超高密度高温钻井液流变性影响因素研究.pdf

第 2 6卷 第 1期 2 0 0 9年 1月 钻 井液与 完 井液 DRI LLI NG FLUI D COMPLE T1 0N FLUI D Vo 1 ． 26 No． 1 J a n ．2 0 0 9 文章编号 1 0 0 1 5 6 2 0 2 0 0 9 0 1 0 0 1 2 0 3 超高密度高温钻井液流变性影响因素研究 李公让 赵怀珍 薛玉志 邱正松 1 ． 胜利石油管理局钻 井工 艺研 究院 ， 山东东营 ； 2 ． 中国石油大学 华东 石油工程学院 ， 山东东 营 摘要 针对超高 密度 高温钻 井液固相含 量高、 流变 性难 以控 制这 一难题 ， 实验研 究 了膨 润土 浆流变性 的影响 规律 ， 然后以新研制的超高 密度高温钻井液为对象 ， 研 究 了重晶石粒度级配与 自由水含 量对其流 变性 的影 响， 并通 过正交实验对超高 密度高 温钻 井液 配方进行 了优 化。研 究表 明， 配制超 高 密度 钻井液 需要严格 控制膨 润土用 量 ； 重 晶石的粒度分 布明显影响钻 井液的流变性和滤失性 ； 自由水含量 与钻井液 的黏度 紧 密相 关， 重 晶石加量 对 自由 水含量 影响最大。 关键词 超 高密度钻井液 ； 流 变性； 控制机理 ； 粒度级 配； 自由水 中图分类号 TE 2 5 4 ． 2 文献标识 码 A 由于深井井底温度高 ， 高密度钻井液的处理异 常复杂 ， 经 常 陷入 加 重～增 稠一降 黏一加 重剂 沉 降一密度下降一再次加重的恶性循环 ， 甚 至导致卡 钻 ] 。一般而言 ， 高密度钻井液 固相含量高 ， 若用 重晶石作加 重剂 ， 当钻井液 密度高 达 3 ． 0 0 g ／ c m。 时 ， 固相含量的体积分数将 大于 6 0 。如果 固相粒 子 分散 性增 强 ， 巨大 的 固相粒 子 比表 面 积 通 过润 湿 和吸附作用使得钻井液 自由水含量大幅度减少 ， 导 致体系的钻屑容量限降低 ， 一旦遇到外来物的污染 ， 固相粒子极易连接形成结构 ， 从 而导致钻井液的黏 度和切力增加， 使流变性和沉 降稳定性之间的矛盾 突出l_ 3 ] 。首先研究了 4 膨润土浆 的流变规律 ， 然 后以新研制的超高密度高温钻井液为对象 ， 研究 了 重晶石粒度级配与 自由水含量对其流变性 的影响 ， 从而为控制超高密度钻井液流变性提供理论依据 。 实验所用的超高密度钻井液基本配方如下 。 2 ～4 膨润土浆 O ． 1 ～0 ． 3 9 ／ 6 聚合物 类降黏剂 J L - 2 8 1 ～2 S D - 1 0 1树脂类 降滤失 剂 0 ． 1 ～ 0 ． 3 XY 一 2 7 1 ～ 3 S D- 2 0 2 改性褐煤类降滤失剂- I- 1 ～2 F T 一 2封堵 防塌 剂 重 晶石 1 膨 润土浆流变性 井液性能的基础 ， 为此通过高温老化 1 8 0℃、 1 6 h 实验首 先研究 了膨润土含 量、 p H 值、 老化温度 对 4 膨润土浆流变性 的影响规律 ， 试验结果见 图 1 ～ 图 3 ， 各项参数的测定温度均为 3 0℃。由此可以看 出， 膨润土含量 、 p H 值 和老化温度对 4 膨润土浆 流变性的影响较大 。因此选择合适 的膨润土含量是 钻井液获得较好流变性的前提之一 。对于超高密度 钻井液而言， 需要严格控制膨润土用量 ， 钻井液的密 度越高 ， 膨润土含量应当越低 。 