生物柴油钻井液的研究.pdf

第 3 0卷 第 6期 2 0 1 3年1 1月 钻井液与完井液 DRI LL I NG F LUI D COM P L ET 1 0N F L UI D Vo 1 ． 3 0 No． 6 NO V ．2 01 3 【 理论研究与应用技术 】 生物柴油钻井液的研究 杨洁 ， 徐同台 ， 武星星 。 ， 潘小镛 ， 侯瑞雪 。 1 ． 北京石大胡杨石油科技发展有限公司，北京 ； 2 ． 西安石油大学石油工程学院，西安 ； 3 ． 东北石油大学石油工程学院，黑龙江大庆 杨洁等 ． 生物柴油钻井液的研究[ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 1 3 ，3 0 6 3 6 4 0 ． 摘要将生物柴油用于配制油基钻井液，可以缇解用柴油和矿物油作基础油的污染环境 、成本高等缺点 阐 述了生物柴油的特征。由于生物柴油的主要成分脂肪酸甲酯是极性分子，因此基础油之间以及基础油与处理剂之 间的作用力与柴油作基础油时不同，所以必须对生物柴油钻井液的添加剂及其加量进行优选。经过大量性能评价 实验及正交实验，优选 出了全油基生物柴油钻井液基础配方 ； 采用动态沉降评价方法，通过调整增效剂、重晶石 品种及重 晶石颗 粒度 、对不 同品种重 晶石 的混 合使用 ，进 一 步优化 了钻 井液 配方，形 成 了抗 1 5 0 c 【 高温全油 基生 物柴油钻 井液 配方 。通过抗污染实验证明，该体 系有很好 的抗水 、土和 石膏污染能力，能够满足现场 的应用 需求 关键词 生物柴油钻井液 ； 全油基钻井液 ； 钻井液配方 ； 环境保护 中图分类 号T E 2 5 4 _ 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 5 6 2 0 2 0 l 3 0 6 0 0 3 6 0 5 油基钻井液越来越多地应用于高温高压井 、海 上钻井 、水平井 、大斜度定 向井 、页岩气钻井等高 难度钻井工程， 其面临的环境保护问题也 日 益严峻。 此外 ， 柴油 、矿物油容易起火并且成本较高 ，这些 都 限制 了油 基钻井液 的使用 。然而 ，用 生物柴油 B i o d i e s e 1 代替柴油 和矿物油可 以缓解这些缺点 ， 用生物柴油配制的钻井液有很大的潜在开发价值 [ 1 -3 ] o 国内外关 于生物柴油应用 于钻 井液方面 的研究文 献很少 ，生物柴油钻井液的研制 目前还处于初期阶 段 ，在 中国有一篇文献提及到生物柴油钻井液的研 究 [4 ] 。Me i s h a nWa n g ，Mi n g b o S u n等 在文章 中对 生物柴油的性能进行了研究 ，在常温和高温下分别 把生物柴油和用来配制油基钻井液 的白油性 能进行 了对 比，研究 了生物柴油抑制页岩膨胀的能力 。通 过室内研究 ，形成了一套抗 1 5 0 q C 高温的全油基生 物柴油钻井液配方。 1 生物 柴油特性 生物柴油是指以油料作物、野生油料植物、餐 饮废油等为原料 ，通过酯交换工艺制成的有机脂肪 酸酯类燃料 ，主要化学成分为脂肪酸甲酯，是典型 的 “ 绿色能源”[ 2 - 5 ] o生物柴油的特点有 ①较高的 含水率 ； ②密度小于水 ，相对密度在 0 ． 8 7 2 ～0 ． 