生物柴油钻井液研究与应用.pdf

第 3 0卷 第 4期 2 0 1 3年7月 钻井液与完井液 DRI LLI NG FLUI D COM PLETI ON FLUI D V0 1 ． 3 O N o ． 4 J u l y 2 01 3 【 理论研究与应用技术 】 生物柴油钻井液研究与应用 孙明波 ， 乔军 ， 刘宝峰 ， 李海滨 ， 牟顺泉 。 1 ． 中国石油大学 华东 石油工程学院，山东青岛 ； 2 ． 胜利油田钻井工艺研究院，山东东营 ； 3 ． 胜利油田黄河钻井三公司，山东东营 孙明波等． 生物柴油钻井液研究与应用 l J 1 ． 钻井液与完井液，2 0 1 3 ，3 0 4 1 5 1 8 ． 摘要 针对油基钻井液 目前存在的配制成本高、易污染环境 、有一定的安全隐患等缺点，以具有可再生性 能、安全性能和环境保护性能的生物柴油作为基油，研制出了全生物柴油基钻井液和生物柴油油包水钻井液 评 价结果表明，全生物柴油基钻井液配方简单，流变性能良好，具有 良好的抗高温 1 8 0℃和抗水侵 1 0 ％淡水 或 】 0 ％饱和盐水 、钙侵 3 ％C a 2 、劣土侵 1 O ％钠嘭润土 能力 ； 油水比为 8 2的油包水钻井液 密度达 1 ． 9 2 g ／ c m 仍具有 良好的流变性能和乳化稳定性 ；毒性低，对 卣虫幼体的半致死浓度为 3 6 l 1 4 mg ／ L，符合一级海区和 二级海区生物毒性要求。生物柴油油包水钻井液在胜利油田渤页平 1 2井中进行 了应用，该体系性能稳定，在高 密度情况下流变性能 良好 ，施工过程 中起下钻通 畅，完井管柱下入 顺利 。 关键词 生物柴油 ； 钻井液 ； 油基钻井液 ； 毒性评价 ； 环境保护 中图分类号 T E 2 5 4 文献标识码 A 文章编号 油基钻井液一般用柴油或 白油作为基油 ，具有 抑制性强 、高温稳定性好 、抗污染能力强 、润滑性 良好、能较好地保护储层等优点 。 ] ，同时也存在 配制成本高、易污染环境、有一定的安全隐患等缺 点 [ 3 - 1 0 ] o为了克 服油基钻井液污染环境 的缺点 ，国 内 目前在油基钻井液体系中普遍使用 的基油为柴油 和低生物毒性 的各种矿物油。生物柴油是将各种生 物的油脂以及废弃的动植物油脂、不能作为食用油 的野生作物油等等成本低廉的原料通过化学工艺制 成可再生的生物燃料 ，其主要化学成分是脂肪酸甲 酯 [ 1 ” ，这种燃料可 以取代石化能源 。与柴油、白油 等矿物油相比，生物柴油具有以下特点 [ 12 - 1 8] 0①环 境保护性 生物柴油中硫含量低 ，二氧化硫和硫化 物的排放低， 不含对环境会造成污染的芳香族烷烃， 易于进行生物降解。②具有较好的安全性能 由于 闪点高 闪点 闭口 不低于 1 3 0 oC 所以生物柴 油不属于危险品，降低了运输和使用的危险性。③ 良好的润滑性能。④具有可再生眭能，符合国家提 倡的和谐可持续发展的战略要求。 l 室 内实验 1 ． 1 实验仪器和药品 主要实验仪器 高速搅拌器 NGJ 一 2 、六速旋 转黏度计 Z N N ． D 6 、滚子加热炉 X G R L 一 3 、中 压滤失仪 Z NS ． 2 、页岩膨胀仪 D Y Y -II 等。 实验 药品 生物 柴油 工业 品，符合 G B ／ T 2 5 1 9 9 2 0 1 0 、有机土 自制 、有机褐煤 自制 、 油溶树脂 、 表面活性剂 O P 一 1 0 、 S P 一 8 0等 ， 化学纯 。 1 ． 2全生物 柴油基钻 井液 1 ． 2 ． 1 钻井液配方 经过单剂优选和配方优化实验 ，确定全生物柴 油基钻井液配方如下，其性能见表 1 。 生物柴油 3 ％有机 土 1 ． 5 ％s P ． 