植物油全油基钻井液研究.pdf

第 3 l 卷 第 6期 2 0 1 4年l 1月 钻井液与 完 井液 DRI LLI NG F LUI D COM P L ET I ON F LUI D V0 I ． 31 No ． 6 No v ．2 0 1 4 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ． i s s n ． 1 0 0 1 5 6 2 0 ． 2 0 1 4 ． 0 6 ． 0 0 7 植物油全油基钻井液研究 张洁， 李英敏， 杨海军， 冯杰， 李彦琴， 赵志良 中国石油钻井工程技术研究院，北京 张洁等 ． 植物油全油基钻井液研究 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 1 4 ，3 1 6 2 4 2 7 ． 摘要植物油的主要成分是脂肪酸甘油酯，化学活性强，其油基钻井液的配套处理剂需重新研究。通过分析 4种 有机土在植物油中的9 0 mi n和 4 h成胶情况及其对植物油基钻井液性能的影响，对有机土进行 了优选 ；自行研制了新 型乳化剂和降滤失剂，并与其他产品进行了对比评价。由植物油水解产物高级脂肪酸混合物和具有多反应节点的多元 醇在一定条件下反应，合成一种乳化剂，其乳化效率高，抑制水解效果好，热滚前后流变性较好，综合性能较好。自 制一种液体降滤失剂，其主要成分是大分子胶 团化合物和腐植酸酰胺 ，具有较好的降滤失效果，且能明显改善动塑比， 提高乳液稳定性，而且 已经实现工业化生产。经过大量性能评价实验及正交实验 ，形成了一套抗 1 5 0℃高温的植物油 全油基钻井液， 其配方为 基液 植物油 2 0 ％C a C 1 ， 9 5 5 3 ％乳化剂 2 ％ 有机土 4 ％ 降滤失剂 1 ％c a o 重晶石。 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，能够满足现场应用需求，具有很好的应用前景。 关键词全油基钻井液 ； 植物油 ； 环境保护 ； 钻井液添加剂 ； 合成 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 1 40 6 ． 0 0 2 4 ． 0 4 油基钻井液普遍应用于页岩、高温酸性地层 、大 段盐膏层 、大位移井等 ，但不利于环境保护，因此制 约了其使用 [ 1 - 2 ] 0国内外 自2 0世纪 8 O年代以来 ，相 继开发出环境保护性能好且可生物降解的植物油基钻 井液体系， 如 B a r o i d 公司 [3 -4 1 的B a r o i d P e t r o f r e e 体系 和 L V c 8 体系、I N T E Q钻井液公司的酯基钻井液体 系 及 MI 公司的 E C O G R E E N体系 L6 】 ，以及国内学 者研制的生物柴油基钻井液体系 [7] 。其基础油均采用 从植物油处理提取的脂肪酸单酯，具有安全环保、毒 性小，含油钻屑可生物降解，基础油成分单一，抗水 解 、抗温性能较好等优点 ，大量应用于环境保护要求 级别高的墨西哥湾以及挪威海域 [ 8 - 1 0 1 ，但其基础油价 格非常昂贵，未能在 国内推广应用。笔者采用价钱低 廉 的植物毛油为原料 ，通过研发抑制植物油水解的配 套处理剂 ，形成了一套植物油基钻井液体系。 1 实验 部分 1 植物油全油基钻井液配制方法。取植物油加 入搅拌杯 ，以 1 2 0 0 0 r ／ mi n的转速高速搅拌 ； 在高速 搅拌下加入有机土， 搅拌 5 mi n ； 用注射器加入乳化剂 ， 继续高速搅拌 5 min ； 缓慢地加入 2 0 ％氯化钙水溶液， 继续高速搅拌 2 0 m i n ，在高速搅拌下加入氧化钙和 降滤失剂，然后高速搅拌 2 0 min； 最后在高速搅拌 下加入重晶石，继续高速搅拌 4 0 m i n； 将配制的钻 井液在 1 5 0 cI 下高温老化 1 6 h ，然后再高速搅拌 2 0 mi n 。分别测定热滚前及热滚后 的破乳电压 、流变性 、 A P I 滤失量及高温高压滤失量。 