深水合成基鉆井液恒流變特性研究

舒福昌，齊從溫 （長江大學化學與環(huán)境工程學院，湖北 荊州434023）

向興金，石 磊，江引余 （荊州市漢科新技術(shù)研究所，湖北 荊州434001）

蔣世全，許亮斌，羅洪斌 （中海油研究總院，北京100027）

我國南海海域石油蘊藏量巨大，屬于世界四大海洋油氣富集區(qū)之一，有 “第二個波斯灣”之稱。近年來，隨著海洋石油工業(yè)的不斷發(fā)展和開采量的逐年增加，海洋石油勘探已逐漸向深水進軍[1]。深水鉆井一般指鉆井水域水深超過900m，水深超過1500m時為超深水鉆井。然而深水鉆井時溫度變化明顯，鉆井液的流變性受溫度的影響很大，特別是動切力和低剪切速率下的黏度難以控制，由此引發(fā)的井漏、當量循環(huán)密度 （ECD）高和壓力控制難等一系列問題正在成為深水鉆井所面臨的挑戰(zhàn)[2]。合成基鉆井液以其機械鉆速高、井壁穩(wěn)定性好等特點已成為海上油氣鉆探的常用鉆井液體系，但該鉆井液的黏度、切力受溫度的影響較明顯，特別在鉆井液長時間靜置的情況下更嚴重[2]。目前國內(nèi)對合成基鉆井液的研究一般以表觀黏度作為主要參數(shù)。而國外具有恒流變特性的合成基鉆井液是在傳統(tǒng)合成基鉆井液的基礎(chǔ)上通過處理劑的優(yōu)化和改性發(fā)展起來的，是一種適合深水鉆井的新型鉆井液體系，它最大的特點是切力受溫度影響較小。筆者研究了合成基基液、有機土、降濾失劑、油水比對HMS合成基鉆井液流變性的影響規(guī)律，并與傳統(tǒng)合成基鉆井液的流變性進行了對比。

1 試驗部分

1.1 試驗材料及儀器

1）試驗材料 線性α－烯烴 （薩比克和林德公司生產(chǎn)）；重晶石粉 （廣西象州縣礦粉廠生產(chǎn)）；特種油，酯基基液，主乳化劑，輔助乳化劑，潤濕劑，有機土，瀝青類降濾失劑，合成樹脂類降濾失劑，流型改進劑 （湖北漢科新技術(shù)股份有限公司生產(chǎn)）。

2）儀器 高速攪拌器，六速旋轉(zhuǎn)黏度計，高溫滾子爐，常溫常壓失水儀，高溫高壓失水儀 （青島海通達專用儀器廠生產(chǎn)）；深水環(huán)境低溫模擬試驗箱 （湖北創(chuàng)聯(lián)石油科技有限公司生產(chǎn)）。

1.2 試驗方法

1）HMS合成基鉆井液 （代號為HMS）基本配方 基液 （即特種油）0.20g/ml CaCl2溶液＋主乳化劑＋輔助乳化劑＋潤濕劑＋有機土＋降濾失劑＋CaO＋流型改進劑，用重晶石調(diào)節(jié)至密度為1.16g/cm3。

2）合成基鉆井液配制 在攪拌條件下，將主乳化劑、輔助乳化劑和潤濕劑加入基液中，加入質(zhì)量濃度為0.20g/ml的CaCl2溶液，攪拌10min；然后加入有機土和降濾失劑，繼續(xù)攪拌10min；加入重晶石至泥漿密度為1.16g/cm3，再攪拌20min。將配制好的合成基鉆井液在120℃、16h熱滾條件下老化后進行性能測定。

3）流變性測定 將待測鉆井液及六速旋轉(zhuǎn)黏度計放在深水環(huán)境低溫模擬試驗箱中，當鉆井液溫度與設(shè)定溫度一定時開始測定鉆井液的流變性。根據(jù)六速旋轉(zhuǎn)黏度計的讀數(shù)（N600、N300），按照賓漢流變模式計算塑性黏度（μp）和動切力（τd）。

4）濾失量測定 將待測鉆井液按照SY/T5621－1993的規(guī)定測定API濾失量VAPI和120℃、壓差為3450kPa時的高溫高壓濾失量Vhthp。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 合成基基液對HMS合成基鉆井液流變性的影響

合成基鉆井液為 W/O乳狀液，基液的黏度大小以及黏溫性能均會影響整個合成基鉆井液的流變性。首先測得3種合成基基液在不同溫度下的運動黏度，結(jié)果見圖1。同時考察了3種基液分別配制的鉆井液在不同溫度下的流變性，結(jié)果見表1。

圖1 基液的運動黏度與溫度的關(guān)系

表1 不同基液配制的鉆井液在不同溫度下的流變性

由圖1和表1可知，基液本身的運動黏度隨著溫度的升高而降低，3種基液中酯基基液的運動黏度明顯高于線性α－烯烴和特種油的運動黏度；在低溫條件下，酯基基液配制的鉆井液出現(xiàn)膠凝狀，而線性α－烯烴和特種油配制的鉆井液流動性較好；相比較而言，特種油配制的鉆井液的τd（4℃）/τd（65℃）比值 （為1.15）明顯低于線性α－烯烴配制的鉆井液的τd（4℃）/τd（65℃）比值 （為1.53），表明由特種油配制的合成基鉆井液切力隨溫度變化較小，更具有恒流變特性。

