一种深水水基钻井液关键外加剂的优选评价.pdf

第 2 9卷 第 6期 2 0 1 2年 1 1月 钻井液与完井液 DRI LLI NG FLUI D COM PLETI ON FLUI D 、 ， 0 1 ． 2 9 NO． 6 NO V ．20l 2 【 理论研究与应用技术 】 一 种深水水基钻井液关键外加剂的优选评价 刘卫红 ， 许明标 ， 陈强 ， 黄治华 2 ， 由福 昌。 1 ． 长江大学石油工程学院，湖北荆州 ； 2 ． 中海油田服务股份有限公司油田化学事业部塘沽基地，天津 ； 3 ． 荆州嘉华科技有限公司，湖北荆州 刘卫红等 ． 一种深水水基钻井液关键外加剂的优选评价 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 1 2 ，2 9 6 6 - 9 ． 摘要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。通过对关键外 加剂的优选，室内建立了一套用于 2 0 0 0 m深水钻井的水基钻井液体系，该钻井液采用反相微乳液聚合物增黏剂 U F L O W 及 改性植 物胶 VI S H X作 为钻 井液的流型调 节剂， 以热力学抑制剂 N a C 1 和聚合醇配 以动力学抑制 剂聚 乙 烯吡咯烷酮 P VP作为气体水合物抑制剂。该钻井液在低温下能保持良好的流变性能 ；同时在水深为 2 0 0 0 m、 水温在 3℃左右的环境下，该钻井液可抑制气体水合物的生成。 关键词深水钻井液 ； 热力学抑制剂 ；动力学抑制剂 ； 流型调节剂 中图分类号 T E 2 5 4 ．4 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 ． 5 6 2 0 2 0 1 20 6 0 0 0 6 。 0 4 由于海洋深水钻井特殊 的深水低温高压环境 ， 给钻井作业带来诸多挑战，如钻井环境温度低、钻 井液用量 大 、海底 浅层井壁稳 定性差 、井眼清洗 困难、天然气水合物的形成以及浅层流等问题 [ t-z ] ， 给深水钻井液的设计提出了更高要求。在深水环境 下 ，要求钻井液对气体水合物具有抑制性和在低温 下具有 良好 的流变性 [ 3 - 5 1 ，而维护这些性 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。因此 ，通过对关键外加剂 的优 选评价 ，得到了一种性能 良好的深水水基钻井液。 1 深水水基钻井液配方优选 目前 ，高盐 ／ 聚合物钻 井 液是在 深水 钻井使 用最广泛 的钻井 液体系 ，该钻 井液 以高浓度 的盐 如 Na C 1 、KC 1 等，配 以醇类物 质如聚合 醇、乙二 醇等热力学抑制剂来抑制气体水合物的生成，现 场使用 和室 内研究 表 明 [ 6 - 1 6 ] ，该钻 井液 可用 于井 深 l 5 0 0 m左右的深水环境。如果要将该体系用于 更深 的深 水环境 中，则可加 入动力学抑制 齐 4 ，以 进一步提高其水合物抑制性能。拟采用 N a C 1 配 以聚合 醇 G L YC O L作 为水 合物 抑 制剂 ，同时 加 入 少 量 的 动力 学 抑 制 剂 P VP；钻 井 液 的 低 温 流变性则 通过采用特殊工艺合成 的反相微乳液 聚 合 物 U F L O W 来进行 调节 ；钻井液 的滤 失性 能采 用 可生物 降解 的改性淀粉 F l o c a t 来 进行控 制。 因 此 ，钻 井 液 的基 本 成 分 为 膨 润 土 处 理 海 水 UFLOW Na Cl GL YCOLFl o c a t PVP。 1 ． 1 膨润土加量 膨润土加量对钻井液性能的影 响见表 1 。由表 1 可知 ，膨润土加量对钻井液 流变性 的影 响较大 ， 钻井液黏度随着膨润土加量的增大而增大，滤失量 随之降低 ，当膨润土加量为 3 ％ 时，钻井液的流变 性能较合适 ，滤失量较低 。因此 ， 室内配浆选取 3 ％ 的膨润土加量。表 1 实验用钻井液配方如下。 膨润土 处理海水 6 ％UF L OW 2 0 ％Na C l 7 ％ GL YCOL 3 ％F l o c a t 0 ． 5 ％P VP 基金项目 国家科技重大专项“ 大型油气田及煤层气开发”子课题 “ 深水钻井工程设计关键技术研究” 2 0 0 8 Z X 0 5 0 2 6 ． 0 0 1 0 1 的部分 内容。 第一作者简介 刘卫红，高级工程师，主要从事油田化学的教学与科研工作。