深水FLAT-PRO合成基鉆井液體系研究及應(yīng)用*

羅健生 劉 剛 李 超 楊洪烈 耿 鐵 李自立

(中海油田服務(wù)股份有限公司油田化學(xué)事業(yè)部 河北三河 065201)

深水FLAT-PRO合成基鉆井液體系研究及應(yīng)用*

羅健生 劉 剛 李 超 楊洪烈 耿 鐵 李自立

(中海油田服務(wù)股份有限公司油田化學(xué)事業(yè)部 河北三河 065201)

為了解決深水鉆井過程中安全密度窗口窄的技術(shù)難題，以低黏度氣制油作為基液，對合成基鉆井液乳化劑、潤濕劑及流型調(diào)節(jié)劑等關(guān)鍵處理劑進(jìn)行了研制和優(yōu)化，構(gòu)建了深水FLAT-PRO合成基鉆井液體系。室內(nèi)性能評(píng)價(jià)結(jié)果表明，新構(gòu)建的FLAT-PRO合成基鉆井液體系具有流變性好、動(dòng)切力與Φ6受溫度及壓力影響小、抗污染能力強(qiáng)、沉降穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。目前新構(gòu)建的深水FLAT-PRO合成基鉆井液體系已在我國南海西部超深水井中取得成功應(yīng)用，具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

深水；氣制油；合成基鉆井液體系；流變性；南海西部

隨著勘探開發(fā)的不斷深入，海上油氣開發(fā)逐漸從淺海走向深水。然而，在深水鉆進(jìn)面臨著諸多挑戰(zhàn)，如低溫下鉆井液增稠、安全作業(yè)密度窗口窄導(dǎo)致井下漏失、井壁失穩(wěn)、鉆井液用量大、井眼清潔困難及形成天然氣水合物等問題[1-3]。綜合考慮作業(yè)安全因素，合成基鉆井液可以滿足優(yōu)越的井眼穩(wěn)定性和最大化的機(jī)械鉆速，已基本成為深水及超深水鉆井作業(yè)鉆井液體系的首選。岳前升 等[4]研究了深水鉆井條件下合成基鉆井液流變性，通過測定線性α-烯烴合成基鉆井液在不同組成時(shí)的黏度-溫度特性,研究了乳化劑種類、有機(jī)土加量、油水比及鉆井液密度等對合成基鉆井液低溫流動(dòng)性影響；管志川[5]研究了溫度和壓力對深水鉆井油基鉆井液液柱壓力的影響，建立了溫度壓力影響下的油基鉆井液密度計(jì)算模型，但其油基鉆井液使用的基液為柴油或原油；耿嬌嬌 等[6]介紹了國外研制出的具有恒流變特性的合成基鉆井液(CR-SBM)，其流變性，特別是動(dòng)切力、靜切力和低剪切速率下的黏度等參數(shù)基本上不受溫度壓力的影響。從傳統(tǒng)的合成基鉆井液流變性能看，該類型鉆井液受溫度和壓力影響大，低溫增稠導(dǎo)致ECD和啟動(dòng)泵壓、激動(dòng)泵壓變化大，易發(fā)生大的井下漏失[7-9]。為了解決深水鉆井中的壓力控制問題，本文研發(fā)了一套ECD變化很小的深水FLAT-PRO合成基鉆井液體系，并對其綜合性能進(jìn)行了系統(tǒng)評(píng)價(jià)，結(jié)果表明所研發(fā)的深水FLAT-PRO合成基鉆井液體系不僅具備傳統(tǒng)合成基鉆井液性能優(yōu)點(diǎn)，而且其流變性能受溫度及壓力影響小，尤其是動(dòng)切力、Ф6讀數(shù)等變化平穩(wěn)。目前，深水FLAT-PRO合成基鉆井液體系已在我國南海西部A油田超深水井成功應(yīng)用，具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

1 FLAT-PRO合成基鉆井液體系研發(fā)

1.1 處理劑的優(yōu)選及研制

1.1.1 基液的優(yōu)選

鉆井液要滿足恒流變特性，最關(guān)鍵的影響因素就是鉆井液的基液。優(yōu)選并測定了幾種常用基液的運(yùn)動(dòng)黏度及性能，測試結(jié)果見表1。從表1可以看出，氣制油具有低的運(yùn)動(dòng)黏度，用其作為合成基基液時(shí)既有利于提高機(jī)械鉆速，又有利于在低溫下鉆井液的黏度不會(huì)太高，使得合成基鉆井液在不同溫度下流變性能變化平穩(wěn)。因此，選擇氣制油作為合成基基液，并測定了氣制油的碳數(shù)分布，如圖1所示。從圖1可以看出，氣制油的碳鏈分布集中，主要分布在C12—C19之間，且以烷烴為主，這種窄的碳數(shù)分布能使其黏度受溫度影響小，符合深水“恒流變”的特性要求。

