一种新型的油包水合成基钻井液.pdf

第4 5 卷第 2期 2 0 1 6 年 2月 当 代 化 工 C o n t e m p o r a r y C h e m i c a l I n d u s t r y V o 1 ． 4 5．N O ． 2 F e b r u a r y ， 2 0 1 6 一 种新型的油包水合成基钻井液 胡 兵 ，欧阳传湘 ，林 飞 ，赵春燕 1 ． 长江大学 石油工程学院， 湖北 武汉 4 3 0 1 0 0 ； 2 ．长江大学 地球物理与石油资源学院 ，湖北 武汉 4 3 0 1 0 0 摘 要 我国页岩气资源勘探开发已全面铺开。页岩失稳坍塌是 目前困扰中国页岩气水平井大规模钻探 的关键因素之一。合成基钻井液因其强抑制性强，在国外被广泛用于页岩气水平井钻井。借鉴国外相关经验 ， 设计实验优选出油包水合成基钻井液的配方矿物油f 0 A 白油 O B水 3 ． 0 ％乳化剂 纳米级 S i O 1 ． 6 ％ 醋酸钾 1 ． 0 ％有机土3 ． 0 ％降滤失剂 2 ． 0 ％润湿剂 重晶石。以在实验室内合成低毒、价廉的矿物油 O A和F _ j 油 O B 为基础油不仅能够降低成本，而且可以生物降解，对环境污染小。采用纳米级 S i O 做乳化剂，不仅有 很好的粘结性 、耐高温性 、成膜性，而且对高速搅拌下产生的气泡有一定的消泡作用。采用醋酸钾替代氯化钙 作为水相抑制剂，既增强了体系的抑制性又简化了配制工艺。该钻井液体系加重至 2 ． 4 0 c m 的流变性能良好， 破乳电压较高； 在 1 3 0℃条件下热滚老化后流变性及破乳电压变化都不大。该体系很适合用于高地层压力梯度 的四川盆地页岩 I 区块 下志留统龙马溪组下部一上奥陶统五峰组约 8 6 m层段 含气泥页岩段 目的层的开发。 其良好的润滑性能也有利于在该区块进行大位移水平井开发。 关键词合成基；油包水；页岩气；纳米级 S i O ；低成本 ；污染小；四川盆地 中图分类号T E 3 5 7 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 1 0 4 6 0 2 0 1 6 0 2 0 2 5 6 0 3 A Ne w Ty pe W a t e r - i n o i l S yn t he t i c Dr i l l i n g Fl ui d H U Bi n g ， OUY ANG Chu a n - xi a n g ，LI N Fe i ， ZHA0 Chu n - ya n 1 ． Co l l e g e o fP e t r o l e u m En g i n e e r i n g ， Ya n g t z e Un i v e r s i t y o f P e t r o l e u m E n g i n e e r i n g ， Hu b e i W u h a n 4 3 0 1 0 0， Ch i n a 2 ． Co l l e g e o f Ge o p h y s i c s An d P e t r o l e u m Re s o u r c e s ， Y a n g t z e Un i v e r s i t y o fGe o p h y s i c s An d Pe t r o l e u m Re s o u r c e s ， Hu b e i W u h a n 4 3 0 1 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t E x p l o r a t i o n a n d d e v e l o p me n t o f s h a l e g a s r e s o u r c e s h a s b e e n i n f u n s wi n g ．S h a l e i n s t a b i l i t y c o l l a p s e i S c u r r e n t l y p l a g u i n g o n e o f t h e k e y f a c t o r s i n Ch i n e s e s h a l e g a s d r i l l i n g ． S y n t h e t i c d r i l l i n g fl u i d s a r e wi d e l y u s e d i n o v e r s e a s s h a l e g a s h o r i z o n t a l d r i l l i n g b e c a u s e o f s t r o n g i n h i b i t i o n ．