油基鉆井液

1、油基鉆井液,中國(guó)石油大學(xué)（北京）2008年10月,定義及類型,油基鉆井液是指以油作為連續(xù)相的鉆井液。兩種油基鉆井液——全油基鉆井液和油包水乳化鉆井液。在全油基鉆井液中，水是無(wú)用的組分，其含水量不應(yīng)超過(guò)10%；而在油包水鉆井液中，水作為必要組分均勻地分散在柴油中，其含水量一般為10～60%。,油基鉆井液的優(yōu)缺點(diǎn),與水基鉆井液相比較，油基鉆井液具有能抗高溫、抗鹽鈣侵、有利于井壁穩(wěn)定、潤(rùn)滑性好和對(duì)油氣層損害程度較小等多種優(yōu)點(diǎn)。目前已成

2、為鉆高難度的高溫深井、大位移井、水平井和各種復(fù)雜地層的重要手段，并且還可廣泛地用作解卡液、射孔完井液、修井液和取心液等。油基鉆井液的配制成本比水基鉆井液高得多，并對(duì)井場(chǎng)附近的環(huán)境會(huì)造成影響。,油基鉆井液的發(fā)展階段,油基鉆井液的組成,油包水乳化鉆井液是以水滴為分散相，油為連續(xù)相，并添加適量的乳化劑、潤(rùn)濕劑、親油膠體和加重劑等所形成的穩(wěn)定的乳狀液體系?；停˙ase Oil）在油包水乳化鉆井液中用作連續(xù)相的油稱為基油，目前普遍使用的

3、基油為柴油（我國(guó)常使用零號(hào)柴油）和各種低毒礦物油。為確保安全，其閃點(diǎn)和燃點(diǎn)應(yīng)分別在82℃和93℃以上。由于柴油中所含的芳烴對(duì)鉆井設(shè)備的橡膠部件有較強(qiáng)的腐蝕作用，因此芳烴含量不宜過(guò)高，一般要求柴油的苯胺點(diǎn)在60℃以上。苯胺點(diǎn)是指等體積的油和苯胺相互溶解時(shí)的最低溫度。苯胺點(diǎn)越高，表明油中烷烴含量越高，芳烴含量越低。為了有利于對(duì)流變性的控制和調(diào)整，其粘度不宜過(guò)高。,一、基 油,各種基油的物理性質(zhì),注：Mentor 26、Ment

4、or 28、Escaid110、LVT和BP8313均為常用礦物油的代號(hào)。,油基鉆井液的組成,水相（Water Phase）：淡水、鹽水或海水均可用作油基鉆井液的水相。但通常使用含一定量CaCl2或NaCl的鹽水，其主要目的在于控制水相的活度，以防止或減弱泥頁(yè)巖地層的水化膨脹，保證井壁穩(wěn)定。油包水乳化鉆井液的水相含量通常用油水比來(lái)表示。一般情況下，水相含量為15～40%，最高可達(dá)60%，且不低于10%。在一定的含水量范圍內(nèi)，隨著

5、水所占比例的增加，油基鉆井液的粘度、切力逐漸增大。因此，人們常用它作為調(diào)控油基鉆井液流變參數(shù)的一種方法，同時(shí)增大含水量可減少基油用量，降低配制成本。但是，隨著含水量增大，維持油基鉆井液乳化穩(wěn)定性的難度也隨之增加，必須添加更多的乳化劑才能使其保持穩(wěn)定。對(duì)于高密度油基鉆井液，水相含量應(yīng)盡可能小些。在實(shí)際鉆井過(guò)程中，一部分地層水會(huì)不可避免地進(jìn)入鉆井液，即油水比呈自然下降趨勢(shì)，因此為了保持鉆井液性能穩(wěn)定，必要時(shí)應(yīng)適當(dāng)補(bǔ)充基油的量。對(duì)于全油

6、基鉆井液，水是應(yīng)加以清除的污染物，但一般3～5%的水是可以容納的，不必一定要清除，因?yàn)榭吭黾踊蛠?lái)減少水量會(huì)使鉆井液成本顯著增加。,二、水 相,油基鉆井液的組成,乳化劑（Emulsifier） 為了形成穩(wěn)定的油包水乳化鉆井液，必須正確地選擇和使用乳化劑。一般認(rèn)為乳化劑的作用機(jī)理是： 在油/水界面形成具有一定強(qiáng)度的吸附膜；降低油水界面張力；增加外相粘度;以上三方面均可阻止分散相液滴聚并變大，從而使乳狀液保

