阳离子乳化沥青对水基钻井液流变性的影响

杨航 曹晓春

摘 要：通过测试不同阳离子乳化沥青浓度的钻井液在4个温度点下的表观粘度、塑性粘度和动切力，分析阳离子乳化沥青对钻井液流变性的影响。试验结果表明，浓度在4%以下时，阳离子乳化沥青对钻井液各流变参数的影响较小，且影响为非线性。阳离子乳化沥青的加入，并没有质变性地影响温度对钻井液流变性的作用。

关 键 词：阳离子乳化沥青；钻井液；温度；浓度；流变性

中图分类号：TE 357 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2015）10-2297-03

Influence of Cationic Emulsified Asphalt

on the Rheology of Water-based Drilling Fluids

YANG Hang1，2，CAO Xiao-chun1

（1. College of Petroleum Engineering， Northeast Petroleum University， Heilongjiang Daqing 163318，China；

2. CNOOC （China） Co.， Ltd. Tianjin Branch BOXI Operating Company， Tianjin 300452，China）

Abstract： By testing fluid apparent viscosity， plastic viscosity and dynamic shear force of drilling fluid with different concentrations of cationic emulsified asphalt at four different temperature point， the influence of cationic emulsified asphalt on the rheology of drilling fluid was analyzed. The results show that， when cationic emulsified asphalt concentration is below 4%，it has less influence on the each rheological parameters of drilling fluid，and the influence is nonlinear. Cationic emulsified asphalt doesnt impact the influence of temperature on the rheological properties of the drilling fluid qualitatively.

Key words： Cationic emulsified asphalt； Drilling fluid； Temperature； Concentration； Rheology

随着钻井液技术的发展，沥青改性产品在石油钻井中得到广泛应用，油田通用的改性沥青处理剂包括乳化沥青、氧化沥青、磺化沥青、阳离子胶乳沥青等。其中乳化沥青是指把沥青加热熔融，在机械搅拌作用力下，以细小的微粒分散于含有乳化剂及其助剂的水溶液中形成的水包油型（O/W）乳液。根据所用乳化剂电性的不同，分为阳离子乳化沥青、阴离子乳化沥青、非离子乳化沥青等。乳化沥青在钻井工程中的常作为防塌、堵漏剂使用，达到改善泥饼质量，封堵地层孔隙和裂缝，降低钻井液的滤失量的目的。由于粘土颗粒带负电的原因，油田在使用乳化沥青时，选用阳离子乳化沥青，以抑制粘土膨胀。阳离子乳化沥青在新疆的克拉玛依、陆梁、石南、莫北油田的使用中得到了较好的防塌降滤失效果[1]。

目前，对阳离子乳化沥青的防塌、降滤失、抑制粘土膨胀性能研究较多[2-4]，并且本文作者通过实验也验证了，2%浓度的阳离子乳化沥青就可以明显的降低钻井液滤失量。阳离子乳化沥青虽有良好的防塌堵漏作用，但是阳离子乳化沥青的加入对钻井液流变性会有如何的影响，研究报道较少。本文通过测试不同温度、不同阳离子乳化沥青浓度下钻井液的流变性参数，来了解阳离子乳化沥青在不同温度时对钻井液流变性能的影响。

1 试验部分

基浆配制：为避免其他钻井液处理剂对钻井液流变性造成影响，试验基浆使用5%膨润土+0.25% Na2CO3配置而成。

试验浆配制：本试验使用PC-2阳离子乳化沥青，分别配制体积浓度为0.5%，1%，1.5%，2%，2.5%，3%，3.5%，4%的对比试验浆。

试验仪器：ZNN-D6六速旋转粘度计，ZNN-D6专用恒温加热杯。

试验方法：分别测定45、55、65、75 ℃下，不同阳离子乳化沥青浓度钻井液的表观粘度、塑性粘度和动切力，通过数据分析以了解不同浓度阳离子乳化沥青在不同温度下对钻井液流变性能的影响。

2 恒定温度下阳离子乳化沥青浓度对钻井液流变性的影响分析

分别做45、55、65、75 ℃四个温度点的四组试验，测定每组不同浓度阳离子乳化沥青钻井，液的流变参数曲线，以了解不同温度下，钻井液流变性受阳离子乳化沥青的影响程度。

（1）如图1所示，可以看到，45 ℃时，钻井液表观粘度随着阳离子乳化沥青浓度的升高，先下降，在0.5%时降至最低，随后开始上升，并在浓度为3%的时候达到最高值，然后开始下降。塑性粘度随着阳离子乳化沥青浓度的升高而升高，在3%到3.5%时达到最高值，在浓度为4%时开始下降。动切力在0.5%时最低，随后随着乳化沥青浓度的增加，动切值有所增加，在1.5%以后变化不明显。

图1 45 ℃钻井液流变参数变化曲线

Fig.1 45 ℃ drilling fluid rheology parameters curves

（2）55 ℃时，如图2所示，表观粘度在低浓度逐步下降，在1%时达到最小值，随后逐步上升，在2.5%时到达最高值，随后开始下降。塑性粘度在低浓度时先略微下降，在1.5%时达到最低点，最后快速上升，在2.5%时达到最大值，随后快速下降。动切力在1%之后上升较明显，随后在2%和3.5%之间波动，在4%快速下降。

