水基钻井液低温流变特性研究.pdf

第 3 3卷 第 4期 2 0 1 1年 7月 石 油 钻 采 工 艺 OI L DRI L LI NG PR0DUCTI ON TECHNOLOGY Vo 1 ． 33 No ． 4 J u l y 2 0 1 1 文章编号 1 0 0 0 7 3 9 3 2 0 1 1 0 4 0 0 4 2 0 3 水基钻 井液低 温流 变特性研 究 徐加放 邱正松 中国石 油大学石油工程学院 ， 山 东青岛2 6 6 5 5 5 摘要深水钻井是中国石油近期和未来发展的必然趋势。温度对钻井液流变性能影响显著， 深水低温给钻井液流变性调 控 带来 了巨大挑战。分析 了国外深 水低 温对 钻井液流变性影响规律研究现状 ， 利用 自行研制的深水低 温钻 井液基本性 能测试 模 拟实验装置和 F AN NI X7 7流变仪 ， 研 究 了温度 和压 力对 不同水基钻井液体 系黏度和动切 力的影响 。结果表明， 温度对不 同钻 井液体 系的黏 度影响规律基本相 同， 即随温度降低黏度增 大， 从 高温到室温钻井液黏度增加 比较缓慢 ， 而从 室温开始 随温度 降 低黏度迅 速升高 ；温度 对含 固相钻 井液和 无 固相钻井液体 系动切力 的影响规律 不 同， 无 固相钻 井液体 系的动切力随温度 降低 而降低 ， 而含 固相钻 井液动切 力则随温度 降低 而增加 ； 压 力对水基钻 井液体 系黏度 、 动切 力影响不大。研 究结果 为我 国深水钻 井实践提供 了室内研 究基础 。 关键词 深水 ； 低温 ；钻井液 ；流变性 中图分类号 T E 2 5 4 文献标识码 A S t ud y o n r he o l o g y o f wa t e r - ba s e d dr i l l i ng fl ui ds u nd e r l o w t e mp e r a t ur e X U J ia f a n g ， Q IU Z h e n g s 0 n g I n s t i t u t e o f P e t r o l e u m E n g i n e e r i n g ， C h i n a U n i v e r s i ty o fP e tr o l e u m， Qi n g d a o 2 6 6 5 5 5 ， C h i n a Abs t r a ct De e pwa t e r dr i l l i n g wou l d b e a n i ne vi t a b l e t e n de nc y i n Chi na r e c e n t l y a nd i n f utur e ． The l o w t e mpe r a tur e i n d e e p wa t e r f or ma t i ons c a n s e r i ous l y i n flue n c e t he r he o l o gy o f d e e pwa t e r dr i l l i ng flu i ds ，a n d ma ke s a bi g c ha l l e n ge t o r h e ol og y c o nt r o l o f d r i l l i ng fl u i d s ． T h e o v e r s e a p r e s e n t r e s e a r c h s i t u a t i o n o f d r i l l i n g fl u i d s ’ r h e o l o g y a ff e c t e d b y t e mp e r a t u r e wa s a n a l y z e d ． T h e i mp a c t o f t e mp e r a t u r e a n d p r e s s u r e o n v i s c o s i t y a n d s h e a r i n g f o r c e o f d i ffe r e n t wa t e r - b a s e d d r i l l i n g fl u i d s wa s r e s e a r c h e d ， u s i n g a n e w s e l f - d e v e l o p e d d e e p wa t e r d r i l l i n g fl u i d s f u n d a m e n t a l i t y p e r f o rm a n c e s s i mu l a t i n g e q u i p m e n t a n d F ANN I X7 7 r h e o me t r e ， wh i c h p r o v i d e d a l a b o r a t o r y r e s e a t c b b a s e f o r d e e p wa t e r d r i l l i n g i n Ch i n a ． Th e r e s u l t s i n d i c a t e d t h a t t e mp e r a tur e h a s a s i mi l a r i n fl u e n c e o n v i s c o s i t i e s o f d i ffe r e n t d r i l l i n g fl u i d s ， wh i c h i n c r e a s e s wi t h t e mp e r a tur e d e c l i n i n g ． I t i n c r e a s e s s l o wl y wh e n t h e t e mp e r a tur e d e c l i n i n g f r o m h i g h t o r o o m t e m pe r a mr e ，b ut c ha n ge s s wi f t l y whe n t he t e mpe r a t ur e i s l o we r t h a n r oo m t e mpe r a t ur e ．