7、持穩(wěn)定。其中又以吸附膜的強(qiáng)度最為重要，被認(rèn)為是乳狀液能否保持穩(wěn)定的決定性因素。,三、乳化劑,,,,油基鉆井液的組成,在油包水乳化鉆井液中，常用的乳化劑有以下類型：高級(jí)脂肪酸的二價(jià)金屬皂，如硬脂酸鈣：烷基磺酸鈣：烷基苯磺酸鈣：斯盤-80（或span-80），主要成分為山梨糖醇酐單油酸脂：此外，國(guó)內(nèi)用于油包水乳化鉆井液的乳化劑還有：環(huán)烷酸鈣、石油磺酸鐵、油酸、環(huán)烷酸酰胺和腐植酸酰胺等。國(guó)外在該類鉆井液中使用的乳化劑多用代號(hào)表示

8、，如Oilfaze、Vertoil、EZ-Mul 、DFL和Invermul等都是常用的乳化劑。,油基鉆井液的組成,值得注意的是，在以上乳化劑中，屬于陰離子表面活性劑的都是有機(jī)酸的多價(jià)金屬鹽（鈣鹽、鎂鹽和鐵鹽等，以鈣鹽居多），而不選擇單價(jià)的鈉鹽或鉀鹽。由于皂分子具有兩親結(jié)構(gòu)，即烴鏈?zhǔn)怯H油的，而離子型基團(tuán)―COO¯是親水的，因此當(dāng)皂類存在于油、水混合物中時(shí)，其分子會(huì)在油水界面自動(dòng)濃集并定向排列，將其親水端伸入水中，親油端伸入油

9、中，從而導(dǎo)致導(dǎo)致界面張力顯著降低，有利于乳狀液的形成。,楔形穩(wěn)定理論,一元金屬皂的分子中只有一個(gè)烴鏈，這類分子在油水界面上的定向排列趨向于形成一個(gè)凹形油面，因而有利于形成o/w型乳狀液；而二元金屬皂的分子中含有兩個(gè)烴鏈，它們?cè)诮缑嫔系呐帕汹呄蛴谛纬梢粋€(gè)凸形油面，有利于形成w/o型乳狀液。這種由乳化劑分子的空間構(gòu)型決定乳狀液類型的原理在膠體化學(xué)中被稱作定向楔形理論。其含義是，將乳化劑分子比喻成兩頭大小不同的楔子，如果要求它們排列緊密和穩(wěn)定

10、，那末截面小的一頭總是指向分散相，截面大的一頭則留在分散介質(zhì)。,油基鉆井液的組成,大多數(shù)天然礦物是親水的。當(dāng)重晶石粉和鉆屑等親水的固體顆粒進(jìn)入w/o型鉆井液時(shí)，它們趨向于與水聚集，引起高粘度和沉降，從而破壞乳狀液的穩(wěn)定性。為了避免以上情況的發(fā)生，有必要在油相中添加潤(rùn)濕控制劑，簡(jiǎn)稱潤(rùn)濕劑。潤(rùn)濕劑也是具有兩親結(jié)構(gòu)的表面活性劑，當(dāng)其分子聚集在油和固體的界面并將親油端指向油相時(shí)，原來(lái)親水的固體表面便轉(zhuǎn)變?yōu)橛H油，這一過(guò)程常被稱作潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)（Wet

11、tability Reversal）。潤(rùn)濕劑的加入使剛進(jìn)入鉆井液的重晶石和鉆屑顆粒表面迅速轉(zhuǎn)變?yōu)橛蜐?，從而保證它們能較好地懸浮在油相中。雖然用作乳化劑的表面活性劑也能夠在一定程度上起潤(rùn)濕劑的作用，但其效果有限。較好的潤(rùn)濕劑有季胺鹽（如十二烷基三甲基溴化銨）、卵磷脂和石油磺酸鹽等。國(guó)外常用的潤(rùn)濕劑有DV-33、DWA和EZ-Mul等，其中DWA和EZ-Mul可同時(shí)兼作乳化劑。,四、潤(rùn)濕劑,油基鉆井液的組成,親油膠體：習(xí)慣上將有機(jī)土、

