深水钻井液关键外加剂优选评价方法.pdf

石油天然气学报2 0 1 2 年 8 月第 3 4 卷第 8 期 J o u r n a l o f Oi l a n d Ga s Te c h n o l o g y Au g ． 2 O 1 2 Vo 1 ． 3 4 No ． 8 深水钻 井液关键外加 剂优选评价方法 唐海雄 许 明标 罗俊 丰 罗洪斌 刘卫红 叶吉华 中海石油 中国有限公司深圳分公司 ，广东 深圳 长江大学石油工程学院 ，湖北 荆州 4 3 4 0 2 3 中海石 油 中国有 限公 司深圳1 分公司 ，广东 深i j l l 中海油研究总院 ，北京 1 0 0 0 2 7 长江大学石油工程学院 ，湖北 荆 州 4 3 4 0 2 3 中海石油 E p 国有限公司深圳分公司 ，广 东 深f J lI 5 1 8 0 6 7 5 1 8 0 6 7 5 1 8 0 6 7 [ 摘要]常规深水钻井作业 由于其特殊 的深水低 温高压环境，对钻 井液 的性能提 出 了更高的要求 ，在 深水 环境下 ，钻井液对气体 水合物的抑制性能和低 温下 良好的流 变性能是 深水钻 井液的关键 性能，而赋 予这 些性能 的外加剂 气体水合物抑制剂和流 型调 节剂则为深水 钻井液 的关键 外加剂。 目前 水合物抑 制剂 的评价方法 一般采用温度／ 压力 法，即通过 实验过 程 中温度和 压力 的变化 来判 断气体水 合物 的生成 与分 解 ，从 而判别抑制剂性 能的好坏 。对流型调节剂 的优选评 价 ，一般 是通过 测定 钻井 液在作 业范 围的全 温 度 段的流变性能来体 现的，要 求钻 井液具 有恒流 变的特 性，即钻 井液 的塑性黏度 、动切力 、六速 旋 转黏 度 计低 转速 下的读数 oe 6 ， 3 在作业 范围的全温度段的变化较小。 [ 关键词]深水钻井液 ；关键外加剂；水合 物抑制剂；流 型调 节剂 [ 中图分类号]T E 2 5 4 ． 3 [ 文献标识码]A [ 文章编 号] i 0 0 0 9 7 5 2 2 0 1 2 O 8一 o l 1 o o 4 近年 来随 着海洋 石油 工业 的发展 和技 术 的进步 ，海洋 石油 的勘 探和 开发逐 渐 向深 水转 移 。然而 深水 低温高压的特殊环境给钻井作业带来了许多挑战 ，如低温下钻井液的流变性 、天然气水合物的形成、窄 的地层 破裂压 力窗 口、海底浅 层 的井壁 稳定 、大 井 眼 的清洗 、浅 层流 和 海 洋环 保 等 问题【 l 1 ] ，这 样 就 给 深 水钻 井作业 提 出 了很 高 的要求 。 因此 在深 水 钻 井 液 的设 计 中 ，必 须 对 钻井 液 的综 合 性能 进 行 全 面 考 虑 ，使 其满 足深 水钻井 的特 殊要 求 ，其 中钻井液 在深 水低温 高 压环境 下抑制 天然 气水 合物 生成 的能 力和 低温下良好 的流变性能是深水钻井液的关键性能。而这些关键性能则是由钻井液中不同的外加剂所赋予 的 ，因此这些外加剂也是深水钻井液的关键外加剂。笔者在充分调研 国内外文献的基础上，结合长江大 学深 水项 目组 的研 究实践 ，提 出 了深水钻 井 液关键 外加 剂优选 的评 价方 法 。 1 天然气水合物抑制剂的优选评价方法 在深水钻井作业中无论采用水基钻井液、油基钻井液还是合成基钻井液，都必须充分考虑钻井液对水 合 物的抑制能 力 。为 了提高钻井 液对水合物 的抑制能力 ，通 常的做法是 在钻井 液 中加 入水合 物抑制 剂 。