微泡钻井液密度特性研究.pdf

第 3 1 卷 第 4期 2 0 1 4年7月 铝井液与 完井液 DRI L LI NG F L UI D COM P LE TI ON F L UI D V0l _ 31 NO． 4 J ul y 2 01 4 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 5 6 2 0 ． 2 0 1 4 ． 0 4 ． 0 0 3 微泡钻井液密度特性研究 谢建宇， 周亚贤， 刘光成 ， 卢 国林 ， 耿晓慧 中原石油勘探局钻井工程技术研究院，河南濮阳 谢建宇等 ． 微泡钻井液密度特性研究 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 1 4 ，3 1 4 8 - 1 0 ，1 4 ． 摘要微泡钻井液是近年来开发的一种适用于低 压易漏地层的新型钻井液。笔者利用 C L ．Ⅱ型流体 P v T测试仪， 测定 了压力、温度对不同密度微泡钻井液密度的影响，其密度随温度升高而降低，随压力升高而增加，并且压力达 3 MP a以上时， 钻井液密度上升趋势趋于平缓。通过对实验数据的回 -5 和公式推导， 建立了微泡钻井液井底密度预测模型 ， 通过数学插值方法可 以得到配制 密度在 0 ． 5 9 8 ～O ． 9 5 1 g ／ c m 之 间的微泡钻井液井底 密度预测值。 关键词 微泡钻井液 ； 低压易漏 ； P V T测试仪 ；密度预测 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 40 4 ． 0 0 0 8 ． 0 3 开展微泡钻井液在高温高压下 的密度变化规律研 究对于现场安全钻井非常重要 。目前 ，中国对该方面 的研究内容 多集中在温度 、 压力对钻井液密度的影响 ， 很少涉及钻井液密度与井深的关系。利用 P V T流体 测试仪考察了温度、压力对微泡钻井液密度的影响， 并通过实验数据建立了井深与微泡钻井液密度 的关系 模型，为微泡钻井液现场施工提供了技术支撑 [1 -8 1 。 1 实验仪 器 实验采用 C L 一Ⅱ型流体 P V T测试仪 见图 1 测 定微泡钻井液密度。 图 1 P VT测试仪原理示意图 其工作原理为质量守恒定律 ，在已知钻井液密度 条件下，将钻井液加入测试釜，记下此时位移传感器 读数 h 。 ，则 釜体体积 V 缸 AS h 。 ，加 压后密 封活 塞 向下移动 ，记下此时传感器的高度 h ，就能得到相 应条件下微泡钻井液 的密度 ，即 Pl o 缸AS h 0 ／V gAS h I 1 式 中，P 。 为 钻井液初始密度 ； V 缸 为密封 缸体体积 ； △ 为测试釜横截面积 ； P ． 为加压后钻井液密度 。 2 微泡钻井液密度测定 与分析 2 ． 1 配制方法 基浆配制 在 1 L水中加入 3 g碳酸钠和 5 0 g膨 润土 ，高速搅拌 2 h ，室温下放置养护 2 4h ，即得 5 ％ 淡水基浆 。 微泡钻井 液配制 在搅 拌条件下 ，将 0 ． 5 ％XC、 0 ． 5 ％L V - C MC、0 ． 1 ％ 聚胺和 0 ． 3 ％F S A 一 2加入 4 0 0 mL 基浆 中，待搅拌 均匀后将 O ． 8 ％发泡 剂 F o a m． 1加人 溶液中，然后用高速搅拌器搅拌不 同的时间 ，接着低 速搅拌 2 0 mi n ，待微泡钻井液 密度 均匀后 ，得 到密 度在 0 ． 5 9 8 ～0 ． 9 5 l g ／ c m 之间的微泡钻井液 。 2 ． 2 温度、压力对微泡钻井液密度的影响 将密度分别为 0 ． 9 5 l 、 0 ． 9 1 0 、 0 ． 8 6 8 、 0 ． 7 9 1 、 0 ． 7 1 1 、 O ．6 6 2和 0 ． 5 9 8 g ／ c m 的微泡钻井液加入 C L lI 型流体 P VT测试仪 中， 考察温度 、 压力对钻井液密度 的影 响， 实 验 以密度 分别为 0 ． 9 1 0 、0 ． 7 9 1和 0 ． 6 6 2 g ／ c m 微泡 基金项目 中原石油勘探局重大科技攻关项 目 “ 徽泡钻井液技术研究” 2 0 1 2 3 2 1 部分研究成果。 第一作者简介 谢建宇，高级工程师，现在从事油田化学品研制及开发工作。