12、氧化瀝青以及親油的褐煤粉、二氧化錳等分散在油包水乳化鉆井液油相中的固體處理劑統(tǒng)稱為親油膠體，其主要作用是用作增粘劑和降濾失劑。其中使用最普遍的是有機(jī)土，其次是氧化瀝青。有了這兩種處理劑，可以使油基鉆井液的性能可以象水基鉆井液那樣很方便地隨時(shí)進(jìn)行必要的調(diào)整。有機(jī)土使由親水的膨潤(rùn)土與季胺鹽類陽(yáng)離子表面活性劑發(fā)生相互作用后制成的親油粘土。所選擇的季胺鹽必須有很強(qiáng)的潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)作用，目前常用的有：十二烷基三甲基溴化銨十二烷基二甲基芐基溴化銨

13、有機(jī)土很容易分散在油中起提粘和懸浮重晶石的作用，通常在100 ml油包水乳化鉆井液中加入3 g有機(jī)土便可懸浮200 g左右的重晶石粉。有機(jī)土還可在一定程度上增強(qiáng)油包水乳狀液的穩(wěn)定性，起固體乳化劑的作用。國(guó)外常用的有機(jī)土有Baroid公司生產(chǎn)的Geltone和M-I公司生產(chǎn)的VG-69等，其一般用量為5.7～17.1 kg/m3。,五、親油膠體,潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)原理,油基鉆井液的組成,石灰是油基鉆井液中的必要組分，其主要作用有以下方面：提供的C

14、a2+有利于二元金屬皂的生成，從而保證所添加的乳化劑可充分發(fā)揮其效能。維持油基鉆井液的pH值在8.5～10范圍內(nèi)以利于防止鉆具腐蝕?？捎行У胤乐沟貙又蠧O2和H2S等酸性氣體對(duì)鉆井液的污染，其反應(yīng)式如下： Ca(OH)2 + H2S = CaS↓+ 2H2O Ca(OH)2 + CO2 = CaCO3↓+ 2H2O在油基鉆井液中，未溶Ca(OH)2的量一般應(yīng)保持在0.43～0.72

15、 kg/m3（1.5～2.5磅/桶）范圍內(nèi)；或者將鉆井液的甲基橙堿度控制在0.5～1.0 cm3，當(dāng)遇到CO2或H2S污染時(shí)應(yīng)提至2.0 cm3。,六、石 灰,油基鉆井液的組成,加重材料：重晶石粉在水基和油基鉆井液中，都是最重要的加重材料。對(duì)于油基鉆井液，加重前應(yīng)注意調(diào)整好各項(xiàng)性能，油水比不宜過(guò)低，并適當(dāng)?shù)囟嗉尤胍恍?rùn)濕劑和乳化劑，使重晶石加入后，能及時(shí)地將其顆粒從親水轉(zhuǎn)變?yōu)橛H油，從而能夠較好地分散和懸浮在鉆井液中。對(duì)于密度小于

16、1.68 g/cm3（14 ppg）的油基鉆井液，也可用碳酸鈣作為加重材料。雖然其密度只有2.7 g/cm3，比重晶石低得多，但它的優(yōu)點(diǎn)是比重晶石更容易被油所潤(rùn)濕，而且具有酸溶性，可兼作保護(hù)油氣層的暫堵劑。,七、加重材料,油包水乳化鉆井液推薦配方及性能參數(shù),NL Baroid 和M-I泥漿公司礦物油鉆井液和柴油鉆井液的典型組成,華北油田油基鉆井液配方及性能參數(shù),大慶油田油基鉆井液配方及性能參數(shù),美國(guó)M-I泥漿公司推薦的配漿程序,洗凈并

