陽離子乳化瀝青對水基鉆井液流變性的影響

楊 航，曹曉春

（1. 東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318； 2. 中海石油（中國）有限公司天津分公司渤西作業(yè)公司，天津 塘沽300452）

陽離子乳化瀝青對水基鉆井液流變性的影響

楊 航1,2，曹曉春1

（1. 東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318； 2. 中海石油（中國）有限公司天津分公司渤西作業(yè)公司，天津 塘沽300452）

通過測試不同陽離子乳化瀝青濃度的鉆井液在4個溫度點下的表觀粘度、塑性粘度和動切力，分析陽離子乳化瀝青對鉆井液流變性的影響。試驗結(jié)果表明，濃度在4%以下時，陽離子乳化瀝青對鉆井液各流變參數(shù)的影響較小，且影響為非線性。陽離子乳化瀝青的加入，并沒有質(zhì)變性地影響溫度對鉆井液流變性的作用。

陽離子乳化瀝青；鉆井液；溫度；濃度；流變性

隨著鉆井液技術(shù)的發(fā)展，瀝青改性產(chǎn)品在石油鉆井中得到廣泛應(yīng)用，油田通用的改性瀝青處理劑包括乳化瀝青、氧化瀝青、磺化瀝青、陽離子膠乳瀝青等。其中乳化瀝青是指把瀝青加熱熔融，在機械攪拌作用力下，以細小的微粒分散于含有乳化劑及其助劑的水溶液中形成的水包油型（O/W）乳液。根據(jù)所用乳化劑電性的不同，分為陽離子乳化瀝青、陰離子乳化瀝青、非離子乳化瀝青等。乳化瀝青在鉆井工程中的常作為防塌、堵漏劑使用，達到改善泥餅質(zhì)量，封堵地層孔隙和裂縫，降低鉆井液的濾失量的目的。由于粘土顆粒帶負電的原因，油田在使用乳化瀝青時，選用陽離子乳化瀝青，以抑制粘土膨脹。陽離子乳化瀝青在新疆的克拉瑪依、陸梁、石南、莫北油田的使用中得到了較好的防塌降濾失效果[1]。

目前，對陽離子乳化瀝青的防塌、降濾失、抑制粘土膨脹性能研究較多[2-4]，并且本文作者通過實驗也驗證了，2%濃度的陽離子乳化瀝青就可以明顯的降低鉆井液濾失量。陽離子乳化瀝青雖有良好的防塌堵漏作用，但是陽離子乳化瀝青的加入對鉆井液流變性會有如何的影響，研究報道較少。本文通過測試不同溫度、不同陽離子乳化瀝青濃度下鉆井液的流變性參數(shù)，來了解陽離子乳化瀝青在不同溫度時對鉆井液流變性能的影響。

1 試驗部分

基漿配制：為避免其他鉆井液處理劑對鉆井液流變性造成影響，試驗基漿使用5%膨潤土+0.25% Na2CO3配置而成。

試驗漿配制：本試驗使用PC-2陽離子乳化瀝青，分別配制體積濃度為0.5%，1%，1.5%，2%，2.5%，3%，3.5%，4%的對比試驗漿。

試驗儀器：ZNN-D6六速旋轉(zhuǎn)粘度計，ZNN-D6專用恒溫加熱杯。

試驗方法：分別測定45、55、65、75 ℃下，不同陽離子乳化瀝青濃度鉆井液的表觀粘度、塑性粘度和動切力，通過數(shù)據(jù)分析以了解不同濃度陽離子乳化瀝青在不同溫度下對鉆井液流變性能的影響。

2 恒定溫度下陽離子乳化瀝青濃度對鉆井液流變性的影響分析

分別做45、55、65、75 ℃四個溫度點的四組試驗，測定每組不同濃度陽離子乳化瀝青鉆井，液的流變參數(shù)曲線，以了解不同溫度下，鉆井液流變性受陽離子乳化瀝青的影響程度。

