深水水基恒流變鉆井液流變特性研究

高涵， 許林， 許明標(biāo)， 由福昌， 劉衛(wèi)紅

（1.新疆油田公司工程技術(shù)研究院，新疆克拉瑪依 834000；2.浙江海洋大學(xué)，浙江舟山 316022；3.非常規(guī)油氣湖北協(xié)同創(chuàng)新中心，武漢 430100；4.荊州嘉華科技有限公司，湖北荊州 434000）

0 引言

海底泥線低溫環(huán)境（0～4 ℃）易導(dǎo)致鉆井液增稠，極大增加了窄破裂壓力窗口地層鉆井作業(yè)的事故風(fēng)險(xiǎn)，是深水油氣開發(fā)的重要挑戰(zhàn)之一。減小當(dāng)量循環(huán)密度（ECD）變化，增強(qiáng)鉆井液流變的溫度穩(wěn)定性，是減小深水低溫對鉆井液性能影響的重要措施，已成為深水鉆井液設(shè)計(jì)與開發(fā)的新趨勢。

近十年來，研究人員報(bào)道了一類適用于深水低溫作業(yè)的恒流變鉆井液體系（Flat-rheology drilling fluid）。“恒流變”概念由BP公司在2003年首先提出，主要表現(xiàn)為鉆井液在泥線附近循環(huán)時(shí)，黏度計(jì)讀數(shù)φ6/φ3、動切力、凝膠強(qiáng)度等流變參數(shù)保持穩(wěn)定[1]，早期的研究主要集中在合成基恒流變鉆井液體系。Rojas[2]、Lee[3]、舒福昌[4]等開發(fā)了一系列恒流變合成基鉆井液體系，并優(yōu)化了基液及處理劑類型，指出具有黏溫敏感性的有機(jī)土是實(shí)現(xiàn)鉆井液恒流變的關(guān)鍵處理劑。Mullen[5]、鄢捷年[6]、邱正松[7]等分析了處理劑分子結(jié)構(gòu)與有機(jī)土作用，總結(jié)了合成基鉆井液獲得低溫流變穩(wěn)定特性的2種基本途徑。然而，合成基鉆井液的現(xiàn)場配制不方便，且基液通常是烯烴、酯類單體及其混合物，成本較高，在一定程度上限制了應(yīng)用。Leaper[8]、Dye[9]等比較了恒流變合成基鉆井液與水基鉆井液處理劑及性能，建議開發(fā)高性能水基鉆井液代替合成基鉆井液體系。許明標(biāo)[10]等近來報(bào)道了一種新型恒流變水基鉆井液，并指出具有體型結(jié)構(gòu)的流型調(diào)節(jié)劑是實(shí)現(xiàn)水基鉆井液恒流變特性的關(guān)鍵。

水基恒流變鉆井液作為一種適用于深水作業(yè)的新型工作流體， 目前關(guān)于該體系流變特性的報(bào)道較少。結(jié)合前期研究結(jié)果[11-12]， 以交聯(lián)體型聚合物為流型調(diào)節(jié)劑制備了恒流變水基鉆井液，檢測了溫度、壓力對鉆井液流變參數(shù)的影響， 評估了經(jīng)驗(yàn)流變模型的適用性， 引入溫度與壓力因子建立了適用于該鉆井液的動力學(xué)流變模型。本文旨在恒流變水基鉆井液的流變行為， 揭示溫度穩(wěn)定性本質(zhì)， 為新型高性能深水井筒工作液的開發(fā)提供技術(shù)及理論基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及儀器

處理劑類別：膨潤土、流型調(diào)節(jié)劑、抑制劑、降濾失劑、潤滑劑、堿度調(diào)節(jié)劑、增黏劑、加重劑等。

實(shí)驗(yàn)儀器：高速攪拌器（青島海通達(dá)專用儀器廠）、高溫滾子爐（青島海通達(dá)專用儀器廠）、Fann IX77高溫高壓流變儀（美國Fann公司）、CM 120透射電子顯微鏡（荷蘭Philips公司）。