水 合物抑制剂按 其抑制机理可分 为热力学抑制 剂 、动力学抑制 剂和 防聚剂[ 3 ] ，而 每一种类 型 的水合物 抑制剂 都有大量 的品种可供选择 ，并 且随着研究 的不断深 入 ，一些 新型 的抑制剂 也不 断被报 道 出来 ] 。在实 际 应用中，要根据具体的地质条件、钻井液性能、成本等多方面的因素综合考虑来选择合适的抑制剂；在投 入现场应用之前 ，必须进行大量的实验室评价 ，确保钻井液具有抑制气体水合物的性能。 1 ． 1 天然气 水合 物抑 制剂评 价 的实验 仪器 天然气水合物实验系统主要 由高压系统 、冷却系统、测试系统及其他辅助设备组成。高压系统包括 [ 收稿日期]2 0 1 2 一o 2-2 o [ 基金项目]国家油气重大专项 2 O l l Z X 0 5 0 2 6 0 0 1 一 O 1 。 [ 作者简介]唐海雄 1 9 6 2 一 ，男 ，1 9 8 3年江汉石油学院毕业 ，高级工 程师 ，现 主要从事海洋石 油海 外及深 水钻完井技 术和作 业管 理工作。 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 第 3 4卷第 8期 唐海雄等 深水钻井液 关键外加 剂优选评价方法 反 应 釜 、高 压 供 水供 气 系 统 、配 气 瓶 等 ；冷 却 系 统 由防 冻液 、冷 冻 机 和 温 度 控 制 系统 组 成 ；测 试 系 统 是 实验 的关 键 ，主要 由各 种 传 感 器 和 检 测 仪 器 组 成 。现 代 天 然气 水 合 物 实 验 室研 究 测 试 精 度 高 ，可 精 确地 辨 认 出 天然 气 水 合 物形 成 和 分解 的压 力 和 温 度 条 件 ；检 测 手 段 多 样 ， 如 光 学 、声 学 、电 学 、 电 磁学 、核磁 共 振 成 像 等 技 图 1 天 然气水 合物抑制剂评价实验系统流程图 术都 被应 用 到 了实 验 当中[ 8 ] 。在天 然 气 水 合 物 实验 系统 中 ，水 合 物 生 成 与 分解 的检 查 技 术是 实 验 的关 键 ，因为它关系到实验结果的可靠性。 目前 ，国内外用于钻井液水合物抑制剂评价的实验装置基本上是 采用传统的温度一 压力法 ，即通过实验过程中温度和压力 的变化来判断气体水合物的生成与分解 。图 1 为长江大学深水项 目组气体水合物抑制剂评价实验装置流程图。该装置工作压力最高可达 5 0 MP a ，是 国内同类装置中工作压力最高的 ；工作温度 一1 0 ～9 O ℃；控温精度 0 ． 1 ℃，控压精度0 ． 1 0 MP a 。采 用该 装置 可模 拟超 深水 3 0 0 0 m 以上 天 然气 水合 物 的生成 和分 解 。 1 ． 2 天 然气水 合物 抑制 剂 的评价 方法 在深水钻井作业过程 中，可采取一些物理的方法控制水合物的生成 ，如采用低密度钻井液和良好的 井控措 施 等 ，但 这些 方法 都具 有一 定 的局 限性 。而添 加抑 制剂 的方 法是 最适合 于 深水钻 井 的水合 物控 制 方法 ，一般说来 ，能影响溶液活度性质的物质通常都能作为天然气水合物的抑制剂。如 甲醇、乙二醇和 一 些盐类均能在一定程度上抑制水合物的形成。水合物抑制剂按其作用机理可分为三大类 热力学抑制 剂 、动力学 抑制 剂 和防 聚剂 ，其 中热 力学 抑 制 剂 和 动力 学 抑 制 剂 的研 究 和应 用 较 为 广 泛[ 9 叫 ，而 防 聚 剂在油 相 的存在 下才 能发 挥作 用 ，一般研 究 较少 。下 面主要 对 动力学 抑 制剂 和热力 学抑 制剂 的评 价方法 分别加 以说明。 1 ． 2 ． 