一种深水合成基钻井流体流变稳定剂的研发.pdf

第 37 卷 第 1 期 2015 年 1 月 石 油 钻 采 工 艺 OIL DRILLING equivalent circulating density; constant rheological stabilizer; low-temperature rheological property 基金项目“十二五” 国家科技重大专项“深水钻完井工程技术” （编号2011ZX05026-001） ；国家自然科学基金“海洋深水浅层钻井关 键技术基础理论研究” （编号51434009） 。 作者简介周定照， 1984 年生。2011 年毕业于长江大学油气井工程专业， 获得工学硕士学位， 现在中海油研究总院钻采研究院和从事钻 采技术的研究工作。电话010-84526768。E-mailzhoudzh2。 恒流变合成基钻井液的流变性受温度的影响较 小， 特别是动切力、 静切力和低剪切速率下的黏度等 参数不随温度变化而改变。恒流变合成基钻井液体 系已成功应用于墨西哥湾海域， 并逐渐应用于亚洲 近海海域， 及西非近海、 巴西近海等地区。 1 深水合成基钻井液性能 1.1 国外深水合成基钻井液性能 墨西哥湾 Green 凹陷深水海域， 实例井［1-4］采用 CR-SBM 钻进， 当量循环密度比采用传统 SBM 降低 0.20.3 kg/m 3， 未发现重晶石沉降的现象， 钻井和下 套管作业中钻井液漏失量降低了 6090， 并且井 眼稳定性大大提高。CR-SBM 便于配制和维护， 不 同于常规合成基钻井液需要较长时间的循环才能达 到预期的目标。 1.2 国内深水合成基钻井液性能 某公司在南中国海使用了恒流变油基钻井液， 钻井水深为 1 343 m， 相关性能见表 1。 石油钻采工艺 2015 年 1 月（第 37 卷） 第 1 期84 表 1 某公司恒流变钻井液性能 温度 /℃AV/mPa sPV/mPa sYP/Paφ6/φ3 4 54421217/16 19 53411217/16 65.5 271511.516/15 2 合成基钻井液体系 2.1 合成基钻井液国产化基液选取 国外深水合成基钻井液大多采用线性 α- 烯烃 （LAO） 、 气制油（GTL）作为合成基基液， 生产 LAO 的公司主要有壳牌、 雪佛龙、 BP-Amoco、 UOP、 Gulf、 日本出光石化等。目前国内气制油（GTL） 主要来自 大庆油田和燕山石化公司生产的己烯 -1 （C6） （易挥 发液体， 沸点 63.3 ℃） ；用于合成基基液的 LAO 为 C12C16正 α- 烯烃。考虑原料国产化问题， 选择国产 特种油作为基液。 气制油为 C10C23的饱和烷烃， 以 C13、 C14、 C15、 C16、 C17、 C18、 C19、 C20为主， 含量均在 1013 左右， 其中以 C14含量最高， 约 13 。特种油为 C12C20的 饱和烷烃， 以 C15、 C16、 C17、 C18为主， 其中以 C16C17 含量最高， 约 60 。特种油的黏温性能和气制油的 黏温性能相近［5-6］。 2.2 有机土加量的影响 有机土是合成基钻井液最常用的增黏剂， 若钻 井液中不加有机土， 钻井过程中会经常发生重晶石 沉降现象， 但是有机土加量过大， 则钻井液流变性将 随温度变化发生明显变化。通过实验测试有机土加 量分别为 1、 2、 3、 4、 5 时对钻井液流变性的 影响， 结果表明， 当体系有机土加量低于 2 时， 体系 黏切较低， 会发生重晶石沉降；当有机土加量大于 4 时， 体系稠化， 影响体系的流变性。因此， 要控制 体系有机土加量在 23。 2.3 油水比的影响 油水比对钻井液体系有显著影响， 通过实验测 试油水比分别为 90 ∶10、 85 ∶15、 80 ∶20、 70 ∶30、 60 ∶40 情况下， 对钻井液流变性的影响， 测试结果表明， 当 体系中水相较少时， 体系黏度偏低， 切力偏低， 低温 流变性好；当体系中含水较高时， 体系黏度增加， 切 力增加， 低温流变性变差。当油水比为 70∶30 时， 体 系在低温时的流变性已经稠化， 无法测定黏度。 2.4 降滤失剂优选 降滤失剂能在油基钻井液体系中很好地分散， 形成亲油性胶体， 起到参与形成致密滤饼、 控制滤失 量和增加油基钻井液稳定性的作用。油基钻井液中 常用的降滤失剂主要分为沥青类 MOTEX、 树脂类 MOFLB 等几类。通过室内实验， 在油基钻井液体系 中加入不同种类的降滤失剂， 测试其降滤失效果如 表 2 所示。 