Ba s e d o n f o r e i g n e x p e r i e n c e s ，t h r o u g h d e s i g n e x p e r i me n t s 。 p r e f e r a b l e s y n t h e t i c o i l i n ． wa t e r f o r mu l a t i o n o f d r i l l i n g fl u i d wa s o b t a i n e d a s f c I l l o ws mi n e r a l o i l 0 A w h i t e o i l f O B w a t e r 3 ．O ％ e m u l s i fi e r n a n o ． S i O2 1 ． 6 ％ p o t a s s i u m a c e t a t e 1 ． 0 ％3 ． O ％ o r g a n i c s o i l f l u i d 1 O S S a d d i t i v e2 ． 0 ％ we t t i n g a g e n t b a r i t e ． Us i n g i n e x p e n s i v e OB a n d OA wi t h l o w t o x i c i t y c a n r e d u c e c o s t s ， a n d t h e y a r e b i o d e g r a d a b l e a n d h a v e l 0 we r p o l l u t i o n ． Na n o s c a l e S i O，i S u s e d a s e mu l s i fie r ,i t h a s g o o d a d h e s i o n ， h e a t r e s i s t a n c e ， fi l m． a l s o h a s a c e r t a i n a n t i ． f o a mi n g e f f e c t ． I n s t e a d o f c a l c i u m c h l o r i d e ， u s i n g p o t a s s i u m a c e t a t e a s a n a q u e o u s p h a s e i n h i b i t o r c a n e n h a n c e t h e i n h i b i t i v e c a p a c i t y o f s y s t e m a n d s i mp l i f y t h e p r e p a r a t i o n p r o c e s s ． T h e d r i l l i n g fl u i d h a s g o od r h e ol og i ca l pr o pe r t y a nd t he hi g he r br e a ki ng v ol t a g e ；Rhe ol og y a n d de mul s i fic a t i o n v ol t a g e c ha n ge s a r e no t l a r ge a t h o t r o l l i n g o f 1 3 0 ℃c o n d i t i o n ．T h e s y s t e m i S v e r y s u i t a b l e f o r t h e S i c h u an Ba s i n s h a l e b l o c k s I t h a t i s h i g h f o r ma t i o n p r e s s u r e g r a d i e n t ．