基于深水钻井的新型矿物油基钻井液性能研究.pdf

石油天然气学报 江汉石油学院学报 2 0 1 1 年 8 月第 3 3 卷第8 期 J o u r n a l o f O i l a n d Ga s T e c h n o l o g y J ． J P I A u g ． 2 0 l 1 V o 1 ． 3 3 N o ． 8 基于深水钻井的新型矿物油基钻井液性能研究 岳 前升 长江大学化学与环境工程学院， 湖北荆州4 3 4 0 2 3 刘书杰 ，何保生，周建良，李玉光 中海石油研究中心， 北京1 o o o 2 7 胡友林 长江大学石油工 程学院， 湖北荆州4 3 4 0 2 3 [ 摘要] 油包水型钻 井液体 系在深水钻井 中应用 比较广泛 ，钻井液 的低 温流动性和 抑制气体水合物 生成是 深水钻井液 中比较 受关注 的问题。研制 出一种新型矿物油钻井液，通过测定其 在不 同组成 时的粘温特 性， 研 究了基础油 、乳化剂种类 、有机土加量、油水比 以及钻井 液固相含 量等 对油包 水钻 井液低 温流 动性影 响，探讨 了低粘矿物油钻井液对 气体水合物生成的抑 制性。试验 结果表 明，基础 油 的低温粘度 是 影响 油 包水钻 井液低 温流 动性 的关键 因素，其次是乳化剂种 类、有机 土加量 和油 水 比，而惰 性 固相加重材 料对 油包 水钻 井液低 温增稠作用 影响较小 。在 此基础 上，优选 出低粘矿 物油钻 井液 配方7 O 低粘矿 物油 3 0 盐水 2 有机土3 乳化 剂0 ． 5 润湿剂3 降滤失剂2 石灰，该 钻井液具有 较好的低 温流 动性，性能稳定 ，能有效抑制 气体水合物 生成 ，可 以应用于深水钻井作业。 [ 关键词]深水钻 井；油包水钻井液 ；矿物油钻井液 ；流变特性；粘温特 性；气体水合 物 [ 中图分类号]T E 2 5 4 ． 3 [ 文献标识码]A [ 文章编号]1 0 0 0 9 7 5 2 2 0 1 1 O 8 一O 4～ o 5 水深超过 5 0 0 m的钻井称为深水钻井 ，超过 1 5 0 0 m 的称为超深水钻井l_ 1 ] 。深水 已经成为我国海上 及海外油气勘探和开发 的重点 区域之一，如我国第 一 口水深超千米 的深水 井荔湾 3 - 1 1井 水深 1 4 8 0 m已经于 2 0 0 6年成功开钻 ；作为作业者 ，中国海油已经在西非赤道几 内亚和我 国南海东部深 水区进行钻井勘探作业。深水钻井在中国虽然刚起步，但 已经成为钻采技术领域研究的热点和难点，这 其中就包括深水钻井液技术 。深水钻井对钻井液提出的技术挑战较常规井无疑是巨大的，主要体现在低 温流动性 、气体水合物抑制 、当量循环密度控制及井眼稳定和清洁等方面_ 1 ] ，也正是基于其技术复杂 性 ，所 以目前深水钻井液技术主要 由 Mi S WA C O和 B a k e r Hu g h e s 等大型油田技术服务公司垄断。由 于深水 钻井 费用 高 昂 ，所用 钻井 液应 尽可 能减 少井下 复杂情 况 ，从全 球所 用深水 钻井 液体 系来 看 ，虽然 也有水 基 钻井 液成 功应用 的报 道_ 4 ] ，但 深水 钻井 液 仍 以 矿 物油 基 或 合 成基 等 油 包 水 型钻 井 液 体 系 为 主[ 8 1 7 ] 。 合成基钻井液相对矿物油基钻井液不仅环境可接受性而且低温流动性也更好 ，但在环境敏感 海域 ， 如北海和墨西哥湾 ，无论是合成基钻井液还是矿物油基钻井液以及钻屑基本上均做到 “ 零排放” ，如何 将矿物油基钻井液的成本优势和低温流动性等性 能统一起来 是矿物油基钻井液应对深水钻井 的主要挑 战。笔者研制出一种低粘矿物油钻井液，该钻井液较合成基钻井液具有明显成本优势 ，同时又具有较好 的低温流变性和抑制气体水合物生成等性能 ，在深水钻井中具有广阔的应用前景 。 1 试 验 1 ． 1 试验 材料 与仪 器 试验涉及到 4 种基础油 低毒 5 白油 ，低粘矿物油 ，气制油 G TI ，线性 a 烯烃 I ． AO ，其 中 后 2种均为进口产品；其他处理剂如有机土、降滤失剂、乳化剂和石灰等均为国产丁业产品。 [ 收稿日期]2 0 1 】 一0 62 2 [ 基金项目]国家科技重大 专项 2 O O 8 Z X O 5 0 5 6 一 s O 0 2 一 s O 3 ；2 o 0 8 z xo 5 0 3 o s O 0 5 一 s O 7 。 [ 作者简介]岳前升 1 9 7 3 一 ，男 ，1 9 9 6年大学毕业 ，博士 ，副教授 ，现主要从事油田化 学方面研究工作。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 3卷第 8期 岳前升等 基于深水钻井的新型矿物 油基钻 井液性能研究 试验仪器 六速旋转粘度计 青岛海通达专用仪器厂 ；高低温交变试验箱 ，温度范围一4 0 ～1 2 0 ℃ 无锡惠尔环境试验设备厂 ；破乳电压仪 范 氏公司 ；D S C微差扫描量热仪 法国 S E TAR AM I N S lTR UME NT 公司 。 1 ． 2试验 方法 1 ． 2 ． 1 油包水 钻 井液配 制和 性能 测试 油包水钻井液配制及常规性能测试参 照 G B ／ T1 6 7 8 2 1 9 9 7要求进行 引。试验 中若无特别说明 ，钻 井液老化条件为 1 0 0 ℃／ 1 6 h 。 1 ． 2 ． 2 油 包水 钻 井液粘 温特 性测 试 将待测样品及六速旋转粘度计放在高低温交变试验箱 ，当样品测试杯温度与高低温交变试验箱试验 腔设定温度一致时开始测试样品的流变性。以表观粘度 A 、 塑性粘度 P 或动切力 y P为纵坐标 ， 测试温度为横坐标 ，绘出油包水钻井液粘温特性曲线 。 1 ． 2 ． 3 油包 水钻 井 液抑 制气体 水 合物 生成 测试 利用 D S C方法测试油包水钻井液抑制气体水合物生成能力，具体 试验方法见文献 [ 1 9 ] 。试验条 件 将样品在 2 0 MP a恒压下从室温快速降温至 O ℃并放置 5 h ，然后升温至室温，测试该过程 中体系的 热量变化以反映有无气体水合物生成。 2 结果与讨论 2 ． 1 基油种类对油包水钻井液粘温特性影响 油包水钻井液配方 8 O 9 ／ 6 基础油 2 O 水相 3 9 ／ 6 有机土3 乳化剂 0 ． 5 9 ／ 6 润湿剂 3 降滤失 剂 2 石灰 ，用重 晶石调节密度至 1 ． 1 5 g ／ c m 。研究 了 4 种基础油配制的油包水钻井液的粘温特性 ，试验结果 见 图 1 。在油水 比、有机土加量和降滤失剂加量相同的 条件下 ，线性 a烯烃合成基钻井液 L AO S B M粘温 曲线最平缓 ，气制油合成基钻井液 GTL S B M E z o z a ] 和低粘矿物油基钻井液 I V 0B M相当，5号白油基 钻井液 5 O B M粘温曲线最陡。粘温曲线越平缓， 意味着温度对钻 井液流变性参 数影响程度越小 ，也更 符合深水 钻井对 钻井液 性能 的要求。值 得 注意 的是， 在其他条件相近条件下 ，基 油粘度尤其是低 温粘 度越 低 ，所配制出的油包水钻井液低温流动性越好 ，粘温特 性曲线也越平缓 。 油包水钻井液本质上为 w／ o型乳状液 ，乳状液粘 度理论[ z 4 3 认为，影响乳状液粘度有 5种 因素 外相 即 分散介质粘度 ，内相 即分散相粘度，内相 的体积分数， 乳 化 剂及 其界 面膜 的性 质 ，分散 相颗 粒 大小 分布 。其 中 ∞ ％ ＼ 粲 饔 擗 O 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 测试温度／ ℃ 图 1 基 油种类对油包水钻井液粘温特性的影响 表 1 不 同种类基油粘度 基油种类 4 ℃粘度／ mP as 2 0 ℃粘度／ mP a s 外相粘度是决定乳状液最终粘度的最重要参数 。因此 ，针对深水油包水钻井液而言 ，选择具有较低的低 温粘度基油是非常重要的。