基于乳状液转相技术的钻井液新体系室内研究.pdf
第 4 1 卷 第 4 期 2 0 1 3年 7月 石 油 钻 探 技 术 PE TR LE UM DRI I I I NG TECHNI QUES Vo 1 . 4 1 No . 4 J u 1 ., 2 0 1 3 钻井完井 d o i 1 0 . 3 9 6 9 / j . i s s n .1 0 0 1 0 8 9 0 . 2 0 1 3 . 0 4 . 0 1 9 基于乳状液转相技术 的钻 井液新体 系室 内研究 任妍君 , 蒋官澄 ,张 弘 , 刘 凡 ,张 民 1 .石油工程教育部重点实验室 中国石油 大学 北京 , 北京 1 0 2 2 4 9 ; 2 .油 气资 源与探 测国家重 点实 验室 中国石油 大学 北 京 , 北京 1 0 2 2 4 9 摘要 为有效解决油基钻井液应用中存在的固井质量较差、 环境污染严重等问题 , 采用有机胺质子化可逆原 理 , 赋 予油基钻 井液 以乳化相 态的可逆 性 , 研 制 了一套 可逆 乳化钻 井 液体 系。该钻 井液体 系的 配方 为 5 白油 2 5 . 0 C a C 1 2 溶 液 1 _ 0 有 机 土0 . 5 石灰 1 . 0 润 湿剂 RS 4 . 0 乳化 剂 E T, 油 水 比为 5 O5 O , 密度 为 1 . 2 k g / L 。通过室内试验对该钻井液体系进行了全面的性能评价, 结果表明, 通过酸触相反转和碱触相回转, 可实 现 w/ O型 与 O/ W 型 间 自由转换 ; 且转换前后 的钻 井液性能 良好 破乳 电压达 5 [ ] ~9 0 0 V, 抗温达 1 8 0℃ , 高温 高 压滤 失量 小于 1 5 mL, 流 变性与传统逆乳化钻 井液相 当, 可抗 1 O 硫 酸钙 、 2 O 钻屑 污染, 渗 透率恢 复率和 滚动 回 收率都达 9 O 以上, 泥饼和含油钻屑更易处理。这说明, 研制的可逆乳化钻井液体 系兼备油基钻井液和水基钻井 液的优点, 且各项性能均为优 良, 能解决常规油基钻井液应用中存在的问题。 关键词 油基钻 井液 乳状液 转相 储 层保 护 含油钻屑 中图分类 号 T E 2 5 4 . 6 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 0 8 9 0 2 0 1 3 0 4 0 0 8 7 0 5 La b o r a t o r y St u d y o f a No v e l Dr i l l i ng Fl u i d Ba s e d o n Emu l s i o n Ph a s e Di v e r s i o n Te c hn o l o g y R e n Y a n j u n , J i a n g Gu a n c h e n g ,Z h a n g H o n g , L i u F a n , Z h a n g Mi n , 1 . E Ke y L a b o r a t o r y o f P e t r o l e u m En g i n e e r i n g C h i n a U n i v e r s i t y o f Pe t r o l e u m B e i j i n g , Be i j i n g, 1 0 2 2 4 9 , C h i n a ; 2 . S t a t e Ke y L a b o r a t o r y o 厂P e t r o l e u m Re s o u r c e s a n d Pr O S p e c t i n g C h i n a Un i v e r s i t y of Pe t r o l e u m Be z i n g , Be i j i n g, 1 0 2 2 4 9 , C i n a Ab s t r a c t A n o v e l r e v e r s i b l e e mu l s i o n d r i l l i n g f l u i d wh i c h i s u s e f u l i n r e s o l v i n g t h e c o n t r a d i c t i o n b e t we e n d r i l l i n g e f f i c i e n c y 。 