j 四 籁 2 5 2 O l 5 1 O 5 O 1 2 3 4 5 膨润土含量 图 1 膨润土含量对膨润土浆流变参数 的影 响 1 8 0℃、 1 6 h 2 0 1 5 1 0 爝5 O 7 9 1 O l 1 p I { 值 高温对水基钻井液 中黏土颗粒的作用是影响钻 图2 p H值对膨润土浆流变参数的影响 1 8 0℃、 1 6 h 基金项 目 8 6 3计划资助 超深井钻井技术研究项 目 2 0 0 6 AA 0 6 A1 9 5 。 第一作者简介 李公让， 高级工程师， 1 9 7 0年生， 1 9 9 2年毕业于华东化工学院有机化工专业， 中国石油大学 华东 在读博 士研 究生， 主要研 究方 向为超深 井钻 井液技 术。地址 山东省东营市北 一路 8 2 7号钻井工 艺研 究院油化所 ； 邮政编码 2 5 7 0 1 7 ； 电 话 1 3 5 6 1 0 1 8 7 8 6 ； E - ma i l s l y h s v i p ． s i n a ． c o m。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 6卷 第 1期 李公让等 超 高密度 高温钻井液流变性影响因素研究 1 3 j 粤 老化温度， ℃ 图 3 老化 温度对膨 润土浆流变参 数的影响 2 重 晶石粉 粒 度级 配 研究表明 ， 在重晶石的密度一定 的情况下， 重 晶石的粒度分布是影响钻井液沉降稳定性的主要因 素 之一 。 2 ． 1 粒度级配实验 将重晶石粉 分成粒径分别 为 0 ． 0 3 8 5 ～0 ． 1 5 4 mm 和小 于 0 ． 0 3 8 5 mm 的 2种产 品 ， 通 过改 变 这 2 种产 品 的配 比 ， 探 索 粒 度 级 配 对 钻井 液 流 变 性 的影 响规律 ， 结果见表 1 。实验选用胜科 1井 现场使 用 的重 晶石粉 加重 钻井 液 ， 使 该 钻井 液 密 度 约 为 2 ． 6 6 g ／ c m。 ， 钻 井液 配 制 好 后 在 1 8 0。 C下 老 化 1 6 h 。 由 表 1 看出 ， 重晶石粉颗粒粒度分布较为集 中的 1 和 6 配方钻井液的黏度很高， 随着重 晶石粉颗粒粒度 分布范围变宽 ， 钻井液的黏度降低且存在最小值 。 表 1 重 晶石粉的粒度级配 实验 1 8 O℃ 、 1 6 h 注 密 度 差 为 经 高 温 老 化 的钻 井 液 静 置 2 4 h后 测 得 。 2 ． 2 机理分析 1 流变性。固相含量较高时 ， 粗颗粒能够参与 体系结构的形成， 特另 4 是老化后出现类似于絮凝的 现象 。这可能是 由于粗颗粒尺寸比处理剂分子尺寸 大的多， 很多处理剂与颗粒表面结合后 ， 形成 以粗颗 粒为 核心 的毛 球 ， 当粗颗 粒 的含量 高 于一定 程度 后 ， 这些毛球之间相互作用 ， 搭建成结构。另外 ， 加工 出 的粗颗粒形状不规则 ， 它们之间的摩擦 阻力大大增 加 。以上 2 者是造成颗粒粒度较大时钻井液的黏度 和切力都很高的主要原因。 2 稳定性。加重剂颗粒粒度较大时， 钻井液沉 降稳定 性很差。完全 由粒径 为 0 ． 0 3 8 5 ～0 ． 1 5 4 0 mm 的颗粒加重的钻井液在老化前静置后的沉降现 象比较严重 ； 随着粒径小于 0 ． 0 3 8 5 mm颗粒 配 比 的增多， 钻井液的稳定性有很大的改善 ， 当其 比例大 于 5 0 后， 钻井液 的沉降稳定性 已经非常好。这也 说明， 只有 当固相颗粒与体系结合紧密后， 才能稳定 悬浮于钻井液 中， 单独从切力值判断高密度钻井液 的沉降稳定性是不合适的。 3 由于加重剂颗粒粒度较大时 ， 不参与滤饼的 形成 ， 因此对滤失量和滤饼质量的影 响不大。