高密度钻井液稳定性和流变性控制技术.pdf

第 2 8卷 第 3期 2 0 1 1 年 5月 钻井液与完井液 DRI LLI NG FLUI D C0M PLETI ON FLUI D V_0 1 ． 2 8 No． 3 M a V 201 1 文章 编号 1 0 0 1 ． 5 6 2 0 2 0 1 1 0 3 ． 0 0 0 5 0 4 高密度钻井液稳定性和流变性控制技术 匡韶华 ， 蒲晓林 ， 柳燕丽 1 ． 辽河油田钻采工艺研究院，辽宁盘锦 ； 2 ． 西南石油大学 C NP C钻井液重点实验室，成都 摘要从胶体化学原理以及微观流体力学的角度分析了水基固相悬浮液分散稳定机理及流变性机理，并由此 提出了高密度钻井液稳定性和流变性调控技术思路，指出通过采用特殊处理剂吸附在加重剂颗粒表面，增大其表 面斥力是改善高密度钻井液稳定性和流变性的重要方法。优选 出了一种润滑分散剂GR，评价 了该处理剂对加重剂 表面Z e t a电位的影响， 以及对钻井液悬浮性和流变性的影响。评价结果表明， 该处理剂可增大加重剂表面Z e t a电位， 并能改善高密度水基钻井液的悬浮性和流变性。根据所提出的调控高密度钻井液的技术思路， 以G R为关键处理剂， 优选出了密度为 2 ． 8 0g ／ c m 的水基钻井液，该体系具有良好的稳定性和流变性，从而验证了该调控思路的可行性。 关键词 高密度钻井液 ；悬浮稳定性 ； 流变性 ； 机理研究 中图分类号T E 2 5 4 ． 3 文献标识码 A 0 引 言 影响高密度钻井液性能的因素很多，而加重 剂颗粒对钻井液稳定性和流变性的影响最 突出 [ 1 - 3 1 。 要求高密度钻井液在较低的液相黏度和切力下仍具 有良好的稳定性， 这就需要分析悬浮液的稳定机理。 此外，悬浮体的流变特性反映其宏观性质，它很大 程度上依赖于流体的微观结构。随着悬浮液颗粒浓 度的增加 ，颗粒间的相互作用增强 ，颗粒运动 的阻 力增大，从而使悬浮体的黏度增加。因此了解悬浮 液分散稳定性及流变性机理对研究控制高密度水基 钻井液稳定性和流变性的方法有重要的指导作用。 高密度钻井液由于膨润土含量低，固相含量高，其 稳定性和流变性机理不同于传统的低密度钻井液体 系，有关这方面的理论研究 目前还不够深入 [ 4 】 。从 胶体化学原理以及微观流体力学 的角度分析水基固 相悬浮液分散稳定机理及流变性机理 ，并提 出了改 善高密度水基钻井液稳定性和流变性的技术思路。 固相颗粒在水 中保 持稳定 以及 对流变性 的影 响，从微观上讲是受到颗粒问相互作用的影响，而 颗粒间的相互作用又是通过其表面力来实现的。颗 粒表面力由吸引力和排斥力2 组相反的作用力构成， 吸引力主要是范德华力 ，排斥力包含静 电斥力 、空 间位阻作用力和溶剂化层作用力。悬浮体的稳定性 和流变性的调控正是通过改变这些作用力的大小来 实现的。 1 高密度钻井液悬浮稳定性调控机理 1 ． 1 固体悬浮液分散稳定理论 研究胶体分散稳定性的经典理论 DL VO理论认 为，带电粒子之间存在着 2 种相互作用力 双电层 重叠时的静电斥力和粒子问的范德华吸引力，它们 的相互作用决定了颗粒的稳定性。当吸引力 占优势 时，胶体粒子发生聚沉 ； 而当排斥力占优势，并大 到足以阻碍颗粒 由于布朗运动而发生碰撞聚沉时 ， 则颗粒处于稳定状态。所以颗粒的稳定性取决于粒 子间的范德华力 和静 电斥力 ，体系平衡 时的 总能量为 2者之和 ，即 。 