表 2 不同降滤失剂及加量对钻井液性能的影响 降滤失剂及加量测定条件AV/mPa sPV/mPa sYP/Paφ6/φ3YP4℃/YPtFLAPI/mLFLHTHP/mLES/V 2MOFLB 滚前， 65 ℃32.5239.512/11804 滚后， 4 ℃46.5288.58/61.00 7.310.61 144 滚后， 25 ℃332588/61.06 滚后， 65 ℃20.5137.58/71.13 滚后， 80 ℃191278/71.21 3MOFLB 滚前， 65 ℃31201112/11658 滚后， 4 ℃534588/61.00 6.45.1878 滚后， 25 ℃31.5256.58/61.23 滚后， 65 ℃231588/71.00 滚后， 80 ℃201378/71.14 2MOTEX 滚前， 65 ℃31171415/141 342 滚后， 4 ℃51.5429.511/101.00 89.81 667 滚后， 25 ℃32.5239.510/101.00 滚后， 65 ℃24141011/100.95 滚后， 80 ℃20.5128.510/91.12 3MOTEX 滚前， 65 ℃32.52012.515/14590 滚后， 4 ℃68571112/111.00 6.411.21 200 滚后， 25 ℃43.53211.513/120.96 滚后， 65 ℃29.51910.513/121.05 滚后， 80 ℃25.51510.512/111.05 注热滚条件为 120 ℃ 16 h， 以下均同。 85周定照等一种深水合成基钻井流体流变稳定剂的研发 从表 2 可以看出， 体系中加入沥青类降滤失剂 MOTEX 后， φ6/φ3值较大， 而加入非沥青类降滤失剂 MOFLB 后， 体系 φ6/φ3值正常， 同时 MOFLB 的降滤 失效果要优于 MOTEX。 2.5 合成基钻井液流变稳定剂研发 2.5.1 稳定剂合成方法 根据恒流变合成基实现 机理研究， 在室内通过 R1CHCHCOOH、 R2 CHCHCONHR3和 PhCHCHR4等 3 种烯 类单体共聚反应， 合成了油溶性低分子量聚合物增 黏剂， 再通过改性、 复配， 得到合成基钻井液恒流变 稳定剂。该处理剂随温度升高而伸展变长， 起到一 定增黏作用， 在低温条件下则呈卷曲状态且对黏度 无影响， 以此来协同有机土实现体系的恒流变。 2.5.2 恒流变稳定剂的优选 将处理剂加入合成基 基液中， 测定不同温度条件下的流变性。合成基基 本配方为（特种油 ∶20CaCl2溶液）2 主乳化剂 1 辅乳化剂 3 有机土 1 润湿剂 2 碱度 调节剂， 重晶石加重到 1.16 g/cm3， 实验结果见表 3。 可以看出， 稳定剂 EST-8 在体系中起到了一定的增 黏提切作用， 热滚后的高低温切力比为 1.10， 比空白 的 1.54 有明显降低。 2.6 恒流变合成基钻井液体系的确立 通过前面实验优化， 恒流变合成基钻井液体系 基本配方确定为（特种油 ∶20CaCl2溶液 80∶20） 2 主乳化剂 MOEMUL1 辅乳化剂 MOCOAT 1 润湿剂 MOWET3 有机土 HMC-53 降滤失 剂 MOFLB2CaO1 流变稳定剂 MOEST-8 重 晶石。 表 3 不同流变稳定剂对钻井液性能的影响 样品测定条件AV/mPa sPV/mPa sYP/Paφ6/φ3YP4℃/YPtFLAPI/mLES/V 空白 滚前， 65 ℃211566/5 4.2 684 滚后， 4 ℃71611011/10 685 滚后， 25 ℃47.5407.510/91.33 滚后， 65 ℃26.5206.59/81.54 滚后， 80 ℃24.5186.59/81.54 11 稳定剂 EST-1 滚前， 65 ℃241955/4 3.0 671 滚后， 4 ℃736498/7 665 滚后， 25 ℃504377/61.29 滚后， 65 ℃28.5226.58/71.38 滚后， 80 ℃25.5196.59/81.38 11 稳定剂 EST-2 滚前， 65 ℃11923/3 6.4 298 滚后， 4 ℃57.5552.53/3 460 滚后， 25 ℃363245/40.63 滚后， 65 ℃191544/40.63 滚后， 80 ℃13.594.54/30.56 11 稳定剂 EST-3 滚前， 65 ℃201377/6 4.2 657 滚后， 4 ℃78671113/12 600 滚后， 25 ℃48.53810.512/111.05 滚后， 65 ℃24.5168.511/101.29 滚后， 80 ℃21.5138.511/101.29 11 稳定剂 EST-8 滚前， 65 ℃33.52211.514/13 4.8 1 