劉扣其，邱正松，曹杰，馮萍，林師瑤

（1.中國石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東 青島266580；2.中國石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司川西鉆探公司，四川 成都610015）

0 引言

深海域是中國未來海上油氣勘探開發(fā)的重點(diǎn)［1］。油基鉆井液由于具有抗高溫、 抗鹽鈣侵以及優(yōu)良的潤滑性能和對油氣層損害程度較小等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為鉆探復(fù)雜井和保護(hù)儲(chǔ)層的重要保障［2-6］；但是，如何保持深水條件下油基鉆井液的流變性，是目前亟需解決的問題。通常，海底泥線附近的油基鉆井液由于海水的冷卻作用，溫度會(huì)降低到4 ℃甚至更低，低溫導(dǎo)致鉆井液黏度增加，當(dāng)量循環(huán)密度增大。由于深水鉆井的安全密度窗口較窄，較大的當(dāng)量循環(huán)密度會(huì)造成井底壓力超過地層的破裂壓力梯度，引發(fā)井漏等一系列事故［7-15］。此外，海洋深水鉆井作業(yè)中，油基鉆井液在流經(jīng)隔水管時(shí)，其剪切速率通常很低，弄清低溫低剪切條件下其流變性能，對了解鉆井液的懸浮性能至關(guān)重要［16］。

目前，絕大多數(shù)文獻(xiàn)都是描述高溫高壓條件下鉆井液的流變性能，而針對鉆井液低溫下流變性能的報(bào)道相對較少，且常規(guī)的鉆井液流變性測試是采用Fann 35 六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，該類流變儀由于精度和量程等局限性，并不能準(zhǔn)確描述鉆井液的流變性能，特別是在低剪切速率下。本文采用Haake RS300 流變儀，研究了油基鉆井液低溫低剪切下的流變性能。

1 材料與儀器

實(shí)驗(yàn)材料：氧化鈣、無水氯化鈣（分析純）、乳化劑、降濾失劑（瀝青類）、有機(jī)土、潤濕劑、提切劑、礦物油、合成基（工業(yè)級(jí)）。

實(shí)驗(yàn)儀器： Haake RS300 流變儀、DC-1006 低溫恒溫槽（上海精密科學(xué)儀器有限公司）。

2 油基鉆井液低溫流變規(guī)律

鉆井液配方：210 mL 5#礦物油+90 mL 氯化鈣水溶液+3%KP 主乳化劑+1.5%KP 副乳化劑+2% SDWET +1.5%提切劑+1.5%有機(jī)土+144 g 重晶石（密度1.2 g/cm3）。150 ℃條件下老化16 h，再在10 000 r/min、室溫條件下攪拌30 min，采用Haake RS300 流變儀，測試鉆井液在4 ℃（采用恒溫箱恒溫）下的流變參數(shù)。

油基鉆井液相對于礦物油而言，含有各種化學(xué)處理劑和固相顆粒，因此其流變行為要比礦物油復(fù)雜得多。油基鉆井液屬于非牛頓流體，具有剪切稀釋性，其流變參數(shù)的測量與鉆井液本身的剪切歷史有關(guān)，所以在測量時(shí)，找到一個(gè)準(zhǔn)確且具有可重復(fù)性的操作過程是非常重要的。經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，采取如下操作過程：選擇Haake RS300 流變儀的Rot 模式，控制溫度為4 ℃，設(shè)定剪切速率10 000 min-1，剪切樣品10 min。剪切速率由10 000 min-1逐漸降至0，按照對數(shù)分布選取40個(gè)測量點(diǎn)，每個(gè)測量點(diǎn)等待2 min 平衡時(shí)間［17］，記錄剪切速率和剪切應(yīng)力，并繪出剪切應(yīng)力隨剪切速率的變化曲線（見圖1）。

圖1 低溫下體系剪切應(yīng)力隨剪切速率的變化曲線

由圖1可知，低溫條件下，油基鉆井液的剪切應(yīng)力隨剪切速率的變化曲線可分為2 個(gè)階段：1）極低剪切速率下，鉆井液的剪切應(yīng)力隨剪切速率的增加呈線性增加，此階段鉆井液屬于牛頓流體；2）剪切速率超過某臨界值時(shí)，剪切應(yīng)力不隨剪切速率的增加呈線性變化，此階段為剪切稀釋階段，鉆井液流變模式符合H-B 模式［18］。這是因?yàn)樵陟o止或極低剪切速率條件下，隨著剪切應(yīng)力的增加，體系的彈性模量G′和黏性模量G″始終保持不變，且鉆井液的彈性模量G′大于體系的黏性模量G″，此時(shí)體系為高彈性類凝膠結(jié)構(gòu)；當(dāng)剪切應(yīng)力大于某一臨界值后，體系的G′和G″隨剪切應(yīng)力的增加開始下降，且G′的下降幅度高于G″，體系的彈性模量小于黏性模量，體系由彈塑性固體慢慢變?yōu)閺椝苄砸后w（見圖2）。

圖2 低溫下體系G′和G″隨剪切應(yīng)力的變化曲線

3 油基鉆井液低溫流變性能影響因素

3.1 基礎(chǔ)油

基礎(chǔ)油是油基鉆井液的連續(xù)相，對鉆井液的流變性能影響較大。在其他處理劑不變的情況下，選取礦物油和合成基油配制2 種不同的油基鉆井液體系，采用Haake RS300 流變儀測量這2 種體系剪切應(yīng)力隨剪切速率的變化曲線，考察基礎(chǔ)油種類對鉆井液低溫流變性能的影響，結(jié)果如圖3所示。

