随钻测井工具气液混合流体泄漏现象分析

王红亮， 王金田， 王智明， 菅志军， 陆庆超

（中海油服油田技术研究院，北京101149）

1 引 言

随钻测井工具在井下工作过程中，由于井下泥浆压力较大，并混入一定量的空气，在泥浆中产生压力较大的气泡，形成一种气液混合流体，这时要求仪器有较好的密封性能，使泥浆不能侵入到仪器内部，保证仪器的正常运行。一旦出现密封问题并产生泥浆泄漏，仪器就会损坏甚至报废。

测井仪器在现场应用中，出现过这样一种特殊的现象：仪器密封腔内被高压空气压迫变形，但液体泥浆并没有泄漏进去，经过检测，仪器一切正常，并没有被损坏。对于这种气液混合流体的泄漏现象，为了找出泄漏原因，提高仪器的密封性能，排除隐患，需要从液体和气体的物理性质出发，分析和比较这两种流体的相关特性，确定其产生的原因及过程，并提出相应的改进措施。

2 液体和气体的基本特性及其流动特征

2.1 粘性

粘性是流体在受到外部剪切力作用时发生变形，内部相应产生对变形的抵抗，并以内摩擦的形式表现出来的性质，液体在有相对运动时都要产生内摩擦力。

粘性的大小用粘度表示，粘度又分为动力粘度μ（m2/s），运动粘度ν，ν=μ/ρ。

水的运动粘度ν（cm2/s）通常可用经验公式计算：

式中，t 为水温，℃。

流体粘度μ 的数值随流体种类不同而不同，并随压强、温度变化而变化。相同条件下，液体的粘度大于气体的粘度。对常见的流体，如水、气体等，μ 值随压强的变化不大，一般可忽略不计。

τ-粘性切应力，是单位面积上的内摩擦力，Pa。流体的切应力与剪切变形速率，或角变形率成正比；

流体的切应力与动力粘度μ 成正比；

对于平衡流体dμ/dy=0，对于理想流体μ=0，所以均不产生切应力，即t=0。

式中：流速梯度dμ/dy 代表流体微团的剪切变形速率。线性变化时，即dμ/dy=U/Y；非线性变化时，dμ/dy 即是μ对y 求导。

空气的粘度受压力的影响很小，一般可忽略不计。随温度的升高，空气分子热运动加剧，因此，空气的粘度随温度的升高而略有增加。粘度随温度的变化关系见表1。

表1 空气的运动粘度ν 随温度的变化值（压力为0.1MPa）

根据以上分析，由于气体的粘性比液体小得多，气液混合流体在受到外力作用时，气体易于移动和变形，当工具密封部分出现一个极细小的通道时，高压气体就很容易通过，而液体由于粘性较大，液体内部存在一定的内摩擦力，液面外部细小的压力变化不足以使液体产生变形，其形状和位置没有受到影响，因而这种气液混合流体在气体通过的情况下，液体不会从小孔流出而产生泄漏现象。

2.2 压缩性

液体不能承受拉力，只能承受压力，抵抗体积压缩变形，当压力除去后又恢复原状，消除变形，压缩性亦可称之为弹性。

流体的压缩性在工程上往往用体积模量来表示。体积模量是体积压缩率的倒数：

κ 与K 随温度和压强而变化，但变化甚微。

说明：（a）K 越大，越不易被压缩，当K→∞时，表示该流体绝对不可压缩；（b）流体的种类不同，其κ 和K 值不同；（c）同一种流体的κ 和K 值随温度、压强的变化而变化；（d）在一定温度和中等压强下，水的体积模量变化不大。

通常情况下，我们认为液体是不可压缩的，即认为液体的体积和密度是不随温度和压力的变化而变化的。

气体与液体和固体相比具有明显的压缩性和膨胀性。空气的体积较易随压力和温度的变化而变化。气体体积在外界作用下容易产生变化，气体的可压缩性导致气压传动系统刚度差，定位精度低。

