微流变学研究钻井液静态黏弹性特征.pdf

第 3 2卷 第 1 期 2 0 1 5年1月 钻井 液与 完井液 DRI L LI NG F L UI D COM P L ET1 0N F L UI D V 0 1 ． 3 2 No ． 1 J a n．2 01 5 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ． i s s n ． 1 0 0 1 5 6 2 0 ． 2 0 1 5 ． 0 1 ． 0 0 2 微流变学研究钻井液静态黏弹性特征 赵雄虎 2 ， 韩教 ， 徐同台 1 ． 中国石油大学 北京 石油工程学院，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 ； 3 ． 北京石大胡杨石油科技发展有限公司，北京 赵雄虎等 ． 微流变学研究钻井液静态黏弹性特征 [ J ] _ 钻井液与完井液，2 0 1 5 ，3 2 1 7 - 9 ，1 3 ． 摘要钻井液在静止时微观结构和性能逐渐变化，通过微流变技术研究了钻井液在静止状态下黏弹性的变化过程。 配制 了6种不同配方的油基钻井液，在高速搅拌后使用 R h e o l a s e r 流变仪测试了钻井液的黏弹性变化。实验发现油基钻 井液的网络结构是悬浮重晶石的骨架，在高速搅拌后，钻井液的网络结构被打散，在静止时结构开始恢复，损耗因子 随着时间延长越来越小，意味着重晶石沉降的速率越来越小 ； 性能不好的钻井液静置一段时间后黏度因子和弛豫时间 发生下降，其结构开始失稳，此时可能导致严重的重晶石沉降问题 ； 有机土和提切剂对钻井液的微观结构有明显的加 强作用，当这种可以形成结构的材料达到一定浓度后，其结构恢复得更快。微流变学可以在微观角度来描述钻井液的 结构变化过程，这对进一步研究和 了解钻井液复杂的性能变化有重要的意义。 关键词 微流变 ； 钻井液 ； 结构恢复 ； 稳定性 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 50 1 ． 0 0 0 7 0 3 0 引 言 黏弹性流体的流变行为已经用剪切流变仪进行了 广泛的研究 [1 -2 1 ，研究黏弹性流体在静止时微观结构 变化的光散射技术也在不断发展 [ 3 - 6 ] o在刚过去 的 2 0 年里 ，微流变学一直是流变学研究的热点 ，最前沿的 研究人员对流变学表征这一技术也越来越感兴趣 。不 同于宏观流变学 ，微流变学从样品的微观结构出发 ， 通过追踪分散体系中胶体示踪粒子的运动情况来获得 体系的黏弹性参数 。微流变学 的特点在于可以表征极 低 黏度样品 如聚合物溶液或蛋 白质溶液 的黏弹 性 ， 测量范围和灵敏度远远超过现代最精密的机械流 变仪可达到的范围。微流变技术的一个最重要的优点 是可测量、表征弱结构流体高频率范围或短时间尺度 下 的黏弹性 。另外 ，所需 的样 品量非常少 ，因此该 技术适合于分析珍贵溶液的黏弹性。2 0 0 7 年 F e l ix K ． O p p o n g和 J o h n R． d e B r u y n对比了微流变学中测量 的 笼强度与宏观流变学的屈服应力 ，发现两者对浓度的 依赖性是相似的， 指 出 2者可能有更深层的对 比关系 ， 找到了宏观流变与微观流变联系的起点 。 通常来说 ， 以水或油为连续相的钻井液均是黏弹性流体。常规机 械流变仪必须搅动样品以施加应力 ，这对于结构脆弱 的泡沫流体和凝胶性流体是一种破坏 。微流变技术则 可以在 不接触钻井液的情况下研究钻井液的性 能变 化。因此用微流变学研究了钻井液的静态黏弹特征 。 1 钻井液粒子的运动特征 微粒的布朗运动是无序运动 ，无法追踪其线性距 离 ，只能研究其统计学分布规律 ，而微流变学中描述 粒子的运动使用均方根位移，即单位时间内粒子运动 的面积 MS D ，这样便可以消除粒子移动过程中产 生的不规则性。对于纯黏性非牛顿流体来说，粒子的 运动是 自由的，均方根位移随着粒子运动时间的增加 呈直线增加，见图 1 。而黏弹性非牛顿流体中的粒子 在运动一段距离后会被大分子骨架阻挡和缠绕，随着 时间继续增加 ，在弛豫 时间 时突破缠绕进入宏观 溶剂中，继续运动扩大均方根面积 ，所以均方根位移 基金项目 国家重大科学仪器设备开发专项 2 0 1 2 Y Q 0 5 0 2 4 2 资助。 第一作者简介 赵雄虎，教授，1 9 6 4年生，主要从事钻井液、完井液理论及技术研究，尤其是高温高压钻井液技术和 废弃钻井液处理技术研究。