PIBSI對(duì)油基鉆井液性能影響研究

劉扣其， 邱正松， 曹 杰， 劉云峰， 羅 洋

(中國石油大學(xué)石油工程學(xué)院，山東青島 266580)

PIBSI對(duì)油基鉆井液性能影響研究

劉扣其， 邱正松， 曹 杰， 劉云峰， 羅 洋

(中國石油大學(xué)石油工程學(xué)院，山東青島 266580)

常溫條件下分別采用5號(hào)和3號(hào)兩種白油配制基漿和油基鉆井液體系，并在基漿和鉆井液體系中加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的聚異丁烯丁二酰亞胺(PIBSI)，考察不同溫度下PIBSI的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)基漿和鉆井液體系流變、沉降和濾失性能的影響。結(jié)果表明，對(duì)于基漿而言，低溫條件下(4 ℃)PIBSI能夠提高基漿的沉降穩(wěn)定性能，基漿的黏度隨PIBSI質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加先降低后增加。對(duì)于油基鉆井液體系而言，在適當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)下(5號(hào)白油體系PIBSI質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%，3號(hào)白油體系PIBSI質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%)，PIBSI能夠有效降低體系低溫條件下(4 ℃)的黏度，而對(duì)室溫(25 ℃)和高溫(65 ℃)條件下體系的黏度、動(dòng)切力等參數(shù)影響程度較小。PIBSI質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，兩種油基鉆井液體系的高溫高壓降濾失量越低。

基漿； 油基鉆井液； 聚異丁烯丁二酰亞胺(PIBSI)； 溫度； 性能影響

油基鉆井液性能受溫度影響比較明顯，深水鉆井條件下，鉆井液由于海水的冷卻作用，黏度變大，當(dāng)量循環(huán)密度升高，由于深水鉆井的安全密度窗口較窄，增大當(dāng)量循環(huán)密度會(huì)導(dǎo)致井底壓力超過地層的破裂壓力梯度，引發(fā)井漏等一系列事故，給鉆井帶來嚴(yán)重的損失[1-3]，因此降低油基鉆井液低溫下的黏度十分迫切[4]。聚異丁烯丁二酰亞胺(PIBSI)是一種性能優(yōu)異的分散劑，被廣泛應(yīng)用于潤滑油行業(yè)，能夠在低溫條件下較好的分散烴類溶液中的碳煙粉，碳納米管，降低體系低溫下的黏度[5-7]，但是其在油基鉆井液中的應(yīng)用研究較少，本文主要研究了PIBSI對(duì)油基鉆井液體系性能的影響。結(jié)果表明，PIBSI能降低低溫下油基鉆井液體系黏度，而對(duì)室溫、高溫條件下體系流變性能沒有影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1實(shí)驗(yàn)材料

5號(hào)白油、3號(hào)白油，青島潤澤油品有限公司；提切劑、乳化劑、有機(jī)土、潤濕劑、降濾失劑，中石化勝利油田泥漿公司；PIBSI，天津開發(fā)區(qū)樂泰化工有限公司；無水CaCl2、氧化鈣，上海國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2實(shí)驗(yàn)儀器

Fann35六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，青島海通達(dá)專用儀器有限公司；DC-1006低溫恒溫槽，上海精密科學(xué)儀器有限公司；滾子爐，青島海通達(dá)專用儀器有限公司。

1.3實(shí)驗(yàn)步驟

(1)配制實(shí)驗(yàn)所需的不同基油的油基鉆井液，步驟如下：攪拌基油10 min后，依次將乳化劑、潤濕劑加入基油中各攪拌15 min，充分?jǐn)嚢韬蠹尤牒幸欢舛鹊腃aCl2水溶液，攪拌30 min后，加入氧化鈣、流型調(diào)節(jié)劑、降濾失劑、有機(jī)土各攪拌15 min，最后將重晶石緩慢加入鉆井液中，在11 000 r/min條件下攪拌60 min。

(2)在含有不同基油的鉆井液中加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的PIBSI，老化后，測量不同溫度下油基鉆井液性能，實(shí)驗(yàn)研究PIBSI對(duì)油基鉆井液流變性能的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 PIBSI對(duì)白油基漿性能的影響

分別用3號(hào)和5號(hào)兩種白油配制如下的基漿體系(質(zhì)量分?jǐn)?shù))：基漿1為300 mL 5號(hào)白油+2%有機(jī)土；基漿2為300 mL 5號(hào)白油+1%PIBSI+2%有機(jī)土；基漿3為300 mL 3號(hào)白油+2%有機(jī)土；基漿4為300 mL 3號(hào)白油+1%PIBSI+2%有機(jī)土。將上述4個(gè)基漿體系移入具塞量筒中靜置10 d(溫度保持4 ℃)，觀察各基漿體系低溫沉降情況，如圖1所示。