1.2 研究方法

1.2.1 恒流變水基鉆井液配制

配方：海水+3%膨潤土+4%流型調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)劑+5%抑制劑KCl+2%降濾失劑DFD+2%潤滑劑JLX+0.25%堿度調(diào)節(jié)劑（0.15%Na2CO3+0.1%NaOH），密度為1.08 g/mL，采用重晶石加重。恒流變水基鉆井液配方與海洋油氣田開發(fā)常用Plus/KCl體系的主要處理劑類型基本一致（見表1附注），區(qū)別在于前者采用了一種新型流型調(diào)節(jié)劑。該處理劑通過反相微乳液聚合方法合成，具有亞微米三維體型結(jié)構(gòu)，能夠降低水基鉆井液體系溫度敏感性，是實(shí)現(xiàn)鉆井液恒流變特性的關(guān)鍵處理劑。

配制：在攪拌條件下，將堿度調(diào)節(jié)劑、流型調(diào)節(jié)劑、抑制劑、降濾失劑、潤滑劑依次加入膨潤土漿，加入每種處理劑保持?jǐn)嚢?0 min。將配制好的恒流變水基鉆井液在130 ℃、16 h熱滾條件下老化后進(jìn)行性能測試。

1.2.2 恒流變水基鉆井液流變性測試

采用Fann IX77高溫高壓流變儀，分別測試鉆井液在 0.1、6.9、13.8、20.7、27.6、34.5 MPa下 4、10、30、65 ℃的流變讀數(shù)、初切和終切值，并按照賓漢塑性流變模型計(jì)算表觀黏度、塑性黏度和動切力。

1.2.3 恒流變水基鉆井液的流變模型構(gòu)建

經(jīng)驗(yàn)流變模型f（γ）：在設(shè)定溫度壓力范圍內(nèi)，對不同溫度壓力組合下的黏度計(jì)讀數(shù)與速率分別擬合成賓漢塑性、冪律、卡森雙參數(shù)流變模型以及赫-巴、羅-斯三參數(shù)流變模型，對建立的流變模型采用最小二乘法或回歸分析法進(jìn)行評估優(yōu)選。

動力學(xué)流變模型f（T, P, γ）：以優(yōu)選的經(jīng)驗(yàn)方程f（γ）為初始模型，采用T/P因子修正法引入T和P因子修正流變學(xué)關(guān)系式。根據(jù)美國石油學(xué)會（API）推薦方程[13]以及Houwen等[14]修正的Arrhenius表達(dá)式，給出經(jīng)驗(yàn)方程f（γ）的特征系數(shù)關(guān)系式如下：

式中，A、B、C分別為壓力系數(shù)、溫度系數(shù)及指前因子，均無量綱。采用STATISTIC軟件開展多元非線性擬合，建立一定剪切速率下不同系數(shù)與T、P的特征系數(shù)方程fi（T, P），將獲得的fi（T, P）代入經(jīng)驗(yàn)方程f（γ），得到最終動力學(xué)流變模型f（T, P, γ），進(jìn)一步對建立流變模型開展誤差分析。

1.2.4 流型調(diào)節(jié)劑TEM測試

流型調(diào)節(jié)劑經(jīng)去離子水稀釋至2 mg/mL，室溫超聲分散5 min，根據(jù)測試要求制樣，采用TEM檢測流型調(diào)節(jié)劑粒徑及分子形貌。

2 結(jié)果及討論

2.1 恒流變水基鉆井液流變參數(shù)

表1列出了設(shè)計(jì)的恒流變水基鉆井液的流變參數(shù)。由表1可以發(fā)現(xiàn)， 在壓力一定條件下， 當(dāng)溫度從4 ℃上升到65 ℃， 流變參數(shù)均減小， 且減小趨勢從φ600到φ3逐漸降低。當(dāng)壓力降低， 上述黏度計(jì)讀數(shù)隨溫度升高而下降的趨勢減緩。例如，在34.5和0.1 MPa下， 溫度從4 ℃上升到65 ℃時(shí)，φ600～φ3讀數(shù)變化平均值分別為7.3±3.5與3.2±2.2。這是由于升溫造成鉆井液體系內(nèi)分子熱運(yùn)動加劇，破壞體系內(nèi)顆粒間的引力-斥力平衡，導(dǎo)致鉆井液體系分散性增強(qiáng)，宏觀上表現(xiàn)為鉆井液剪切應(yīng)力下降，黏度計(jì)讀數(shù)減小。

