，用于对流动测试装置流量的监测；
一个具体实施例中，所述止回阀15于流动测试区入口管道，预防流体倒流，所述流量计16接在止回阀之后，实现对进流动测试区的流量监测。所述回压控制阀17、回压控制18处于高温高压循环管道以及流动测试区出口管段处，用于节流，预防整个循环工况憋压、事故发生；
具体实施时，要模拟的井身结构、钻具组合设计、钻井液配置、泥浆泵性能参数及实验时应达到的温度和压力条件；开启配浆罐11输送阀依托用户给定的配比关系，配比完成后，关闭止回阀15和节流阀17；柱塞泵14在PLC控制***3给定流量信号后开始往高温高压装置内部注入钻井液，随后高温高压单元内部达到动态循环后，打开止回阀15和回压控制阀18并关闭回压控制阀17，沿线流量计16、压力/流量传感器21转化为电信号返回PLC控制***3，流量和压力信号开始变化；待沿线各处与流动测试区2充满流体并达到动态平衡后，此时整个测试***就构成了一个完整的泥浆循环回路。
实施例2
本发明实施例提供了一种流动式高温、高压自动钻井液参数测量方法，包括以下步骤：
模拟实际工况下钻井液处于环空或常规管流中的流动状态；
实时获取钻井液进、出流动测试装置时的压力和流量；
根据瞬时压力和流量进行实时反演，获取常规管或环空管最佳流变模式及流经钻井液流变参数。
一个具体实施例中，所述流动式高温、高压自动钻井液参数测量方法包括沿线流量计16、压力/流量传感器21返回电信号实时变化；点击控制***3的自动钻井液参数测量，随后微机对接入的相关参数计算当前步下流经钻井液流变参数，具体相关参数包含，测试管段相关参数(管段直径、管壁摩擦系数、环空内外径)，钻井液温度，黏度，各测点实时流量、压力值；增大或减小柱塞泵14排量，控制***3返回流量、压力信号值较上一时间步增大或减小，PLC控制***3计算当前步下流经钻井液流变参数并输出；
PLC控制***3输出不同温度信号至配浆罐11以及泥浆热交换器12，配浆罐11加热套开始加热或冷却(泥浆热交换器开始工作或待机)，并输送较上一时间步不同温度钻井液至流动测试区3，PLC控制***3返回流量、压力信号值较上一时间步变化，控制***3重复计算当前步下流经钻井液流变参数并输出；
最后，关闭柱塞泵15，直到沿线流体完全静止，测量结束，清理沿线残余流体；
钻井液流变参数评判，有以下步骤，PLC控制***3对接入的瞬时流量、压力变化等电信号进行处理转化；并行运算出不同模式下钻井液参数，再将这些参数导入到压耗与流量变化关系式，与实测压耗对比拟合，取最适宜模式，实现实时自动反演在常规管段22或环空管段23流经钻井液流变参数，并将实时运算出的钻井液流变参数结果传输出来并显示，用户即可得到当前时间步下钻井液流变参数测量结果；清理内存，准备下一时间步运算；
优选的，根据瞬时压力和流量信号进行实时反演，获取常规管或环空管最佳流变模式及流经钻井液流变参数，具体包括，根据瞬时压力和流量分别获取幂律模式下流变参数值、宾汉模式下流变参数值、赫-巴模式下流变参数值及卡森模式下流变参数值，根据各流变模式下流变参数值及对应的不同流变模式压耗计算模型得到各流变模式下的流量和压耗，将所述流量、压耗与实时获取的流量、压力对比拟合，得到常规管或环空管最佳流变模式及对应的流经钻井液流变参数；
一个具体实施例中，基于不同流变模式实时计算流经流变参数，具体为，由管道流动原理测量流变性原理，在稳定定常层流流动条件下，测定流量与一定管长上的压力降，通过数学关系式，整理出切应力与剪切速率的关系曲线，进而通过曲线拟合方法得到其本构方程；
