油基钻井液

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一元金属皂的分子中只 有一个烃链,这类分子 在油水界面上的定向排 列趋向于形成一个凹形 油面,因而有利于形成 O/W型乳状液;而二 元金属皂的分子中含有 两个烃链,它们在界面 上的排列趋向于形成一 个凸形油面,有利于形 成W/O型乳状液。这 种由乳化剂分子的空间 构型决定乳状液类型的 原理在胶体化学中被称 做定向楔型理论。其含 义是,将乳化剂分子比 喻成两头大小不同的楔 子,如果要求它们排列 紧密和稳定,那么截面 小的一头总是指向分散 相,截面大的一头则留 在分散介质中。
表7-3 油包水乳化钻井液的推荐配方及性能测试
配方 性能
材料名称 有机土 主乳化剂:环烷酸钙 或油酸 或石油磺酸铁 或磺烷酸酰胺
辅助乳化剂:Span-80 或ABS 或烷基苯磺酸钙 石灰 CaCl2 油水比 氧化沥青
加量/kg.m-3 20-30 20左右 20左右 100左右 40左右
20-70 20左右 70左右 50-100 70-150 80-70/15-30 视需要而定
3.乳化剂
• 为了形成稳定的油包水乳化钻井液,必须正确地选择和使 用乳化剂(Emulsifier)。一般认为乳化剂的作用机理是:(1) 在油/水界面形成具有一定强度的吸附膜;(2)降低油水界 面张力;(3)增加外相粘度。 • 在油包水乳化钻井液中,常用的乳化剂有以下类型; • (1)高级脂肪酸的二价金属皂,硬脂酸钙; • (2)烷基磺酸钙; • (3)烷基苯磺酸钙; • (4)斯盘-80(或Span-80),主要成分为山梨糖醇酐单油酸脂。
0.5-2/0.8-5 500-1000 0-5 4-10 10-11.5 小于0.5 小于0.5
95以上
第二节 活度平衡的油包水乳化钻井液
所谓活度平衡,是指通过适 当增加水相中无机盐(通常使 用CaCl2和NaCl)的浓度,使钻 井液和地层中水的活度保持 相等,从而达到阻止油浆中 的水向地层运移的目的。 活度控制的意义就在于,通 过调节油基钻井液水相中无 机盐的浓度,使其产生的渗 透压大于或等于页岩吸附压, 从而防止钻井液中的水向岩 层运移。
表7-1 油基钻井液的发展阶段
类型 原油作为钻井 液 全油基钻井液 油包水乳化钻 井液 低胶质油包水 乳化钻井液 低毒油包水乳 化钻井液 组分 开始使 用时间 特点
有利于防塌、防卡和保护油气层,但流变 1920 年 原油 性不易控制,易着火,使用范围仅限于 前后 100℃以内浅井 具有油基钻井液的各种优点,可抗 柴油、沥青、乳化剂及少 1939年 200~250℃高温,但配制成本高,较易着火, 量水(7%以内) 钻速较低 柴油、乳化剂、润湿剂、 通过水相活度控制有利于井壁稳定,与全 1950 年 亲 油 胶 体 、 乳 化 水 油基钻井液相比不易着火,配制成本有所 前后 (10%~60%) 降低,抗温可达200~230℃ 柴油、乳化剂、润湿剂、 可明显提高钻速,降低钻井总成本。但由 少 量 亲 油 胶 体 、 乳 化 水 1975年 于放宽滤失量,对某些松散易塌地层不适 (15%左右) 合,对储层的损害较大 矿物油、乳化剂、润湿剂、 具有油基钻井液的各种优点,同时可有效 亲 油 胶 体 、 乳 化 水 1980年 地防止对环境的污染,特别适用于海洋钻 (10%~60%) 井
7.加重材料
• 重晶石粉在水基和油基钻井液中,都是最重要 的加重材料。对于油基钻井液,加重前应注意 调整好各项性能,油水比不宜过低,并适当地 多加入一些润湿剂和乳化剂,使重晶石加入后, 能及时地将其颗粒从亲水转变为亲油,从而能 够较好地分散和悬浮在钻井液中。 • 对于密度小于1.68g/cm3 (14ppg)的油基钻井液, 也可用碳酸钙作为加重材料。虽然其密度只有 2.7g/cm3,比重晶石低得多,但它的优点是 比重晶石更容易被油所润湿,而且具有酸溶性, 可兼作保护油气层的暂堵剂。
6.石灰
