新型内相油基钻井液性能实验研究.pdf

第 3 1卷 第 2期 2 0 1 4年3月 钻井 液与 完井 液 DRI LLI NG FLUI D C0M PLETI ON FLUI D V0I ． 3 l NO． 2 M a t ．201 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 7 新型内相油基钻井液性能实验研究 邱正松 ， 刘扣其 ， 曹杰 ， 赵欣 ， 罗洋 ， 付明颖 1 ． 中闭石油大学 华东 石油丁程学院，山东青岛 ； 2 ． 渤海钻探T程技术研究院，天津 邱 正松等 ． 新 型内相 油基钻井液性能实验研究 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 1 4 ，3 1 2 2 4 2 7 ． 摘要 室内研制形成 了以NH C a NO 水溶液为 内相的新型油基钻井液体 系，并与具有相同 N a C 1 、KC l 水溶液为内相的油基钻井液进行 了性能对 比。对比研究结果表明，用NH C a NO 溶液酉 液流变性能好，相同剪切速率条件下，体系黏度最小，老化前后流变参数变化的幅度最小 ； 在动态剪七 件下，相对于其他沐系，其密度的变化值最小，体系的沉降稳定性能最优 ，高温高压滤失量最低。分t 糸活度相同时，N H4 C a NO 水相的密度最大，减少了所需的固相量，因此钻井液黏度最低 ；电解质0 质压缩液滴表面的表面活性剂，使表面活性剂排列变得紧凑，界面张力降低 ，乳液的粒径变小，使乳状 关键词油基钻井液 ； 水相 ； NH C a NO 溶液 ； 流变性能 ；沉降性能 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 O 1 4 0 2 - 0 0 2 4 0 4 钻井过程中，油基钻井液F } 1 于具有抗高温、抗盐 钙侵、 优良的润滑性和对油气层损害程度较小等优点， 成为钻高温深井、大斜度定向井、 水平井和各种复杂 地层 的重要手段 [ I - 2 1 为 了防止或减弱泥页岩地层的 水化膨胀 ，保证井壁稳定 ，一般在水相 中加入一定量 的 C a C ， 或 Na C1 ， 控制钻井液活度与地层水活度相等 。 但 是 C a CI ， 水溶液和 Na C 1 水溶液 中的氯离子能够阻 止或者延缓土壤中生物的生长，对环境造成负面影 响 p 。 ] 。随着世界各国对环境保护要求的 日益提高， 寻找一种新的内相盐溶液来替代常规的内相盐溶液十 分必要。NH C a NO 不含氯离子 ， 对环境影响较小 ， 且成本较低，非常适合作油基钻井液的内相盐。研究 了以 NH C a NO 盐溶 液作 内相 的油基钻井液的性 能，并与以C a C ， 和N a C l 为内相的传统油基钻井液 的性能进行 了对 比。结果表 明，以 NH C a NO 盐 溶液作 内相的油基钻井液的流变性能 ，沉降性能 ，降 滤失性能都优于传统 内相油基钻井液 。 1实验 材料和仪器 实验 材料 5号 白油，NH Ca NO ，提切 剂， 乳化剂， 有机土， 润湿剂， 降滤失剂 沥青类 ， T业级 ； 无水 C a C 1 2 ，C a O，Na C1 ，K C 1 ，分析纯。 实验仪器 F a n n 3 5 六速旋转黏度汁 、 滚子加热炉 ； D C ． 1 0 0 6 低温恒温槽。 2 性能 测试 实 验 使 用 的 盐 主 要 有 C a C l 、NH C a N O3 3 、 Na C I 、KC 1 。为了能较好地 比较不同盐水内相对油基 钻井液性能的影响 ，实验配制活度相同的钻升液 ．采 用离子活度计测量室温下不同盐的活度随质量分数的 变化 『 H 1 线 ，当钻井液活度为 0 ． 9时，所需要的 Ca C 1 、 Na CI 、K C1 、NH C a NO 各种 内相 盐溶 液 的质赶 分 数 为 1 3 ． 8 5 ％、1 5 ． 5 5 ％、l 9 ． 6 3 ％ 和 3 1 ． 4 7 ％。 实 验 配制 的钻 井液具有 相 同的油水 比 8 0 2 0和密度 1 ． 8 g ／ c m ，重晶石加重 ，且其余处理剂的种类 和加 量相同。 2 ． 1 流变性 配制不同内相的油基钻井液，在 l 5 0 c I 滚动老化 1 6 h ，测量不同钻井液老化前后的流变参数 ，测试温 度为 5 0℃ 恒温箱控温 ，绘制其流变曲线，结果如 图 l 所示 。 