17、準(zhǔn)備好兩個(gè)混合罐。用泵將配漿用基油打入1號(hào)罐內(nèi)，按預(yù)先計(jì)算的量加入所需的主乳化劑、輔助乳化劑和潤(rùn)濕劑。然后進(jìn)行充分?jǐn)嚢瑁敝了杏腿苄越M分全部溶解。按所需的水量將水加入2號(hào)罐內(nèi)，并讓其溶解所需CaCl2量的70%。在泥漿槍等專門設(shè)備強(qiáng)有力的攪拌下，將CaCl2鹽水緩慢加入油相。最好是在3 .45 MPa（500磅/英寸2）以上的泵壓下，通過(guò)1.27 cm（0.5英寸）的泥漿槍噴嘴對(duì)泥漿進(jìn)行攪拌。若泵壓達(dá)不到3 .45 MPa，則應(yīng)

18、選用更小噴嘴，并降低加水速度。在繼續(xù)攪拌下加入適量的親油膠體和石灰。當(dāng)乳狀液形成后，應(yīng)全面測(cè)定其性能，如流變參數(shù)、pH值、破乳電壓和HTHP濾失量等。如性能合乎要求，可加入重晶石以達(dá)到所要求的鉆井液密度。加重晶石的速度要適當(dāng)（以每小時(shí)加入200～300袋為宜）。如重晶石被水潤(rùn)濕，會(huì)使鉆井液中出現(xiàn)粒狀固體，這時(shí)應(yīng)減緩加入速度，并適當(dāng)增加潤(rùn)濕劑的用量。當(dāng)體系達(dá)到所需的密度后，加入剩余的粉狀CaCl2，最后再進(jìn)行充分?jǐn)嚢琛?水基和油基鉆

19、井液的密度變化量與溫度、壓力的關(guān)系,油基鉆井液的流變性,預(yù)測(cè)高溫高壓下油基鉆井液表觀粘度的數(shù)學(xué)模型,,(AV)T，P = (AV)0 exp[A(1.8 T – 43.0)+ Bp],T —— 溫度，℃；P —— 壓力，Pa； (AV)T，P—— 溫度為T和壓力為p條件下的表現(xiàn)粘度，mPa?s；(AV)0 —— 溫度為23.9℃（常溫）、表壓為0（常壓）條件下的表觀粘度，mPa?s ；A —— 溫度常數(shù)，(℃)–1；B —

20、— 壓力常數(shù)，(Pa) –1。,各種油基鉆井液和基油的特性常數(shù),,,油基鉆井液的乳化穩(wěn)定性,衡量乳狀液穩(wěn)定性的定量指標(biāo)主要是破乳電壓，測(cè)量油基鉆井液破乳電壓的實(shí)驗(yàn)稱為電穩(wěn)定性（ES）實(shí)驗(yàn)。使乳狀液破乳所需的最低電壓稱為破乳電壓，其值越高則鉆井液越穩(wěn)定。按一般要求，油包水乳化鉆井液的破乳電壓不得低于400 V。實(shí)際上，許多性能良好的鉆井液，其破乳電壓都在2000 V以上。,活度平衡的油包水乳化鉆井液,油包水乳化鉆井液的活度平衡概念是20

21、世紀(jì)70年代初由Chenevert等人首先提出的。所謂活度平衡，是指通過(guò)適當(dāng)增加水相中無(wú)機(jī)鹽（通常使用CaCl2和NaCl）的濃度，使鉆井液和地層中水的活度保持相等，從而達(dá)到阻止油漿中的水向地層運(yùn)移的目的。采用該項(xiàng)技術(shù)可有效地避免在頁(yè)巖地層鉆進(jìn)時(shí)出現(xiàn)的各種復(fù)雜問(wèn)題，使井壁保持穩(wěn)定。目前使用的絕大多數(shù)油基鉆井液水相中，無(wú)機(jī)鹽含量都較高，即普遍地考慮了活度平衡問(wèn)題。,公式推導(dǎo),式中——Pw0表示在給定溫度下純水的蒸汽壓；

22、 Pw表示在給定溫度下鹽水的蒸汽壓； mw 表示鹽溶液上方水蒸汽的化學(xué)位； mw0表示鹽溶液上方水蒸汽的化學(xué)位。,活度的定義,由于以上公式是由理想物系推導(dǎo)出來(lái)的，為了使上述關(guān)系對(duì)實(shí)際溶液仍然有效，Lewis提出用另一函數(shù)——逸度（Fugacity）來(lái)代替壓力，并將鹽溶液與純水的逸度比f(wàn)w / fw0定義為水的活度aw。對(duì)于一般情況，則將fi / fi0稱為組分i的活

