适于深水钻井的恒流变合成基钻井液.pdf

第 3 1 卷 第 2期 2 0 l 4年3月 钴井 液与 完井 液 DRI LLI NG FLUI D COM PLET1 0N FLUI D V0 l | 3l NO． 2 M a r ．2 0l 4 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ． i s s n ． 1 0 0 1 5 6 2 0 ． 2 0 1 4 ． 0 2 ． 0 0 5 适于深水钻井的恒流变合成基钻井液 韩子轩 ， 蒋官澄 2 ， 李青洋 1 ． 中国石油大学 北京 石油工程教育部重点实验室，北京 ； 2 ． 中国石油大学 北京 油气资源与探测国家重点实验室， 北京 韩子轩等 ． 适干深水钻井的恒流变合成基钻井液 『 J ] ． 钻井液与完井液，2 0 1 4 ，3 l 2 I 7 - 2 0 ． 摘要 深水钻井条件下，温度变化大，对钻井液在低温环境下的流变性提出较高要求 室内合戎一种缔令聚 物 处理剌，该处理剂可以怍为一种流型调节刺，调节钻井液『 氐 温流变性，使其在低温条件下有稳定的动切力、 艇寸 奄 强度 和 读数 通过乳 『 匕 利和有机土加量的优选、不同油水比以及不同密度下低澎流变性的对比研究，形戎一种恒流变合 成基钻井液 研究结果表明，与传统的合成基钻井液相比．恒流变合成基钻井液在较大的温度变化范围内具有稳定的 流 变性 ，低温 下钻 井液 不会 出现胶凝 现象 ，保证 了深水 钻井的安全 关键词 深水钻斗 ； 流型调节剂 ； 恒流变 ；合成基钻井液 中图分类号T E 2 5 4 - 3 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 5 6 2 0 2 0 1 4 0 2 0 0 1 7 - 0 4 在深水环境下钻井时温度变化明显 ，海水温度甚 至会低于 5 c jC ， 这样的低温环境会使钻井液迅速冷却， 特别是会出现钻井液动切力和低剪切速率下的黏度难 以控制 ，甚至产生 胶凝现象 ，由此引发井漏 、当量 循环密度高和压力控制难等一系列井下复杂情况 [ i-9 ] 。 针对这些难点，室内研发了一种缔合聚合物流型调节 剂，该流型调节剂可以调节合成基钻井液在低温下的 切力 、凝胶强度 ，使钻井液具有平缓的切力 一 温度特 性 曲线 ； 实现 “ 恒流变” ，可以在低温下兼顾流体的 流变性和当量循环密度控制，这样就能保证钻井液在 深水低温环境下不会因静置而m现胶凝现象或钻进循 环时出现较大 的当量循环密度 [ 9 - 1 0 ] 。 1 实验 部分 1 ． 1 实验材料与仪器 十八烷不饱 和二 聚脂 肪酸 8 5 ％ ，二 乙烯三胺 C P ，茂名 5 白油 ，气制油 GT L 1 8 5 V 壳牌 MDS 公 司 ，线性 烯烃 ；S p a n 8 0 C P ，乳化剂 1 ，乳 化 剂 2 M I S WA C O ，润湿 剂 M I S WA c O ，有 机土 M I S WA C O ，氯化钙 C P ，氧化钙 CP ， 降滤失剂 实验室合成 ，重晶石粉。 高速搅拌器 ，四口烧瓶 ，冷凝器 ，油浴锅 ，恒压 滴液漏斗 ，六速旋转黏度计 ，高温滚子炉，低温模拟 设备。 1 ． 2 实验方法 基 础 配 方 为 油 2 5 ％C a C I ， 溶 液 7 0 3 0 ～ 8 0 2 0 乳化剂 润湿剂 有机土 石灰 重晶石。 在搅拌条件下，将乳化剂和润湿剂加入基液中， 加 入 质 量浓 度 为 2 5 ％ 的 C a C I ， 溶 液 ，搅 拌 1 0 mi n； 然后加入氧化钙、有机土和降滤失剂，继续搅拌 1 0 mi n； 加入重 晶石 ，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下老化后进行性能测定 。 将待测钻井液及六速旋转黏度计放在深水环境低温模 拟设备中， 测定待测钻井液在不同温度下的流变性能。 2 实验 结果与讨论 2 ． 1 聚合物的合成与表征 2 ． 1 ． 1 合成方法 在氮气保 护下 ，按 照摩 尔 比为 l 1 ，将一定量 的不饱和二 聚脂肪酸加入配有冷凝器的四口烧瓶 中， 基金项目 国家自然科学基金创新研究群体项目 5 1 2 2 1 0 0 3 ，国家 自然科学基金面上项 目 1 0 7 4 1 7 3 ，国家8 6 3项 目 “ 海 上大位移井水平井钻井液关键技术研究” 2 0 1 2 A A0 9 1 5 0 2 ，国家自然科学联合基金项目 “ 页岩气钻探中的井壁稳定及高效钻完 井基础研究” U1 2 6 2 2 0 1 o 第一作者简介 韩子轩，在读博士研究生，主要从事油基 ／ 合成基钻井液处理剂研发及体系研制。