国外油基钻井液提切剂的研究与应用进展.pdf

第 2 9卷 第 5期 2 0 1 2年9月 钻井液与完井液 DRI LLI NG FLUI D CoM PLETI oN FLUI D 、 ， o 1 ． 2 9 No． 5 Se p t ． 2 01 2 【 专论 】 国外油基钻井液提切剂的研究与应用进展 冯萍， 邱正松 ， 曹杰， 刘智成 中国石油大学 华东 石油工程学院，山东东营 冯萍等 ． 国外油基钻井液提切剂的研究与应用进展 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 o 1 2 ，2 9 5 8 4 8 8 ． 摘要采用有机土调控油基钻井液流变性，存在活化慢、易高温稠化失效的弊端。以油基钻井液提切剂部分 或全部替代有机土能有效解决该问题。在调研国内外文献资料的基础上，综述了油基钻井液提切剂分子结构的发 展变化，分析了其通过形成氢键和分子间缔合提高钻井液低剪切速率黏度的作用机理，介绍 了其性能评价参数和 测试低剪切速率动切力 y P的新型4刃转子，将钻井液的L S Y P值控制在 3 ． 6 ～7 ． 7 P a之间，能防止钻屑和重 晶石沉降。最后，以恒流变油基钻井液、微泡油基钻井液等为例，介绍了提切剂的应用和效果。 关键词 油基钻井液 ； 提切剂 ； 研究进展 ； 性能评价 ； 应用 中图分类号 T E 2 5 4 ． 4 文献标识码A 文章编号 1 0 0 1 ． 5 6 2 0 2 0 1 20 5 0 0 8 4 0 5 0 引 言 随着现代钻井技术 的发展 ，油基钻井液因其具 有润滑性好 、抑制性强 、对地层伤害小等优 良性能 成为各种复杂地层钻探 的重要手段。但是油基钻井 液切力小 ，悬浮性差 ，可能形成岩屑床 [ 1 ] ，因此 ， 切力是 决定油基 钻井液性 能的关键 流变性参数之 一 ，直接影响到携岩效果 、重晶石沉降 、当量循环 密度、激动压力和抽吸压力等。只有适当控制切力 并保持其稳定 ，才能成功钻探复杂井 ，尤其是深水 井 、高温高压井和安全密度窗 口窄的井段 [2 ] 。 早期作为油基钻井液 的增黏提切剂 ，有机土被 广泛使用 。但是 ，有机土易高温稠化、降低油基钻 井液的使用寿命 ，减小油基钻井液的固相容量，污 染低渗透储层 。随着环境保护要求 的 F t 益严格 ，合 成基油取代柴油后 ，这些问题更加突出。 另外 ，随着石油工业的发展 ，低渗透油 田的勘 探开发力度加大 ，对油基钻井液 的要求更高 ，相继 出现油基泡沫钻井液 、恒流变油基钻井液 、弱凝胶 油基钻井液 [3 等。这些新的油基钻井液的实现，离 不开有机土的替代品提切剂 。国外的油基钻井 液用提切剂的研究从 2 0世纪 7 0年代开始 ，到 目前 已经取得技术上 的突破 ，申请 了多项专利。而 中国 目前还未有该剂 的研究报道 ，只是在少数合成基油 钻井液的研究中，使用了提切剂 『l _ 。商业化的产品 少 ，效果也不尽人意。因此 ，了解 国外油基钻井液 用提切剂 的研究和应用状况 ，有利于推动中国学者 对提切剂的研究 。 1 油基钻井液专用提切剂的进展 提切剂在涂料 、染料和油墨等产品中被广泛地 应用 [ 4 - 8 ] ，但是 ，这些提切剂不能承受钻井过程中的 苛刻条件 。因此 ， 许多学者有针对性地展开了研究 ， 开发了多种油基钻井液专用提切剂。 最早， 使用小分子极性物质作为有机土增效剂， 以促进有机土在油基钻井液 中的分散 、活化 [ 9 ] ，如 丙酮 、甲醇 ／ 水 、乙醇 ／ 水 、己二酮 、丙烯碳酸酯 、 二 甲基 甲酰胺 、1 ， 一 丁酸内酯等 [ 1 0 - 1 5 ] o这些小分子物 质提切效果往往不能满足要求 ； 随后 ，开展 了高分 子型提切剂 的研究。 1 9 8 8年 ，A r v i n d D P a t e l [ 1 印在常规油基钻井液 基金项 目 国家自然科学基金项 目 “ 页岩气储层保护机理及方法研究” 4 1 0 7 2 0 9 4 o 第一作者简介 冯萍，高级工程师，1 9 7 0年生， 现在从事油气井化学与工程专业。地址 山东省东营市东营区北一路 7 3 9号 ；邮政编码 2 5 7 0 6 1；电话 1 3 1 2 7 2 4 8 8 2 3； E ma i l n g p i n g 8 7 8 6 1 3 0 1 6 3 ．c o m。 