I t s g o o d l u b r i c a t i o n p r o p e rti e s a l s o a r e c o n d u c i v e t o t h e d e v e l o p me n t o f l a r g e d i s p l a c e me n t h o r i z o n t a l we l l s i n the b l o c k ． Ke y wo r ds Sy nt he t i c ； W a t e r i n o i l ； Sh al e g as ； Na no s c a l e Si 02 ；Low c os t ； Lo we r po l l u t i on；Si c h ua n ba s i n 相对于水基钻井液， 油基钻井液 具有较强的防 塌抑制性、润滑性和良好的储层保护性能，但油基钻 井液存在干扰录井和测井及在环境敏感地区应用受 到限制等缺点。 如何解决成本和环境污染的问题成了 当下改善钻井液的关键， 在 2 0世纪 8 0年代末， 国外的 石油公司就开始了合成基钻井液的研发工作。 合成基 钻井液 于 1 9 9 0年 3月在北海首次应用并获得成功， 此后合成基钻井液的种类和应用不断增加 。C h e v r o n 在南海西部的 Y C 2 1 1 4高温高压井中使用的也是 D o w e 11 公司的合成基钻井液技术。 为满足中国海洋石 油的勘探开发需要， 开发保留油基钻井液优点而 且保 护环境的合成基钻井液技术已势在必行。 作为我国首 个页岩气合作开发项 目， 壳牌公司 自2 0 1 0 年 l 2月起 应用环保型的低毒合成基钻井液对四川富顺 区块页 岩气气藏进行了钻探开发并取得了成功。 本研究主要在室内进行， 研制出的合成基钻井液 成本低 、污染小、流变性能好 ，密度可调范围大 ， 适 合用于高地层压力梯度的四川 I 盆地页岩 I 区块 下志 收稿日 期2 0 1 5 - 1 0 2 1 者简夼 胡兵 1 9 9 2 一 ，湖北松滋人，研究方向现在从事钻井液技术研究。E -m a i l l l 2 9 3 1 4 7 9 9 q q ． C O m 。 第4 5 卷第2 期 胡 兵，等一种新型的油包水合成基钻井液 2 5 7 留统龙马溪组下部一 E 奥陶统五峰组约 8 6 m层段 含气泥页岩段 目的层的开发 。其 良好 的润滑性能也 有利于在该区块进行大位移水平井开发。 1 钻井液体系的研制 1 ． 1 基础油的选择 要想合成基钻井液能够取代油基钻井液的关键 问题是要能够找到相对价廉的基础油。针对这一问 题 ，结合 国内外的相关研究 ，在实验室合成 了一 种低毒 、成本低的矿物油 O A ，其性质如下表 1 。 为了能够有效的控制钻井液体系的流变性 ，选择另 一 种基础油 白油 O B 来一起组成该体系的基 础油 。 对两种基础油进行不 同比例的复配 ， 在 5 0 条件下测试其流变性 的结果见表 2 。 表1 合成矿物油 的性质 表 Ta bl e 1 The pr ope r t i es of s ynt he t i c mi ne r al oi l 含硫量 ／ 倾点闪点 运动黏度 ／ 苯胺点 芳烃含量 ／ mg ／℃／o C mm 2 S ’ ／℃ m g - k g - l 一 2 O 8 O 4 7 5 2 ． 0 。 表2 不 同比例 的基础 油复配后的流变性能 Tabl e 2 Th e r he o l og i c a l pr o pe r t y o f di f f e r e n t pr o por tions o f ba s e o i l di s t r i bu t i on 1 ． 2 乳化剂的选择 为 了适应页岩气地层的开发 ，所选择的乳化剂 剂应该遵循如下原则 H L B值为 3 ～ 6 ；②对环境 无污染；③与油的亲和能力要强；④能较大幅度地 降低界面张力； ⑤抗温能力好， 在高温下不降解， 解 吸不明显。基于此要求，经过大量的文献调研，了 解到有一种 纳米级 的二氧化硅 能够 很好 的满足要 求。该纳米二氧化硅无毒 、无味 、无污染 ，颗粒尺 寸小 ，比表面积大 ，表面存在大量不饱和键及不 同 键合状态的羟基，由于其特殊的化学结构，不仅能 用于水体系，还能用于油体系。纳米二氧化硅 呈 分散状态分散于体系中，可以使生成的油包水乳浊 液具有很好的粘结性 、耐高温性 、成膜性 ，能够保 证钻井液体系具有很好的抗温性能 。特别指出， 纳米基二氧化硅在体系 中分散时，其特殊 的结构 ， 特别是三维网状结构，使其具有强吸附率而导致破 泡 ，能够消除高速搅拌过程 中产生的泡沫，也是一 种高效消泡剂 。 1 ． 3 水相抑制剂的选择 通过对四川盆地页岩 I区块 的岩心进行敏感性 分析 ，了解到该区块是中偏强强水敏 ，并且微 裂缝 比较发育 ，因此必须选择一种强水相抑制剂 ， 现场常采用采醋酸钾替代氯化钙作为水相抑制剂 。