The r e i s a di ffe r e n t i n f l ue n c e on s he a ring f o r c e s by t e mpe r a tur e f o r s o l i d ． c on t e n t a nd no n s ol i d d ril l i n g flui ds ．The s he a r i ng f o r c e of t h e no n s ol i d d r i l l i ng flui d de c r e a s e s wi t h t he t e rn p e r a t u r e d e c l i n i n g ， b u t t h e s o l i d c o n t e n t d r i l l i n g fl u i d i n c r e a s e s ． P r e s s u r e h a s a l mo s t n o i n fl u e n c e o n v i s c o s i t i e s a n d s h e a ri n g f o r c e s o f wa t e r - b a s e d dri l l i n g fl u i d s ． Ke y wo r ds d e e p wa t e r ； l o w t e mpe r a t u r e； d r i l l i ng flui d s ； r he o l o g y 温度对钻井液流变特性影响较大 ， 其黏度随温 度降低而增加 ， 从而增加了钻井液的流动阻力 ， 是造 成深水钻井井下复杂的重要原 因之一。 我 国深海油气勘探 尚处于起步阶段 1 - 3 ] o作为 深水钻探关键技术之一的钻井液 ， 比陆地和浅水油气 田将面临更多的问题和更大的技术挑战。随水深增 加海水温度越来越低 ， 3 0 0 0 m水深时温度仅为 3 4 ℃， 有些地区甚至在 0 c 左右。国外学者认为 ， 在低 基金项 目国家高新技 术研 究发展计划 8 6 3 x 目 “ 深水钻完井关键技 术 ” 编号 2 0 0 6 AA0 9 A1 0 6 资助。 作者简介 徐加放 ， 1 9 7 3年 生。主要从事井壁稳定、 钻井液及 油气层保护教 学科研工作 ， 博士 ， 副教授。E ma i l x j i a f a n g u p c ． e d u ．e n 。 徐加放等 水基钻井液低温流 变特性研 究 4 3 温情况下 ， 钻井液 的流变性会发生较大变化 ， 从而严 重影响钻井液流动而引起井下事故和复杂情况 。 1 国外研究现状 1 ． 1 温度对钻井液黏度的影响 国内外学者认 为 _ 1 ． 4 J ， 温度对钻井液黏度之所 以有很大影响 ， 是 因为 当温度变化时， 会改变 固相颗 粒吸附水 的排列方 向。研究发现许多流体温度对黏 度的影响都可用下述方程表示 U Ae 1 式 中， 、 为某一给定流体的特性常数。 随着温度 的降低 ， 钻井液 中固相颗粒 的动能减 少 ， 各种粒子 的热运动减 弱 ， 流动阻力增大 ， 从而使 液体 内颗粒的流动更加困难 ， 因此随温度降低 ， 钻井 液黏度升高 。一般情况下温度对塑性黏度 的影响可 用下式描述 A q p 0 e 2 式 中， 叩 n 为温度 时钻井液 的塑性 黏度 ， mP a S ； 仉。 为常温 2 0℃ H e 钻井液的塑性黏度 ， mP a S ； A、 E为 钻井液 的特性常数 。 1 ． 2 温度对钻井液动切力的影响 国内外学者对温度变化对动切力的影 响还未作 过系统描述 ， 一般认 为， 动切力最初随着温度 的上升 而降低 ， 当温度超过一定值 以后 ， 动切力又有所 回升 。 这一现象可能是 因为随温度升高 ， 钻井液 中的亲油 相阻碍了黏土与处理剂结合形成网架结构， 使钻井 液动切力降低 ；当温度升高至一定程度 ， 由于黏土双 电层释放离子改变了双电层性能， 促使处于亚稳定 絮凝状态 的黏 土发生絮凝 ， 从 而增加 了钻井液 的动 切力。根据这一特性 ， 有些学者给出了如下模型 ⋯ 7 1 f 7 1 1 。 B o o B 1 B 2 l l 3 0 1 0 J 式中， 为温度为 时钻井液的动切力 ； T o 为设定常 温温度 2 0 c 【 二 ； 为常温时钻井液 的动切力 ； B 。 、 B 、 为钻井液 的特性常数 。 2 温度对水基钻 井液流变性影 响 利 用 自行 研制 的钻 井液 低温特 性模拟 实验装 置和 F AN NI X7 7型流变仪 ， 建立 了深水钻井液流变 特性模拟实验方法 ， 。分别研究 了温度对实验优 选深水水基 钻井液体 系流变性 的影 响规律。1 配 方 海水 O _ 3 ％Z N J 一 3 2 5 ／ o Na C 1 ； 2 配方 海水基浆 0． 3 ％ Z NJ 一 】 0． 5 ％几 S ． 1 3 ％ S D一 2 0 2 3 ％ S D． 1 0 21 5 ％ Na C I I ． 5 ％DY _ l 水合物动力学抑制剂 ， 。 2 ． 1 温 度对钻 井 液黏 度 的影 响 将钻井液表观黏度和塑性黏度随温度变化趋势 做图 ， 并进行拟合 见图 1 。 a 1 ≠ } 配 方 b 2 群配 方 图 1 钻井液黏度 随温度 变化规律 由图 1 可 以看 出， 在研究温度范 围内， 2套不同 配方深水钻井液体系表观黏度和塑性黏度随温度变 化规律基本相 同， 低 于室温时随温度降低钻井液黏 度迅速增大， 而当温度高于室温时， 黏度变化则相对 较缓。