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 8 6 钻 井 液 与 完 井 液 2 0 1 2年 9月 2 提 切剂 的作 用机理 早期研究认为 ，提切剂通过增加钻井液黏度实 现提高体系切力的目的，因此，提切剂应为固体或 者异常黏稠液体 [ 1 9 ] o随着研究的深入 ，上述观点被 推翻。新观点认为 产品 中的极性基团 ，如一O H、 一 C ONH 2 、一oC O NH 一 、一C ONH C 0 一 或 一 c ONH 一 、通过静 电引力或氢键与其他基 团相互 作用 ，形成 比表面积大的网络结构 ，而分子中的长 烷基直链之间也可 以通过缔合作用形成三维网络结 构 ，实现增黏 、提切的 目的。因此 ，最新研 制的提 切剂 ，自身黏度不高。 3提切 剂 的性能评价 3 ． 1 评价参数 添加 提切剂 的 目的是提高 油基钻井 液 的切力 和改善防沉降l生 能，但塑性黏度的增量应小，以保 证 钻进速度。因此 ，评 价提切剂依 据的是 AP I R P 1 3 B 一 2 ，测试 的参数有塑性黏度 、动切力和静切力 。 研究 人员 发现 ，以上参数 不能全 面 、准确 地 评价油基钻井液 的低剪切流变性 ，认 为 以 仍 和 读值 或 低剪 切速 率动 切力 L S Y P参 数评 价更 准确 L S Y P 2 o 一‰ 。但是受 F a n n 3 5黏度计测量范 围 和精度限制 ，上述参数测量结果准确度欠佳 ，因此 研究人员采用 B r o o k f e i l d L V T黏度计 ，以该仪器在 3 0 r ／ mi n 、3 r ／ mi n 、0 - 3 r ／ mi n下的读数 ，或剪切稀释 性 指数 S T I D D l 】 ，布什黏 度计 0 ． 5 r ／ mi n黏 度与 1 0 0 r ／ mi n 黏度 比值 口 。 表征提切剂的性能。 M I 公 司的D a v i d P o w e r 推荐使用特制 的4 3 r r llT l x 7 ．5 r n lT l 的 4 刃转子 如图 6 所示 ，仪器为 B r o o k f e i l d 黏度计 ，转速为 0 _ 3 r ／ mi n ，该条件下的测试结果是 评价提切剂性能的最佳参数 ] 。 图 6 4刃转子 4 3 n l l n7 ． 5 mm 3 ． 2 提切剂的评价 为了考察含有憎水基的酯的提切效果 ， J e f f r e y J ． Mi l l e r t 配制了油水 比为 6 0 4 0的加入不同量提切 剂的油包水钻井液 ，在 1 2 0 q C 热滚 1 6 h后 ，测试其 流变性能 ，如表 1 所示 。该钻井液配方如下 。 0 空 白 E x x o n公司的石蜡基油 E S C A I D 1 1 0 C a C 1 ， 水溶液 2 ． 3 ％ 乳化剂 0 ． 8 ％ R E MO D增黏 剂 0 ． 8 ％ 石 灰 0 ． 4 ％ 降 滤 失 剂 1 ． 4 ％ T AU MOD 增黏剂 5 ． 7 ％钻屑 8 ％线性石蜡基油 1 ． 4 ％碳酸钙 表 1 提切剂加量对 油基钻 井液流 变-眭的影响 由表 1 可知 ，加入提切剂后 ，钻井液流变性和 悬 浮性得 到明显改善 ，其 中悬浮性 改变尤其 明显 ， L S Y P增 量 在 1 5 0 ％～3 5 0 ％之 间 ，动 切 力 增 量 在 3 7 5 ％～6 5 0 ％ 之 间 ，而塑 性黏 度仅 增加 了 5 0 ％～ 7 5 ％。 为 防止重晶石沉降 ， 体系的L S Y P值应在 3 ． 6 ～ 7 ． 7 P a之间。而提切剂对塑性黏度 的贡献值应不大 于其对动切力或低剪切黏度最大贡献值的 3 5 ％，以 保证钻进速度 。 4 提 切剂 的应 用 液体状的提切剂易分散溶解于油基钻井液中， 迅速提高切力和低剪切黏度，对高剪切速率黏度影 响小 ， 目前 已广泛地应用 于恒流变合成基钻井液 [2 、 油基泡沫钻井液 ， 2 5 ] 可逆转油包水钻井液 Ⅲ、气 制油钻井液 、酯基钻井液 ] 。 4 ． 1 热稳定合成基钻井液 2 0 1 0年 ，Da v i d Di n o _2 8 ] 应用提切剂配制出热稳 定合成基钻井液 。该提切剂为混合物 ，包括胺与异 氰酸盐 的反应产物 ，或者多元酸与烷氧基化脂肪胺 或聚氧乙烯醚二胺 的反应产物。该钻井液能在 4 ～ 4 9 c c 范围内保持流变性稳定 ，其高剪切速率黏度的 变化幅度小 于 9 0 ％。配制油水 比为 8 0 2 0的油包 水钻井液 ，配方如下 。 l 2 3 3 mL合成基油 5 8 mL C a C 1 ， 水溶液 l ％ 主乳化剂 O ． 5 ％ 辅乳化剂 1 ％氧化钙 0 ． 