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采矿和石油勘探流变学研究

采矿业是最古老的行业之一,在史前时期就出现了金属和石材开采,至今仍在持续发展。采矿目标范围包括煤炭和天然气等基本能源材料和铁等建筑材料以及镍、钛、锂、金等贵金属。 

采矿涉及的主要过程包括开采钻探、加工和运输,以及废物的清除和存储。由于大多数矿山处理的面积和数量都非常大,因此这些流程效率的微小差异可能会对矿山的生产率和经济效益产生重大影响。

采矿和石油勘探中所用材料的流变特性

通过流变测量可以获得上述过程效率的重要信息,开采过程中主要涉及浆料和液体的流动:

钻孔

钻井液在钻井过程中起着许多重要的作用,例如润滑钻头和钻柱、清除钻头表面上的钻屑以及保持地层流体畅通无阻。需要流变测量来监测和预测钻井液在各种环境条件下的性能,从低至 5 ˚C 的深海矿井到高达 180 ˚C 的地热井。 

加工运输

在某些情况下,开采的物料需要进行长距离运输才能进行处理和精炼。需要流变数据来定义最佳泵送条件,包括管道尺寸、流体成分和泵压。

废物处理

采矿业是世界上最大的废物生产源。在运输废物之前除去大量的水可以节省水、运输能量和存储成本;但是,浓缩废物也可以极大地改变其流动性能,因此需要进行流变测量以制定最佳的废物处置策略。

采矿业中通常测量的材料

钻井液

钻井液最重要的功能是使钻头周围以及整个井眼中的钻屑浓度最低。钻井液还必须稳定井眼并润滑钻头和钻柱,以确保较高的钻井速率。因此钻井液需要足够黏稠才可将钻屑提升至井面,但 黏度 也不能太高,以便将摩擦压力损失降至最低。控制钻井液 黏度 的最佳方式是进行钻井液流变特性管理。

钻井液流变测试

钻井液经历了重大的技术发展:以前是水和黏土的简单混合物;现在则是各种有机和无机产品(称为“钻探泥浆”)的复杂合成混合物。可以通过控制组分来改善和调整流变性能。例如,如果在混合物中添加水,则 黏度 会在较宽的剪切速率范围内下降。如果添加膨润土, 黏度 会增大。聚合物有助于在高 剪切速率 下增加 黏度 ,而白色石灰用于在较低 剪切速率 下增加黏度。

下图显示了在钻井液中增加增稠剂的量如何在较宽的 剪切速率 范围内增加其 黏度 。

该测试需要使用 流变仪 其配备圆筒测量系统。

泥浆

泥浆的工艺和运输特性很大程度上取决于其流变特性,例如, 屈服点是引发浆料流动所需的最小力,而 黏度 则是衡量浆料流动阻力的参数。达到 屈服点 前,克服 屈服点所需的能量不成比例,在浆液处于静止状态时,管道中的阻力和压力会成比例增加。因此,如果 屈服点 太高,就不可能开始泵送过程。监测和控制这些流变特性至关重要,因为泵送效率的微小变化会对能源和成本产生重大影响。

泥浆流变测试

 屈服点 和 黏度 可通过改变浆液组成来改变,例如水、添加剂(固体、聚合物、液体)的量、颗粒度和泵送温度。通常需要 剪切稀化 的泥浆,由此增加 剪切应力 ,降低浆液的 黏度 ,使其更易于泵送。

下图显示了 剪切稀化 样品中 剪切速率 与 黏度 之间的关系。在低剪切速率和低体积流量下,管道中的 剪切应力 和压差相对较高。但是,增加管道中浆料的体积流量仅需稍微增加一点压力即可。这是由于浆料的 剪切稀化 性能,即 黏度 随着剪切速率的增加 而下降。

该测试需要使用流变仪, 其配备喷砂圆柱测量系统。

其他材料和应用