基金项目 国家科技重大专项 2 0 1 1 Z X0 5 0 3 0 ． 0 0 5 ． 0 7 、博士后基金 2 0 1 2 M5 2 1 3 8 5 、教育部创新团队 I R T1 0 8 6 第一作者简介 邱正松， 教授， 博士生导师， 主要从事钻井液防塌防漏技术、 深水钻井液以及油层保护技术等科研工作． ．地址 山东省青岛市黄岛区长江西路 6 6号 ； 邮政编码 2 6 6 5 5 5； E - ma i l q i u z s 6 3 s i n a ． c o rn。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第3 1 卷 第 2 期 邱正松等新型内相油基钻井液性能实验研究 2 5 1 o o 8 0 6 o 4 0 襁2 0 0 0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 1 2 0 0 剪切 速率 a 老化前 1 4 0 1 2 0 1 0 0 8 0 霎 薰 O 剪切速 g ／ s “ b 老化后 图 1 不同内相油基钻井液剪切应力随剪切速率的变化曲线 如图 1 a 所示， 老化前， 相同剪切速率条件下， NH Ca NO 为 内相 的油基钻 井液 剪切应 力最 低 ， 黏度最小，而 C a C 1 2 为内相的油基钻井液黏度最高。 老化后，相同剪切速率下，以N a C 1 为内相的油基钻 井液的剪切应力最高，黏度最大，而以 K C 1 、C a C 1 为内相的油基钻井液的剪切应力较小 ，黏度较低 ，以 N H C a N O 为内相的油基钻井液黏度最低，如图 l b 所示。 对测得的流变参数做进一步分析，结果如表 1 所 示。表 1 表 明，加入不 同的 内相盐溶 液后 ，油基钻 井液的流变性能是不一样 的，以 Ca C 1 、Na C 1 和 KC 1 为内相的钻井液流变参数老化前后的变化幅度较大， 而以 N H C a N O 为内相的钻井液变化幅度最小， 钻井液最稳定。 表 1 不同内相油基钻井液体系老化前后流变参数 通过对不同内相钻井液的流变性能进行测试 ，结 果表明，以N H C a N O 水溶液为内相的油基钻井 液的流变性能最好，体系最稳定。 2 ． 2 沉降性能 2 ． 2 ． 1 动态沉降性能测试 主要通过测量老化后钻井液流变参数的方法来预 测动态沉降量 [5 ] ，具体步骤如下。 ①测试过程中剪切速率为 1 7 0 _ 3 S 与现场的 1 0 0 r ／ m i n 相等 ，测试温度为 5 O oC； ②测试剪切应 力随时间的变化，时间为 3 0 min； ③绘制剪切应力 随时间的变化曲线。实验结果如图 2所示。 5 5 5 O 垂 3 5 3 O 标 2 5 2 0 O 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 01 2 0 o1 4 0 01 6 0 o1 8 0 o 2 o o O t 图2 不同内相油基钻井液剪切应力随时间的变化曲线 图 2表 明 ，不 同内相油基钻井液剪 切应力随时 间的变化趋势是相同的，最初剪切应力会随着时间的 增加迅速降低 ， 但随着时间的继续增加，体系剪切应 力下降幅度变缓，直至最后剪切应力保持不变。这 主要是 由于在 剪切条件下 ，油基钻井液 中的一些较 粗的颗粒先发生沉降，随后是一些较细的颗粒。由 于布朗无规则运动性较强，因此沉降时间较长。作 出 ㈤一 m随时 间的变 化 曲线 ，如图 3所示 ，该 图表 明剪 ，切应力 的变化量随时间 的增加先迅速增加随 后慢慢 变缓 ，在相 同的时 间条件下 ，N H C a NO 钻井液剪切应力的变化量最小， 并且远小于其他体系， 说明其具有较好的剪切稳定性。 2 4 0 O 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 l 2 0 o 1 4 00 l 6 o o l 8 0 C l 2 0 0 0 t 图 3 不同内相油基钻井液剪切应力变化量随时间的变化曲线 根据如下公式 ，可计算出体系在动态剪切条件 下的密度变化值。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 6 钴井液与 完 井 液 2 0 1 4年 3月 A p_ 8 ． 3 3 7 0 计算结果如表 2 所示。