6 ％有机 土 重 晶石 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 9卷 第 5期 冯萍等 国外油基钻井液提切剂的研 究与应用进展 8 7 2 1 0 ． 3 ％烷氧基化脂肪胺提切剂 3 2 2 ． 9 ％异氰酸酯提切剂 1 钻井液在 6 5 c I 下热滚 1 6 h ，2 和 3 钻井液 分别在 6 5 和 1 5 0℃下热滚 1 6 h ，钻井液冷却后， 分别在 4 9和 4 c C 下测试 F a n n 3 5黏度计的 读数 ， 结果如表 2 所示。 表 2 提切剂对体系低速率黏度的影响 从 表 2可 以看 出，加 入第 1 种 提切剂 的 2 钻 井液在 6 5℃老化后，随着测试温度变化 ‰读数仅 增加 1 2 ． 5 ％，远远低于传统油基钻井液配方配制 的 1 钻井 液的 4 5 0 ％ ； 但该体 系在 1 5 0℃热滚后 ， 读 数大幅度下降 ； 加入复配提切剂 的 3 钻井液在 6 5℃热滚后，随着测试温度变化， 读数仅增加 2 8 ． 6 ％，在 1 5 0℃热滚后 ，虽 然 仇读数 与 6 5℃热 滚后 的值相 比，有少量增加 ，但是在 4 9和 4 o C 不 同温度下测试，仇读数保持恒定。因此，油基钻井 液加人复配的提切剂 ，悬浮性得 到提高，而且具有 较好 的热稳定性。 4 ． 2 微泡沫钻井液 微泡 沫钻井液 [ 2 3 - 2 5 ] 漏失 量小、密 度低 ，对 地 层侵入的量几乎为零 ，因此成为枯竭油层开发的一 项重要技术。加入提切剂后体系的低剪切速率黏度 L S R V提高至 1 0 0 0 0 ～4 0 0 0 0 mP a S ，可 防止泡 沫聚结合并， 保持体系稳定。优化的油基泡沫钻井液 在委 内瑞拉马拉开波湖地 区VL A1 3 2 1 井井深 2 0 8 9 m处 ，成功取心 1 1 8 ． 8 7 m，并顺利下人 2 4 4 ． 5 r n i n 套管 。此后 ，微泡沫钻井液在美国加利福尼亚和荷 兰的北海海域也获得成功应用 ，已完成几百 口井 的 钻井任务 。 4 ． 3 恒流变钻井液 油基钻井液 中加入提切剂 ，可减少有机土的加 量，增加体系的固相容量。有机土在井底高温作用 下 ，尤其在井眼处受到高速剪切极 易增稠 ，而提切 剂贡献的黏度在此处降低，2 者相互抵消，可防止 体系过度增稠，保持了体系流变性恒定 n 。 4 ． 4 其他钻井液 可逆转油包水钻井液 [ 1 加入多聚羧酸与多元醇 或多元醛合成的提切剂不仅显著提高体系的动塑比 和胶凝强度 ，还有利于体系的电稳定性。气制油钻 井液 [2 中，虽然气制油组分 和性能更稳定 ，但其 黏度和芳香烃含量更低 ，有机土活化慢 ，加入提切 剂才能改善钻井液的流变特性和悬浮特性 ，满足钻 井的需要。酯基钻井液 。 伽 基本都含有提切剂，可 减小温度对钻井液黏度的影响，有利于配制高密度 2 ． 0 g ／ c m 钻井液 。 5 结论 1 ． 随着油基钻井液提切剂的多元化 、多功能化 发展 ，其分子量逐渐增大 ，黏度逐渐下降 ，耐温性 能得到改善。 2 ． 提切剂通过氢键作用，以及分子中长链憎水 基之间的缔合作用，能提高钻井液的低剪切速率动 切力。 3 ． 评价提切剂性能 的参数和设备随着提切剂的 研发也不断改进，低剪切速率动切力 L S Y P能准确 地反映产品的提切力和防沉降 I生能。 4 ． 提切剂 的应用使得新的钻井液技术得 以优化 发展 。 参 考 文 献 [ 1 ] 华桂友，舒福昌，向兴金 ，等 ． 适用于钻水平井的可逆 转油包水钻井液研究 [ J ] ． 国外油田工程 ， 2 0 1 0 ， 2 6 8 5 3． 5 5． [ 2 ] Da v i d P o we r ， Ma r i o Z a mo r a ． D r i l l i n g fl u i d y i e l d s t r e s s M e a s u r e me n t t e c h n i q u e s f o r i mp r o v e d u n d e r s t a n d i n g o f c r i t i c a l d r i l l i n g fl u i d p a r a me t e r s ． AADE一 0 3 - NTCE- 3 5， 2 0 0 3 ． [ 3 ] Ke n n e t h W Oy l e r ，K i mb e r l y J B u r r o ws ， Ga r y C We s t ， e t a 1 ． Di e s e l o i l b a s e d i n v e r t e mu l s i o n d r i l l i n g flu i d s a n d me t h o d s o fd r i l l i n g b o r e h o l e s US，2 0 0 8 ／ 0 0 1 5 1 1 8 A1 [ P ] ． 