地址 河南省濮阳市中原路 4 6 2号中原石油 勘探局钻井工程技术研究院 ； 邮政编码4 5 7 0 0 1；电话 0 3 9 34 8 9 9 5 4 8； E ma i l z y y t x j y s i n a ． c o m。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 1 卷 第 4期 谢建 宇等 微泡钻 井液 密度特性研究 9 钻井液为例进行说 明，见 图 2 。从 图 2可知 ，不同密 度微泡钻井液密度变化趋势相似 ，随着压力的升高密 度逐渐增加，这主要是由于微泡内含有的空气具有可 压缩性 ，随着施加压力 的增加 ，微泡 内空气体积逐渐 减小 ，单位体积内钻井液质量增大 ，造成钻井液密度 逐渐 升高 ； 压力在 3 MP a以下时 ，钻井液密度上升 较快，而随着压力进一步升高，钻井液密度上升的趋 势趋于平缓 ； 此外 ，随着温度升高 ，微泡钻井液可压 缩性逐渐降低，这主要是由于微泡中的空气随着温度 的升高体积膨胀， 部分抵消压力对微泡内空气的影响， 从而导致微泡钻井液可压缩性能降低。 O ． 9 6 O ． 9 5 0 ． 9 4 O．9 3 O．9 2 o ．91 0 ． 9 O o ． 8 7 o ． 8 6 o ． 8 5 o ． 8 4 o ． 8 3 o ． 8 2 o ． 8l o ． ∞ o ． 7 9 O 5 l O 1 5 ／ a a密度为 0 ． 9 1 0 g ／ c m3 2 0 O 5 1 O l 5 b密度为 0 ． 7 9 1 g ／ c lT I 3 5 l O 1 5 2 0 只 曲la c 密度为 0 ． 6 6 2 g ／ c m 图 2 不同温度下不同密度微泡钻井液密度与压力的关系 2 ． 3 微泡钻井液密度变化曲线的经验公式 由于无法在整个区间对曲线进行回归 ，所以选择 对不同温度下密度变化曲线进行分段回归。以密度为 0 ． 7 9 1 g ／ c m 微泡钻井液密度变化曲线为例 ， 从表 1 和 表 2 可以看出，微泡钻井液密度经验公式在不同温度 下均符合p 印 c 的形式，因此可将 a 、b 、c 表 示为温度的函数 ，从而得到微泡钻井液密度与压力 、 温度 的经验公式。 表 1 密度为 0 ． 7 9 1 g ／ c m 微泡钻井液的密度 一 ／E ,, J J 验公式 回归公式 相关 系数 a 一5 ． 6 58 x 1 0 ～T 9． 3 9 9 x 1 0 一 丁 ’_1 ． 3 47 x 1 0 一 0 ～3 6 一6 ． 01 1 x 1 0 ～T 2 _2 ．5 71 x 1 0 7 1 5 ． 8 561 0 一 。 c 0 ． 7 91 a - 9 ． 9 8 31 0 T2 1 ． 7 7 61 0 一 Z 9 ． 8 1 91 0 一 3～2 O b 2． 6 0 6 x 1 0 ～T 2 _ 4 ．4 69 x 1 0 一 ．3 ． 0 061 0一 c一2 ． 8 04 x 1 0 一 T 1 ． 3 8 2 1 0 一 7 T十0． 8 41 1 0 ． 9 9 6 1 0． 9 9 6 6 1 ． 0 0 0 0 0．96 8 9 0． 9 9 2 8 0． 9 9 6 3 同样的方法，对其它密度的微泡钻井液实验曲线 进行回归 ， 可 以得到不 同密度微泡钻井液所对应的 a 、 b 、c 值 ，见表 3 。 2 ． 4 密度与井深的关系 将 微 泡钻 井 液 密度 经 验公 式 p 。 c与 p g h 建立方程组 ，得到微泡钻井液密度P与井深 h的 关系式 p 二 竺二 竺 二 0 l ’ 2 a g h ‘ 假设井场地温梯度为 3。 C／ 1 0 0 1T I ，利用公式 2 和表 3中的 、b 、c 值，可计算出不同密度微泡钻井 液随井深增加其密度变化情况，结果如图 3 所示。从 图 3可 以看 出，微泡钻井液密度 随井 深增加呈先升 高再降低趋势，并且在井底可保持相对较低的密度。 而通 过数学 插值方 法 可 以得 到配制 密度在 0 ． 5 9 8 ～ 0 ．9 5 1 g ／ c m 之间的微泡钻井液井底密度预测值。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 0 钻井液与 完井 液 2 0 1 4年 7月 O． 9 51 0． 91 0 0 ． 8 6 8 0 ． 7 9l 0． 7l 1 0 ． 6 6 2 0 ． 5 9 8 a 1 ． 2 0 11 0 一 一 3 ． 