地址 北京市 昌平 区府学路 1 8号石油工程学院 ；邮政编码 1 0 2 2 4 9；电话 1 3 7 0 1 3 2 7 2 0 2； E ． ma i l e p b z x h c u p ． e d u ． c n 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 8 流体 变化 3种普通油基钻井液配方及性能 酚 一 半 。 3。5 5 ．。 45 ．二U／ I D 22 ． 0 。 ～ 兰 竺l 2 ．5 她 2 ．。 攀 黧 喜 器 煮 晶 ．． ． ． r - q ／ 4 H 暑 曼 鬻 襄 增 横 向 上 只 ，对 应 硎 面 图 3 是 3 种不同配方的油基 4 h时的均 量 羹 品 恢 复 了 明 显 的 结 构 。 3 菇 。 样 淼 茬 区勋靠 黼 粒和 黧 有 明 显 的 结 构 恢 复 过 程 颗 i 量 垂 筹 茗 算 羹 甚 蔷 霎 鬻 钻 也 许 这 是 其 麓 瓣 蠢 蠢 筹 舞 I 2 终 比 配方钻井液高 。 ～ 州 田升 嘏 驯黏度 始 比值损 星 G ” 与 弹 性 模 量 G ， 的 比 值 ’ 又 被 称 为 内 耗 或 者 阻 尼 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 2 卷 第 1 期 赵雄虎等微流变学研究钻井液静态黏弹性特征 9 速搅拌后 ，l 钻井液 红 的损耗因子随时间增加迅 速降低，2 钻井液、3 钻井液的损耗因子始终比 1 样品的低。根据 S a a s e n的研究发现 [ 9 】 ， 损耗因子越低 ， 则钻井液发生沉降的几率就越少 。 为了证 明这个观点 ， 用 T u r b i s c a n 稳定性分析仪计算了 3 种钻井液 4 h时 的底部密度 ，如表 2所示 ，证实损耗 因子小的样品其 沉降密度差确实较小。但是，具体损耗因子低至多少 时才不会发生沉降，还需要进一步的研究。 1 O O 0 o 1 0 0 0 ∞ 1 0 0 l o 曝 ． 悄 O i 一 一 ．斗 叶一 - ， 一 1 l 【 ‘ - ‘ _ O ． 0 0 ． 5 1 ． O 1 ． 5 2 ． 0 2 ． 5 3 ． 0 3 ． 5 4 ． 0 4 ． 5 t／ h 图 5 3 种普通油基钻井液宏观黏度随时间的变化 3 ． O 2． 5 2． 0 b 1 ． 5 1 ． O O ． 5 O ． 0 ． } ～ } ；～ { } l i 。 |一1 十 ． ⋯ 一 0 l ＼～ { l ⋯ 自 l l l O．0 0 ． 5 1 ． 0 1 ． 5 2 ． 0 2 ． 5 3 ． 0 3． 5 4． 0 t ／ h 图 6 3种普通油基钻井液损耗因子随时间的变化 表 2 3种普通油基钻井液静置 4 h后的底部密度变化 常温 3 钻 井液 的失稳 过程 分析了另外 3种钻井液在静态下 的黏度因子和弛 豫时间的变化，通过监测各钻井液流变性随静置时间 的变化对其稳定性进行排序。黏度 因子由均方根位移 MS D 曲线黏性区斜率 的倒数计算得来 ，可以直观地 反应钻井液黏性的变化过程。从图 7 a 可见 ，3种 钻井液由于开始的结构恢复黏度持续增加，并逐步达 到黏性平台，但是 4 钻井液很快在 2 ．5 h 时发生了黏 度下降，5 钻井液 2 2 h 后黏度发生下降，说明结构 也发 生了崩解 ； 6 钻井液最稳定 ，黏度在 3 0 h测试 时间内未降低。 反映弹性和黏性相结合的是弛豫时间 ， 它表明黏 弹性不但是分散体系同时具有黏性和弹性的结果 ， 并 且仅取决于分散体系黏性系数和弹性系数的相对大 小 ， 而不是它们各 自的大小。因此判断稳定性时弛豫 时间因子是比黏度因子更敏感的参数，黏性和弹性的 不稳定性均会引起弛豫时间 因子 的变化 。从图 7 b 可见 ，2 钻井液 的弛豫时 间在 7 h时就发生了下 降， 这比黏性发生下降的时间 2 2 h 要快得多。3 种钻井液 的弛豫时间比黏度因子更早地发生下降，这样就能够 更快地对钻井液进行稳定性排序。 0 ． 1 o m 害I E _ 3 越l E - 4 褥l E ．5 20 0 墨1 5 0 o 5 0 O 5 ～ 、 ‘ ／ ’ l 一r i 4 、 } 0 5 1 O l 5 2 O 2 5 3 O t／ h a 黏性因子随时间的变化 ，l厂■■ O 5 1 O l 5 2 O 2 5 3 0 b 弛豫时间随时间的变化 注 4 为 1 ． 