PIBSI对油基钻井液性能影响研究

刘扣其， 邱正松， 曹 杰， 刘云峰， 罗 洋

(中国石油大学石油工程学院，山东青岛 266580)

PIBSI对油基钻井液性能影响研究

刘扣其， 邱正松， 曹 杰， 刘云峰， 罗 洋

(中国石油大学石油工程学院，山东青岛 266580)

常温条件下分别采用5号和3号两种白油配制基浆和油基钻井液体系，并在基浆和钻井液体系中加入不同质量分数的聚异丁烯丁二酰亚胺(PIBSI)，考察不同温度下PIBSI的质量分数对基浆和钻井液体系流变、沉降和滤失性能的影响。结果表明，对于基浆而言，低温条件下(4 ℃)PIBSI能够提高基浆的沉降稳定性能，基浆的黏度随PIBSI质量分数的增加先降低后增加。对于油基钻井液体系而言，在适当质量分数下(5号白油体系PIBSI质量分数为2%，3号白油体系PIBSI质量分数为0.2%)，PIBSI能够有效降低体系低温条件下(4 ℃)的黏度，而对室温(25 ℃)和高温(65 ℃)条件下体系的黏度、动切力等参数影响程度较小。PIBSI质量分数越高，两种油基钻井液体系的高温高压降滤失量越低。

基浆； 油基钻井液； 聚异丁烯丁二酰亚胺(PIBSI)； 温度； 性能影响

油基钻井液性能受温度影响比较明显，深水钻井条件下，钻井液由于海水的冷却作用，黏度变大，当量循环密度升高，由于深水钻井的安全密度窗口较窄，增大当量循环密度会导致井底压力超过地层的破裂压力梯度，引发井漏等一系列事故，给钻井带来严重的损失[1-3]，因此降低油基钻井液低温下的黏度十分迫切[4]。聚异丁烯丁二酰亚胺(PIBSI)是一种性能优异的分散剂，被广泛应用于润滑油行业，能够在低温条件下较好的分散烃类溶液中的碳烟粉，碳纳米管，降低体系低温下的黏度[5-7]，但是其在油基钻井液中的应用研究较少，本文主要研究了PIBSI对油基钻井液体系性能的影响。结果表明，PIBSI能降低低温下油基钻井液体系黏度，而对室温、高温条件下体系流变性能没有影响。

1 实验部分

1.1实验材料

5号白油、3号白油，青岛润泽油品有限公司；提切剂、乳化剂、有机土、润湿剂、降滤失剂，中石化胜利油田泥浆公司；PIBSI，天津开发区乐泰化工有限公司；无水CaCl2、氧化钙，上海国药集团化学试剂有限公司。

1.2实验仪器

Fann35六速旋转黏度计，青岛海通达专用仪器有限公司；DC-1006低温恒温槽，上海精密科学仪器有限公司；滚子炉，青岛海通达专用仪器有限公司。

1.3实验步骤

(1)配制实验所需的不同基油的油基钻井液，步骤如下：搅拌基油10 min后，依次将乳化剂、润湿剂加入基油中各搅拌15 min，充分搅拌后加入含有一定浓度的CaCl2水溶液，搅拌30 min后，加入氧化钙、流型调节剂、降滤失剂、有机土各搅拌15 min，最后将重晶石缓慢加入钻井液中，在11 000 r/min条件下搅拌60 min。

(2)在含有不同基油的钻井液中加入不同质量分数的PIBSI，老化后，测量不同温度下油基钻井液性能，实验研究PIBSI对油基钻井液流变性能的影响。

2 结果与讨论

2.1 PIBSI对白油基浆性能的影响

分别用3号和5号两种白油配制如下的基浆体系(质量分数)：基浆1为300 mL 5号白油+2%有机土；基浆2为300 mL 5号白油+1%PIBSI+2%有机土；基浆3为300 mL 3号白油+2%有机土；基浆4为300 mL 3号白油+1%PIBSI+2%有机土。将上述4个基浆体系移入具塞量筒中静置10 d(温度保持4 ℃)，观察各基浆体系低温沉降情况，如图1所示。

图1 4 ℃下两种白油基浆沉降性能

Fig.1SedimentarystabilityoftheOBMswithtwodifferentmineraloilunder4 ℃

图1显示基浆2和基浆4中由于含有PIBSI，低温下其沉降稳定性能分别优于无PIBSI的基浆1和基浆3，这主要是由于低温条件下，PIBSI分子中间的极性的聚胺部分能够强烈的吸附到颗粒的表面上，而聚异丁烯链伸入到非极性溶剂中，PIBSI具有一定的空间体积，增加了有机土颗粒与颗粒之间碰撞的阻力，并且由于PIBSI的吸附，颗粒的Hamaker常数发生改变，颗粒间的范德华力变弱，颗粒的分散性能变优，体系的沉降稳定性能变优[5, 8-10]。