石灰是油基钻井液中的必要组分,其主要作用有以下方面: (1)提供的Ca2+有利于二元金属皂的生成,从而保证所添加的乳 化剂可充分发挥其效能。 (2)维持油基钻井液的pH值在8.5~10范围内以利于防止钻具腐蚀。 (3)可有效地防止地层中CO2和H2S等酸性气体对钻井液的污染, 其反应式如下: Ca(OH)2+H2S=CaS↓+2H2O Ca(OH)2+CO2=CaCO3↓+H2O 在油基钻井液中,未溶Ca(OH)2的量一般应保持在0.43~0.72 kg /m3(1.5~2.5磅/桶)范围内;或者将钻井液的甲基橙碱度控 制在0.5~1.0cm3,当遇到CO2或H2S污染时应提至2.0cm3。
无色液体 无色液体 800 785 71 72 66 78 73 40 262 255 10~13 2.0 1.8 1.7 >1000000 >1000000
2.水相
• 淡水、盐水或海水均可用做油基钻井液的 水相(Water Phase)。但通常使用含一定量 CaCl2或NaCl的盐水,其主要目的在于控制 水相的活度,以防止或减弱泥页岩地层的 水化膨胀,保证井壁稳定。
优缺点
• 优点:与水基钻井液相比较,油基钻井液具有能抗高温、 抗盐钙侵、有利于井壁稳定、润滑性好和对油气层损害程 度较小等多种优点,目前已成为钻高难度的高温深井、大 斜度定向井、水平井和各种复杂地层的重要手段,并且还 可广泛地用做解卡液、射孔完井液、修井液和取心液等。 • 缺点:油基钻井液的配制成本比水基钻井液高得多,使用 时往往会对井场附近的生态环境造成严重影响,而且与使 用水基钻井液相比机械钻速一般较低。以上缺点大大地限 制了油基钻井液的推广应用。 • 为了提高钻速,从70年代中期开始,较广泛地使用了低胶 质油包水乳化钻井液。为保护生态环境,适应海洋钻探的 需要,从80年代初开始,又逐步推广使用了以矿物油作为 基油的低毒油包水乳化钻井液。
加重剂
视需要而定
项目 密度/g.cm-3 漏斗粘度/s 表观粘度/mPa.s 塑性粘度/mPa.s 动切力/Pa 静切力(初/终)/ Pa 破乳电压/v API滤失量/ml HTHP滤失量/ml PH值 含砂量/% 泥饼磨阻系数 水滴细度 (35所占%)
指标 0.90-2.00 30-100 20-120 15-100 2-24
讨论
1. 2. 3. 4. 与水基钻井液相比较,使用油基钻井液的优、缺点各有哪些? 油基钻井液共经历了哪几个发展阶段?目前主要在什么情况下使用? 除了油相和水相之外,油基钻井液中的必要组分还有哪些?它们各起 什么作用? 在油包水乳化钻井液中使用的乳化剂有哪些类型?对其HLB值一般有 何要求?为什么通常选用二元金属皂,而不用一元金属皂? 20世纪70年代初,Chenevert等人提出了油包水乳化钻井液的活度平 衡概念,试解释其基本原理和技术要点。 为配制活度平衡的油包水乳化钻井液,需将适量的CaCl2加至该钻井 液的水相中。已测得页岩中水的活度为0.72,试求CaCl2在水相中的 适宜质量浓度(用kg/m3表示)。若该钻井液中=0.25,则每立方米钻 井液中需加入多少CaCl2? 低毒矿物油钻井液是在什么背景下研制出来并投入使用的?通常用 什么指标来衡量和评价钻井液及其处理剂的毒性。
• 有机土是由亲水的膨润土与季胺盐类阳离子表面活 性剂发生相互作用后制成的亲油粘土。所选择的季 胺盐必须有很强的润湿反转作用,目前常用的有: 十二烷基三甲基溴化铵,十二烷基二甲基苄基氯化 铵。 • 有机土很容易分散在油中起提粘和悬浮重晶石的作 用,通常在100ml油包水乳化钻井液中加入3g有机 土便可悬浮200g左右的重晶石粉。有机土还可在一 定程度上增强油包水乳状液的稳定性,起固体乳化 剂的作用。国外常用的有机土有Baroid公司生产的 Geltone和M-I公司生产的VG-69等,其一般用量为 5.7~17.1kg/m3。国内有机土产品的用量也大致在 这一范围内。
较好的润湿剂有季胺盐(如十二烷基三甲基溴化铵)、卵磷脂和石油 磺酸盐等。
5.亲油胶体
• 习惯上将有机土、氧化沥青以及亲油的褐 煤粉、二氧化锰等分散在油包水乳化钻井 液油相中的固体处理剂统称为亲油胶体, 其主要作用是用做增粘剂和降滤失剂。其 中使用最普遍的是有机土,其次是氧化沥 青。有了这两种处理剂,可以使油基钻井 液的性能可以像水基钻井液那样很方便地 随时进行必要的调整。
