深水合成基钻井液恒流变特性研究.pdf

石油天然气学报2 0 1 2 年l 2 月第3 4 卷第1 2 期 J o u r n a l o f Oi l a n d Ga s T e c h n o l o g y De c ． 2 0 1 2 Vo 1 ． 3 4 No ． 1 2 深水合成基钻井液恒流变特性研究 舒福昌，齐从温 长江大学化学与环境工程学院， 湖北 J 0 1 4 3 4 0 2 3 向兴金 ，石 磊 ，江引余 荆州市汉科新技术研究所， 湖北荆州4 3 4 0 0 1 蒋世全 ，许亮斌 ，罗洪斌 中海油研究总院， 北京1 0 0 0 2 7 [ 摘要]合 成基钻井液 以其特有 的环保 性能及机械钻速高 、井壁 稳定性好 等特 点， 已成为 国际上海上油 气 钻探 的常用钻 井液体系。深水钻井 时由于温度 变化 明显，对钻 井液 流变 性提 出 了很 高 的要求。研 究 了合 成基基液 、有机 土、降滤失剂、油水 比对 HMS合 成基钻井液流变性 的影 响规律 ，并 与传统合 成基钻井液 的流 变性进行 了对比。结果表 明，由运动黏度低 的线性 a 一 烯烃 L A0和特 种油 配制 的钻 井液在低 温 时 的流 动性 明显好于酯基合成基钻井液 ；有机土 和油水 比对合 成基钻 井液 流变性 影响 明显，而 降滤 失剂影 响较小 。与传 统合 成基钻井液相 比，HMs合成基钻 井液 的流 变性 受温度 的影响很 小 ，4 ℃与 6 5 ℃情况下 的动切力 的比值 小于 1 ． 1 5 ，表现 出了良好 的恒流变特 性，较适合于海洋深水钻井 。 [ 关键 词] 恒流变特性 ；深水 ；合成基钻 井液；流变性 [ 中图分类 号]TE 2 5 4 ． 3 [ 文献标志码]A [ 文章编号]1 0 0 0 9 7 5 2 2 0 1 2 1 2 0 1 0 1 0 4 我 国南海海域石油蕴藏量巨大 ，属于世界 四大海洋油气富集区之一 ，有 “ 第二个波斯湾”之称 。近 年来 ，随着海洋石油工业 的不断发展和开采量 的逐年增加 ，海洋石油勘探已逐渐向深水进军口 ] 。深水钻 井一般指钻井水域水深超过 9 0 0 m，水深超过 1 5 0 0 m 时为超深水钻井 。然而深水钻井 时温度变化 明显， 钻井液的流变性受温度的影响很大 ，特别是动切力和低剪切速率下的黏度难 以控制 ，由此引发的井漏、 当量循环密度 E C D 高和压力控制难等一系列问题正在成为深水钻井所面临的挑战_ 2 ] 。合成基钻井液 以其机械钻速高、井壁稳定性好等特点已成为海上油气钻探的常用钻井液体系 ，但该钻井液的黏度、切 力受温度 的影响较明显 ，特别在钻井液长时间静置的情况下更严重[ 2 ] 。目前国内对合成基钻井液的研究 一 般 以表观黏度作为主要参数。而国外具有恒流变特性 的合成基钻井液是在传统合成基钻井液的基础上 通过处理剂的优化和改性发展起来 的，是一种适合深水钻井的新型钻井液体系，它最大的特点是切力受 温度影响较小 。笔者研究 了合成基基液、有机土、降滤失剂 、油水 比对 HMS合成基钻井液流变性的影 响规律 ，并与传统合成基钻井液的流变性进行了对 比。 1 试验 部分 1 ． 1 试 验材 料及 仪器 1 试验材料线性 a 一 烯烃 萨 比克和林德公司生产 ；重 晶石粉 广西象州县矿粉厂生产 ；特种 油 ，酯基基液 ，主乳化剂 ，辅助乳化剂 ，润湿剂 ，有机土，沥青类降滤失剂 ，合成树脂类降滤失剂 ，流 型改进剂 湖北汉科新技术股份有限公司生产 。 2 仪器 高速搅拌器 ，六速旋转黏度计 ，高温滚子炉，常温常压失水仪 ，高温高压失水仪 青 岛 海通达专用仪器厂生产 ；深水 环境低温模拟试验箱 湖北创联石油科技有限公司生产 。 