新一代合成基钻井液.pdf

．逊 登 逸 2 新 一 代 合 成 基 钻 井 液 J ． E ， F r i e d h e im著 引 言 在墨西哥湾和北海地区 ， 采用合成基泥浆 S B M 即假油基泥浆钻井 已非常普遍 。其它 地区 ， 如远东、 奥大利亚、 墨西哥、 欧洲大陆、 南 美和俄罗斯 ， 也大都在使用或计划使用。由于 市场 日 益发展， 估计钻井行业已使用至少是第 二代合成基或假油基体系。虽然划分第一代 和第二代合成基泥浆的界限是随意而有争议 的。然而一般可以从基液成本和运动粘 度两 方面来划分。虽然第二代合成基泥浆价廉而 粘度低， 其产品的使用也 日益增多 ， 但还是不 能完全代替第一代合成基泥浆。因此 ， 应从二 者使用的基础材料来区分。第一代合成基泥 浆以酯、 醚和聚 烃 P A 0 为基础材料； 第二代合成基泥浆则以线性 一烯烃 L A O 、 内烯烃 I O 和线性链烷烃 L P 为基础材料。 表 1 为第一代和第二代合成材料的全部组分。 寰 1 台成基液 精醛 J 线性链烷烃 缩醛基是第一代合成液成本高的主要原 - l -、 _ r j 了 - 龙政军译 ■ 一 束德一校 因， 目前已- 不再使用。由于线性烷基苯 L A B 的价格和运动粘度较低而首次列为第二代类 型的合成材料。现在使用的线性链烷烃虽然 不是合成材料 实际有供使用的合成线性链烷 烃 ， 但仍列为第二代产品。合成材料的通用 定义为 通过化学合成法生产的材料 ． 称 为合 成材料。也许术语“ 假油” 更适合线性烷烃类 物质， 但为简便起见全部都包括在其它合成产 品里讨论 。 合成基钻井液的发展史 酯是 最早 用 于钻井 液的合成 材料 1 9 9 0 年 3月， 挪威 ， 随后使用了醚类 1 9 9 0年， 挪 威 ， 以后在挪威和墨西哥 湾用 了聚 烃 分别是 l 9 9 2年 5月和 6月 。在其后的 3年 时间里， 相继 开发 了线性烷 基苯 、 缩醛 、 线性 a烯烃、 线性链烷烃和内烯烃。在这一时期 ， 首次出现了两种不同类型的合成基液 P A O和 L P 复配使用。从此开始引入了其它类型的复 配物 ， 如酯和线性 r一 烯烃的复配使用。 由于受到钻井过程中允许钻屑直接排放 人海的根本利益驱动 ， 到且前为止， 全世界范 围已经有 5 O O多H井使用了合成基泥浆3 0 2 3 0 2 3 2 0 2 7 5 倾点 ． ．F 一丘 5 5 2 1 2 2 3 5 ． 4 --2 7 5 2 7 8 ． 6 倾点． ． F l一 2 l 4 6 ． 8 ～3 5 ． 6 一l 1 ． 2 芳香烃 f有 有 无 合成基液的组成和化学性质 表2 、 3 分别列出了第一代和第二代合成 基液的有关物理性质， 其基本组成和化学性质 决定了每种基液 的物理性 质、 技术局 限、 环境 影响及使 用效果。 P A O、 I O和 LA O基本上是源于同一化学 家族， 由纯乙烯制得 图 2 ， 然后再按照碳原 己骺 L A O l 譬 P AO 图 2 L A O、 I O、 P AO的结 构关 系 维普资讯 第十六●l 蝈B 年第 5 期 子总数蒸馏离析成各 自的分子量 范围。 例如， L A O分 子量 范 围大 约从 1 1 2 C s H】 6 到 2 6 0 H4 0 。蒸馏 L AO混合 物得 到单个 L A O 的特定馏分或 L A O的掺合 物。