表1 不同基液的性能對比Table 1 Performance comparison of different base fluids

圖1 氣制油的碳數(shù)分布Fig .1 Carbon number distribution of GTL

1.1.2 乳化潤濕劑的研制及優(yōu)選

乳化劑是合成基鉆井液的關(guān)鍵組分，是乳狀液能否穩(wěn)定的決定因素。為了獲得穩(wěn)定的乳狀液，乳化劑必須具有以下特征：能較大幅度降低油水界面張力；在油水界面有較大的吸附量，能形成具有一定黏彈性的界面膜；具有合適的HLB值，在高溫下不易發(fā)生解吸附。而潤濕劑的選擇必須滿足將水濕固相轉(zhuǎn)變成油潤濕而不致于使鉆井液流變性能發(fā)生很大的變化。

通過大量的實(shí)驗(yàn)，研制了主乳化劑PF-FSEMUL、輔乳化劑FSCOAT及潤濕劑PF-FSWET，其基本性能見表2。從表2可以看出，主乳化劑PF-FSEMUL的HLB值較小，親油性很強(qiáng)；輔乳化劑FSCOAT的HLB值在7～9，其親油性較弱；潤濕劑PF-FSWET的親油性屬于中等。因此，使用該主乳化劑、輔乳化劑及潤濕劑即能構(gòu)建乳化穩(wěn)定性很強(qiáng)的油包水鉆井液。在此基礎(chǔ)上，開展了乳化潤濕劑加量對合成基鉆井液性能的影響分析，優(yōu)選乳化潤濕劑添加量。

表2 乳化潤濕劑的基本性能Table 2 Basic properties of emulsifier and wetting agents

1) 乳化劑的影響。在280 mL氣制油中加入不同加量的主乳化劑PF-FSEMUL，高速攪拌5 min；然后加入2.5%有機(jī)土高速攪拌5 min，加入70 mL 25%CaCl2溶液高速攪拌30 min，加入2.5%CaO高速攪拌10 min，測破乳電壓，結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出，主乳化劑破乳電壓隨加量增加而增大，當(dāng)主乳化劑加量大于0.8%時(shí)破乳電壓增幅減緩，因此綜合考慮性能及成本，選擇主乳化劑加量為0.8%左右。

圖2 主乳化劑加量對合成基鉆井液電穩(wěn)定性影響Fig .2 Effect of primary emulsifier addition on electrical stability of drilling fluid

在280 mL氣制油中加入0.8%主乳化劑PF-FSEMUL及不同加量的輔乳化劑，高速攪拌5 min；然后加入2.5%有機(jī)土高速攪拌5 min，加入70 mL 25%CaCl2溶液高速攪拌30 min，加入2.5%CaO高速攪拌10 min，測破乳電壓，測試結(jié)果見圖3。從圖3可以看出，輔乳化劑破乳電壓隨加量增加而增大，當(dāng)輔乳化劑加量為1.0%時(shí)，破乳電壓達(dá)到最大值。因此，構(gòu)建深水FLAT-PRO合成基鉆井液體系時(shí)，選擇輔乳化劑加量為1.0%左右。

2) 潤濕劑影響。取280 mL 氣制油，加入0.8%主乳化劑PF-FSEMUL、1.2%輔乳化劑PF-FSCOAT及加入不同劑量的潤濕劑，高速攪拌5 min，然后加入3%有機(jī)土高速攪拌5 min，加入70 mL 25%CaCl2溶液高速攪拌30 min，加入8.75 g CaO高速攪拌5 min，加入2%降濾失劑高速攪拌5 min，再加入重晶石密度至1.8 g/cm3，高速攪拌30 min，在150 ℃下老化16 h后測定50 ℃下鉆井液的流變性能及破乳電壓，結(jié)果見圖4、5。

圖3 輔乳化劑加量對合成基鉆井液電穩(wěn)定性影響Fig .3 Effect of secondary emulsifier addition on electrical stability of drilling fluid

圖4 潤濕劑加量對合成基鉆井液表觀黏度影響Fig .4 Effect of wetting agent addition on apparent viscosity of drilling fluid

圖5 潤濕劑加量對合成基鉆井液電穩(wěn)定性影響Fig .5 Effect of wetting agent addition on electrical stability of drilling fluid