地址 北京市昌平区府 学路 1 8号中国石油大学石油工程学院博士2 0 1 2级 ；邮政编码 1 0 2 2 4 9；电话 0 1 08 9 7 3 2 2 3 9； E - ma i l z i x u a n 1 2 2 5 1 6 3 t o m。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 8 钴井液与 完井液 2 0 1 4年 3月 加热至 1 0 0℃维持 1 5 mi n ，称取一定量的二 乙烯三 胺， 移至恒压滴液漏斗中， 在 1 0 0 o【 下进行加胺操作， 滴加时间控制在 3 0 m i n ， 滴加完成后将温度缓慢升温 至 2 3 0 ，在 3 0 0 r ／ min 下搅拌保持 2 h； 随后样品冷 却至 1 0 0℃。反应直至酸值不大于 2 ．0 m g K O H ／ g n 1] 成品。 反应主要是二元酸和三胺反应生成聚酰胺多胺， 反应式见图 1 。该聚合物链上既有酰胺基的活性亲水 基团， 也有由脂肪酸提供的一c H 长碳链疏水基团， 表现 出两亲性的特点。 n ⋯ Ⅷ N NH 一 0／ c c＼ oH H N ＼ z 图 1 缔合聚合物合成反应式 2 ． 1 ． 2 结构表征 图2 是聚合物的红外光谱图。 4 - n H， O 菱 140 一 图 2 缔合聚合物的红外光谱图 红外光谱分为特征区 4 0 0 0 1 3 0 0 c m 和指 纹区 1 3 0 0 6 5 0 c m 。红外谱图可以通过F I I R 的研 究 确 定 I t 2 ] 在 特 征 区，产 品 在 3 2 9 9 ． 6 9 c m 处 出 现 了 NH 一 的 伸 缩 振 动 峰 ， 在 1 6 5 0 ． 4 0 ， 1 5 4 8 ．2 7，1 4 6 4 ． 8 1 c m 处为一c O N H R酰胺谱带的 伸缩振动峰，在 2 9 2 4 ．6 8 、2 8 5 2 ．6 9 c m - 处是一c H 2 和c H 的 C -H的伸缩 振动 强 峰，在 l 4 6 4 ．8 1 、 1 3 5 2 ．3 7 c m 处为一c H 的不对称变形振动峰和一 C H ， 的剪式振动峰的迭合，l 1 2 4 ． 6 7 c m 处为 c C的伸缩振动峰。在指纹区，一c H 的面外振动吸 收出现在 7 8 0 ～7 2 0 c m～，7 2 2 ． 1 8 c m 出现 的振动吸 收表明有一 C H 一 n≥4 的长碳链存在，在 9 3 6 ．8 5 c m ～ ，8 8 8 ． 1 4 c m 处是不饱和碳氢键一 C H 的变形振动，证明含有少量的不饱和键。谱图分析证 明缔合聚合物成功合成。 2 ． 2 处理剂的优选 2 ． 2 ． 1 基础油的优选 基液黏度影响合成基钻井液的低温流变性，基液 黏度越低，对钻井液低温流变性影响越小， 几种常用 基础油的运动黏度见图 3 ] 。从低温下的运动黏度 变化分析，结合海洋深水钻井液的特点，选用 5 0℃ 时运动黏度为 2 ． 2 mm2 ／ s 、4℃时表观黏度为 3 1 -n 1 ．n 2 ／ s 的线性 烯烃 L A O 为合成基钻井液的基液。 蠢 ℃ 图 3 不同基础油的运动黏度随温度变化曲线 2 ． 2 ． 2 乳化剂的优选 在高搅杯中加人 2 4 0 m L L A O基础油，然后加入 6 g乳化剂，在 1 1 0 0 0 r ／ min 下高速搅拌 2 0 m i n后， 加入 2 5 ％ 的 C a C 1 ， 水溶 液 6 0 mL，高速搅 拌 2 0 mi n 后，测定破乳电压，取 5 次测定的平均值。然后将乳 状液高速搅拌 5 m i n ， 倒入 5 0 0 mL 量筒中， 静置 l h ， 观察分离出的油层体积 m L ，按下式计算乳化率 。 3 0 0 一 V／ 3 0 01 0 0 ％ 将上述配制的 L AO油包水乳状液装入老化罐 中， 于 1 2 0℃老化 1 6 h ，取出后冷却至 5 0℃，高速搅拌 1 0 min 后， 分别测定乳化率和电稳定性， 结果见表 l 。 表 1 不同乳化剂的乳化性能 注 在 1 2 0 o C 热滚 1 6 h后，冷却至 5 0℃ ； 乳状液配方 2 4 0 mLL AO 6 0 mLC a C 1 2 水溶液 6g乳化剂 。 如表 1 所示，加入乳化剂 2 后，1 2 0℃时 L A O 油包水乳状液的乳化率和破乳电压最高，在 1 2 0 ℃下 乳化性能维持不变。乳化剂加量影响合成基钻井液低 温流变性和电稳定性，合适的乳化剂加量有利于形成 机械强度更高的界面膜，界面膜的性质和分散相颗粒 大小影响合成基钻井液低温表观黏度和动切力。