油基钻井液

油基钻井液中国石油大学（北京）2008年10月定义及类型•油基钻井液是指以油作为连续相的钻井液。•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10%；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%。油基钻井液的优缺点•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、大位移井、水平井和各种复杂地层的重要手段，并且还可广泛地用作解卡液、射孔完井液、修井液和取心液等。•油基钻井液的配制成本比水基钻井液高得多，并对井场附近的环境会造成影响。油基钻井液的发展阶段类型组分开始使用的时间特点原油作为钻井液原油1920年前后有利于防塌、防卡和保护油气层，但流变性不易控制，易着火，使用范围仅限于100℃以内浅井全油基钻井液柴油、沥青、乳化剂及少量水（10%以内）1939年具有油基钻井液的各种优点，可抗200～250℃高温，但配制成本高，较易着火，钻速较低油包水乳化钻井液柴油、乳化剂、润湿剂、亲油胶体、乳化水（10～60%）1950年前后通过水相活度控制有利于井壁稳定，与全油基钻井液相比不易着火，配制成本有所降低，抗温可达200～230℃低胶质油包水乳化钻井液柴油、乳化剂、润湿剂、少量亲油胶体、乳化水（15%左右）1975年可明显提高钻速，降低钻井总成本。但由于放宽滤失量，对某些松散易塌地层不适合，对储层的损害较大低毒油包水乳化钻井液矿物油、乳化剂、润湿剂、亲油胶体、乳化水（10～60%）1980年具有油基钻井液的各种优点，同时可有效地防止对环境的污染，特别适用于海洋钻井油基钻井液的组成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。基油（BaseOil）•在油包水乳化钻井液中用作连续相的油称为基油，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。•为确保安全，其闪点和燃点应分别在82℃和93℃以上。•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。•为了有利于对流变性的控制和调整，其粘度不宜过高。一、基油各种基油的物理性质性质Mentor26Mentor28Escaid110LVTBP83132号柴油外观无色液体无色液体无色液体无色液体无色液体棕黄色液体密度（kg/m3）838845790800785840闪点（℃）9312079717282苯胺点（℃）717976667859倾点（℃）261554734045终沸点（℃）306321242262255329芳烃含量（wt%）16.419.00.910～132.030～50粘度（mPa﹒s）(40℃测定)2.74.21.61.81.72.7LC50值（ppmWSF）＞1,000,000＞1,000,000＞1,000,000＞1,000,000＞1,000,00080,000注：Mentor26、Mentor28、Escaid110、LVT和BP8313均为常用矿物油的代号。油基钻井液的组成水相（WaterPhase）：淡水、盐水或海水均可用作油基钻井液的水相。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。油包水乳化钻井液的水相含量通常用油水比来表示。一般情况下，水相含量为15～40%，最高可达60%，且不低于10%。在一定的含水量范围内，随着水所占比例的增加，油基钻井液的粘度、切力逐渐增大。因此，人们常用它作为调控油基钻井液流变参数的一种方法，同时增大含水量可减少基油用量，降低配制成本。但是，随着含水量增大，维持油基钻井液乳化稳定性的难度也随之增加，必须添加更多的乳化剂才能使其保持稳定。对于高密度油基钻井液，水相含量应尽可能小些。在实际钻井过程中，一部分地层水会不可避免地进入钻井液，即油水比呈自然下降趋势，因此为了保持钻井液性能稳定，必要时应适当补充基油的量。对于全油基钻井液，水是应加以清除的污染物，但一般3～5%的水是可以容纳的，不必一定要清除，因为靠增加基油来减少水量会使钻井液成本显著增加。二、水相油基钻井液的组成乳化剂（Emulsifier）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。一般认为乳化剂的作用机理是：•在油/水界面形成具有一定强度的吸附膜；•降低油水界面张力；•增加外相粘度;•以上三方面均可阻止分散相液滴聚并变大，从而使乳状液保持稳定。其中又以吸附膜的强度最为重要，被认为是乳状液能否保持稳定的决定性因素。三、乳化剂油基钻井液的组成在油包水乳化钻井液中，常用的乳化剂有以下类型：高级脂肪酸的二价金属皂，如硬脂酸钙：烷基磺酸钙：烷基苯磺酸钙：斯盘-80（或span-80），主要成分为山梨糖醇酐单油酸脂：此外，国内用于油包水乳化钻井液的乳化剂还有：环烷酸钙、石油磺酸铁、油酸、环烷酸酰胺和腐植酸酰胺等。国外在该类钻井液中使用的乳化剂多用代号表示，如Oilfaze、Vertoil、EZ-Mul、DFL和Invermul等都是常用的乳化剂。油基钻井液的组成•值得注意的是，在以上乳化剂中，属于阴离子表面活性剂的都是有机酸的多价金属盐（钙盐、镁盐和铁盐等，以钙盐居多），而不选择单价的钠盐或钾盐。