油基钻井液流变参数影响因素探讨.pdf

2 0 1 4年 3月 第 2 9卷第 2期 西安石油大学学报 自然科学版 J o u r n a l o f X i a n S h i y o u U n i v e r s i t y N a t u r a l S c i e n c e E d i t i o n Ma r ．2 01 4 Vo 1 ． 2 9 No ． 2 文章编号 1 6 7 3 - 0 6 4 X 2 0 1 4 0 2 - 0 0 7 8 - 0 6 油基钻 井液流变参数影响因素探讨 刘扣其 ， 邱正松 ， 曹 杰， 罗 洋 中国石油大学 华东石油工程学院 ， 山东 青岛 2 6 6 5 8 0 摘要 测试不同油基钻井液体系不同温度下的流变参数， 并对其在不同温度下的流变模式进行拟 合 。实验结果表 明， 以5号白油为基础油配制的不同油基钻 井液体 系在 46 5 o C内都属于赫 巴流 变模式。采用正交设计和极差分析的方法研 究了钻井液各组分对钻井液赫 巴模式 3参数的影响程 度。结果表 明， 相对于其他因素， 油水比对赫巴模式 3参数的影响幅度最大 ， 相同测试温度下， 油水 比越低 ， 体 系的动切力越大， 流性指数越 小， 稠度指数越 大。油水比对体 系动切 力的影响幅度随温 度增加而降低 ， 对流性指数的影响幅度 随温度升高而增加 ， 而对体 系稠度 系数的影响随温度升 高变 化不大。温度越 高， 钻井液体系的动切 力和稠度指数越小。 关键词 油基钻 井液； 赫巴流 变模式； 流变参数 ； 影响 因素 中图分类号 T E 2 5 4 文献标识码 A 确定钻井液流变模式是对钻井液流变性进行定 量表征的前提 ， 对于评价处理剂性能 、 优选钻井水力 参数 、 研究 井 内净 化 和井壁稳 定等 均具 有重 要作 用 。在过去 的几十年 时间里， 众 多学者对钻井 液的流变模式进行了研究 ， 得出了两参数 、 三参数和 四参数等多种流变模式 ， 并对所得 出的模式进行 了 分析和评价 ， 但上 述文献仅仅是分析 了钻井液 的流变模式 ， 并没有对影响钻井液流变参数的因素 进行分析 ， 且绝大多数文献主要是针对某一特定温 度下的钻井液的流变模式 ， 没有考虑温度对钻井液 流变模式的影响， 深水钻井过程 中， 油基钻井液的温 度波动范围较大 ， 性能会发 生变化。了解影 响油基 钻井液流变参数 的因素有利于实时掌握钻井过程 中 钻井液 的流变性能 ， 进而能及时调控钻井液体系组 分 ， 满足现场钻井需求。本文在分析油基钻井液 的 流变模式的基础上 ， 实验考察 了钻井液 温度和组分 对钻井液流变参数的影响。 1 实验材料、 仪器和步骤 实验材料 氧化钙， 无水氯化钙 分析纯 ， 乳化 剂 ， 降滤失剂 沥青类 ， 有机土 ， 润湿剂 ， 提切剂 ， 白 油 工业级 。 实验仪器 F a n n 3 5六速旋转黏度计 青岛海通 达 ； D C一1 0 0 6低 温恒温槽 上海精 密科学仪器有 限公司 。 实验步骤 ①设计 4 正交试验 ， 5因子 4 水平 ， 考虑因子之间的交互作用 ； ②根据设计 的正交 实验配制钻井液体系， 测量不同温度下各钻井液体 系的流变性能。 2实验 结果及分析 2 ． 1 钻井液流变模式的确定 以 5号 白油为基础油配制 3种不同油基钻井液 体系 密度均为 1 ． 5 g ／ c m ， 1 5 0 oC条件下老化 1 6 h ， 老化后高速搅拌 3 0 mi n ， 测试 4℃、 3 0℃ 、 5 0℃ 、 6 5 c c下的六速黏度计的读数 ， 实验数据见表 1 。 根据表 1 测量数据 ， 计算不同配方 、 不 同温度 、 不同剪切速率下的剪切应力， 采用典型的宾汉、 幂 律 、 卡森 、 赫巴 4种流变模式对不同温度下剪切应力 收稿 日期 2 0 1 3 - 0 9 2 6 基金项目国家科技重大专项 编号 2 0 1 1 Z X 0 5 0 3 0 0 0 5 0 7 ； 教育部创新团队资助项 目 编号 I R T 1 0 8 6 作者简介 刘扣其 1 9 8 9 一 ， 男 ， 在读研究生， 主要从事油基钻井液体系研究。