因此 ， 称为线 性 一 烯烃的 Ca4 C 1 6 也是 C 1 4 8 和 C 1 C ,3 2 线性 一 烯烃 的掺 合物； 同样 ， C | 6 C | 7 线 性 一 烯烃 也是 C 1 6 H ∞ 和 C 1 8 H3 6 的掺合物。I 是由线性 烯烃异构化合成的 异构化改变 了分子结 构 ， 原子组成未变 。与此相 同， P A o 由低 聚 线性 一 烯烃制得 低聚就是聚合程度较低的 形式 。 ／／ 1 C } kLAO ／ 、 ， ， 结构2 -G‘ H I 几种结构之一 图 3 L A O和 1 0的结构关系 L P既可通过单纯的合成路线 制得， 也可 通过包括加氢裂化和利 用分子筛方法 的多级 练油加工制得。目前北海和世界其它地区使 用的 L P基液， 是通过炼油厂加工生产 的。虽 然， 由炼油厂加工获得的副产品含有微量杂 质 ， 如芳香族化合物。炼油加工方法生产合成 材料的优点在于成本低 ． 大多数提纯产品 比直 接合成产品的成本更低。生产酯、 醚和缩醛必 须通过合成方法， 而不能通过炼油加工方法生 产 ， 原材料比乙烯成本 高。 加上采用合成加工 方法， 因此导致最终产品的成本非常高。 L A O和 I O在化学组成和结构 上非常相 似， 它们之间的结构差别 见图 3 在于 L A O 图中结构 1 的双键在末端即 a位置上 。 而 I o 图中结构 2 的双键 在两中间碳原子上。这 种结构变化导致 了相 同分子量 的 L A O和 I O 材料之间的物理性质差异 ， 其中倾点差异最大 表 4 。由于 I O 的内双键形成 了结构的异构 体 同分异构即双键转移 ， 使 I O 分子在冷却 时不能均匀地裹 在一起 ； 因此 I O 的倾点低于 L AO的倾点。 裹 4 L A O和 l 0基液的物理性质 1 0 4 ’ F温度下 的 材 料 闪点 ．． F 倾点， 。 F 粘魔 凹 L A D c l 6 一cl B 3 ． 1 2 9 4 ． 8 ’ 3 7 ． 4 L 0 C c 1 日 3 ． 1 2 7 8 ． 8 1 1 ． 2 L A O c l { 一Cl 6 2 ． 1 2 3 7 ． 2 1 0 ． 4 第一代和第二代合成基 泥浆的比较 本文重点把两种最常用的第一代合成基 泥浆 聚 r 烯烃和醋 与有相 当代表性的第 二代合成基泥浆 如内烯烃 进行 比较， 进而说 明两类合成基泥浆之 闻的差别。判别第二 代 合成 基泥浆是否优于第一代合成基泥浆的考 虑因素 ， 是环境可接受性、 钻井特性和成本 。 1 ． 环境可接受性 在北海， 要获准使用合成基泥浆， 排放钻 屑， 不但 要求进行 毒性 和生物 降解作 用的检 测， 还要检测生物积累潜能。除生耪积累潜能 外， 要求对基液和泥浆进行经常性舯毒性和生 物降解检测。毒性检测采用代表北海水生食 物链的三种永生物种海纂、 食荤动物和沉 积朴尝生物， 微生物降解检测需氧型和厌氧型 降解 。为了获得批准使 用合成基泥浆 ， 有时要 求进行海底模拟研究 。目前， 所有 S B M 基液 的生物积累潜能 1 o g P 值都大于 4 。I 值 大于 3 ～4的化学制 品被认 为具有 积累的潜 能。因此 ， 为了证明这些材料不会在活性组织 中积累， 需要经常进行生物积累即生物浓集的 研究。最近， 英 国已经开发出了一项周相生物 降解试验， 旨在评价合成基液海洋沉积物的最 终结果。现 已获得初步结果 。这些结果对 未 来环境立法有什么样的影响， 将拭目以待。 1 9 9 6年以后， 美国环保条例要求 ， 任何材 料达到标准允许钻屑排放之前， 需要呈文 “ 法 定解说” 、 “ 剧毒性 ” 和 “ 荧光度 ” 三个项 目的报 告。