深水钻井平流变油基钻井液体系室内研究

邢希金　邱正松　刘书杰

(1. 中海油研究总院， 北京 100028； 2. 中国石油大学(华东)， 山东 青岛 266580)



深水钻井平流变油基钻井液体系室内研究

邢希金1邱正松2刘书杰1

(1. 中海油研究总院， 北京 100028； 2. 中国石油大学(华东)， 山东 青岛 266580)

对5种基础油、5种乳化剂、6种润湿剂、4种有机土、4种流型调节剂进行优选，并确认最佳加量，通过室内研究构建深水钻井平流变钻井液体系。对该体系的低温流变特征进行表征发现，在4 ℃至65 ℃范围内流变参数变化幅度均较小，具有明显的平流变特征。

深水钻井液； 平流变； 油基； 乳化剂； 湿润剂

我国深水钻井液技术研究起步较晚，近年来部分科研院所陆续开展了一些基础研究工作。岳前升等人通过实验研究了乳化剂类型、有机土加量等因素对钻井液性能的影响，优选出了适用于深水钻井的线性ɑ-烯烃合成基钻井液和矿物油基钻井液[4-5]，并考察了乳化剂类型和加重材料等因素对合成基钻井液低温流变特性的影响[6]。许明标等人建立了聚ɑ-烯烃黏度合成基深水钻井液体系和水基平流变钻井液体系[7-8]。胡三清等人分别建立了以白油为基础油的低毒油基钻井液体系和以线性ɑ-烯烃为基液的合成基钻井液体系[9-10]。以上学者均对钻井液的低温流变性进行了研究，在水基钻井液研究的基础上提出了平流变概念，而油基平流变钻井液研究属于空白。本次研究将通过单剂优选来构建平流变油基钻井液体系，并分析该体系的平流变特征。

1　平流变钻井液单剂优选

1.1基础油优选

基础油作为油基钻井液的连续相，其黏度越小，配制所得的钻井液黏度也越小。实验中测量了各类基础油在不同温度下的黏度，基础油黏度-温度变化曲线如图1所示。所有基础油黏度都随温度的升高而降低，但是受温度的影响幅度不同。生物柴油的黏度受温度的影响幅度最大，这是由于生物柴油主要是由脂肪酸甲酯混合物组成。当温度低于冷滤点时，生物柴油开始结蜡，配方的流动性变差，黏度随着温度的下降急剧上升；当温度高于冷滤点时，蜡晶结构遭到破坏，生物柴油黏度迅速降低。而其余3种矿物油的黏度随温度的变化较小，其中精制白油的变化最小，适用于配制平流变油基钻井液。

图1　基础油黏度-温度变化曲线

1.2乳化剂优选

乳化剂的主要作用是乳化液相，使其形成粒径较小的液滴并能均匀分散于油相中。用筛选出的精制白油与质量分数为20%的 CaCl2盐水配制乳化剂(油水体积比7 ∶3)，主乳加量4.0%，使用Fann公司生产的破乳电压测试仪测试各乳化剂的破乳电压(表1)。从表1可以看出，乳化剂KPHEMUL稳定乳液的能力最强，因此选其作为实验乳化剂。

表1　钻井液乳化剂破乳电压测试结果

为了得到乳化剂KPHEMUL的合理加量，在此配制出基本配方，并观察不同乳化剂加量随摄氏温度改变而导致的钻井液流变性能变化。基本配方为：精制白油+乳化剂+2.0%润湿剂+氯化钙水溶液+0.5%氧化钙+2.0%提切剂+2.0%增黏剂+3.0%降滤失剂+1.5%有机土+重晶石(密度1.2 gcm3)。通过观察发现，当乳化剂的加量为4.0%时，钻井液的流变参数(6转读数、终切值和动切力)随摄氏温度变化而变动的幅度最小，钻井液具有平流变性质。同时，当乳化剂加量为4.0%时，钻井液的破乳电压大于400 V，符合行业标准。通过以上分析，确定乳化剂KPHEMUL最佳加量为4.0%。

1.3润湿剂优选

润湿剂的作用是将加重材料、有机土、钻屑润湿后，使其表面反转为亲油表面，从而能更好地分散于油基钻井液中。本次研究选用的润湿剂样品主要有ZJ润湿剂、KP润湿剂、Span-80、CATB、SATB及大豆磷酸酯。润湿剂优选实验步骤为：(1)将重晶石置于烘箱中，于105 ℃下烘干，过100目筛；(2)量取100 mL精制白油，加入适量润湿剂，高速搅拌10 min；(3)向白油中加入10 g重晶石，高速搅拌20 min后形成重晶石悬浮液，之后迅速将重晶石悬浮液导入100 mL具塞量筒中，打开秒表开始计时；(4)依次记录导入10、30、60、120、480 min时量筒中悬浮体的体积。

实验表明，导入480 min后加入润湿剂KP-WET的基础油悬浮重晶石的性能最佳。图2所示为加入润湿剂KP-WET的基础油悬浮重晶石沉降曲线。润湿剂KP-WET在高温热滚后具有平流变特性，因此选用润湿剂KP-WET为油基钻井液的润湿剂。当润湿剂加量为2.0%时，实验油基钻井液的流变参数随温度的影响幅度最小。由此确定，润湿剂KP-WET最优，加量为2.0%。

图2加入润湿剂KP-WET的基础油悬浮重晶石沉降曲线

1.4有机土优选

有机土作为油基钻井液的亲油胶体可用于提高钻井液的高温稳定性和钻井液的黏度，有利于悬浮起加重材料，降低钻井液的高温高压滤失量。实验中选取了4种有机土，分别为FB-1、FB-2、M-I、ZJ。有机土性能主要从油基钻井液的流变性和滤失性两方面来考察。