由表 1可看出，线性 a烯烃 4 ℃时粘度最低 ，5号 白油最高 ，考虑到成本因 素 ，选择低粘矿物油为深水油包水钻井液基油 。 2 ． 2 有机土加量对低粘矿物油钻井液粘温特性影响 钻井液配方 7 0 低粘矿物油3 O 水相有机土 3 乳化剂0 ． 5 润湿剂3 ％降滤失剂2 石灰，用重晶石调节密度至 1 ． 1 5 g ／ c m。 。研究了有机土加量变化对低粘矿物油钻井液粘温特性 的影响， 结果见图 2 。由图 2可见，随有机土加量增加 ，钻井液表观粘度上升 ，而且因低温造成 的增稠程度也随 ∞ ∞ ∞ 加 ∞ ∞ 蚰 ∞ m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油天然气学报 江汉石油学院学报 2 0 1 1 年 8月 之上 升 。 2 ． 3 水 相 比例对低 粘矿 物油钻 井液粘温 特性 影响 钻井 液配 方 低粘 矿物 油 盐水 3 9 ／ 6 有 机土 3 9 ／ 6 乳化 剂 0 ． 5 润湿 剂 3 降 滤失 剂 2 石 灰 ， 用重 晶石 调节 密度 至 1 ． 1 5 g ／ c m。 。研 究 了不 同水 相 比例 对低 粘 矿 物 油 钻井 液 粘 温 特 性 影 响 ，结 果 见 图 3 。由图 3 可见 ，在相同测试温度下 ，随水相比例增加 ，钻井液表观粘度均上升 ；随测试温度降低 ，水 相 比例越高 ，钻井液表观粘度上升幅度也越大，尤其是超过 3 0 以后 ，低粘矿物油钻井液粘度上升 幅 度明 显变大 。 ∽ ● 对 凸 _ 目 ＼ 舞 1 2 0 O 2 0 3 0 4 0 5 O 测试 温度／ c ∞ ● 最 ＼ 撂 饔 O 2 O 3 O 测试温度／ C 图 2 有机土加量对低粘矿物油钻 井液粘温特性影 响 图 3 水相 比例对低粘矿物油钻井液粘温特性影响 2 ． 4 固相含 量对 低粘 矿物 油钻 井液粘 温特 性影 响 钻井液配方 8 O 低粘矿物油2 0 ％水相3 有机土3 乳化剂0 ． 5 润湿剂十3 降滤失剂 2 石灰 ，用重晶石调节至不同密度 。研究 了不同密度时低粘矿物油钻井液的粘温特性 ，结果见图 4 。 由图 4可见，随测试温度降低 ，不同密度的钻井液表观粘度也上升 ，但其上升幅度基本相当，表现在粘 温特性 曲线 大致 平行 ，这 表 明加重 材料不 会造 成低 粘矿 物油钻 井液 在低 温时 的增 稠程度 。 2 ． 5 乳 化剂种 类对 低粘 矿物 油钻 井液粘 温特 性影 响 钻井 液配 方 8 O 低粘矿 物油 2 0 盐 水 3 9 ／6 有 机土 3 乳化 剂 0 ． 5 润湿 剂 3 降 滤失 剂 2 石灰 ，用重晶石调节密度至 1 ． 1 5 g ／ c m。 。研究 了 3种类型的乳化剂对低粘矿物油钻井液粘温特性影 响，结果见图 5 。由图 5可见 ，相同加量条件下不同种类的乳化剂对低粘矿物油钻井液粘温特性影响很 大，适宜的乳化剂如乳化剂 A配制的钻井液粘温曲线 比较平缓 ，适合于深水钻井要求 ；而有些乳化剂 配制出的钻井液低温流动性差甚至出现了胶凝现象 ，这对深水钻井无疑是非常有害的。 7 0 6 O ∞ 5 O 4 0 桀 饔3 0 2 O 1 0 O 1 O 2 0 3 O 测试温度／ ℃ 时 ＼ 巡 冀 鼷 测试温度／ c 图 4 固相含量对低粘矿物油钻井液粘温特性影响 图 5 乳化剂种类对低 粘矿物油钻井液粘温特性影响 ∞ ∞ 加 ∞ ∞ ∞ 如 加 0 ∞ 印 ∞ ∞ 加 O 踟 ∞ 印 ∞ 加 m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 3 卷第 8期 岳 前升等 基于深水钻 井的新型矿物油基钻井液性 能研究 2 ． 6 低 粘矿 物油 钻井 液抑 制气 体水 合物 生成 能 力 低粘 矿物 油 钻 井 液 配 方 7 O 低 粘 矿 物 油 3 O 水相2 9 ／ 5 有机土3 乳化剂 0 ． 5 ％润 湿 剂 3 降 滤失 剂 2 石灰 ，用 重 晶石 调 节 密度至 1 ． 1 5 g ／ c m。 