新型油基钻井液

1. 新型油基钻井液

2. 汇报提纲 一 一 概述 概述 二 合成基钻井液技术 油基泡沫钻井液完井液技术 三 四 生物柴油钻井液

3. 一、概述 钻井液发展过程的核心：钻井液中的粘土的处理技术 井壁稳定性的问题 钻井液稳定性的问题

4. 一、概述 • 曾经花大力气研究了以油为分散介质的钻井液体系，从原油到柴油、白油、植物油、合成基。 • 但是由于日益严格的环保限制，人们不得不再回过头来研究并改造水基钻井液的性能。 井壁稳定 人们开发利用了剂从无机物到有机物、从低级化学剂到高级化学剂,从负电到正电。

5. 一、概述 人们开发利用了膨润土类、纤维素类、褐煤类、淀粉类、木素类等一系列的产品和一些带磺酸基团的聚合物，以达到既能保持地层稳定，又能具有良好钻井液性能。 • 钻井液稳定 粘土—水这一带负电性的不稳定悬浮体改造成为一个全新包装的胶态体系。

6. 一、概述 目前，油基钻井液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，并且还广泛地用作解卡液、射孔完井液、修井液和取心液等。对油基钻井液体系提出了更高的要求。因此，如何克服油基钻井液的存在的问题，充分发挥油基钻井液的技术优势，是目前钻井液工作者的一项重要任务。

7. 国外应用 • 目前，在全球钻井液市场，油基钻井液占50～60%。尤其在国外应用较为普遍，市场规模大： • 委内瑞拉：使用油基钻井液的比例已达60%； • 墨西哥、阿尔及利亚：油基钻井液的使用比例已达90%； • 泰国、叙利亚、阿曼、利比亚、印度尼西亚等地区：需求也较多； • 世界主要的钻井液公司（哈里伯顿、MISWACO、贝克休斯、贝劳德等）都有领先世界的油基钻井液技术，国际油基钻井液市场几乎被他们所垄断。 一、概述

8. 国内应用 • 中海油在阿尔及利亚购买的区块：地层水敏性强、地层压力高、存在巨厚盐膏层等复杂情况，由美国MISWACO 提供现场的油基钻井液技术服务； • 新疆某区块：尝试采用油基钻井液，发现可以有效减少扩径、提高地层稳定性； • 胜利油田某区块：强水敏、易坍塌地层，采用油基钻井液； 一、概述 国内市场份额仅占5%

9. 国外市场份额60% 一、概述 • 国内油基钻井液的不足 没有形成系列配套的油基钻井液处理剂； 没有形成系列配套的油基钻井液体系及配制工艺技术； 当钻遇破碎、渗透性地层时，油基钻井液封堵防塌 性能不能满足需要。 • 国内市场份额5%

10. 一、概述 (一)、油基钻井液体系类型及发展

11. 一、概述 (一)、油基钻井液体系类型及发展

12. 一、概述 （二）、油基钻井液体系研究新进展 1）、高油水比铁粉加重油包水钻井液 美国埃克森公司在复杂深井成功应用，该钻井液含水量降低到8%以内，减少了乳化水滴的浓度，总固相含量和塑性粘度大幅度降低，有利于钻速的提高；降低了泥饼厚度，减少压差卡钻的几率。埃克森公司在美国南得克萨斯州的深井中应用，平均每口井钻速提高100%，费用节约50%。

13. 一、概述 （二）、油基钻井液体系研究新进展 2）、高密度低固相油基钻井液 • 由M－I公司研制，利用高密度甲酸铯盐水来达到需要的密度（可达1.7g/ml以上）。该钻井液可将油基钻井液固相含量由22%降低1%， • 可以减轻钻井液和完井液不相容造成的不利影响；减少钻井液颗粒堵塞振动筛筛网的可能性；不会发生井眼失稳问题；完井后油井的产能高。

14. 一、概述 （二）、油基钻井液体系研究新进展 3）、新型可逆的逆乳化钻井液 由于油基钻井液存在滤饼清除、水泥和地层间的胶结强度、钻屑表面的残留油、钻屑及废钻井液的处理问题，研究开发一种可逆转的乳化剂及钻井液体系，可逆的油包水乳化钻井液体系使用的是一种特殊的表面活性剂，它在不同的酸碱性条件下会有不同的性能，能使油包水钻井液和水包油钻井液相互转化，实现该体系在W/O型和O/W型的转换问题。