已颁发的美 国墨西哥湾海岸地区钻 井排 放许可证， 禁止排放原油、 柴油和矿物油及 任 维普资讯 何衍生产品， 包括泥浆和粘附有这些物质的钻 屑。任何含有某种油类的产品或泥浆体系能 否排放， 由毒性和荧光限翩决定。根据糠虾的 L J ， 0 值 致死浓度 5 O 一导致种群 5 0 ％死亡的 浓度 ， 试行条例的毒性要求， 目前所有泥浆悬 浮颗粒相的限制为 3 0 0 0 p p m。荧光 限制条例 是根据静态显示制定的。静态荧光是室内控 制试验； 检测的基本方法是在水柱中游人钻井 液试样 ， 然后观察在 1小时内的荧光显示或表 面现象。大多瞅 的舍成基泥浆能够通过静态 荧光检测。另一荧光试验是观察表 面光泽 ， 任 何表面光泽都能在现场看到， 此法用于监测钻 台污水和其 它排放物。几乎所有 的合成基液 都显示出一定程度的表面光泽， 在现场可能会 引起可见光泽观察的混淆。为了澄清这个结 果， 一些 B M供应商在现场提供分析检测性 能 ， 以保证产生表面光泽的唯一起源在于使用 的 S B M， 从而允许继续排放钻屑。 美国国家环保局 E a A 在 1 9 9 6年 U 月 颁布了含正式的合成基泥浆的定义， 把钻井 液分为四太类 水基； 油基； 改性矿物油基和台 戚基。补充了以前用于评价台戚基泥浆的检 测试行条例的适用范围。在确定选用合成材 料之前， l采用更先进 的分析技术 气相色谱质 措联用计或气相色谱火焰庖离检测技术 来评 价对鄂境的影响， 重点可以放在海洋深处的毒 性捡铡和生物降解检测上。国家环保局正着 手研究上述问题， 地方环保机构负责配发上游 范围的普通许可证 ． ． 第二代合成挝料 L A O和 I 。的组成及化 学性质与 P A O赢关 但毒性更大。对不同的 L A D研究表明 ， 子量的变化对毒性有影响。 分子量降低， 毒性增大。毒性随分子量降低而 增大的愿 因， 可能是 由于从有机相 向水相的l流 动性 或溶解性 提高所致。 合成材料 jo 疽降低也能反映出流 动性提 高 。 ， 在北海地区_， 合成材料及合成基泥浆的生 物降解性能是环境可接受性的关键问题。其 重要性 出于对用 S B M 钻进所产生的钻屑堆积 层演变的全盘考虑。已往 的研究表明， 用柴油 或低毒性矿物油基泥浆锗进； 产生的钻屑堆积 层实际上若干年都保持不变 ， 仍含有大量的基 液。海底恢复及整个恢复期对海底的影响， 是 问题的关键所 在。厌氧降解作 用仍 然是讨论 的焦点 ， 因为厌氧降解作用可以显示钻屑堆积 层内 S B M 降解潜能 。有人认为快速降解将最 大限度地减少 环境影 响 ， 因而使 海底 迅速 恢 复。根据模拟海底研究和实际海底观祷结果， 有人提 出了另一种观点 ， 这种观点认为快速降 解可能导致严重的缺氧状态 ， 对 当时的环境有 极大的影响。此外 ， 如果原材 料相对无毒 ， 降 解副产品可能也无毒性， 如与醋， 缩醛相关的 材料。 目前， 人们关注的焦点是环境瑰时影响而 不是环境的赤来。再些北曦地区晦国家正在 强调采用中等降解速度的台成材料。挪威 N iv a 实验室做的模拟海底研究显示， 第代 合成材料 如 L A O和 I O ， 降解速度在醋类和 矿物油之间， 对沉积撕中及周围的可见生物的 影响最小。最初认 为第三代 合成材料具膏 生 物积累趋势， 现在对各种水生有机物的生物积 累研究表明， 新型第二代合成烃类物质不产生 积累即生物浓集。