。利 用微量热仪法 评价 了低 粘矿物油钻井液 在 2 0 MP a 、O ℃条件 下抑制气 体水合物生成能力 ，结果见图 6 。图 6中曲线 1 代 表 降 温 过 程， 曲线 2代 表 升 温 过 程 ，在 2 O MP a 、O ℃下放置 5 h后升温过程 中 D S C图谱 中无放热峰 出现，说 明无气体水合物生成 。 2 ． 7 低 粘 矿物 油钻 井 液抗温 能 力 低粘矿物油钻井液配方 7 O 9 ， 6 低粘矿油油 O 温 度／ ℃ 图 6 2 0 MP a下低 粘矿物油钻井液热流量随温度的变化 曲线 图 3 0 ％盐水 2 有机土 3 乳化 剂3 降滤失剂 0 ． 5 润湿剂 2 石灰 ，用重 晶石调节密度至 1 ． 1 5 g ／ c m。 。评价了 L V OB M 的抗温能力 ，试验结果见表 2 。在热滚老化 1 6 h以后 ，L V OB M 破乳电压 在 3 0 0 V 以上 ，API 滤失量几乎为零 ，对应的高温高压滤失量在 3 ml 以下 ，流变性稳定 ，无沉降现象 ， 说 明低 粘矿 物油 钻井 液在 1 2 0 C范 围 内性 能稳 定 。 表 2 低粘矿物油钻 井液抗温 能力 老化温度／ ℃ A V／ mP a s P V／ mP as Y P／ P a 垂6 ／ 3 1 0 ／ P a G l o ／ P a F LH T H p ／ ml F LA p I ／ ml E S ／ V 注AV为表观粘度 ； P 、 ， 为塑性粘度 I Y P 为屈服值 ； 6 ／ 3为六速旋转粘度计 6 r i m 和 3 r i m 读数 ； F LH T H P为高温高压滤失量 ； F l 为 A Pj滤矢 量； 为破乳电压 ； 1 。 、 G 1 。为初 终切力 。 2 ． 8与 国外 技术性 能 比较 低粘矿物油钻井液与国外公 司深水 钻井液性能 比较见表 3和图 7 ，其 中国外钻井液为 Mi S WAC O 公司在我国南海荔湾深水油气田所使用的现场浆 ，两套钻井液油水 比、密度均为 8 0 ／ 2 0和 1 ． 1 7 5 g ／ c m。 。 在总体流变性 、滤失量 、电稳定性和低温流动性等性能指标上低粘矿物油钻井液与国外深水钻井液 比较 接 近 。 ． 表 3 低 粘矿物油钻井液与 国外技 术性能比较 3 结 论 1 基油低温粘度是影响油包水钻井液低温 流动性的关键 因素 ，基油低温粘度越 低所配制 出的油包水钻井液低温增稠程度越小 。 2 乳化剂种类 、水相 比例和有机土加量是 影响低粘 矿物油 钻井液低 温流 变性影 响 因素 ， 随水相 比例和有 机土含量增加 ，低粘矿物油钻 井液低温增稠程度 加剧 ；加重 材料对低粘矿物 油钻井液低温增稠作用影响程度较小 。 4 0 ∞ 3 5 0 0 2 5 蓄2 0 l 5 l O 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 O 测试温度／ ℃ 图 7 L V O B M 与 Mi S WA C O钻 井液粘温曲线 5 4 3 2 1 O l 2 毫＼ 最 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油天然气学报 江汉石油学院学报 2 0 1 i 年 8 月 3 优选出低粘矿物油钻井液配方 ，性能测试表明，该 钻井液具有较好 的低温流动性，性能稳定 ， 能够有效抑制气体水合物生成 ，可以应用于深水钻井 。 [ 参考文献] [ 1 ]C a me r o n C B ．D r i l l i n g f l u i d s d e s i g n a n d f l u i d p r o c e d u r e s t o me e t t h e u l t r a d e e p wa t e r d r i l l i n g c h a l l e n g e口] ． S P E 6 6 0 6 1 ，2 0 0 0 ． [ 2 ]S h a u g h n e s s y J ， Da u g h e r t y W， Gr a f f R，e t a 1 ．