圆管(常规管)流动的力平衡关系示意图，如图2所示，圆管流动的力平衡关系式推导过程如下，在以管轴心线为中心，半径为r的圆柱体上，存在着两个方向相反的力，一是管两端的压差作用于圆柱断面上的力；二是流动过程中，在圆柱壁面上的粘滞阻力，稳定流时，两者之间存在如下关系
2πrΔLτ＝ΔPπr2
其中，ΔP＝P测2-P测1，τ为圆柱面上剪切应力，整理有
在r＝R处τ最大，若以τb表示时，则有
其中，R为管段半径，m；L为管段长度，m；上式适用于稳态运动的任何与时间无关的流体，由哈根方程得
其中Q为控制***3传入电信号，即流量(m2/s)，并且有因此有常规管段下压耗表达式
式中，V为计算出的平均流速，单位为m/s；μ为求得的钻井液黏度，单位为Pa·s，并且由管流流量积分式
左右同乘并代入式变形，/>有
上式V、D、τb均已知；τ0为流体动切力(取幂律和卡森模式时，为0)，Pa；即速度变化梯度，与流变参数有关；因此有，基于常规管段下流动式实时自动反演动态钻井液流变参数的算法核心思路，沿线流量计、压力/流量传感器实时返回电信号；控制模块对输入电信号(ΔP与Q)处理，输至计算模块；基于不同流变模式下流变方程，代入到上式积分，并行反演流变参数；再由不同流变模式下流变参数计算沿程压降(Δp)与流量(q)，并同实时数据(ΔP与Q)对比，拟合输出当前时间步下最佳模式表达与各流变参数值；
优选的，对于常规管，根据瞬时压力和流量分别获取幂律模式下流变参数值、宾汉模式下流变参数值、赫-巴模式下流变参数值及卡森模式下流变参数值，具体包括，根据公式
获取幂律模式下流变参数值，其中，K为稠度系数，n为流性指数，V为平均流速，τb为圆柱面上剪切应力，D为常规管直径；
根据公式
获取宾汉模式下流变参数值，其中，τ0为流体动切力，μp为塑性黏度；
根据公式
获取赫-巴模式下流变参数值；
根据公式
获取卡森模式下流变参数值，其中，τc为卡森动切力，μ∞为极限剪切黏度；
优选的，对于常规管，根据各流变模式下流变参数值及对应的不同流变模式压耗计算模型得到各流变模式下的流量和压耗，具体包括，根据各流变模式下流变参数值及对应的不同流变模式压耗计算模型，获取各流变模式下压耗，根据压耗与流量的关系式
获取流量，其中，q为流量，Δp为压耗，rb为流核半径；
一个具体实施例中，对于幂律模式，由流变参数变形有
代入积分有
上式中仅有K(稠度系数，Pa·sn)和n(流性指数，无因次量)未知，当n＝1，k＝μ时，则为牛顿流体的解；对于不同测点下易得V和τb，采用逆序思想即得幂律模式下流变参数值；
对于宾汉模式，由流变参数变形有
τ＜τ0，γ＝0
代入积分有
上式中仅有τ0(流体动切力，Pa)和μp(塑性黏度，mPa·s)未知；对于不同测点下易得V和τb，采用逆序思想即得宾汉模式下流变参数值；
对于赫-巴模式，由流变参数变形有
代入公式积分有
上式中仅有τ0和n未知；对于不同测点下易得V、τb，采用逆序思想即得赫-巴模式下流变参数值；
对于卡森模式，由流变参数变形有
代入积分有
上式中仅有τc(卡森动切力，Pa)，μ∞(极限剪切黏度，mPa·s)未知；对于不同测点下易得V和τb，采用逆序思想即得卡森模式下流变参数值；
由上式，则有不同流变模式下反演结果，随后再分别代入传统圆管压耗计算式得出各模式下压耗值，再由结构流下流量与压降关系式，进而有不同流变模式计算结果(Δp与q)，最终与实测数据(ΔP与Q)拟合比对，则有当前步下最宜流变模式评判及各流变参数值，不同流变模式传统压耗计算模型，如表1所示
表1
根据同流变模式传统压耗计算模型，以及结构流下q与Δp关系式
其中，rb为流核半径，即最终有不同流变模式下计算输出压耗与流量结果(Δp与q)，最后再与Q测1(流动测试装置入口流量)、Q测2(流动测试装置出口流量)、P测1(流动测试装置入口压力)、P测2(流动测试装置出口压力)对比拟合，则有当前步下满足常规测试管段的最适宜流变模式评判与流经钻井液流变参数；
