一种深水用白油基恒流变钻井液体系的建立与评价

李 路，许明标，由福昌，黄楚云，梁 悦，赵 鹏

（1. 长江大学 石油工程学院， 湖北 武汉 430100； 2. 嘉华科技有限公司， 湖北 荆州 434000；3. 中国石油渤海钻探第二固井公司， 天津 大港 300000）

一种深水用白油基恒流变钻井液体系的建立与评价

李 路1，许明标1，由福昌2，黄楚云1，梁 悦3，赵 鹏1

（1. 长江大学 石油工程学院， 湖北 武汉 430100； 2. 嘉华科技有限公司， 湖北 荆州 434000；3. 中国石油渤海钻探第二固井公司， 天津 大港 300000）

主要针对深海钻井作业设计了一种白油基恒流变钻井液。我们主要通过添加有机土和高分子聚合物来达到钻井液恒流变的目的。还评价了有机土的种类与含量、高分子聚合物的含量、油水比和钻井液密度对白油基钻井液流变性（动切力 YP）的影响。

深水钻井；白油基；恒流变；动切力

随着科技的进步，石油钻井技术不断提高，石油开采已由浅海迈向了更深的海域。油基钻井液由于其抑制性强、抗温性能好、抗污染能力强、保护油层效果好及润滑性好等优点开始被人应用于海上石油开采作业中[1]。目前油基钻井液已经成为当前世界上海洋石油钻井所使用的重要钻井液体系。但是油基钻井液在深海钻井作业中面临着两大挑战。第一是油基钻井液对海洋生态环境的污染，传统的油基钻井液基础油主要是矿物油和柴油，这两种油品的芳香烃含量较高，用于海洋石油开采时容易对环境造成污染；另外芳香烃毒性很大，且腐蚀性较强，对钻井设备有一定程度的损害[2]。第二是低温下的流变性，传统的油基钻井液流变性受温度和压力的影响较大，低温将使钻井液在低温条件下变得很稠，导致当量循环密度和启动泵压、激动泵压变化较大，很容易出现严重的井下漏失[3]；基于以上两点，我们采用惠州 3#白油用作油基钻井液的基础油来建立恒流变油基钻井液。白油是由石油精炼而成的无色、无味、无腐蚀的特种矿物油，其芳香烃等杂质的含量很低，与传统的矿物油相比更清洁更环保[4]。

1 恒流变原理

油基钻井液的流变性与其各组分的含量密切相关。其中影响钻井液的塑性粘度的主要因素是有机土（亲油粘土）、加重材料以及水在油相中的分散性。而油包水乳化钻井液有较高的凝胶强度和动切力，其原因主要是有机土颗粒与分散在钻井液中的细微水滴相互作用所致[5]。另外，有机土颗粒表面的亲油程度有限，当油水两相的分散度过高时，有机土颗粒的表面对体系中的细微水滴有一定的吸附作用，从而使部分有机土颗粒润湿，形成颗粒间的网状结构，进而使钻井液的动切力（YP）升高。由此可知，油基钻井液动切力（YP）的大小主要与体系中有机土颗粒与细微水滴的浓度，还有它们之间相互作用的强度有关。而恒流变油基钻井液的主要特性是在一定温度变化的范围内，动切力（YP）基本不变。其原理在于恒流变油基钻井液体系中，随着温度的降低，有机土的增粘效果会升高，而高分子聚合物的增粘作用会下降；反之，随着温度的升高，高分子聚合物的分子链会拉长，增粘作用会上升，而有机土的增粘作用又会下降。正是高分子聚合物与有机土这种此消彼长的互补特性实现了油基钻井液恒流变的特性[6]。

2 试验部分

2.1 试验材料及仪器

（1）试验材料 惠州 3#白油；主乳化剂（HIEMUL）；辅乳化剂（HICOAT）；流型改进剂（HIRHEO-A）；氧化钙；有机土；高分子聚合物（ADPATA）；降滤失剂（MT084 与 AE-120 复配使用，复配比例 3:7）；26%氯化钙水溶液；深圳产重晶石粉。

（2）试验仪器 高速搅拌器；六速旋转粘度计；热滚子炉；破乳电压测试仪；低温模拟试验箱；油浴锅。

2.2 试验方法

（1）白油基恒流变钻井液基本配方 惠州 3#白油+主乳化剂+辅乳化剂+氧化钙+有机土+高分子聚合物+降滤失剂+26%氯化钙溶液[7]，用重晶石粉调节密度至 1.1～1.4 g/cm3。