在实际的高密度水基钻井液中，颗粒的相互作 用与环境介质性质 、颗粒表面性质及润湿性有着密 切关系 ； 还与颗粒表面覆盖的吸附层的成分、覆盖 率、吸附强度、厚度等有关。颗粒间除存在上述 2 种相互作用力外 ，还存在着其它作用力 ，因此经典 第一作者简介 匡韶华，1 9 8 5 年生，现在主要从事钻井液与完井液方面的研究工作。地址 辽宁省盘锦市兴隆台区惠 宾街 9 1 号钻采工艺研究院防砂中心 ；邮政编码 1 2 4 0 1 0； E ma i l k u a n g s h a o h u a 1 6 3 ． t o m。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 钻 井 液 与 完 井 液 2 0 1 1 年 5月 的 DL VO理论显然并不适用于预测水 中极性颗粒的 分散稳定性 。于是提出了扩展的 DL VO理论 ，用它 来估计水溶液中极性颗粒之间的总作用势能 ，并 由 此来预测高密度水基钻井液这种悬浮液的稳定性。 扩展的 DL VO理论可表述如下 1 式 中， 、 、 、 i 和 分别代表总作用势能 、 范德华力势能 、双 电层势能 、空间位 阻势能以及溶 剂化作用势能 。 1 ． 2 高密度水基钻井液稳定性调控技术思路 要提高加重剂在钻井液 中的悬浮能力 ，一方面 要求钻井液具有较高的动切力和静切力 ； 另一方 面 要求加重剂在钻井液中具有很好的分散性。在改善 加重剂悬浮性 的研究 中，传统的思路是在钻井液 中 加入结构稳定剂，如黏土或聚合物增黏剂，来强化 钻井液的空间网状结构 ， 增强对加重剂 的负载能力 ， 使加重钻井液的动力稳定性变好。而使用这种方法 使悬浮性得到改善的同时 ，往往使钻井液的流变性 变差 ，不适应于高密度钻井液 ，所 以必须从另一种 思路来改善高密度水基钻井液的悬浮稳定性。 DL VO理论认为必须增强颗粒问的排斥作用能 ， 才能使颗粒保持分散稳定 ， 而通过分析 扩展 D L VO 理论模型 ， 得出增强排斥作 用能的主要方 式如下 ①增大颗粒表面电位的绝对值，以提高颗粒问静电 排斥作用 ； ②通过高分子分散剂在颗粒表面形成 吸附层，产生并强化位阻效应，使颗粒问产生强位 阻排斥力 ； ③增强颗粒表面对分散介质的润湿性 ， 以提高界面结构化，加大溶剂化膜的强度和厚度， 增强溶剂化排斥作用 。能够 同时实现以上 3种作 用 的一个重要方法就是采用一种特殊的处理剂 ，通 过吸附在加重剂颗粒表面 ，利用其离子基团增大颗 粒表面的电动电位 ，利用 自身的分子结构提高位阻 效应，利用极性基团来提高溶剂化效应。这 3 种作 用 的综合效应增大 了颗粒表面排斥能 ，阻止了颗粒 聚结 ，从而增强其在钻井液 中的分散性和悬浮性。 2 高密度钻井液流变性调控机理 2 ． 1 非有效流动颗粒模型 影响悬浮液黏度的重要因素是悬浮液中固体颗 粒 的体积分数。而 固相之 间以及 固相与液相之问的 物理 、化学作用可 以造成悬浮液 中固相容积分率增 大。这些作用可分成如下 3 类。①溶剂化层。加重 剂颗粒的极性表面及其带电性 ，强烈吸附极性 的水 分子 ，使靠近颗粒表面 的水分子形成结构化水膜 ， 这层水膜牢固地束缚在颗粒表面上，相当于增大了 固相容积分率。②颗粒问沉积液。V a n d 认为在稍浓 的悬浮液 中，任何时刻总有一部分颗粒在碰撞 ，碰 撞 中有一部分液体处 于不能 自由流动状态 ，这部分 液体叫沉积液，沉积液的存在也相当于增大了颗粒 的容积分率，浓悬浮液中的沉积液的容积分率比原 来增加了3 5 ％l5 ]。③颗粒间束缚水。