2套配方黏度 变化规律均可用 下述公式进行 预 测 。 q Al T 2 T 3 n 4 4 式 中 ， 卵为钻井 液 的表观 黏度 或塑性 黏度 ， mP a S ； 、 ， 、 、 为钻井液特性常数 ； T为温度 ， ℃。 2 ． 2 温度对钻井液动切力的影响 将钻井液动 切力 随温度变 化趋势做 图， 并进 行 拟合 见图 2 。 村 R 尽 温 度 ／ ℃ 温 度 ／ ℃ a 1 配 方 b 2 群配方 图 2 钻 井液动切 力随温度 变化规律 由图 2可 以看 出 ， 在 研究 温度 范 围内， 无 固相 钻井液与含 固相钻井液的动切力 随温度变化规律不 同 ， 随 温度 增 加 ， 无 固相 钻井 液 动 切力 增 大 ， 这 是 因 为无 固相钻井液 的动切力主要 由聚合物支链 的相互 联结或官能 团的相互吸附来提供 ， 随温度增加 在研 究温度范围内 ， 聚合物的支链充分伸展 、 官能团活性 增加 ， 聚合 物高分 子相互缠绕或 吸附从而使动切力 增大 。而有 固相钻井液的动切力 主要 由膨润土与聚 合 物以及膨 润土内部 网架结构来提供 ， 钻井液 中使 ∞ ∞ ∞ 如 加 m O 9 8 7 6 5 4 3 2 l ∞ Ⅱ ／ 椽 石油钻采工艺 2 0 1 1 年 7月 第 3 3卷 第 4期 用的聚合物与无固相钻井液也不相同 一般为线性 ， 支链较少 ， 在研究温度范围内， 随温度增加分子热运 动加剧 ， 膨润土与聚合物之间或膨润土 内部网架结 构强度减弱， 甚至部分被拆散， 造成动切力下降。但 两配方动切力变化均可用同一公式进行预测 ， 即 r 0 B1 T。 2T 3 T。 4 5 式 中， 为钻井液的动切力， P a ； B 、 B ， 、 B 、 B 为钻井 液特性常数 。 2 ． 3 高压下钻井液流变特性研究 利用高压流变仪对 1 ≠ ≠ 、 2 群钻井液配方进行了高 压流变性测试 ， 实验结果见表 1 。 表 1 深水钻井液高压流变性实验结果 由表 1 可以看 出， 钻井液黏度 、 动切力主要取决 于温度 的变化 ， 而养护时间和压力变化对水基钻井 液黏度、 动切力影 响不大 ；含 固相钻井液体系黏度 、 动切力随温度降低迅速增大 ， 而无 固相钻井液体系 黏度受温度影响较小。 3 结论 1 对于深水钻井液体系， 温度是影响体系黏度 和动切力的主要因素， 随温度降低黏度增大， 从高温 到室温钻井液黏度增加 比较缓慢 ， 而从室温开始随 温度 降低黏度迅速升高；无 固相钻井液体系黏度 、 动切力受温度影响小于含固相钻井液体系。 2 陈化时间对深水钻井液黏度影响不大， 但含 固相钻井液动切力随陈化时间增加略有增大。 3 压力对深水钻井液体系黏度和动切力的影响 均较小。 参考文献 l 1 j D A VI S O N J M． R h e o l o g y o f v a r i o u s d r i l l i n g fl u i d s y s t e m u n d e r d e e p wa t e r d r i l l i n g c o n d i t i o n s a n d t h e i mp o r t a n c e a c c u r a t e p r e d i c t i o n s o f d o w n h o l e fl u i d h y d r a u l i c s【 R j． S PE 56 63 2，1 9 9 9． 1 2 J WA T S O N P a t ， K OL S T AD E r i c ． An i n n o v a t i v e a p p r o a c h t o d e v e l o p m e n t d r i l l i n g i n d e e p wa t e r g u l f o f Me x i c o l R] ． SPE 7 98 09 ， 20 03． [ 3] Z AMOR A M， BR OUS S AR D P N， S T E P HE NS M P ． T h e t o p 1 0 mu d r e l a t e d c o n c e r n s i n d e e p wa t e r d r i l l i n g o p e r a t i o n s【 R J． S P E 5 9 0 1 9 ， 2 0 0 0 ． 1 4 j WI L L I AN Ha l l i d a y ． Ne w g a s h y d r a t e i n h i b i t o r s f o r d e e p wa t e r dri l l i n g fl u i d s l R J． S P E 3 9 3 1 6 ， 1 9 9 7 ． [ 5] H E G E E ， YO US I F M， S O E R GA AR D E ． Hy dra t e c o n t r o l d u r i n g d e e p wa t e r d r i l l i n g o v e r v i e w a n d n e w d r i l l i n g fl u i d s f o r m i o n s[ R]． S P E 3 8 5 6 7 ， 1 9 9 7 ． [ 6 ] 徐加放 ， 邱正松 ． 深水钻井液研究与评价模拟 实验装置 [ J ]． 海洋石 油， 2 0 1 0 ， 3 0 3 8 8 9 2 ． [ 7] 徐加放 ， 邱正松 ． 深水钻井液初步研 究 [ J ]． 钻井液与 完井液 ， 2 0 0 8 ， 2 5 5 9 - 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