高内相逆乳化钻井液体系的室内研究-.pdf

6 4 精细石油化工 S PECI ALI TY PETR0CH EM I CAI S 第 3 2卷 第 l 期 2 0 1 5年 1月 高 内相逆乳化钻 井液体 系的室 内研究 蒋官澄 ， 任妍君 。 ， 郑杜 建。 ， 安 玉秀 。 1 ． 中国石油大学 北京 石油 工程教育部重点 实验 室 ， 北京 1 0 2 2 4 9 ； 2 ． 中国石油大学 北京 油气资源与探测 国家重点实验 室， 北京 1 0 2 2 4 9 ； 3 ．中国石化石 油工 程技术研 究院德州大陆架石油工程技术有限公 司， 山东 德州 2 5 3 0 0 5 摘要 为了有效降低油基钻井液的油相 比例 ， 研制了高 内相 逆乳化钻 井液体系 。该体 系具有低 油、 低 毒、 低 固 相 、 较低成本的优异特性 。该体系 的配方为 5 白油 3 O C a C 1 z 盐水 HF GE L 一1 2 0型有机 土 W 一1 石灰 一0 ． 5 脂 肪胺类乳 化剂 一3 ． 6 V o 自制 酰胺类稳 定剂 “一1 ， 油水体 积 比为 5 O 5 O ， 钻 井 液 的密度为1 ． 2 O ～1 ． 8 5 g ／ c m。 。室 内性能评价结果表 明 该高 内相 逆乳化钻井 液体 系性能 良好 ， 破 乳 电压为 4 。 0 ～9 0 0 V， 抗 温性 达 1 6 o℃ ， 1 2 O ～1 5 o℃高温 高压滤失量≤1 o mL， 流变性 与传统逆乳化钻井液相当 。进一 步评 价表明 ， 该体 系还具有 良好 的抗污 染性 、 抑制性 、 储 层保护性能 。 关键词 高 内相低 油水 比逆乳 化钻井液 中 图 分 类 号 TE 2 5 4 ． 3 文 献 标 识 码 A 对 比水基 钻 井液 ， 油基 钻井 液具 有抗高 温 、 抗 盐 钙侵 、 有利 于井 壁稳 定 、 润滑性 好及 对油 气层 损 害程 度 较小 等优 点 ， 目前 已成 为钻高 温深 井 、 水平 井 、 大斜 度定 向井 和各 种复 杂地 层 的重要 手段 ， 并 且 还广 泛用 做解 卡液 、 射孔 完井 液和 修井 液 等 ] 。 但 是 ， 油基 钻井 液 比水基 钻井 液成本 高 的多 ， 且会 对 生态 环境 产生 严 重 影 响 ， 从 而 大 大 限 制 了 油基 钻井液的推广应用 ] 。降低逆乳化钻井液的油水 比 ， 是有 效减少 油 基钻井 液 的成本 、 毒 性及钻 屑 含 油量 有 重要 途 径 。从 2 0世 纪 8 O年 代 开始 ， 国 外 研究 者致 力 于高 内 相逆 乳 化 钻 井 液 油 水 比低 至 5 O 5 0 ～ 2 O 8 0 的研 究 [ 3 3 。Da y n e s等 l 4 采 用 多 种乳 化剂 协作并 增 J IJ - L 化 剂 的加量 研 制成油 水 比5 0 5 0 的逆乳 化 钻 井 液 。E z z a t 等 采 用 一 种 高分子 表 面活性 剂并 选用 溴化 锌盐 水做 水相研 制 成 油水 l E S O 5 0 ～4 0 6 O 的 逆乳 化 钻井 液 。Ni c o r a 等 6 研 究 制 成油 水 比5 O 5 0 ～ 4 06 0 的逆 乳 化钻 井 液 ， 并 将 固 相 加 量 减 少 了 5 5 ％ 。 Ma r k L u y s t e r 等 I 3 采 用 自制新 型乳 化剂 研 制 成 油水 比 5 o 5 O ～2 0 8 o 的逆乳化钻井液 ， 但体系的稳 定 性欠 佳 。在 国 内 ， 油 水 比 5 O 5 0 ～ 2 0 8 O 的逆 乳 化钻 井液 体 系 尚未 见报 道 。