高温高压油基钻井液密度计算模型及影响分析_梁旭.pdf

高温高压油基钻井液密度计算模型及影响分析梁旭，魏凯，方琼瑶（长江大学石油工程学院，湖北武汉430100）摘要：准确测定或计算钻井液密度是科学设计钻井水力参数的基础，受地层高温高压影响，油基钻井液密度沿井筒是变化的，将其视为常数势必影响井筒压力计算精度。以目前新疆地区常用的四种油基钻井液为例，对样品在 10150、0.1100.0 MPa 条件下的密度进行了测试，然后利用多元非线性回归分析法，在考虑温度和压力的情况下，建立了油基钻井液的密度预测模型。研究结果表明，油基钻井液密度受温度、压力影响较大，耦合温度、压力建立的油基钻井液密度预测模型相关系数达 0.99，用该模型计算并分析在井深变化情况下各配方的当量静态密度变化趋势。相关研究成果为油井钻井液现场应用及钻井水力参数设计提供了支撑。关键词：油基钻井液；高温高压；密度测试；回归分析；当量静态密度中图分类号：TE254.1文献标识码：A文章编号：1673-5285（2023）03-0064-06DOI:10.3969/j.issn.1673-5285.2023.03.013Density calculation model and influence analysis of hightemperature and high pressure oil-based drilling fluidLIANG Xu，WEI Kai，FANG Qiongyao（School of Petroleum Engineering，Yangtze University，Wuhan Hubei 430100，China）Abstract:Accurate measurement or calculation of drilling fluid density is the basis for scientific design of drilling hydraulic parameters.Affected by the high temperature and high pressure of the formation,the density of oil-based drilling fluid varies along the wellbore.Treating it as a constant will inevitably affect the calculation accuracy of wellbore pressure.Taking four kinds of oil-based drilling fluids commonly used in Xinjiang as an example,thedensity of the samples was tested under the conditions of 10150 and 0.1100.0 MPa,and then the multivariate nonlinear regression analysis method was used to consider the temperature and pressure.Next,a density prediction model for oil-based drilling fluids was established.The research results show that the density of oil-based drilling fluid is greatly affected by temperature and pressure,and the correlation coefficient of the oil-based drillingfluid density prediction model established by coupling temperature and pressure is 0.99.Themodel is used to calculate and analyze the variation trend of equivalent static density of each*收稿日期：202207-13作者简介：梁旭（1997-），硕士研究生，主要从事自动控制及油井压力控制方向等相关研究工作，邮箱：。通信作者：魏凯（1983-），博士/后，副教授，主要从事地热能开发利用、能源/二氧化碳地下储备风险评价、水力脉冲强化储层改造、多物理场数值模拟等方面的教学研究工作，邮箱：。石油化工应用PETROCHEMICAL INDUSTRY APPLICATION第 42 卷第 3 期2023 年 3 月Vol.42 No.3Mar.2023油基钻井液具有润滑性好、能抗高温、有利于井壁稳定、抗盐钙侵和对油气层损害程度小等多种优点，在地质条件较为复杂的深井、超深井地区会经常将其投入到井场中使用1。钻井液的密度会随着温度和压力的不同而改变2-7；而对于在高温高压条件下钻井液密度改变的基本规律，国内的研究者们在这方面也曾经开展过大量的研究，许多数学模型也曾被提出。最后汇总起来，提出了两种针对于在温度和压力改变条件下，钻井液密度随之改变的模拟研究方案。一种是在高温高压环境下，按照钻井液的成分不同变化的原理给出的，一个基于各成分浓度变化的复合模型2，8，9，而另一种经验模型9-12则是基于大量实验数据结果得到的。1988年，ADAMSON 等特别提出了钻井液密度会受到高温高压条件的影响，而且高温和高压井在这种影响下的井眼稳定性也会出现问题。而为了确保在高温高压下深井安全作业，因此，关于油基钻井液密度在高温高压条件下改变的规律，是有待进一步深入研究的。笔者通过分析前人对钻井液密度随温度和压力变化规律的研究成果，以高温高压条件下油基钻井液密度预测模型为基础13；利用该模型来分析深井油基钻井液密度在高温高压条件下随温度与压力变化的规律。