将不同质量分数的PIBSI分别加入到基浆1和基浆3中，4 ℃下测量含有不同质量分数PIBSI的基浆黏度，考察PIBSI的质量分数对5号白油基浆、3号白油基浆低温黏度的影响，实验结果如图2所示。

从图2中可以看出，随着PIBSI质量分数的增加，两种基浆体系的黏度先降低后升高，这是由于PIBSI能够吸附在有机土颗粒的表面，由于PIBSI的空间稳定作用，低温下有机土颗粒的分散性能变优，体系黏度变低，当PIBSI质量分数增加时，一部分PIBSI不能吸附到有机土颗粒表面而溶解在白油中，PIBSI与烃类分子之间相互作用，从而导致体系黏度增加。对比图2(a)和图2(b)可以发现低温条件下体系黏度达到最低时对应的PIBSI质量分数是不一样，对于5号白油基浆，当PIBSI质量分数为0.6%时，体系黏度最小是20.5 mPa·s，而对于3号白油基浆而言，当PIBSI质量分数为0.3%时，体系黏度最小为7 mPa·s。

图2 4 ℃下PIBSI质量分数对白油基浆黏度的影响

Fig.2InfluenceofthePIBSImassfractionontheviscosityofOBMsunder4 ℃

2.2 PIBSI对油基钻井液体系性能的影响

2.2.1 低温条件 为了进一步了解PIBSI对油基钻井液性能的影响，实验分别采用5号白油和3号白油配制油基钻井液体系，具体配方体系如下：

5号白油钻井液体系(质量分数)：240 mL 5号白油+1.7%主乳+1.7%副乳+2%润湿剂+60 mL氯化钙水溶液(CaCl2质量分数为20%)+0.5%氧化钙+1%提切剂+3%降滤失剂+2%有机土+144 g重晶石；

3号白油钻井液体系(质量分数)：210 mL 3号白油+2%主乳+3%副乳+2%润湿剂+90 mL氯化钙水溶液(CaCl2质量分数为20%)+0.5%氧化钙+2.0%提切剂+3%降滤失剂+1.5%有机土+170 g重晶石。

在上述两种油基钻井液体系中加入不同质量分数的PIBSI，老化后，测量体系低温下(4 ℃)的性能，研究低温条件下，PIBSI的质量分数对5号白油钻井液体系和3号白油钻井液体系性能的影响，实验结果如图3所示。

图3表明低温条件下(4 ℃)，两种白油钻井液体系的表观黏度随着PIBSI质量分数的增加，先降低后增加，而体系的动切力随PIBSI质量分数的增加变化不大。当PIBSI质量分数为2%时，5号白油钻井液体系的黏度最低为115 mPa·s，而对于3号白油钻井液体系，PIBSI质量分数为0.2%时，体系黏度最小为97 mPa·s。图3表明PIBSI能够降低3号白油和5号白油钻井液体系低温下的黏度，而对体系的动切力影响较小。

图3 白油钻井液体系黏度和动切力随PIBSI质量分数变化(4 ℃)

Fig.3InfluenceofthePIBSImassfractionontheviscosityandYPofOBMsunder4 ℃

2.2.2 室温条件 将不同质量分数的PIBSI加入上述两种油基钻井液体系中，测量各体系25 ℃条件下的流变等性能，研究室温条件下PIBSI对两种油基钻井液体系性能的影响，实验结果如图4所示。

图4油基钻井液体系黏度和动切力随PIBSI质量分数变化(25℃)

Fig.4InfluenceofthePIBSImassfractionontheviscosityandYPofOBMsunder25 ℃

由图4可知，室温条件下，随着PIBSI质量分数的增加，两种体系的黏度和动切力变化不大，说明室温条件下PIBSI质量分数对油基钻井液体系的黏度和动切力基本没有影响。

将含有不同质量分数PIBSI的5号油基钻井液体系和3号油基钻井液体系在10 000 r/min下搅拌30 min，倒入250 mL具塞量筒中并放入烘箱，在25 ℃的条件下静态老化72 h，取出，观察并进行测试。老化后，所有的体系的上端出现了分离油，取出分离油，测定其体积，如图5所示。

