一種深水合成基鉆井流體流變穩定劑的研發

周定照　邢希金　劉書杰（中海油研究總院，北京　100028）

一種深水合成基鉆井流體流變穩定劑的研發

周定照邢希金劉書杰
（中海油研究總院，北京100028）

在深水鉆探作業中，由于海底溫度較低，海底靜液柱壓力較大，淺層欠壓實，深水表層孔隙壓力和破裂壓力的窗口較窄，常導致井漏和循環當量密度（ECD）不易控制。為解決上述問題，國外研制出一類新型的具有恒流變特性的合成基鉆井液（CR-SBM）。通過對國內外CR-SBM性能的調研，研制了鉆井液流變穩定劑，并確立了恒流變合成基鉆井液的基本配方。利用深水鉆井用低溫高壓可視化裝置測試了體系在真實低溫高壓狀態的流變性，構建的合成基體系具有低溫恒流變特性。

合成基鉆井液；循環當量密度；恒流變穩定劑；低溫流變性

恒流變合成基鉆井液的流變性受溫度的影響較小，特別是動切力、靜切力和低剪切速率下的黏度等參數不隨溫度變化而改變。恒流變合成基鉆井液體系已成功應用于墨西哥灣海域，并逐漸應用于亞洲近海海域，及西非近海、巴西近海等地區。

1　深水合成基鉆井液性能

1.1國外深水合成基鉆井液性能

墨西哥灣Green凹陷深水海域，實例井［1-4］采用CR-SBM鉆進，當量循環密度比采用傳統SBM降低0.2~0.3 kg/m3，未發現重晶石沉降的現象，鉆井和下套管作業中鉆井液漏失量降低了60%~90%，并且井眼穩定性大大提高。CR-SBM便于配制和維護，不同于常規合成基鉆井液需要較長時間的循環才能達到預期的目標。

1.2國內深水合成基鉆井液性能

M-I公司在南中國海使用了恒流變油基鉆井液，鉆井水深為1 343 m，相關性能見表1。

表1　M-I公司恒流變鉆井液性能

2　合成基鉆井液體系

2.1合成基鉆井液國產化基液選取

國外深水合成基鉆井液大多采用線性α-烯烴（LAO）、氣制油（GTL）作為合成基基液，生產LAO的公司主要有殼牌、雪佛龍、BP-Amoco、UOP、Gulf、日本出光石化等。目前國內氣制油（GTL）主要來自大慶油田和燕山石化公司生產的己烯-1（C6）（易揮發液體，沸點63.3 ℃）；用于合成基基液的LAO為C12~C16正α-烯烴。考慮原料國產化問題，選擇國產特種油作為基液。

氣制油為C10~C23的飽和烷烴，以C13、C14、C15、C16、C17、C18、C19、C20為主，含量均在10%~13%左右，其中以C14含量最高，約13 %。特種油為C12~C20的飽和烷烴，以C15、C16、C17、C18為主，其中以C16~C17含量最高，約60 %。特種油的黏溫性能和氣制油的黏溫性能相近［5-6］。

2.2有機土加量的影響

有機土是合成基鉆井液最常用的增黏劑，若鉆井液中不加有機土，鉆井過程中會經常發生重晶石沉降現象，但是有機土加量過大，則鉆井液流變性將隨溫度變化發生明顯變化。通過實驗測試有機土加量分別為1%、2%、3%、4%、5%時對鉆井液流變性的影響，結果表明，當體系有機土加量低于2%時，體系黏切較低，會發生重晶石沉降；當有機土加量大于4%時，體系稠化，影響體系的流變性。因此，要控制體系有機土加量在2%~3%。

2.3油水比的影響

油水比對鉆井液體系有顯著影響，通過實驗測試油水比分別為90∶10、85∶15、80∶20、70∶30、60∶40情況下，對鉆井液流變性的影響，測試結果表明，當體系中水相較少時，體系黏度偏低，切力偏低，低溫流變性好；當體系中含水較高時，體系黏度增加，切力增加，低溫流變性變差。當油水比為70∶30時，體系在低溫時的流變性已經稠化，無法測定黏度。

2.4降濾失劑優選

降濾失劑能在油基鉆井液體系中很好地分散，形成親油性膠體，起到參與形成致密濾餅、控制濾失量和增加油基鉆井液穩定性的作用。油基鉆井液中常用的降濾失劑主要分為瀝青類MOTEX、樹脂類MOFLB等幾類。通過室內實驗，在油基鉆井液體系中加入不同種類的降濾失劑，測試其降濾失效果如表2所示。

表2　不同降濾失劑及加量對鉆井液性能的影響

從表2可以看出，體系中加入瀝青類降濾失劑MOTEX后，φ6/φ3值較大，而加入非瀝青類降濾失劑MOFLB后，體系φ6/φ3值正常，同時MOFLB的降濾失效果要優于MOTEX。

2.5合成基鉆井液流變穩定劑研發

2.5.1穩定劑合成方法根據恒流變合成基實現機理研究，在室內通過R1—CH=CH—COOH、R2—

CH=CH—CONH—R3和Ph—CH=CH—R4等3種烯類單體共聚反應，合成了油溶性低分子量聚合物增黏劑，再通過改性、復配，得到合成基鉆井液恒流變穩定劑。該處理劑隨溫度升高而伸展變長，起到一定增黏作用，在低溫條件下則呈卷曲狀態且對黏度無影響，以此來協同有機土實現體系的恒流變。