结合 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 l 卷 第2 期 韩子轩等适于深水钻井的恒流变合成基钻井液研究 l 9 海洋深水合成基钻井液特点，L A O合成基钻井液乳 化剂选用乳化剂 2 ，优选加量为 2 ． O ％～2 ． 5 ％。 2 ． 2 ． 3 有机土加量的优选 通常有机土的加入可以提高油包水乳化钻井液的 黏度和切力，增强乳液的稳定性，提供触变性，以在 停止循环时悬浮钻屑和加重剂，并参与形成滤饼，控 制滤失量。因此考察了有机土的加量对 L A O基液和 加重钻井液流变性的影响， 结果见表 2 。从表 2可知 ， 随着有机土含量的增加 ，钻井液 的塑性黏度 、动切力 和终切均有所提高，动切力和终切随有机土加量的增 加变化最为迅速。油包水逆乳化钻井液的流变性与水 基钻井液中的流变性形成机理有明显区别 ，有机土不 会在纯油相中分散成为胶体颗粒而使连续相增黏，油 包水逆乳化钻井液的流变性是 由有机土与分散液滴之 间的相互作用实现的[ 15 ] 0在加重钻井液中，由于大 量重晶石颗粒之间的相互作用，少量的有机土含量增 加 ，将可能导致钻井液的塑性黏度、动切力和终切 急剧增加 。在加量达到 2 ％之后改变有机土加量对于 钻井液塑性黏度 的影响就很小 ，有机土加量在 3 ％ 以 上 ，钻井液 的流动性很差 ，因此有机土加量最好 在 1 ％～2 ％范 围内。钻井液配方如下。 L A0合 成 基 基 液2 4 0 mL L A O 6 0 mL 2 5 ％ C a C 1 水溶液 2 ％乳化剂 2 ％降滤失剂 1 ．5 ％ C a O L A O 加 重 钻 井 液2 4 0 mL L AO 6 0 mL 2 5 ％ C a C 1 水溶液 2 ％乳化剂 2 ％润湿剂 2 ％降滤失剂 1 ． 5 ％C a O 重晶石 表 2 有机土加量对不同体系流变性的影响 5 0℃测定 2 ． 3 恒流变钻井液性能 1 不 同水 相 比例 体 系流 变 性。 以 7 0 3 0 、 8 0 2 0的油水比分别配制传统合成基钻井液 S B M ， 用重晶石加重至密度为 1 ．3 5 g ／ c m ，在 2 组配方基础 上加入 2 ．5 ％缔合物流型调节剂，配制成恒流变合成 基钻井液 F R S B M ，测试 4组体系在 4 ～6 5℃的 流变性，动切力和终切随温度的变化如图4和图 5 所 示。从 图 4 、图 5可知 ，在相 同测试温度下 ，随水相 体积比例增加，合成基钻井液动切力和终切均上升， 表明油包水逆乳化钻井液 的流变性与水相比例有较大 关系，有机土与分散液滴之间相互作用，形成一定的 流变性。加人流型调节剂后，L A O合成基钻井液的 动切力和终切均基本保持恒定，体现出较好的 “ 恒流 变特性” ，可以改善合成基钻井液在深水钻井过程中， 低温时出现的流动困难 、胶凝现象 。 1 6 ； 1 O l 3 一 s B M 油水比为7 0 3 0 0 1 O 2 0 3 O 4 0 5 O 6 O 7 O ℃ 图 4 不同油水比的钻井液动切力随测试温度的变化 2 0 l 8 l 6 时 l 4 l 2 雾 l 4 2 0 试 ， ℃ 图5 不同油水比的钻井液凝胶强度随测试温度的变化 2不 同密度 钻井 液 的流变性 。用 重 晶石 加重 L A O合成基钻井液，使其密度为 1 ．3 5 、2 ．0 g ／ c m ， 测量 2组钻井液 的低温流变性 ； 然后加人流型调节剂 ， 将其在 1 2 0 cI 老化 1 6 h ，再测量低温流变性，实验数 据见表 3 。由表 3可知 ，不 同密度 的合成基钻井液 ， 加人 流型调节剂前 ，随着测试温度的变化 ，动切力 、 终切和 读数均呈明显的阶梯状下降趋势，尤其是 在 2 ． 0 g ／ c m。 的高密度条 件下，低温时的切力和终切 已经超出合理的范围，体系的流动性变差 ； 加人流型 调节剂老化后，体系的动切力、终切和 读数均调 节至合理水平并趋于稳定，重晶石未沉降，明显改善 体系的流动性和悬浮性。 3 不同密度体系的电稳定性。用 F a n n 2 3 D电稳 定性测定仪测定 F R ． S B M体系老化前后的破乳电压。 评价缔合物是否影响体系的电稳定性。实验结果见表 4 。由表 4可以看出，缔合物加入后，并不会对体系 的电稳定产生较大影响，不同密度的F R S B M 体系 老化前后破乳电压均大于 5 0 0 V，满足油包水逆乳化 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 钴井液与 完 井液 2 0 1 4年 3月 钻井液电稳定性的要求 。 表 3 不同密度 S B M体系加入流型调节剂前后的流变性 表 4 不同密度 F R S B M在 1 2 0℃老化前后的破乳电压 3 结论 1 ． 