深水作业中钻井液在低温高压条件下的流变性.pdf

第 2 7卷 第 5期 2 0 1 0年9月 钻井液与完井液 DRI LLI NG FLUI D C0M PLETI ON FLUI D V01 ． 2 7 NO ． 5 Se pt ．2 01 0 文章编号 1 0 0 1 5 6 2 0 2 0 1 00 5 0 0 0 5 0 3 深水作业中钻井液在低温高压条件下的流变性 田荣剑 ， 王楠 ， 李松 ， 魏红梅 ， 孙强， 初光友 中海油 田服务股份有限公司油化事业部 ，河北燕郊 摘要在深水钻井作业中， 安全密度窗口非常窄， 井下压力控制是面临的主要难题之一。随着水深的不断增加， 环境温度随之降『 氐 ，钻井液的黏度和切力随之升高 ；同时，由上千米隔水管内的钻井液所附加的静液柱压力使井 底压力远大于浅水作业时相同井深的井底压力。这些因素的共同作用使得当量循环密度随之增加，进一步加大井 底压力控制的难度。选择用于深水钻井的一种水基和一种合成基钻井液为研究对象，分别改变温度和压力等实验 条件，利用 F AN N公司的i x 7 7流变仪测量 了钻井液在低温、高压下的流变参数，以此找出深水条件下钻井液流变 性随温度和压 力的变 『 匕 规律 。 关键词 深水钻 井 ； 低 温 ；高压 ；钻井液流变性 中图分类号 T E 2 5 4 ． 1 文献标识码 A 0 引 言 由于深水钻机每天 的运行成本 昂贵 ，下套管 、 测井的中途失败 、大量的起下管柱 和打捞作业等意 外事故 的发 生以及 南此 产生大量必须 处理掉 的钻 屑 ，这些将会极大地增加作业费用 ，于是进一步突 出了钻井液体系的重要性 。合成基和油基钻井液以 机械钻速高 、抑制性和润滑性好等优势曾经是墨西 哥湾深水作业 的首选 ，但是却达不 到环境保护的要 求 。近年来又有独特的水基钻井液相继被研发 ，其 不但在性能上与合成基和油基钻井液相似 ，而且没 有安全、环保等问题 ] 。由此可知，深水作业并不 是水基钻井液的禁区。 通常认为 ，水深超过 3 0 4 ． 8 m即为深水 ，而超 深水 的定义为水深超过 2 1 3 4 m。水下温度会随着 水深 的增加而降低 ，在泥线位 置水 温降到最低点 。 一 般来说 ，水深为 6 0 9 ． 6 m时 ，泥线水温可降低 至 4。 C_ 2 ] 。在 中国南海水 域 1 8 0 0 r n水深处的水温甚 至达到 2 ． 9。 C。在此环境下进行钻井作业时 ，与钻 井液相关 的问题主要集 中在温度低 、当量循环密度 窗 口过窄 、井 眼的清洁和水合 物的抑制等 。其 中， 温度和压力的变化对钻井液的流变性会产生直接影 响。一般来说 ， 随着温度的降低和井底压力的增加 ， 钻井液的黏度和切力会随之上升 ，这将使对井底压 力的控制变得更加 闲难。因此 ，了解钻井液的流变 性在深水条件下随温度和压力的变化规律 ，将会对 深水钻井液的研发 和深水作业的顺利进行提供有效 的帮助 [ 3 - 5 ] 。 1实验 配方及仪 器 1 ． 1 钻井 液配 方 水基 钻 井液海 水 取 自渤 海 0 ． 1 5 ％Na C O 5 ％NA C 1 3 ％ 抑制剂 H 0 ． 4 ％包被剂 P 1 ％ 降滤失 剂 ． 1 1 ． 5 ％封 堵 剂 0 ． 3 ％ 增 黏剂 3 ％润 滑剂 重 晶石 钻 井液在 1 3 0。 C 下热滚 1 6 h后再进行测量 合成基钻 井液合 成基基液 4 ％ 乳化剂 1 ％ 润湿剂 2 ． 5 ％ 氧化钙 3 ％ 有机土 3 ％ 降滤失剂 水相 重 晶石 钻井 液在 1 5 0。 C 下热滚 1 6 h后再进 行测 量 1 ． 