E ma i l L i u k o u q i 1 2 6 ． c o rn 刘扣其等 油基钻井液流变参数影响因素探讨 ． ．． 7 9． ．． 表 1 油基钻井液流变数据 Ta b ． 1 Rhe o l o g y d a t a o f o i l b a s e d dr i l l i n g fl ui d s y s t e ms 与剪切速率的关系进行回归， 这4种典型流变模式 计算公式如表 2所示。 表 2 各流变模型计算公式 Ta b． 2 Ca l c u l a tio n f o r m u l a s o f di f f e r e n t r he o l o g i c a l m o de l s 流变模 型名称 表 达式 宾汉模 型 幂律模型 赫巴模型 卡森模型 f T O叩 y r f f “ l - rn r c 叼 n 采用拟合优度 表征这4种流变模式各 自的 拟合效果 ， 结果如表 3所示 。 表 3 不同温度下钻井液流 变模 式分 析结果 Ta b ． 3 A哪l y s i s r e s u l t s o f r h e o l o g i c a l mode l s o f o i l - b a s e d d r i l l i n g flu i d s y s t e ms a t di ffe r e n t t e mp e r a t u r e s 表 3表明， 虽然油基钻井液体系不同， 但是具有 相 同的流变模式 ， 相同温度下 ， 赫 巴模式相对其他流 变模式拟合优度最高， 油基钻井液体系黏度等参数 会随着温 度升高发生变化 ， 但其流变模式在 4～6 5 c c内是不变的， 都属于赫巴模式 。 2 ． 2 温度对钻井液体系流变参数的影响 针对 2 ． 1中 3 种不同的钻井液配方体系， 采用 赫 巴模式计算各配方体系不 同温度下的流变参数 ， 丁 、 n 、 并进行分析对比， 了解温度对钻井液体系流 变参数的影响 ， 结果如图 l 所示。 温 度 ／ ℃ a 】 钻井液动切力随温度的变化 温度 ／ ℃ b 钻井液流性指数随温度的变化 温度 ／ ℃ c 钻井液稠度指数随温度的变化 图1 钻井液流变参数随温度的变化 Fi g ． 1 Va r i a t i o n o f r h e o l o g i c a l p a ra m e t e r s o f d ril l i n g flu i d s、 v i t I I t e 】mp e r a t u r e 如图 1 a 所示 ， 钻井液 的动切力 随温度 的升高 而降低 ， 这主要是 由于体系中有机 土与液滴之间的 氢键作用力以及液滴与液滴之间的静电引力等作用 力会随着温度的升高而减弱， 体系的结构强度变弱， 动切力变小。图 1 b 显示了不同体系的流性指数 随温度的变化趋势是不相同的， 这主要是由于各体 0 5 O 5 O 5 0 5 O 5 0 5 7 6 6 5 5 4 4 3 3 2 2 l 一 8 0 一 西安石油大学学报 自然科学版 系的组分及其含量不 同， 体系 中各组分及其交互作 用随温度 的变化趋势不 同， 对流性指数的影 响就不 同。图 1 C 说 明体 系的稠度系数随温度升高而逐 渐降低 ， 这是由于在固相含量相近的情况下 ， 钻井液 的稠度系数主要受液相黏度的影响 ， 随着温度 的升 高， 液相黏度下降， 稠度系数下降。 2 ． 3 钻井液组分对其流变参数的影响 采用正交实验探索赫巴模式 中流变参数与钻井 液组分的关系 ， 实验中提切剂和氧化钙的加量不变 ， 调节钻井液密度为 1 ． 5 c m。 ， 考察油水 比 A ， 乳 化剂 B 、 润湿剂 C 、 降滤失 剂 D 以及 有机 土 E 对体 系流 变参 数的影 响， 采用 L 4 正交试 验 ， 考虑各变量因素之间的交互作用。实验设计如 表 4所示 。 根据表 4的变量水平设计表 ， 设计 4 正交 实验表 ， 根据正交实验表配制不同油基钻井液配方 体系 ， 1 5 0℃条件下老化 1 6 h ， 测量正交实验中各配 方体系 4℃ 、 6 5℃下的流变参数 ， 采用最小二乘法 算 出各配方体系在对应温度下赫 巴流变参数 r ， ， K ， 分析不 同温度下单因素及其交互作用对 流变参 数的影响。 表 4 变量水平设计 Ta b． 3 Va r i a b l e - l e v e l d e s i g n 2 ． 3 ． 1 单因素及其交互作用对动切力 的影响 动切力是指黏土颗粒之间及高分子聚合物分子之间 相互 作 用 力 的大 小 ， 即 形 成 空 间 网络 结 构 的强 弱 ， 是钻井液非常重要 的流变参数 。运用最小二 乘法算出不同温度下各体系动切力值 ， 分析不同温 度下钻井液不同组 分对体系动切力的影响程 度， 结 果如图 2所示 。 图 2表明，不同因素对钻井液动切力的影响幅 A B A B C A’ C B。 C D E D A D B D C EC D B ‘ E E E f a 1 测试温度 为4℃ C o 测试温度 为6 5℃ 图 2 单 因素及 其交互作 用对 动切 力影响的相关 系数分析 Fi g ． 2 Co r r e l a t i o n c o e ffi c i e n t s a m o ng t he i n flue n c e s o f th e v a r i a bl e s a n d t wo - f a c t o r i n t e r a c t i o n o n the y i e l d v a l u e o f o i l - b a s e d dr i l l i n g fl u i d a t d i f f e r e n t t e m p e r a t u r e s 度是不一样的， 且这种影响幅度随温度变化而发生 变化。就单因素而言 ， 油水 比对钻井液动切力的影 响程度最大 ， 其次是有机土、 润湿剂。对交互作用而 言 ， 油水比和有机土的交互作用对钻井液动切力影 响较大， 但是随着温度的升高， 此交互作用的影响程 度变小 。 由于油水 比和有机土对油基钻井液体系动切力 的影响幅度较大 ， 进一步具体分析 2种温度条件下， 这 2种 因素 对体 系动切 力 的影 响 ， 如 图 3 、图 4 所 示 。 图3 表明， 随着油水比的降低， 体系的动切力增 大。当体系油水比为9 0 1 0 时， 体系4℃和6 5℃下 的动切力值相差较小 ， 油水 比越低 ， 4 o 【 和 6 5 2 种测试温度下的动切力值相差越大。图 4表明随着 有机土加量的增加 ， 体系的动切力增大， 有机土加量 相同时， 体系的温度越低， 体系的动切力越大。当有 机土质量分数为 2 ％时， 2种温度下 的体系的动切力 值相差较小， 随着有机土加量的增加， 体系2 种温度 下的动切力的差值增大。 油水 比对钻井液动切力 的影响 ， 一方面是由于 图 3 油水 比对动切 力的影响 F i g． 3 Effe c t o f o i l - wa t e r r a t i o o n y i e l d p o i nt 刘扣其等 油基钻井液流变参数影响因素探讨 一8 1一 有机 土质 量分数 ／ ％ 图4 有机土对动切力的影响 Fi g ． 4 Effe c t o f o r g an c l a y o n y i e l d p o i nt 钻井液体系中液滴与液滴之 间存在相互作用力 ， 例 如吸引力和排斥力 ， 这种胶体力的存在使得体 系具 有一定的结构强度 。