以室内合成的缔合聚合物作为流型调节剂， 研制了一种 “ 恒流变”L A O合成基钻井液，配方为 L AO合 成基 2 5 ％C A C 1 ， 水 溶 液 8 0 2 0 2 ． 5 ％乳 化剂 2 ％润湿剂 2 ％ 降滤失剂 1 ． 5 ％C A O 2 ％ 流型 调节剂 重晶石。 2 ． 与传统合成基钻井液相比， 恒流变合成基钻井 液的流变性受温度的影响很小，1 2 0℃老化后，重晶 石未沉降，电稳定性不受影响，在 4 ～6 5℃范围有 较稳定的动切力、终切和 读数，表现出了良好的 恒流变特性，适于海洋深水钻井。 [ 2 ] 参 考 文 献 J a f a r Ko r l o o ．I n d o ne s i a d e e p wa t e r fie l d d e v e l o pme n t t e c h n i c a l ，c o n t r a c t i n g ， a n d e x e c u t i o n c h a l l e n g e s [ R ] ． S P E 1 0 9 1 3 7 ，2 0 0 7 ． 王松， 宋明全，刘二平 ． 国外深水钻井液技术进展 [ J 】 _ 石 油钻探技术，2 0 0 9 ，3 7 3 8 ． 1 2 ． W a n g S o n g，S o ng M i n g q u a n，Li u Er p i n g． De v e l o p me n t o f f o r e i g n d e e p wa t e r d r i l l i n g fl u i d [ J ] ． P e t r o l e u m Dr i l l i n g T e c h n i q u e s ， 2 0 0 9 ，3 7 3 8 - 1 2 ． [ 3 ] J e n k i n s R W ， S c h mi d t D A，S t o k e s D， e t a 1 ． Dr i l l i n g t h e fi r s t u l t r a d e e p wa t e r we l l s o f f s h o r e m a l a y s i a [ R] ． S P E 7 9 8 0 7 ， 2 0 0 3 ． [ 4 】 Ka r i mi Va j a r g a h A，T a h ma s b i K，Ar s a n j a n i N． T h e f e a s i b i l i t y s t u d y o f r e p l a c i n g o i l b a s e d mu d wi t h mo r e e n v i r o me n t a l l y a c c e p t a b l e p a r a ffi n b a s e d s y s t e m i n i r a n i a n o i l fi e l d s [ R] ． S P E 1 2 3 5 1 9 ， 2 0 0 9 ． [ 5 ] He r z h a f t B，P e y s s o n Y，I s a mb o u r g P，e t a 1 ． R h e o l o g i c a l p r o p e r t i e s o f d r i l l i n g mu d s i n d e e p o f f s h o r e c o n d i t i o n s [ R ] ． S PE ／ I ADC 6 7 7 3 6， 2 0 01 ． [ 6 ] C a me r o B ． Dr i l l i n g fl u i d s d e s i g n a n d fi e l d p r o c e d u r e s t o me e t t h e u l t r a d e e p wa t e r dri l l i n g c h a l l e n g e [ R ] ． S P E 6 6 0 6 1 ， 2 0 0 0 ． [ 7 ] S mi t h D， Wi n t e r s W ，T a r r B，e t a 1 ． De e p wa t e r r i s e r l e s s mu d r e t u r n s y s t e m f o r d u a l g r a d i e n t t o p h o l e d r i l l i n g [ R ] ． S P E 1 3 0 3 0 8 ，2 0 1 0 ． [ 8 ] Va n O o r t E， F r i e d h e i m J ，T o u p s B． Ne w f l a t r h e o l o g y s y n t h e t i c b a s e d mu d f o