從圖4可以看出，在密度為1.8 g/cm3的合成基鉆井液中，加入0.3%潤濕劑PF-FSWET后，表觀黏度急劇下降，說明潤濕劑的加入對改變高密度鉆井液流變性能有很好的效果。從圖5可以看出，隨潤濕劑加量的增加，鉆井液破乳電壓增大。綜合大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選擇潤濕劑加量為1.0%以上，具體加量視密度而定。

1.2 鉆井液體系構(gòu)建及綜合性能評(píng)價(jià)

1.2.1 體系構(gòu)建

深水FLAT-PRO合成基鉆井液體系構(gòu)建的原則為：

1) 基液的運(yùn)動(dòng)黏度低，且黏度受溫度的影響小，碳數(shù)分布集中。

2) 有機(jī)土作增黏劑會(huì)使鉆井液的流變性能受溫度及壓力影響變化較大，因此盡可能減少有機(jī)土的用量。

3) 開發(fā)性能獨(dú)特的流型調(diào)節(jié)劑。流型調(diào)節(jié)劑在低溫條件下呈卷曲狀態(tài)且對黏度無影響；隨著溫度升高，有機(jī)土的增黏效果會(huì)有所減弱，流型調(diào)節(jié)劑將發(fā)揮增黏提切作用[10-11]。

4) 低黏低切下，鉆井液體系具有優(yōu)良的沉降穩(wěn)定性。

5) 形成乳液結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的油包水體系。

綜合上述原則及研發(fā)優(yōu)選的處理劑，構(gòu)建的深水FLAT-PRO合成基鉆井液體系的基礎(chǔ)配方為：氣制油280 mL+0.8%主乳化劑PF-FSEMUL+1.0%輔助乳化劑PF-FSCOAT+1.0%潤濕劑PF-FSWET+120 mL 25% CaCl2溶液+2.5%有機(jī)土PF-FSGEL+0.5%流型調(diào)節(jié)劑PF-FSVIS+3.0%CaO+2.5%降濾失劑PF-FSHFR+重晶石粉130 g加重到1.2 g/cm3。

1.2.2 綜合性能評(píng)價(jià)

1) 常規(guī)性能評(píng)價(jià)。按照基礎(chǔ)配方測試了深水合成基鉆井液體系150 ℃老化16 h后65.5 ℃下的常規(guī)性能，結(jié)果見表3。從表3可以看出， 合成基鉆井液在65.5 ℃下的常規(guī)性能完全能滿足鉆井工程的作業(yè)要求。

表3 深水合成基鉆井液常規(guī)性能Table 3 Conventional performance of deep water synthetic drilling fluid

2) 不同溫度及壓力下的流變性能。將待測樣品在低溫下養(yǎng)護(hù)2～3 h，取出置于帶加熱套的六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)上測試其在4.0～65.5 ℃下的常壓流變性能，結(jié)果見表4。使用Fann ix77流變儀，在6.9～69.0 MPa、4.0～65.5 ℃條件下測定其流變性能，結(jié)果見表5。

表4 不同溫度深水合成基鉆井液體系流變性能Table 4 Rheological properties of deep water SBM at different temperatures

表5 深水合成基鉆井液體系在不同溫度、壓力下的流變性能Table 5 Rheological properties of deep water SBM at different temperatures and pressures

從表4、5可以看出，深水合成基鉆井液體系的Φ6讀數(shù)、動(dòng)切力、靜切力等流變參數(shù)隨測試溫度和壓力的變化影響較小，完全能滿足恒流變合成基鉆井液的要求。

3) 抗污染能力評(píng)價(jià)。在合成基鉆井液中加入不同加量鉆屑粉(過80目篩)或人工海水，在120 ℃下老化16 h后測試其在4.0～65.5 ℃下的常壓流變性能，結(jié)果見表6、7。

從表6、7可以看出，在恒流變合成基鉆井液體系中分別加入10%的鉆屑或者是10%的海水后，鉆井液的流變性能變化不大，說明深水恒流變合成基鉆井液體系具有較強(qiáng)的抗鉆屑和海水污染的能力。

表6 深水合成基鉆井液體系抗鉆屑粉污染性能Table 6 The performance of deep water SBM after drilling cuttings contamination

表7 深水合成基鉆井液體系抗海水污染性能Table 7 The performance of deep water SBM after seawater contamination

4) 沉降穩(wěn)定性能評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)了在室內(nèi)25 ℃條件下2種不同密度的深水合成基鉆井液體系在靜止?fàn)顟B(tài)下的沉降穩(wěn)定性能，評(píng)價(jià)結(jié)果見表8。從表8可以看出，不同密度下的深水合成基鉆井液沉降因子均小于0.52(國際標(biāo)準(zhǔn))，說明該鉆井液具有很好的沉降穩(wěn)定性。