1 热 力学 抑制 剂的 评价 方法 在钻井液体系中加入热力学抑制剂是 目前最常用的方法 ，热力学抑制剂主要通过抑制剂分子或离子 增 加与 水分 子 的竞争 力 ，改变水 和 烃分 子之 间 的热 力学 平衡 条件 ，避 免水 合物 的形 成 ，或者 直接 与水合 物接触 ，移动相平衡曲线 ，使水合物不稳定 ，从而使水合物分解 。因此对热力学抑制剂来说 ，主要是通 过 压力 和温 度 的变化来 测 定水合 物形 成 的相平 衡点 。图 2为 天然 气 在 海水 中一次 生成 分 解 实验 的 压力一 温 度 曲线 。图 2中从反 应 开始一 直 到 B 点 ，这一 阶段 为 气体 溶 解 阶段 ，是水 合 物 的 成核 阶段 ，拐 点 B 即为水合物开始生成点 ，这一点上压力一 温度曲线发生剧烈变化 ，压力值随温度的微小变化剧烈 降低 由图 2可知温度从 B点降到 c点 ，压力剧烈下降 。图 中 C点开始升温 ， C点以后为水合物的分解 阶 段 。分解曲线与生成曲线交点 A 点即是实验所取得的水合物相平衡点 ，该点表示水合物理论上在此温 度 和压 力条件 下处 于相 平衡 状态 。 改 变起始 压力 ，重 复上 述实 验 ，可 以获另 一个 相平 衡点 。获得 若 干个相 平衡 点后 ，即可作 出该体 系 的水 合 物相态 曲线 如 图 3所示 。 图 3中，右边的曲线为海水一 天然气体系的相态 曲线 ，左边的曲线为加有 2 0 Na C 1 的海水一 天然气 体系的相态曲线。图中左边的曲线 与右边的曲线相比，在相同压力下 ，其水合物平衡温度要低 ，说明 Na C 1 具有一定的水合物抑制能力。同时利用图 3可以求出加入抑制剂后水合物平衡温度相对于未加抑 制剂的水合物平衡温度的降低值 ，即过冷度。该值越大 ，表明该抑制剂的抑制能力越强。 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 8月 温 度／ C 图 2天然气 水合物生成分解 的压力一 温度 曲线 1 ． 2 ． 2动 力学 抑制剂 的评 价方 法 动力学抑制剂主要可降低水合物形成的速率 ， 延长水合物晶核形成的诱导时间或改变晶体的聚集 过程。动力学抑制剂具有亲水基团，可以与溶液和 差 水合 物 晶体 中的水 分子 形成 氢 键 ，如 聚 N 一 乙烯 吡幽 咯烷 酮 P VP 及 其共 聚物 、一些 糖 以及表 面活 性 剂 等物 质 。这 些 物 质 均 不 能 防 止 水 合 物 晶 体 的生 成 ，但可吸附在晶体和水的界面上，控制水合物 晶 体的生长和聚集。从动力学抑制剂的抑制机理可以 看 出 ，对 动力学 抑制 剂 的抑制效 果评 价与 对热 力学 抑制剂 抑制 效果 的评 价是 有 区别 的 ，热力 学抑 制剂 O 5 l O l 5 2 0 2 5 3 O 温度／ C 图 3水合物 的固一 液平衡 曲线图 图 4 动力学抑制剂抑制性能试验结果 温度 3 ℃下 的性能主要是看加入抑制剂后水合物平衡温度相对于未加时的降低值 ；而动力学抑制剂则是由抑制时间 的长短来判断的。图 4为一钻井液体系加有动力学抑制剂与未加动力学抑制剂的水合物生成时压力随时 间变化 的 曲线 。 从图 4可以看 出，对于未加动力学抑制剂的钻井液体系，在维持一定的过冷度条件下 ，在约 5 h左 右压力出现突降 ，此时说明有大量气体水合物生成 。而添加有 P VP的体系在约 2 0 h后 ，压力才出现突 降 ，说 明 动力学 抑制 剂 P VP可 以 明显地延 长水 合物 生 成 的时 间 ，是 一 种经 济 可 用 的控 制 水合 物 生 成 的 抑制 剂 。 ， 2 流型调节剂的评价方法 在深水低温环境下进行作业时，由于存在低的破裂压力梯度及脆弱的页岩条件 ，当钻井液循环经过 泥线附近时 ，钻井液的温度会出现较大的波动 ，其流变性也会发生较大变化，具体表现在黏度 、切力大 幅度上升，还可能发生快速胶凝作用 ，从而导致 当量循环密度 E C D高 、循环困难和压漏地层。因此 在 深水 钻井 作业 中 ，要求 钻井 液在较 宽 的温度 范 围内能保 持恒 定 的流变性 [ 1 2 , 1 a 3 。 钻井液恒流变的性能可以通过加入流型调节剂来实现。对用于深水钻井液体系的流型调节剂的评价 一 般是通过测试钻井液体系在作业范围的全温度段的流变性 能来体现 的，要求钻井液 的 P V、 y P、 6和 3在全 温度 段 的变化 较小 ，以满足 深水钻 井 的要求 。表 1为长江 大学 深水项 目组 采用 MI C RO G 和 VI S _ HX为流型调节剂的水基钻井液体系在不同温度下的流变性能。 从表 1 可 以看出，体 系的 AV、 P V、 y P、 6和 3随着温度的变化都有一定的变化 ，但 是均保持在一 定的范围之内，这说明该体系的黏温性能较好，能够满足作为深水钻井液的流变性要求 。 如 加 0 2 O 8 6 4 2 O B d I ，∈ 幽 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 8期 唐海雄 等 深水钻井液关键外加剂优选评价方法 注 ≠ 6和 ≠ 3 为测钻井液流变性时六速旋 转黏度计 6 r ／ rai n 读数 与 3 r ／ rai n 读数 ； AV为表观黏度 ； P V为塑性黏度； y P为动切力 ； F LA e l 为 AP I 滤失量 。 配方 3 搬 土 十处理海水6 MI C R OG 流型调节剂O ． O 5 V I S - HX 流型调节剂2 0 Na C l 7 GL YC OL 聚合醇 3 F l o c a t 改性淀粉 0 ． 5 P VP 。 3 结 语 1 深水钻井作业中由于通常面临深水低温高压 的特殊环境，因此对钻井液 的性能提 出了更 高的要 求 ，深水钻井液除了具备钻井液 的常规性能如携砂性、抑制性、润滑性 、滤失性等外 ，还必须具备优 良 的水合物抑制性能和低温下 良好 的流变性能。而深水钻井液的性能是通过各种外加剂来实现的，除了常 规 的外 加剂外 ，其关键 的外 加剂 为 天然气 水合 物抑 制剂 和流 型调 节剂 。 2 对天然气水合物抑制剂的优选评价采用专用的抑制剂评价装置 ，目前常用的方法为压力一 温度法 ， 即通 过实验过程 中压力和温 度的变化来判 断气体水合 物的生成 与分解 ，从 而判别 抑制剂性 能的好坏 。 3 对流型调节剂的优选评价，一般是通过测定钻井液在作业范围的全温度段的流变性能来体现的， 要求 钻 井液 的 P 、 y P、 6 、 3 在 全 温度 段 的变化 较小 ，即具有 恒流 变 的特性 。 [ 参考文献] I l l Z a mo r a M， B r o u s s a r d P N，S t e p h e n s M P ．T h 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w a t e r d r i l l i n g E J ] ． S P E9 0 9 8 7 ， 2 0 0 4 ． [ 编 辑] 萧雨 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