一種深水用白油基恒流變鉆井液體系的建立與評(píng)價(jià)

李 路，許明標(biāo)，由福昌，黃楚云，梁 悅，趙 鵬

（1. 長(zhǎng)江大學(xué) 石油工程學(xué)院， 湖北 武漢 430100； 2. 嘉華科技有限公司， 湖北 荊州 434000；3. 中國(guó)石油渤海鉆探第二固井公司， 天津 大港 300000）

一種深水用白油基恒流變鉆井液體系的建立與評(píng)價(jià)

李 路1，許明標(biāo)1，由福昌2，黃楚云1，梁 悅3，趙 鵬1

（1. 長(zhǎng)江大學(xué) 石油工程學(xué)院， 湖北 武漢 430100； 2. 嘉華科技有限公司， 湖北 荊州 434000；3. 中國(guó)石油渤海鉆探第二固井公司， 天津 大港 300000）

主要針對(duì)深海鉆井作業(yè)設(shè)計(jì)了一種白油基恒流變鉆井液。我們主要通過(guò)添加有機(jī)土和高分子聚合物來(lái)達(dá)到鉆井液恒流變的目的。還評(píng)價(jià)了有機(jī)土的種類與含量、高分子聚合物的含量、油水比和鉆井液密度對(duì)白油基鉆井液流變性（動(dòng)切力 YP）的影響。

深水鉆井；白油基；恒流變；動(dòng)切力

隨著科技的進(jìn)步，石油鉆井技術(shù)不斷提高，石油開(kāi)采已由淺海邁向了更深的海域。油基鉆井液由于其抑制性強(qiáng)、抗溫性能好、抗污染能力強(qiáng)、保護(hù)油層效果好及潤(rùn)滑性好等優(yōu)點(diǎn)開(kāi)始被人應(yīng)用于海上石油開(kāi)采作業(yè)中[1]。目前油基鉆井液已經(jīng)成為當(dāng)前世界上海洋石油鉆井所使用的重要鉆井液體系。但是油基鉆井液在深海鉆井作業(yè)中面臨著兩大挑戰(zhàn)。第一是油基鉆井液對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境的污染，傳統(tǒng)的油基鉆井液基礎(chǔ)油主要是礦物油和柴油，這兩種油品的芳香烴含量較高，用于海洋石油開(kāi)采時(shí)容易對(duì)環(huán)境造成污染；另外芳香烴毒性很大，且腐蝕性較強(qiáng)，對(duì)鉆井設(shè)備有一定程度的損害[2]。第二是低溫下的流變性，傳統(tǒng)的油基鉆井液流變性受溫度和壓力的影響較大，低溫將使鉆井液在低溫條件下變得很稠，導(dǎo)致當(dāng)量循環(huán)密度和啟動(dòng)泵壓、激動(dòng)泵壓變化較大，很容易出現(xiàn)嚴(yán)重的井下漏失[3]；基于以上兩點(diǎn)，我們采用惠州 3#白油用作油基鉆井液的基礎(chǔ)油來(lái)建立恒流變油基鉆井液。白油是由石油精煉而成的無(wú)色、無(wú)味、無(wú)腐蝕的特種礦物油，其芳香烴等雜質(zhì)的含量很低，與傳統(tǒng)的礦物油相比更清潔更環(huán)保[4]。

1 恒流變?cè)?/h2>

油基鉆井液的流變性與其各組分的含量密切相關(guān)。其中影響鉆井液的塑性粘度的主要因素是有機(jī)土（親油粘土）、加重材料以及水在油相中的分散性。而油包水乳化鉆井液有較高的凝膠強(qiáng)度和動(dòng)切力，其原因主要是有機(jī)土顆粒與分散在鉆井液中的細(xì)微水滴相互作用所致[5]。另外，有機(jī)土顆粒表面的親油程度有限，當(dāng)油水兩相的分散度過(guò)高時(shí)，有機(jī)土顆粒的表面對(duì)體系中的細(xì)微水滴有一定的吸附作用，從而使部分有機(jī)土顆粒潤(rùn)濕，形成顆粒間的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，進(jìn)而使鉆井液的動(dòng)切力（YP）升高。由此可知，油基鉆井液動(dòng)切力（YP）的大小主要與體系中有機(jī)土顆粒與細(xì)微水滴的濃度，還有它們之間相互作用的強(qiáng)度有關(guān)。而恒流變油基鉆井液的主要特性是在一定溫度變化的范圍內(nèi)，動(dòng)切力（YP）基本不變。其原理在于恒流變油基鉆井液體系中，隨著溫度的降低，有機(jī)土的增粘效果會(huì)升高，而高分子聚合物的增粘作用會(huì)下降；反之，隨著溫度的升高，高分子聚合物的分子鏈會(huì)拉長(zhǎng)，增粘作用會(huì)上升，而有機(jī)土的增粘作用又會(huì)下降。正是高分子聚合物與有機(jī)土這種此消彼長(zhǎng)的互補(bǔ)特性實(shí)現(xiàn)了油基鉆井液恒流變的特性[6]。