15. 一、概述 （二）、油基钻井液体系研究新进展 3）、新型可逆的逆乳化钻井液 该钻井液在完井时通过改变乳化剂的性质将油基钻井液转化为水基钻井液。完井时体系可由油润湿转为水润湿，井底清洗效果好，水泥浆与地层和井筒的胶结强度增加，固井质量好，从而提高储层产量，大大减小了废弃钻井液和钻屑对环境造成的污染。

16. 油 • 水 降低pH • 水 • 油 增大pH • 油基泥浆 • 油是连续相 • 油润湿固体和表面 • 对钻井有利 • 水基泥浆 • 油是分散相 • 水润湿固体和表面 • 对完井有利

17. 一、概述 （二）、油基钻井液体系研究进展 4）可生物降解的合成基钻井液 国外上世纪80年代末90年代初为解决油基钻井液的环保问题，保留传统的油基钻井液在钻井工程作业方面的优点研制出一种合成基钻井液，第一代合成基钻井液以酯、醚、聚α烯烃、缩醛基液为代表，后来在权衡环境保护因素和成本的基础上开始第二代合成基钻井液的研究，第二代合成基钻井液以线性α烯烃，异构烯烃、内烯烃和线性石蜡为代表，其特点是运动粘度和钻井液成本较第一代合成基钻井液低，但环境保护性能较第一代差。

18. 一、概述 （二）、油基钻井液体系研究进展 5）特殊的加重油基钻井液体系 • 由改性超微重晶石加重的油基钻井液体系在挪威油田成功应用。该体系具有低粘度、低流变性、低扭矩和悬浮稳定性好的特点，对钻井液当量循环密度影响小，波动压力峰值低，水力学性能和静态稳定性好。 • 贝克休斯公司使用专利加重材料—Micromax开发出一种油基钻井液。这种加重材料是改性的四氧化锰，与重晶石颗粒相比，具有粒径小、颗粒呈球形的特点。由于球形颗粒的粒间摩擦很小，钻井液塑性粘度大幅度降低。虽然四氧化锰的密度大，但颗粒尺寸比重晶石小得多，这就意味着这些颗粒可被弱结构的钻井液所支撑，同时在较低的屈服值下不会增加沉降的风险。Micromax可以改善钻井液的流变性能，同时降低加重材料发生沉降的趋势，可在高温/高压井和小井眼中使用。

19. 一、概述 （二）、油基钻井液体系研究进展 6）无粘土油基钻井液体系 应用液体增粘剂减少有机土的加量，形成平板凝胶，新型乳化剂和降滤失剂快速作用以保持体系性能稳定，抗温达232℃。 • 宽的温度和密度范围（最高232 ℃和2.0g/cm3），体系性能稳定； • 凝胶优势使井下损耗减少高达80％，降低运营成本和减少对环境的影响； • 独特的流变学特性，降低ECD并提供强悬浮性能； • 较低的表面压力即可打破凝胶； • 抗固相污染、水体污染性能强； • 极薄的滤饼和低滤失量，高渗透率恢复值。

20. 一、概述 • 油基泡沫的结构 • 油基泡沫的结构 • 油基泡沫的结构 • 油基泡沫的结构 （二）、油基钻井液体系研究进展 7）油基泡沫油基钻井液 油基泡沫钻井液完井液技术突破传统的水基泡沫钻井液的限制，创造性地采用由矿物油作为轻质基液，从根本上降低了钻井液完井液密度，减少了泡沫钻井液井下高温高压对密度的不利影响，确保较低了钻井液完井液的有效密度，实现真正的低密度。特别是体系中的某些成分能够迅速沉淀在油层表面，形成具有保护油层的韧性滤饼，可以直接用作完井液来打开油层，提高低压油层的开采效率。 油基泡沫的结构 油基泡沫 常规泡沫

21. 一、概述 • 油基泡沫的结构 • 油基泡沫的结构 • 油基泡沫的结构 • 油基泡沫的结构 （二）、油基钻井液体系研究进展 7）油基泡沫油基钻井液 当泡沫进入低压区发生膨胀聚集形成封堵

