油基钻井液

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
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。
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。
• 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。
• 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。
• 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。
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 >l000000 LVT BP8313 2号柴油 棕黄色液体 840 82 59 45 329 30～50 2.7 80000
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
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。
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)
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％。
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。
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
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。
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)。
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。
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。
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。
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。