2 有机土 的评价方法。选择 3种有 机土 ，植物 油作 为基 础 油，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。 3 乳化剂 的评价方法。选 择 5种乳 化剂 ，采用 以下配方评价 基液 植物油 2 0 ％C a C 1 ， 9 5 5 3 ％ 乳化剂 1 、2 、3 、4 、5 自制 2 ％ 有机土 1 十 4 ％降滤失剂 天然沥青 1 ％ C a O 重晶石 加重至 1 ．2 g ／ c m ，通过综合比较流变性、破乳电压、滤失 性能等参数优选出最佳乳化剂。 4 降滤失剂的评价方法。选择 3 种降滤失剂， 采用以下配方评价 基液 植物油 2 0 ％C a C I 9 5 5 基金项目 国家 8 6 3项 目 “ 海上大位移井钻井液关键技术研究”部分研究成果 2 0 1 2 AA 0 9 1 5 0 2 o 第一作者简介 张洁，1 9 8 5年生，2 0 0 9年获中国石油勘探开发研究院研究生部硕士学位，现主要从事钻井液与储层保护研 究。地址 北京市朝阳区北辰东路 8号北辰时代大厦 9 1 9室 ； 邮政编码 1 0 0 1 0 1；电话 ； E ma i l z h a n g j i e d r i c n p c ． t o m． c a 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 l 卷 第 6期 张洁等植物油全油基钻井液研 究 2 5 3 ％ 乳 化 剂 5 2 ％ 有机 土 1 4 ％ 降滤失 剂 1 、 2 、3 自制 1 ％c a O重晶石 加重至 1 ． 2 g ／ c m ， 通过综合比较流变性、破乳电压、滤失性能等参数筛 选出最佳降滤失剂。 2 植物油基钻井液配方的研制 2 ． 1 有机土的优选 有机土实验结果如表 1 和 图 1 所示。有机土在植 物油中的 9 0 m i n 胶体率差距不大，均大于 9 0 ％，但 是 4 h 后的胶体率差距较大， 1 的效果最好 见图 1 ， 且 l 有机土热滚前后 的流变性能稳定 见表 1 。综 合考虑有机土性能由好到坏的顺序为 1 4 3 ， 即 1 有机土最适合用于植物油全油基钻井液。 表 1 不同有机土对植物油钻井液流变性的影响 注 热滚条件为 1 5 0℃、1 6 h ，在 2 5 c c 测定性能。 空 白 3 1 图 1 4 种有机土的 4 h成胶情况 2 ． 2 乳化剂的研制与评价 5种乳化剂 1 ～5 的性能评价结果如表 2所 示。表 2中数据说明 ① 5 种乳化剂均能起到较好的 乳化效果，热滚前后的破乳电压均在 8 0 0 V以上，说 明植物油作为基础油容易乳化 ； ② 1 ～3 乳化剂体 系热滚后大 幅增黏 ，热滚前后 A P I 滤 失量普遍较大 1 0 ～6 4 ． 8 mL ，4 乳化剂体系热滚后动塑比小于0 ， 体系热滚前后滤失量较大 2 2 ～2 6 m L ，说明热滚 前后乳液稳定性不够 ，油水界面的吸附膜强度不够 ； ③ 5 自制乳化剂的乳化效率高，抑制水解效果好， 热滚前后流变性较好，热滚后适度降黏，采用常规沥 青作为降滤失剂，滤失量也处于较低的水平 2 ～3 mL ，综合性能较好 。 表 2 不同乳化剂植物油全油基钻井液性能 注 热滚条件为 1 5 0 、1 6 h ，在 5 0℃测定性能。 自制乳化剂的主要成分是高级脂肪酸多元醇酯 ， 由植物油水解产物高级脂肪酸混合物和具有多反应节 点的多元醇在一定条件下反应生成。该乳化剂具有 以 下特点 ① 由于原材料高级脂肪酸混合物为植物油水 解产物 ，反应生成 的乳化剂具有与基础油完全相同的 碳链基团，有助于在油水界面形成致密稳定的复合界 面膜 ， 乳化效率高 ； ②引入具有多反应节点的亲水基 团，降低了乳化剂的热运动幅度和热分解几率，可提 高乳状液体系的高温稳定性 ； ③在乳化剂中添加了抑 制植物油水解的成分 ，能提高体系的乳液稳定能力 。 2 ． 