蓄能液气泡钻井液流变性能研究.pdf

第 3 2卷 第 4期 2 0 1 5年7月 钻井 液与 完井 液 DRI LLI NG FLUI D COM P LETI ON FLUI D 、 ， o 1 ． 3 2 NO．4 J ul y 2 01 5 d o i 1 0 ． 3 6 9 6 ． i s s n ． 1 0 0 1 5 6 2 0 ． 2 0 1 5 ． 0 4 ． 0 0 1 蓄能液气泡钻井液流变性能研究 郭保雨 ， 王旭东 ， 王群力 ， 蒋莉 ， 严波 1 ． 中石化胜利石油工程有限公司钻井工程技术公司，山东东营 ； 2 ． 西安理工大学水利水电学院，两安 保雨 等 ． 蓄能敢 气泡 钻斗液流变性能研 究 ] ． 钻 井液 与完寸 t 液，2 0 1 5 ，3 2 4 1 4 ． 摘要 设计井研制 了蓄能液气泡钻井液流专性能测试装置，谚装置能馍拟井下 1 0 0 、2 0 MP a 环境，建立了高 温 1 0 0 1 、高压 2 0 MP a 条件下 蓄能液气泡钻斗液流 性能 的评价方法 研 究表 明，研制的蓄能液气泡钻井液丧 观出良 晌剪切憎怿特性，携幅能力强 ； 泡沭质量对蓄能液气泡钻外液的流变性能影响很大 ；由于蓄能液气泡钻井撅 抗压北 力强，因此压 力对 典流 变性影响 不大 ； 温眨对 『 本糸的流变性能是通过影 响液相 拈度 求赛现 的 ；气体类型对 蓄能 敢 气泡的流蛮性能影响下 六 ； 此卟 ，现场应 时可通 过改 变发泡剂加量 影响泡沫质量 和搅 拌速 率 影响泡沫粒 调节体 糸的氚 受性 能． 关键词 蔷能液 气泡 ； 流 变性能测试装置 ； 高温 ； 高压 ；泡| 牝 质量 中图分类号 T E 2 5 4 3 文献标识码 A 文章编号 1 【 】 卜5 6 2 0 2 0 1 5 0 4 0 0 0 l 一 0 4 中国海洋石油资源大部分属于碎屑岩和古潜 山碳 酸盐 ，胜利油 田已探 明储量大部分也属于这类地层 ， 地层岩性为灰岩风化壳 ，连通性好 ，孔隙度高 ，属于 低压、高孔隙度、高渗透率地层 l l ] 。对于该类储层 的开发，现在主要使用气体钻井技术、充气及泡沫钻 井技术 。这些技术的应用虽然解决 了部分难题 ，但还 存在一些问题 。将气体钻井技术 、充气及泡沫钻井技 术相结合 ，产生一种蓄能液气泡钻井液。该体系是在 高压环境下通过机械扰动并通过设定 的连续篦板进行 气泡整形 ，得到高度均匀膜结构的蓄能液气泡 ，再将 其与钻井液混合而形成 。由于制备方法和常规泡沫及 微泡沫钻井液不同，因此 ，常规的泡沫评价方法不适 应 蓄能液气泡钻井液 p 】 。前期研制 了蓄能液气泡钻 井液发生装置 ，在此基础上研制开发 了蓄能液气泡钻 井液流变性能测试装置 ，并建立高温高压环境下蓄能 液气泡钻井液流变性能的评价方法。利用该装置在模 拟井下 1 0 0℃ 、2 0 MP a 条件下 ，针对性地研究 了蓄 能液气泡钻井液的流变性能 [ 6 - 1 0 ] 。 1 测试 装置 的研 制 式流变仪为基础进行设计的，通过流体在细管内的恒 定剪切流动 ，实测压降和流量 ，推算剪切应力与剪切 速率的关系，以确定泡沫钻井液流体 的密度以及流变 特性 。 1 ． 1 制造原理 根据纯黏性流体管壁剪切速率的一般表达式 ，即 罗宾诺维奇 ． 莫纳方程式 ，通过流体在细管内的恒定 剪切 流动和采集 系统实测压降和流量 ，推算剪切应 力 与剪切 速率 的关系 ，以确定 流体 的流变特性。均 匀流态、非 时变黏性流体 的管壁切应力 与压差 的关 系为 AP D／ 4 L 1 对于牛顿流体 ，其管壁剪切速率为 3 2 Q ／ 7 r D 2 根据式 1 与式 2 ，建立了管壁切应力与管 壁剪切速率的关 系， 得出罗宾诺维奇 一 莫纳方程式为 一 d 1 n 7 - d 1 n - y 3 F 丁 4 4 nr r D 蓄能液气泡钻井液 流变性能测试装置 是 以盘管 式 中， △P为压差 ，P a； D 为管径 ，mm ； L为有效 基金项目 国家8 6 3计划项目 “ 低压易漏地层钻井关键技术及装备” 2 0 1 2 AA0 9 1 6 0 1 o 第一作者简介 郭保雨，教授级高级工程师，1 9 6 3年生，现在主要从事钻井液技术研究工作。地址 山东省东营市东营区 钻井路 7号 ； 邮政编码 2 5 7 0 6 4；电话 0 5 4 6 8 7 2 5 8 2 4； E ma i l g u o b a o y u 7 1 9 ． s l y t s i n o p e c ． c o n l 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 2卷 第 4期 郭保雨等 蓄能液 气泡钻井液流变性能研 究 3 2 ． 