Combined Effect of Pressure and Temperature on the Viscous Behaviour of All-Oil Drilling Fluids

Effet combiné de la pression et de la température sur le comportement visqueux de boues de forage non-aqueuses

Departamento de Ingeniería Química, Universidad de Huelva, Facultad de Ciencias Experimentales, Campus del Carmen, 21071 Huelva – Spain
e-mail: martinez@uhu.es

^* Corresponding author

Abstract

The overall objective of this research was to study the combined influence of pressure and temperature on the complex viscous behaviour of two oil-based drilling fluids. The oil-based fluids were formulated by dispersing selected organobentonites in mineral oil, using a high-shear mixer, at room temperature. Drilling fluid viscous flow characterization was performed with a controlled-stress rheometer, using both conventional coaxial cylinder and non-conventional geometries for High Pressure/High Temperature (HPHT) measurements. The rheological data obtained confirm that a helical ribbon geometry is a very useful tool to characterise the complex viscous flow behaviour of these fluids under extreme conditions.

The different viscous flow behaviours encountered for both all-oil drilling fluids, as a function of temperature, are related to changes in polymer-oil pair solvency and oil viscosity. Hence, the resulting structures have been principally attributed to changes in the effective volume fraction of disperse phase due to thermally induced processes. Bingham’s and Herschel-Bulkley’s models describe the rheological properties of these drilling fluids, at different pressures and temperatures, fairly well. It was found that Herschel-Bulkley’s model fits much better B34-based oil drilling fluid viscous flow behaviour under HPHT conditions.

Yield stress values increase linearly with pressure in the range of temperature studied. The pressure influence on yielding behaviour has been associated with the compression effect of different resulting organoclay microstructures. A factorial WLF-Barus model fitted the combined effect of temperature and pressure on the plastic viscosity of both drilling fluids fairly well, being this effect mainly influenced by the piezo-viscous properties of the continuous phase.

Résumé

L’objectif principal de cette recherche était d′étudier l’influence combinée de la pression et de la température sur le comportement visqueux de deux boues de forage à base d’huile.

Les boues de forage à base d’huile ont été formulées par dispersion d’organo-bentonites dans de l’huile minérale à température ambiante, en utilisant un mélangeur à fort cisaillement. La caractérisation de l’écoulement visqueux des boues de forage a été réalisée avec un rhéomètre à contrainte imposée, utilisant un cylindre coaxial conventionnel et les géométries non conventionnelles pour des mesures à hautes pressions/hautes températures (HPHT). Les données rhéologiques obtenues confirment que la géométrie en « ruban hélicoïdal » est un outil très utile pour la caractérisation du comportement de l’écoulement des fluides complexes dans des conditions extrêmes.

Les différents comportements visqueux rencontrés pour les deux types de boues à base d’huile, en fonction de la température, sont liés aux changements de solvabilité du couple polymère-huile et de la viscosité de l’huile. Par conséquent, les structures qui en résultent sont principalement dues aux changements de la fraction volumique effective de la phase dispersée due à des procédés induits thermiquement.

Les modèles de Bingham et Herschel-Bulkley décrivent avec précision les propriétés rhéologiques de ces fluides de forage, à différentes pressions et températures. Le modèle de Herschel-Bulkley s’adapte mieux au comportement d’écoulement de la boue de forage B34 dans les conditions HPHT.

Les valeurs de contraintes seuil augmentent linéairement avec la pression dans le domaine de température étudiées. L’influence de la pression sur le rendement a été associée à l’effet de compression des différentes microstructures d’organo-argiles qui en résultent. Le model factoriel WLF-Barus s’ajuste bien à l’effet combiné de la température et de la pression sur la viscosité plastique des deux fluides de forage. Cet effet est principalement influencé par les propriétés piezo-visqueuses de la phase continue.