3 降滤失剂的研制与评价 3 种降滤失剂性能评价结果表明 自 制降滤失剂 具有较好的降滤失效果，且能明显改善动塑比 表 3 。表 3中数据显示 1 ～3 降滤失剂均能降低 A P I 滤失量及高温高压滤失量，但 1 降滤失剂体系热滚 后破乳电压下降，且 1 及 2 降滤失剂体系均未能使 滤失量降至合理范围内 ； 3 自制降滤失剂由于抗高 温亲油胶体含量高，使得植物油全油基钻井液的 A P I 滤失量从热滚前后的2 5 ～2 7 mL降至 O ．5 m L ，高温 高压滤失量从 8 5 mL降至 5 mL，且能明显改善热滚 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 6 钴井液与 完井 液 2 0 1 4年 1 1月 前后钻井液的动塑比。 表 3 加有不同降滤失剂的植物油基钻井液性能 注 热滚条件为 1 5 0 c C、1 6 h ，在 5 O℃测定性能。 自制降滤失剂为液体， 其主要成分是大分子胶团 化合物和腐植酸酰胺 ，具有以下特点 ①大分子胶团 化合物和腐植酸酰胺是较好的抗高温亲油胶体，可起 到较好的降低高温高压滤失量的效果 ； ②液体降滤失 剂具有更好的体系配伍性，有助于混合均匀，提高乳 液稳定性， 与常规降滤失剂沥青相比， 不存在软化点， 能够在不同的温度下起到良好的作用 ； ③液体降滤失 剂能提高乳液稳定性 ， 增加破乳电压，且对体系流变 性能影响小。该液体降滤失剂已经实现工业化生产。 室 内和现场应用结果表明， 其适用于白油基 、 柴油基 、 植物油基钻井液体系，可大幅降低油包水钻井液及全 油基钻井液的 AP I 滤失量及高温高压滤失量。 3 植物油全油基钻井液配方及性能 根据大量的处理剂在植物油全油基体系中的配伍 性及最佳加量实验 ，再通过正交实验 ，得到植物油全 油基钻井液的配方如下 ，评价了其基本性能及抗污染 性能 ，结果见表 4和表 5 。 基 液 植 物 油 2 0 ％C a C 1 ， 9 5- 5 3 ％ 乳 化 剂 2 ％有机土 4 ％降滤失剂 1 ％C a O 重晶石 由表 4可 以看 出 ，密度 为 0 ． 8 8 ～ 1 ． 6 g ／ c 的植 物油全油基钻井液 ，热滚前后塑性黏度 、动切力 、动 塑比、静切力均能维持在合理范围内，能保持较好的 流变性 ，破乳 电压高 ≥2 0 0 0 V ，乳液稳定性好 ， 高温高压滤失量低 ≤5 ．5 mL ，能够满足不同条件 下的钻井需要 。由表 5可以看出 加入 自来水 、膨润 土粉 、氯化钠 、石膏及氯化钙以后 ，植物油钻井液热 滚前后的塑性黏度和动切力小 幅上升 ，静切力变化幅 度不大 ，高温高压滤失量均有不同程度的增加 ，但是 能控制在 1 5 mL以内，表明植 物油全油基钻井液具 有很好的抗水、土、盐、钙及石膏污染能力。 表 4 植物油全油基钻井液基本性能 注 热滚条件为 1 5 o℃、1 6 h ，在 5 0℃测定性能。 表 5 植物油全油基钻井液抗污染性能 注 热滚条件为 1 5 0℃、1 6 h ，在 5 0℃测定性能。 4 结论 1 ．植物油作为油基 钻井液基础油具有无毒 、无 芳烃，价钱低廉，可完全生物降解，闪点燃点高，可 再生等优点，含油钻屑可直接排放，废弃物处理成本 极低 ，综合效益高。 2 ．结合植物油的特点 ，通过研制具有环境保护 性能的高效配套有机土 、乳化剂和降滤失剂 ，形成 了 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 l卷 第 6期 张洁等 植物油全油基钻井液研 究 2 7 一 套抗 1 5 0℃高温的环保型植物油基钻井液配方。 3 ．该植物油全油基钻井液体系可抗 1 5 0℃高温 ， 具有较好 的抗水 、盐钙 、石膏污染能力 ，能够满足现 场的实际应用需求 。 