22. 一、概述 在油/水界面形成具有一定强度的吸附膜 增加外相粘度 一 三 （二）、油基钻井液添加剂 乳化剂： 降低油水界面张力 二

23. 一、概述 （二）、油基钻井液添加剂 乳化剂：

24. 一、概述 （二）、油基钻井液添加剂 降滤失剂 1.沥青类 ：天然沥青可以封堵微孔和微裂缝，从而减少滤失；氧化沥青降滤失效果较好，但对提高钻速不利。 2.有机皂类：具有合适的粒度及形状，在高温下仍具有良好的流变性和稳定性，该类产品多数具有辅助乳化的功效。 3.改性腐植酸类降滤失剂 ：褐煤和特定的氨基化合物或其衍生物 ，腐植酸酰胺降滤失剂 ，褐煤粉，以叔胺作催化剂，和金属醇化物反应生成油基钻井液降滤失剂。

25. 一、概述 （二）、油基钻井液添加剂 有机土 1.高温稳定有机土GeltoneⅡ：美国Baroid钻井液公司生产，能快速分散（10min），在低剪切速率下和低温（20℃）下，可以提供悬浮和携带钻屑的能力。 2. VG-69有机土：美国M-I公司生产，可提高油基钻井液的粘度和切力，增加携岩能力。 3.烷氧基季铵盐类 改性膨润土。 4. 其他脂肪族、碳氟基或卤代烃 、芳烷基或芳香烃基，酰胺基 季铵盐类改性膨润土。

26. 一、概述 （二）、油基钻井液添加剂 增粘提切剂 1.橡胶类增粘提切剂：如苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物、磺化聚苯乙烯、脂肪酸及其衍生物等。大多数橡胶溶解很慢，在加热和搅拌下需要数小时，大大限制了其应用。 2.褐煤蜡增粘提切剂：褐煤蜡是含有蜡、树脂和地沥青的矿物蜡。 3.聚酰胺树脂VERSA-HRP增粘提切剂。 4.环氧树脂类与亲核类物质反应，作为增粘提切剂或降滤失剂。 。

27. 全油基钻井液在组成上的特点是只含有少量的水（一般要求小于5％），而且不以水为分散相。 二、全油基钻井液体系 1、全油基钻井液体系组成及作用机理研究 主要是考虑到油包水乳化钻井液具有以下不足之处： （1）乳化剂对环境的影响。为了维持乳化稳定性，需用大量乳化剂。而目前使用的大多数乳化剂是有一定毒性的表面活性剂。 （2）剪切稀释性较差。与全油基钻井液相比，油包水乳化钻井液的塑性粘度较高，因而在一定程度上影响机械钻速。

28. 二、全油基钻井液体系 （3）体系中水的活度难与所钻遇的各种地层均保持平衡。由于很难通过随时调节油包水乳化钻井液中水的活度以平衡不同易塌地层中水的活度，因此不能确保各种易塌地层不引起水化而使井壁失稳。 （4）存在润湿性反转和乳化堵塞等潜在损害因素。在油包水乳化钻井液体系中乳化剂和润湿剂的大量使用往往使井壁附近亲水的岩石表面变为亲油，造成油的相对渗透率下降，水的相对渗透率上升，并在岩石孔喉、裂缝中形成粘度很高的乳状液，增大油气的流动阻力 尽管全油基钻井液的组成中也有一定量的乳化剂，但对乳化稳定性的要求相对较低，选择乳化剂的范围较宽，而且用量要比油包水乳化钻井液小得多。它克服了油包水钻井液的缺点，继承了它的优点。

29. 二、全油基钻井液体系 2、全油基钻井液的基本组分 （1）基础油 基油是油基钻井液的分散介质，常用的基油为柴油（或矿物油）。 白油是以石油加氢裂化生产的未转化油，或石油分馏的高沸馏分(即润滑油馏分)为原料，经超深度精制脱除芳烃、硫和氮等杂质而得到的特种矿物油，一般分子量300～400的烷烃和环烷烃组成。它具有无色、无味、无臭、化学惰性及优良的光、热稳定性。 • 不同基础油组成分布图

30. 二、全油基钻井液体系 常用矿物油及柴油毒性情况 按照美国环保局（简称EPA）制定的生物鉴定程序评价了常用的矿物油的毒性。 常用矿物油及柴油的毒性比较 • 表6 油包水钻井液常用基油的性质