固相颗粒浓度 增大到一定程度后 ， 颗粒之间会形成空间网状结构 ， 此时其颗粒 网格中束缚了大量 的 自由水 ，这一部分 水就是束缚水。这 3 部分液体失去了自由流动的特 征 ， 与固相颗粒一起被称为非有效流动相 见图 1 ， 相当于增大了体系的固相体积分率 。 沉积液 自由水 溶剂化水 固相颗粒 图 1 浓悬浮液内部结构 束缚水 2 ． 2 高密度水基钻井液流变性调控技术思路 由上述分析推导 出能够反映高密度钻井液黏度 原理的表达式 。根据悬浮液黏度理论 可知 ，悬浮 液 的黏度与能量消散 的速度有关 ，单位体积悬浮液 中非有效流动相体积分数越大，能量消散的速度就 越慢 ，悬浮液的黏度就越大。因此 ，悬浮液 的黏度 与体系 中非有效流动相体积分率成正 比 叩 。 l1 一 。 f f 8 E 2 式中， 。 为有效流动相体积分率 ； 为固相体积 分率 ； 为溶剂化层体积分率 ； 为束缚水体积 分率 ； 为沉积液体积分率。 根据钻井液流变参数的胶体化学意义，可令 B in h a n m模型中的塑性黏度等于式 2 的黏度，则 钻井液悬浮体系的总黏度可以写作 叩 t／ r ／ o J 6 E 叩 G 3 式中，r／ 为悬浮液结构黏度。该式可以作为高密 度水 基钻井 液的黏度模 型。公式 3比较清楚地 反映出高密度水基钻井液黏度产生 的原因。根据该 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第2 8 卷 第3 期 匡韶华等高密度钻井液稳定性和流变性控制技术 7 表达式可以确定高密度水基钻井液流变性调控的思 路如下 ①降低膨润土的含量，从而减小 、 、 、 和 r ／ 。； ②采用高密度的加重剂减少总固相含 量 ，从而减小 妒 、 、 、 。 和 r ／ 。； ③采用粒度级 配技术 ，从而减小 ； ④用铁矿粉与重 晶石复配加 重 ，不但可减少加重剂的加量 ，又起到 了颗粒级配 的作用，从而减小 、 和 ； ⑤使用高效处理 剂以减少处理剂 的种类和加量 ，从而减小 ； ⑥ 避免使用分子量很高的聚合物处理剂，从而减小 和 ； ⑦增大颗粒的表面斥力 ，减小颗粒聚集程度 ， 从而减小 和 i,7 G 。 3 稳定性、流变性控制室 内实验 优选 出了一种润湿分散剂 G R。该处理剂可通 过化学吸附和化学螯合作用吸附在加重剂颗粒表面 上 ，改变颗粒表面性质 ，增大加重剂颗粒问的排斥 力，从而改善高密度水基钻井液的悬浮稳定性和流 变性 。 3 ． 1 G R的性能评价 3 ． 1 ． 1 对加重剂 ∈电位的影响芦 向浓度为 0 ． 2 g ／ c m 。 的重晶石和铁矿粉悬浮体 中分别加入不同量 按照悬浮液的体积百分 比 的 G R对加重剂进行处理，并用 Z e t a P r o b e 电位仪测其 电位 ，发现在加入不同量的 G R下的加重剂 ∈电 位有明显的区别 ， 实验结果见表 1 。 从表 1 可以看 出， 加入 G R后，铁矿粉表面 ∈电位由正值变为负值 ； 随 GR加量增 大 ，加 重剂表面 ‘电位的绝对值 明 显增大 。 表 1 加重剂表面 ‘电位随 G R加量的变化 注 GR的加量为 mL ／ 1 0 0mL 。 3 ． 1 ． 2 对钻井液悬浮性的影响 考察润湿分散剂 G R在不同密度钻井液中对加 重剂悬泽I生 能的影响，通过测定钻井液静置 1 2 h 前 后的密度差来衡量悬泽l生 的好坏，实验结果见表 2 。 