这样既增强了体系的抑制性又简化了配制工艺。 而且醋酸钾与氯化钙相比更加环保 ，其配制的钻井 液对环境 的影响也较小。 1 ． 4 配制工艺的选择 选用 的纳米级 的二氧化硅含有大量 的羟基， 具 有较强的亲水性 ， 在水溶液体系中能够形成分散液， 只有 纳米 二氧化硅 的分散液 才具 有很好 的粘结 性 、耐高温性 、成膜性。分散 的纳米基二氧化硅具 有特别的三维网状结构，使其具有强吸附率而导致 破泡，是高效消泡剂。要想使该纳米级的二氧化硅 具有很好的乳化和消泡效果 ，让纳米级 的二氧化硅 分散是关键的步骤 ， 因此 ， 在钻井液的配制过程 中， 要合理的添加配方 ，各成分的添加顺序是 先加人 基础油充分搅拌，在同时加入水和纳米级的二氧化 硅，充分搅拌，让二氧化硅很好的分散于水中，最 后附着在油水界面处 ，形成稳定的耐高温的油包水 乳浊液 ，接下来在一一添加各种添加剂 ，并逐一充 分搅拌，配成目标钻井液。 2 体系性能的评价系 以各个配方作为单 因素变量 ， 设计相关实验 。 ， 筛选出了最佳的配方 矿物油 0 A 白油 O B 水 3 ．o ％- L 化剂 米级 S i O 1 ．6 ％醋酸钾 1 ．0 ％ 有机土 3 ． 0 ％降滤失剂 2 ． 0 ％润湿剂 重 晶石 。 2 ． 1 加重性能 由于下志 留统龙 马溪组一上 奥陶统五峰组 地 层压力梯度很高，属于高压地层，且采用控压钻井 技术 ，必须采用高密度钻井液 2 ． 2 0 g ／ c m 来平衡 地层压力。对钻井液体系的加重性能评价如表 3 。 表3 加重性能评价表 Tabl e 3 Ra ting o f me r i t a f t e r i nc r e as i ng t he we i gh t 数据显示，使用重晶石对体系加重后，对体系 的流变性影响，依然能保持良好的性能，随着密度 的增加 ， 破乳电压反而有所增加 ， 最高密度可达 2 ． 2 0 g ／ c m 。 望 当 代 化 工 2 0 1 6 年2 月 2 ． 2抗老化性能 四川盆地页岩 I区块 目的层 的地层温度为 7 0 ℃。将按最佳方案配制的钻井液装入老化罐在 1 0 0 ℃条件下老化 1 6 h ，冷却至室温，在 5 0℃下测量 其性能，并与热滚前进行比较， 得到的体系的抗温 性能如表 4 。 表4 抗温性能评价表 T a b l e 4 Te mp e r a t u r e r e s i s t a n c e e v a l u a t i o n 数据显示 ，1 0 0℃X 1 6 h热滚后 ，体系的性能 没有发生显著变化 ，仍然具有很好的流变 I生和电稳 定性， 体系抗温可达 1 0 0℃， 满足开采四川盆地页 岩 I区块 目的层的需要 。 2 ． 3 抗污染性 在四川盆地页岩 I区块 ，钻井液主要受钻屑的 污染，设计实验，对其抗污染能力进行了评价，得 到的结果如表 5 。 表5 体 系的抗污染-眭能 Ta bl e 5 The s ys t e m of po l l ut i o n r e s i s t a nc e 注 体系的密度为 2 ． 2 0 g ／ c m ，热滚条件均为 1 0 0℃ 1 6 h ，热滚后 在 5 0℃下测其流变性。 数据显示，随着钻井液中钻屑含量的增加，钻 井液的黏度有所增加 ，但增加幅度不大 ，对钻井液 的流变性和电稳定性影响不大 ，该合成基钻井液对 该 区块钻屑的污染具有很强的抵抗能力。 2 ． 4 储层保护效果 在 7 0℃、 3 ．5 M P a 的条件下， 使用密度为2 ．2 0 g ／ c m 的 目标钻井液 ， 对页岩 I区块储层的岩心进行 污染 ， 时间为 2 h ， 并对污染的结果做出了相应的评 价 ，结果如表 6 。 表6 钻井液的储层保护效果评价 Ta b l e 6 Dr i l l i n g flu i d r e s e r v o i r p r o t e c t i o n e f f e c t e v a l u a t i o n 注岩样选用的是 Y Y1 井所取的岩芯。 数据显示 ， 岩芯的直接返排渗透率恢复值较高 ， 均在 9 0 ％1 2上 ，该合成基钻井液对储层有很好的保 护效果。 2 ． 5 生物毒性 结合 国内外的情况 ， 采用了发光细菌法对合成 基钻井液的生物毒性进行 了评价 ，得到的结果如表 7所示。 