8 0 2 ％有机褐 煤 1 ％O P ． 1 0 2 ％ 油溶性树脂 全生物柴油基钻井液加入表面活性剂是为了分 散有机土和乳化钻进中可能遇到的地层水 。实验结 果表明，该钻井液配方简单、性能良好、抗高温能 力较强。 第一作者简介 孙明波， 1 9 6 9 年生， 2 0 0 5 年获山东大学物理化学专业博士学位， 现在从事钻井液研究与教学工作。地址 山东省青岛市经济技术开发区长江西路 6 6号 ；邮政编码 2 6 6 5 5 5； 电话 1 3 9 6 3 9 8 7 2 4 6； E - ma i l mb s u n 1 2 6 c o rn。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 6 钻 井 液 与 完 井 液 2 0 1 3年 7月 表 1 不同温度下全生物柴油基钻井液体系的性能 1 ． 2 ． 2 抗污染性能 在全生物柴油基钻井液 中加入不 同量的钠膨润 土、自来水和 C a S O 来模拟钻井液中劣质土、地层 淡水和 C a 对钻井液性能 的影 响，结果见表 2 。在 全生物柴油基钻井液 中加入 1 0 ％不 同浓度 的 Na C 1 溶液来模拟盐水对钻井液性能的影 响，结果见表 3 。 表 2 全生物柴油基钻井液的抗污染能力 表 3 1 0 ％不同浓度的 Na C 1 溶液对 生物柴油基钻井液性能的影响 由表 2 、表 3可知 ，在生物柴油钻井液 中加入 自来水后 ，配方 中的乳化剂可以将水乳化从而保证 钻井液性能的稳定性 ； 加入 C a 后 ，体系的表观黏 度和塑性 黏度呈现先增大后减小 的趋势 ，动切力随 着 C a 浓度 的增 加而减小 ，在 较高浓度 的 C a 侵 入后钻井液性能只有很小 的变化 ； 加入 Na C 1 溶液 后，体系的表观黏度、塑性黏度和动切力呈现先增 大后减小 的趋势 ， 在 1 0 ％ 的饱和盐水侵入钻井液后 ， 钻井液 的性能变化较小。综上所述 ，该生物柴油基 钻井液具有较好的抗污染性能 。 1 ． 3 生物柴油油包水钻井液 1 ． 3 ． 1 钻井液配方 目前现场使用的油基钻井液主要是油包水钻井 液 ，因此在全生物柴油基钻井液研究的基础上 ，又 进行了生物柴油油包水钻井液研究 ，经过单剂优选 和配方优化实验，确定生物柴油油包水钻井液配方 如下 ，其性能见表 4 。 生物柴 油 3 ％有机 土 1 ． 5 ％S P 一 8 0 3 ％ 有机褐 煤 1 ％ 油酸 2 ％ 油溶性树脂 C a C 1 ， 溶液 浓度 为 2 0 ％ 表 4 生物柴油油包水钻 井液体 系性能 实 验结果表 明 ，随着油 水 比的增大 ，生物 柴 油油包水钻井液 的黏度 、切力略有上升 ，破乳电压 略有下降，但在油水比为 6 4时仍在 8 0 0 V以上， 说 明生物柴油油包水钻井液的配方简单 、 性能稳定。 1 ．3 ． 2 油包水钻井液的高温稳定性 油水 比为 8 2的生物柴油油包水钻井液高温 老化 1 6 h 后的性能见表 5 。实验结果表明，生物柴 油油包水钻井液具有 良好的高温稳定性，高温老化 有助于钻井液处理剂的分散、 溶解， 使钻井液黏度、 切力略有升高， 且乳液稳定性增加。 1 ．3 ．2 高密度生物柴油油包水钻井液 用重晶石加重后生物柴油油包水钻井液的性能 见表 6 。实验结果表明，随着重晶石加量的增加 ， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 O卷 第 4期 孙明波等 生物柴油钻井液研究与应用 1 7 钻井液 的黏度和切力逐渐上升 ，而破乳 电压逐渐下 降，在密度达 1 ． 9 2 g ／ c m 时，钻井液仍具有较好的 流动性 ，且乳液稳定。 