由表 2 可以看出， 在不同密度钻井液中加人 G R后， 钻井液静置 1 2 h 前后的密度差显著减小，钻井液的 悬浮稳定性有了明显提高，说明 G R能很好地提高 钻井液 的稳定性 。 表 2 GR对重 晶石悬浮性能的影响 注 基浆 3 ％膨润土 0 ． 3 ％Na O H 0 ． 3 ％P A C L V 3 ％S MP 一 2 3 ％S P NH 2 ％润滑剂 加重剂 铁矿粉 重晶石 1 1 。 3 ． 1 ． 3 降黏效果 1 降黏效果评价方法。降黏剂的降黏效果一 般用参数D I 表示，其计算公式如下 DI [ 1 0 0 1 0 0 1 o 0 】 1 0 0 ％ 4 在使用六速旋转黏度计时， 。 。 可以代表环空 流动阻力 ，但无明确 的物理意义。因此张 国钊 [ 7 建 议增加具有明确物理意义的动切力的降低率作为表 示降黏剂降黏效果的参数，计算公式如下 Y I [ Y P Y P ／ Y P ] 1 0 0 ％ 5 式中，Y P 、Y P为未加降黏剂和加降黏剂钻井液 的 动切力 ，P a 。 2 实验结果与讨论。目前国内常用的各种降 黏剂和 G R在高密度钻井液中的稀释效果见表 3 。 表 3 不 同降黏剂 的降黏效果评价结果 注 基浆 3 ％膨润土 0 ． 3 ％Na OH 0 ． 1 ％XC 3 ％S MP 一 2 0 ． 3 ％P AC ． L V 3 o， 。 、 ． ． o Ca c 0 3 2 ％润滑剂 加重剂 铁 矿粉 重晶石 1 1 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 8 钻 井 液 与 完 井 液 2 0 1 1 年 5月 G R和抗高温硅氟稀释剂 S F 2 6 0 为液态，可直 接加入 到钻井液 中，而 XY - 2 7和 S MT为 固态 ，一 般需要配成碱液使用。X Y - 2 7 碱液和 S MT碱液的 配制方 法 按质量 比计算 为 XY - 2 7 Na O H H， O 4 1 0 1 00， S M T Na OH H2 O4 0 1 0 1 0 0。 由表 3可 以 看 出，在 未 加 重 钻 井 液 中，S F 一 2 6 0 、 X Y - 2 7 碱液和 S MT碱液以及 G R都具有很好的降 黏 度和 切力 作 用 ；但 是在 加 重钻 井液 中 S F 一 2 6 0 、 XY - 2 7碱 液 和 S MT碱液 的降 黏效 果很 差 ，XY - 2 7 碱液甚至还出现增稠现象，而 G R的降黏效果极 好 。这是 因为 S F ． 2 6 0 、X Y - 2 7和 S MT主要是 通过 拆散黏土结构或聚合物结构而降黏的，不能降低重 晶石颗粒之间的摩擦阻力 ，而 G R不但能够拆散黏 土结构 ，还能通过改变加重剂颗粒表面性质而降低 内摩擦 阻力 。因此 ，G R适用于高密度水基钻井液 体系。 3 润湿分散剂 G R的降黏效果。配制 2 组密 度均为 2 ． 5 0 g ／ c m。 的钻井液 ，一组加入 3 ％G R，另 一 组不加，其热滚后的流动形态如图 2 所示。由此 可知 ，未加 G R的钻井液高温后严重稠化 ，已基本 失去流动性，状态介于流体一膏状之间 ； 而加有 G R钻井液的密度达到 2 ．5 0 g ／ c m 时，仍具有较好 流动性， 说明 G R具有非常好的改善流变性的作用。 一 一 a 未加 G R的体系 b 加 GR的体系 图2 高密度钻井液热滚后的流变形态 3 ． 2 超高密度淡水基钻井液体系研究 以 GR为主处理剂 ，用无黏土胶液 、重 晶石和 铁矿粉复配加重剂配制了一 种密度高达 2 ． 