表7 钻井液各添加剂生物毒性评价 T a b l e 7 Th e b i o l o g i c a l t o x i c i t y a s s e s s me n t o f d r i l l i n g flu i d a ddi t i v e s 分析各添加剂结合实验数据了解到，各个成分 均为无毒 ，而且基础油性质优 良。该体系具有很好 的生物降解性 ， 对环境污染小，可以广泛的使用。 3 结 论 1 采用室内合成的矿物油作为主基础油 ， 用 白油来调节矿物油的黏度 ， 可以得到流变性能 良好 ， 成本低 的合成基钻井液 。 2 采用的矿物油 、 纳米基二氧化硅 、 醋酸钾 等材料作为添加剂 ，对环境的污染更小 ，更有利于 广泛的应用 ” 。 3 采用醋酸钾替代氯化钙作为水相抑制剂， 既增强了体系的抑制性 ，又简化了配制工艺 。 4纳米级 S i O 特殊的化学结构使它的分散 液在体系中具有很强的粘结性、 耐高温l生、 成膜性， 能够保证油包水乳液的稳定性 ，从而保证了该钻井 液的优 良性能。特别地 ，纳米级 S i O 的三维 网状结 构，使其具有强吸附率而导致破泡，能够消除高速 搅拌过程中产生的泡沫，也是一种高效消泡剂。 5纳米级 S i O 只有在分散的状态下才能发 挥作用 ，在配制过程 中应该严格按照工艺添加，同 时加入水和纳米级 S i O ，搅拌充分后在依次添加其 他成分 ，以保证充分分散。 6 该体系具有成本低 、环保 、 性能良好等特 点 ，可以在四川盆地页岩 I区块 Y Y1 1水平井 的 钻进过程 中使用 ，对同类型的地区也有很强的指导 作用。 下转 第 2 6 2页 2 6 2 当 代 三 兰 因可能导致尿素抑制菌丝体的生长 1 选取的尿 素浓度过高； 2 菌丝体中没有能够利用尿素的酶。 四种药物以根腐宁和甲基托布津的抑菌作用最强， 优美毡被孔菌在选取的四种浓度中都无法生长，可 以作为该菌的有效抑制剂，但是需要通过进一步实 验得到抑制该菌生长的最低浓度。福美胂对优美毡 被孔菌的抑菌作用随着浓度增加而加强的程度很 大 ，而多菌灵对优美毡被孔菌的抑菌作用随着浓度 增加而发生的变化不是很大。所以可以断定 ，在多 菌灵和福美胂 中，后者的抑菌作用要强于前者 ，相 对来说 ， 可以选取浓度为 0 ． 5～i 0 g ／ L的福美胂作 为 该菌的有效抑制剂。 如图 7所示 ，分别添加浓度为 1 0 ． 0 g ／ L上述四 种药物的 P D A 培养基对优美毡被孔菌生长速度的 影响很大，培养第 5 d 时，分别含根腐宁和甲基托 布津的培养基菌落直径均为 0 ．7 0 c m、 而含多菌灵的 培养基菌落直径为7 ． 1 7 c m、 福美胂的培养基菌落直 径为 4 ． 3 3 c m。这表明，在添加浓度为 1 0 ． 0 g ／ L的四 种抑制型药物的 P D A培养基中， 根腐宁和甲基托布 津的抑菌作用最强， 接种的菌丝体几乎无生长迹象， 甚至菌丝萎缩死亡 ，而福美胂 的抑菌作用比多菌灵 的作用强。 3 讨论与结论 优美毡 被孔 菌相对最适 温度 范 围为 2 5～3 5 ℃，同时该菌还表现出对高温的耐受性 ，在 4 0 ℃ 时菌丝体有一定的生长。由于优美毡被孔菌在 2 5 3 5℃均表现出类似的生长情况， 所以该菌生长的最 适温度还有待于进一步研究。优美毡被孔菌在不同 的酸碱环境 中，对其生长速度的影响不大 ，因此需 要进一步通过试验论证 。在添加不同碳源的培养基 中，优美毡被孔菌的菌丝体密度均很小，菌落分布 较薄且稀疏。分析其原因可能是添加碳源的质量百 分比不够，或者是因为培养时间不够长，有待于进 一 步试验论证。不同的碳源对优美毡被孔菌的生长 速度有显著影响，相对最好的碳源为淀粉 ，揭示出 该菌对多糖的利用率较高。优美毡被孔菌在添加量 中浓度的氮源培养基上长势良好，大多数菌丝体的 密度大 ，菌落较厚 。优美毡被孔菌对各种氮源的选 择性较明显，随着氮源浓度的降低，菌落满盘的时 间缩短，蛋白胨的作用逐渐强于酵母汁。有两点原 参考文献 [ 1 ] 戴玉成，秦国夫，徐梅卿．中国东北地区的立木腐朽菌[ J ] ．林业科 学研究 ，2 0 0 0 ，1 3 1 1 5 2 2 ． [ 2 ]戴玉成．药用担子菌 一鲍氏层孔菌 桑黄 的新认识l J Il中草药， 2 0 0 3 ，3 4 1 9 4 - 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