當(dāng)溫度一定時(shí)，壓力從0.1 MPa上升到34.5 MPa， 黏度計(jì)讀數(shù)變大，增大趨勢隨著溫度升高而下降。如在4 ℃與65 ℃下，當(dāng)壓力從0.1 MPa上升到34.5 MPa，φ600～φ3讀數(shù)變化平均值分別為4.7±1.7與1.2±1.2。鉆井液連續(xù)相的壓縮性是造成這種流變行為的主要原因。高壓導(dǎo)致恒流變水基鉆井液體積收縮，使剪切應(yīng)力增強(qiáng)。顯然，高壓對鉆井液流變的影響與高溫作用相反，高溫降黏與高壓增稠，二者對流變的影響可以相互抵消，所以黏度計(jì)讀數(shù)的增大趨勢在高溫下減緩。

表1 恒流變水基鉆井液在考察不同溫度、壓力下的流變參數(shù)

表1中也給出了傳統(tǒng)Plus/KCl鉆井液在0.1 MPa下4～65 ℃范圍內(nèi)的流變參數(shù)。隨著溫度升高到65 ℃，Plus/KCl鉆井液黏度計(jì)讀數(shù)急劇減小，φ600～φ3讀數(shù)變化平均值達(dá)到35±18，黏度計(jì)參數(shù)φ6/φ3及YP數(shù)值變化分別為69%、75%和63%，遠(yuǎn)高于相同條件下恒流變水基體系的變化值10%、11%和7%，說明傳統(tǒng)Plus/KCl鉆井液流變性能的溫度敏感性強(qiáng)，不具有恒流變特性。

上述結(jié)果為水基鉆井液流變參數(shù)隨溫度、 壓力變化的基本關(guān)系， 下面進(jìn)一步分析恒流變關(guān)鍵參數(shù)（黏度計(jì)讀數(shù)φ6/φ3、PV、YP）的變化規(guī)律， 描述水基鉆井液的恒流變特性。

Plus/KCl鉆井液配方為：海水+3%膨潤土+0.15%Na2CO3+0.1%NaOH+0.5%包 被 劑Plus+0.3%降濾失劑PAC-LV+2%降濾失劑DFD+0.2%增黏劑XC+8%抑制劑KCl+3%潤滑劑JLX，密度1.09 g/mL，采用重晶石加重。

2.2 溫度與壓力對關(guān)鍵流變參數(shù)的影響

φ6、φ3、PV與YP是反映鉆井液恒流變特性的關(guān)鍵參數(shù)， 此處給出了設(shè)計(jì)鉆井液體系在0.1、6.9、 13.8、 20.7、27.6、34.5 MPa 下 φ6、φ3、 PV 與YP值在4～65 ℃內(nèi)的變化趨勢。在設(shè)計(jì)壓力范圍內(nèi)，恒流變水基鉆井液φ6、 φ3、 PV與YP值在4～65℃內(nèi)的變化幅度較小。如在34.5 MPa時(shí)，φ6、φ3、PV與YP等關(guān)鍵流變參數(shù)在4～65 ℃的變化值分別為3、 3、 2 mPa·s和5 Pa；在0.1 MPa時(shí)，上述參數(shù)隨溫度的變化值分別為1、 1、 3 mPa·s和1 Pa，幾乎保持不變。然而對Plus/KCl鉆井液體系，在0.1 MPa條件下關(guān)鍵流變參數(shù)在4～65 ℃的變化值分別為 9、 9、 20 mPa·s 和 15 Pa，變化趨勢遠(yuǎn)大于恒流變體系，說明Plus/KCl鉆井液流變參數(shù)受溫度影響較大。