2 0 0 8 ． [ 4 ] Al mo n G Ho v e y ． Re s i n o u s c o mp o s i t i o n c a p a b l e o f i mp a r t i n g t h i x o t r o p i c p r o p e r t i e s a n d me t h o d o f f o r mi n g s a me US ，3 1 3 1 2 0 1 [ P ] ． 1 9 6 4 ． [ 5 ] Wi l l a r d L Mo r g a n ，E a r l e D Mc l e o d ．F a t t y a mi d e p o l y me r s US ，2 4 1 0 7 8 8 [ P ] ． 1 9 4 6 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 8 8 钻 井 液 与 完 井 液 2 0 1 2年 9月 [ 6 ] D o n E F l o y d ， R o b b i n s d a l e ， D a v i d W G l a s t e r ． P o l y a mi d e r e s i n b i n d e r f o r p ri n t i n gi n k s US ，3 0 3 7 8 7 1 [ P ] ． 1 9 6 2 ． [ 7 】 wi l 1 i a m F r e d e r i c k Ha r t ． S t o r a g e s t a b l e b u t y l a t e d u r e a f o r ma l d e h y d e c r o s s l i n k i n g a g e n t a n d p r o c e s s f o r t h e ma n u f a c t u r e t h e r e o f US ，3 9 5 7 7 3 1 [ P ] ． 1 9 7 6 ． [ 8 ] Ha r o l d E Ma i n s ，F r e d e r i c k R W i l l i a ms ，Wi l l i a m L O ’ Br i e n ． P o l y a mi d e b l e n d s h a v i n g i mp r o v e d p r o c e s s i n g c h a r a c t e ri s t i c s US ，4 0 6 2 8 1 9[ P ] ． 1 9 7 7 ． [ 9 ] Wa y n e T Ma t t i n g l y ． O r g a n o p h i l i c c l a y s p r e a c t i v a t e d wi t h p r o p y l e n e c a r b o n a t e US ，5 1 8 6 7 4 7【 P ] ． 1 9 9 3 ． [ 1 0 ]E d wa r d D Ma g a u r a n ，C h a r l e s A C o d y，Wi l l i a m W Re i c h e r t ，e t a 1 ． Pr e a c t i va t e d o r g a no p h i l i c c l a y g e l l a n t l u b ric a t i n g g r e a s e t h i c k e n e d wi t h p r e a c t i v a t e d o r g a n o p h i l i c c l a y g e l l a n t a n d p r oc e s s f o r p r e pa r i n g p r e a c t i v a t e d o r g a n o p h i l i c c l a y g e l l a n t s US ，4 6 6 4 8 2 0[ P ] ． 