c e me n t i n g a n d e n v i r o n me n t a l e f f e c t h a s b e e n i n v e n t e d b a s e d o n t h e p r o t o n a t i o n r e v e r s i b i l i t y o f a mi n e . Th e n e w d r i l l i n g f l u i d s y s t e m h a s r e v e r s i b l e e mu l s i o n p h a s e b e h a v i o r . Th e f o r mu l a t i o n o f t h e r e v e r s i b l e e mu l s i o n d r i l l i n g f l u i d wa s 5 wh i t e o i l 2 5 . 0 K 0 G a G 1 2 b r i n e 1 . O o r g a n o c l a y 0 . 5 l i me 4 . 0 r e v e r s i b l e e mu l s i f i e r ET 1 . 0 we t t i n g a g e n t RS, o l e a g i n o u s f l u i d t o n o n o l e a g i n o u s f l u i d _ r a t i o wa s 5 0 / 5 0 , d r i l l i n g f l u i d d e n s i t y wa s 1 . 2 k g / I . C o mp r e h e n s i v e p e r f o r ma n c e e v a l u a t i o n wi t h l a b o r a t o r y t e s t s h o we d t h a t t h e n e w d r i l l i n g f l u i d c o u l d b e r e a d i l y a n d r e v e r s i b l y c o n v e r t e d f r o m a wa t e r i n o i l e mu l s i o n t o a n o i l i n - wa t e r e mu l s i o n a n d b a c k t o a wa t e r - i n - o i 1 e mu l s i o n u s i n g a n a c i d b a s e c h e mi c a l s wi t c h . An d b e f o r e a n d a f t e r c o n v e r t i n g t h e e mu l s i o n mu d ma i n t a i n s g o o d p e r f o r ma n c e , wi t h e mu l s i o n - b r e a k i n g v o l t a g e o f 5 0 0 9 0 0 V, r e s i s t a n c e t o h i g h t e mp e r a t u r e o f 1 8 0℃ , HTHP f i l t e r l O S S o f l e s s t h a n 1 5 mL. r h e o l o g y c o rn p a r a b l e wi t h t r a d i t i o n a l i n v e r t e mu l s i o n d r i l l i n g f l u i d . a n d r e s i s t a n c e t o 1 0 K 00 c a l c i u m s u l f a t e a n d 2 0 K 00 c u t t i n g s p o l l u t i o n . Ad d i t i o n a l l y , b o t h p e r me a b i l i t y r e c o v e r y v a l u e a n d r o l l i n g r e c o v e r y r a t i o we r e a b o v e 9 0 , a n d t h e f i l t e r c a k e a n d o i l y c u t t i n g s c o u l d b e t r e a t e d e a s i l y . Th i s s u g g e s t s t h a t t h e r e v e r s i b l e i n v e r t e mu l s i o n d r i l l i n g f l u i d h a s b o t h me r i t s o f o i l b a s e d f l u i d a n d wa t e r - b a s e d f l u i d , a n d a l 1 p r o p e r t i e