6 0 5 1 0 一 3 ． 5 6 01 0 7 1 ． 1 5 7 1 0 - 2 1 ．3 1 71 0 一 。 一 3 ．08 21 0 一 2． 51 11 0一 1_8． 51 61 0一 b 一5 ． 5 26 1 0 一 1 ． 67 81 0 4 一1 ．6 9 0 1 0 一 2 15 ．6 6 2 1 0 一 一1 ． 3 0 0 1 0 一 9 ． 6 4 2 1 0 17 ． 0 8 8 1 0 一 e 0 ． 9 5 l 一 5 ． 8 4 5 1 0 一 。 1 ．8 9 11 0 一 一 1 ． 9 8 8 1 0 一 11 ． O1 8 a 一 7． 78 01 0一 1 ． 8 9 4 1 0 _ 4 7|一1 ．1 5 01 0 - 一2 ． 5 6510 - 。 。 T 7 ．5 3 1 1 0 - 一 6 ． 8 3 91 0 一 |1 ． 7 1 61 0 - b 2 ． 6 0 6 1 0 一 一 7 ． 1 4 81 0 _ 4 1 4 ．8 9 6 1 0 一 。 一 3 ．2 221 0 一 ’ T 4 ．9 9 3 1 0 8 L3l 7 l O 一 c 0 ． 9 1 0 1 ． 8 9 6 1 0 一 。 T 一 6 ．1 1 81 0 4T9． 5 71 1 0 。 。 口 5 ． 2 2 0 1 0 一 6 ． 4 6 21 0 一 。．_ 9 ． 6 0 01 0 一 一1 ． 0 3 31 0 一 T 6 ． 5 0 4 1 0 一 。 1 ．623 1 0 一 b 一7 ． 998 1 0一 一2． 1 26 1 0 一 14． 3 98 1 0 一 一8． 0 20 1 0 一 。 2 ．0 24 1 0 一 一1 ． 24 6 1 0一 1 1 ． 08 8 1 0。 c 0 ． 8 6 8 1 ． 7 3 21 0 一 一1 ． 0 5 0 1 0 _ 4 n 9 ．1 3 6 1 0 一 a 一 5 ． 6 5 81 0 一 9 ． 3 9 9 1 0 一 7 1 ． 3 4 7 1 0 一 一 9 ． 9 8 3 1 0 一 1 ． 7 7 6 1 0 一 ‘1． 9 ． 8 1 9 1 0 一 b 一6．01 1 1 0一 一2． 5 71 1 0 _ 4 15 ．8 5 6 1 0 一 2 ． 6 0 61 0 一 一 4 ． 4 6 9 1 0 一 13 ． 0 0 6 1 0 一 c 0 ． 7 9 1 2 ． 8 0 4 1 0 一 1 ． 3 8 2 1 0 n 8 ． 4l 11 0 一 口 5 ． 78 4 1 0- 7 一4 ．6 0 3 1 0 一 | _ 6 ．6 4 1 x 1 0 一 4 ． 9 21 1 0 一 一1 ．1 2 3 1 0 一 6 ． 8 6 2 1 0 一 l_ 4 ． 3 4 7 1 0 一 6 2 ． 5 0 8 1 0 一 1 ． 4 8 51 0 7 4． 1 5 21 0 ～ 一 5 ．0 7 9 1 0 一 1 ． 2 4 8 1 0 一 z 18 ． 4 3 2 1 0 c O ． 7 1 1 2 ． 21 8 1 0 一 一1 ． 5 7 0 1 0 一 T 7 ． 7 4 2 1 0 一 a 1 ． 6 9 81 0 一 9 ． 9 6 6 1 0 一 7 1 ．3 7 7 1 0 一 一1 ． 8 2 71 0 一 。 T 5 ．9 44 1 0一 一6． 1 65 1 0 一 n 1 ．426 1 0 一 b 一 7 ． 6 0 8 1 0 一 一 2 ． 9 7 31 0 _ 4 1 6 ．5 7 31 0 一 4 ． 9 6 91 0 一 T 一 1 ．6 6 11 0 一 1 ． 7 8 41 0 一 1 _ 3 ． 8 9 81 0 一 c 0 ． 6 6 2 1 ． 1 4 9 1 0 一 一 2 ． 3 2 0 1 0 - 1 7 ． 4 1 2 1 0 一 a 一 2 ． 8 6 7 1 0 一 。 8 ．4 471 0 一 一6 ． 669 1 0 _ 4 _ _ 2 ．3 5 6 1 0 一 2 ． 5 3 31 0 一 一 7 ． 3 1 5 1 0 一 5 ． 1 4 1 1 0 一 7 1 _ 4 ． 1 2 41 0 一 b 1 ． 0 5 51 0 一 一 3 ． 1 5 6 1 0 一 2 ． 4 9 01 0 一 2 ． 0 1 91 0 一 ～ 2 ． 