31. （2）降滤失剂 国内常用氧化沥青作为降滤失剂，在海外，部分油田不允许使用氧化沥青作为降滤失剂。沥青类产品在全油基钻井液中起主要作用的是其含有的沥青质。沥青质在沥青中的含量的高低可由其软化点来衡量。软化点越高，则所含的沥青质越多。沥青的软化点与沥青质和胶质含量的关系见表1. 二、全油基钻井液体系 2、全油基钻井液的基本组分 表1 沥青的软化点与其沥青质含量的关系 一般来讲，当氧化沥青的软化点超过150℃时，该类钻井液的性能容易满足要求。

32. 二、全油基钻井液体系 （3）新型有机土 全油基钻井液用有机土是在油中不依靠水或其他极性活性剂就可造浆的材料。它的主要用于提高粘度和切力，并起降滤失作用。在油基钻井液中。 （4）乳化剂 尽管全油基钻井液中水的含量较少，但仍需要一定量的乳化剂使水相均匀地分散在油相中，同时使重晶石粉和岩屑的表面从亲水转变为亲油，便于在钻井液中悬浮。该类乳化剂容易吸附在氧化沥青、有机土、重晶石和钻屑等分散相的表面并形成油膜，从而起到稳定钻井液体系的作用。同时，剩余的乳化剂在油相中形成胶团结构，具有一定的提高粘度、切力和降低滤失量的作用。

33. 从理论上讲，全油基钻井液体系是简单的，每一种处理剂只起一种作用，这种独立的功能给控制钻井液的性能带来极大的灵活性。同时，在委内瑞拉，60%的井是使用全油基钻井液完成的。与油包水钻井液相比，全油基钻井液有以下优点：从理论上讲，全油基钻井液体系是简单的，每一种处理剂只起一种作用，这种独立的功能给控制钻井液的性能带来极大的灵活性。同时，在委内瑞拉，60%的井是使用全油基钻井液完成的。与油包水钻井液相比，全油基钻井液有以下优点： 提高了井眼的净化能力。通过提供良好的剪切稀释特性和低剪切速率下的高流变性能，提高井眼净化能力；减少短起下次数，避免使用高密度清扫液。 流变性能更易控制。由于限制钻井液含水，有机土就会起到主要的增増粘作用。 容易维护。由于不存在乳化水相，不再需要仔细地监测和维护乳化液的稳定，处理工艺更加简单。 改善后勤供应。可在现场配制；乳化剂、润湿剂、氯化钙等处理剂用量降低，降低了供应量。 提高了钻速，降低了钻井总成本。 二、全油基钻井液体系

34. 三、合成基钻井液体系 合成基钻井液是在水基钻井液不能满足井下复杂情况的性能要求、柴油基钻井液和矿物油基钻井液不能满足环境保护要求的情况下应运而生的，是一种在性能上具有柴油基钻井液特性，而在性质上具有环保特性的一种新型钻井液体系。

35. 合成基钻井液 • 合成基液 • 连续相 • 盐水 • 分散相 • 乳化剂、亲油胶体、降滤失剂等 • 添加剂 三、合成基钻井液体系 (一)、合成基钻井液体系

36. 三、合成基钻井液体系 • (三）、合成基钻井液体系的作用机理 合成基钻井液是一种非水溶性合成油基钻井液。它作为兼有水基钻井液和普通油基钻井液优点的新体系，该体系的性能受温度和压力影响较大，普遍存在流变性调控方面的问题，包括井眼净化，重晶石沉降，高循环压耗，原因主要是温度对流变性影响明显，高温时钻井液中有机土提切效果降低，动切力低，不足以有效携带钻井液中的固相。因此应研究了合成基钻井液的体系特点及作用机理。

37. 三、合成基钻井液体系 (一)、合成基钻井液体系 1、合成钻井液基液 作为合成基/油基钻井液的基液，必须满足以下三个条件： （1）为确保体系的安全，基油应该有尽量高的闪点和燃点。 （2）为了方便调控体系流变性，基油的粘度不应过高。 （3）为增强环保，防止对环境造成污染和破坏，基油应无荧光、芳香 烃含量尽量低，无毒。

38. 三、合成基钻井液体系 (一)、合成基钻井液体系 1、合成钻井液基液 • 以线性α烯烃和异构烯烃配制的第二代合成基钻井液性能最为优异，无生物毒性，可以生物降解，对环境无污染，钻屑和废钻井液原则上可向海洋排放，油基钻井液传统的优势得以保留，因此适合于钻大斜度井、水平井及高温高压井。