010 滚后， 4 ℃54.54311.514/13 1 576 滚后， 25 ℃36.52610.513/121.10 滚后， 65 ℃29181112/111.05 滚后， 80 ℃26.51610.512/111.10 11 稳定剂 EST-9 滚前， 65 ℃22111110/10 5.2 1 109 滚后， 4 ℃55.5469.511/10 1 468 滚后， 25 ℃33.5258.510/91.12 滚后， 65 ℃231589/81.19 滚后， 80 ℃211389/81.19 石油钻采工艺 2015 年 1 月（第 37 卷） 第 1 期86 3 恒流变合成基钻井液体系的评价 3.1 低温高压流变性评价方法 通过单通道深水钻井液井下流变温度压力动态 模拟仪对上述恒流变合成基钻井液体系进行低温高 压流变性评价。该仪器采用同轴圆筒测量系统， 与 ZNN-6 型六速旋转黏度计的测量原理相似， 当外筒 以某一速度旋转时， 它将带动内外筒间隙里的钻井 液旋转。由于钻井液具有黏滞性， 在内筒产生旋转 扭矩使与弹簧连接的内筒转动一定角度。根据牛顿 内摩擦定律， 流体黏度与转动角度成正比， 因此， 钻 井液黏度的测量就转化为内筒转角的测量。 3.2 低温高压流变性评价结果 计算实例排量 17 L/s， 密度 1.16 g/cm3， 钻杆 长 3 000 m， 钻杆内径 108 mm， 钻杆外径 127 mm， 井 径 215.9 mm。通过模拟仪的模拟， 得出环空层流情 况下， YP 和 PV 对 ECD 的影响见图 1、 图 2。可以看 出， 在环空层流情况下， YP 对 ECD 的影响要明显大 于 PV 对 ECD 的影响。 图 1 环空层流下 YP 与 ECD 关系 图 2 环空层流下 PV 与 ECD 关系 由波动压力计算公式可知， PV 对抽汲压力当量 密度和激动压力当量密度没有直接影响。而由图 3 可知， YP 对抽汲压力当量密度的影响要明显大于对 激动压力当量密度的影响。测试结果表明构建的合 成基体系具有低温恒流变特性。 4 结论 （1） 选取国产化基液， 以 3 种烯类单体通过共聚 反应， 研制出合成基钻井液流变稳定剂。 （2） 经室内实验测试， 研制的合成基钻井液流变 稳定剂随温度的升高而伸展变长， 起到一定的增黏 作用， 在低温条件下则呈卷曲状态且对黏度无影响， 以此来协同有机土实现体系的恒流变， 并确立了恒 流变合成基钻井液体系基本配方。 （3） 利用深水钻井用低温高压可视化装置对恒流 变合成基钻井液体系在真实低温高压状态流变性进 行了测试， 表明构建的合成基体系具有低温恒流变 特性。 参考文献 ［1］ ZAMORA M, BROUSSARD P N, STEPHENS M P. The top 10 mud-related concerns in deep water drilling operations［J］. SPE 59019, 2000. ［2］ DINO. Less temperature dependent drilling fluids for use in deep water and directional drilling processes for providing less temperature dependent rheological properties to such drilling fluids US, 6187719 ［P］. 2000-02-13. ［3］ BURROS Kim , EVANS Joanna. New low viscosity ester is suitable for drilling fluids in deep water applications ［R］ . SPE 66553, 2001. ［4］ DAVISON J M. Rheology of various drilling fluid systems under deep water drilling conditions and the importance of accurate predictions of down hole fluid hydraulics［R］ . SPE 56632, 1999. ［5］ 许明标， 邢耀辉 . 酯基钻井液性能研究 ［J］. 油田化学， 2001， 18 （4） 108-110. ［6］ 赵福麟 . 油田化学 ［M］. 山东东营石油大学出版社， 2000. （收稿日期 2014-11-30） （修改稿收到日期 2015-01-04） 〔编辑 张百灵〕 图 3 YP 与抽汲压力当量密度和激动压力当量密度关系