r i mp r o v e d d e e p wa t e r d r i l l i n g [ R] ． S P E 9 0 9 8 7， 2 0 0 4 ． [ 9 ] 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 r h e o l o g y s y n t h e t i c b a s e d flu i d r e d u c e s d o wn h o l e l o s s e s i n d e e p wa t e r e n mr o n me n t [ R ] ． S P E 1 0 9 5 8 6 ， 2 0 0 7 ． [ 1 0 】Ma n u e l A，Z e v a l l o s M A L，C a n d l e r J ，e t a 1 ． S y n t h e t i c b a s e d fl u i d s e n h a n c e e n v i r o n me n t a l a n d d ril l i n g p e r f o r ma n c e i n d e e p wa t e r l o c a t i o n s [ R ] ． S P E 3 5 3 2 9 ， 1 9 9 6 ． [ 1 1 ]A． P ．I ． P ． D e p t ． R e c o mme n d e d p r a c t i c e for l a b o r a t o r y t e s t i n g o f d r i l l i n g fl u i d s ，a me r i c a n p e t r o l e u m i n s t i t u t e [ S ] ， 1 3 I ／ ／ S O l 0 4 1 6。2 0 0 8 ． [ 1 2 】We n g S h i f u ． F o u r i e r t r a n s f o r m i n f r a r e d s p e c t r o s c o p y [ M] ． C h e mi c a l I n d u s t r y P r e s s ，2 0 1 0 ，5 2 2 9 1 3 3 0 ． [ 1 3 ]徐同台，彭芳芳，潘小墉 ，等 ． 气制油的性质与气制油钻 井液 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 1 0 ，2 7 5 7 5 ． 7 8 ． X u To ng t a i ，Pe n g Fa n g f a n g， Pa n X i a o y o ng e t a 1 ． P e for ma n c e o f g t l a n d g t l b a s e d d r i l l i n g fl u i d [ J ] ． Dr i l l i n g F l u i dC o m p l e t i o n F l u i d ，2 0 1 0 ， 2 7 5 7 5 - 7 8 ． [ 1 4 】岳前升，刘书杰，何保生 ，等 ． 深水钻井条件下合成基 钻井液流变性 [ J 】 ． 石油学报 ，2 0 1 1 ，3 2 1 1 4 5 - 1 4 8 ． Yu e Qi a n s h e n g ，L i u S h u j i e ，He Ba o s h e n g，e t a 1 ． Rh e o l o g i c a l p r o p e r t i e s o f t h e s y n t h e t i c dri l l i n g fl u i d i n 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 [ J ] ． A c t a P e t r o l e i S i n i c a ，2 0 1 1 ， 3 2 1 1 4 5 ． 1 4 8 ． [ 1 5 】S e h mi d t D D， Am o e o P r o d u e t i o n C o ， R o o s A F ． I n t e r a c t i o n o f wa t e r wi t h o r g a n o p h i l i c c l a y i n ba s e oi l s t o bu i l d v i s c o s i t y [ J ] ．S P E 1 6 6 8 3 ． 收稿日期2 0 1 4 0 2 1 1 ；HG F 1 4 0 2 N8 ；编辑王小娜 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m