表 5 不同温度下生物柴油油包水钻井液体系性能 0 | AV ／P v| Y P| FL | ES ／ g ／ c m mPa S mP a S Pa mL V 1 ． 4 生物柴油基钻井液生物毒性实验 由国家海洋局 北海环境 检测 中心检测 了生物 柴油基钻井液 的生物毒性 ，检测方法依据行业标准 G B ／ T 1 8 4 2 0 ． 2 2 0 0 9 海洋石 油勘探开发污染物生 物毒性检验方法 ，生物毒性评价依据行业标准 G B 1 9 4 2 0 ． 1 2 0 0 9 海洋石油勘探开发污染物生物毒 性分级 。检测结果显示，生物柴油钻井液对卤虫 Ar t e mi i d a e坳 体的半致死浓度 G 为 3 6 1 1 4 mg ／ L， 符合一级海区和二级海区生物毒性要求。 2现 场应 用 渤页平 1 2井是 中石化集团公 司部署在济阳坳 陷沾化凹陷罗家鼻状构造带的一口深层页岩油水平 井，钻探 目的为罗家地区罗 7 井区沙三下亚段泥页 岩储层性能及含油气情况。该井斜深为 3 5 0 5 m， 完钻井深为 3 5 4 2 m，垂深为 2 9 7 0 m， 水平段长为 3 7 1 ．6 5 m，采用三开井身结构，完井后下人完井管 柱进行投产开发。三开井段 2 9 5 7 3 5 4 2 m钻 遇沙三下地层主要为泥页岩，由于泥页岩易水化膨 胀造成井壁不稳定 ，因此采用生物柴油油包水钻井 液。钻井液转换步骤如下。 1 用清水清洗循环系统的钻井液池、 各个管线。 2 在上水罐 中注人调整好 的油基钻井液 ，以 4 m 的清水为领浆，将技术套管内的水基钻井液顶 替干净。 3 油基钻井液全井加重 ， 储备 8 0 m 密度为2 ． 1 5 g ／ c m 的油基钻井液重浆作压井液。 4 油基钻井液配制完成后 ，直接用油基钻井液 三开钻水泥塞 。 5 及时补充乳化剂和润湿剂 ，并注意及时调整 油水 比。 现场应用结果表明，生物柴油钻井液的性能稳 定 、易于维护 ，在高密度情况下流变性 、携岩效果 和抑制性能较好，能保证泥页岩井壁的稳定性 ，该 井三开井段井眼规则 ，施工过程 中起下钻通畅，完 井管柱下人顺利。三开钻井液性能见表 7 。 表 7 渤页平 1 - 2井三开钻井液性能 3 结论 1 ． 实验确定 了全生物柴油基钻井液配方为 生 物 柴 油 3 ％ 有 机 土 1 ． 5 ％S P ． 8 0 1 ％O P 一 1 0 2 ％ 有 机褐煤 2 ％ 油溶树脂 ； 生物 柴油油包水钻井液配 方为 生物柴油 3 ％有机土 3 ％有机褐煤 1 ． 5 ％ S P ． 8 0 1 ％油酸 2 ％油溶性树脂 C a C 1 ， 溶液 浓 度为 2 0 ％ 。 2 ． 全生物柴油基钻井液具有良好的抗高温、抗 水侵 、钙侵、盐侵和劣土侵的性能。 3 ． 国家海洋局北海环境检测中心检测报告显 示 ，生物柴油钻井液符合一级海区和二级海区生物 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 8 钻 井 液 与 完 井 液 2 0 1 3年 7月 毒性要求。 4 ． 现场应用结果表明 ，生物柴油油包水钻井液 的性能稳定 ，在高密度情况下 的流变性能 良好 ，施 工过程中起下钻通畅，完井管柱下人顺利。 参 考 文 献 Ho l t J r ．Ch a r l e s A ．F a l my H． T h e s u c c e s s f u 1 a p p l i c a t i o n o f d i e s e l a s h o r i z o n t a l d r i l l i n g fl u i d [ R] ． S P E 3 9 2 8 3 ，1 9 9 7 ． 