优选的，对于环空管，根据瞬时压力和流量分别获取幂律模式下流变参数值、宾汉模式下流变参数值、赫-巴模式下流变参数值及卡森模式下流变参数值，具体包括，根据公式
获取幂律模式下流变参数值，其中，Q为流量，Ro为环空外径，Ri为环空内径，K为稠度系数，n为流性指数，τb为圆柱面上剪切应力；
根据公式
获取宾汉模式下流变参数值，其中，τ0为流体动切力，μp为塑性黏度；
根据公式
获取赫-巴模式下流变参数值；
根据公式
获取卡森模式下流变参数值，其中，τc为卡森动切力，μ∞为极限剪切黏度；
优选的，对于环空管，根据各流变模式下流变参数值及对应的不同流变模式压耗计算模型得到各流变模式下的流量和压耗，具体包括，根据各流变模式下流变参数值及对应的不同流变模式压耗计算模型，获取各流变模式下压耗，根据压耗与流量的关系式
获取流量，其中，q为流量，Ro为环空外径，Ri为环空内径，Δp为压耗，f为范宁阻力系数；
一个具体实施例中，环空压耗与流体剪切应力的平衡关系示意图，如图3所示，根据环空压耗ΔP(控制***3传入电信号)与流体剪切应力τ的平衡关系，其中ΔP＝P测2-P测1，建立环空均匀层流控制方程，
管壁处若以τb表示，有
其中，Ro为环空外径，Ri为环空内径，并有环空管段23处流量与管壁剪切应力关系的普适性方程，
式中，Q为控制***3传入电信号，即流量(m2/s)；τw为管壁处剪切应力，Pa；对于黏塑性流体环空结构流(存在流核)，上式变形为
式中，τ0为流体动切力，Pa，流核区内剪切速率f(τ)＝0，有
同样的对于环空管段，有流动式实时自动反演动态钻井液流变参数的算法步骤为，沿线流量计、压力/流量传感器实时返回电信号；控制***对输入电信号(ΔP与Q)处理，输至核心计算模块；基于不同流变模式下流变方程，代入式积分，并行反演流变参数；再由不同流变模式下流变参数计算沿程压降(Δp)与流量(q)，并同实时数据对比，拟合输出当前时间步下最佳模式表达与各流变参数值；
其中，对于幂律模式，由流变参数变形并代入积分有
上式中仅有K和n未知，当n＝1,K＝μ时，则为牛顿流体的解,对于不同测点下易得Q和τb，采用逆序思想即得幂律模式下流变参数值；
对于宾汉模式，由流变参数变形并代入积分有
上式中仅有τ0(流体动切力，Pa)和μp(塑性黏度，mPa·s)未知；对于不同测点下易得Q和τb，采用逆序思想即得宾汉模式下流变参数值；
对于赫-巴模式，由流变参数变形并代入积分有
上式中仅有τ0(流体动切力，Pa)，K(稠度系数)和n(流性指数，无因次量)未知；对于不同测点下易得Q和τb，采用逆序思想即得赫-巴模式下流变参数值；
对于卡森模式，由流变参数变形并代入积分有
上式中仅有τc(卡森动切力，Pa)，μ∞(极限剪切黏度，mPa·s)未知；对于不同测点下易得Q和τb，采用逆序思想即得卡森模式下流变参数值；
由上式，则有不同流变模式下反演结果，随后再分别代入传统环空层流压耗计算式得出各模式下压耗值，再由环空结构流下流量与压降关系式，进而有不同流变模式计算结果(Δp与q)，最终与实测数据(ΔP与Q)拟合比对，则有当前步下最宜流变模式评判及各流变参数值；不同流变模式传统压耗计算模型，如表2所示，
表2
其中，v为环空平均流速，m/s，由范宁-达西公式有环空压耗与流量关系式
/>
其中，f为范宁阻力系数，ρ为流体密度，kg/m3，
最终有不同流变模式下计算压耗与流量结果(Δp与q)，最后与Q测1、Q测2、P测1、P测2对比拟合，则有当前步下满足环空测试管段23的最佳流变模式评判与流经钻井液流变参数。