1 ． 2试 验 方法 1 HMS合 成基钻 井液 代 号 为 HMS 基 本 配方 基 液 即特种 油 0 ． 2 0 g ／ ml C a C l 溶 液 主乳化 剂辅助乳化剂润湿剂有机土降滤失剂C a O流型改进剂，用重晶石调节至密度为 1 ． 1 6 g ／ c ma 。 2 合成基钻 井液配制 在搅拌条件下 ，将主乳化剂 、辅助乳化剂和润湿剂加入基液中 ，加入质量 [ 收稿 日期]2 0 1 20 8 2 5 [ 基金项 目]国家科技重大专项子课题 2 0 1 1 Z X0 5 0 2 6 0 0 1 0 9 。 [ 作者 简介 ]舒福昌 1 9 6 6一 ，男 ，1 9 8 9 年 大学 毕业 ，硕 士 ，教授 ，现主要从 事油田化学教学与科研工作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石 油天然气 学报 * 油气 田开发 工程 2 0 1 2年 1 2 月 浓度为 0 ． 2 0 g ／ ml 的 C a C 1 。 溶液，搅拌 1 0 mi n ；然后加入有机土和降滤失剂 ，继续搅拌 1 0 mi n ；加入重 品石至泥浆密度为 1 ． 1 6 g ／ c m。 ，再搅拌 2 0 mi n 。将配制好的合成基钻井液在 1 2 0 ℃、1 6 h热滚条件下老 化后 进行 性能测 定 。 3 流变性测定 将待测钻井液及六速旋转黏度计放在深水环境低温模拟试验箱中，当钻井液温度 与设定温度一定时开始测定钻井液的流变性。 根据六速旋转黏度计 的读数 N删。 、 N瑚。 ， 按照宾汉流变模 式计算塑性黏度 和动切力 r d 。 ． 4 滤失量测定 将待测钻井液按照 S Y／ T5 6 2 1 一 l 9 9 3的规定测定 AP I 滤失量 V 和 1 2 0 ℃、压差为 3 4 5 0 k P a时 的高 温高 压滤 失量 。 。 ． 2 试验结果与讨论 2 ． 1 合 成 基基液 对 HMS合成 基钻 井液 流 变 性 的 影响 合成基钻井液为 w／ O乳状液，基液的 黏度大小以及黏温性能均会影响整个合成基 钻井液的流变性。首先测得 3种合成基基液 在 不 同温度 下 的运 动 黏 度 ，结 果 见 图 1 。同 时考察 了 3种基液分别配制的钻井液在不同 温 度 下 的流 变性 ，结 果见 表 1 。 、 25 2 0 l 1 5 I O 桶 5 1 0 -◆-酯 基 一特种油 线性 烯烃 4 1 5 2 O 3 0 4 0 温 度， ℃ 图 1 基液 的运动黏度与温度的关 系 表 1 不 同基液配制的钻井液在不 同温度下的流变性 温度／ ℃ 特种油 酯基 线性 a 一 烯烃 1 1 ． 5 1 1 ． 0 1 1 ． 0 1 1 ． O 1 1 ． 0 1 0． 5 l O ． O 胶凝状 胶凝状 胶凝状 5 8 5 4 5 2 4 5 胶凝状 胶凝状 胶凝状 2 0 ． 0 1 6 ． 0 1 3 ． 5 l 1 ． 5 由图 1和表 1可知 ，基液本身的运动黏度随着温度的升高而降低 ，3种基液 中酯基基液 的运动黏度 明显高于线性 a 一 烯烃和特种油的运动黏度；在低温条件下 ，酯基基液 配制的钻井液 出现胶凝状 ，而线 性 a 一 烯烃和特种油配制的钻井液流动性较好 ；相比较而言，特种油配制的钻井液的 4 ℃／ 6 5 ℃ 比值 为 1 ． 1 5 明显低于线性 o 【 一 烯烃配制 的钻井液的 r d 4 。C／r d 6 5 。C比值 为 1 ． 5 3 ，表明由特 种油配制的合成基钻井液切力随温度变化较小 ，更具有恒流变特性 。 2 ． 