高溫高壓下高密度全油基鉆井液流變模式

王金樹，周芳芳，王福魁

(承德石油高等專科學(xué)校 a.石油工程系；b.教務(wù)處，河北 承德 067000)

隨著非常規(guī)能源的開發(fā)和鉆井深度的不斷加大，油基鉆井液因其良好的抑制性、抗鹽抗鈣性、抗溫性和潤滑性等性能而得到越來越多的應(yīng)用[1]。國內(nèi)外針對油基鉆井液的高溫高壓流變特性已開展了實(shí)驗(yàn)研究，并提出了相關(guān)的預(yù)測模型。如石油大學(xué)鄢捷年教授對高溫高壓下油包水乳化鉆井液的流變特性進(jìn)行了研究[2]，長城鉆探工程技術(shù)研究院王建對高溫高壓全油基鉆井液的表觀黏度、塑性黏度和動切力對溫度和壓力的變化進(jìn)行了研究[3]，中國石油大學(xué)趙勝英博士等對高溫高密度水基鉆井液的流變性進(jìn)行了研究，并得出了卡森模式是抗高溫高密度水基鉆井液在高溫高壓條件下流變性能的最優(yōu)模式[4]。但是如何通過實(shí)驗(yàn)手段準(zhǔn)確預(yù)測全油基鉆井液的高溫高壓流變特性還未見報(bào)道。在現(xiàn)場作業(yè)中，全油基鉆井液流變模式一般選擇賓漢模式，但此模式能否準(zhǔn)確預(yù)測全油基鉆井液的高溫高壓流變特性，還需要通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，并進(jìn)一步建立準(zhǔn)確的全油基鉆井液的流變參數(shù)模型。筆者選用兩種密度的全油基鉆井液，通過實(shí)驗(yàn)手段完成鉆井液在不同溫度、不同壓力下的流變曲線。通過回歸分析方法擬合出全油基鉆井液流變規(guī)律，確定全油基鉆井液適用的流變模式，為現(xiàn)場作業(yè)準(zhǔn)確預(yù)測高溫高壓下鉆井液的流變規(guī)律提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)儀器及鉆井液樣品

1.1 主要儀器

Fann50SL型高溫流變儀，美國范氏公司；鉆井液高速攪拌機(jī)，中石大石儀；賽多利斯BSA224S型電子天平，上海速展計(jì)量儀器；鉆井液比重秤，青島同春石油儀器有限公司；ZNN-D6六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，青島恒泰達(dá)儀器。

1.2 油基鉆井液配方

選擇全油基鉆井液配方：5#白油+4%有機(jī)土+0.4%提切劑+0.3%主乳化劑+2.5%潤濕劑+0.5%氧化鈣+5%降濾失劑+重晶石。按照如下方法配制鉆井液：1)5#白油中加入有機(jī)土高攪10 min；2)加入提切劑高攪10 min；3)加入主乳化劑高攪5 min；4)加入潤濕劑高攪5 min；6)加入氧化鈣高攪5 min；7)加入降濾失劑高攪10 min；8)加入重晶石高攪40 min。本文研究兩種密度全油基鉆井液的高溫高壓流變模式，選定鉆井液密度分別為1.2 g/cm3(175 g重晶石)和1.5 g/cm3(330 g重晶石)，其他處理劑加量與選定配方一致。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 溫度對全油基鉆井液流變模式的影響

按配方配制鉆井液密度分別為1.2 g/cm3(1#樣品)和1.5 g/cm3(2#樣品)的全油基鉆井液，選定實(shí)驗(yàn)溫度分別為60、120、150、180、200 ℃，測定兩種鉆井液在不同溫度下剪切應(yīng)力隨剪切速率的變化關(guān)系[5]，繪制兩種鉆井液體系的流變曲線如圖1、圖2所示。用冪律流體模式、賓漢流體模式和卡森流體模式對兩種鉆井液流變曲線進(jìn)行擬合并計(jì)算相關(guān)系數(shù)，如表1、表2所示。

表1 1#鉆井液樣品不同溫度下的流變參數(shù)及相關(guān)系數(shù)

表2 2#鉆井液樣品不同溫度下的流變模式及相關(guān)系數(shù)

2.2 壓力對全油基鉆井液流變模式的影響

設(shè)定實(shí)驗(yàn)壓力分別為0.5、1.5、3.5、7 MPa，測定兩種鉆井液樣品在不同剪切速率下剪切應(yīng)力隨壓力的變化，得出兩種鉆井液流變曲線如圖3、圖4所示。用冪律流體模式、賓漢流體模式和卡森流體模式對兩種鉆井液流變曲線進(jìn)行擬合并計(jì)算相關(guān)系數(shù)，結(jié)果如表3、表4所示。

由表3和表4可知，1#鉆井液樣品在0.5、1.5、3.5、7 MPa條件下均用賓漢模式可以最好地反映鉆井液的實(shí)際流變參數(shù)；2#樣品在0.5、1.5、3.5 MPa條件下賓漢模式可以最好地反映鉆井液的實(shí)際流變性能，在7 MPa條件下則采用冪律模式可以更好地反映真實(shí)流變性能。

表3 1#鉆井液樣品不同壓力下的流變模式及相關(guān)系數(shù)

表4 2#鉆井液樣品不同壓力下的流變模式及相關(guān)系數(shù)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論及討論

通過測定全油基鉆井液在不同溫度、不同壓力、不同密度下的流變曲線，總結(jié)出全油基鉆井液流變規(guī)律。1)1#和2#鉆井液對于溫度影響具有相似但又不完全相同的流變規(guī)律。在低溫(60 ℃)下均符合卡森流變模式，在高溫條件(120、150、180、200 ℃)下均符合賓漢流變模式，除1#樣品在150 ℃下符合卡森流變模式外；2)1#鉆井液樣品在不同壓力下流變曲線均符合賓漢流變模式，2#鉆井液樣品在0.5、1.5、3.5 MPa條件下符合賓漢模式，在7 MPa條件下符合冪律流變模式；3)通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及回歸分析得出溫度和壓力對鉆井液流變性的影響規(guī)律是：低溫鉆井液流變模式為卡森模式，高溫流變性趨向于賓漢模式，同時(shí)鉆井液成分和溫度對流變性會產(chǎn)生協(xié)同影響；壓力和鉆井液成分對流變性也會產(chǎn)生協(xié)同影響；4)全油基鉆井液在現(xiàn)場應(yīng)用過程中，應(yīng)根據(jù)具體配方、地層溫度、壓力條件綜合確定鉆井液的流變模式，以達(dá)到準(zhǔn)確預(yù)測井底鉆井液的流變性能。