8 8 9 之间 ； ③较好的润滑性能 ； ④有利于环境保护，生 物柴油是纯天然生物的提取物 ，降解速率是其他燃 料 的好几倍 ，降解率接近 1 0 0 ％，基本不含硫化物 的污染 ； ⑤实际应用具有安全性 ，燃点、闪 点较高； ⑥生产原料来源广泛 [2 1 ， 如菜籽油、 棉籽油、 大豆油 、花生油 、玉米油 、猪油、牛油、藻类油脂 、 地 沟油 等 ，目前世界上超过 9 5 ％ 的生物 柴油是 以 食用油为原料制备的，不 同原料制备的生物柴油理 化特性有所差异 。 生物柴油与 0 柴油的区别见表 l 。 2 全油基生物柴油钻井液研究 生物柴油的主要成分为脂肪酸 甲酯 ，0 柴油的 主要成分为 C1 6 ～C 2 0碳氢化合物 烷烃 、环烷烃 及芳烃 ，2者的主要成分不 同，分子结构差异大 ， 也就使得生物柴油有区别于柴油的一些特性 ①生 物柴油的脂肪酸 甲酯是极性分子 ，极性 比 0 柴油 大，分子间的作用力包括偶极作用和范德华力，比 0 柴油的分子间作用力 范德华力 大，因此受温 度的影响比0 柴油小 ； ②在钻井液中，处理剂与生 第一作者简介 杨洁，工程师，2 0 1 1 年获西南石油大学应用化学硕士学位，主要从事钻井液、油田化学方面研究工作。 地址 北京昌平科技园区火炬街 2 3号 ； 邮政编码 1 0 2 2 0 0；电话 1 3 8 1 0 3 3 2 0 0 7； E ． ma i l y a n g l 0 3 0 j i e 1 6 3 ． c o m。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 0卷 第 6期 杨洁等 生物柴油钻 井液的研 究 3 7 物柴油之间的作用力包括偶极作用 、范德华力 、氢 键作用 酯羰基氧原子可以作为氢键受体，与含有 活泼氢的化合物， 如水、 醇、 胺及酰胺等形成氢键 ， 而处理剂与 0 柴油之间的作用力为范德华力 ，因此 相同的处理剂与生物柴油和 0 柴油之间的作用力种 类和大小不同，适用于 0 柴油钻井液的处理剂可能 在生物柴油钻井液中不适用。 表 1 生物柴油与 0 柴油- 眭能的对 比 生物 运动黏度 ／ 闪点 ／ 灰分 ／ 水分 ／ 热值 ／ 柴油 g 1 ／ 5 c m ℃ 3 r 4 n 0 m ℃ 2 ／ s ℃ ％ mg ／ k g g 2 ． 1 全油基 生物柴 油钻井液 的配 制 2 ． 1 ． 1 钻 井液的配制程序 按钻井液用乳化剂评价程序 S Y／ T 6 6 1 5 --2 0 0 5 中的附录 B 钻井液用有机 土技术要求 进行有机 土的评价筛选实验。按照中石油长城钻探工程有限 公 司的企业标 准进行增 效剂 、润湿剂 、降滤 失剂 的筛选 实验。生物 柴油钻井液 配制程 序 ① 称取 生物柴油加入搅拌杯 ， 并启动高速搅拌 机以 1 2 0 0 0 r ／ m i n的转速高速搅拌 ； ②在高速搅拌下加人有机 土，搅拌 5 mi n； ③加入增效剂 ，然后继续 高速搅 拌 1 0 mi n； ④加入润湿剂 ，继续 高速搅拌 5 rai n； ⑤加入乳化剂，继续高速搅拌 5 m i n； ⑥在高速 搅拌下加入氧化钙和降滤失剂，然后高速搅拌 2 0 mi n； ⑦最后在高速搅拌 下加入重 晶石 ，继续高速 搅拌 4 0 mi n； ⑧将配制 的钻井液在 1 5 0 o C 下高温老 化 1 6 h ，然后再高速搅拌 2 0 m i n 。 2 ． 1 ． 