白小东，蒲晓林．国外保护储层的油基钻井完井液新 技术研究与应用 【 J 1 ． 精细石油化工进展 ， 2 0 0 5 ， 5 0 1 2 1 2． 1 4． 舒福昌， 岳前升， 黄红玺， 等． 新型无水全油基钻井液 『 J 1 ． 断块油气田，2 0 0 8 ，1 5 3 1 0 2 1 ． 安文忠，张滨海，陈建兵 ． Ve r s a C l e a n低毒油基钻井 液技术 [ J 】 ． 石油钻探技术 ，2 0 0 3 ，3 1 6 3 3 3 5 ． Mu r r a y P ． B a r r i e r s t o s l i m h o l e d r i l l i n g[ J ] ． Wo r l d O i l ， 1 9 9 4，21 5 3 5 8 6 1 ． P r i e d h e i m J E． S e c o n d g e n e r a t i o n s y n t h e t i c d r i l l i n g fl u i d s 【 J 】 ． JP e t r o l T e c h n o l ， 1 9 9 7 7 7 2 4 7 2 8 ． M c k e e．J D A ．Do wr i c k． e t a 1 ． A n e w d e v e l o p me n t t o wa r d s i mp r o v e d s y n t h e t i c b a s e d mu d p e r f o r ma n c e[ R ] ． S PE 2 9 4 0 5，1 9 9 5 ． F r e d e r i c k B Gr o wc o c k ． Ap p l i c a t i o n o f wa t e r b a s e d a n d o i l b a s e d a p h r o n s i n d r i l l i n g fl u i d s [ R ] ． S P E 8 0 2 0 8 ， 2 0 0 3 ． Gu n n a r F i mr e i t e ，Ar n e A s k o，J a r r o d M a s s a m ， e t a 1 ． 在其他基团结构中，带有酰胺基团的酰胺基和 醇酰胺基与水相间的混合能低于其他基 团结构 ，与 水相相容的优越性较为明显 ，因而大部分钻井液处 理剂研发机构倾 向于使用带有酰胺基团的表面活性 剂作为油基钻井液的乳化剂 『 4 ] 。而对于和水具有 良 好相容性 的羟基作为亲水基团的表面活性剂 ，相关 分子结构的乳化剂鲜有报道。 3 结论 1 ． 油酸 、亚油酸和 l 2 一 羟基十八碳烯酸 3种不 饱和烃类脂肪链与十六烷之间的相容性优于其他植 物油脂肪链， 在构建乳化剂结构时可优先选择使用。 2 ． 在羧基 、磷酸酯基 、羟基 、酰胺基 、醇酰胺 基和胺基等不 同的亲水链段与水相间相互作用 中， I n v e r t e mu l s i o n fl u i d s f o r d r i l l i n g t h r o u g h n a o w h y d r a u l i c wi n d o ws [ R ] ． S P E 8 7 1 2 8 ， 2 0 0 4 ． [ 1 0 】Bl a n d R G，P e s s i e r R C，I s b e l l M R． Wa t e r b a s e d a l t e ma t i v e s t o o i l b a s e d mu d s d o t h e y a c t u a l l y e x i s t [ R ] ． DC ／ S PE 7 4 5 4 2． 