2 試驗(yàn)部分

2.1 試驗(yàn)材料及儀器

（1）試驗(yàn)材料 惠州 3#白油；主乳化劑（HIEMUL）；輔乳化劑（HICOAT）；流型改進(jìn)劑（HIRHEO-A）；氧化鈣；有機(jī)土；高分子聚合物（ADPATA）；降濾失劑（MT084 與 AE-120 復(fù)配使用，復(fù)配比例 3:7）；26%氯化鈣水溶液；深圳產(chǎn)重晶石粉。

（2）試驗(yàn)儀器 高速攪拌器；六速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)；熱滾子爐；破乳電壓測(cè)試儀；低溫模擬試驗(yàn)箱；油浴鍋。

2.2 試驗(yàn)方法

（1）白油基恒流變鉆井液基本配方 惠州 3#白油+主乳化劑+輔乳化劑+氧化鈣+有機(jī)土+高分子聚合物+降濾失劑+26%氯化鈣溶液[7]，用重晶石粉調(diào)節(jié)密度至 1.1～1.4 g/cm3。

（2）白油基鉆井液的配制 在高速攪拌的條件下，將主乳化劑、輔乳化劑、氧化鈣、有機(jī)土、高分子聚合物、降濾失劑和流型改進(jìn)劑加入惠州 3#白油中，20 min 后加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 26%的氯化鈣溶液，攪拌 30 min 后用重晶石粉調(diào)節(jié)密度，再攪拌 30 min。測(cè)量剛配制好的鉆井液的流變性，即為鉆井液滾前流變性。然后將白油基鉆井液在 110 ℃、16 h 熱滾條件下老化后再進(jìn)行性能測(cè)定[8]。

（3）流變性的測(cè)定 將待測(cè)鉆井液依次作以下處理：置于油浴鍋中加熱至 50 ℃；使鉆井液降至25℃；置于低溫模擬試驗(yàn)箱中使之將至 4 ℃。然后測(cè)定油基鉆井液在 50、25 和 4 ℃時(shí)的流變性。根據(jù)六速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)的讀數(shù)（Φ600、Φ300），按照賓漢流變模式計(jì)算動(dòng)切力（YP）。這里應(yīng)注意的是：每次測(cè)流變性之前應(yīng)用高速攪拌器將鉆井液攪拌至少 3 min。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 白油基恒流變鉆井液有機(jī)土的優(yōu)選

有機(jī)土是可以在油中分散的親油性改性膨潤(rùn)土，主要作用是增加鉆井液體系的粘度，防止鉆屑與加重材料發(fā)生沉降現(xiàn)象，同時(shí)還有一定的將濾失作用。我們考察了兩種有機(jī)土（MOGEL 和 HF-120）及有機(jī)土質(zhì)量濃度對(duì)白油基鉆井液流變性的影響，結(jié)果見(jiàn)圖 1。結(jié)果表明鉆井液的動(dòng)切力（YP）均隨溫度的升高而下降，隨有機(jī)土含量的上升而上升。且有機(jī)土含量越高，三個(gè)不同溫度條件下動(dòng)切力（YP）的差異越大。有機(jī)土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 1.0%時(shí)鉆井液粘度過(guò)低，不能滿足現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的要求。因此應(yīng)是鉆井液中有機(jī)土的含量保持在 1.5%以上。另外，通過(guò)試驗(yàn)我們了解到不論 MOGEL 的加量為多少，滾前與滾后的動(dòng)切力（YP）均有很大差異（MOGEL加 量 為 1.5% 時(shí) 滾 前 與 滾 后 的 YP 值 分 別 為3,11/8/7）。因此，代號(hào)為 HF-120 的有機(jī)土更適用于白油基鉆井液。

圖1 有機(jī)土對(duì)白油基鉆井液流變性的影響Fig.1Effect of organic clay on the rheology of white oil based drilling fluid

3.2 高分子聚合物對(duì)白油基鉆井液流變性的影響

當(dāng)白油基鉆井液溫度升高時(shí)，由于高分子聚合物的分子鏈會(huì)伸展開(kāi)來(lái)，增粘作用變強(qiáng)，與有機(jī)土的效果剛好相反。我們考察了高分子聚合物（ADPATA）三個(gè)質(zhì)量濃度（0.5%、1.0%、1.5%）下油基鉆井液的流變性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果由圖-2所示。通過(guò)圖2的數(shù)據(jù)可知，鉆井液的粘度隨高分子聚合物的含量上升而升高。當(dāng) ADPATD 的加量升至 1.5%時(shí)鉆井液的粘度過(guò)高。ADPATA 加量為 1.0%時(shí)鉆井液性能最好，且 20 ℃與 50 ℃的動(dòng)切力（YP）相同，4 ℃與 20 ℃的動(dòng)切力（YP）僅相差 3 mPa·s。