8 0 g ／ c m 的超高密度淡水基钻井液 ， 其配方如下 ， 性能见表 4 。 淡 水 0 ． 0 5 ％ 聚 合 物 增 黏 剂 A P G E L 一 1 8 0 ． 3 ％ 聚 合 物 降 滤 失 剂 3 ％～7 ％ 树 脂 降 滤 失 剂 3 ％～7 ％ 褐煤降滤失剂 5 ％G R 3 ％～7 ％ 高效 封堵 防塌剂 5 ％超细 C a C O 重晶石 铁矿粉 1 3 从表 4可以看出 ，配制出的超高密度淡水基钻 井液具有 良好的稳定性 、流变性 、滤失造壁性和抗 温能力 ，再次验证 了以上思路的可行 I生。 表 4 密度为 2 ． 8 0 g ／ c m 钻井液的性能 4结论 与 建议 1 ． 固相颗粒间的吸引力和排斥力是影响高密度 钻井液稳定性和流变性的重要因素 ，采用一种特殊 处理剂通过 吸附在加重剂颗粒表面，增大颗粒问的 表面斥力可以有效改善稳定性和流变性 。 2 ． 提出了调控高密度钻井液稳定性和流变性的 思路 ，通过实验验证 了该 思路的可行性 ，对高密度 钻井液的机理研究以及体系调控具有指导意义。 3 ． 需要进一步开发能显著增大加重剂颗粒表面 斥力的高效处理剂 ，从而在复杂环境下更有效地控 制高密度钻井液的性能。 参 考 文 献 [ 1 ] 李公让，赵怀珍，薛玉志，等 ． 超高密度高温钻井液流 变性影响因素研究 [ J ] ． 钻井液与完井液， 2 0 0 9 ， 2 6 1 1 2． 1 5． [ 2 ] 匡韶华，蒲晓林 ，柳燕丽 ． 超高密度水基钻井液失水造 壁控制原理探讨 [ J 】 ． 钻井液与完井液 ， 2 0 1 0 ， 2 7 5 8 - 1 1 ． [ 3 ] 张军，罗健生，彭商平 ，等 ． 川东北地区抗高温超高 密度钻井液研究 [ J ] _ 钻井液与完井液，2 0 0 9 ，2 6 2 3 9 42． 【 4 ] 蒲晓林，黄林基，罗兴树 ，等 ． 深井水基高密度钻井液 流变性造壁性控制原理 [ J ] ． 天然气工业 ， 2 0 0 1 ， 2 0 6 48 51 ． [ 5 ] Mi s r a M． E f f e c t s o f p a r t i c l e p r o p e r t i e s o n t h e R h e o l o g y c o n c e n t r a t e d n o n c o l l o i d a l s u s p e n s i o n s [ J ] ． J o u r n a l o f Rh oc ol og y， 1 99 2，3 6 51 - 5 5． [ 6 ] 曾埙 ． 固体颗粒度分布对浓悬浮液流变特性的影响 [ A】 ． 流变性进展 [ c ] ． 学术期刊出版社，1 9 8 6 3 9 8 ． 4 0 0 ． 【 7 ] 张国钊，何耀春 ，邓若芝 ． 关于评价钻井液降黏剂使用 的基浆的讨论 [ J ] ． 油田化学，1 9 9 8 ，1 5 4 3 0 8 3 1 2 ． 收稿 日期2 0 1 0 ． 1 2 1 7 ；HG F I 1 0 1 N2 ；编辑 王小娜 2 1一 ； 0 ／ ／一 5 一一J r 1 ． 1 - 1 、 |n一 一 i则 l 1一 L 、 i O 5一 一 一 2 1 一 9 l ． 0 一 O 0 一 一 温 『 一 常 一注 ～ 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m