地址 湖北省荆州市南环路 1号长江大 学石油工程学院 ； 邮政编码4 3 4 0 2 3； E - ma i l l i u we i h o n g 0 6 1 2 6 ． c o rn。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 9卷 第 6期 刘卫红等 一种深水水基钻井液关键外加剂的优选评价 7 表 1 膨 润土加量对体系性能的影响 注 热滚条件为 1 3 0℃、1 6 h ，流变参数为 2 0℃下测得。 1 ．2 增黏剂U F L O W加量 低温条件下 ， 一般 的增黏剂都表现出增稠现象 ， 所以钻井液表现出在低温下黏度大，高温下黏度小 的特点 ，这种特性使得一般通用的聚合物类增黏剂 很难应用 于深水钻井液。UF L O W 是一种采用特殊 功能单体通 过反相微乳 液聚合得 到 的聚合物增 黏 剂 ，其增黏效果好且温度适应广 ， 加入该增黏剂后 ， 钻井液在低温下也能保持较好 的流变性能。表 2为 不同 U F L O W 加量对钻井液性能 的影 响。从表 2可 知 ，加入 UF L OW 后 ，钻井液具有优异的低温表观 黏度控制效果 ，并且 随着 UF L O W 加量的增大 ，体 系黏度也相应增大，滤失量降低 ，体现 了良好 的增 黏降滤失作用 。当 UF L O W 加量达到 6 ％ 时 ，体系 具有较好 的流变性 能和滤 失性能 ，因此 ，UF L OW 加量选择为 6 ％。实验用钻井液配方如下。 3 ％膨润土 十处理海水 十 UF L O W 2 0 ％Na C l 7 ％ GLYCOL3 ％ Fl oe a t 0． 5 ％ pVp 1 ． 3 流型调节剂 U F L O W 作为增黏剂具有优异的低温表观黏度 控制效果 ，但是钻井液在低温和高温下的塑性黏度 和动切力有一定的差别。为进一步调节钻井液的流 变性 ，对几种流型调节剂进行 了优选评价 ，结果见 表 3 。由此可知， 采用 V I S ． H X时， 体系的塑性黏度、 动切力和 的稳定性较好 ， 体系的流变参数在高 、 低温下都能够保持稳定，因此选择 V I S H X作为体 系的流型调节剂。实验用钻井液配方如下。 3 ％膨润土 处 理海水 流型调节剂 2 O ％Na C l 6 ％I J FL0W 7 ％ GLYC0L3 ％ Fl oc a t 0． 5 ％ PVP 表 2 U F L O W 加量对体系性能的影响 注 热滚条件为 1 3 0 o C、1 6 h 。 表 3 流型调节剂的筛选 注 热滚条件为 1 3 0℃、1 6 h 。 1 ． 4 钻井液的黏温性能 在深水钻井作业中，随着水深和井深的变化， 温度有一个先降低到泥线温度 ，然后升高到井底循 环温度 ，再降至泥线温度的过程 ，在这个升降温过 程中 ，如果钻井液在低温或高温下的黏度变化太大 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 8 钻 井 液 与 完 井 液 2 0 1 2年l 1 月 就会导致E C D过高、漏失等一系列问题。为了解 决 以上问题 ，必须在深水钻井液的流变性设计上 ， 保证在全温度段 的黏度变化较小。该钻井液选用 了 U F L O W 和 VI S ． HX来调节其流变性 ，为了进一步 考察流型调节剂 的调节效果 ，室内对钻井液热滚后 的流变参数随温度 的变化进行 了实验 ，结果见表 4 。 从表 4可以看出，体 系的流变参数随温度的变化波 动很小 ，说明体系的黏温性能非常好 ，能够满足深 水钻井对流变性的要求。钻井液配方如下 。 3 ％膨 润 土 6 ％UF L OW O ． 0 5 ％VI S HX 2 0 ％ Na C I 处理海水 7 ％G L Y C OL 0 ． 5 ％P VP 3 ％F l o c a t 表4 深水水基钻井液的黏温性能 1 ． 5 钻井液的水合物抑制性能 根据文献 【 1 7 ] 和室内研究 ， 选用 2 0 ％Na C 1 配以 7 ％ 聚合醇作为该钻井液的水合物热力学抑制剂 ， 通 过采用 S HD 一 1 型水合物模拟实验装 置，测得该钻 井液在不同压力下的相平衡点并绘得曲线 ，见 图 1 。 由图 1 可知 ，压力为 1 5 MP a时 ，对应 的水合 物生成温度 约为 3℃，说 明该钻井 液可用于水深 1 5 0 0 i n左右，海底温度约 3℃的深水环境下。若 将该钻井液用于更深的深水环境中，则有可能产生 气体水合物。