一种深水合成基钻井流体流变稳定剂的研发

周定照　邢希金　刘书杰（中海油研究总院，北京　100028）

一种深水合成基钻井流体流变稳定剂的研发

周定照邢希金刘书杰
（中海油研究总院，北京100028）

在深水钻探作业中，由于海底温度较低，海底静液柱压力较大，浅层欠压实，深水表层孔隙压力和破裂压力的窗口较窄，常导致井漏和循环当量密度（ECD）不易控制。为解决上述问题，国外研制出一类新型的具有恒流变特性的合成基钻井液（CR-SBM）。通过对国内外CR-SBM性能的调研，研制了钻井液流变稳定剂，并确立了恒流变合成基钻井液的基本配方。利用深水钻井用低温高压可视化装置测试了体系在真实低温高压状态的流变性，构建的合成基体系具有低温恒流变特性。

合成基钻井液；循环当量密度；恒流变稳定剂；低温流变性

恒流变合成基钻井液的流变性受温度的影响较小，特别是动切力、静切力和低剪切速率下的黏度等参数不随温度变化而改变。恒流变合成基钻井液体系已成功应用于墨西哥湾海域，并逐渐应用于亚洲近海海域，及西非近海、巴西近海等地区。

1　深水合成基钻井液性能

1.1国外深水合成基钻井液性能

墨西哥湾Green凹陷深水海域，实例井［1-4］采用CR-SBM钻进，当量循环密度比采用传统SBM降低0.2~0.3 kg/m3，未发现重晶石沉降的现象，钻井和下套管作业中钻井液漏失量降低了60%~90%，并且井眼稳定性大大提高。CR-SBM便于配制和维护，不同于常规合成基钻井液需要较长时间的循环才能达到预期的目标。

1.2国内深水合成基钻井液性能

M-I公司在南中国海使用了恒流变油基钻井液，钻井水深为1 343 m，相关性能见表1。

表1　M-I公司恒流变钻井液性能

2　合成基钻井液体系

2.1合成基钻井液国产化基液选取

国外深水合成基钻井液大多采用线性α-烯烃（LAO）、气制油（GTL）作为合成基基液，生产LAO的公司主要有壳牌、雪佛龙、BP-Amoco、UOP、Gulf、日本出光石化等。目前国内气制油（GTL）主要来自大庆油田和燕山石化公司生产的己烯-1（C6）（易挥发液体，沸点63.3 ℃）；用于合成基基液的LAO为C12~C16正α-烯烃。考虑原料国产化问题，选择国产特种油作为基液。

气制油为C10~C23的饱和烷烃，以C13、C14、C15、C16、C17、C18、C19、C20为主，含量均在10%~13%左右，其中以C14含量最高，约13 %。特种油为C12~C20的饱和烷烃，以C15、C16、C17、C18为主，其中以C16~C17含量最高，约60 %。特种油的黏温性能和气制油的黏温性能相近［5-6］。

2.2有机土加量的影响

有机土是合成基钻井液最常用的增黏剂，若钻井液中不加有机土，钻井过程中会经常发生重晶石沉降现象，但是有机土加量过大，则钻井液流变性将随温度变化发生明显变化。通过实验测试有机土加量分别为1%、2%、3%、4%、5%时对钻井液流变性的影响，结果表明，当体系有机土加量低于2%时，体系黏切较低，会发生重晶石沉降；当有机土加量大于4%时，体系稠化，影响体系的流变性。因此，要控制体系有机土加量在2%~3%。

2.3油水比的影响

油水比对钻井液体系有显著影响，通过实验测试油水比分别为90∶10、85∶15、80∶20、70∶30、60∶40情况下，对钻井液流变性的影响，测试结果表明，当体系中水相较少时，体系黏度偏低，切力偏低，低温流变性好；当体系中含水较高时，体系黏度增加，切力增加，低温流变性变差。当油水比为70∶30时，体系在低温时的流变性已经稠化，无法测定黏度。

2.4降滤失剂优选

降滤失剂能在油基钻井液体系中很好地分散，形成亲油性胶体，起到参与形成致密滤饼、控制滤失量和增加油基钻井液稳定性的作用。油基钻井液中常用的降滤失剂主要分为沥青类MOTEX、树脂类MOFLB等几类。通过室内实验，在油基钻井液体系中加入不同种类的降滤失剂，测试其降滤失效果如表2所示。

表2　不同降滤失剂及加量对钻井液性能的影响

从表2可以看出，体系中加入沥青类降滤失剂MOTEX后，φ6/φ3值较大，而加入非沥青类降滤失剂MOFLB后，体系φ6/φ3值正常，同时MOFLB的降滤失效果要优于MOTEX。