（1）如圖1所示，可以看到，45 ℃時，鉆井液表觀粘度隨著陽離子乳化瀝青濃度的升高，先下降，在0.5%時降至最低，隨后開始上升，并在濃度為3%的時候達到最高值，然后開始下降。塑性粘度隨著陽離子乳化瀝青濃度的升高而升高，在3%到3.5%時達到最高值，在濃度為4%時開始下降。動切力在0.5%時最低，隨后隨著乳化瀝青濃度的增加，動切值有所增加，在1.5%以后變化不明顯。

圖1 45 ℃鉆井液流變參數(shù)變化曲線Fig.1 45 ℃ drilling fluid rheology parameters curves

（2）55 ℃時，如圖2所示，表觀粘度在低濃度逐步下降，在1%時達到最小值，隨后逐步上升，在2.5%時到達最高值，隨后開始下降。塑性粘度在低濃度時先略微下降，在1.5%時達到最低點，最后快速上升，在2.5%時達到最大值，隨后快速下降。動切力在1%之后上升較明顯，隨后在2%和3.5%之間波動，在4%快速下降。

圖2 55 ℃鉆井液流變參數(shù)變化曲線Fig.2 Drilling fluid rheological parameters curves at 55 ℃

在65 ℃時，各曲線變化基本與55 ℃曲線相同，只是轉(zhuǎn)折點濃度略有不同。表觀粘度同樣隨著濃度升高先下降，在逐步上升，在3%達到峰值，隨后逐步下降。塑性粘度則隨著濃度升高而逐步上升，在3%時達到最大值，隨后快速下降。動切力在0.5%到1%之間快速下降，在1%到3%之間波動，變化較小，在濃度超過3%以后，動切力快速上升。

（3）如圖3所示，在75 ℃時，陽離子乳化瀝青對鉆井液的表觀粘度影響較小，隨著濃度的增加，表觀粘度逐步增加，但增加較小，曲線較為平穩(wěn)。塑性粘度曲線先下降，在0.5%濃度之后開始上升，到達2%后開始逐步下降。動切值則在0.5%達到一個峰值，隨后逐步下降，在2%達到一個極小值，隨后逐步上升，在4%的濃度上升至9 mPa·s。

圖3 75 ℃鉆井液流變參數(shù)變化曲線Fig.3 75 ℃ drilling fluid rheology parameters curves

3 不同溫度下陽離子乳化瀝青濃度對鉆井液流變性的影響

（1）表觀粘度在不同溫度下的變化曲線如圖4所示，從曲線中我們可以看出，在相同陽離子乳化瀝青濃度下，表觀粘度隨溫度的升高而下降，屬于升溫減稠。另外，我們從曲線中可以發(fā)現(xiàn)，在較低的溫度下，陽離子乳化瀝青濃度在1%以下時，表觀粘度都會隨著濃度的升高而下降，并且在75 ℃以下的溫度時表觀粘度下降比較明顯。而在75 ℃時，較低濃度的陽離子乳化瀝青對鉆井液的表觀粘度影響不大，直到濃度達到2.5%以后，粘度開始逐步上升。從不同溫度的表觀粘度的曲線中，我們可以也看出，在45～75 ℃之間，鉆井液的表觀粘度是隨著溫度升高而降低的，這與相關(guān)報道[5,6]相吻合。同時，也一方面證明了，陽離子乳化瀝青的加入雖然對鉆井液流變性產(chǎn)生了一定的影響，但是鉆井液流變性受溫度影響的趨勢并沒有改變。

圖4 不同溫度下鉆井液表觀粘度變化曲線Fig.4 Drilling apparent viscosity curves at different temperatures

（2）如圖5所示，45 ℃下塑性粘度隨著乳化瀝青濃度的升高而逐步增大；55 ℃下，塑性粘度在低濃度時隨著濃度升高先減小，濃度達到1.5%后再增大，在濃度超過2.5%以后，塑性粘度開始減?。?5 ℃下的塑性粘度曲線與55 ℃的基本相似，只是在濃度超過3%以后，塑性粘度才開始減小。而75 ℃下的塑性粘度曲線先下降，再上升，在2%到達最大值，隨后逐步下降。45、55、65 ℃塑形曲線之間的差距較小，而75 ℃的曲線則與其他三條曲線有較大的不同，造成這種現(xiàn)象的原因有可能是因為在較高的溫度，粘土分散程度加大，造成對鉆井液流變性影響增大，從而與其他三條曲線產(chǎn)生明顯不同。