圖1 4 ℃下兩種白油基漿沉降性能

Fig.1SedimentarystabilityoftheOBMswithtwodifferentmineraloilunder4 ℃

圖1顯示基漿2和基漿4中由于含有PIBSI，低溫下其沉降穩(wěn)定性能分別優(yōu)于無PIBSI的基漿1和基漿3，這主要是由于低溫條件下，PIBSI分子中間的極性的聚胺部分能夠強(qiáng)烈的吸附到顆粒的表面上，而聚異丁烯鏈伸入到非極性溶劑中，PIBSI具有一定的空間體積，增加了有機(jī)土顆粒與顆粒之間碰撞的阻力，并且由于PIBSI的吸附，顆粒的Hamaker常數(shù)發(fā)生改變，顆粒間的范德華力變?nèi)酰w粒的分散性能變優(yōu)，體系的沉降穩(wěn)定性能變優(yōu)[5, 8-10]。

將不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的PIBSI分別加入到基漿1和基漿3中，4 ℃下測量含有不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)PIBSI的基漿黏度，考察PIBSI的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)5號(hào)白油基漿、3號(hào)白油基漿低溫黏度的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

從圖2中可以看出，隨著PIBSI質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，兩種基漿體系的黏度先降低后升高，這是由于PIBSI能夠吸附在有機(jī)土顆粒的表面，由于PIBSI的空間穩(wěn)定作用，低溫下有機(jī)土顆粒的分散性能變優(yōu)，體系黏度變低，當(dāng)PIBSI質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加時(shí)，一部分PIBSI不能吸附到有機(jī)土顆粒表面而溶解在白油中，PIBSI與烴類分子之間相互作用，從而導(dǎo)致體系黏度增加。對(duì)比圖2(a)和圖2(b)可以發(fā)現(xiàn)低溫條件下體系黏度達(dá)到最低時(shí)對(duì)應(yīng)的PIBSI質(zhì)量分?jǐn)?shù)是不一樣，對(duì)于5號(hào)白油基漿，當(dāng)PIBSI質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%時(shí)，體系黏度最小是20.5 mPa·s，而對(duì)于3號(hào)白油基漿而言，當(dāng)PIBSI質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%時(shí)，體系黏度最小為7 mPa·s。

圖2 4 ℃下PIBSI質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)白油基漿黏度的影響

Fig.2InfluenceofthePIBSImassfractionontheviscosityofOBMsunder4 ℃

2.2 PIBSI對(duì)油基鉆井液體系性能的影響

2.2.1 低溫條件 為了進(jìn)一步了解PIBSI對(duì)油基鉆井液性能的影響，實(shí)驗(yàn)分別采用5號(hào)白油和3號(hào)白油配制油基鉆井液體系，具體配方體系如下：

5號(hào)白油鉆井液體系(質(zhì)量分?jǐn)?shù))：240 mL 5號(hào)白油+1.7%主乳+1.7%副乳+2%潤濕劑+60 mL氯化鈣水溶液(CaCl2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%)+0.5%氧化鈣+1%提切劑+3%降濾失劑+2%有機(jī)土+144 g重晶石；

3號(hào)白油鉆井液體系(質(zhì)量分?jǐn)?shù))：210 mL 3號(hào)白油+2%主乳+3%副乳+2%潤濕劑+90 mL氯化鈣水溶液(CaCl2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%)+0.5%氧化鈣+2.0%提切劑+3%降濾失劑+1.5%有機(jī)土+170 g重晶石。

在上述兩種油基鉆井液體系中加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的PIBSI，老化后，測量體系低溫下(4 ℃)的性能，研究低溫條件下，PIBSI的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)5號(hào)白油鉆井液體系和3號(hào)白油鉆井液體系性能的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3表明低溫條件下(4 ℃)，兩種白油鉆井液體系的表觀黏度隨著PIBSI質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，先降低后增加，而體系的動(dòng)切力隨PIBSI質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加變化不大。當(dāng)PIBSI質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%時(shí)，5號(hào)白油鉆井液體系的黏度最低為115 mPa·s，而對(duì)于3號(hào)白油鉆井液體系，PIBSI質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%時(shí)，體系黏度最小為97 mPa·s。圖3表明PIBSI能夠降低3號(hào)白油和5號(hào)白油鉆井液體系低溫下的黏度，而對(duì)體系的動(dòng)切力影響較小。

圖3 白油鉆井液體系黏度和動(dòng)切力隨PIBSI質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化(4 ℃)

Fig.3InfluenceofthePIBSImassfractionontheviscosityandYPofOBMsunder4 ℃

2.2.2 室溫條件 將不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的PIBSI加入上述兩種油基鉆井液體系中，測量各體系25 ℃條件下的流變等性能，研究室溫條件下PIBSI對(duì)兩種油基鉆井液體系性能的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4油基鉆井液體系黏度和動(dòng)切力隨PIBSI質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化(25℃)

Fig.4InfluenceofthePIBSImassfractionontheviscosityandYPofOBMsunder25 ℃

由圖4可知，室溫條件下，隨著PIBSI質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，兩種體系的黏度和動(dòng)切力變化不大，說明室溫條件下PIBSI質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)油基鉆井液體系的黏度和動(dòng)切力基本沒有影響。