图2 55 ℃钻井液流变参数变化曲线

Fig.2 Drilling fluid rheological parameters curves at 55 ℃

在65 ℃时，各曲线变化基本与55 ℃曲线相同，只是转折点浓度略有不同。表观粘度同样随着浓度升高先下降，在逐步上升，在3%达到峰值，随后逐步下降。塑性粘度则随着浓度升高而逐步上升，在3%时达到最大值，随后快速下降。动切力在0.5%到1%之间快速下降，在1%到3%之间波动，变化较小，在浓度超过3%以后，动切力快速上升。

（3）如图3所示，在75 ℃时，阳离子乳化沥青对钻井液的表观粘度影响较小，随着浓度的增加，表观粘度逐步增加，但增加较小，曲线较为平稳。塑性粘度曲线先下降，在0.5%浓度之后开始上升，到达2%后开始逐步下降。动切值则在0.5%达到一个峰值，随后逐步下降，在2%达到一个极小值，随后逐步上升，在4%的浓度上升至9 mPa·s。

图3 75 ℃钻井液流变参数变化曲线

Fig.3 75 ℃ drilling fluid rheology parameters curves

3 不同温度下阳离子乳化沥青浓度对钻井液流变性的影响

（1）表观粘度在不同温度下的变化曲线如图4所示，从曲线中我们可以看出，在相同阳离子乳化沥青浓度下，表观粘度随温度的升高而下降，属于升温减稠。另外，我们从曲线中可以发现，在较低的温度下，阳离子乳化沥青浓度在1%以下时，表观粘度都会随着浓度的升高而下降，并且在75 ℃以下的温度时表观粘度下降比较明显。而在75 ℃时，较低浓度的阳离子乳化沥青对钻井液的表观粘度影响不大，直到浓度达到2.5%以后，粘度开始逐步上升。从不同温度的表观粘度的曲线中，我们可以也看出，在45～75 ℃之间，钻井液的表观粘度是随着温度升高而降低的，这与相关报道[5，6]相吻合。同时，也一方面证明了，阳离子乳化沥青的加入虽然对钻井液流变性产生了一定的影响，但是钻井液流变性受温度影响的趋势并没有改变。

图4 不同温度下钻井液表观粘度变化曲线

Fig.4 Drilling apparent viscosity curves at different temperatures

（2）如图5所示，45 ℃下塑性粘度随着乳化沥青浓度的升高而逐步增大；55 ℃下，塑性粘度在低浓度时随着浓度升高先减小，浓度达到1.5%后再增大，在浓度超过2.5%以后，塑性粘度开始减小；65 ℃下的塑性粘度曲线与55 ℃的基本相似，只是在浓度超过3%以后，塑性粘度才开始减小。而75 ℃下的塑性粘度曲线先下降，再上升，在2%到达最大值，随后逐步下降。45、55、65 ℃塑形曲线之间的差距较小，而75 ℃的曲线则与其他三条曲线有较大的不同，造成这种现象的原因有可能是因为在较高的温度，粘土分散程度加大，造成对钻井液流变性影响增大，从而与其他三条曲线产生明显不同。

图5 不同温度下钻井液塑性粘度变化曲线

Fig.5 Drilling plastic viscosity curves at different temperatures

（3）如图6所示，45、55 ℃下的动切力曲线趋势基本相同，都是先降再升，再下降，波动变化不大，65 ℃的曲线波动较大，且先下降，后上升，在1%～3%之间小范围波动后，动切力快速上升。在75 ℃的曲线中，动切力先上升，在0.5%处达到一个极大值，随后下降，在2.5%之后逐步上升。

图6 不同温度下钻井液动切力变化曲线

Fig.6 Drilling fluid dynamic shear force curves at different temperatures

4 结 论

（1）阳离子乳化沥青会对钻井液的流变性产生小幅的影响。浓度在4%以下时，随着浓度的升高，钻井液的表观粘度呈波动式增长，但波动范围值不大。塑性粘度和动切力的变化则同样随着浓度的增加而小范围波动变化。

（2）在45 ℃到75 ℃之间，阳离子乳化沥青在钻井液中的浓度在4%以下时，无论是否加入阳离子乳化沥青，钻井液的表观粘度都是随着温度的上升而下降的，塑性粘度和动切力在温度较高的65 ℃和75 ℃产生较大幅度变化，且随着温度的升高，阳离子乳化沥青对钻井液流变性的影响会逐渐减小。

参考文献：

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[2] 王参书，徐孝思，杜晓勇，邹盛礼，瞿凌敏，刁可庚，卢虎. 乳化沥青YK-H在塔里木哈得及轮古地区中的应用[J]. 钻井液与完井液，2003（04）：60-61+73.

[3] 王铁军，王子龙，吕忠远. 聚合物阳离子沥青在吉林油田花九区块的应用[J]. 钻井液与完井液，2004（02）：51-53+67.

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[5] 施里宇，李天太，张喜凤，张斌，梁红军. 温度和膨润土含量对水基钻井液流变性的影响[J]. 石油钻探技术，2008（01）：20-22.

[6] 郭靖，李天太，张喜凤，郭必虎. 温度和密度对高密度钻井液流变性的影响[J]. 石油地质与工程，2008（01）：95-97.