表8 不同密度的深水合成基鉆井液沉降穩(wěn)定性(25 ℃)Table 8 Sag stability of SBM with different densities(25 ℃)

5) 封堵性能評(píng)價(jià)。使用PPT封堵評(píng)價(jià)儀評(píng)價(jià)深水合成基鉆井液的封堵性能，砂盤尺寸850 mD、5 μm，評(píng)價(jià)結(jié)果見表9。從表9可以看出，在基液中加入封堵劑1之后，深水合成基鉆井液體系具有較強(qiáng)的封堵特性，說明該鉆井液對地層能起到較好的封堵作用。

表9 深水合成基鉆井液體系的封堵性能Table 9 Plugging performance of deep water SBM

2 現(xiàn)場應(yīng)用

2016年1月，F(xiàn)LAT-PRO合成基鉆井液體系在南海西部A油田超深水區(qū)W井進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用。W井作業(yè)水深1 700 m，泥線溫度2.6 ℃，井底循環(huán)溫度22 ℃，出口溫度14 ℃。φ914.4mm井眼噴射鉆進(jìn)至1 781.7 m，φ660.4 mm井眼鉆至2 100.7 m，φ444.5 mm井眼鉆至2 349 m，φ311.15 mm井眼鉆至2 483 m。φ444.5 mm及φ311.15mm井眼使用FLAT-PRO合成基鉆井液體系,現(xiàn)場應(yīng)用數(shù)據(jù)見表10及圖6、7。從現(xiàn)場應(yīng)用數(shù)據(jù)可以看出， FLAT-PRO合成基鉆井液體系取得了成功應(yīng)用，體系流變性能穩(wěn)定，鉆井液攜巖能力強(qiáng)，井眼清潔；ECD值較低，滿足了窄窗口密度的要求。W井設(shè)計(jì)建井周期28.50 d，實(shí)際建井周期19.13 d，創(chuàng)海洋深水井建井周期最快記錄。

表10 南海西部A油田超深水區(qū)W井現(xiàn)場鉆井液性能Table 10 Field drilling fluid performance in ultra-deepwater Well W of A oilfield in the South China Sea

圖6 南海西部A油田超深水區(qū)W井現(xiàn)場鉆屑Fig .6 Drill cuttings from ultra-deep water Well W of A oilfield in the South China Sea

圖7 南海西部A油田超深水區(qū)W井φ444.5 mm 和φ311.15 mm井眼ECD的變化Fig .7 The change of ECD in φ444.5 mm and φ311.15 mm sections of ultra-deepwater Well W of A oilfield in the South China Sea

3 結(jié)論

1) 深水合成基鉆井液體系基液宜選擇黏度低且黏溫特性好的氣制油。

2) 構(gòu)建的深水FLAT-PRO合成基鉆井液體系ECD變化小，其流變性能和乳化穩(wěn)定性能受老化溫度的影響小，具有優(yōu)良的沉降穩(wěn)定性和封堵能力，目前已在我國南海西部超深水井取得成功應(yīng)用，具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

[1] 羅健生，李自立，劉剛，等．深水用煤制油恒流變合成基鉆井液體系的研制[J]．中國海上油氣，2014,26(1)：74-77． LUO Jiansheng,LI Zili,LIU Gang,et al.Developpment of the coal liquefaction-based drilling fluid system with constant-rheology used in deep water[J].China Offshore Oil and Gas,2014,26(1):74-77.

[2] 李懷科，王楠，田榮劍,等.深水條件下氣制油合成基鉆井液流變性和流變模式研究[J].中國海上油氣,2010，22(6)：406-408. LI Huaike,WANG Nan,TIAN Rongjian et al.Study on rheological property and model of GTL based drilling fluids under deepwater condition[J].China Offshore Oil and Gas,2010，22(6)：406-408.

[3] 胡友林,烏效鳴,岳前升,等.深水鉆井氣制油合成基鉆井液室內(nèi)研究[J].石油鉆探技術(shù),2012,40(6):38-42. HU Youlin,WU Xiaoming,YUE Qiansheng,et al.Laboratory research on deepwater GTL synthetic-based drilling fluid[J].Petroleum Drilling Techniques,2012,40(6):38-42.