2 动态沉降性能测量方法 钻 井液沉 降是指体 系 中高 密度 固相 或加重剂 下沉而引起 的钻井液密 度变化 ，由于主要使用重 晶石作 为钻井液加重剂 ，通常也称 为重晶石沉 降。 应用动态沉降测量评价了钻井液的沉降性能，使 用 OF I 9 0 0黏度计 与沉降鞋进行测定 ，采用 改进 的 V i s c o me t e r S a gT e s t VS T 方法 J 。 2 ． 2 钻井液添加剂的优选 由于地沟油生物柴油的质量不稳定，选用菜籽 油生物柴油进行实验。由于生物柴油不 同于 0 柴油 的特性 ，部分在柴油钻井液 中使用效果好的添加剂 可能不适用于生物柴油钻井液 ，因此需要对添加剂 进行优选 。 2 ． 2 ． 1 有机土 实验室评价了3 个厂家的有机土，结果见图 1 及表 2 。由图 1 和表 2可 以看出 相 同有机 土在不 同基础油 中的性质不同，在 0 柴油中，有机土的胶 体率及流变性能的顺序为 1 3 2 ，在生物柴油 中的顺序为 3 2 1 ； 根据胶体率和钻井液流 变性得 出，3 有机土适用于生物柴油钻井液。 ● 一 柴油 生物柴油 图 1 不同有机土胶体率 从左至右依次为 1 、 2 、 3 有机土 表 2 不同有机土对 0 柴油和生物 柴油钻井液流变性的影响 注 老化条件为 1 5 0℃、1 6 h 。 0 0 一 一 0 0 一 一 7 2 6一 l 7 2 加 一 0 O O O 0 1 1 2 4 3 5 一 ～ 一 一 一 0 2 3 3 4 E 1 1 一 l l 一 一 温 一 化 常 一 老 物 油 生 柴 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 8 钻 井 液 与 完 井 液 2 0 1 3年1 1月 3 有机土加量对钻井液流变性及胶体率的影响 见表 3 。 表 3 有机土加量对流变性的影响 1 5 0℃、1 6 h 从表 3可以看出，随着有机土加量的增加 ，钻 井液塑性黏度及动切力随之增大 ； 当有机 土加量为 3 ％ 时， 已经有较好 的胶体率 ， 并且流变性也 比较高， 能够满足要求。所以有机土的优选加量为 3 ％。 2 ． 2 ． 2 增效剂 增效剂在油基钻井液中的作用为提高钻井液黏 度及切力。不 同牌号的增效剂的影响见 图 2 。从 图 2可以看出 增效剂在 0 柴油中的提切效果明显优 于生物柴油，在 0 柴油中的增效顺序为 ABC， 在生物柴油 中的增效顺序为 ACB。根据提切 效果 ，选用增效剂 A用于生物柴油钻井液。 1 4 l 2 1 O 8 6 4 2 0 - _ ● 柴 铀 ， 雹 化 前 ● ■一 柴 油 ， 老化 后 n生物柴油，老化前 _ 一生物柴油，老化后 -I j L - 。 _ A B C 2 加有不同增效剂的油基钻升液老化前后动切力数值 不同加量的增效剂 A在生物柴油钻井液中的提 切效果见图 3 。 l O 8 耋 篓 4 撂 2 0 0 ． 0 0 ． 1 0 ． 2 0 。 3 0 ．4 0 ． 5 0 ．6 增效剂 3 增效剂加量对高温老化后钻井液性能的影响 从 图 3可以看 在有机土加量为 3 ％时 ，增 效 剂加量达到 O ． 3 ％ 时效果较好 ，且再增加流变性 变化不大 ，所以优选增效剂加量为 0 ． 3 ％。 2 ． 2 ． 3 氧化钙 不同氧化钙加量对钻井液性能的影响见图 4 。 