（2）白油基钻井液的配制 在高速搅拌的条件下，将主乳化剂、辅乳化剂、氧化钙、有机土、高分子聚合物、降滤失剂和流型改进剂加入惠州 3#白油中，20 min 后加入质量分数为 26%的氯化钙溶液，搅拌 30 min 后用重晶石粉调节密度，再搅拌 30 min。测量刚配制好的钻井液的流变性，即为钻井液滚前流变性。然后将白油基钻井液在 110 ℃、16 h 热滚条件下老化后再进行性能测定[8]。

（3）流变性的测定 将待测钻井液依次作以下处理：置于油浴锅中加热至 50 ℃；使钻井液降至25℃；置于低温模拟试验箱中使之将至 4 ℃。然后测定油基钻井液在 50、25 和 4 ℃时的流变性。根据六速旋转粘度计的读数（Φ600、Φ300），按照宾汉流变模式计算动切力（YP）。这里应注意的是：每次测流变性之前应用高速搅拌器将钻井液搅拌至少 3 min。

3 实验结果与讨论

3.1 白油基恒流变钻井液有机土的优选

有机土是可以在油中分散的亲油性改性膨润土，主要作用是增加钻井液体系的粘度，防止钻屑与加重材料发生沉降现象，同时还有一定的将滤失作用。我们考察了两种有机土（MOGEL 和 HF-120）及有机土质量浓度对白油基钻井液流变性的影响，结果见图 1。结果表明钻井液的动切力（YP）均随温度的升高而下降，随有机土含量的上升而上升。且有机土含量越高，三个不同温度条件下动切力（YP）的差异越大。有机土质量分数为 1.0%时钻井液粘度过低，不能满足现场应用的要求。因此应是钻井液中有机土的含量保持在 1.5%以上。另外，通过试验我们了解到不论 MOGEL 的加量为多少，滚前与滚后的动切力（YP）均有很大差异（MOGEL加 量 为 1.5% 时 滚 前 与 滚 后 的 YP 值 分 别 为3,11/8/7）。因此，代号为 HF-120 的有机土更适用于白油基钻井液。

图1 有机土对白油基钻井液流变性的影响Fig.1Effect of organic clay on the rheology of white oil based drilling fluid

3.2 高分子聚合物对白油基钻井液流变性的影响

当白油基钻井液温度升高时，由于高分子聚合物的分子链会伸展开来，增粘作用变强，与有机土的效果刚好相反。我们考察了高分子聚合物（ADPATA）三个质量浓度（0.5%、1.0%、1.5%）下油基钻井液的流变性，实验结果由图-2所示。通过图2的数据可知，钻井液的粘度随高分子聚合物的含量上升而升高。当 ADPATD 的加量升至 1.5%时钻井液的粘度过高。ADPATA 加量为 1.0%时钻井液性能最好，且 20 ℃与 50 ℃的动切力（YP）相同，4 ℃与 20 ℃的动切力（YP）仅相差 3 mPa·s。

图2 高分子聚合物对白油基钻井流变性的影响Fig.2 Effect of high molecularpolymer on the rheology of white oil based drilling fluid

3.3 油水比对白油基钻井液流变性的影响

影响油基钻井液动切力大小的主要因素为体系中细微水滴与有机土颗粒的浓度，因此油基钻井液的油水比也是控制体系流变性的重要因素之一。我们考察了4种油水比的配比情况，实验结果如图 3所示。由图3可以看出，随着油水比的降低，油基钻井液中的细微水滴浓度上升，粘度逐渐增加。当钻井液中的水相含量升高时，温度对钻井液动切力的影响也随之加大。因此，水相含量的升高不利于白油基钻井液恒流变的特性。在现场应用中若对钻井液的恒流变要求较高，应尽量使钻井液维持较高的油水比（最好高于 85:15），同时还应注意海水与地层水侵入的情况。

图3 油水比对白油基钻井液流变性的影响Fig.3 Effect of ratio of oil to water on the rheology of white oil based drilling fluid

图4 密度对白油基钻井液流变性的影响Fig.4 Effect of density on the rheology of white oil based drilling fluid