由表 2 可以看出，在剪切相同 时间后 ，以 NH C a NO， 。 水 溶液为 内相 的钻井 液， 其密度的变化值最小， 说明其动态沉降量最小， 该钻 井液最稳定。 表 2 不同内相油基钻井液动态沉降性能 内相 g／ c m ／ 7 1 8 0 0 ／ 0 - 3 1 8 0 o 9 ／ r o - r 1 8 o o A p ／ P a P a 0 g ／ c m3 2 ． 2 ． 2 静态沉降性能测试 将上述4 种不同内相 的油基钻井液在 1 0 0 0 0 r ／ mi n 下搅拌 3 0 m i n ，放人滚子炉中，在 5 0 c C 下静态老化 1 6 h 。实验发现 ，静态老化 1 6 h后 ，所有油基钻井液 上端出现了分离油， 计量分离油的体积， 如图4 所示。 图 4表 明，以 KC 1 溶 液为 内相的油基钻井液 的分离 油体积最大，而以N H C a N O 溶液为内相的钻井 液的分离油的体积最小， 小于 1 ．5 m L 。 蛙 震 键 ． - ． 1 Ca C1 2 Na C1 KC1 NH 4C a f N O 3 3 图 4 不同体系静态老化后分离油体积 取出分离油，将剩余部分从上到下平均分为4 个 部分，测量每个部分的密度，分析时以最上层钻井液 密度为基准，分析其余各部分与最上层部分密度的变 化量，结果如图5 所示，并根据测量的结果计算体系 的沉降系数，沉降系数 最下层钻井液的密度 ／ 最 下层钻井液的密度 最上层的密度 ，分析结果如图 6所示。 图 5 和图6 表明，以N H C a N O 为内相的油 基钻井液体系其密度的变化量最小，沉降系数最小， 说明其静态沉降性能较好。 将静态沉降的分析结果与动态沉降的结果进行分 析与对 比，结果如图 7所示 。 V 层数 图 5 不同内相钻井液体系密度变化曲线 0 ． 51 0 0 ． 5 0 8 o．5 0 6 磐 0 ．5 0 4 O．5 0 2 0．5 0 0 V c a C l 2 N a C 1 K C I N H 4 C II N O 3 3 图6 不同内相油基钻井液沉降系数 _静态沉I 一 一 C a C 1 2 N a C 1 K C 1 N H C a f N O 3 3 图 7 不同内相油基钻井液体系沉降量对比图 由图 7 可知，所有体系的动态沉降量都大于静态 沉降量，这可以用黏弹性理论来解释。钻井液在静止 条件下会形成一种高弹性凝胶结构， 从而能悬浮体系 中重晶石，可以用弹性模量 G 的大小来表示这种结 构的强弱，当钻井液被剪切时， 体系的弹性降低，G 变小， 体系的结构遭到破坏，不能悬浮重晶石，重晶 石发生沉降 [6 -7 ] o在 4 种不同内相盐溶液配成的体系 中，以 N H C a NO 水溶液为 内相的钻井液在动态 剪切和静态老化的条件下密度的变化值是最小的，表 明其体系的沉降稳定性能最强。 2 ． 3 电稳定性能和滤失性能测试 测试不同体系老化前后的破乳电压值，结果表明 4 种不同内相溶液的油基钻井液体系的破乳电压值都 比较大 大于 2 0 0 0 V ，说明这 4 种体系的电稳定性 能都很强。 测定 4 种不同体系的钻井液的A P I 和高温高压 滤失量 1 5 0 o C ，结果如表 3 所示。表 3 表明，所 有体系的A P I 滤失量都是 0 ，以N H C a N O 为内 相的油基钻井液体系高温高压滤失量最小，以 C a C 1 ， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第3 1 卷 第2期 邱正松等新型内相油基钻井液性能实验研究 2 7 为内相的油基钻井液体系高温高压滤失量最大。 表 3 不同内相体系配方滤失量测量结果 3 机理分 析 配 制相 同活度 的油基 钻井 液时 ，NH C a NO 水相的密度最大，当钻井液的油水比和密度一定时， 相对于其他内相的油基钻井液而言，其所需加重剂的 量最小，因此钻井液的黏度最低。N H C a N O 水 相的密度最大，电解质浓度最高，电解质压缩液滴表 面的表面活性剂，使表面活性剂排列变得紧凑，界面 张力降低，乳液的粒径变小，乳状液的稳定性增强。 4 结论 1 ． 对于具有相同活度的不同内相的油基钻井液体 系 ，以 NH C a NO 为内相的钻井液老化前后流变 参数的变化幅度最小 ，且相对于 C a C 1 和 Na C I 为 内 相的传统油基钻井液，该钻井液老化前后的黏度低， 流变性能好。 2 ． 