为了进一步提高体系的水合物抑制性 ， 一 种方法是继续加大热力学抑制剂 的加量 ，如把聚 合醇的加量继续加大 ，或加入乙二醇或甘油类热力 学抑制剂，但这些热力学抑制剂都会影响钻井液的 流变性能，且成本较高 ； 另一种方法是在热力学控 制 的基础上 ，再添加一些低剂量的动力学抑制剂 ， 即能很好地控制水合物的生成 [ 1 8 ] o该钻井液选择添 加少量 的动力学抑制剂 聚乙烯 吡咯烷酮 P V P进 行水合物 的控制 。并对未添加 P V P的空 白钻井液 和添加 P VP的钻井液进行 了水合物生成模拟实验 ， 实验起始压力为 2 5 MP a ， 温度为 3℃， 结果见图 2 。 3 0 墓 0 0 S 1 0 1 5 2 O 2 5 图2 P VP对天然气水合物的抑制性能实验 从图2 可知，维持一定的过冷度时，空白钻井 液的压力在开始阶段随着时间的增加略有下降，在 约 5 h 左右压力出现突降，说明此时有大量气体水 合物生成 ； 而添加有 P V P的钻井液最开始压力 略 有降低 ，其后压力变化趋于平缓 ，在约 2 0 h后 ，压 力变化才 出现突降。分析其原因， 一是开始的时候 ， 甲烷气体的少量溶解导致压力的下降 ，二是进行了 水合物的诱导生成，生成了分散的水合物颗粒，但 由于 P V P抑制剂 的存在 ，后期水合物 的生长受 到 了限制 ，甚至停止 ，因此压力趋于平缓 ，2 0 h后开 始大量生成水合物，此时才出现压力突降。由此可 知 ，动力学抑制剂 P V P能有效控制水合物 的生长 ， 是一种经济可用的控制水合物的方法，该体系在水 深 2 0 0 0 m左右、水温 3℃左右的环境下 ，可 以抑 制水合物的生成。 2 结 论 ℃ 图1 钻井液水合物相平衡曲线 1 ． 通过对各种外加剂进行优选 ，室内建立了一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 9卷 第 6期 刘卫红等一种深水水基钻井液关键外加 剂的优选评价 9 套适用于海洋深水钻井 的水基钻井液体系。该钻井 液采用反相微乳液增黏剂 UF L O W 及天然改性植物 胶 V I S ． H X作为体系的流型调节剂，体系在低温下 仍能保持良好的流变性能，具有恒流变的特性。 2 ． 该钻井液采用热力学抑制剂 Na C I 和聚合醇 配 以动力 学抑制剂 P VP来抑制 天然气水合物 的生 成 ，在水深 2 0 0 0 m左右，水温 3℃左右的环境下 ， 可抑制气体水合物的生成。 参 考 文 献 [ 1 ]1 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 ． 【 2 ] 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 e t o p 1 0 m u d - r e l a t e d c o n c e ms i n d e e p wa t e r d ri l l i n g o p e r a t i o n s [ R ] ． S P E 5 9 0 1 9， 2 0 0 0． [ 3 ] 贾秋艳 ， 张岱，胡友林 ． 深水水基钻井液研究 [ J 】 ． 长江 大学学报 自然科学版 ，2 0 1 1 ， 8 8 5 0 ． 5 4 ． [ 4 ] C a me r o n Ch a r l e s 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 oc e du r e s t o m e e t t he u l t r a d e e p w a t e r d r i l l i ng c h a l l e n g e [ R ] ． S P E 6 6 0 6 1 ， 2 0 0 0 ． [ 5 ] D a v i s o n J M ，C l a r y S，S a a s e n A， e t a 1 ． 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 flu i d s y s t e m s 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 o f a c c u r a t e p r e d i c t i o n s o f d o wn h o l e fl u i d h y d r a u l i c s [ R] ． S P E 5 6 6 3 2 ， 1 9 9 9 ． [ 6 ] 胡友林，张岩，吴彬 ，等 ． 海洋深水钻井钻井液研究进 展 [ J ] ． 钻井液与完井液 ，2 0 0 4 ，2 1 6 5 0 ． 5 2 ． 