2 温度与压力对其流变性能的影响 蓄能液气泡钻井 液是在 5 ～ 1 0 MP a 条件下 制备 的，当测试 压力小于 5 MP a时 ，由于气泡 内的压力 大于外界压力 ，因此气泡体积膨胀 ，测试压力越小体 积膨胀越大，气泡的液膜变薄，稳定性变差，0 ． 1 ～5 MP a 属于泡 沫不稳定 的过渡 区。考察 了温度和压力 对蓄能液气泡钻井液流变性能的影 响，结果见 图 5 。 图 5 温度与压力对蓄能液气泡钻井液 流变性能的影响 泡沫质量为 8 0 ％ 由图 5 可知 ，在不 同温度下 ，蓄能液气泡钻井液 的黏度随压力的变化基本一致 ， 当压力大于 5 MP a 时， 体系的黏度随压力的增加而升高， 但是增加幅度不大。 压力对 蓄能液气泡钻井液黏度的影响是通过气相和液 相起作用的，这是由于蓄能液气泡是在高压条件下制 备的，因此抗压能力强，压力增加之后，液气泡的体 积变化不大 ，因此气相体积的变化不会对体系的黏度 造成很 大影响 ； 压力增加之后 ，在外界高压的作用下 ， 液气泡之间的液相厚度减小 ，相互之间的作用增强 ， 因此体系的黏度升高，但是由于液相的可压缩性差， 因此随着压力 的增加 ，体 系的黏度增加有 限。 温度对蓄能液气 泡钻井液黏度 的影 响是通过气 相和液相起作用的，温度升高，一方面气体的体积膨 胀 ，气体分子的动能增加，液气泡的直径和体积增 加 ，液膜变薄 ，液气泡之间的相互作用增强 ，体系的 黏度会增加 ； 但另一方面 ，温度升高之后 ，液相的黏 度降低，导致体系的黏度降低。温度对体系黏度的影 响是这 2种作用相互竞争的结果 ，根据理想气体方程 PV n RT ，在高压条件 下，升高有限的温度很难较大 幅度地影响气泡体积，因此温度升高之后液相黏度降 低是影 响整个体系黏度变化的主要 因素。 2 ． 3 气体类型对流变性能的影响 在泡沫质量为 8 0 ％时， 考察不同气体 N ， ，C O ， 和空气 制备 的蓄能液气泡钻井液的流变性能 ，结果 见图 6 。由图 6可知 ，气体类型对蓄能液气泡钻井液 流变性能的影响不大。不过使用 C O 酸性气体 会 涉及体系 p H值控制 以及碳排放的问题 ，使用空气会 导致钻具腐蚀以及可能导致井下复杂事故，因此，制 备蓄能液气泡钻井液所使用的气体选择了N 。 1 1 O 1 0 0 9 O 8 0 7 O 6 0 5 0 剪切速率 ‘ 图6 气体类型对蓄能液气泡钻井液流变性能的影响 3 0℃、1 0MP a ，泡沫质量为 8 0 ％ 2 ． 4 发泡剂对流变性能的影响 前期考察 了泡沫的稳定性和发泡剂与钻井液其它 处理剂的配伍性 ，确定 了发泡剂 S L ． 1 。其加量对 蓄 能液气泡钻井液流变性能的影响见图 7 。由图 7可知 ， 发泡剂对该体系流变性能的影响是通过影响泡沫质量 实现的 ，随着发泡剂加量的增加 ，泡沫质量增大，体 系的黏度增大 ，但是 当发泡剂加量达到 2 ． 5 ％时 ，继 续增加发泡剂的加量已经不能增加泡沫质量，因此体 系的黏度基本稳定。 在常规泡沫以及微泡沫钻井液中， 发泡剂的加量不仅影响体系的黏度 ，还会影响体系的 稳定性 ， 而蓄能液气泡钻井液是在高压下制备得到的， 因此稳定性大大提高 ，改变发泡剂的加量 ，影响的只 是体系的流变性能，对体系的稳定性影响不大 。 发 泡剂 图 7 发泡剂加量对蓄能液气泡钻井液 流变性能 的影响 3 0℃ ， 1 0MP a 2 ． 5 泡沫的粒径分布对流变性能的影响 泡沫的粒径分布主要受发泡剂浓度 、发泡时搅拌 速率以及压力的影响。在发泡剂浓度和压力一定的条 件下， 泡沫的粒径随着发泡时搅拌速率的增加而增大， 钻井液体系的黏度也相应地发生变化。考察 了泡沫的 粒径对钻井液黏度的影响， 结果见图8 。由图 8 可知， ∞ d 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 钴井 液与 完井液 2 0 1 5 年 7月 随着泡沫粒径 的增加 ，蓄能液气泡之间的相互作用增 强，从而导致体系的黏度增加，该体系在现场应用时 可通过调节搅拌速率来控制泡沫的直径 ，进而达到调 节体系流变性能的目的。 1 3 0 1 2 0 1 1 0 1 0 0 9 0 8 0 25 0 3 O 0 3 5 0 4 o 0 4 5 0 泡沫直径／ 岬 冈 8 泡沫粒径对蓄能液气泡钻井液流变性能的影响 3 结论 1 ． 