2 流 变性测试 仪F ANNi x 7 7 实验中采用的流变性测试仪是美国 F A N N公司 生产的 i x 7 7流变性测试仪 ，其转筒尺寸与六速旋转 第一作者 简介 田荣 剑，1 9 7 6年生 ，2 0 0 3年 毕业于 中国石油大学 北京 油 气井工程专业并获得硕 士学位 ，现在 中海油 田服务股份有限公司工作。地址 河北燕郊中海油服油化事业部技术发展中心 ；邮政编码 0 6 5 2 0 1； 电话 0 3 1 6 3 3 6 6 0 8 4 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 钻 井 液 与 完 井 液 2 0 1 0年 9月 黏度计相 同，实验 温度范 围为一 1 0 ～3 l 5。 C，实验 压力最高可达 2 0 0 MP a 。 图 1 F AN Ni x 7 7流变性测试仪 2 水基钻井液实验 2 ． 1 温度对钻井液流变性的影响 在不加压力的条件下改变温度 ，测量水基钻井 液的流变参数 ，结果见图 2 。由图 2可知 ，随着温 度的降低 ，该钻井液的表观黏度 、塑性黏度 、动切 力以及 和 ， 值都有不同程度的增加 ； 相比较而言， 表观黏度和塑性黏度上升的幅度较大，它们在 4。 C 和 5 0。 C 时的比值均大于2 ，表明温度从 5 0。 C 降到 4 0 C时，表观黏度和塑性 黏度增 加了 1 0 0 ％ 以上 ； 而动切力的变化则很平缓， 温度从5 0。 c 降到4 。 c 时， 动切力增加了6 0 ％左右 ； 和 值 的变化则更加小 ， 仅增加约 3 0 ％。 图 2 水基钻井液 的流变参数随温度的变化 曲线 2 ． 2 压力对钻井液流变性的影响 选 择 2个温度点 3 ． 5。 C和 4 9。 C，分别 测量水 基钻井液的流变性在不同压力下的变化 ，结果见图 3和图 4 。因为实验耗时过长，温度很难精确恒定 ， 实验时温度会 出现少许波动 。通过上述实验 ，比较 3 ． 5 7 C 和 4 9。 C的数据可 以发现 ，低温时水基钻井液 的流变性随压力增加而增大的幅度 比高温时要稍微 大些 ，也就是说 ，温度越低 ，水基钻井液 的流变性 受压力的影响越大 ； 但是整体看 3 ． 5 o C 和 4 9。 C 时的 实验数据 ，当压力从 0增加到 3 4 ． 4 7 MP a时，无论 是钻井液的黏度 、切力 ，还是钻井液的低转速 的读 数 ，总的变化都非常平缓 ，说 明水基钻井液的流变 性受压力的影响很小 ，可以忽略。 6 o 5 0 ． ． 40 奎 3 0 20 l O 2 5 2o 差 1 O 5 3 合成基钻井液实验 3 ． 1 温度对钻井液流变性的影响 在不加压力的条件下改变温度 ，测量合成基钻 井液的流变参数。图 5 是合成基钻井液 的表观黏度 、 塑性黏度 、动切力随温度的变化 曲线 。 图5 合成基钻井液的流变性随温度的变化曲线 由图 5可以看 出，合成基钻井液的表观黏度和 塑性黏度随着温度 的降低呈明显上升趋势 ，而且温 ’ 巳 掣一 ． ‘ E c 9 d ／ 【l I I 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 7卷 第 5期 田荣剑等深水作业 中钻井液在低温高压条件下的流变性 7 度越低 ，黏度上升越快 ； 温度较高时 ，黏度的变化 较为平缓 ； 动切力受温度变化的影响非常小 ，和水 基钻井液 的规律相似。 图 6是合成基钻井液 的 和 读值 随着温度 的变化 曲线 。由图 6可以看 ，合成基钻井液在低 转速下的读数随着温度的变化尚无 明显的规律 ，但 总体来看变化很小。 图 6 合成基钻井液的低转速读数随温度的变化曲线 3 ． 2 压力对钻井液流变性的影响 与水基钻 井液 一样选 择 2个 温度 点 ，分 别是 3 ． 5。 C 和 5 0。 C，测量合成基钻井液 的流变性在不同 压力下的变化 ，结果见图 7和图 8 。 ． ． 苗 5 O 壹 4 0 3 0 2 O l O 0 P／ ps i 注 1 p s i 6 ． 8 9 5 k P a 图 7 合成基钻井液的流变性随压力的变化曲线 3 ． 5。 C 2 3 0 20 妻 。1。5 O 1 0 0 0 2 0 00 3 0 0 0 4 00 0 P／ p s i 注 1 p s i 6 ． 8 9 5 k P a 图 8 合成基钻井液的流变性随压力的变化曲线 5 0。 C 由图 7和图 8可知 ，在 3 ． 5。 C 和 5 0。 C 时 ，当压 力不断增加时 ，合成基钻井液的表观黏度和塑性 黏 度随之增大 ，且增大的幅度较大 ，这与水基钻井液 不 同 ； 合成基钻井液的动切力和 、 读数 随着压 力 的增 加，基本没有什么变化 ，也就是说 ，压力对 合成基钻井液的动切力和 、 读数的影 响很小 ， 这与水基钻井液 的规律一致 。 4 结论 1 ． 随着温度的降低，无论是水基钻井液还是合 成基钻井液 ，其表观黏度和塑性黏度均随之增大 ； 温度越低时 ，合成基钻井液的黏度增大得越快 ，相 比而言水基钻井液则稍显平缓 。 2 ． 随着温度 的降低 ，水基钻 井液 的动切 力和 、 读数也会呈现上升趋势 ，但是幅度不是很大 ； 相 比而言 ，合成基钻井液的动切力也会随温度的降 低而上升，但受温度影响更小，此外合成基钻井液 的 、 读数受温度影响也很小 。 3 ． 随着压力 的增大 ，水基钻井液的流变参数变 化较小 ； 温度越低时 ，压力对流变性 的影响越 明显。 但总体来说 ， 压力对水基钻井液的流变性影响较小。 4 ． 合成基钻井液的表观黏度和塑性黏度会 随着 压力 的增加而增大 ，而且增大的幅度较大 ； 但是动 切力和 、 读数 随着压力的增加变化较小 。 参 考 文 献 [ 1 ] Wa t s o n P ，Me i z e B，AI d e a C，e t a 1 ． E a s t e r n G u l f o f M e x i c o I n h i b i t i v e W a t e r -- Ba s e d Dr i l l i n g Fl u i d S e t s Ul t r a -- De e p wa t e r R e c o r d s [ R ] ． S P E 8 7 1 3 1 ，2 0 0 4 ． [ 2 ] R o j a s J C ， B e r n P ， P l u t t L J ， e t a 1 ． Ne w C o n s t a n t Rh e o l o g y Synt het i c Bas ed Fl ui d Re duce s Do w n hol e Los s es i n De e p wa t e r E n v i r o n me n t s [ R ] ． S P E 1 0 9 5 8 6 ，2 0 0 7 ． [ 3 ] 胡友林，张岩，吴彬 ，等 ． 海洋深水钻井钻井液研究进 展 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 0 4 ，2 1 6 1 4 1 6 ． [ 4 ] 吴彬，向兴金，张岩，等 ． 深水低温条件下水基钻井 液 的 流变性 研 究 【 J J ． 钻 井 液与 完 液 ，2 0 0 6 ，2 3 3 1 2 1 3． [ 5 ] 徐加放 ，邱正松 ，吕开河 ． 深水 钻l井液初步研究 [ J ] ． 钻 井液与完井液 ，2 0 0 8 ，2 5 5 9 1 0 ． 收稿 日期2 0 1 0 - 0 3 0 5 ；HGF 1 0 0 5 N3 ；编辑王小娜 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m