笔者 从优 选新 型乳 化 剂人手， 构建了高内相逆乳化钻井液体系 ， 为实现 油基钻井液的低油 、 低毒、 低成本 以及低固相或无 固相提 供理 论基 础 和技术 支持 。 1 高 内相 逆乳化 体 系乳化 剂 的优选 逆 乳化 钻井 液 油包水 乳化 钻井 液 以油相 作 为连续 相 ， 水相 作为 分散 相 ， 通 过油 溶性 乳化 剂来 强化乳 化 稳定 性 。当前 ， 逆 乳 化 钻 井 液 的 油水 体 积 比通常 为8 0 2 0 ～9 0 1 0 。分 散水 相 比例 的增 加 ， 会破坏体系的乳化稳定性 ， 以及导致体系黏度 尤 其是 塑性 黏度 、 滤 失量 的增 加 ， 从 而导致 整 个 钻 井液体 系 的性 能失控 。聚氧 乙烯脂 肪胺 是一 类 非 离子 型两 亲性 物 质 ， 分 子 中没有 可水 解 的官 能 团 ， 疏水 端 是 C 。 ～C 的碳 链 ， 亲 水 端 是 乙氧 基 化 的胺 基 。本 文 首先 考 察 了 l 7种 聚氧 乙烯脂 肪 胺 的结 构与乳 化 能力 的关 系 ， 在 此 基 础 上 优选 出最 佳 乳 化剂并 成 功 制 备 了 油水 比为 5 0 5 0 ， 密 度 范 围 为 1 ． 1 ～1 ． 8 5 g ／ c m。的高 内相逆 乳化 钻井 液 。 具 体 方 法 为 采 用 5 白 油 、 3 O 钙 盐 水 、 3 ． 6 9 ／ 6 聚氧 乙烯 脂 肪胺 类乳 化 剂 、 1 HF GE L - 1 2 0 型有 机 土 、 0 ． 5 石 灰 ， 油 水 比 为 5 0 5 0 ， 制 备 油 包 水 乳 状 液 。 采 用 F a n n 2 3 C电稳 定 测 试 仪 测 收 稿 日期 2 o 1 4 0 90 5 ； 修 改 稿 收 到 日期 2 o 1 41 2一 O 2 。 作者 简介 蒋官澄 1 9 6 6一 ， 教授 ， 油气井 工程 专业 ， 主要从 事 油气层损 害与保护 、 油田化 学等方 面的研 究。E ma i l j g c 5 7 8 6 1 2 6 ． c o rn 。 基金项 目 国家 自然科 学创新研 究群 体项 目 5 1 2 2 1 0 0 3 ； 国 家 8 6 3主 题 项 目 2 0 1 3 AA0 6 4 8 0 3 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 2卷 第 1期 蒋官澄 ，等． 高 内相逆 乳化 钻井液体系 的室 内研究 试乳状液的破乳 电压 ， 破乳 电压越 高表 明乳状液 越稳 定 ； 静 置 7 d ， 观 察乳 状液 的分 层 情况 ， 上 部清 液的体积越小 ， 表明乳状液越稳定 。 采 用 Gr i f f i n提 出 的质 量分 数 法 以 及 重 量 分 数加和法 ， 分别计算聚氧 乙烯基非离子表面活性 剂 以及 混合 表 面 活 性 剂 的 HL B值 _ 8 l ， 计 算 公 式 如式 1 、 式 2 所 示 。对 于 已知 结 构 的 表 面 活 性 剂 的研 究 和 应 用 来 说 ， 采 用 有 关 公 式 计 算 HL B 值 十分 方便 ， 精 度 一 般 可 以满 足 生 产 和 应 用 的 需 要 。 ／ r H LB一 2 o 1 面一ZR HL B 2 其 中 HL B 一表 面 活 性 剂 i 的 亲 水 亲 油 平 衡 值 ； M ～ 亲 水基 团 的 相 对 分 子 质 量 ； Mj J 一 亲 油 基 团 的相 对分 子质 量 ； HL B一 表面 活 性 剂 混合 物 的亲 水亲油平衡值 ； R 一表面活性剂 i 的质量分数。 1 7种 聚氧 乙烯 脂 肪 胺 的分 子 结 构 与 乳 化 能 力 的关 系 ， 如 表 1所 示 。