圖3 含有不同基礎(chǔ)油的鉆井液低溫流變曲線

圖3表明，低溫條件下，同一剪切速率下的礦物油鉆井液的黏度比合成基體系的大，主要是由于作為基礎(chǔ)油的礦物油黏度比合成基油的黏度大。根據(jù)乳狀液黏度理論，影響乳狀液黏度有5 種因素：外相（分散介質(zhì)）黏度、內(nèi)相（分散相）黏度、內(nèi)相的體積分?jǐn)?shù)、乳化劑及其界面膜的性質(zhì)、分散相顆粒大小分布。外相黏度是決定乳狀液最終黏度的最重要參數(shù)［19］。實(shí)驗(yàn)采用的礦物油主要成分是正構(gòu)烷烴，直鏈烷烴由于其分子中的電荷分配不均勻，在運(yùn)動(dòng)中可以產(chǎn)生瞬時(shí)偶極矩，瞬時(shí)偶極矩間有相互作用力（色散力），碳鏈越長，作用力越大，正構(gòu)烷烴是可發(fā)生幾何變形的烴類分子，在低溫條件下正構(gòu)烷烴分子易于排列、聚集，形成一定的結(jié)構(gòu)；而采用的合成基油的主要成分是具有對稱結(jié)構(gòu)的內(nèi)烯烴，相同溫度條件下形成的結(jié)構(gòu)較弱，黏度較低［20］。因此，礦物油基鉆井液體系低溫下形成的結(jié)構(gòu)要比合成基鉆井液體系的強(qiáng)，破壞其體系結(jié)構(gòu)所需要的臨界剪切應(yīng)力更高。

3.2 提切劑

為了解決油基鉆井液切力低的問題，通常在體系中加入提切劑來提高其攜巖能力，在其他處理劑不變的情況下，考慮不同提切劑對鉆井液低溫流變性能的影響，結(jié)果如圖4所示。

圖4 提切劑對低溫流變曲線的影響

由圖4可知，在極低剪切速率范圍內(nèi)，相同剪切速率下，含有提切劑的油基鉆井液體系的剪切應(yīng)力比不含提切劑的鉆井液體系的剪切應(yīng)力高。對于含有不同提切劑的鉆井液體系而言，含有1#提切劑的鉆井液體系的臨界剪切應(yīng)力最大，含有2#提切劑的鉆井液體系的臨界剪切應(yīng)力最小，這主要是由于不同的提切劑在鉆井液體系中所形成的體系結(jié)構(gòu)強(qiáng)弱不同，結(jié)構(gòu)越強(qiáng)，所需的臨界剪切應(yīng)力越大。

3.3 有機(jī)土

為研究有機(jī)土對體系低溫流變性能的影響，分別配制含有機(jī)土和不含有機(jī)土的2 種鉆井液體系，采用Haake RS300 流變儀測試2 種鉆井液4 ℃下的流變參數(shù)，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，當(dāng)不含有機(jī)土?xí)r，剪切應(yīng)力隨剪切速率的變化并沒有呈現(xiàn)明顯的兩段式，曲線在低剪切速率階段沒有出現(xiàn)明顯的過渡段，整個(gè)曲線的斜率變化不大，說明體系的黏度沒有發(fā)生較大變化。有機(jī)土對油基鉆井液體系在低溫、 低剪切下的流變性能有較大影響，含有機(jī)土體系的流變曲線呈現(xiàn)明顯的2 個(gè)階段。這主要是由于有機(jī)土能夠通過氫鍵等與乳化液滴相互作用，從而增強(qiáng)體系靜止時(shí)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，只有當(dāng)剪切的能量大于體系的結(jié)構(gòu)能時(shí)，體系黏度才會(huì)發(fā)生變化［18］。

圖5 有機(jī)土對低溫流變曲線的影響

3.4 加重劑加量

不改變體系的處理劑，僅改變體系中的重晶石加量，考察不同加重劑加量（1.09，1.37，2.03 g/cm3）的油基鉆井液的低溫流變性能，采用Haake RS300 流變儀測試不同密度的鉆井液4 ℃下的流變參數(shù)，結(jié)果如圖6所示。

圖6 加重劑加量對低溫流變曲線的影響

由圖6可知，改變體系中加重劑的加量，仍然可以看到低溫流變曲線呈現(xiàn)2 個(gè)階段，只是臨界剪切應(yīng)力會(huì)由于加重劑加量的不同而不同，加重劑加量越多，體系的密度越大，臨界剪切應(yīng)力越高。

4 結(jié)論

1）Haake RS300 流變儀能較精確地測量油基鉆井液體系低溫下的流變性能，特別是低剪切速率下的流變性能。低溫條件下，油基鉆井液的剪切應(yīng)力隨剪切速率的變化曲線呈現(xiàn)2 個(gè)階段，即極低剪切速率下的線性階段和中、高剪切速率下的剪切稀釋階段。

2）基礎(chǔ)油黏度、提切劑、有機(jī)土以及固相加量對油基鉆井液的低溫流變性能影響較大，基油黏度越高，提切劑、有機(jī)土與體系其余組分靜止時(shí)形成的結(jié)構(gòu)越強(qiáng)，加重劑加量越高，配制出的油基鉆井液體系的黏度越高，破壞其體系結(jié)構(gòu)所需的臨界剪切應(yīng)力越大。

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