参 考 文 献 [ 1 】 A d e w a l e D， Og u n r i n d e J O． De v e l o p me n t o f e n v i r o n me n t a l l y f r i e n d l y o i l b a s e d mu d u s i n g p a l m o i l a n d g r o u d n u t - o i l [ J ] ． SPE 1 407 20． [ 2 ] V e i l A J ． Da t a s u mma r y o f o f f s h o r e d r i l l i n g wa s t e d i s p o s a l p r a c t i c e s [ R] ． US e n v i r o n me n t a l p r o t e c t i o n a g e n c y a n d US d e p a g me n t o f e n e r g y ， 1 9 9 8 1 - 3 4． [ 3 】 C a r l a s o n T，He mp h i l l T ． Me e t i n g t h e c h a l l e n g e s o f d e e p wa t e r g u l f o f me x i c o d r i l l i n g wi t h n o n - p e t r o l e u m e s t e r b a s e d d r i l l i n g fl u i d s [ J ] ． S P E 2 8 7 3 9 ． [ 4 】 P a t r i c k K，T e r r y A／ S ，Gr a h a m B． Un i q u e h o l e c l e a n i n g c a p a b i l i t i e s o f e s t e r b a s e d d r i l l i n g fl u i d s y s t e m[ J ] ． S P E 2 8 3 0 8 ． [ 5 ] E c k h o u D，D o l a n S ， Go g a n R， e t a 1 ． De v e l o p me n t p r o c e s s a n d fi e l d a p p l i c a t i o n s o f a n e w e s t e r - b a s e d mu d s y s t e m for E R D we l l s o n Au s t r a l i a ’S No r t h we s t S h e l tI J ] ． S P E 6 2 7 9 1 ． [ 6 ] Ar v i n d D． P a t e 1 ． E s t e r b a s e d i n v e e mu l s i o n d r i l l i n g fl u i d s a n d mu d s h a v i n g n e g a t i v e a l k a l i n i t y I V ] ．us p a t e n t 5 9 7 7 0 3 1 ． [ 7 】 B u r r o ws K， E v a n s J ， Ha l l J ， e t a 1 ． N e w l o w v i s c o s i t y e a t e r i s s u i t a b l e f o r d r i l l i n g fl u i d s i n d e e p wa t e r a p p l i c a t i o n s [ J ] ． SPE 6 65 53 ． [ 8 】 Md Ama n u l l a h ． P h y s i o c h e mi c a l c h a r a c t e r i z a t i o n o f v e g e t a b l e o i l s a n d p r e l i mi n a ry t e s t r e s u l t s o f v e g e t a b l e -- o i l -- b a s e d mu d s [ J ] ． S P E 9 7 0 0 8 ． [ 9 ]9 徐同台，彭芳芳，潘小镛 ，等 ． 