随着 粒径小的颗粒 比例增加 ， 参与形成泥饼 的加重剂 固 相颗粒逐渐增多 ， 从而破坏了膨润土浆泥饼的结构 ， 使滤失量有所增加。为了配制流变性和滤失性较好 的超高 密度 钻井 液 ， 建 议加 重剂 中粒 径为 0 ． 0 3 8 5 ～ 0 ． 1 5 4 0 mm 的颗粒 比例为 1 0 ～5 0 ， 粒径小于 0 ． 0 3 8 5 mm 的颗 粒 比例为 5 0 ～9 O 。 3 高密度钻井液 自由水 实验探 索 自由水在体系 中的流动能力很强 ， 可用高速离 心机把稳定钻井液中的 自由水分离出来 。其原理就 是通过控制离心力使钻井液 中的 自由水脱 离出来 ， 而尽量不影响处理剂、 加重剂 和其他 固相表面的束 缚 水 。以此定 性 比较 同样 条件下 配制 的钻 井液 中 自 由水的含量多少 ， 把 自由水的量 与各实验浆的流变 性 联 系起来 ， 从而 验 证 自由水 含量 对 钻 井 液 的 流变 性 影 响规律 。 3 ． 1 转速及离心时问确定实验 首先配制 2种不同密度的钻井液 ， 用注射器准 确 量取 2 3 mL钻井 液 ， 然 后 在 不 同转 速 、 不 同 时 间 下进行离心分离 ， 从而确定分离 出钻井液中 自由水 的转速 和离 心时 间 ， 结 果见 表 2 。在钻 井 液 配方 中 ， 以 2 膨润土浆为基浆 ， 重晶石中粒径为 0 ． 0 3 8 5 ～ 0 ． 1 5 4 0 mm的颗粒 比例为 2 0 ， 粒径小于 0 ． 0 3 8 5 mm 颗粒 的 比例为 8 O 。由表 2可知 ， 当转 速为 8 0 0 r ／ mi n时， 即使增加离心时间 ， 分离出的液体仍 比较多 ， 而且液体 比较浑浊 ， 说明分离出的液体 中仍 含有处理剂或固相 ； 当转速达到 2 0 0 0 r ／ mi n 、 离心 时间超 过 1 0 mi n后 ， 随 着 离 心 时 间 的增 加 ， 分 离 出 的液体体积几乎不再改变 ， 而且液体呈透明状 ， 这表 明钻井液中的 自由水基本被分离 出来 了。从而确定 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 4 钻 井 液与 完 井 液 2 0 0 9年 1月 自由水分离 的实验条 件 为 2 0 0 0 r ／ mi n 、 1 0 mi n 。 表 2 转速及离心时间确定实验 3 ． 2自由水影响因素实验 通过改变高密度钻井液中膨润土、 处理剂和重 晶石粉的含量 ， 分别考察 它们对高密度钻井液 自由 水 含 量 以及 流 变 性 的 影 响规 律 ， 实 验 结 果 见 表 3 。 从表 3可知 ， 随着 自由水含量 的降低 ， 塑性黏度逐渐 增加 ， 表 明钻井液 中自由水含量与流变性关系密切 ， 自由水量越多， 钻井液 的流变性越容易控制。重 晶 石加量越多 ， 单位体积钻井液中自由水含量越少 ， 因 为固相越多 ， 固相表面积越大， 因此被束缚住的水分 子就越多。J L 一 2 8也参与了对 自由水的束缚。 表 3自由水影响 因素 实验结果 4 超 高密度钻 井液配方优化 超高密度高温钻井液流变性 的调控技术措 施 为 ①控制膨润土含量在合适的范围， 在满足钻井液 性能要求的前提下 ， 尽可能降低膨润土含量 ； ②在满 足钻井液密度的前提下， 调整不同粒径重 晶石的 比 例 ； ③应用抗高温流型调节剂控制其加量 。 通过正交实验对超高密度高温钻井液配方进一 步优化， 最终得到钻井液配方如下， 该配方在 1 8 0℃ 下 老化 1 6 h后 的性 能见 表 4 。 2 膨 润 土 0 ． 