5 ％有机土 2 ％主乳化剂 1 ％辅乳化剂； 5 为2 ％ 有机土 2 ％主乳化剂 1 ． 5 ％辅乳化剂 ； 6 为3 ％有机土 2 ％主 乳化剂 2 ％辅乳化剂 ； 油水比均为 8 2 ，密度均为 2 ．0 g ／ c 1 1 1 3 。 图 7 另外 3种油基钻井液黏性因子和弛豫时间随时间的变化 4 结论 1 ． 油基钻井液 的网络结构是悬浮重晶石 的骨架。 当钻井液高速搅拌后 ，其 网络结构被打散 ，在静置时 结构开始恢复，损耗因子随着时间延长越来越小，意 味着重晶石沉降的速率会越来越小。 2 ． 性能不好的钻井液静置一段时间后黏度 因子和 弛豫时间均发生下降 ，其结构开始失稳 ，此时可能导 致严重的重晶石沉降问题。而有机土和提切剂对钻井 液的微观结构有明显的加强作用 ，当这种可以形成结 构的材料达到一定浓度后，其结构恢复过程更快。 3 ． 微流变学可 以在微观角度来描述钻井液的结构 变化过程 ，这对进一步研究和了解钻井液复杂 的性能 变化有很重要 的意义。 下转第1 3 页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 2卷 第 1期 许洁等抗2 4 0℃超 高温水基钻井液室内研究 l 3 由表 6可 以看 出，该钻井液具有较好的抗盐 、抗 钙性能 ，能抗 5 ％Na C I 和 I ％C a C 1 2 。 4 结论 与认 识 1 ．抗 2 4 0℃超高 温钻 井液 由研 制 的高温稳 定 剂 MG H 2 、优选出的抗高温降滤失剂组合 1 ％硅氟 降滤失剂 3 ％ L o c k s e a l 1 ．5 ％S o lt e x 等组成，并采用 1 ％钠膨润土和 1 ％ 凹凸棒土复配作为黏土相，结合 凹凸棒土的抗温抗盐特点，改善膨润土含量高时在高 温下导致 的钻井液性能恶化 问题。其 中 MG H 2是 由 AM、AMP S等单体 ，采用反相乳液聚合方法制得 的 一 种油包水型乳液，其聚合物呈球型，具有柔性搭接 作用和介观流体 的黏度特性 。 2 ．该钻井液具有 良好的抑制性 ； 能抗 1 0 ％膨润 土 、5 ％Na C 1 和 1 ％C a C 1 ， 的污染 ； 且具有 良好的润滑 性能 ，综合性能好 ，为松科 2井下阶段 2 6 0℃超高温 钻井液的研制奠定了 良好基础。 [ 2 ] 参 考 文 献 单文军 ，陶士先， 付帆抗 ，等 ． 2 4 0 o c 高温水基钻井液体系 的室内研究 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 1 4 ，3 1 5 1 0 ． 1 3 ． S h a n We n j u n ， T a o S h i x i a n ， F u F a n ， e t a 1 ． Hi g h t e mp e r a t u r e d r i l l i n g fl u i d t e c h n o l o g y [ J ] ． Dr i l l i n g Fl u i d＆ C o m p l e t i o n F l u i d ，2 0 1 4 ，3 1 5 1 0 1 3 ． 李公让 ，薛玉志，刘宝峰，等 ． 胜科一井四开超高温高密 度钻井液技术 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 0 9 ，2 6 2 1 2 ． 1 5 ． [ 3 ] [ 4 ] [ 5 】 [ 6 】 Li Go n g r a n g， Xu e Yuz h i ，Li u Ba o f e n g， e t a 1 ． Hi g h t empe r a t ur e hi gh dens i t y dr i l l i ng flui d t ec hnol ogy f or t h e f o r t h i n t e r v a l o f we l l S h e n g k e - 1 [ J 】 ． Dr i l l i n g F l u i d＆ C o m p l e t i o nF l u i d ，2 0 0 9 ，2 6 2 1 2 1 5 ． 丁彤伟 ，鄢捷年，冯杰 ． 抗高温高密度水基钻井液体系 的室内实验研究 [ J ] ． 中国石油大学学报 自然科学版 ， 2 0 0 7 ，3 1 2 7 3 ． 