2 0 0 2 ． [ 1 1 ]S y l v a i n Di d i e r B．Ko u a me ． C o mp a r a t i v e c h a r a c t e r i z a t i o n o f J a t r o p h a ， s o y b e a n a n d c o mme r c i a l b i o d i e s e l [ J ] ． J o u r n a l o fF u e l C h e mi s t a n d T e c h n o l o g y，2 0 1 1 ，3 9 4 25 9 2 64． [ 1 2 ]刘文凤 ，杜三旺，赵静．生物柴油和矿物柴油性质对 比 [ J ] ． 广东化T，2 0 1 0 ，3 7 2 1 0 8 2 9 1 ． [ 1 3 ]陈秀，袁银男，王利平，等．脂肪酸甲酯结构对生物 柴油低温流动性的影响 [ J ] ． 江苏大学学报 自然科学 版 ，2 0 1 0 ，3 1 1 3 1 - 3 9 ． [ 1 4 ]巫淼鑫，邬 国英 ，宣慧，等 ． 大豆油生物柴油低温流 动性能影响的研究 [ J 】 ． 燃料化学学报，2 0 0 5 ，3 3 6 6 98 70 2． [ 1 5 ]汪海波，徐群英．几种生物柴油的制备及其流变学性 能的比较 [ J ] ．燃料化学学报，2 0 0 8 ，3 6 5 5 7 0 5 7 6 ． [ 1 6 】吕涯，李骏，欧阳福生 ． 生物柴油调合对其低温流动性 能的改善 [ J ] ． 燃料化学学报 ，2 0 1 1 ，3 9 3 1 8 9 1 9 3 ． [ 1 7 ]董芳，丁泠然．生物柴油调合燃料润滑性能的研究 f J ] ． 润滑与密封，2 0 1 0 ，3 5 6 1 1 2 ． 1 2 0 ． [ 1 8 】江清阳，孙平 ． 生物柴油对能源和环境影响的研究 [ J 1 ． 江苏大学学报 自然科学版 ，2 0 0 2 ，2 3 4 8 - 1 1 ． 收稿 日期2 0 1 3 ． 0 1 ． 1 1 ；H GF 1 3 0 4 N3 ；编辑 王小娜 羟基与水相间相容性显著优于其他基团结构的亲水 基团，可作为油基钻井液乳化剂亲水基团使用。 参 考 文 献 [ 1 ] Wa r d B F ． Hi g h s o l i d s s o a p s o f f a t t y a c i d s a n d f a t t y o i l d e r i v e d p o l y c a r b o x y l i c a c i d s US ，3 9 3 3 7 8 0 [ P ] ． 1 9 7 6 ． [ 2 ] 梁大川 ，黄进军 ，崔茂荣 ，等 ． 抗高温高密度低毒油包 水钻井液的乳化剂优选和研制 [ J ] ． 西南石油学院学报， 2 0 0 0 ， 2 2 3 7 4 7 6 ． [ 3 ] 许明标 ， 唐海雄 ，曾晶， 等 ． 一种高效油基钻井液乳化 剂的加量极限 [ J 】 ． 石油天然气学报 ， 2 0 0 8 ， 3 0 0 5 X 2 7 8 - 2 8 0 ． [ 4 ] 党庆功 ，孙双，贾辉，等 ． 油基钻井液用 O E T乳化剂 的研制 [ J ] ． 油田化学 ， 2 0 0 9 4 3 0 0 ． 3 0 1 ． 收稿 日 J 2 0 1 3 ． 0 2 1 1 ；H G F 1 3 0 4 N1 ；编辑王小娜 Ⅲ H 、 页 4 l 第 接 上 ．，L 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m