2 有机 土对 I I MS合 成基钻 井 液流变 性 的影响 有机土是一种可以在油中分散的亲油性的改性膨润土，其主要作用是增加体系的黏度和切力 ，一方 面可以防止重晶石等加重材料出现沉降现象；另一方面可 以提高钻井液 w／ o乳状液 的稳定性，同时降 低钻井液的滤失量。考察了不同有机土及有机土质量浓度对合成基钻井液流变性 的影响，结果见图 2 ～ 5 。结果表明，有机土 A的增黏提切效果明显优于有机土 B和 C；且 随着有机土 A质量浓度的增大， 和 r 也随之增大，当有机土 A质量浓度为 0 ． 0 2 ～0 ． 0 3 g ／ ml 时， 达到 7以上，可以满足钻井液的携岩 要求 ；而且 ， 随温度的变化影响较大 ，而 r d 则随温度的变化影响较小。 2 ． 3 降滤失剂对 H MS合成基钻井液流变性和滤失量的影响 在合成基钻井液体系中使用降滤失剂能够起到控制滤失量和增加钻井液稳定性的作用 5 ] 。考察了沥 青类和合成树脂类降滤失剂对合成基钻井液流变性和滤失量的影响，结果见表 2和图 6 、7 。结果表 明， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 4卷第 l 2 期 舒福昌等 深水合成基钻 井液 恒流 变特性研究 5 0 ～ O．03g／mlf]h,i cB0．03g／ml A 。 【 一．_ 有机土 4 1 5 2 5 3 5 4 5 5 5 6 5 温 度 ／ ℃ 图 2不 同有机 土对 体系塑性黏度 的影 响 5 0 40 3O 2O 1 0 0 4 l 5 25 3 5 4 5 5 5 6 5 温度 ／ C A A A l 2 1 O 一 8 6 4 1 4 1 2 1 0 6 4 2 0 4 1 5 2 5 35 4 5 5 5 6 5 温 度 ， ℃ 0 ． 0 3 g ／ ml 有机 土 A 0 ． 0 3 g ／ m l 有机土 B 0 ． 0 3 g ／ ml 有机 土 C 图 3 不同有机土对体 系动切 力的影响 4 1 5 25 3 5 45 5 5 6 5 温度／ C 0 ．0 l g ／ m l 有机土A 0 ． 0 2 g ／ ml 有机 土 A 0 ． 0 3 g ／ ml 有机 土 A 图 4有机土质量浓度对体 系塑 性黏度的影响 图 5有机土质量 浓度对体 系动切力的影响 2种降滤失剂对钻井液的 和 随温度的变化影响均较小 ，但是合成树脂类降滤失剂对钻井液 的降滤 失效 果 明显 优 于沥青 类 降滤失 剂 。 4 1 5 25 3 5 45 5 5 6 5 温 度 ／ ℃ 沥青类 合成树脂类 沥青类 合成树脂类 图 6不 同降 滤 失 剂 及 质 量 浓 度 对 体 系 塑性黏度的影 响 j茎至窝三三 ；0i0 l g／m l三 1 沥青类 1 0 ． 0 3 g ／ ml 沥青类 4 l 5 25 3 5 45 5 5 6 5 温度／ ℃ 2 ． 4 水 相体 积 分数 对 HMS合成 基 钻 井液流 变 性的 影 响 合成基钻井液油水 比会影响整个体系的流变性 、稳定 性、滤失量以及成本 。考察了水相比例对钻井液体 系流变 性的影响，结果见 图 8 、9 。结果表 明，随着水相 比例 的 增加 ，钻井液 和 也随之增大。当水相比例达到 3 0 时， 受温度影响较大 。在低温下钻井液的黏度和切力过 大 ，流 动 性 很 差 ，因 此 水 相 体 积 分 数 应 以 1 0 ～ 2 0 7 ／ 6 为宜 。 