圖2 高分子聚合物對(duì)白油基鉆井流變性的影響Fig.2 Effect of high molecularpolymer on the rheology of white oil based drilling fluid

3.3 油水比對(duì)白油基鉆井液流變性的影響

影響油基鉆井液動(dòng)切力大小的主要因素為體系中細(xì)微水滴與有機(jī)土顆粒的濃度，因此油基鉆井液的油水比也是控制體系流變性的重要因素之一。我們考察了4種油水比的配比情況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖 3所示。由圖3可以看出，隨著油水比的降低，油基鉆井液中的細(xì)微水滴濃度上升，粘度逐漸增加。當(dāng)鉆井液中的水相含量升高時(shí)，溫度對(duì)鉆井液動(dòng)切力的影響也隨之加大。因此，水相含量的升高不利于白油基鉆井液恒流變的特性。在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中若對(duì)鉆井液的恒流變要求較高，應(yīng)盡量使鉆井液維持較高的油水比（最好高于 85:15），同時(shí)還應(yīng)注意海水與地層水侵入的情況。

圖3 油水比對(duì)白油基鉆井液流變性的影響Fig.3 Effect of ratio of oil to water on the rheology of white oil based drilling fluid

圖4 密度對(duì)白油基鉆井液流變性的影響Fig.4 Effect of density on the rheology of white oil based drilling fluid

3.4 鉆井液密度對(duì)白油基鉆井液流變性的影響

即使配方相同，鉆井液的固相含量與密度不同，鉆井液的流變性也會(huì)有所差異。我們配制了6組相同配方但密度不同的白油基鉆井液，觀察密度不同對(duì)鉆井液流變性的影響規(guī)律，密度分別為 1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6 g/cm3，結(jié)果如圖 4 所示。由結(jié)果可知，鉆井液密度對(duì)其流變性的影響也很顯著，鉆井液密度升高，動(dòng)切力（YP）也會(huì)上升，且當(dāng)鉆井液密度較低時(shí)，白油基鉆井液的恒流變特型較好，當(dāng)鉆井液密度升至 1.5 g/cm3時(shí)，鉆井液的恒流變特型明顯變差。因此，該體系的白油基鉆井液在低密度時(shí)能保持很好的恒流變特型，在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中應(yīng)盡量保持低的密度與固相含量，當(dāng)鉆井液密度超過(guò) 1.5 g/cm3時(shí)將不具備恒流變的特性。

4 結(jié) 論

（1）白油基恒流變鉆井液與傳統(tǒng)的油基鉆井液相比有明顯優(yōu)勢(shì)。第一，白油的毒性很小，腐蝕性很低，與柴油和煤油相比對(duì)海洋環(huán)境的污染程度低得多；第二，第二是低溫下的流變性與高溫相比差別不大，更加適合在深海條件下作業(yè)。

（2）白油基鉆井液恒流變的特性主要由有機(jī)土與高分子聚合物的含量控制，由于二者對(duì)鉆井液粘度的控制隨溫度變化的情況恰恰相反，因此這種此消彼長(zhǎng)的互補(bǔ)特性實(shí)現(xiàn)了油基鉆井液恒流變的特性。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可知，代號(hào)為 HF-120 的有機(jī)土更適合白油基鉆井液體系，最佳含量為 1.5%；高分子聚合物（ADPATA）的含量為 1.5%時(shí)鉆井液的性能最佳。

（3）油水比會(huì)影響白油基鉆井液的流變性，油水比越高鉆井液粘度越小且恒流變效果越好。油水比低于 80：20 后恒流變效果變差。

（4）油基鉆井液密度也會(huì)影響鉆井液的流變性，密度越高，鉆井液動(dòng)切力（YP）越高；當(dāng)密度超過(guò) 1.5 g/cm3后，恒流變性能就會(huì)變差。

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Establishment and Evaluation of White Oil Based Constant Rheological Drilling Fluid System

LI Lu1, XV Ming-biao1, YOU Fu-chang2, HUANG Chu-yun1, LIANG Yue3, ZHAOpeng1
（1. College ofpetroleum Engineering, Yangtze University, Hubei Wuhan 430100，China；
2. Jiahua Technology Co., Ltd., Hubei Jingzhou 434000，China；
3. CNPC Bohai Drilling Engineering Company Second Cementing Branch, Tianjin 300000，China）

A white oil based constant rheological drilling fluid system for deepwater drilling was designed. In the design, adding organic clay and high molecularpolymer into the drilling fluid can maintain the constant rheology. In addition, effect of organic clay content, high molecularpolymer content, the ratio of oil to water and the density of drilling fluid on the rheologicalproperties, especially the yield value of drilling fluid was evaluated.

Deepwater drilling; White oil based; Constant rheology; Yield value

TE 242

： A

： 1671-0460（2017）02-0268-03

2016-09-22

李路（1989-），男，河北省保定市人，長(zhǎng)江大學(xué)在讀碩士研究生，研究方向：主要從事鉆完井液技術(shù)研究。E-mail：524607679@qq.com。