進(jìn)一步分析低剪切讀數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，黏度計(jì)讀數(shù)φ6/φ3在降溫過程中先減小后增大，這與恒流變合成基鉆井液流變參數(shù)的“U”型變化一致[1]，反映了恒流變體系特有的結(jié)構(gòu)-溫度補(bǔ)償效應(yīng)。在恒流變合成基鉆井液中，低濃度有機(jī)土與二維鏈狀聚合物流型調(diào)節(jié)劑作用，在低溫下黏度以有機(jī)土的空間搭接為主導(dǎo)，而高溫則表現(xiàn)為聚合物分子鏈擴(kuò)展，二者在協(xié)同維持鉆井液黏度穩(wěn)定過程中，存在一個(gè)溫度過渡段。與恒流變合成基鉆井液不同，恒流變水基鉆井液的關(guān)鍵處理劑是一種具有三維體型結(jié)構(gòu)的亞微米級聚合物粒子，不能依靠分子主鏈的空間形變來調(diào)節(jié)體系黏度，所以其恒流變機(jī)理也應(yīng)該區(qū)別于合成基鉆井液的恒流變機(jī)理。

2.3 經(jīng)驗(yàn)流變模型比較

在4～65 ℃、0.1～34.5 MPa范圍內(nèi)，將溫度-壓力組合對應(yīng)的黏度計(jì)讀數(shù)與速率分別擬合成賓漢塑性、冪律、卡森、赫-巴、羅-斯五種經(jīng)驗(yàn)流變模型，擬合結(jié)果見圖1和圖2。

賓漢塑性、 冪律、 卡森、 赫-巴、 羅-斯模型的回歸系數(shù)平均值分別為96.19±0.40、96.69±1.18、98.45±0.61、 98.71±0.62、 98.80±0.60， 對應(yīng)相關(guān)性系數(shù)排序?yàn)椋嘿e漢塑性≈冪律＜卡森≈赫-巴≈羅-斯模型。雙參數(shù)賓漢塑性與冪律模型回歸系數(shù)較小，說明這兩種模型預(yù)測值與實(shí)際值相差較大；雙參數(shù)卡森模型回歸系數(shù)值趨近1，大于賓漢塑性與冪律模型，與三參數(shù)赫-巴、羅-斯模型參數(shù)數(shù)值相當(dāng)?？ㄉＰ皖A(yù)測精度高，使用簡潔，且參數(shù)物理意義明確，推薦作為恒流變水基鉆井液的流變方程。這與恒流變合成基鉆井液體系不同，早期研究結(jié)果顯示，賓漢塑性模型更適用于恒流變合成基體系[15-16]。

圖1 恒流變水基鉆井液擬合流變模型的多元回歸系數(shù)比較

圖2 恒流變水基鉆井液擬合流變模型的多元回歸系數(shù)比較

從圖1和圖2中也可以發(fā)現(xiàn)，在壓力一定時(shí)，隨著溫度的升高，多元回歸系數(shù)值均呈現(xiàn)減小趨勢，預(yù)測精確性降低，說明升溫對恒流變鉆井液影響較大，流變行為變化更為復(fù)雜，這個(gè)結(jié)論與表1一致。

2.4 動力學(xué)流變模型分析

以卡森方程作為動力學(xué)流變模型的初始表達(dá)式，動切力和卡森系數(shù)k分別替換為對應(yīng)的特征系數(shù)表達(dá)式（見方程1），則T/P因子修正的卡森模型可改寫為：