目前还没有一套生物积累 检测的试行条例 因此， 对术苘材瓣的直接比 较有困难 。 ⋯ 管理者和作业者都在强调工作环境。显 然， 泥浆振动筛周围的求蒸汽气味和对皮肤的 刺激是两个焦点问题。各种吉戚基液相对挥 发性的比较 表 5 显隶 ， 犬部分合成材料比普 通高闪l点前矿物油产生的_水蒸汽更少 所检 测的 体为 L A O C l 4 q6 IO c c l 8 ， P A O C ．2 0 。一 ， 酯和在北 海常用的矿 物油 不管是什么连续相， 所有的反槽浪体都有产生 刺激皮肤的潜在问题， 这主要是因为台有乳化 剂和盐水。从工人管理和接撒泥浆的角度与 更 传统” 的油基泥浆体系 较， 合成基携浆更 容易被接受 。当I } 8 ； 这并不意 睐着使用和处理 合成基泥浆时， 就可忽视健康、 安全和卫生l常 识的要求。 维普资讯 国 外 钻 井 技 术 第 十 六 ‘ j 如 s 车 幕5 l期 衰 5 童内燕发试验结暴 蒸发量． 基灌试{ 荦 1 0 4 ． F 1 4 9 ． F 1 9 4 ’ F PA o 1． 0 1 ． 0 2． 9 LA0 3． 9 3 7 1 01 I O 2． 1 7． 3 笠 瞎 1 ． 0 2 ． 3 2 5 矿暂油 2 ． 7 1 4 2 6 G 1 2 0 l O 0 帅 6 0 4 0 2 0 0 图4 合成基泥浆 P m 与 I O的性 能比较 4 o o 。 F 加 热老 化 1 6小时 塑性粘度． c P ． - 朋l厦值． I b f n ∞ ； 1 0 S l o 秒 钟静街力i l O n r _ 1 0 分钟蕾切力； Hr } 高温高压砖失 ■ - L ／ s 注 比重为 2 1 7 S G ， 液 冰 为 9 0 ／ 1 0 ． 1 2 G FF 测 得的流变性 。 、 - r I ， ’ 2 ． 合成基泥浆的钻井性能 即使可以通过各种室 内数据对合成基泥 浆的性能做出评价， 但最终还是墨由现场决 定。评价往往是根据特定摹藏的性质， 热稳定 性和抗污染能力做出的 摹液禽稀， 一般合成 基泥浆的漉变性愈骣， 特别是高含水泥浆 液 ／ 水比等于或小于6 O ／ 4 O 或加重泥浆更突出。 图4 列出了在 4 O 0 。 F ．温度下加热老化 l 6小时 后 ， 两种合成泥浆 P AO和 1 0 液／ 水比 9 0 ／ 1 0 ； 泥浆密度 1 8 J b m a l ； 比重 2． 1 7 的流变性剖 面图比较。 在现场 ， 已获得各种合成基泥浆粘度影响 的类似结果。图 5和 图 6 l列 出了三种合戚 基 泥浆用在北海相邻井的比较。由图可以看出， l O基泥装 维持相 当高 的含水量 时， 可达到相 等或更低的高剪切速率粘度。高剪扭速率粘 度的降低 ， 对水马力的要求具有深远 的意义。 g 鞋 ■ 碹 E 箍 删 孵 塑性牯廑 脚 下 q 图 5 台成基体系塑性粘度比较 关， 正如图 5 6 所示 基液运动牿度的本身差 别， 主要在高剪切速率粘度 塑性粘度和表观 粘度 ， 使井眼净仡最好和重晶石下沉最少l韵 流变性调整要素， 显然是低剪切速率 6 一 和 3 转份 粘度 第一代和第二代合成基泥浆都 可以通过加1人有机土或低剪切流变性调节剂 来调节低剪切速率粘度。当然， 因第一代合成 基泥浆更稠 ， 所产生惋速 泵压原因 和环空返 速的限制将会影响井眼净化效率。 受粘度差异而产生决定性影响的因素， 是 匐相允限度和配方限制 如液／ 朱比 。