2 J L 一 2 8 2 S D- I O I 2 S D 一 2 0 2 0 ． 2 9 ／ 6 X Y 一 2 7 1 F T一 2 重 晶石 ， 重 晶 石 中粒径 为 0 ． 0 3 8 5 ～ 0 ． 1 5 4 0 mm 的颗 粒 比例 为 2 O ， 粒径小于 0 ． 0 3 8 5 I T l m颗粒的比例为 8 0 。 表 4 超高密度高温钻 井液优化配方性能 5认 识 与 结论 1 ．配制超高密度钻井液需要严格控制膨润土 用量。钻井液的密度越高 ， 膨润土含量应当越低 ， 从 而更容易控制其流变性。 2 ．重 晶石 粒 度 分 布 明 显 影 响 钻 井 液 的 流 变 性 和滤失性。配制超高密度钻井液时， 建议重晶石 中 粒 径为 0 ． 0 3 8 5 tO ． 1 5 4 0 mm 和粒 径 小 于 0 ． 0 3 8 5 mm 颗粒 的 比例分别 为 1 0 ～5 0 9 ／ 5 、 5 0 ～9 O 。 3 ．高密度钻井液 自由水试验探索结果表 明， 自 由水含量与钻井液的黏度 紧密相关 ， 重晶石加量对 自由水 含量 影 响最大 。 参 考 文 献 [ 1 ] 鄢捷年． 钻 井液 工 艺学 t- M] ． 东 营 石油 大学 出 版社 ， 2 0 00 5 7 8 7 E 2 ] 徐同台 ， 陈乐亮 ， 罗 平亚． 深井 泥浆 I- M] ． 北 京 石油工 业出版社 ， 1 9 9 4 9 - 1 9 [ 3 ] 赵胜英 ， 鄢捷年 ， 丁彤伟 ， 等． 抗 高温高密度水 基钻井液 高温高压流 变性 研 究 [ J ] ． 天 然气 工 业 ， 2 0 0 7 ， 2 7 5 7 8 8 1 E 4 ] 蒲晓林 ， 黄林基 ， 罗兴 树． 深 井高密度 水基 钻井 液流变 性 、 造壁性控制原理． 天然气 工业 ， 2 0 0 1 ， 2 1 6 4 8 5 3 [ 5 ] 王富华 ， 王力 ， 张炜徽． 深井水 基钻井 液流 变性调 控机 理研 究． 断块油气 田， 2 0 0 7 ， 1 4 5 6 1 6 4 [ 6 ] P a u l F L， R o s s i S ． Th e C o l l o i d a l a n d Rh e o l o g i c a l P r o p e r t i e s o f B e n t o n i t e S u s p e n s i o n s ． Ad v a n c e s i n C o l l o i d a nd I nt e r f a c e S c i e nc e，19 99，82 4 3 9 2 [ 7 ] 马勇 ， 崔茂荣 ， 杨冬梅 ， 等． 加重剂对水基钻井液 润滑性 能的影 响研究 ． 天然气工业 ， 2 0 0 5 ， 2 5 1 0 4 8 6 0 收稿 日期 2 0 0 8 - 1 0 1 3 ； HG F0 9 0 1 N 9 ； 编辑 王小娜 5 5 O O ． ． ． 2 7 8 4 1 3 4 3 8 7 5 O 5 6 1 4 6 6 4 2 2 2 2 2 4 9 O 8 5 5 8 O O O O O 0 O O 5 5 O 0 O O 1 6 4 6 8 8 6 ． ． ． 8 5 2 O 0 O 1 3 1 3 5 O 5 ． ． ． ． O 7 3 O 0 O O ． ． ． 7 6 O O O O O 5 5 2 2 4 4 8 9 1 6 6 O 0 R 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m