图5 体系分离油体积随PIBSI质量分数变化(25 ℃)

Fig.5InfluenceofthePIBSImassfractiononthefreeoilvolumeofOBMsunder25 ℃

将上述各体系上端分离油取出，读出剩余溶液的高度，分别取出剩余溶液最上层和最下层5 cm高度左右的溶液[10]，测量其密度，计算密度差，实验结果如图6所示。

图6 各体系密度差随PIBSI质量分数变化(25 ℃)

Fig.6InfluenceofthePIBSImassfractiononthedensitychangeofOBMsunder25 ℃

图5、图6表明室温条件下，PIBSI的质量分数对两种油基钻井液体系的沉降稳定性能影响不大。

2.2.3 高温条件 将不同质量分数的PIBSI加入上述两种油基钻井液体系中，测量各体系65 ℃条件下的流变等性能，研究高温条件下PIBSI对两种油基钻井液体系性能的影响，实验结果如图7所示。

图7油基钻井液体系黏度和动切力随PIBSI质量分数变化(65℃)

Fig.7InfluenceofthePIBSImassfractionontheviscosityandYPofOBMsunder65 ℃

由图7可知，65 ℃条件下，随着PIBSI质量分数的增加，5号白油体系和3号白油钻井液体系的表观黏度和动切力变化不大，说明PIBSI质量分数对高温条件下两种体系的黏度和动切力的影响不大。

测量含有不同PIBSI质量分数的油基钻井液体系的高温高压(150 ℃、3.5 MPa)条件下滤失量，实验结果如表1所示。

表1 油基钻井液体系HTHP滤失量随PIBSI质量分数的变化Table 1 Influence of the PIBSI mass fraction on the HTHPfiltrate loss of oil based drilling fluid

由表1可知，随着PIBSI质量分数的增加，两种油基钻井液体系的HTHP滤失量都会降低。

3 结论

(1) 对于只含有有机土的5号白油和3号白油基浆，低温条件下(4 ℃)，PIBSI能提高其沉降性能，基浆的黏度随PIBSI质量分数的增加先降低再增加。

(2) 低温条件下，5号白油钻井液体系和3号白油钻井液体系黏度随PIBSI质量分数的增加先降低后增加；室温、高温条件下，两种油基钻井液体系的黏度随PIBSI质量分数增大变化幅度较小。两种油基钻井液体系的高温高压滤失量随PIBSI质量分数的增大而降低。

(3) PIBSI可以用来降低5号和3号白油钻井液体系低温下的黏度，而不影响低温下的动切力并且对高温下钻井液体系的性能影响较小，适合应用在深水油基钻井液体系中。

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(编辑 宋官龙)

Effect of PIBSI on the Properties of Oil-Based Drilling Fluid

Liu Kouqi， Qiu Zhengsong， Cao Jie， Liu Yunfeng， Luo Yang

(CollegeofPetroleumEngineering，ChinaUniversityofPetroleum，QingdaoShandong266580，China)

5#mineral oil and 3#mineral oil were used separately to prepare the basic mud and the oil-based drilling fluid system at room temperature. PIBSI(polyisobutylene succinimide) with different concentration were added to investigate the effect on properties of the basic mud and oil-based drilling fluid system under different temperatures. The results showed that, PIBSI can improve sag stability and viscosity of the basic mud changes with the concentration of the PIBSI under low temperature(4 ℃). As for oil-based drilling fluid system, PIBSI can decrease the viscosity of the system under low temperature while showed little effect on the viscosity and the gel strength under room and high temperatures if the concentration of PIBSI was in the appropriate concentration (for the 5#mineral oil based drilling system, the appropriate concentration was 2%, while for the 3#mineral oil based drilling system, the appropriate concentration was 0.2%). The larger the concentrations of the PIBSI, the lower the HTHP filtration loss will be.

Basic mud; Oil-based drilling fluid; Polyisobutylene succinimide; Temperature; Property influence

1006-396X(2014)04-0043-05

2013-10-29

：2013-12-20

国家科技重大专项(2011ZX05030-005-07)；博士后基金项目(2012M521385)；教育部创新团队项目(IRT1086)。

刘扣其(1989-)，男，硕士研究生，从事油基钻井液技术研究；E-mail：Liukouqi@126.com。

邱正松(1964-)，男，博士，教授，从事钻井液防塌防漏技术、深水钻井液以及油层保护技术研究；E-mail：qiuzs63@sina.com。

TE254

： A

10.3969/j.issn.1006-396X.2014.04.010