3.4 钻井液密度对白油基钻井液流变性的影响

即使配方相同，钻井液的固相含量与密度不同，钻井液的流变性也会有所差异。我们配制了6组相同配方但密度不同的白油基钻井液，观察密度不同对钻井液流变性的影响规律，密度分别为 1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6 g/cm3，结果如图 4 所示。由结果可知，钻井液密度对其流变性的影响也很显著，钻井液密度升高，动切力（YP）也会上升，且当钻井液密度较低时，白油基钻井液的恒流变特型较好，当钻井液密度升至 1.5 g/cm3时，钻井液的恒流变特型明显变差。因此，该体系的白油基钻井液在低密度时能保持很好的恒流变特型，在现场应用中应尽量保持低的密度与固相含量，当钻井液密度超过 1.5 g/cm3时将不具备恒流变的特性。

4 结 论

（1）白油基恒流变钻井液与传统的油基钻井液相比有明显优势。第一，白油的毒性很小，腐蚀性很低，与柴油和煤油相比对海洋环境的污染程度低得多；第二，第二是低温下的流变性与高温相比差别不大，更加适合在深海条件下作业。

（2）白油基钻井液恒流变的特性主要由有机土与高分子聚合物的含量控制，由于二者对钻井液粘度的控制随温度变化的情况恰恰相反，因此这种此消彼长的互补特性实现了油基钻井液恒流变的特性。通过实验可知，代号为 HF-120 的有机土更适合白油基钻井液体系，最佳含量为 1.5%；高分子聚合物（ADPATA）的含量为 1.5%时钻井液的性能最佳。

（3）油水比会影响白油基钻井液的流变性，油水比越高钻井液粘度越小且恒流变效果越好。油水比低于 80：20 后恒流变效果变差。

（4）油基钻井液密度也会影响钻井液的流变性，密度越高，钻井液动切力（YP）越高；当密度超过 1.5 g/cm3后，恒流变性能就会变差。

［1］罗健生,李自立,刘刚,等. 深水用煤制油恒流变合成基钻井液体系的研制[J]. 中国海上油气,2014,26(1):74-77.

［2］江波,朱赫礼. 白油生产技术的发展与展望[J]. 润滑油,2012,27(5):1-7．

［3］舒福昌,齐从温,向兴金,等. 深水合成基钻井液恒流变特性研究[J].石油天然气学报,2012,34(12):101-104.

［4］李立权. 白油及白油生产技术[J]. 润滑油,2003,18(4):1-6.

［5］Sehmidt D D, Amoeoproduetion Co, Roos A F. Interaction of water with organophilic clay in base oils to build viscosity[J].SPE 16683.

［6］丁文刚. 深水恒流变合成基钻井液体系及流变性研究[D]. 武汉:长江大学,2011.

［7］韩子轩,蒋官澄,李青洋. 适于深水钻井的恒流变合成基钻井液[J].钻井液与完井液,2014,31(2):17-21.

［8］刘绪全,陈敦辉,陈勉,等. 环保型全白油基钻井液的研究与应用[J].钻井液与完井液,2009,26(6) : 10-12.

Establishment and Evaluation of White Oil Based Constant Rheological Drilling Fluid System

LI Lu1, XV Ming-biao1, YOU Fu-chang2, HUANG Chu-yun1, LIANG Yue3, ZHAOpeng1
（1. College ofpetroleum Engineering, Yangtze University, Hubei Wuhan 430100，China；
2. Jiahua Technology Co., Ltd., Hubei Jingzhou 434000，China；
3. CNPC Bohai Drilling Engineering Company Second Cementing Branch, Tianjin 300000，China）

A white oil based constant rheological drilling fluid system for deepwater drilling was designed. In the design, adding organic clay and high molecularpolymer into the drilling fluid can maintain the constant rheology. In addition, effect of organic clay content, high molecularpolymer content, the ratio of oil to water and the density of drilling fluid on the rheologicalproperties, especially the yield value of drilling fluid was evaluated.

Deepwater drilling; White oil based; Constant rheology; Yield value

TE 242

： A

： 1671-0460（2017）02-0268-03

2016-09-22

李路（1989-），男，河北省保定市人，长江大学在读硕士研究生，研究方向：主要从事钻完井液技术研究。E-mail：524607679@qq.com。