5 O 罐 加 掣 3 0 2 0 1 O O 氧 化钙， ％ 冈4 氧化钙加量对钻井液性能的影响 从图 4可以看出，当氧化钙加量小于 1 ． O ％ 时 ， 几乎不会对钻井液流变性造成影响 ，当继续增大氧 化钙加量时，钻井液 的表观黏度和塑性黏度急剧增 加 ； 同时发现 ，氧化钙的加量对滤失量有较大的影 响，当体系中加人氧化钙时滤失量大幅度降低 ，继 续增大加量 ，滤失量仍相应减少 ，当加量 为 1 ． 0 ％ 时高温高压滤失量为 4 ． 6 mL，此时钻井液流变性也 较好 ，因此氧化钙优选加量为 l ％。 2 ． 2 ． 4 降滤失剂 将降滤失剂 A、 B、 C、 D、 F和 G分别加入钻井 液基浆中 ， 测得钻井液的高温高压滤失量分别为 4 、 2 8 、 4、 2 1 、 6和 1 1 mL，可以看出降滤失剂 A、 C、 F 均能明显降低滤失量， 其中降滤失剂A对钻井液的 性能影响小 ，有很好的泥饼 ，所 以优选其作为降滤 失剂。降滤失剂加量对钻井液的影响见图 5 。 6 O 加 5 0 3 O 娄2 0 l O O O l 2 3 4 5 6 7 降滤失剂 冈 5 降滤失剂加量对钻井液滤失量的影响 南图 5可知 ，随着降滤失剂加量的增加 ， 钻井 液的表观黏度 、塑性黏度呈现缓慢增长趋势 ，钻井 液 的高 温高压滤失量 急剧下 降 ，当加量为 5 ％ 时 ， 高温高压滤失量 小于 5 mL ，加量继续增加 ，滤失 量降低减缓，因此降滤失剂优选加量为 5 ％。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 0卷 第 6期 杨洁等 生物柴油钻井液的研究 3 9 2 ． 2 ． 5 润湿剂 实验室选用 3个厂家润湿剂在不 同基础油 中进 行评 价实验 ，结果见 图 6 。不 同加量润湿剂对钻井 液性 能的影响见表 4 。从 图 6和表 4可以看 出 相 同润湿剂在不同基础油中的润湿效果不 同，在 0 柴 油中，3种润湿剂差别不大 ，在生物柴油 中的润湿 率 顺 序 为 B 9 3 ． 3 ％ A 7 3 ． 3 ％ C 2 0 ． 0 ％； 根 据润湿率 ，润湿剂 B适用于生物柴油钻井液 ； 综合 高温高压滤失量及钻井液的沉降稳定性 动沉降量 实验 ，确定润湿剂加量为 2 ％。 一 墨 柴浦 生物柴油 罔6 润湿剂 A、B和 C 从左到有 的润湿效果对比 表 4 润湿剂 B加量对钻井液性能的影响 润湿剂 P y P ／ P G P 『 ／ 凡 H P ／ 动沉降量 ／ B／ ％mP a S P a P a ／ mP a s P a J P a m L g ／ c m 2 ． 3全油基 生物柴 油钻井 液配方 及优化 根据油基处理剂在生物柴油中的性能评价 ，以 及在体 系中的配伍性和最佳加量实验 ，得到大量实 验数据 ， 再通过正交实验结果 ，分析得 到的生物柴 油钻井液基础配方如下。 生物柴油 4 ％有机土 0 ． 4 ％增效剂 2 ％润湿剂 1 ％C A O 5 ％降滤失剂 重晶石 密度为 1 - 3 g ／ c m 全油基钻井液的沉降稳定性 ，在低温下 ，由于 浆体内部的黏滞力作用较强， 沉降问题并不突出。 但在高温动态情况下 ，由于处理剂的加人 ，以及高 温使布朗运动加剧， 破坏了浆体内部的黏滞力， 造 成了加重剂颗粒的沉降加快，从而使问题变得更突 出。近年来 ，高密度水基 、油基钻井液 的动态沉降 稳定性 已成为关注的问题 。影响动态沉降稳定性的 因素有钻井液的网架结构强弱 、加重材料 的密度 、 颗粒度及钻井液温度。