2.5.2恒流變穩定劑的優選將處理劑加入合成基基液中，測定不同溫度條件下的流變性。合成基基本配方為（特種油 ∶20%CaCl2溶液）+2%主乳化劑+1%輔乳化劑+3%有機土+1%潤濕劑+2%堿度調節劑，重晶石加重到1.16 g/cm3，實驗結果見表3。可以看出，穩定劑EST-8在體系中起到了一定的增黏提切作用，熱滾后的高低溫切力比為1.10，比空白的1.54有明顯降低。

2.6恒流變合成基鉆井液體系的確立

通過前面實驗優化，恒流變合成基鉆井液體系基本配方確定為：（特種油∶20%CaCl2溶液=80∶20）+2%主乳化劑MOEMUL+1%輔乳化劑MOCOAT+ 1%潤濕劑MOWET+3%有機土HMC-5+3%降濾失劑MOFLB+2%CaO+1%流變穩定劑MOEST-8+重晶石。

表3　不同流變穩定劑對鉆井液性能的影響

3　恒流變合成基鉆井液體系的評價

3.1低溫高壓流變性評價方法

通過單通道深水鉆井液井下流變溫度壓力動態模擬儀對上述恒流變合成基鉆井液體系進行低溫高壓流變性評價。該儀器采用同軸圓筒測量系統，與ZNN-6型六速旋轉黏度計的測量原理相似，當外筒以某一速度旋轉時，它將帶動內外筒間隙里的鉆井液旋轉。由于鉆井液具有黏滯性，在內筒產生旋轉扭矩使與彈簧連接的內筒轉動一定角度。根據牛頓內摩擦定律，流體黏度與轉動角度成正比，因此，鉆井液黏度的測量就轉化為內筒轉角的測量。

3.2低溫高壓流變性評價結果

計算實例：排量17 L/s，密度1.16 g/cm3，鉆桿長3 000 m，鉆桿內徑108 mm，鉆桿外徑127 mm，井徑215.9 mm。通過模擬儀的模擬，得出環空層流情況下，YP和PV對ECD的影響見圖1、圖2。可以看出，在環空層流情況下，YP對ECD的影響要明顯大于PV對ECD的影響。

圖1　環空層流下YP與ECD關系

圖2　環空層流下PV與ECD關系

由波動壓力計算公式可知，PV對抽汲壓力當量密度和激動壓力當量密度沒有直接影響。而由圖3可知，YP對抽汲壓力當量密度的影響要明顯大于對激動壓力當量密度的影響。測試結果表明構建的合成基體系具有低溫恒流變特性。

圖3　YP與抽汲壓力當量密度和激動壓力當量密度關系

4　結論

（1）選取國產化基液，以3種烯類單體通過共聚反應，研制出合成基鉆井液流變穩定劑。

（2）經室內實驗測試，研制的合成基鉆井液流變穩定劑隨溫度的升高而伸展變長，起到一定的增黏作用，在低溫條件下則呈卷曲狀態且對黏度無影響，以此來協同有機土實現體系的恒流變，并確立了恒流變合成基鉆井液體系基本配方。

（3）利用深水鉆井用低溫高壓可視化裝置對恒流變合成基鉆井液體系在真實低溫高壓狀態流變性進行了測試，表明構建的合成基體系具有低溫恒流變特性。

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（修改稿收到日期2015-01-04）

〔編輯張百靈〕

Research and development of rheological stabilizer with deepwater synthetic base used indrilling fluid

ZHOU Dingzhao, XING Xijin, LIU Shujie
（Research Institute of CNOOC, Beijing 100028, China）

During the deepwater drilling and exploration operations, since the subsea temperature is relatively low, the subsea hydrostatic fluid column pressure is relatively high, the superficial layer is under-compacted, and the window of pore pressure and fracture pressure of deepwater surface layer is relatively narrow, the well leakage occurs frequently and the equivalent circulating density (ECD) is not easily controlled. In order to solve the above mentioned problems, a new synthetic base drilling fluid with constant rheological property (CR-SBM) has been researched and developed in the foreign countries. Via the investigation and survey on the CR-SBM performance at home and abroad, the rheological stabilizer of drilling fluid has been researched and developed, and the basic formula of constant rheological synthetic base drilling fluid has been established. The rheological property of system in the true low-temperature and high-pressure state is tested by the low-temperature and high-pressure visual device of deepwater drilling. According to the test results, the established synthetic base system has low-temperature constant rheological property.

synthetic base drilling fluid; equivalent circulating density; constant rheological stabilizer; low-temperature rheological property

TE254

B

1000 – 7393（2015） 01 – 0083 – 04

10.13639/j.odpt.2015.01.021

“十二五”國家科技重大專項“南海北部陸坡（荔灣3-1及周邊）深水油氣田鉆采風險評估及采氣關鍵技術研究”（編號：2011ZX05056-001-03）；國家自然科學基金“海洋深水淺層鉆井關鍵技術基礎理論研究”（編號：51434009）。

周定照，1984年生。2011年畢業于長江大學油氣井工程專業，獲得工學碩士學位，現在中海油研究總院鉆采研究院和從事鉆采技術的研究工作。電話：010-84526768。E-mail：zhoudzh2@cnooc.com.cn。

2014-11-30）

引用格式：周定照，邢希金，劉書杰. 一種深水合成基鉆井流體流變穩定劑的研發［J］.石油鉆采工藝，2015，37（1）：83-86.