[4] 岳前升，劉書杰，何保生,等.深水鉆井條件下氣制油合成基鉆井液低溫流動(dòng)性室內(nèi)研究[J].石油天然氣學(xué)報(bào)2010，32(4):102-104. YUE Qiansheng,LIU Shujie,HE Baosheng,et al.Laboratory research of low temperature fluidity on deepwater GTL synthetic-based drilling fluid[J].Journal of Oil and Gas Technology,2010,32(4):102-104.

[5] 管志川.溫度和壓力對深水鉆井油基鉆井液液柱壓力的影響[J].石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2003,27(4)：48-52. GUAN Zhichuan.Effect of temperature and pressure on fluid column pressure of wellbore drilling fluid in deep-water drilling with oil-based drilling fluid[J].College of Petroleum Engineering in the University of Petroleum,China,2003,27(4):48-52.

[6] 耿嬌嬌，鄢捷年，李懷科,等.具有恒流變特性的深水合成基鉆井液[J].石油鉆探技術(shù),2010，38(2):91-94. GENG Jiaojiao,YAN Jienian,LI Huaike,et al,Synthetic-based drilling fluid with constant-rheology used in deepwater drilling[J].Petroleum Drilling Techniques,2010，38(2):91-94.

[7] VAN OORT E,LEE J,FRIEDHEIM J,et al.New flat-rheology synthetic-based mud for improved deepwater drilling [R].SPE 90987,2004.

[8] 邱正松，劉扣其，曹杰，等．油基鉆井液低溫流變特性實(shí)驗(yàn)研究[J].鉆井液與完井液，2014， 31(3)：32-34. QIU Zhengsong,LIU Kouqi,CAO Jie,et al.Study on low temperature rheology of oil base drilling fluid[J].Drilling &Completion Fluid，2014，31(3)：32-34.

[9] ROJAS J，DAUGHERTY W，IRBY R，et al.New constant-rheology synthetic-based fluid reduces downhole losses in deepwater environments[R]．SPE 109586，2007.

[10] KELESSIDIS V,POULAKAKIS E,CHATZISTAMOU V.Use of Carbopol 980 and car-boxymethyl cellulose polymers as rheology modifiers of sodium-bentonite water dispersions[J].Applied Clay Science,2011,54:63-69.

[11] GANDELMAN R，LEAL RAF，GONCALVES J ,et al.Study on gelation and freezing phenomena of synthetic drilling fluids in ultra deep water environments[R].SPE/IADC 105881,2007. 收稿日期：2016-10-18 改回日期：2017-03-31

(編輯：孫豐成)

Research and application of FLAT-PRO synthetic based drilling fluid system in deep water

LUO Jiansheng LIU Gang LI Chao YANG Honglie GENG Tie LI Zili

(COSLOilfieldChemicalsDivision，Sanhe，Hebei065201,China)

In order to solve the problem of narrow density window in deep water drilling，the FLAT-PRO synthetic based drilling fluid system in deep water was developed by researching and optimizing the key materials such as emulsifier, wetting agent and rheological modifier on the basis of the low viscosity gas-to-liquid as saraline. Experiment evaluation results show that the new FLAT-PRO synthetic based drilling fluid system has well rheological properties, less change of YP and Φ6 in the different temperature and pressure ranges，good ability to enduring solids contamination，and good suspension stability. The new FLAT-PRO synthetic based drilling fluid system successfully applied in the ultra-deepwater well of the western South China Sea and has good popularization using value.

deep water; gas-to-liquid; the synthetic based drilling fluid system; rheology property; the western South China Sea

*中海油田服務(wù)股份有限公司科研項(xiàng)目“深水恒流變合成基鉆井液體系的研究(編號(hào)：YHB12YF007)”部分研究成果。

羅健生，男，教授級(jí)高級(jí)工程師,首席研發(fā)工程師，中國海洋石油總公司產(chǎn)品研發(fā)專家，1999年畢業(yè)于原石油大學(xué)(北京)油氣井工程專業(yè)，獲碩士學(xué)位，主要從事鉆井液完井液及儲(chǔ)層保護(hù)方面的研究工作。地址：河北省三河市燕郊行宮西大街81號(hào)中海油田服務(wù)股份有限公司油田化學(xué)研究院(郵編：065201)。E-mail：luojsh@cosl.com.cn。

1673-1506(2017)03-0061-06

10.11935/j.issn.1673-1506.2017.03.010

TE254

A

羅健生，劉剛，李超,等.深水FLAT-PRO合成基鉆井液體系研究及應(yīng)用[J].中國海上油氣，2017，29(3)：61-66.

LUO Jiansheng,LIU Gang,LI Chao,et al.Research and application of FLAT-PRO synthetic based drilling fluid system in deep water[J].China Offshore Oil and Gas,2017,29(3):61-66.