一種深水用白油基恒流變鉆井液體系的建立與評價

李 路，許明標，由福昌，黃楚云，梁 悅，趙 鵬

（1. 長江大學 石油工程學院， 湖北 武漢 430100； 2. 嘉華科技有限公司， 湖北 荊州 434000；3. 中國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價

李 路1，許明標1，由福昌2，黃楚云1，梁 悅3，趙 鵬1

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

主要針對深海鉆井作業設計了一種白油基恒流變鉆井液。我們主要通過添加有機土和高分子聚合物來達到鉆井液恒流變的目的。還評價了有機土的種類與含量、高分子聚合物的含量、油水比和鉆井液密度對白油基鉆井液流變性（動切力 YP）的影響。

深水鉆井；白油基；恒流變；動切力

隨著科技的進步，石油鉆井技術不斷提高，石油開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、抗溫性能好、抗污染能力強、保護油層效果好及潤滑性好等優點開始被人應用于海上石油開采作業中[1]。目前油基鉆井液已經成為當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中面臨著兩大挑戰。第一是油基鉆井液對海洋生態環境的污染，傳統的油基鉆井液基礎油主要是礦物油和柴油，這兩種油品的芳香烴含量較高，用于海洋石油開采時容易對環境造成污染；另外芳香烴毒性很大，且腐蝕性較強，對鉆井設備有一定程度的損害[2]。第二是低溫下的流變性，傳統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，導致當量循環密度和啟動泵壓、激動泵壓變化較大，很容易出現嚴重的井下漏失[3]；基于以上兩點，我們采用惠州 3#白油用作油基鉆井液的基礎油來建立恒流變油基鉆井液。白油是由石油精煉而成的無色、無味、無腐蝕的特種礦物油，其芳香烴等雜質的含量很低，與傳統的礦物油相比更清潔更環保[4]。

1 恒流變原理

油基鉆井液的流變性與其各組分的含量密切相關。其中影響鉆井液的塑性粘度的主要因素是有機土（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度和動切力，其原因主要是有機土顆粒與分散在鉆井液中的細微水滴相互作用所致[5]。另外，有機土顆粒表面的親油程度有限，當油水兩相的分散度過高時，有機土顆粒的表面對體系中的細微水滴有一定的吸附作用，從而使部分有機土顆粒潤濕，形成顆粒間的網狀結構，進而使鉆井液的動切力（YP）升高。由此可知，油基鉆井液動切力（YP）的大小主要與體系中有機土顆粒與細微水滴的濃度，還有它們之間相互作用的強度有關。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，動切力（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，有機土的增粘效果會升高，而高分子聚合物的增粘作用會下降；反之，隨著溫度的升高，高分子聚合物的分子鏈會拉長，增粘作用會上升，而有機土的增粘作用又會下降。正是高分子聚合物與有機土這種此消彼長的互補特性實現了油基鉆井液恒流變的特性[6]。

2 試驗部分

2.1 試驗材料及儀器

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

（2）試驗儀器 高速攪拌器；六速旋轉粘度計；熱滾子爐；破乳電壓測試儀；低溫模擬試驗箱；油浴鍋。

2.2 試驗方法

（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+有機土+高分子聚合物+降濾失劑+26%氯化鈣溶液[7]，用重晶石粉調節密度至 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、有機土、高分子聚合物、降濾失劑和流型改進劑加入惠州 3#白油中，20 min 后加入質量分數為 26%的氯化鈣溶液，攪拌 30 min 后用重晶石粉調節密度，再攪拌 30 min。測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行性能測定[8]。

（3）流變性的測定 將待測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℃；置于低溫模擬試驗箱中使之將至 4 ℃。然后測定油基鉆井液在 50、25 和 4 ℃時的流變性。根據六速旋轉粘度計的讀數（Φ600、Φ300），按照賓漢流變模式計算動切力（YP）。這里應注意的是：每次測流變性之前應用高速攪拌器將鉆井液攪拌至少 3 min。