聚 氧 乙烯 脂 肪 胺 类乳 化 剂的乳化稳定性随着疏水端链长度 与分 布、 亲水 亲油平衡值 HL B值 的不 同而不 同。 1 对 于 具 备相 同疏 水端 的聚 氧 乙烯 脂 肪胺 而言 时 如 编 号 4与 l 3 所 示 或编 号 2 、 5与 9所示 ， HL B值 随 乙氧烯聚合度的增加而增加 ， HL B值在 5 ～6之 间更利 于油 包水 乳 状 液 的稳 定 。 2 对 于 具 备 相 近 HL B值 HI B值 一5 ～ 6 的 聚 氧 乙烯 脂 肪 胺 如编 号 1 、 2 、 3 、 4所 示 ， 疏 水 端链 越 长越 有 利 于 油 包 水乳状 液 的 稳 定 ； 疏 水 端 呈 多链 分 布 比疏 水 端 呈单 一链 分 布 更 有 利 于 油包 水 乳 状 液 的稳 定 ， 但是 ， 要保证 多链 分布 中 C 8链 的 比例较 C 8 1 6 链 的 比例 更具 优势 。 表 1 聚氧 乙烯脂肪胺 类乳化剂分子结构与乳化稳 定性能的关系 2 5℃ 乳化 剂编号 烷基链分布 C8 C1 0 C1 2 C1 4 C1 6 C1 8 乙氧烯 聚合度 m， ” HL B估算值 破乳电压／ V m n 2 m 一 2 m n一 2 m ” 1 m n一 1 m n 1 m ” 1 m n 1 m 3 m ” 2 m n 3 m n 1 m n 2 m ／-／ 1 m n 3 m 2 m 2 2 高 内相逆 乳化 钻 井液体 系的配 制及 性 能评 价 选 择 表 1中编号 1 对 应 的聚 氧 乙烯脂 肪胺 作 为 高 内 相 逆 乳 化 钻 井 液 的 核 心 乳 化 剂 。基 浆 配 方 5 白油 3 0 钙盐水 HF G E L一1 2 0型有机 土 一1 石灰 W一0 ． 5 聚 氧 乙烯 脂 肪 胺 一 1 自制酰 胺 类稳 定 剂 ， 油 水 比 5 05 O ， 重 晶 石 加 重 ， 设 计 钻 井 液 密 度 为 1 ． 2 ～ 1 ． 8 5 g ／ c m。 。 分 别 在 1 2 0 ～1 6 0℃热 滚老 化 1 6 h ， 测 定体 系 的流 变 性 测试 温 度为 5 O℃ 、 滤 失 性 、 破 乳 电压 。通 过 改 变乳 化剂 加量 、 添加 稳定 剂进 行 复配 ， 以及 优 化 高 内相逆 乳 化 钻 井液 的基 本 性 能 ， 由此 确 立 高 内相逆 乳化 钻 井液 的配 方 。 2 ． 1 高 内相逆 乳化 钻 井液体 系的构 建 2 ． 1 ． 1 乳 化剂 加量 的 影响 乳 化剂 的加量 与 乳 状 液 的稳定 性 、 黏 度 密 切 相关。保持体系基本 配方不变 ， 改变乳化剂的加 量 ， 常温 下 测 试乳 化 稳 定 性 、 流 变性 和 滤 失 性 ， 结 果 见表 2 。由表 2可 知 对 于 密度 1 ． 3 5 g ／ c m。的 3 4 1 4 3 1 1 4 1 3 1 1 1 犍 蛆 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 精细石油化工 2 0 1 5年 1 月 体系 ， 乳化剂加量越高， 高内相逆乳化钻井液体系 的稳定 性越 好 ， 动切 力也得 到 改善 ， 但不 能改 善体 系 的抗 高 温乳 化性 ， 1 2 0℃高 温老 化后 ， 体 系 的破 乳 电压 大幅度 降低， 且高温高压 滤失性较差； 同 时 ， 1 2 0℃老 化后 ， 1 ． 2 0 ～ 1 ． 6 5 g ／ c m。 密度 范 围 内 体系 的流 变性 得 到改善 ， 塑性 黏度 稍微 降低 ， 动 切 力升 高 ， 流变 性质 整体 得到 改善 ； 但是 乳化 剂加 量 增大后 ， 高温老化对塑性黏度的改善效果消失。 