(1)滤失性实验。取380 mL基础油(精制白油)倒入高搅杯中，加入20 mL蒸馏水；随着高速搅拌加入一种有机土12 g，保持转速11 000 rmin搅拌20 min，直至有机土完全分散开来，冷却至室温后搅拌均匀，得到实验浆；然后对所得实验浆进行耐高温热滚测验，测量其滤失量。照此方法依次完成4种有机土在基础油中的滤失量实验，具体数据见表2。实验数据显示，4种有机土的实验浆均可耐180 ℃高温。180 ℃热滚条件下有机土ZJ的实验浆滤失量较大，而其余3种有机土的实验浆滤失量较小。

表2　实验中4种有机土在基础油中的滤失量　mL

(2)流变性实验。称取一种有机土10.5 g，倒入装有350 mL精制白油的高搅杯中，保持转速3 000 rmin 搅拌10 min，再保持转速11 000 rmin搅拌20 min，得到实验浆。依次完成4种有机土的流变性实验，测量实验浆在不同温度下的表观黏度、塑性黏度和动切力，图3所示为4种有机土的钻井液表观黏度-温度变化曲线。有机土是油基钻井液获得黏度和切力的主要处理剂，在热滚前后相同测试温度下，FB-1型有机土的黏度最大。根据实验结果，认为FB-I型有机土的增黏效果最好。

图3　4种有机土的钻井液表观黏度-温度变化曲线

当有机土加量为1.5%时，油基钻井液的流变性能受温度的影响较小。因此，有机土FB-1为最优，其加量为1.5%。

1.5流型调节剂优选

提切剂在油基钻井液中可以部分或完全取代有机土，解决有机土过度稠化带来的问题，还能够延长钻井液的使用寿命，增加油基钻井液的固相容量，降低钻井液的生物毒性。实验中选取了4种提切剂KP、BZ、HK、CC，配制出油基钻井液基本配方，以测量油基钻井液热滚后在不同温度下的流变性能。通过对比发现，当油基钻井液中加入提切剂KP时，钻井液的切力最大，此时钻井液具有平流变特性。因此，确认提切剂KP为最优。图4所示为KP配方的钻井液流变性能变化。当提切剂的加量为2.0%时，钻井液流变性能随温度的变化幅度最小，由此确定提切剂最优加量为2.0%。

图4　KP配方的钻井液流变性能变化

2　平流变钻井液配方性能评价

确定深水平流变油基钻井液配方为：精制白油+4.0%乳化剂+2.0%润湿剂+30.0%氯化钙水溶液+0.5%氧化钙+2.0%提切剂+2.0%增黏剂+3.0%降滤失剂+1.5%有机土+重晶石。

2.1平流变钻井液性能分析

以精制白油作为基础油，用来配制具有相同油水体积比的传统油基钻井液和平流变钻井液，2种钻井液密度均为1.2 gcm3。测量2种钻井液配方热滚后的流变性能，实验结果如图5所示。传统油基钻井液的6转读数、终切值和动切力值随温度的升高呈阶梯状降低，而平流变钻井液的6转读数、终切力和动切力值受温度影响的变化幅度较小。

图5　2种钻井液配方的流变性能变化

2.2ECD模拟分析

配制平流变钻井液主要是为了降低温度对钻井液ECD(钻井液当量循环密度)的影响。为了精确对比平流变油基钻井液和传统油基钻井液在深水钻井中的ECD，借助Drillbench软件，根据2种钻井液在4 ℃至65 ℃范围内的实测流变参数计算不同温度下的ECD。与传统油基钻井液相比，平流变油基钻井液可有效降低当量循环密度。尤其是在深水低温条件下，平流变油基钻井液的ECD比传统油基钻井液降低了约0.06 gcm3，在安全密度窗口很窄的深水浅部地层钻进过程中，可降低发生漏失的可能性。

3　结　语

基于油基钻井液的主要组分基础油、乳化剂、润湿剂、有机土、流型调节剂类型优选及加量的确定，构建了具有平流变特性的深水油基钻井液体系，给出钻井液配方：精制白油+4.0%乳化剂+2.0%润湿剂+30.0%氯化钙水溶液+0.5%氧化钙+2.0%提切剂+2.0%增黏剂+3.0%降滤失剂+1.5%有机土+重晶石。与传统油基钻井液相比，所构建的平流变钻井液在一定温度下有较稳定的流变参数，可有效降低钻井液当量循环密度。

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Laboratory Study on Flat Rheology OBM for Deep Water Drilling

XING Xijin1QIU Zhengsong2LIU Shujie1

(1. CNOOC Research Institute, Beijing 100028, China;2. China University of Petroleum, Qingdao Shandong 266580, China)

In this paper the author made the optimization of 5 kinds of based oil, 5 kinds of emulsifier, 6 kinds of wetting agents, 4 kinds of organic clay and 4 kinds of rheology modified agents, to construct a formula of flat rheology OBM for deep water drilling through laboratory studies. The low temperature rheological characteristics of the system show that the rheological parameters were small between 4 ℃ and 65 ℃ with obvious characteristics of flat flow.

deep water drilling fluid; flat rheology; oil based; emulsifier; wetting agent

2015-10-21

国家科技重大专项“海外典型油田厚盐岩层钻井液体系研究”( 2011ZX05030-005-07)

邢希金(1981 — )，男，硕士，高级工程师，研究方向为海洋石油开发钻完井液及非常规工作液。

TE254

A

1673-1980(2016)04-0008-04