6 0 4 1 0 一 7 ． 1 8 11 0 一 一 5 ．4 9 0 1 0 一 z r 2 ． 5 0 7 1 0 ～ c 0 ． 598 1 ． 9 481 0 一7 ． 801 1 0一 ’ n 6 ．9 9 7 1 0 1 ． 0 0 O ． 95 O ． 9 o O．8 5 O ． B 0 0 ． 7 5 O． 7 O 0 ． 65 O．6O 0 5 0 0 1 oo 0 1 5 oo 2 o o O 2 5 o o 井深， m 图3 微泡钻井液密度与井深的关系 3 结论 1 ． 利用 C L Ⅱ型流体 P V T测试仪对微泡钻井液 密度进行测定，其密度随温度升高而降低，随压力升 高而增加，并且压力达 3 MP a 以上时，钻井液密度 上升趋势趋于平缓。 2 ． 通过对实验数据的回归和公式推导 ，建立了微 泡钻井液井底密度预测模型。 [ 2 ] [ 3 ] 参 考 文 献 杨虎，鄢捷年，陈涛 ． 新型水基微泡沫钻井液的室内配 方 优选和性能评价 [ J ] ． 石油钻探技术，2 0 0 6 ，3 4 2 41 44． Ya n g Hu，Ya n J i e n i a n，Ch e n T a o ． La b s t u d y a n d e v a l u a t i o n o f a n e w wa t e r - b a s e d a p h r o n s d r i l l i n g f l 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 6 ， 3 4 2 4 1 4 4 ． 辛寅昌，王晓东，谢瑞瑞，等 ． 耐盐耐温耐油水基微泡钻 井液的制备 【 J ] ． 钻井液与完井液，2 0 0 2 ，2 9 1 1 5 ． 1 8 ． Xi n Yi n c h a n g，W a n g Xi a o d o ng， Xi e Ru i r ui ， e t a 1 ． P r e p a r a t i o n me t ho d s o i l hi g h t e mpe r a t u r e s a l t t o l e r a nt a n d o i l r e s i s t i n g wa t e r b a s e mi c r o b u b b l e d r i l l i n g f l u i d [ J ] ． Dr i l l i n gF l u i d＆ C o m p l e t i o n F l u i d ， 2 0 0 2 ， 2 9 1 1 5 - 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6 ． S h i Li n g y o n g，Vi s c o s i t y b e h a v i o r s o f a q u e o u s s o l ut i o n o f x a n t h a n g u m g r a f t c o p o l y me r [ J ] ． S h a n d o n g C h e mi c a l I n d u s t r y， 2 0 0 9， 3 8 4 4 ． 6 ． [ 1 1 】马诚，甄剑武，王中华，等 ． 高浓度 C a C 1 钻井液增黏剂 的研发思路 [ J ] _ 钻井液与完井液， 2 0 1 3 ， 3 0 6 7 7 8 0 ． M a Ch eng，Zhe n J i a nwu，W ang Zho nghua，e t a 1 ．The r e s e a r c h a n d d e v e l o p m e n t o f v i s c o s i fi e r u s e d i n a n t i c a l c i um- r i c h d r i l l i n g fl 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 n Fl u i d． 2 0 1 3， 3 0 6 7 7 8 0 ． 收稿 日期2 0 1 4 0 2 - 1 1 ；HGF 1 4 0 3 N8 ；编辑王小娜 上接第1 0 页 [ 4 】 【 5 】 [ 6 】 吉永忠，张坤，余勇，等 ． 微泡钻井液防漏堵漏技术在 玉皇 1 井 的应用 [ J ] ． 