s a r e e x c e l l e n t . Th e r e v e r s i b l e i n v e r t e mu l s i o n d r i l l i n g f l u i d i s c a p a b l e o f r e s o l v i n g t h e p r o b l e ms wi t h t h e a p p l i c a t i o n o f c o n v e n t i o n a l o i l b a s e d d r i l l i n g f l u i d . Ke y wo r d s o i l b a s e d r i l l i n g f l u i d ; e mu l s i o n i n v e r s e ; f o r ma t i o n p r o t e c t i o n ; o i l y c u t t i n g 常规油基钻井液易导致钻屑、 地层等的润湿性 改变 , 造成泥饼清除困难、 水泥和地层之 间胶结弱 , 乳状液堵塞 地层、 含 油钻屑不易处 理、 成本 高等 问 题 。该类 问题严重影响 了钻井效率 , 阻碍 了油气资 源的勘探开发进程_ 1 ] 。一直 以来 , 科研人员只是 围 绕其造成 的负面结果来研究 , 如研制油基钻井液滤 饼解除液_ 2 ] 及含油钻屑 的物理 、 化学、 生物处理技 术等l 7 1 。从 2 0世纪 9 O年代 开始 , 人们开始转 变 思维 , 把研究重心转移到改善油基钻井液 自身上来 , 收稿 日期 2 0 1 2 1 2 1 7 ; 改回 日期 2 0 1 3 0 4 0 9 。 作者简 介 任妍 君 1 9 8 4 一 , 女 , 河 南焦作 人 , 2 0 0 8年 毕业 于西 安工程大学生物 工程专业 , 在读博士研究生 , 主要从事油气层损 害与 保 护、 油田化 学等方 面的研 究。 联 系方式 O 1 0 8 9 7 3 2 2 3 9 , s h e n g k a i y a n j u n 1 6 3 . c o rn 基金项 目 国家自然科学基金创 新研 究群体项 目“ 复杂 油气井钻 井与 完井基 础 研 究” 编 号 5 1 2 2 1 0 0 3 、 国家 高技 术研 究发展 计划 “ 8 6 3 ” 计划 项 目“ 海洋特大位移井水平井钻井液 关键技 术研 究” 编 号 2 0 1 2 A A0 9 1 5 0 2 与“ 致密砂岩 气高效钻 井与压裂改造 关键技术” 编 号 2 0 1 3 AA 0 6 4 8 0 0 、 国家自然科学石油化工联合基金 重点支持 项 目“ 页 岩气钻探 中的井壁稳定及 高效钻 完井基础研究” 编号 U1 2 6 2 2 0 1 资助 。 石 油 钻 探 技 术 采用低毒合成基替代油基[ 1 ] , 以减小油基钻井液 对环境 的负面影响 , 但未能解决钻井效率与固井质 量间的矛盾 。而要彻底解决油基钻井液使用中可能 带来的所有问题 , 需要找好解决问题 的切入点。乳 状液转相技术是采用物理 如变温 、 化学方法 如调 节 p H值 来实现乳状液 由 w/ o型转换为o / w 型 或由 o/ w 型转换为 w/ O型 , 在石油工程领域主要 用于原油的开采和输送工艺中口 , 而在钻井液中的 应用 国内外 尚处 于起步阶段[ 1 1 。为此 , 笔者依 据有机胺的质子化可逆原理, 采用酸碱触相变技术 , 将乳状液转相技术和油基钻井液技术结合 , 赋予油 基钻井液体系 以新 的特 点乳化相态 的可逆转 性 , 由此既可保 留油基钻井液的优点又让其有水基 钻井液的性能 , 为从根本上解决油基钻井液应用 中 的问题提供了理论依据与技术支持 。 1 可逆乳化钻井液的构建 1 . 1 可逆乳化剂与润湿剂的优选 选择合适 的可逆乳化剂是制备可逆转乳化钻井 液的关键。可逆乳化剂可 以是有机胺类表 面活性 剂 , 在碱性条件下 , 该类表面活性剂可形成稳定的油 包水乳状液 ; 当与酸接触后 , 有机胺上 的 N原子被 质 子 化 , 乳 化 剂 HL B值 增 大 , 形 成 水 包 油 乳 状 液[ 1 ] 。油基钻井液中润湿剂的 HL B值一般 为 7 ~ 9 , 除具有润湿反转作用外 , 可用作辅乳化剂 以增强 乳状液的稳定性l 1 。 笔者将破乳 电压 、 电导率以及水溶性结合起来 , 衡量体 系 可否 发 生相 转变 , 从 S p a n 8 0 、 AO一 4 5 5 、 B ARI X 1 2 、 5 0 HB - 4 0 0等多种表面活性剂中筛选 可逆乳化剂 。以破乳电压以及老化后 的离心分层率 为衡量标准, 从 I 6 2 、 1 , 2丙二醇、 吐温一 8 O等多种润 湿剂中筛 选合适 的润湿 剂。