7 8 ． Di n g T o n g we i ，Ya n J i e n i a n，Fe n g J i e ． Ex p e r i m e n t a l s tud y o n wa t e r - b a s e d d r i l l i n g fl u i d s r e s i s t i n g h i g h t e mp e r a t u r e wi t h h i g h d e n s i t y [ J ] ． J o u r n a l o f C h i n a U n i v e r s i t y of P e t r o l e u m E d i t i o n o f Na t u r a l S c i e n c e ， 2 0 0 7 ，3 1 2 7 3 7 8 ． 杨泽星，孙金声 ． 高温2 2 0。 c 高密度 2 _ 3 g ／ c I I 1 3 水基钻井液 技术研究 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 0 7 ，2 4 5 1 5 1 6 ，8 6 ． Ya n g Ze x i n g，S u n J i n s h e n g ． Re s e a r c h e s o n h i g h t e mp e r a t u r e h i g h d e n s i t y w a t e r b a s e mu d [ J ] ．Dr i l l i n g F l u i d＆ C o m p l e t i o n F l u i d ， 2 0 0 7 ，2 4 5 1 5 1 6 ，8 6 ． 常晨 ， 许明标， 由福昌 ． 超高温水基钻井液的室内研究 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 1 2 ， 2 9 3 3 6 ． 3 7 ． Ch a n g Ch e n，Xu M i n g b i a o，Yo u F u c h a n g ． Ex p e r i me n t a l s tudy o n ul t r a hi gh t e mpe r a t u r e wa t e r -- b as e d dr i l l i n g flui d s y s t e m[ J ] ． Dr i l l i n g F l u i d＆ C o m p l e t i o n F l u i d ， 2 0 1 2 ， 2 9 3 3 6 3 7． 施里宇 ，李 天太 ，张喜凤 ． 温度和膨润土含量对水基钻井 液流变I生的影响 【 J ] ． 石油钻探技术，2 0 0 8 ，3 6 1 2 0 ． 2 2 ． Shi Li yu，Li Ti a nt ai ，Zha ng Xi f e ng， et a 1 ．Ef f ec t s of t e mp e r a t u r e a n d c l a y c o n t e n t o n wa t e r b a s e d d r i l l i n g fl u i d s ’ r e h o l o g i c a l p r o p e r t y [ J ] ． Pe 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 8 ，3 6 1 2 0 ． 2 2 ． 收稿 日期2 0 1 4 0 9 2 8 ；HG F 1 5 0 1 N1 ；编辑王小娜 上接第9 页 [ 2 】 [ 3 ] [ 4 】 [ 5 】 参 考 文 献 M a g n i n A ， P i a u J M ． Co n e a n d pl a t e r h e o m e t r y o f fl u i d s wi t h a y i e l d s t r e s s ． S t u d y o f a n a q u e o u s g e l [ J ] ．J o u r n a l of Non 一 wt o ni an Fl u i dM e c ha ni c s， 1 99 0， 3 6 85 ． Al d e r ma n N J ， Me e t e n G H ，Sh e r wo o d J D ，Va ne r h e o me t r y o f b e n t o n i t e g e l s [ J ] ．J o u r n a l of N o n Ne wt o n i a n F l u i dMe c h a n i c s ， 1 9 9 1 ，3 9 3 2 9 1 ． 