图 7不同降滤失剂及质量浓度对体 系 动切力的影响 表 2降滤失剂效果对 比 H 8 6 4 2 O 日 d／ 印 如 ∞ 如 加 0 一 ≈ 1 ＼ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油天然气学报 * 油气田开发工程 2 0 1 2 年 1 2月 3 0 2 5 一 2 0 皇 1 5 1 0 5 0 4 l 5 2 5 3 5 4 5 5 5 6 5 温度 ， ℃ 图 8 ’ 不 同水相 E E 例的塑性黏度的 比较 v v w 9 0 1 0 v o 8 51 5 v 8 0 2 0 v o 7 0 3 0 4 1 5 2 5 3 5 45 5 5 6 5 温度／ C 图 9不 同水相 比例的动切力的 比较 1 O 1 5 2 0 3 0 2 ． 5 与传 统合 成基钻 井 液对 比 HMS合成基钻井液与传统合成基钻井液的流变参数对 比见表 3 。结果表明，与传统的合成基钻井 液相 比，HMS合成基钻井液的流变性受温度的影响很小，特别是动切力、静切力 和低剪切速率 下的流变参数几乎不随温度的改变而发生变化 ，表现出了良好的恒流变特性 ，更适合于海洋深水钻井。 表 3 两种合成基钻 井液的流变参数对 比 钻井液名称 温度／ ℃ ／ p a N 6 3 8 2 O l 2 N 3 3 5 1 8 l 1 1 4 1 5 l 5 r ． ／ P a r f ／ P a 传统 合成基钻井液 HMS合成基钻井液 3 结 论 1 基液的黏度会影响整个合成基钻井液的流变性 ，由运动黏度低 的线性 a 一 烯烃和特种油分别配制 的钻井液在低温时的流动性明显好于酯基合成基钻井液。相 比较而言，由特种油配制 的合成基钻井液切 力 随温度 的变 化较 小 ，更 具 有恒 流变特性 。 2 在基液种类和乳化剂一定的条件下 ，有机土、降滤失剂和油水 比对合成基钻井液性能有着明显 的影响 。随着有机土质量浓度和水相比例的增大 ， 和 r d 也随之增大。 而 2 种降滤失剂对钻井液的 随 温度的变化影响均较小 ， 但是合成树脂类降滤失剂的降滤失效果却明显优于沥青类降滤失剂 。 3 与传统合成基钻井液相比，HMS合成基钻井液 的流变性受 温度 的影响很小 ，表现 出了良好的 恒流变特性 ，更适合于海洋深水钻井。 [ 参考文献] [ 1 ]王友华 ，王文海 ，蒋兴迅 ．南海深水钻井作业 面临的挑战和对策 [ J ]．石油钻探技术，2 0 1 1 ，3 9 2 5 0 ～5 5 ． [ 2 ]耿娇娇 ，鄢捷年 ，李红梅 ，等 ．具有恒流变特性 的合成基钻井液 E J ]．石油钻探技术 ，2 0 1 0 ，3 8 2 9 1 ～9 4 ． [ 3 ]Oo r t E V，I ． e e J ，F r i e d h e i m J ．Ne w f l a t r h e o l o g y s y n t h e t ic b a s e d mu d f o r i mp r o v e d d e e p w a t e r d r i l l i n g[ J ]． S P E 9 0 9 8 7 ，2 0 0 4 ． [ 4 ]Gr e g o r y A M ， C l a r k D E ．T h e P r o s a n d C o n s o f f l a t r h e o l o g y d r i l l i n g f l u i d s E A]． AAD E 一 0 5 一 N TC E 一 2 8 E C ]． Ho u s t o n ，2 0 0 5 ． [ 5 ]舒福昌 ，史茂勇 ，向兴金 ．改性腐植酸合成油基 钻井液降滤失剂研究 E J 3．应用 化工，2 0 0 8 ，3 7 9 1 0 6 7 1 0 6 9 ． [ 编辑] 萧雨 ∞ ∞ 如 ∞ 如 加 m 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m