將含有不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)PIBSI的5號(hào)油基鉆井液體系和3號(hào)油基鉆井液體系在10 000 r/min下攪拌30 min，倒入250 mL具塞量筒中并放入烘箱，在25 ℃的條件下靜態(tài)老化72 h，取出，觀察并進(jìn)行測試。老化后，所有的體系的上端出現(xiàn)了分離油，取出分離油，測定其體積，如圖5所示。

圖5 體系分離油體積隨PIBSI質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化(25 ℃)

Fig.5InfluenceofthePIBSImassfractiononthefreeoilvolumeofOBMsunder25 ℃

將上述各體系上端分離油取出，讀出剩余溶液的高度，分別取出剩余溶液最上層和最下層5 cm高度左右的溶液[10]，測量其密度，計(jì)算密度差，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 各體系密度差隨PIBSI質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化(25 ℃)

Fig.6InfluenceofthePIBSImassfractiononthedensitychangeofOBMsunder25 ℃

圖5、圖6表明室溫條件下，PIBSI的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)兩種油基鉆井液體系的沉降穩(wěn)定性能影響不大。

2.2.3 高溫條件 將不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的PIBSI加入上述兩種油基鉆井液體系中，測量各體系65 ℃條件下的流變等性能，研究高溫條件下PIBSI對(duì)兩種油基鉆井液體系性能的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7油基鉆井液體系黏度和動(dòng)切力隨PIBSI質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化(65℃)

Fig.7InfluenceofthePIBSImassfractionontheviscosityandYPofOBMsunder65 ℃

由圖7可知，65 ℃條件下，隨著PIBSI質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，5號(hào)白油體系和3號(hào)白油鉆井液體系的表觀黏度和動(dòng)切力變化不大，說明PIBSI質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)高溫條件下兩種體系的黏度和動(dòng)切力的影響不大。

測量含有不同PIBSI質(zhì)量分?jǐn)?shù)的油基鉆井液體系的高溫高壓(150 ℃、3.5 MPa)條件下濾失量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 油基鉆井液體系HTHP濾失量隨PIBSI質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化Table 1 Influence of the PIBSI mass fraction on the HTHPfiltrate loss of oil based drilling fluid

由表1可知，隨著PIBSI質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，兩種油基鉆井液體系的HTHP濾失量都會(huì)降低。

3 結(jié)論

(1) 對(duì)于只含有有機(jī)土的5號(hào)白油和3號(hào)白油基漿，低溫條件下(4 ℃)，PIBSI能提高其沉降性能，基漿的黏度隨PIBSI質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加先降低再增加。

(2) 低溫條件下，5號(hào)白油鉆井液體系和3號(hào)白油鉆井液體系黏度隨PIBSI質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加先降低后增加；室溫、高溫條件下，兩種油基鉆井液體系的黏度隨PIBSI質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大變化幅度較小。兩種油基鉆井液體系的高溫高壓濾失量隨PIBSI質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而降低。

(3) PIBSI可以用來降低5號(hào)和3號(hào)白油鉆井液體系低溫下的黏度，而不影響低溫下的動(dòng)切力并且對(duì)高溫下鉆井液體系的性能影響較小，適合應(yīng)用在深水油基鉆井液體系中。

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(編輯 宋官龍)

Effect of PIBSI on the Properties of Oil-Based Drilling Fluid

Liu Kouqi， Qiu Zhengsong， Cao Jie， Liu Yunfeng， Luo Yang

(CollegeofPetroleumEngineering，ChinaUniversityofPetroleum，QingdaoShandong266580，China)

5#mineral oil and 3#mineral oil were used separately to prepare the basic mud and the oil-based drilling fluid system at room temperature. PIBSI(polyisobutylene succinimide) with different concentration were added to investigate the effect on properties of the basic mud and oil-based drilling fluid system under different temperatures. The results showed that, PIBSI can improve sag stability and viscosity of the basic mud changes with the concentration of the PIBSI under low temperature(4 ℃). As for oil-based drilling fluid system, PIBSI can decrease the viscosity of the system under low temperature while showed little effect on the viscosity and the gel strength under room and high temperatures if the concentration of PIBSI was in the appropriate concentration (for the 5#mineral oil based drilling system, the appropriate concentration was 2%, while for the 3#mineral oil based drilling system, the appropriate concentration was 0.2%). The larger the concentrations of the PIBSI, the lower the HTHP filtration loss will be.

Basic mud; Oil-based drilling fluid; Polyisobutylene succinimide; Temperature; Property influence

1006-396X(2014)04-0043-05

2013-10-29

：2013-12-20

國家科技重大專項(xiàng)(2011ZX05030-005-07)；博士后基金項(xiàng)目(2012M521385)；教育部創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(IRT1086)。

劉扣其(1989-)，男，碩士研究生，從事油基鉆井液技術(shù)研究；E-mail：Liukouqi@126.com。

邱正松(1964-)，男，博士，教授，從事鉆井液防塌防漏技術(shù)、深水鉆井液以及油層保護(hù)技術(shù)研究；E-mail：qiuzs63@sina.com。

TE254

： A

10.3969/j.issn.1006-396X.2014.04.010