3 1 0 ． Pi gn on F， Pi a u J M ， M ag ni n A． St r uc t ur e a nd pe r t i ne nt l e n g t h s c a l e o f a d i s c o t i c c l a y g e l [ J ] ．P s i c a l R e v i e w L e t t e r s ， 1 9 9 6 ，7 6 2 5 4 8 5 7 ． 4 8 6 0 ． P i g n o n F， M a g n i n A ， P i a u J M ． Bu t t e r fly l i g h t s c a t t e r i n g p a t t e r n a n d r h e o l o g y o f a s h e a r e d t h i x o t r o p i c c l a y g e l [ J ] ． Ph y s i c a l Re v i e wL e t t e r s，1 9 9 7，7 9 2 3 4 6 8 9 4 6 9 2 ． P i g n o n F，M a g n i n A ，P i a u J M ． Thi x o t r o pi c b e ha v i o r o fc l a y d i s p e r s i o n sc o mb i n a ti o n s o f s c a t t e r i n g an d r h e o me tr i c t e c h n i q u e s [ J ] ． J o u r n a l o f R h e o l o g y ，1 9 9 8 ，4 2 1 3 4 9 - 1 3 7 3 ． [ 6 ] [ 7 ] 【 8 ] [ 9 】 Bo n n D ，Ke l l a y H ，Ta n a k a H ，e t a 1 ． L a p o n i t e wh a t i s t h e d i f f e r e n c e b e t w e e n a g e l a n d a g l a s s [ J ] ．L a n g mu i r ，1 9 9 9 ， l 5 75 34． Op p o n g F K ，d e Br u y n J R． Di f f u s i o n o f m i c r o s c o p i c tra c e r p a r t i c l e s i n a y i e l d s t r e s s fl u i d [ J ] ． J o u r n a l o fN o n N e w t o n i a n Fl u i dM e c h a n i c s ， 2 0 0 7，1 4 2 1 0 4 ． 1 1 1 ． 侯瑞雪 ，张景富，徐同台，等 ． 处理剂对抗高温高密度 油基钻井液沉 降稳定性 的影响 [ J ] ，钻井液与完井液 ， 2 0 1 4 ，3 1 5 4 6 4 8 ． Ho u Ru i x u e ，Zh a n g J i n g f u，Xu To ng t a i ，e t a 1 ．Ef f e c t o f Ad d i t i v e s o n S e t t l i n g S t a b i l i t y o f Hi g h Te m p e r a t u r e Hi g h De n s i t y Oi l Ba s e D r i l l i n g F l u i d [ J ] ． Dr i l l i n g F l u i d＆ C o m p l e t i o nF l u i d ，2 0 1 4 ，3 1 5 4 6 ． 4 8 ． S a a s e n ． P r e d i c t i o n o f b a r i t e s a g p o t e n t i a l o f d r i l l i n g fl u i d s f r o m r h e o l o g i c a l e a s u r e me n t s [ R ] ． S P E 2 9 4 1 0 ． 收稿 日期2 0 1 4 ． 1 1 - 1 6 ；HG F 1 5 0 1 N1 ；编辑王小娜 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m