本发明公开了一种流动式高温、高压自动钻井液参数测量***及方法，通过模拟实际工况下钻井液处于环空或常规管流中的流动状态；实时获取钻井液进、出流动测试装置时的压力和流量；根据瞬时压力和流量进行反演，获取常规管或环空管最佳流变模式及流经钻井液流变参数；基于本装置的自动加温加压控制装置，更加真实的反映钻井实际情况，提高了流变参数测量的准确性；本发明对钻井液测试条件与钻井液在井眼内的流动条件更接近，因此测量结果能更准确的反应井下实际情况，测量结果更准确；
本发明技术方案，基于管道流动原理测量不同条件下的压力变化情况，结合数据分析和钻井液流变模型反演钻井液流变参数；从不同流变模式出发，通过合理设置测试方案，实时计算，并自动反演流经混合流体流变参数，克服现有技术测量精度不高，速度慢等缺点；
本发明技术方案直接与现场钻井设备连接，无需人工干预，可靠性好，可以直接利用实时钻井参数，利用数据驱动方法来实现自动反演流经混合流体流变参数，能杜绝实验条件下的数据不确定性；在物理应用范围上完全依托井下实际情况与流动状态，可以用于实时评判通过钻井液流变参数，计算过程简单且迅速；也可以应用于准确评估钻井过程中工况变化而导致的数据异常，准确满足钻井自动化，实时钻井液监测等智能钻井技术。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种流动式高温、高压自动钻井液参数测量***，其特征在于，包括配浆罐、泥浆热交换器、加热套、柱塞泵、流动测试装置及控制模块，其中：
所述配浆罐、泥浆热交换器、柱塞泵依次管道连接，所述泥浆热交换器位于所述配浆罐下方位置；所述配浆罐上端开设有进液口，所述配浆罐用于从进液口接收流动测试装置排出的测试钻井液，所述配浆罐还用于配置测试钻井液，所述加热套设置于配浆罐外表面，用于对配浆罐内流体保温，所述泥浆热交换器，用于接收从配浆罐流出的测试钻井液，并根据实际工况对测试钻井液进行实时循环加热，所述柱塞泵用于使配置后的测试钻井液输至流动测试装置中，所述流动测试装置用于模拟实际工况下钻井液处于环空或常规管流中的流动状态，还用于实时获取钻井液进、出流动测试装置时的压力和流量；所述控制模块，用于根据压力和流量进行反演，获取常规管或环空管最佳流变模式及钻井液流变参数；
还包括温度传感器、止回阀、第一回压控制阀、第二回压控制阀及流量计，所述温度传感器用于检测进入柱塞泵的液体温度，所述止回阀设置于流动测试装置入口管道，用于预防测试钻井液倒流，所述第二回压控制阀设置于流动测试装置出口管道，所述第一回压控制阀设置于配浆罐与柱塞泵之间，所述第一回压控制阀、第二回压控制阀，均用于节流，所述流量计设置于止回阀与流动测试装置之间，用于对流动测试装置流量的监测；
所述流动测试装置包括常规测试管段和环空测试管段，所述常规测试管段和环空测试管段分别用于模拟实际工况下钻井液处于常规、环空管流中的流动状态；
根据压力和流量信号进行反演，获取常规管或环空管最佳流变模式及钻井液流变参数，具体包括，根据压力和流量分别获取幂律模式下流变参数值、宾汉模式下流变参数值、赫-巴模式下流变参数值及卡森模式下流变参数值，根据各流变模式下流变参数值及对应的不同流变模式压耗计算模型和压耗与流量的关系得到各流变模式下的流量和压耗，将所述各流变模式下的流量、压耗与实时获取的流量、压力对比拟合，得到常规管或环空管最佳流变模式及对应的钻井液流变参数；
其中，在配浆罐中加好实验用钻井液，然后依次打开泥浆热交换器、温度传感器、柱塞泵、第一回压控制阀相关通道，关闭止回阀，实现高温高压钻井液循环；待钻井液所处物理状态与实际工况一致后，打开止回阀，并关闭第一回压控制阀，实现对流动测试区输液，待整体回路内充满钻井液时，开始实时钻井液流变参数测量，并实时返回值。