油基钻井液的动态沉降量大于静态沉降量，以 上接第2 3 页 ● ⋯ - ● ⋯ - ●⋯ ● ⋯● ⋯- ● ⋯ ●⋯ 参 考 文 献 何远信． 国内外泥浆材料的现状及发展趋势 [ J ] ． 探矿工程， 2 0 01 ， 5 4 7 ． 4 9 ． He Yu a n x i n ． S ta t u s a n d t r e n d o f d r i l l i n g mu d ma t e r i a l s a t h o me a n d a b r o a d [ J ] ．E x p l o r a t i o n E n g i n e e r i n g，2 0 0 1 ，5 4 7 - 4 9 ． Ve i l J A，Bu r k e C J ，Mo s e s D O． S y n t h e t i c b a s e d mu d s c a n i mp r o v e d r i l l i n g e f f c i e n c y wi t h o u t p o l l u t i n g [ J ] ． O i l a n d G a s J o u r n a l ，Ma r c h 4，1 9 9 6 ． Ke n n y P ．Es t e r - b a s e d mu d s s h o w p r o mi s e f o r r e p l a c i n g s o me o i l - b a s e d mu d s [ J ] ． O i l a n d G a s J o u r n a l ，1 9 9 3 ． S i mp s o n J P，W a l k e r T O ，J i a n g G Z． En v i r o n ma n t a l l y a c c e p tab l e wa t e r - b a s e d mu d c a n p r e v e n t s h a i e h y d r a t i o n and ma i mt a i n b o r e h o l e s t a b i l i ty [ J ] ． S P E ／ I A DC 2 7 4 9 6 ，1 9 9 4 ． N H a C a N O ， 为内相的油基钻井液体系，在动态剪 切和静态老化条件下，相对于其他体系，其密度的变 化值最小，体系的沉降稳定性能最优。 3 ． 以N H C a N O ， 为内相的油基钻井液体系具 有较低的高温高压滤失量。 参 考 文 献 [ 1 ] R e a g a n J a me s ， Ol e I a c o b P r e b e n s e n ， Oy s t e i n R a n d e b e r g ． Re d u c i n g r i s k b y u s i n g a u n i q u e o i l - b a s e d d r i l l i n g fl u i d f o r a n o f f s h o r e c a s i n g d i r e c t i o n a l d r i l l i n g o p e r a t i o n [ R】 ．S P E 1 1 2 5 2 9 ． 2 0 0 8 ． [ 2 ] Gu i c h a r d Be r t r a n d ，Va l e n t i An d r e a ，E l i o k e m．An o r g a n o s o l u b l e p o l y me r f o r o u t s t a n d i n g fl u i d - l o s s c o n t r o l wi th mi n i mu m d a ma g e [ R】 ．S P E 1 0 7 2 8 1 ，2 0 0 7 ． [ 3 ] S o r h e i m R，Am u n d s e n E C，Kr i s t i a n s e n R，e t a 1 ．Oi l y d r i l l c u i n g s f r o m w a s t e t o r e s o u r c e [ R ] ． S P E 6 1 2 7 3 ，2 0 0 0 ． [ 4 ] P a u l s e n E J o n e ， No r ma n Mo n i c a , Ge t l i ff J o n a t h an ．