研制 了蓄能液气泡钻井液流变性能测试装置 ， 并建立了高温高压环境下蓄能液气泡钻井液性能的评 价方法。 2 ． 泡沫质量对蓄能液气泡钻井 液的黏度影响较 大， 在低剪切速率下， 体系呈现幂律假塑性模型特征， 高剪切速率下 ，体系呈现宾汉塑性模型特征 ； 蓄能液 气泡钻井液表现出良好的剪切稀释特性， 携屑能力强。 3 ． 随着压力的增加 ，蓄能液气泡钻井液的黏度略 有增加 ，但幅度有限 ； 随着温度的升高，体系的黏度 下降很快 ，温度升高之后液相黏度降低是影响整个体 系黏度变化的主要影响因素。 4 ． 气体类型对蓄能液气泡的流变性能影响不大 ； 发泡剂加量主要影响体系黏度 的变化 ，对体系的稳定 性影响不大 ； 现场应用时可通过调节搅拌速率来达到 控制体 系流变性能的 目的。 [ 2 】 参 考 文 献 张荣，莫成孝 ． 抗高温海水微泡沫钻井液实验研究 [ J ] ． 钻 井 液与完井液 ，2 0 0 8 ，2 5 6 3 2 ． 3 5 ． Z h a n g Ro n g，M e Ch e n g x i a o ．Th e e x p e r i me n t a l s t u d y o f h i g h t e mp e r a t u r e mi c r o f o a m s e a wa t e r 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 8 ，2 5 6 3 2 - 3 5 ． 王洪军 ，焦震 ，郑秀华，等 ． 大庆油 田微泡沫钻井液的 研究与应用 [ J ] ． 石油钻采T艺 ，2 0 0 7 ，2 9 5 8 8 9 2 ． Wa n g H o n g j u n ，J i a o Z h e n ，Z h e n g Xi u h u a ，e t a 1 ． R e s e a r c h a n d a p p l i c a t i o n o f mi c r o fo a m d r i l l i n g flu i d i n Da q i n g o i l fi e l d [ J ] ． Oi l Dr i l l i n g＆P r o d u c t i o n T e c h n o l o g y．2 0 0 7 ，2 9 5 8 8 ． 9 2 ． [ 3 ] 王富华，梁国昌，郭保雨 ． 用于低压低渗透油气藏的可循 环泡沫防塌钻井液 [ J ] ． 钻井液与完井液， 2 0 0 9 ， 2 6 1 6 - 8 ． W a n g F u h u a ， Li a n g Gu o c h a n g， Gu o Ba o y u ． A r e c y c l a b l e f o a mi n g d r i l l i n g fl u i d s u i t a b l e for d r i l l i n g l o w p r e s s u r e l o w p e r me a b i l i t y r e s e r v o i r s [ 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 0 9，2 61 6 ． 8 ． [ 4 】 杨虎，张伟 ，凌立苏，等 ． 准噶尔盆地陆东裂缝性火山 岩钻探技术 [ J 】 ． 石油钻采工艺 ，2 0 1 0 ，3 2 4 2 2 ． 2 5 ． Ya n g Hu，Zh a n g W e i ，Li n g Li s u，e t a 1 ． Dr i l l i n g t e c h n o l o g y for f r a c t u r e d v o l c a n i c r o c k s i n l u d o n g a r e a ，j u n g g a r b a s i n [ J ] ． Oi l Dr i l l i n g＆P r o d u c t i o n T e c h n o l o gy ，2 0 1 0 ，3 2 4 2 2 2 5 ． 【 5 】 郑力会，左锋，王珊，等 ． 国内可循环泡沫类钻井液应 用现状 [ J ] ． 