3 實驗結果與討論

3.1 白油基恒流變鉆井液有機土的優選

有機土是可以在油中分散的親油性改性膨潤土，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生沉降現象，同時還有一定的將濾失作用。我們考察了兩種有機土（MOGEL 和 HF-120）及有機土質量濃度對白油基鉆井液流變性的影響，結果見圖 1。結果表明鉆井液的動切力（YP）均隨溫度的升高而下降，隨有機土含量的上升而上升。且有機土含量越高，三個不同溫度條件下動切力（YP）的差異越大。有機土質量分數為 1.0%時鉆井液粘度過低，不能滿足現場應用的要求。因此應是鉆井液中有機土的含量保持在 1.5%以上。另外，通過試驗我們了解到不論 MOGEL 的加量為多少，滾前與滾后的動切力（YP）均有很大差異（MOGEL加 量 為 1.5% 時 滾 前 與 滾 后 的 YP 值 分 別 為3,11/8/7）。因此，代號為 HF-120 的有機土更適用于白油基鉆井液。

圖1 有機土對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 高分子聚合物對白油基鉆井液流變性的影響

當白油基鉆井液溫度升高時，由于高分子聚合物的分子鏈會伸展開來，增粘作用變強，與有機土的效果剛好相反。我們考察了高分子聚合物（ADPATA）三個質量濃度（0.5%、1.0%、1.5%）下油基鉆井液的流變性，實驗結果由圖-2所示。通過圖2的數據可知，鉆井液的粘度隨高分子聚合物的含量上升而升高。當 ADPATD 的加量升至 1.5%時鉆井液的粘度過高。ADPATA 加量為 1.0%時鉆井液性能最好，且 20 ℃與 50 ℃的動切力（YP）相同，4 ℃與 20 ℃的動切力（YP）僅相差 3 mPa·s。

圖2 高分子聚合物對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 油水比對白油基鉆井液流變性的影響

影響油基鉆井液動切力大小的主要因素為體系中細微水滴與有機土顆粒的濃度，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，實驗結果如圖 3所示。由圖3可以看出，隨著油水比的降低，油基鉆井液中的細微水滴濃度上升，粘度逐漸增加。當鉆井液中的水相含量升高時，溫度對鉆井液動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。在現場應用中若對鉆井液的恒流變要求較高，應盡量使鉆井液維持較高的油水比（最好高于 85:15），同時還應注意海水與地層水侵入的情況。

圖3 油水比對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，觀察密度不同對鉆井液流變性的影響規律，密度分別為 1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6 g/cm3，結果如圖 4 所示。由結果可知，鉆井液密度對其流變性的影響也很顯著，鉆井液密度升高，動切力（YP）也會上升，且當鉆井液密度較低時，白油基鉆井液的恒流變特型較好，當鉆井液密度升至 1.5 g/cm3時，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能保持很好的恒流變特型，在現場應用中應盡量保持低的密度與固相含量，當鉆井液密度超過 1.5 g/cm3時將不具備恒流變的特性。

4 結 論

（1）白油基恒流變鉆井液與傳統的油基鉆井液相比有明顯優勢。第一，白油的毒性很小，腐蝕性很低，與柴油和煤油相比對海洋環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。

（2）白油基鉆井液恒流變的特性主要由有機土與高分子聚合物的含量控制，由于二者對鉆井液粘度的控制隨溫度變化的情況恰恰相反，因此這種此消彼長的互補特性實現了油基鉆井液恒流變的特性。通過實驗可知，代號為 HF-120 的有機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%時鉆井液的性能最佳。

（3）油水比會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影響鉆井液的流變性，密度越高，鉆井液動切力（YP）越高；當密度超過 1.5 g/cm3后，恒流變性能就會變差。

［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.

［2］江波,朱赫禮. 白油生產技術的發展與展望[J]. 潤滑油,2012,27(5):1-7．

［3］舒福昌,齊從溫,向興金,等. 深水合成基鉆井液恒流變特性研究[J].石油天然氣學報,2012,34(12):101-104.

［4］李立權. 白油及白油生產技術[J]. 潤滑油,2003,18(4):1-6.

［5］Sehmidt D D, Amoeoproduetion Co, Roos A F. Interaction of water with organophilic clay in base oils to build viscosity[J].SPE 16683.

［6］丁文剛. 深水恒流變合成基鉆井液體系及流變性研究[D]. 武漢:長江大學,2011.

［7］韓子軒,蔣官澄,李青洋. 適于深水鉆井的恒流變合成基鉆井液[J].鉆井液與完井液,2014,31(2):17-21.

［8］劉緒全,陳敦輝,陳勉,等. 環保型全白油基鉆井液的研究與應用[J].鉆井液與完井液,2009,26(6) : 10-12.

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，長江大學在讀碩士研究生，研究方向：主要從事鉆完井液技術研究。E-mail：524607679@qq.com。