油基钻井液

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。
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)。
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
• 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。
4.润湿剂
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)
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。
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％。
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· m— 3 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 >l000000Baidu NhomakorabeaLVT 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。
• 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。
• 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。
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。
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。
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。
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
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
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。
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。
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。
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。