C r e a t i n g n e a r - z e r o d i s c h a r g e i n n o r wa y a n o v e l e n v i r o n m e n t a l s o l u t i o n[ J ] ． W o r m0 i l ，2 0 0 2 1 2 3 7 - 4 1 ． [ 5 ] T e h r a n i A M ，Cl i f f e A，On wu z u l i k e I ，e t a 1 ．Ne w l a b o r a t o r y t e c h n i q u e for b a r i t e s a g me a s u r e me n t s [ R] ． P r e p a r e d f o r P r e s e n t a t i o n a t t h e 1 0 t h Of f s h o r e M e d i t e r r an e a n Co n f e r e n c e a n d E x h i b i t i o n。 M a r c h 2 3 ． 2 5 i n I t a l y，2 0 l 1 ． 【 6 ] He r z h a f t Be n j a mi n，R o u s s e a u L i o n e l ，Ne a u L a u r e n t ， e t a 1 ． I nflue nc e o f t e mp e r a t u r e a n d c l a y s ／ e mul s i o n mi c r o s t r u c t u r e o n o i l - b a s e d mu d l o w s h e a r r a t e r h e o l o g y [ R ] ． s PE 8 6 1 9 7．2 0 0 3． 收稿 日期2 0 1 3 ． 0 9 ． 1 0 ；HG F 1 4 0 1 F 7 ；编辑马倩芸 【 5 ] Ki r s n e r】 ，Mi l l e r J ，B r a c k e n J ． Ad d i t i v e f o r o i l - b a s e d dri l l i n g fl u i d s U n i t e d S t a t e s ，7 0 0 8 9 0 7 [ P ] ． 2 0 0 3 9 1 6 ． [ 6 ] 郝广业 ． 抗高温油基钻井液有机土的研制及室内评价 [ J ] ． 内蒙古石油化工，2 0 0 8 1 1 0 8 ． 1 1 1 ． Ha o Gu a n g y e ．P r e p ara t i o n a n d l a b o r a t o r y e v a l u a t i o n o n a n t i h i g h t e mp e r a t u r e o r g a n o c l a y o f o i l - b a s e d d r i l l i n g fl u i d [ J ] ． I n n e r Mo n g u l i a Pe t r o c h e mi c a l I n d u s t r y，2 0 0 81 1 0 8 ． 1 1 1 ． [ 7 ] T a u g b o l K，F i m r e i t e G，P r e b e n s e n O I ，e t a 1 ． De v e l o p me n t an d fie l d t e s t i n g o f a u n i q u e h i g h - -t e mp e r a tur e ／ h i g h -- p r e s s u r e HT H Po i l b a s e d dri l l i n g fl u i d wi t h mi n i mu m r h e o l o g y a n d ma x i mum s a g s t a b i l i t y [ R 】 ． S P E 9 6 2 8 5 ，2 0 0 5 ． 收稿 日期2 0 1 3 ． 1 0 ． 1 8 ；H GF 1 3 0 6 M7 ；编辑马倩芸 Ⅲ 三 三 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m