表面活性剂在连续管钻井降摩减阻中的应用

2012-09-04长江大学石油工程学院于建涛黄志强刘高沈家训胡靖廖江东路萍

河南科技 2012年7期

长江大学石油工程学院于建涛黄志强刘高沈家训胡靖廖江东路萍

表面活性剂在连续管钻井降摩减阻中的应用

长江大学石油工程学院于建涛黄志强刘高沈家训胡靖廖江东路萍

连续管（CT）钻井过程中，由于连续管尺寸小、易发生屈曲现象，在发生弯曲后，流体通过连续管时会产生离心效应，并且由于连续管不旋转，导致摩擦损失在连续管中比在传统直井中高得多。应用水溶性聚合物减阻存在机械降解现象，并且降解后分子结构无法恢复使得减阻能力下降，表面活性剂在受到大的剪切应力的时候会发生机械降解但是可以自行修复，因此在连续管钻井中用表面活性剂来进行减阻更有优势。本文，笔者介绍了表面活性剂减阻机理，并讨论了影响减阻效果的各种因素。

一、表面活性剂减阻机理

1.在静止状态下，表面活性剂胶束形成并随机分布在溶液中，剪切速率的增加可以使线性胶束延伸并且使线性胶束与流动方向保持一致。因此，紊流波动、漩涡减少、紊流能量的耗损降低，呈现减阻特性。

2.表面活性剂线性胶束的纠缠形成剪切诱导结构，剪切诱导结构的弹性性能或者网络状胶束抑制紊流的连续形成，减少大量的能量消耗，产生减阻。

3.表面活性剂的高拉伸黏度使涡流拉伸产生附加阻力从而限制紊流漩涡的增加，减小了能量消耗，产生减阻。通常表面活性剂流体（SB）在油管流动时以不同的胶束结构形式出现。在静止时，线状胶束随机的分布在溶液中，随着溶液的流动，剪切应力增加，尤其是管壁附近剪切应力最大。由于在管壁面附近比较大的剪应力使越来越多的胶束与水流方向保持一致，紊流波动和漩涡越来越少，使表面活性剂溶液出现减阻现象。随着剪切应力的增加，越来越多的线性胶束与流动方向一致。SIS是胶束与水流方向一致的状态，SIS状态时获得最大的减阻效果。之后，管壁附近的线状胶束被打破，然而由于在管内流动的非均匀应力分布（管壁处最大而中心为零）远离管壁的胶束还未受到影响，减阻现象会持续比较长的时间。随着剪切应力的增加，胶束在管壁和中心之间的交换，原来远离管壁的胶束逐渐向管壁靠拢并且被分解，造成溶液减阻能力的下降。最终，表面活性剂溶液中所有的胶束被分解成长度不够大而无法产生减阻的胶束。此时，溶液完全失去其减阻的能力。

二、表面活性剂减阻的影响因素

在连续管钻井过程中，表面活性剂的自身结构及性质是降摩减阻作用的关键，但是外界因素对表面活性剂的减阻效果也起到重要作用。这些因素主要包括：表面活性剂的质量分数、温度、盐度、剪切速率，连续管的管径和曲率比等。

1.表面活性剂的质量分数。表面活性剂的质量分数是使它成为一种高效的减阻剂的关键因素。增加表面活性剂的质量分数有利于形成线性胶束提高减阻效果。图1表示了在1/2in连续管中（1in=25.4mm），表面活性剂质量分数对减阻的影响。在雷诺数相同的情况下，增加表面活性剂质量分数能增加减阻效果。例如，在雷诺数达到100000时，质量分数为1.5%的表面活性剂流体减阻效果为36%，质量分数为4%的表面活性剂流体减阻效果为51%，但是随着质量分数的增加减阻效果达到最大，然后随着质量分数的增加减阻效果逐渐下降。

图1 在1/2in连续管中，表面活性剂质量分数对减阻的影响

2.温度。温度是影响表面活性剂减阻效果的重要的因素之一。首先，当表面活性剂处于特定的温度范围内，表面活性剂才能起到减阻作用。其次，当温度高于减阻温度上限时，表面活性剂减阻作用消失；当温度降低到有效减阻温度范围内时，溶液的减阻作用将重新恢复。

3.盐度。盐度可促进线性胶束的形成，增加了胶束的弹性，降低了摩擦系数，提高了减阻效果。Hartmann和Cressely发现在含盐量较低情况下，随着盐度的增加，减阻效果增加；在盐含量较高情况下，减阻效果反而会降低。通过图2可以直观看出在表面活性剂在质量分数为4%的盐水中比在清水中减阻效果要好。

图2 在1/2in连续管中，盐度对表面活性剂减阻效果的影响

4.连续管管径。对于牛顿流体，在相同雷诺数的情况下，无论管径大小，摩擦系数将是相同的。但对于非牛顿流体，在相同雷诺数情况下，摩擦系数是随着管径的变化而变化。从图3可以明显得出相同质量分数的表面活性剂流体在1/2in的连续管中减阻效果最差，随着管径的增加，减阻效果越好，23/8in的连续管减阻效果最好。