例如密 度为 1 2 l ／ 的醣基泥浆要求醋／ 水 比在 7 5 也S 到 8 o 忽0之阿， P A O的装／ 水比在 7 0 ／ 3 o 到 7 5 ／ 2 5 问 ， 而 1 0 合成基泥浆则可用 6 0 ／ 4 0到 6 5 ／ 3 5的液／ 水比鬣制。低液／ 水比 有两方面的优点 一是减少基液排放到环境的 总量 ， 二是降低成本 。 在润滑性能方面， 也许第一代合成基液优 于第二代。如酯能有救地发挥边界润滑剂的 维普资讯 作 用 ， 在金 属表 面容 易形 成较 强 的物理 键 ； P A o还可用作高性能发动机的润滑荆。第二 代合成基泥浆也 已经被证 明具有较强的润滑 特性， 可与普通油色水泥浆媳美。 ．、 3 ． 成本分析 考虑合成材料的成本 ， 对采用合成基泥浆 的钻井施工总成本来说是重要 的， 当渗漏或垒 靖发生的可能性很大时， 尤其重要。如果不存 在井靖， 并正确地实施泥浆管理工艺， 合成基 泥浆的每英尺费用与普通油基昵浆大体报肖。 由于加工和原料成本的原 因， 显然第 二代基液 的费用比第一代产品低。此外， 由于第二代合 成基液的粘度小， 通过采用低于第一代合成材 料的用量 即低液／ 水 比 的方法 配制 泥浆 ， 能 够进一步降低每桶的配制成本。 裹6 相部并内的 S RC S RC 台成基藏体系 音成基藏 g ／ 干钻属 I h m PAt 3 4 2． 3 南 5 3 ． 6 I O 3 1． 8 ‘ *s R c 美据鞋自 北毒相邻井 1 2 H a 在监控和减少合成基泥浆的地 面损失从 而减少成本的嗣时 ， 也有必要考虑合成基泥浆 在钻屑上的残 留量。由于第 二代合成 基液 明 显更稀， 因而残留在被捧放钻屑上韵液体更少 见表 6 。乳化荆和基液的组成及化学性质 等其它因素也影响残留量。酯基泥浆与 P A O 基泥浆在 钻屑上残 留量 的比较结果 表 6 说 明了后者 的影响。 。 _ _ 结 论 一 按照现行的环境保护条例 ， 与普通油包水 泥浆 ， 水基泥浆和第一代合成 基泥浆 比较 ， 新 一 代合成基泥浆具有钻井性能上和经济上 的 优势； 在环境可接受性方面因其降解速度的改 进优于某些第一代合成基液， 从而平衡了 多数 第二代合成材料毒性增加而带来的影响。 与第一代合成基泥浆相 比可得 出如下结 论 1 ． 第二代合成基泥浆粘度 低， 从而 在配 制和运用方面更加经济。 2 ． 第二代合成基泥浆粘度低， 从而循环 压力也低。 3 ． 第二代合成基泥浆粘度低， 从而更适 合用作高温高压泥浆 。 长水平井钻井和深水井 钻井。 4 ． 除醋基外， 第二代合成槠料证明具有 较强的生物降解能力。 ． ，5 ． 一般来说， 第二代合成材料在水中的 毒性较大。 6 ． 第二代合成基液的成本较低。 译 卣J P T V o ． 4 9N o ． 71 9 9 7 上接第 5 9页 国内的覆盖和较快的响应。 作业特征变量的采用 ， 无髂对所有细节进 行详细的解释 ， 它只需关注主篓事件及趋势结 果。它会非常迅速地指出， 莱一未计划的事件 是否会发生 ， 而且它只是应用于这一 目的。 这种事后作业分析工具在不远的将来会 发展成为一种实时分析工具。 。 不过 ， 我们并 不推 荐在注水泥作业期间尝 试和使用这种模拟器来修正操作过程， 但如能 立即获得足够的信息就可能有助于明智地决 定是否必须对现有井提出任何补救方案， 也可 以决定对 同_ 二 地 区未来的井进行注水泥作业 时 。 是否应 当采取不 同的措施 。 译 自 t A DC／ 】 E 3 9 3 5 0 维普资讯