正交实验所得钻井液基础 配 方的滤失量已基本满足要求，但是动切力和动塑比 较低 ，导致动态沉 降稳定性不好 ，因此提高动态沉 降稳定性 ，需要进一步优化配方。 实 验测 得 ，动 塑 比从 0 ． 4 3 0 P a ／ mP a S 提 高到 0 ． 4 5 7 、0 ． 5 1 1 、0 ． 5 3 8 P a ／ mP a S ，动 沉 降 稳 定 性 从 0 ． 1 8 0逐渐降为 0 ． 1 8 3 、 0 ． 1 5 2 、 0 ． 1 1 2 g ／ c m 。可以看 出， 通过调整钻井液处理剂加量与比例后 ，提高钻井液 动塑比，有利于钻井液动沉降稳定性 的改善 。重 晶 石品种及复配对钻井液动态沉降性的影响见表 5 和 表 6 。从表 5和表 6 可看 出，重 晶石粒度越小 ，沉 降稳定性越好 ，但对钻井液性能影响较大 ，重晶石 B与相同粒级 的重晶石相 比， 对钻井液性能影响小 ， 且沉降稳定性较好 ； 将不同粒度及密度的重晶石 B 和 D按照 1 1比例复配 ，对钻井液性能影 响不大， 沉降稳定性达到 0 ． 0 4 9 g ／ c m ，可以满足现场应用。 表 5 重晶石密度及颗粒度对钻井液性能的影响 重 p ／ P 7 Y P } Y P f P y } Ge E f 蠹 的 碡 量 } 石g ／ c m mP a S P a P a ／ mP a S P a ／ P a g ／ c m 表 6 重晶石密度及颗粒度对钻井液-眭能的影响 重晶石 P 搅 ／尸 ， ，尸 ／y 尸 ／ 尸 G 动态沉降量／ B D g ／ c m mPa S P a P a ／ mP a S Pa ／ P a g ／ c m ’ 根据钻井液的各项性能指标 ，实验室研制的全 油基生物柴油钻井液配方如下。 生物柴油 4 ％有机土 0 ． 4 ％ 增效剂 2 ％ 润湿 剂 1 ％C A O 5 ％ 降滤失剂 重晶石 5 0 ％ 超细重晶 石 D 5 0 ％ 重晶石 B 粒径为 6 1 g m 。 2 ． 4全油基 生物柴油钻 井液 的抗污染性能 对全油基生物柴油钻井液进行 了抗污染性能评 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 0 钻 井 液 与 完 井 液 2 0 1 3年 l 1月 价 ，结果见表 7 ～表 9 。 表 7 生物柴油钻井液抗水污染性能 O 5 1 0 1 5 2 0 1 9 1 0 ． 2 2 0 0 ． 5 3 8 6 ．0 ／ 7 ． 0 0 ． 0 3 3 3 1 1 3 ． 2 8 6 0 ． 4 2 9 6 ． 5 ／ 7 ． 5 0 ． 0 2 9 3 3 1 2 ． 7 7 5 0 ． 3 8 7 6 ． 5 ／ 7 ． 5 0 ． 0 2 5 3 7 1 2 ． 7 7 5 0 ． 3 4 5 6 ． 0 ／ 6 ． 5 0 ． 0 2 4 4 4 1 3 ． 7 9 7 0 ． 3 1 4 7 ． 5 ／ 9 ． 0 0 ． 0 3 5 8．4 1 2． 0 1 3． 6 1 4． 0 l 2． 8 表 8 生物柴油钻井液抗土粉 污染性能 0 1 9 1 0 ． 2 2 0 0 ． 5 3 8 6 ．0 ／ 7 ． 7 0 ． 0 3 3 5 2 7 9 ． 7 0 9 0 ． 3 6 0 6 ．0 ／ 6 ． 5 0 ． 0 3 4 1 0 3 0 1 0 ． 