1 9 8 7 ． [ 1 1 ]R o s e ma r y0’ Ha l l o r a n ． B e n t o n i t e g r e a s e US ， 2 6 7 7 6 6 1 [ P ] ． 1 95 4． [ 1 2 】P a u l R Mc a r t h y， Al l i s o n P a r k， T h o ma s R O r e m，e t a 1 ． L u b r i c a t i n g c o mp o s i t i o n US ，2 7 0 4 2 7 6[ P ] ． 1 9 5 5 ． [ 1 3 ]C h a r l e s A S t r a t t o n ． O r g a n o p h i l i c b e n t o n i t e b o d i e d l u b r i c a n t c o n t a i n i n g a n i t r o p a r a ffin US ，2 8 3 3 7 2 0 [ P ] ． 1 9 5 8 ． [ 1 4 ]C h a r l e s A S t r a t t o n ． C l a y t h i c k e n e d l u b r i c a n t s a n d t h e p r e p a r a t i o n t h e r e o f US ，2 8 7 9 2 2 9[ P ] ． 1 9 5 9 ． [ 1 5 】J o h n W J o r d a n ． Mo d i fi e d c l a y c o mp l e x e s a n d me t h o d o f p r e p a r a t i o n US ， 2 9 6 6 5 0 6[ P ] ． 1 9 6 0 ． [ 1 6 ]Ar v i n d D P a t e l ，C a r r n e l i t a s a l a n d a n a n ． O i l B a s e d r i l l i n g c o mp o s i t i o n US ，4 7 4 0 3 1 9[ P ] ． 1 9 8 8 ． [ 1 7 ]Ha r r i s A Oe h l e r ，He n r y C Mc l a u r i n e ，Ch a r l e s K Gr a n t h a m． O i l b a s e d d r i l l i n g fl u i d s US，4 8 1 6 5 5 1 [ P ] ． 1 9 8 9 ． 【 1 8 ]Mu r r a y C o o p e r ma n ，Ke i t h R Mc Na l l y， Wi l l Ma r d i s ， e t a 1 ．Oi l we l l d r i l l i n g fl u i d s ．o i 1 we l l dri l l i n g fl ui d a n t i s e t t i ng a n d me t h o d o f p r o v i d i n g a n t i s e t t i n g p r o p e r t i e s t o o i l we l l d r i l l i n g fl u i d s US，5 7 1 0 l 1 0[ P ] ． 1 9 9 8 ． [ 1 9 ]Ma h a l i n g a m S a n t h a n a m． L i q u i d r h e o l o g i c a l a d d i t i v e s p r o v i d i n g r h e o l o g h i c a l p r o p e r t i e s t o n o n - a q u e o u s s y s t e ms US ，5 7 2 3 6 5 3[ P ] ． 1 9 9 8 ． [ 2 0 ]Ma h a l i n g a m S a n t h a n a m，Ke i t h Mc Na l l y ． O i l a n d o i l i n v e rt e mu l s i o n d r i l l i n g flu i d s wi t h i mp r o v e d a n t i s e t t i n g p r o p e rt i e s U S ，6 3 3 9 0 4 8 [ P ] ． 