•由于皂分子具有两亲结构，即烃链是亲油的，而离子型基团―COO¯是亲水的，因此当皂类存在于油、水混合物中时，其分子会在油水界面自动浓集并定向排列，将其亲水端伸入水中，亲油端伸入油中，从而导致导致界面张力显著降低，有利于乳状液的形成。楔形稳定理论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作定向楔形理论。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，那末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。油基钻井液的组成•大多数天然矿物是亲水的。当重晶石粉和钻屑等亲水的固体颗粒进入w/o型钻井液时，它们趋向于与水聚集，引起高粘度和沉降，从而破坏乳状液的稳定性。•为了避免以上情况的发生，有必要在油相中添加润湿控制剂，简称润湿剂。润湿剂也是具有两亲结构的表面活性剂，当其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，这一过程常被称作润湿反转（WettabilityReversal）。•润湿剂的加入使刚进入钻井液的重晶石和钻屑颗粒表面迅速转变为油湿，从而保证它们能较好地悬浮在油相中。•虽然用作乳化剂的表面活性剂也能够在一定程度上起润湿剂的作用，但其效果有限。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。国外常用的润湿剂有DV-33、DWA和EZ-Mul等，其中DWA和EZ-Mul可同时兼作乳化剂。四、润湿剂油基钻井液的组成亲油胶体：•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，其主要作用是用作增粘剂和降滤失剂。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象水基钻井液那样很方便地随时进行必要的调整。•有机土使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溴化铵•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。五、亲油胶体润湿反转原理油基钻井液的组成石灰是油基钻井液中的必要组分，其主要作用有以下方面：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。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。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↓+2H2OCa(OH)2+CO2=CaCO3↓+2H2O在油基钻井液中，未溶Ca(OH)2的量一般应保持在0.43～0.72kg/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。六、石灰油基钻井液的组成加重材料：•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。七、加重材料油包水乳化钻井液推荐配方及性能参数配方性能材料名称加量（kg/m3）项目指标有机土20～30密度（g/cm3）0.90～2.00主乳化剂：环烷酸钙20左右漏斗粘度（s）30～100或油酸20左右表观粘度（mPa﹒s）20～120或石油磺酸铁100左右塑性粘度（mPa﹒s）15～100或环烷酸酰胺40左右动切力（Pa）2～24辅助乳化剂：Span-8020～70静切力（初/终，Pa）0.5～2/0.8～5或ABS20左右破乳电压（V）500～1000或烷基苯磺酸钙70左右API滤失量（ml）0～5石灰50～100HTHP滤失量（ml）4～10CaCl270～150pH值10～11.5油水比85～70/15～30含砂量（%）＜0.5氧化沥青视需要而定泥饼摩阻系数＜0.15加重剂视需要而定水滴细度（35mm所占%）95以上NLBaroid和M-I泥浆公司矿物油钻井液和柴油钻井液的典型组成钻井液序号组分1234562号柴油（ml）115.9/231.5/194.7/Mentor26矿物油（ml）/115.9/231.5/194.7水（ml）20.020.063.263.225.325.3乳化剂Invermul（g）6.86.8////乳化与滤失控制剂Duratone（g）9.19.1////有机土Geltone（g）2.7/////有机土Bentone（g）/4.5////乳化与润湿剂EZ-Mul（g）4.54.5////岩屑Rev-dust（g）9.19.1////石灰（g）9.19.12.02.02.02.0氯化钙（g）9.29.222.322.38.938.93重晶石（g）85.885.8167.3167.3504504乳化剂DFL（g）//2.02.02.02.0乳化与润湿剂DWA（g）//2.02.02.02.0有机土VG-69（g）//6.456.453.03.0华北油田油基钻井液配方及性能参数配方性能材料名称加量（kg/m3）项目指标有机土30密度（g/cm3）0.9～2.18氧化沥青0～30漏斗粘度（s）80～100石油磺酸铁100表观粘度（mPa﹒s）90～120Span-8070塑性粘度（mPa﹒s）80～100腐植酸酰胺30动切力（Pa）2.5～4石灰90静切力（初/终，Pa）2～3.5/3～5NaCl160API滤失量（ml）0～2CaCl2150