式中，fτ（T, P）及fk（T, P）分別為動切力系數(shù)函數(shù)與卡森系數(shù)函數(shù)。

表2給出了在4～65 ℃、0.1～34.5 MPa范圍內(nèi)，恒流變水基鉆井液的卡森方程擬合結(jié)果。

表2 恒流變水基鉆井液在4～65 ℃、0.1～34.5 MPa范圍內(nèi)卡森方程擬合結(jié)果

采用多元非線性回歸方法將一定剪切速率下的動切力和k值分別擬合成T、P變量的特征系數(shù)表達(dá)式 ：

將式（3）和式（4）代入修正卡森模型（2）中，建立恒流變水基鉆井液的動力學(xué)流變方程：

在方程5中， 溫度系數(shù)分別為0.336和0.349，比壓力系數(shù)大一個(gè)數(shù)量級， 說明T對剪切應(yīng)力的影響更突出。模型計(jì)算值與實(shí)際值間的絕對誤差較小，在 φ600～φ3范圍內(nèi)依次為 -0.27～6.01、-9.58～-0.39、 -1.25～5.18、 -1.76～4.50、 -1.02～1.40以及-1.07～1.24。此外， 模型相對偏差在φ600～φ3范圍內(nèi)分別為0.0 3%～9.33%、 0.88%～17.10%、0.23%～17.29%、0.03%～22.47%、0.38～13.84%和0.12%～11.17%，偏差平均值為7.19%±4.07%，滿足現(xiàn)場應(yīng)用要求。顯然，T、P因子修正卡森模型f（T, P, γ）具有預(yù)測偏差小、預(yù)測精度高的特點(diǎn)，可以作為恒流變水基鉆井液的動力學(xué)流變方程。

圖3為變量T、P及γ與以相對偏差為母體數(shù)據(jù)的箱形圖，統(tǒng)計(jì)偏差數(shù)據(jù)的位置及分散度能夠直觀評估所建立流變模型的精確性。

圖3 溫度、壓力及剪切速率對應(yīng)動力學(xué)流變模型相對偏差數(shù)據(jù)的箱形圖

由圖3可以看出，在16組箱形圖中，無異常值存在，且每組箱形圖中相對偏差值低于20%的百分位數(shù)高達(dá)90%，說明相對偏差數(shù)據(jù)的全距小、分布合理，建立的動力學(xué)流變方程具有較高預(yù)測精度。箱形圖的中位數(shù)幾乎都位于平均數(shù)位置附近，說明相對偏差數(shù)據(jù)的分散較均勻，尤其是基于P的偏差分布，說明P對流變參數(shù)預(yù)測值的影響較小。比較箱形圖的上邊緣數(shù)據(jù)分布，相對偏差極大值主要在65 ℃和100 r/min，說明在100 r/min、65 ℃下，動力學(xué)流變模型易出現(xiàn)較大預(yù)測偏差。

2.5 溫度穩(wěn)定性機(jī)理分析

傳統(tǒng)鉆井液用聚合物處理劑通常是二維鏈狀結(jié)構(gòu)，受溫度影響大，在低溫下分子熱運(yùn)動減緩，高分子柔性主鏈發(fā)生卷曲，處理劑包被能力減弱，導(dǎo)致上返鉆井液增稠，影響流變性能。與傳統(tǒng)鉆井液相比，恒流變水基鉆井液采用了一種亞微米球型聚合物作為關(guān)鍵處理劑來調(diào)節(jié)鉆井液流變性[17-19]。

2.5.1 流型調(diào)節(jié)劑

流型調(diào)節(jié)劑是一種采用反相微乳液聚合技術(shù)合成的丙烯酰類交聯(lián)聚合物。反相微乳液為聚合物反應(yīng)提供了“微反應(yīng)器”，使合成聚合物具有粒徑均勻、形狀規(guī)則等特點(diǎn)。圖4給出了流型調(diào)節(jié)劑的分子形貌及粒徑尺寸。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，聚合物粒徑在100～300 nm范圍，與水化黏土顆粒尺寸相當(dāng)。聚合物粒子的核心部分比邊緣暗，說明粒子中心分子鏈集中，交聯(lián)度高，形成了剛性內(nèi)核，有利于增強(qiáng)聚合物結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定性。此外，聚合物粒子表面分布著約10 nm突觸，這種空間結(jié)構(gòu)可以增加聚合物的活性，改善聚合物粒子的締合力（氫鍵和范德華力），尤其增強(qiáng)與黏土顆粒的作用。