7 3 1 0 ． 3 5 8 6 ． 5 ／ 8 ． 0 0 ． 0 2 6 1 5 3 1 1 2 ．2 6 4 0 ． 3 9 6 7 ．0 ／ 8 ． 0 0 ． 0 2 6 2 0 3 4 1 4 ． 8 1 9 0 ． 4 3 6 8 ． 5 ／ 9 ． 5 0 ． 0 2 2 8 ． 4 6 ． 8 9．2 1 0． 0 l 4． 8 表 9 生物柴油钻井液抗石膏污染性能 1 9 1 0 ． 2 2 0 0 ． 5 3 8 6 ． 0 ／ 7 ． 0 0 ．0 3 3 2 8 1 0 ． 2 2 0 0 ． 3 6 5 6 ． 0 ／ 6 ． 5 0 ．0 3 7 2 8 l 1 ．2 4 2 0 ． 4 0 2 6 ． 5 ／ 7 ． 0 0 ．0 2 5 2 9 l 1 ． 7 5 3 0 ． 4 0 5 6 ． 5 ／ 7 ． 0 0 ． 0 2 1 8．4 8． 4 8．4 5． 6 从表 中可 以看 出 ，①在 体系 中加人 自来水后 表观黏度和塑性黏度都有所提升 ，并且随着水量的 增加逐渐增大 ； 动塑 比呈现缓慢减小趋势 ； 在水污 染 的情况下钻井液 的动态沉降量基本不变 ，控制在 0 ． 0 5 g ／ c m 以内，高温高压滤失量也控制在 1 5 mL 以内，都能满足现场应用要求 ，这说明钻井液具有 良好 的抗水污染能力 ； ②随着土粉加量 的增加 ，表 观黏度和塑性黏度都有较小幅度的上升 ； 动塑 比先 减小，然后又呈现增加趋势 ； 随着土粉加量的增加 动沉降量逐渐减小，钻井液沉降稳定性变好，加入 土粉后高温高压滤失量能控制在 1 5 mL以内，表明 钻井液有 良好 的抗土污染能力 ； 当钻井液加人石膏 后表观黏度和塑性黏度都有所增加，但随着石膏加 量 的变化呈现稳定趋势 ； 加入石膏后 ，动塑比减小 ， 也基本不 随石膏加量发生变化 ； 加入石膏后钻井液 沉降稳定性变好 ，高温高压滤失量能控制在 1 0 mL 以内，表明钻井液有良好的抗石膏污染性能。综上 所述 ，生物柴油钻井液具有很好 的抗水 、抗土和抗 石膏污染能力。 3 结论 1 ． 由于生物柴油与 0 柴 油的油品特性差异 ， 对生物柴油钻井液处理剂进行了筛选。 2 ．优选出了全油基生物柴油钻井液基础配方 ， 采用动态沉降评价方法，通过调整增效剂、重晶石 品种及颗粒度、混合使用不同品种的重晶石等进一 步优化了配方。形成了抗 1 5 0℃高温全油基生物柴 油钻井液配方。 3 ．该生物柴油钻井液具有很好的抗水、土和 石膏污染能力 ，能够满足现场的实际应用需求。 4 ．今后需对生 物柴油 的质量标准 、与生物柴 油相匹配的处理剂 、油包水钻井液等方面进行深入 研究 ，并用于现场。 参 考 文 献 M e i s h a n W a ng， S e n i o r En g i n e e r ，M i ng b o S u n， e t a 1 ． B i o d i e s e l b a s e d d r i l l i n g f l u i d s [ J ] ． I A DC ／ S P E 1 5 5 5 7 8 2 01 2． 沈瑁瑁， 迟晓元 ， 杨庆利， 等 ． 生物柴油的研究进展 ． 中 国生物杂志 ，2 0 0 6 ，2 6 1 1 8 7 - 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