23、度，記作ai。溶液或頁(yè)巖中水的化學(xué)位與純水化學(xué)位之間的關(guān)系可表示為：,,上式表明，在一定溫度下，只有當(dāng)鉆井液和頁(yè)巖地層中水的活度相等時(shí)它們的化學(xué)位才相等。因此，正如Chenevert所指出，水的活度相等是油基鉆井液和地層之間不發(fā)生水運(yùn)移的必要條件。,控制活度的意義,活度控制的意義就在于，通過(guò)調(diào)節(jié)油基鉆井液水相中無(wú)機(jī)鹽的濃度，使鉆井液中水相的活度與地層中水的活度保持相等（使其產(chǎn)生的滲透壓大于或等于頁(yè)巖吸附壓），從而防止鉆井液中的水向巖層

24、運(yùn)移。通常用于活度控制的無(wú)機(jī)鹽為CaCl2和NaCl。其濃度與溶液中水的活度的關(guān)系可用圖表表示。只要確定出所鉆頁(yè)巖地層中水的活度，便可由圖中查出鉆井液水相應(yīng)保持的鹽濃度。,活度的測(cè)量方法,Chenevert提出用電濕度（Electrohygrometer）法測(cè)量水的活度。該儀器既可測(cè)量頁(yè)巖樣品中水的活度，又可直接測(cè)量油基鉆井液中水的活度。測(cè)量時(shí)，將濕度計(jì)的探頭置于式樣上方的平衡蒸汽中。探頭的電阻對(duì)水蒸汽的量十分敏感。在恒溫條件下

25、Pw與aw直接相關(guān)，這樣在某一濕度下就有與之相對(duì)應(yīng)的aw值。電濕度計(jì)常使用某種已知活度的飽和鹽水進(jìn)行校正，可供選擇的無(wú)機(jī)鹽及其飽和溶液的aw值列于下表中。,常溫下各種無(wú)機(jī)鹽飽和溶液的活度,兩種水溶液中活度與鹽濃度的關(guān)系,油基鉆井液水相中鹽濃度的確定,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于所鉆遇的大多數(shù)水敏性頁(yè)巖地層，將鉆井液的aw控制在0.52～0.53，即CaCl2濃度在30～35%范圍內(nèi)是適宜的。隨溫度升高，頁(yè)巖的aw 值將略有降低，而油基鉆井液的aw

26、 值略有增加。但由于影響很小，對(duì)溫度因素一般可不予考慮。,油基鉆井液中CaCl2合理加量的確定,油基鉆井液中NaCl合理加量的確定,活度平衡油包水乳化鉆井液的應(yīng)用效果,鉆井實(shí)踐表明，使用活度平衡的油包水乳化鉆井液，是對(duì)付強(qiáng)水敏性復(fù)雜地層（包括軟的和硬的頁(yè)巖層）最為行之有效的方法。就防塌效果來(lái)說(shuō)，目前使用的任何其它類型的鉆井液都無(wú)法與之相比。只有這種鉆井液能完全阻止外來(lái)液體侵入地層，因而也只有它能完全抑制住頁(yè)巖中蒙脫石、伊蒙混層等粘土礦

27、物的水化膨脹與分散。,活度平衡油包水乳化鉆井液的應(yīng)用效果,全油鉆井液,由于油包水乳化鉆井液存在著剪切稀釋性能較差、需備用大量乳化劑、易產(chǎn)生潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)和乳化堵塞對(duì)油氣層造成損害等問(wèn)題，近年來(lái)美國(guó)Intl泥漿公司研制出無(wú)水的全油鉆井液。該體系具有類似于水基聚合物鉆井液的流變性，有較高的動(dòng)塑比，剪切稀釋性好，因而提高了鉆速，減少了井漏，改善了井眼清洗狀況及懸浮性。配制全油鉆井液時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：（a）基油應(yīng)選用芳香烴含量較低的柴油，最好是無(wú)