从而为合理控制井下压力，确保高温高压钻井的安全施工提供一定的参考14。1高温高压油基钻井液密度测试对不同钻井液密度样品在 10150、常压100 MPa条件下进行高温高压油基钻井液密度测试。分析了高温高压下对油基钻井液密度的影响规律并建立了井筒钻井液当量静态密度与高温高压油基钻井液密度预测模型1，3，验证预测模型符合率。1.1油基钻井液样品通过对柴油和白油以及两个配方15进行高温高压油基钻井液密度测试，其两个配方材料见表 1。1.2实验仪器与实验步骤1.2.1实验仪器钻井液密度测试实验所需仪器主要包括滚子炉、老化罐、高温高压密度计、恒温烤箱、电子天平、高压驱动泵、真空泵、变频高速搅拌机等。滚子炉的主要用途是模拟钻井液在井眼循环时温度对其产生的影响，评价温度对钻井液黏度等的影响及高温下各种添加剂性能的变化。老化条件既可从静态到动态，也可从室温到高温。老化罐的主要用途是：用于制备的钻井液，对钻井液进行老化处理，模拟井下条件；测定钻井液添加剂的稳定性；均匀混合液体或固体物质；对液体进行除气。恒温烤箱主要对钻井液进行烘烤，保持其高温的条件。电子天平用于精准测量钻井液配料的质量。高温高压密度计和高温高压测试仪模拟不同温度、不同压力的情况，用于测试钻井液在高温高压时的密度和质量，对钻井液的物理性能进行相关测试。真空泵是用各种方法在某一封闭空间中改善、产生和维持真空的装置，以便后续对钻井液性能进行测量。高压驱动泵用于气体或液体介质的压力控制、流量控制和体积测量，实现不同温度和腐蚀性介质条件下的相关参数控制。1.2.2实验步骤（1）利用 1 mg 精度的电子天平测定空高温高压密度计的质量；（2）配制好待测溶液置于高温高压容器中，放置到恒温烤箱中。其中，容器底部通过高压管线与泵连接，顶部通过高压管线与密度计连接且保持密度计入口端阀门关闭，出口端与真空泵连接；formulation under the condition of well depth variation.The relevant research results providesupport for the field application of oil well drilling fluid and the design of drilling hydraulicparameters.Key words：oil-based drilling fluid；high temperature and high pressure；density test；regression analysis；equivalent static density配方柴油/mL白油/mL氯化钙溶液/mL主乳/g辅乳/g有机土/g降滤失剂/g石灰/g重晶石/g总量/mL1202-6811.344.868.110.810.85674382230-4011.344.868.110.810.8567438表 1钻井液材料配方梁旭等高温高压油基钻井液密度计算模型及影响分析第 3 期65（3）开启恒温烤箱加热 4 h 以上，同时高压驱动泵的压力设置为实验压力，保证流体的温度达到实验温度，压力达到实验压力，同时对高温高压密度计抽真空，使高温高压密度计中保持真空状态后关闭高温高压密度计出口阀门；（4）温度压力达到指定温度压力后，打开高温高压密度计入口阀门，使压力再次达到指定压力后迅速关闭高温高压密度计入口阀门；（5）关闭容器上部阀门，卸下容器与高温高压密度计接口取出高温高压密度计，清洗高温高压密度计两端特殊阀门外部残液并吹干；（6）将高温高压密度计放到 1 mg 精度的电子天平上称重；（7）计算前后质量差，按测量体积计算其密度。1.3实验结果对提供的六个配方钻井液在高温高压条件下进行测试，主要设定9 种恒定温度 10、20、40、60、80、100、120、140 和 150，在每种温度下压力从 0.1 MPa 变化到 100.0 MPa，每个压力和温度组合状态下恒定 10 min。温度为 10、20、40、60、80、100、120、140 和 150 时，压力对各配方密度的影响见图 1。由图 116得出结论，温度一定时，钻井液密度随压力的增加而增加，当压力增加到某一值时，钻井液密度不再明显增加17。压力为 0.1 MPa、10.0 MPa、20.0 MPa、40.0 MPa、60.0 MPa、80.0 MPa、100.0 MPa 时温度对各配方密度的影响见图 2。由图 218得出结论，当压力一定时，随着温度的增加，钻井液密度降低，且下降幅度较大。由压力和温度对各配方的密度影像图可知，钻井石油化工应用2023 年第 42 卷（c）配方一（d）配方二图 1压力对各配方密度的影响密度/（g cm-3）0.900.850.800.750.700.650.60020406080100120压力/MPa20 40 60 80 100 120 140 线性（140 ）y=0.000 6x+0.703 7R2=0.990 4密度/（g cm-3）0.890.840.790.740.690.64020406080100120压力/MPa20 40 60 80 100 120 140 150 线性（150 ）y=0.000 7x+0.708 1R2=0.989 22.302.252.202.152.102.05密度/（g cm-3）020406080100120压力/MPa20 40 60 80 100 120 140 150 线性（150 ）y=0.000 9x+2.124 4R2=0.974 92.372.322.272.22密度/（g cm-3）020406080100120压力/MPa20 40 60 80 100 120 140 150 线性（150 ）y=0.000 6x+2.234 2R2=0.995 8（a）柴油（b）白油密度/（g cm-3）0.900.850.800.750.700.6