气制油的性质与气制油 钻井液 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 1 0 ，2 7 5 7 5 7 8 ． Xu To n gt a i ， Pe n g Fa ng f a ng， Pa n Xi a o yo ng， e t a 1 ． P e r f o r ma n c e o f GT L a n d GT L b a s e d d r i l l i n g fl u i d [ J ] ． D r i l l i n g fl u i dc o mp l e t i o n fl u i d ，2 0 1 0 ，2 7 5 7 5 - 7 8 ． [ 1 0 】A mi n R A M ，C l a p p e r D K， No r f l e e t J E，e t a 1 ． J o i n t d e v e l o p me n t o f a n e n v i r o n me n t a l l y a c c e p t a b l e e s t e r b a s e d d r i l l i n g fl u i d [ J ] ． S P E 1 3 2 6 9 3 ． 收稿 日期2 0 1 4 ． 0 6 ． 1 3 ；H G F 1 4 0 6 W5 ； 编辑 汪桂娟 欢迎订阅2 0 1 5年 钻井液与完井液 钻井液与完井液创刊于 1 9 8 3 年 ，是国内外公开发行的全面报道钻井液与完井液技术的专业性期刊，由中国 石油天然气集团公司主管，中国石油集团渤海钻探工程有限公司和华北油田分公司联合主办。 本刊是中文核心期刊 2 0 1 1 年版 、 中国科技论文统计源期刊 中国科技核心期刊 ， 被美国 化学文摘 C A 、 美国 剑桥科学文摘 C S A 、美国 石油文摘 P A 、波兰 哥白尼索引 I C， I n d e x o f C o p e r n i c u s 、荷兰 文 摘与引文数据库 S c o p u s 、E 1 E n C o mp a s s 、 中国石油文摘 、 中国期刊全文数据库 、 中国学术期刊综合评价数 据库 、 万方数据 ． 数字化期刊群 、 中国核心期刊 遴选 数据库 和 中文科技期刊数据库等国内外检索机 构或数据库收录，同时为河北省优秀期刊、中国期刊方阵 “ 双百”期刊 、 第二届全 国优秀科技期刊评比二等奖期刊。 钻井液与完井液的报道内容包括钻井液 、完井液、固井液、射孔液 、压井液、修井液、酸化液 、压裂液等 方面的科研生产新成果、新技术、新进展、新经验 、新观点和国内外科技简讯及市场动态等。栏 目设置有理论研究 与应用技术、专论 、经验交流、动态与简讯。读者遍及石油 、地质、煤炭、化工、水电、冶金等行业。 钻井液与完井液国内统一刊号为 C N 1 3 ． 1 1 1 8 ／ T E，国际标准连续出版物号为 I S S N 1 0 0 1 ． 5 6 2 0； 广告经营许可 证号为 1 3 0 9 0 3 5 0 0 0 0 2 7 。本刊为双月刊，大 1 6 开 ，逢单月末出版，全刊彩色印刷。国内定价为 1 8 ． 5 0元 ／ 册，全年 6 期共 1 1 1 ． 0 0 元。编辑部 自办发行，邮汇与电汇均可，欢迎订阅。 银行 汇款信 息 户名 中国石油集团渤海钻探工程有限公司 ； 帐号 1 3 0 0 1 6 9 9 8 0 8 0 5 0 5 1 2 5 8 8 开户行 中国建设银行股份有限公司华北石油分行 邮局汇款信息 地址 河北省任丘市燕山南道 1 9 号信箱 ； 邮政编码 0 6 2 5 5 2； 收款人 钻井液与完井液 编辑部 电话 0 3 1 7 2 7 2 5 4 8 7 传真 ／ 2 7 2 2 3 5 4； E - ma i l z j y y w j y 1 2 6 ． c o rn，z y y w g j c n p c ． c o m． c n 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m