石油钻采工艺 ，2 0 1 0 ，3 2 1 1 0 - 1 6 ． Zh e n g Li h u i ，Zu o F e n g， W a n g S h a n， e t a 1 ． S t a t e o f t h e a n i n t h e mi c r o b u b b l e b a s e d d ri l l i n g fl u i d s i n C h i n a [ J ] ． O i l 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 1 0 ，3 211 0 1 6 ． [ 6 ] 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 4 4 5 2 ． W a n g Gu i j u a n，Di n g Yu x i n g，Ch e n L e l i a n g，e t a 1 ． Ap 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 Fl u i d＆ C o m p l e t i o n F l u i d ，2 0 0 4 ，2 1 3 4 4 ． 5 2 ． [ 7 ] 李荣，汪绪刚，冯亚平 ，等 ． 可循环微泡沫钻井液研究 及在伊朗 B a b a l 探井的应用 f J ] ． 钻井液与完井液，2 0 0 9 ， 2 6 5 7 9 ． 8 1 ． Li Ro ng， W a ng Xug a ng， Fe ng Ya p i ng． e t a 1 ． The a p p l i c a t i o n o f a f o a m m u d i n e x p l o r a t i o n we l l b a b a l i n I r a n [ 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 9 ，2 6 5 7 9 81 ． [ 8 】 严宇 ，陈小榆 ． 高温高压泡沫钻井液流变性实验处理方 法 【 J ] ． 钻井液与完井液 ，2 0 0 6 ，2 3 3 5 7 ． 5 9 ． Ya n Yu，Ch e n Xi a oy u． Exp e r i me n t a l r e s e a r c h o n r he o l o g y o f foa m d r i l l i n g fl u i d s a t h i g h t e mp e r a t u r e a n d h i g h p r e s s u r e [ J ] ． Dr i l l i n gFl u i d＆ Co mpl e t i o n Fl u i d，2 0 0 6，2 3 3 5 7 5 9 ． 【 9 ] 敬加强，代科敏，杨露 ，等 ． 水基泡沫流变特性研究进 展 [ J ] ． 西南石油大学学报 自然科学版 ，2 0 1 3 ，3 5 1 1 73 1 7 8． J i n g J i a q i a n g，Da i Ke mi n，Ya n g Lu， e t a 1 ． I n v e s t i g a t i o n a d v a n c e s i n r h e o l o g i c a l p r o p e r t i e s o f wa t e r b a s e d f o a m[ J ] ． J o u r n a l o f S o u t h w e s t P e t r o l e u m U n i v e r s i t y S c i e n c e＆ T e c h n o l o g y ，2 0 1 3 ，3 5 1 l 7 3 1 7 8 ． [ 1 0 ]郭保雨 ，王旭东，王群力，等 ． 蓄能液气泡钻井液的制 备及性能研究 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 1 5 ，3 2 3 1 - 4 ． G u o B a o y u ， Wa n g X u d o n g ， Wa n g Qu n l i ， e t a 1 ． S t u d y o n p r e p a r a t i o n a n d p r o p e r t i e s o f e n e r g i z e d f o a m d r i l l i n g fl 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 1 5 ，3 2 3 1 4 ． 收稿 日期2 0 1 5 4 ． 9 ；H GF I 5 0 4 C 5 ；编辑王超 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m