Mo r e Ul t r a d e e p wa t e r d r i l l i n g p r o b l e ms[ J ]． S P E ／ I AD C 1 0 5 7 9 2 ，2 0 0 7 ． E 3 ]戴智红 ，刘 自明 ．中国第一 口超千米深水钻井液技术 - [ J ]． 钻井 液与完井液 ，2 0 0 7 ，2 4 1 2 8 ～2 9 ． E 4 1 R a mi r e z M A，Mo u r a E，L u n a E ．HP WB M a s a t e c h n i c a 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c o b s o n P l u t t ，e t a 1 ． N e w c o n s t a n t t h e o l o g y s y n t h e t ic b a s e d f l u i d r e d u c c s d o wn h 1 e 1 0 s s e s i n d e e p wa t e r e n v i r o n me n t s[ J ]． S P E 1 0 9 5 8 6 ，2 0 0 7 ． [ 9 ]Va j a r g a h A K， Ta h ma s b i K，Ar s a n j a n i N ．T h e f e a s i b i l it y s t u d y o f r e p l a c i n g o i l b a s e d mu d wi t h mo r e e n v i r o n me n t a l l y a c c e p t a b l e p a r a f i n b a s e d s y s t e m i n I r a n i a n Oi l F i e l d s[ J ] ． S P E 1 2 3 5 1 9 ，2 0 0 9 ． [ 1 o 3 P a u l S c o t t ， J o h n C a n d l e r ．S i z e d e g r a d a t i o n o f s h a l e d r i l l c u t t i n g s i n d e e p wa t e r d i s c h a r g e c o n d i t i o n s f r 0 m s y n t h c t i c b a s e d d r i l l i n g f l u i d s [ J ]． S P E 1 2 6 2 5 3 ，2 0 1 0 ． [ 1 1 ]Ami n R A M， Cl a p p e r D K，No r f l e e t J E，e t a 1 ．J o i n t d e v e l o p me n t o f a n e n v i r o n me n t a l l y a c e e p t a b l e e s t e r - b a s e d d r i l l i n g f l u i d[ J ]． sP E 1 3 2 6 9 3． 2 O 1 0 ． [ 1 2 ]Ki m B u r r o ws ，J o a n n a h E wms ，J o h n Ha l l ，e t a 1 ．N e w l o w v i s c o s i t y e s t e r i s s u i t a b l e f o r d r i l l i n g f l u i d s i n d e e p wa t e r a p p l i c a t i o n s [ J ]． SP E 6 6 5 5 3， 2 0 0 1 ． [ 1 3 ]Au d i b e r t A， Da l ma z z o n e C，D a l ma z z o n e D，e t a 1 ．