钻采工艺 ，2 0 0 5 ，2 8 3 9 5 9 7 ． J i Yong zh ong，Zha ng Kun，Yu Yong，e t a1 ．Appl i ca t i o n o f p r e v e n t i n g c i r c u l a t i o n l o s s a n d pl u g g i n g t e c h n o l o g y o f t h e t i n y f o a m dri l l i n g fl u i d i n w e l l Y u h u a n g I [ J ] ． Dr i l l i n g＆ Pr o d u c t i o n T e c h n o l o g y， 2 0 0 5， 2 8 3 9 5 9 7 ． 汪桂娟，丁玉兴，陈乐亮 ，等 ． 具有特殊结构的微泡沫 钻井液技术综述 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 0 4 ，2 1 3 44 5 2． Wa n g Gu i j u a n ，Di n g Yu x i n g ，C h e n L e l i a n g，e t a 1 ． A p h r o n b a s 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 F l u i d＆ C o m pl e t i o n Fl u i d， 2 0 0 4，2 13 4 4 5 2 ． 耿宏章，蒋莉 ，王军，等 ． 可循环泡沫钻井液动静密度 特性对比实验研究 【 J ] ． 钻井液与完井液，2 0 0 5 ，2 2 5 47 ． 49 ． Ge n g Ho n g z h a n g ，J i a n g L i ，W a n g J u n，e t a 1 ． Co mp a r a t i v e e x p e r i m e n t s t u d y o n d y n a m i c ／ s t a t i c d e n s i t y o f c i r c u l a t i n g [ 7 ] [ 8 ] 乜00 雷彤佻e 曩 foa m d r i l l i n g fl 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 n F l u i d ． 2 0 0 5 ． 2 2 5 4 7 ． 4 9 ． 李松岩，林 日亿 ，李兆敏，等 ． 泡沫流体密度 ． 压力 ． 温 度关 系的实验研究 [ J ] ． 石油化工高等学校学报，2 0 0 8 ， 21 2 71 ． 7 5 ． Li S o n g y a n，Li n Ri y i ，Li Z h a o m i n，e t a 1 ．M e a s u r e me n t o f d e n s i t y p r e s s u r e t e mp e r a t u r e r e l a t i o n f o r foa m fl u i d [ J ] ． J o u r n a l o fP e t r o c h e mi c a l U n i v e r s i t i e s ，2 0 0 8 ，2 1 2 71 ． 75 ． 秦国鳃 ，耿宏章 ，刘延明，等 ． 泡沫钻井液动密度随井 深变化关系模拟研究 [ J ] ． 石油钻探技术，2 0 0 4 ，3 2 5 2 2 2 4． Qi n Gu o k u n ，Ge n g Ho n g z h a n g，L i u Ya n mi n g，e t a 1 ． S i mu l a t i o n s t ud y o n h o w t h e d e n s i t y o f fo a m d r i l l i n g flu i d v a r i e s wi t h we l l d e p t h [ 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 4 ， 3 2 5 2 2 ． 2 4 ． 收稿 日期2 0 1 4 ． 0 2 2 8 ；HG F 1 4 0 3 N3 ；编辑王小娜 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m