圖4 流型調(diào)節(jié)劑聚合物TEM圖

2.5.2 球型聚合物-黏土片層締合作用

流型調(diào)節(jié)劑分子具有剛性內(nèi)核，活性基團(tuán)呈空間層級分布。剛性強(qiáng)的內(nèi)核可以作為次生結(jié)構(gòu)載體，維持功能基團(tuán)數(shù)量，保持處理劑結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定性[20-24]。此外聚合物活性基團(tuán)的空間分布可形成一種類似疏水締合聚合物的三維可逆結(jié)構(gòu)[25]，補(bǔ)償鄰近基團(tuán)的損耗，保持與膨潤土顆粒的吸附穩(wěn)定性。

圖5以球型聚集態(tài)結(jié)構(gòu)為例，給出了體型聚合物強(qiáng)化鉆井液流變穩(wěn)定性的定性構(gòu)效假設(shè)：①球型聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的剛性大、分子量高，可以顯著提高聚合物自身結(jié)構(gòu)的溫度穩(wěn)定性；②活性基團(tuán)在球型聚合物表面呈高密度空間層級分布，可以通過釋放內(nèi)層（或臨近）基團(tuán)來補(bǔ)償損耗的外層基團(tuán)，多尺度維持有效基團(tuán)數(shù)量，確?；钚曰鶊F(tuán)與黏土片層間的多點(diǎn)吸附，增強(qiáng)鉆井液性能的溫度穩(wěn)定性。所以，聚合物的三維體型聚集態(tài)設(shè)計(jì)不僅可以提高結(jié)構(gòu)自身的熱穩(wěn)定性，還能夠控制與黏土片層的吸附及水化作用，最終強(qiáng)化鉆井液性能的穩(wěn)定性。

圖5 三維球型聚合物與二維鏈狀聚合物與膨潤土顆粒作用

上述恒流變機(jī)理分析主要基于分子形態(tài)、結(jié)構(gòu)與黏土片層間的定性構(gòu)效關(guān)系，課題組擬進(jìn)一步采用高分子聚集態(tài)表征技術(shù)，結(jié)合受限分子鏈的分子模擬方法，從分子水平定量分析球型聚合物與黏土顆粒間的相互作用，揭示水基鉆井液的流變穩(wěn)定性本質(zhì)。

3 結(jié)論

1.在0.1～34.5 MPa范圍，恒流變鉆井液黏度計(jì)讀數(shù)φ6/φ3、動切力、塑性黏度、靜切力等流變參數(shù)隨溫度改變（4～65 ℃）的變化幅度小，且φ6/φ3讀數(shù)隨溫度呈“U”型，滿足恒流變參數(shù)變化。

2.在溫度-壓力組合條件下，擬合經(jīng)驗(yàn)流變方程的相關(guān)性排序?yàn)椋嘿e漢塑性≈冪律＜卡森≈赫-巴≈羅-斯模型，其中雙參數(shù)卡森模型精度高且表達(dá)式簡單，可以作為恒流變水基鉆井液的常規(guī)流變方程 f（γ）。

3.采用常規(guī)模型T/P修正法，在卡森初始方程內(nèi)引入T/P因子，建立了適用于恒流變水基鉆井液的動力學(xué)流變方程f （T, P, γ），該方程預(yù)測精度較高，相對誤差平均值為7.19%±4.07%。

4.分析了關(guān)鍵聚合物處理劑的分子形貌、空間結(jié)構(gòu)及其與黏土顆粒的締合作用，提出了基于分子形態(tài)的“結(jié)構(gòu)補(bǔ)償-性能控釋”構(gòu)效關(guān)系，揭示水基鉆井液的恒流變本質(zhì)。

5.闡明了水基恒流變鉆井液的流變特性，并初步建立了水基鉆井液的流變-溫度穩(wěn)定性機(jī)制。

6.將進(jìn)一步利用聚合物表征技術(shù)與分子動力學(xué)模擬方法，系統(tǒng)研究基于體型聚合物分子形態(tài)的構(gòu)效關(guān)系，為高性能深水工作液的設(shè)計(jì)與開發(fā)提供理論與技術(shù)支持。