39. 三、合成基钻井液体系 (一)、合成基钻井液体系 1、合成钻井液基液

40. 三、合成基钻井液体系 (一)、合成基钻井液体系 1、合成钻井液基液 1、较高的闪点和苯胺点。 2、较低的倾点。 3、粘度受温度变化的影响较小。 4、不含芳香烃。 5、运动粘度低 合成基液在常压条件下的粘度-温度变化曲线

41. 三、合成基钻井液体系 (一)、合成基钻井液体系 1、合成钻井液基液 合成基液与目前壳牌公司专有技术产品气制油的性能进行了对比

42. 三、合成基钻井液体系 (一)、合成基钻井液体系 2、有机土对合成基钻井液性能的影响 当有机土被大量合成基基液吸附后，低分子量极性分散剂溶入层间，沿着Si-O四面体层间嵌入原先定位于层间的油基阳离子空间，同时把有机阳离子长烷基链抬高，层间距扩大，形成内膨胀； 在溶剂的溶剂化作用下，层状集合体分离成更小的薄片。分散的有机土薄片端面有一定量正电荷，层面的部分有机阳离子在少量水分子和流型调节剂的帮助下，有小部分转入溶剂中而使层面呈一定量的负电荷，溶剂化的层面和端面由于电性不同，容易端-面、端-端缔合，形成具有一定粘度流变性的假塑性凝胶。其结构模型如图所示。

43. 三、合成基钻井液体系 (一)、合成基钻井液体系 2、有机土对合成基钻井液性能的影响 有机土的加入可以提供触变性以在静止时悬浮钻屑和加重剂。从宏观上看，它以“交叉立体状”的立体结构存在是有机土提切的原因。在乳化效果良好的前提下，钻井液中的有机土和水相含量增加会增加钻井液的塑性粘度和切力。

44. 三、合成基钻井液体系 (一)、合成基钻井液体系 2、有机土对合成基钻井液性能的影响

45. 三、合成基钻井液体系 (一)、合成基钻井液体系 2、有机土对合成基钻井液性能的影响 油水比对有机土造浆性能的影响 • （1）根据Einstein方程，水相含量越高，乳液粘度越高； • （2）有机土颗粒通过与水滴作用才能形成一定的凝胶结构。

46. 三、合成基钻井液体系 (一)、合成基钻井液体系 2、有机土对合成基钻井液性能的影响 有机土在不同介质中的粒径分布

47. 三、合成基钻井液体系 (一)、合成基钻井液体系 3、降滤失剂对合成基钻井液性能的影响 大量研究表明，影响合成基钻井液滤失量的主要因素有：乳状液的稳定性、有机土和降滤失剂。此外，温度、压力和外来物也会对合成基钻井液的滤失量产生一定的影响。

48. 三、合成基钻井液体系 (一)、合成基钻井液体系 3、降滤失剂对合成基钻井液性能的影响 ①乳状液稳定性对降滤失作用的影响 a. 水滴起着分散固相的作用，水滴分散越细，就如水基钻井液中 “固相”含量越大一样，水相的体积浓度增加，乳状液粘度也越高，滤失速度降低，滤失量就减少。 b. 乳状液中乳化水滴的液阻效应，即贾敏效应也是降低滤失量的关键因素。

49. 三、合成基钻井液体系 (一)、合成基钻井液体系 3、降滤失剂对合成基钻井液性能的影响 ①乳状液稳定性对降滤失作用的影响 如图所示，一个球形的液珠要通过岩石颗粒所形成的毛细孔，就必须改变其形状，从球形改变为非球形，这必然要增大液滴与周围另一液滴的表面积，就要对抗表面能做功，换言之，液滴后面的压强P3应大于前面的压强P1，否则液体就被堵塞。这就是液珠通过毛细孔时，对气体产生的液阻效应，或称为贾敏效应。

50. 三、合成基钻井液体系 (一)、合成基钻井液体系 3、降滤失剂对合成基钻井液性能的影响 ①乳状液稳定性对降滤失作用的影响 合成基钻井液体系中存在的这些水滴在过滤介质毛细空隙中能阻止液体的滤失，这就是油包水乳状液在没有固相颗粒的情况下，能显著降低滤失量的原因之一。图给出了油基钻井液中乳液液滴的SEM图片，液滴直径为1µm。