2.根据权利要求1所述的流动式高温、高压自动钻井液参数测量***，其特征在于，所述流动测试装置包括压力流量传感器，所述压力流量传感器用于实时获取钻井液进、出流动测试装置时的压力和流量。
3.一种流动式高温、高压自动钻井液参数测量方法，基于如权利要求1-2任一项所述的流动式高温、高压自动钻井液参数测量***，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
模拟实际工况下钻井液处于环空或常规管流中的流动状态；
实时获取钻井液进、出流动测试装置时的压力和流量；
根据压力和流量进行实时反演，获取常规管或环空管最佳流变模式及钻井液流变参数；
根据压力和流量信号进行实时反演，获取常规管或环空管最佳流变模式及钻井液流变参数，具体包括，根据压力和流量分别获取幂律模式下流变参数值、宾汉模式下流变参数值、赫-巴模式下流变参数值及卡森模式下流变参数值，根据各流变模式下流变参数值及对应的不同流变模式压耗计算模型和压耗与流量的关系得到各流变模式下的流量和压耗，将所述各流变模式下的流量、压耗与实时获取的流量、压力对比拟合，得到常规管或环空管最佳流变模式及对应的钻井液流变参数。
4.根据权利要求3所述的流动式高温、高压自动钻井液参数测量方法，其特征在于，对于常规管，根据压力和流量分别获取幂律模式下流变参数值、宾汉模式下流变参数值、赫-巴模式下流变参数值及卡森模式下流变参数值，具体包括，根据公式
获取幂律模式下流变参数值，其中，K为稠度系数，n为流性指数，V为平均流速，为圆柱面上剪切应力，D为常规管直径；
根据公式
获取宾汉模式下流变参数值，其中，为流体动切力，/>为塑性黏度；
根据公式
获取赫-巴模式下流变参数值；
根据公式
获取卡森模式下流变参数值，其中，为卡森动切力，/>为极限剪切黏度。
5.根据权利要求3所述的流动式高温、高压自动钻井液参数测量方法，其特征在于，对于常规管，根据各流变模式下流变参数值及对应的不同流变模式压耗计算模型和压耗与流量的关系得到各流变模式下的流量和压耗，具体包括，根据各流变模式下流变参数值及对应的不同流变模式压耗计算模型，获取各流变模式下压耗，根据压耗与流量的关系式
获取流量，其中，为流量，/>为压耗，/>为流核半径，R为管段半径，L为管段长度，μ为钻井液黏度。
6.根据权利要求3所述的流动式高温、高压自动钻井液参数测量方法，其特征在于，对于环空管，根据压力和流量分别获取幂律模式下流变参数值、宾汉模式下流变参数值、赫-巴模式下流变参数值及卡森模式下流变参数值，具体包括，根据公式
获取幂律模式下流变参数值，其中，为流量，/>为环空外径，/>为环空内径，K为稠度系数，n为流性指数，/>为圆柱面上剪切应力，/>；
根据公式
获取宾汉模式下流变参数值，其中，为流体动切力，/>为塑性黏度；
根据公式
获取赫-巴模式下流变参数值；
根据公式
获取卡森模式下流变参数值，其中，为卡森动切力，/>为极限剪切黏度。
7.根据权利要求3所述的流动式高温、高压自动钻井液参数测量方法，其特征在于，对于环空管，根据各流变模式下流变参数值及对应的不同流变模式压耗计算模型和压耗与流量的关系得到各流变模式下的流量和压耗，具体包括，根据各流变模式下流变参数值及对应的不同流变模式压耗计算模型，获取各流变模式下压耗，根据压耗与流量的关系式
获取流量，其中，q为流量，为环空外径，/>为环空内径，/>为压耗，f为范宁阻力系数，ρ为流体密度，/>。
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