• 氧化沥青是一种将普通石油沥青经加热吹气氧化处理后与 一定比例的石灰混合而成的粉剂产品,常用做油包水乳化 钻井液的悬浮剂、增粘剂和降滤失剂,亦能抗高温和提高 体系的稳定性。它主要由沥青质和胶质组成,是最早使用
的油基钻井液处理剂之一。在早期使用的油基钻井液中,
氧化沥青的用量较大,用此法可将油基钻井液的API滤失 量降低为零,高温高压滤失量也可控制在5m1以下。但是, 它的最大缺点是对提高机械钻速不利,因此在目前常用的 油基钻井液配方中,已对其限制使用。
第三节 低毒油包水乳化钻井液
• 使用以脂肪烃或脂环烃为主要成分的精制油(俗称 矿物油或白油)代替通常使用的柴油,作为油包水 乳化钻井液的连续相,因而大大减轻了钻屑时对 环境,特别是对于海洋生物所造成的危害。从这 个意义上讲,矿物油钻井液又被称为低毒油包水 乳化钻井液(Low-Toxicity lnvert Emulsion Drilling Fluid)。
• 绝大多数用于油包水乳化钻井液的乳化剂 是油溶性的表面活性剂,它们的HLB值(即亲 水亲油平衡值)一般应在3.5~6之间。但为 了形成密堆复合膜,增强乳化效果,有时 也使用HLB值大于7的表面活性剂作为辅助 乳化剂。乳化剂的有效性常常与基油的化 学组成以及水相的pH值和含有的电解质等 因素有关,某些乳化剂在高温下还容易发 生降解。
油基钻井液主要指以柴油或低毒矿物油(白油)作为连续相的油包水乳化钻井液。
第一节 油基钻井液的组成与性能
油包水乳化钻井液
是以水滴为分散相,
油为连续相,并添 加适量的乳化剂、 润湿剂、亲油胶体 和加重剂等所形成 的稳定的乳状液体 系。
1.基油
• 在油包水乳化钻井液中用做连续相的油称为基油(Base Oil)。目前普遍使用的基油为柴油(我国常使用零号柴油) 和各种低毒矿物油。柴油用做基油时应具备以下条件: • (1)为确保安全,其闪点和燃点应分别在82℃和93℃以上。 • (2)由于柴油中所含的芳烃对钻井设备的橡胶部件有较强 的腐蚀作用,因此芳烃含量不宜过高,一般要求柴油的 苯胺点在60℃以上。苯胺点是指等体积的油和苯胺相互 溶解时的最低温度。苯胺点越高,表明油中烷烃含量越 高,芳烃含量越低。 • (3)为了有利于对流变性的控制和调整,其粘度不宜过高。 温度和压力对2号柴油粘度的影响见图7-1。
表7-2 各种基油的物理性质 注:Mentor26、Mentor28、LVT、Escaid110和BP8313均为常用矿物油的代号。
性质 外观 密度/kg· —3 m 闪点/℃ 苯胺点/℃ 倾点/℃ 终沸点/℃ 芳烃含量/质量 % 粘度/mPa· s (40℃测定) LC50值/mg·— 1 1WSF Mentor26 Mentor28 EscaidllO 五色液体 无色液体 838 845 93 120 26 79 306 15 土6.4 321 2.7 19.0 4.2 >1000000 >l000000 无色液体 790 79 76 54 242 0.9 1.6 >l000000 LVT BP8313 2号柴油 棕黄色液体 840 82 59 45 329 30~50 2.7 80000
油基钻井液
油基钻井液
油基钻井液是指以油作为连续相的钻井液。 早在20世纪20年代,人们就曾使用原油作为钻井液以避免 和减少钻井中各种复杂情况的发生。但在实践中发现使用 原油有以下缺点:切力小,难以悬浮重晶石,滤失量大, 以及原油中的易挥发组分容易引起火灾等。 以柴油为连续相的两种油基钻井液----全油基钻井液和油 包水乳化钻井液。 在全油基钻井液中,水是无用的组分,其含水量不应超过 7%; 而在油包水钻井液中,水作为必要组分均匀地分散在柴油 中,其含水量一般为10%~60%。
4.润湿剂ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
图7-3 润湿反转示意图 a-亲水表面,b-亲油表面
润湿剂也是具有两 亲结构的表面活性 剂,分子中亲水的 一端与固体表面有 很强的亲合力。当 这些分子聚集在油 和固体的界面并将 亲油端指向油相时, 原来亲水的固体表 面便转变为亲油, 这一过程常被称做 润湿反转 (Wettability Reversal)
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