当水相 比例增大时 ， 体 系中水 滴与水滴之间的距离减小 ， 水滴之间的作用力增大 ， 体系的结构增强 ， 黏度变大 ， 切力变大 ； 另一方面是 由于油基钻井液体系中分散到体系中的有机土与水 滴之间的相互作用形成结构 ， 尽管有机土表面是亲 油 的， 但是亲油程度有一定限度 ， 在高分散的多相体 系中， 有机土与液滴之间会存在一定的结合力 ， 这种 相互作用会使颗粒 间形成 网络结构 ， 但是这种相 互作用会随着温度 的升高而减 小 ， 这是 由于随着温 度升高， 部分有机土会从水滴表面解析出来 ， 有机土 与水滴之间的氢键作用减弱 ， 体系的结构减弱 ， 动切 力变小 。 2 ． 3 ． 2 单 因素及其 交互作用对流性指数 n的影响 流性指数 n表示假塑性流体在一定剪切速率范围 内所表现出来的非牛顿流体的程度， n值的大小能 反映出钻井液的流变性偏离牛顿流体 的幅度。运用 最小二乘法算 出不 同温度下各体系流性 指数 的大 小 ， 分析不同温度下钻井液各组分对体系流性指数 的影响程度 ， 结果如图5所示 。 从 图 5可以看出 ， 低温条件下 ， 油水比和有机土 图5 单因素及其交互作用对流-陛指数影响的相关系数分析 Fi g． 5 Co r r e l a t i o n c o e ffi c i e n t s a mo ng t h e i n fl ue n c e s o f th e v a r i a bl e s a n d t wo- f a c t o r i n t e r a c t i o n o n th e p o we r l a w i n d e x o f o i l - b a s e d dr i l l i n g flu i d a t d i ffe r e n t t e m p e r a t ur es 对流性指数的影响较 明显且相差不大， 但是 随着温 度的升高， 油水比的影响幅度显著增大 ， 而有机土的 影响幅度降低 ， 两者对流性指数影响幅度差异随温 度的升高而变大 。从 图5 a 和 b 可以发现 ， 相对 于其他影响因素， 油水 比对体系流性指数 的影 响较 明显 ， 特别是高温条件下。进一步考察 油水 比对体 系流性指数 的影响 ， 实验结果如图 6 所示 。 图 6 油水比对体系流性指数的影响 F i g． 6 I m p a c t of o i l - wa t e r r a t i o o n p o we r l a w i n de x ofd ril l i n g flu i d s y s t e m 从图 6可以发现 ， 体系的流性指数随油水 比的 降低而降低， 6 5℃下体系的流性指数随油水比的变 化幅度要大于4℃下体系流性指数的变化幅度 。当 油水 比为 9 0 1 0时， 2个温度下体 系的流性指数值 相差较小 ， 随着油水比的降低 ， 2个温度下的流性指 数的差值增大 。 流性指数 n值 的大小主要取决于体系的结构强 度 ， 油水 比越小 ， 体 系的结 构越强 ， 凡值就会 越小。 当钻井液被剪切稀释时， 液滴之间发生相对移动 ， 由 于水和油 的介 电常数不 同， 水 的介 电常数大于油 的 介电常数 ， 水滴带负电， 带电液滴之间存在静电引力 作用 ， 这种作用会对钻井液的流变性能产生影响， 当 水相 比例增加时 ， 体 系中的液滴之间 的作用力 包 括静 电引力 和流体力 增 加从 而导致 内摩擦 力 的 增大 。 2 ． 3 ． 3 单因素及其交互作用对稠度指数 K的影响 图7是不 同温度下 ， 钻井液中各组分及其交互作用 砖 H 地 魄 嘶 ∞ 蛇 O 一 8 2一 西安石油大学学报 自然科学版 图7 单因素及其交互作用对稠度指数影响的相关系数分析 Fi g． 