2 0 0 2 ． [ 2 1 ]S t e p h e n A B e l l ，wi l l i a n W S h u mwa y ． Ad d i v e s f o r i mp a r t i n g f r a g i l e p r o g r e s s i v e g e l s t r u c t u r e c o n t r o l l e d t e mp o r a r y v i s c o s i t y t o o i l ba s e d d r i l l i n g flu i d sUS， 2 0 0 7 ／ 0 0 8 2 8 2 4 A1 [ P ] ． 2 0 0 7 ． [ 2 2 ]J e f f r e y J Mi l l e r ，S h a d a a b S y e d Ma g h r a b i ，Wi k r a n t Bh a v a n i s h k a r ，e t a 1 ． S u s p e n s i o n c h a r a c t e r i s t i c s i n i n v e e mu l s i o n US ，2 0 1 1 ／ 0 0 5 3 8 0 8 A1 【 P ] ． 2 0 1 1 ． [ 2 3 ]T o m my E B r o o k e y ， J a c k C C o wa n ． A p h r o n c o n t a i n i n g 0 i 1 b a s e fl u i d s a n d me t h o d o f dri l l i n g a w e l l US， 6 1 5 6 7 0 8[ P ] ． 2 00 0． [ 2 4 】V a nOo r t E，L e e J ，F fi e d h e i m J ， e t a 1 ． N e wfl a t - r h e o l o g y s y n t h e t i c b a s e d mu d for i mp r o v e d d e e p w a t e r d ri l l i n g[ R 】 ． S P E 9 0 9 8 7 ，2 0 0 4 ． [ 2 5 ]徐同台，赵忠举，袁春．国外钻井液和完井液技术的 新进展 [ J ] ．钻井液与完井液，2 0 0 4 ， 2 1 2 1 - 1 0 ． [ 2 6 ]徐同台，彭芳芳，潘小镛，等 ． 气制油性质和气制油钻 井液 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 1 0 ，2 7 5 7 5 7 8 ． [ 2 7 ]P e r e s i c h A L，B u r r e l l B A，P r e n t i c e G M． De v e l o p me n t a n d fi e l d t ri a l o f a b i o d e g r a d a b l e i n v e rt e mu l s i o n fl u i d[ R] ． I ADC／ S PE 21 93 5，1 9 91 ． [ 2 8 ]Da v i d Di n o，J e f f r e y T h o mp s o n，Ri c h a r d Ge u r t s e n ． T h e r ma l l y s t a b l e c o mp o s i t i o n s a n d u s e t h e r e o f i n d r i l l i n g fl u i d US ，2 0 1 0 ／ 0 0 0 9 8 7 3[ P ] ． 2 0 1 0 ． [ 2 9 ]F r e d e r i c k B Gr o wc o c k ， As i f M K h a n ， Ge r a r d A S i mo n ． Ap pl i c a t i o n o f wa t e r b a s e d a nd o i l b a s e d a p h r o n s i n dri l l i n g fl u i d s [ R ] ． S P E 8 0 2 0 8 ， 2 0 0 3 ． [ 3 0 】张琰，任丽荣 ． 酯基钻井液物性及应用研究 [ J 1 ． 石油大 学学报 自然科学版 ，2 0 0 1 ，2 5 5 l 1 7 ． I 1 9 ． 收稿 日期2 0 1 2 ． 2 ． 2 0 ；H GF 1 2 0 5 M1 ；编辑 马倩芸 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m