【 7 ] 罗俊丰， 刘科， 唐海雄 ． 海洋深水钻井常用钻井液体系 浅析 [ J ] ． 长江大学学报 自然科学版 ，2 0 1 0 ， 7 1 l 8 O l 8 2． [ 8 】 Ha l e ，At h ur H，D e wa n ，e t a 1 ． I n h i b i t i o n o f g a s h y dra t e s i n d e e p wa t e r d r i l l i n g [ R ] ． S P E 1 8 6 3 8 ， 1 9 9 0 ． [ 9 】 F u B，Ne ff S ，Ma t h u r A，e t a 1 ． A p p l i c a t i o n o f l o w d o s a g e h y dra t e i n h i b i t o r s i n d e e p wa t e r o p e r a t i o n s [ R ] ． S P E 7 8 8 2 3， 2 0 0 2 ． 【 1 0 】P h i l l i p s N J ，G r a i n g e r M． De v e l o p me n t a n d a p p l i c a t i o n o f k i n e t i c h y d r a t e i n h i b i t o r s i n t h e n o r t h s e a [ R ] ． S P E 4 0 0 3 0 ， 1 99 8． [ 1 1 】戴智红， 刘 自明 ． 中国第一口超千米深水钻井液技术 [ J ] ． 钻井液与完井液 ， 2 0 0 7 ， 2 4 1 2 8 ． 3 0 ． [ 1 2 ]袁建强，王松， 刘二平，等 ． 深水水基钻井液的室内研 究 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 1 0 ，2 7 1 1 4 ． 1 6 ． [ 1 3 ]王富华，王瑞和，王力，等 ． 深井水基钻井液流变性影 响因素的实验研究 [ J ] _ 钻井液与完井液， 2 0 1 0 ， 2 7 1 1 7 ． 20 ． [ 1 4 ]田荣剑 ， 王楠， 李松，等 ． 深水作业中钻井液在低温高 压条件下的流变性 [ J ] ． 钻井液与完井液， 2 0 1 0 ， 2 7 5 5 ． 7． [ 1 5 】徐加放，邱正松，毕波，等 ． 深水水基钻井液的配方优 选与性能评价 [ J ] _ 钻井液与完井液，2 0 1 1 ，2 8 4 4 - 8 ． [ 1 6 】邱正松 ， 徐加放 ， 赵欣，等 ． 深水钻井液关键技术研究 [ J ] ． 石油钻探技术 ， 2 0 1 1 ， 3 9 2 2 7 ． 3 4 ． [ 1 7 】He g e E b e l t o f t ，Yo u s i f M ，E i r i k S o e r g a a r d ． Hy d r a 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 mu l a t i o n s [ R ] ． S P E 3 8 5 6 7 ， 1 9 9 7 ． [ 1 8 】胡文军， 谢克姜，赵文，等 ． 深水钻井液体系中气体水合 物的形成研究 [ J ] ． 石油钻采工艺，2 0 0 7 ，2 9 6 9 3 ． 9 4 ． 收稿 日期2 0 1 2 7 2 5 ；H GF 1 2 0 6 M6 ；编辑马倩芸 上接第5 页 参 考 文 献 [ 1 】 罗健生，莫成孝，刘 自明，等 ． 气制油合成基钻井液研 究与应用 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 0 9 ，2 6 2 7 - 1 1 ． [ 2 ] 徐同台，彭芳芳 ，潘小镛 ，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 ． [ 3 ] 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 ． [ 4 】 蒋卓 ，舒福昌，向兴金 ，等 ． 全油合成基钻井液的室内 研究 [ J ] ． 钻井液与完井液 ，2 0 0 9 ，2 6 2 1 9 ． 2 0 ． 收稿 日期2 0 1 2 ． 0 6 ． 2 1 ；HG F 1 2 0 6 N1 ；编辑王小娜 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m