具体试 验方 法为 采 用 5 白油 、 2 5 . 0 C a C 1 溶 液、 3 . 0 乳化 剂 , 油水 比 5 0 5 0 , 在 1 2 0 0 0 r / mi n转速下搅拌 4 0 mi n , 制 备 1 0 0 mL油包水乳状液 , 测试破乳电压 , 然后滴加 2 mL 2 0 的盐酸溶液 , 继续搅拌 5 rai n , 考察水溶性 并测定 电导率 , 筛选 出可逆 乳化剂 E T。可逆乳化 剂 E T的 HL B值转换原 理可用式 1 表 示 式 中 1 ≤z ≤ 3 , 1 2 ≤ ≤ 2 2 ; NH R NH2的 HL B 值为 3 ~6 , R NH2 R NH3的 HL B值 为 7 ~ 1 8 H } 一 N H R 一 NH 2 NH 2 R NH 。 一 Jn 1 采用 5 白油、 2 5 . O C a C 1 溶液、 3 . 0 可逆乳化 剂 E T、 1 . 0 润湿剂、 1 . 0 有机土、 0 . 5 石灰 , 油水 比 5 O 5 0 , 在 1 2 0 0 0 r / mi n转速下搅拌 4 0 mi n , 制备 油包水乳状液 , 测试破乳 电压 。然后, 在 1 2 0℃下热 滚老化 1 6 h 后观察聚沉现象 , 并在 1 0 0 0 0 r / mi n下离 心 1 5 m i n , 考察 离 心 分层 率 , 筛 选 出合 适 的润 湿 剂 R S 。 1 . 2 可逆乳化剂与润湿剂的性能评价 采用 5 白油 、 2 5 . 0 C a C 1 溶液 、 3 . O 乳 化 剂 E T、 1 . 0 润湿剂 R S 、 1 . 0 有机 土、 0 . 5 oA石灰 , 油水 比 5 0 5 0 , 制备 1 0 0 m L油包水乳状液。在 1 2 0℃下 热滚 1 6 h , 以考察乳状液 的乳化 性能和抗温性能 。 往热滚后的油包水乳状液 中加入 1 ~1 0 mL 2 0 的 盐酸溶液 , 在 1 2 0 0 0 r / mi m转速下搅拌 2 0 rai n , 以 考察乳状液的酸触相反转性能 ; 继续往成功相反转 的加酸乳 状 液 中加 入 0 . 1 ~ 1 . 0 g氢 氧 化 钠 , 在 1 2 0 0 0 r / mi n转速下搅拌 2 0 mi n , 然后 , 在 1 2 0℃下 热滚 1 6 h , 以考察乳状液的碱触相 回转性能。试 验 结果见表 1 。 油基钻井液的核心问题是 , 在使用过程 中要确 保乳状液 的稳定 性 1 。由表 1可知 , 加入 润湿 剂 R S显著改善了乳状液的稳定性 和抗温性 , 在 1 2 0℃ 下热滚 1 6 h后 , 转相前后油包水乳状液 的破乳 电压 都能维持在 5 0 0 V以上 ; 而稳定性 、 抗温性的改善也 为乳状液相态逆转提供了必要条件 。 表 1 可逆乳化剂 E T乳化形成的乳状液的-陛能 Ta bl e 1 Pr o pe r t i e s o f e mu l s i o ns e mu l s i f i e d by r e v e r s i b l e e mu l s i f i e r ET 条件 动切 Pa 加动 塑比静 嘏 厨 电导 S r l l l H 值 乳化剂 E T 热滚后 热滚后 w/ o 1 4 润 L 4 湿 t 剂 N R E 酸触相反转 / w 2 5 碱触相 回转 w/ o 1 7 乳状液不稳定 , 出现分层 第 4 1卷 第 4期 任研 君等. 基 于乳状 液转相技 术的钻井液新体 系室内研 究 C a C l 。 溶液1 . 0 有机土0 . 5 石灰4 . 0 乳化 剂 E T 1 . 0 润湿剂 R S , 油水比为 5 0 5 0 , 用重晶石 粉加重至密度为 1 . 2 0 k g / L 。 2 通过酸碱调控可逆乳化剂的质子化和去质子 化 , 乳化钻井液可实现 w/ O型与 O/ W 型 的灵活转 换 , 从而兼备了油基钻井液和水基钻井液的优点。 3 研制的可逆乳化钻井液稳定性 良好 , 破乳 电 压为 5 0 0 9 0 0 V, 抗温达 1 8 0℃, 高温高压滤失量低 于 1 5 mL ; 同时, 该 钻井 液具有 优异的抗 污染 、 抑制 性 、 储层保护 l生能, 且滤饼易清除、 含油钻屑易处理。 4 可逆乳化钻井液 的稳定性、 可逆转性是该技 术 的核心 , 因此 , 为实现该技术的可调控性及现场应 用 , 还需进一步研究该钻井液的稳定性、 逆转机理及 相关影响因素 。 参考文献 Re f e r e nc e s [ 1 ] A r v i n d D P . 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