反映气体流动规律的基本方程主要有连续性方程和能量方程。

（1）连续性方程。当气体在管道中做稳定流动时，同一时间流过每一通流断面的质量为一定值，即为连续性方程 qm＝ρAv＝常数

式中，qm-气体在管道中的质量流量，kg·m3/s；ρ-流管的任意截面上流体的密度，kg/m3；A-流管的任意截面面积，m2；v-该截面上的平均流速，m/s。

由此方程可得，气体通道截面积减小，气体流速变大。

如果在两通流断面1、2 之间有流体机械对气体做功供以能量Ek时，则绝热过程能量方程变为

式中，p1，ρ1，v1-分别为通流断面1 的压力、密度和速度；p2，ρ2，v2-分别为通流断面2 的压力、密度和速度；k-为绝热指数。

由此方程可得，当Ek一定时，气体流速变大，则压力变小。

由以上分析，液体基本上不可压缩，而气体相对液体压缩性和膨胀性都很明显，当气体通过工具密封部分出现一个极细小的通道时，由于流道小，横截面积减小，根据以上气体状态方程可知，气体流速就会变大。根据伯努利方程，气体流速变大，压力就会变小，因而对密封腔内的电子元器件没有造成损坏。

3 液体的表面张力特性

3.1 表面张力特性

表面张力特性是由于液体表层分子之间的相互吸引，使得液体表层形成拉紧收缩的趋势，使得液体在表面薄层内能够承受微小拉力的特性。表面张力不仅存在于液体的自由表面上，也存在于不相混合的两层液体之间的接触面上。

表面张力的方向和液面相切，并和两部分的分界线垂直，如果液面是平面，表面张力就在这个平面上。如果液面是曲面，表面张力就在这个曲面的切面上。

表面张力系数与液体性质有关，与液面大小无关。

3.2 表面张力系数

液体表面张力的大小，可以用表面张力系数来度量，液面上单位长度所受的拉力称为表面张力系数，用σ 表示，σ 的单位为N/m，表面张力系数的大小与液体的性质、温度以及表面接触情况有关。

影响液体的表面张力的因素如下：

（1）内因。无机液体的表面张力比有机液体的表面张力大得多；水的表面张力72.8mN/m（20℃）；有机液体的表面张力都小于水；含氮、氧等元素的有机液体的表面张力较大；含F、Si 的液体表面张力最小；分子量大表面张力大；如果含有无机盐，表面张力比水大；水溶液如果含有有机物，表面张力比水小。

（2）外因。温度升高表面张力减小；压力和表面张力没有关系。

由于测井仪器工作中所用的泥浆主要由液相、固相和化学处理剂组成，密度较大，无机物较多，所以表面张力较大，当密封部分出现细小裂缝时，由于表面张力的作用，液体表面拉紧收缩，外部小孔处虽然存在一定的单向压力，但对整个液体表面不会产生任何影响，仍处于一种平衡状态，因此在气体通过的情况下，液体不会从小孔流出而产生泄漏。

4 结论及改进措施

综上所述，在气液混合流体内，液体的粘度比气体大，不易移动和变形，液体可压缩性小，气体可压缩性大，当密封部分有细小孔时，气体就很容易通过，且压力变小，液体具有本身所特有的表面张力特性，表面拉紧收缩，外部细小的孔对整个液体的平衡不会产生影响。由于以上原因，当密封部分出现细小孔时，液体不会流出，而气体很容易通过，产生泄漏，但压力变小，不会对密封腔内的器件造成损坏。

出现这种现象主要是由于密封面有裂纹和缺陷，以及密封圈的表面划痕，导致密封部分存在细小孔，使气体从中通过，而液体不受影响。虽然这种情形对仪器没有造成损坏，但是随着仪器工作时间的延长，密封部分破损就会越来越大，继而造成液体泄漏。为了避免这种现象，必须保证密封面光滑平整，没有缺陷和裂纹，密封圈要注意安装前的检查和及时更换，确保密封部分不会留下细小通孔，从而避免这种泄漏现象，保证仪器的正常工作。

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