表 2 乳化剂用量对 高内相逆乳化钻井液性能的影响 2 ． 1 ． 2 自制酰 胺类 稳定 剂的 影响 在 叫 乳 化剂 一3 ． 6 9 ／ 6 ， g ．U 稳 定 剂 一1 条 件下 ， 考察 自制 酰 胺 类 稳 定剂 对 高 内相 逆 乳化 钻 井液 体 系 基 本 性 能 的影 响 ， 结 果 见 表 3 。 由表 3 可见 酰胺 类稳 定 剂 的 加 入 明 显改 善 了体 系 的抗 温稳 定性 和滤 失性 。在 1 ． 2 0 ～1 ． 8 5 g ／ c m 内 ， 添 加稳定剂 的体系 ， 经 1 2 0℃高温老化后， 其乳化稳 定 性 、 高 温高压 滤失 性 优异 ， 破乳 电压 仍 能维持 在 4 6 9 ～6 8 9 V， 滤失 量 小 于 6 mL， 滤 饼 薄 韧 、 致 密 、 光滑 ； 1 6 0℃高 温老 化 后 ， 体 系的破 乳 电压 有所 降 低 ， 但 高 温 高 压滤 失 性 却 保 持 优 异 ， 滤 失 量 小 于 1 0 mL， 滤 饼 薄 韧 、 致 密 、 光 滑 如 图 1所 示 。 同 时 ， 从 表 3 可 以看 出 酰胺 类降 滤失 剂 的加 入 对塑 性 黏度 影 响较小 ， 而 较 明显地 提高 了动切 力 ； 高温 老化后 ， 体系表观黏度、 塑性黏度 、 动切力都出现 降低 ， 但都 在工 程应用 要 求范 围 内 。 表 3制酰胺类稳定剂对高 内相逆乳化钻 井液体 系基本 性能的影响 注 ∞ 乳化剂 一3 ． 6 ， ∞ 稳 定剂 一1 V o 。 一 般认 为 ， 水相 、 固相 的增 加会 会导致 稳 定性 和滤失性变差 ， 但是本文研制的油水比 5 O 5 0的 钻 井液 体 系的稳 定 性 和 滤 失 性仍 属 良好 ， 且 乳 化 稳定性 、 密度范 围远高于 Ma r k L u y s t e r 2 0 1 1 L 3 j 所研究的同类型钻井液体系 油水体积 比 11 ， 密度 1 ． 2 g ／ c m。 ， 破 乳 电压范 围为 2 0 0 3 0 0 V 。 2 ． 2 高 内相油 包水乳化钻 井液体 系应 用性能评价 高 内相 逆 乳化 钻井 液体 系 的配方 5 白油 2 5 C a C 1 溶 液 聚 氧 乙 烯 脂 肪 胺 ～ 1 叫 一 3 ． 6 9 ／ 6 自制酰胺型稳定剂 1 9 ／ 6 HF G E L 一 1 2 0型有 机土 1 石 灰 叫一0 ． 5 ， 油 水体积比为 5 O 5 O ， 重晶石加重到密度为1 ． 3 5 g ／ c m 。利 用上 述 配 方 ， 配 制 高 内 相 逆 乳 化 钻 井 液 体系， 测定该体系的抗污染性 、 抑制性 、 储层保护 性 能 ， 以进一 步评 价 该 钻 井 液 体 系在 钻 井 方 面 的 应 用性 能 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 8 精细石油化工 2 O 1 5年 1月 油气层损害 。所 以， 所研制 的高内相逆乳化钻 井 液体 系 ， 可进一 步 推广应 用 ， 如研制 无 固相储 层 保护油基钻井液 。 [ 1 ] [ 2 ] E 3 ] 参考 文 献 S ol i ma n A A． Oi l b a s e m u d i n h i g h p r e s s u r e h i g h t e mpe r a t u r e w e l l s [ C ] ． Mi d d l e Ea s t Oi l S h o w， B a h r a i n ， 1 9 9 5 1 1 1 4 ． 鄢捷 年． 钻 井液工 艺学 [ M] ． 东 营 中国石 油大 学 出版社 ， 2 0 0 6 2 4 0 2 4 1 ． M a r k Lu y s t e r 。 