圖5 不同溫度下鉆井液塑性粘度變化曲線Fig.5 Drilling plastic viscosity curves at different temperatures

（3）如圖6所示，45、55 ℃下的動切力曲線趨勢基本相同，都是先降再升，再下降，波動變化不大，65 ℃的曲線波動較大，且先下降，后上升，在1%～3%之間小范圍波動后，動切力快速上升。在75 ℃的曲線中，動切力先上升，在0.5%處達到一個極大值，隨后下降，在2.5%之后逐步上升。

圖6 不同溫度下鉆井液動切力變化曲線Fig.6 Drilling fluid dynamic shear force curves at different temperatures

4 結(jié) 論

（1）陽離子乳化瀝青會對鉆井液的流變性產(chǎn)生小幅的影響。濃度在4%以下時，隨著濃度的升高，鉆井液的表觀粘度呈波動式增長，但波動范圍值不大。塑性粘度和動切力的變化則同樣隨著濃度的增加而小范圍波動變化。

（2）在45 ℃到75 ℃之間，陽離子乳化瀝青在鉆井液中的濃度在4%以下時，無論是否加入陽離子乳化瀝青，鉆井液的表觀粘度都是隨著溫度的上升而下降的，塑性粘度和動切力在溫度較高的65 ℃和75 ℃產(chǎn)生較大幅度變化，且隨著溫度的升高，陽離子乳化瀝青對鉆井液流變性的影響會逐漸減小。

［1］ 楊玉良,李躍明,馬世昌,黃治中. 瀝青在石油鉆井中的研究與應(yīng)用[J]. 新疆石油天然氣,2010(01):59-62+106-107.

［2］ 王參書,徐孝思,杜曉勇,鄒盛禮,瞿凌敏,刁可庚,盧虎. 乳化瀝青YK-H在塔里木哈得及輪古地區(qū)中的應(yīng)用[J]. 鉆井液與完井液,2003(04):60-61+73.

［3］ 王鐵軍,王子龍,呂忠遠. 聚合物陽離子瀝青在吉林油田花九區(qū)塊的應(yīng)用[J]. 鉆井液與完井液,2004(02):51-53+67.

［4］ 曹正權(quán),陳輝,楊士超,何長,蔣官澄. 陽離子乳化瀝青對油層的保護作用[J]. 石油鉆采工藝,2002(03):20-22+83.

［5］ 施里宇,李天太,張喜鳳,張斌,梁紅軍. 溫度和膨潤土含量對水基鉆井液流變性的影響[J]. 石油鉆探技術(shù),2008(01):20-22.

［6］ 郭靖,李天太,張喜鳳,郭必虎. 溫度和密度對高密度鉆井液流變性的影響[J]. 石油地質(zhì)與工程,2008(01):95-97.

Influence of Cationic Emulsified Asphalt on the Rheology of Water-based Drilling Fluids

YANG Hang1,2，CAO Xiao-chun1
（1. College of Petroleum Engineering, Northeast Petroleum University, Heilongjiang Daqing 163318，China；2. CNOOC (China) Co., Ltd. Tianjin Branch BOXI Operating Company, Tianjin 300452，China）

By testing fluid apparent viscosity, plastic viscosity and dynamic shear force of drilling fluid with different concentrations of cationic emulsified asphalt at four different temperature point, the influence of cationic emulsified asphalt on the rheology of drilling fluid was analyzed. The results show that, when cationic emulsified asphalt concentration is below 4%,it has less influence on the each rheological parameters of drilling fluid,and the influence is nonlinear. Cationic emulsified asphalt doesn’t impact the influence of temperature on the rheological properties of the drilling fluid qualitatively.

Cationic emulsified asphalt; Drilling fluid; Temperature; Concentration; Rheology

TE 357

： A

： 1671-0460（2015）10-2297-03

2015-05-01

楊航（1989-），男，黑龍江大慶人，在讀碩士研究生，2007年畢業(yè)于東北石油大學(xué)石油工程專業(yè)，研究方向：鉆完井工作液化學(xué)。E-mail：289516274@qq.com。