2.5合成基钻井液流变稳定剂研发

2.5.1稳定剂合成方法根据恒流变合成基实现机理研究，在室内通过R1—CH=CH—COOH、R2—

CH=CH—CONH—R3和Ph—CH=CH—R4等3种烯类单体共聚反应，合成了油溶性低分子量聚合物增黏剂，再通过改性、复配，得到合成基钻井液恒流变稳定剂。该处理剂随温度升高而伸展变长，起到一定增黏作用，在低温条件下则呈卷曲状态且对黏度无影响，以此来协同有机土实现体系的恒流变。

2.5.2恒流变稳定剂的优选将处理剂加入合成基基液中，测定不同温度条件下的流变性。合成基基本配方为（特种油 ∶20%CaCl2溶液）+2%主乳化剂+1%辅乳化剂+3%有机土+1%润湿剂+2%碱度调节剂，重晶石加重到1.16 g/cm3，实验结果见表3。可以看出，稳定剂EST-8在体系中起到了一定的增黏提切作用，热滚后的高低温切力比为1.10，比空白的1.54有明显降低。

2.6恒流变合成基钻井液体系的确立

通过前面实验优化，恒流变合成基钻井液体系基本配方确定为：（特种油∶20%CaCl2溶液=80∶20）+2%主乳化剂MOEMUL+1%辅乳化剂MOCOAT+ 1%润湿剂MOWET+3%有机土HMC-5+3%降滤失剂MOFLB+2%CaO+1%流变稳定剂MOEST-8+重晶石。

表3　不同流变稳定剂对钻井液性能的影响

3　恒流变合成基钻井液体系的评价

3.1低温高压流变性评价方法

通过单通道深水钻井液井下流变温度压力动态模拟仪对上述恒流变合成基钻井液体系进行低温高压流变性评价。该仪器采用同轴圆筒测量系统，与ZNN-6型六速旋转黏度计的测量原理相似，当外筒以某一速度旋转时，它将带动内外筒间隙里的钻井液旋转。由于钻井液具有黏滞性，在内筒产生旋转扭矩使与弹簧连接的内筒转动一定角度。根据牛顿内摩擦定律，流体黏度与转动角度成正比，因此，钻井液黏度的测量就转化为内筒转角的测量。

3.2低温高压流变性评价结果

计算实例：排量17 L/s，密度1.16 g/cm3，钻杆长3 000 m，钻杆内径108 mm，钻杆外径127 mm，井径215.9 mm。通过模拟仪的模拟，得出环空层流情况下，YP和PV对ECD的影响见图1、图2。可以看出，在环空层流情况下，YP对ECD的影响要明显大于PV对ECD的影响。

图1　环空层流下YP与ECD关系

图2　环空层流下PV与ECD关系

由波动压力计算公式可知，PV对抽汲压力当量密度和激动压力当量密度没有直接影响。而由图3可知，YP对抽汲压力当量密度的影响要明显大于对激动压力当量密度的影响。测试结果表明构建的合成基体系具有低温恒流变特性。

图3　YP与抽汲压力当量密度和激动压力当量密度关系

4　结论

（1）选取国产化基液，以3种烯类单体通过共聚反应，研制出合成基钻井液流变稳定剂。

（2）经室内实验测试，研制的合成基钻井液流变稳定剂随温度的升高而伸展变长，起到一定的增黏作用，在低温条件下则呈卷曲状态且对黏度无影响，以此来协同有机土实现体系的恒流变，并确立了恒流变合成基钻井液体系基本配方。

（3）利用深水钻井用低温高压可视化装置对恒流变合成基钻井液体系在真实低温高压状态流变性进行了测试，表明构建的合成基体系具有低温恒流变特性。

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（修改稿收到日期2015-01-04）

〔编辑张百灵〕

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”国家科技重大专项“南海北部陆坡（荔湾3-1及周边）深水油气田钻采风险评估及采气关键技术研究”（编号：2011ZX05056-001-03）；国家自然科学基金“海洋深水浅层钻井关键技术基础理论研究”（编号：51434009）。

周定照，1984年生。2011年毕业于长江大学油气井工程专业，获得工学硕士学位，现在中海油研究总院钻采研究院和从事钻采技术的研究工作。电话：010-84526768。E-mail：zhoudzh2@cnooc.com.cn。

2014-11-30）

引用格式：周定照，邢希金，刘书杰. 一种深水合成基钻井流体流变稳定剂的研发［J］.石油钻采工艺，2015，37（1）：83-86.