S p e c i a l n o n p o l l u t i n g e mu l s i f i e r f o r n o n a q u e o u s d r i l l i n g f l u i d s i n d e 印 o f f s h o r e d r i l l i n g[ J ]． S P E 8 9 9 8 9 ，2 0 0 4 ． [ 1 4 ]D i e f f e n b a u g h e r J ，D u p r e R， Au t h e me n t G， e t a 1 ．Dr i l l i n g f l u i d s p l a n n i n g a n d e x e c u t i o n f o r a w o r l d r e c o r d wa t e r d e p t t 1 w e 1 1 [ J ]． S P E／ I AI C 9 2 5 8 7． 2 0 0 5 ． [ 1 5 1 G a n d e l ma n R A，g e a l R A，Go n g a l v e s ． F，e t a 1 ．S t u d y o n g e l a t i o n a n d f r e e z i n g p h e n o me n a o f s y n t h e t i c d r i l l i n g f l u i d s i n u I t r a d e e D wa t e r e n v i r o n me n t s I- J ]． S P E／ I ADC 1 0 5 8 8 1 。2 0 0 7 ． [ 1 6 3 Gh a l a mb o r A，As h r a f i z a d e h S N，Na s i r i M．E f f e c t o f b a s ic p a r a me t e r s o n t h e v i s c o s i t y o f s y n t h e t i c b a s e d d r i l l in g f l u i d s[ J ]． S P E 1 1 2 2 7 6． 2 0 0 8 ． [ 1 7 ]C a r l s o n T，He mp h i l l T ．Me e t in g t h e c h a l l e n g e s o f d e e p wa t e r Gu l f o f Me x i c o d r i l l i n g w i t h n o n p e t r o l e u m e s t e r b a s e d d r i l l i n g f l u i d s r J ]． S P E 2 8 7 3 9 ，1 9 9 4 ． [ 1 8 ]GB ／ T1 6 7 8 2 1 9 9 7 ，油基钻 井液现场测试程序 E s ]． [ 1 9 ]王清顺 ，冯克满 ，李健 ，等 ．用高压微量热仪评价深水钻 井液气体水 合物抑制性[ J ]．石油钻 采工艺 ，2 0 0 8 ，3 0 3 4 1 ～4 4 ， 51 ． [ 2 O ]王伟 ，胡成军 ， [ 2 1 ]罗缝生 ，莫成孝 [ 2 2 ]耿铁 ，张岩 ，吴 [ 2 3 ]岳前升 ，刘书杰 1 O 2～ 1 0 4 ． E 2 4 3 陈大钧 ，陈馥 廖前华 ．S B M一 1 I 合成基钻井液体系的研究与应用 [ J ]．中国海上油气 ， 2 0 0 6 ，1 8 5 3 3 4 ～3 3 7 ． ，刘 自明，等 ．气 制油合成基钻井液研究与应用 [ J ] ．钻井液与完井液 ，2 0 0 9 ，2 6 2 7 ～1 1 ． 彬 ，等 ．新型合成基钻井液体系 的研制与应用 [ J ]．石油天然气学报 ，2 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