7 Co r r e l a t i o n c o e ffi de nt s a mo n g t he i n flu e n c e s o f th e v a r i a b l e s a n d t wo - r a c t 0 r i n t e r a c t i o n o n t he c o n s i s t e nc y i n d e x o f o il b a s e d dr i l l i ng flu i d a t d i ffe r e n t t e mpe r a t u r e s 对钻井液稠度系数 的影响。 综合 图7 a 和图7 b ， 相对于其他影响因素 ， 无论是低温条件还是 高温条件下 ， 油水 比对钻井液 体系稠度系数影响的相关系数都是最大的， 对稠度 系数的影响程度最大。进一步考虑不同油水比对体 系稠度系数的影响 ， 实验结果如图 8所示 。 图 8油水 比对体 系稠度指数的影响 Fi g ． 8 I m p a c t o f o i l wa t e r r a t i o o n c o n s is t e n c y i n de x o f d r i l l i n g fluid s y s t e m 图 8表明， 4 c 【 和 6 5℃下 ， 体 系的稠度系数随 油水比的降低而升高， 相同油水比条件下， 温度越 低 ， 体系的稠度系数越大。 3 结 论 1 以5号白油为基油配制而成的不同钻井液 体系具有相 同的流变模式 ， 都属于赫 巴模 式 ， 且 在 4～ 6 5℃温度范 围内， 该流变模 式不发生变化。可 用通过实验得到的赫 巴流变模式编写相应的水力计 算程序 ， 计算油基钻井液在管内与环空 的全流态下 的压降便于现场应用 ， 这部分内容将在 以后 的文献 中进行描述 。 2 详细介绍了油基钻井液各组分及温度对钻 井液流变参数的影响， 并阐述了其影响机理。当现 场使用的钻井液流变性能变差时 ， 可 以根据本文研 究结果调节油基钻井液组分 ， 提高钻井液体 系的性 能 ， 满足现场钻井液要求 ， 例如可以通过调整油水比 等因素来改善油基钻井液的动切力从而弥补由于升 温而造成的动切力值降低， 提高其悬浮岩屑的性能。 参 考 文 献 [ 1 ] 吴彬， 向兴金， 张岩， 等． 深水低温条件下水基钻井液 [ 2 ] [ 3 ] 的流变性研究[ J ] ． 钻井液与完井液， 2 0 0 6 ， 2 3 3 1 2 ． 1 3． 1 9． WU B i n ， X I A N G X i n g j i n ， Z H A N G Y a n ， e t a 1 ． R h e o l o g y s t u d y o f t h e w a t e r b a s e d d r i l l i n g fl u i d s a t d e e p wa t e r a n d l o w t e mp e r a t u r e [ J ] ． D ri 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 6 ， 2 3 3 1 2 1 3 ， 1 9 ． 陈庭根， 管志川． 钻井工程理论及技术[ M] ． 东营 石 油大学出版社 ， 2 0 0 0 ． Ro b e r t s i o n R E， S t i ff H A． An I mp r o v e d Ma t h e ma t i c a l Mo d e l f o r Re l a t i n g S h e a r S t r e s s t o S h e a r R a t e i n D ril l i n g F l u i d s a n d C e m e n t S l u r r i e s 『 C ] ． S P E 5 3 3 3 ， 1 9 7 6 ． 黄逸仁． 适用于钻井液的罗伯逊一斯蒂夫模式[ J ] ． 西 南石油学院学报， 1 9 8 2 ， 4 2 1 6 - 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