2.2 有機土對HMS合成基鉆井液流變性的影響

有機土是一種可以在油中分散的親油性的改性膨潤土，其主要作用是增加體系的黏度和切力，一方面可以防止重晶石等加重材料出現(xiàn)沉降現(xiàn)象；另一方面可以提高鉆井液W/O乳狀液的穩(wěn)定性，同時降低鉆井液的濾失量?？疾炝瞬煌袡C土及有機土質(zhì)量濃度對合成基鉆井液流變性的影響，結(jié)果見圖2～5。結(jié)果表明，有機土A的增黏提切效果明顯優(yōu)于有機土B和C；且隨著有機土A質(zhì)量濃度的增大，μp和τd也隨之增大，當有機土A質(zhì)量濃度為0.02～0.03g/ml時，τd達到7以上，可以滿足鉆井液的攜巖要求；而且，μp隨溫度的變化影響較大，而τd則隨溫度的變化影響較小。

2.3 降濾失劑對HMS合成基鉆井液流變性和濾失量的影響

在合成基鉆井液體系中使用降濾失劑能夠起到控制濾失量和增加鉆井液穩(wěn)定性的作用[5]?？疾炝藶r青類和合成樹脂類降濾失劑對合成基鉆井液流變性和濾失量的影響，結(jié)果見表2和圖6、7。結(jié)果表明，2種降濾失劑對鉆井液的μp和τd隨溫度的變化影響均較小，但是合成樹脂類降濾失劑對鉆井液的降濾失效果明顯優(yōu)于瀝青類降濾失劑。

圖2 不同有機土對體系塑性黏度的影響

圖3 不同有機土對體系動切力的影響

圖4 有機土質(zhì)量濃度對體系塑性黏度的影響

圖5 有機土質(zhì)量濃度對體系動切力的影響

圖6 不同降濾失劑及質(zhì)量濃度對體系塑性黏度的影響

圖7 不同降濾失劑及質(zhì)量濃度對體系動切力的影響

2.4 水相體積分數(shù)對HMS合成基鉆井液流變性的影響

合成基鉆井液油水比會影響整個體系的流變性、穩(wěn)定性、濾失量以及成本?？疾炝怂啾壤龑︺@井液體系流變性的影響，結(jié)果見圖8、9。結(jié)果表明，隨著水相比例的增加，鉆井液μp和τd也隨之增大。當水相比例達到30%時，τd受溫度影響較大。在低溫下鉆井液的黏度和切力過大，流動性很差，因此水相體積分數(shù)應以10%～20%為宜。

表2 降濾失劑效果對比

圖8 不同水相比例的塑性黏度的比較

圖9 不同水相比例的動切力的比較

2.5 與傳統(tǒng)合成基鉆井液對比

HMS合成基鉆井液與傳統(tǒng)合成基鉆井液的流變參數(shù)對比見表3。結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的合成基鉆井液相比，HMS合成基鉆井液的流變性受溫度的影響很小，特別是動切力、靜切力（τi，τf）和低剪切速率下的流變參數(shù)幾乎不隨溫度的改變而發(fā)生變化，表現(xiàn)出了良好的恒流變特性，更適合于海洋深水鉆井。

表3 兩種合成基鉆井液的流變參數(shù)對比

3 結(jié) 論

1）基液的黏度會影響整個合成基鉆井液的流變性，由運動黏度低的線性α－烯烴和特種油分別配制的鉆井液在低溫時的流動性明顯好于酯基合成基鉆井液。相比較而言，由特種油配制的合成基鉆井液切力隨溫度的變化較小，更具有恒流變特性。

2）在基液種類和乳化劑一定的條件下，有機土、降濾失劑和油水比對合成基鉆井液性能有著明顯的影響。隨著有機土質(zhì)量濃度和水相比例的增大，μp和τd也隨之增大。而2種降濾失劑對鉆井液的τd隨溫度的變化影響均較小，但是合成樹脂類降濾失劑的降濾失效果卻明顯優(yōu)于瀝青類降濾失劑。

3）與傳統(tǒng)合成基鉆井液相比，HMS合成基鉆井液的流變性受溫度的影響很小，表現(xiàn)出了良好的恒流變特性，更適合于海洋深水鉆井。

[1]王友華，王文海，蔣興迅 .南海深水鉆井作業(yè)面臨的挑戰(zhàn)和對策 [J].石油鉆探技術(shù)，2011，39（2）：50～55.

[2]耿嬌嬌，鄢捷年，李紅梅，等 .具有恒流變特性的合成基鉆井液 [J].石油鉆探技術(shù)，2010，38（2）：91～94.

[3]Oort E V，Lee J，F(xiàn)riedheim J.New flat－rheology synthetic－based mud for improved deepwater drilling[J].SPE90987，2004.

[4]Gregory A M，Clark D E.The Pro＇s and Con＇s of flat rheology drilling fluids[A].AADE－05－NTCE－28 [C].Houston，2005.

[5]舒福昌，史茂勇，向興金 .改性腐植酸合成油基鉆井液降濾失劑研究 [J].應用化工，2008，37（9）：1067～1069.