Ar ind Pa t e l ，Ra y Ra v i t z ， e t a 1 ． Ne w Ap p r o a c h f o r Co mp l e t i o n Ap p l i c a t i o n s W i t h Hi g h e r I n t e r na l P h a s e I n v e r t s Ut i l i z i n g I n n o v a t iv e S u r f a c t a n t s L c] ．S P E 1 4 4 1 3 1， 2 O 1 1 ． [ 4 3 Da y n e s R，P r a t t S ， Co a t e s J ． 5 0 ／ 5 0 Oi l Wa t e r Ra t i o I n v e r t Oi l E mu l s i o n Mu d A Us e f u l To l l o r a S a l e s G i mmi c k[ c] ． sp E 1 6 5 2 8，1 9 8 7 ． r5 ] Ez z a t A M ， Bl a t t e l S R．S o l i d s - Fr e e Br i n e i n Oi l Emu l s i o n f o r We l l C o mp l e t i o n [ C] ． S P E 1 7 1 6 1 ， 1 9 8 9 ． [ 6 ] Ni c o r a L F ，P i r o v a n o P，B I o mb e r g N．Hi g h De n s i t y I n v e r t Emu l t i o n S ys t e m wi t h Ve r y Lo w So l i d s Co nt e n t t o D r i l l E RD a n d HP HT We l l s E C]． S P E 6 5 0 0 0 。 2 0 0 1 ． [ 7 ] Ma n k o wi c h J ． C o r r e l a t i o n o f HL B a n d t h e Mo l e o f Et h y l e n e Ox i d e Ad d e d o f No n ～ i o n i c S u r f a c t a n t ． J o u r n a l o f Ame r i c a n Oi l Ch e m i s t r y So c i e t y， 1 9 6 1，3 8 9 58 9 5 9 ． [ 8 ] 赵福麟．化 学原 理 Ⅱ[ M] ． 东 营 中国石 油大 学 出版社 ， 1 9 9 9 1 7 9 1 9 2 ． [ 9 ] 周家华 ， 崔英德 ， 吴雅红． 表面活 性剂 的 HL B值 的分析测 试 与计算 I I ． HL B值的计算[ J ] ． 精细石油化工 ， 2 0 0 1 4 3 8 4 1 ． LABoRATORY S TUDY oF I NVERT EM ULS I oN DRI LLI NG FLUI D W I TH HI GHER I NTERNAL PHAS E J i a n g Gu a n c h e n g ～，Re n Ya n j u n ～，Z h e n g Du j i a n 。 ，An Yu x i u ’ 1 ． MOE Ke y La b o r a t o r y o f Pe t r o l e u m En g i n e e r i n g，Ch i n a Un i v e r s i t y o f Pe t r o l e u m， Be i j i n g 1 0 2 2 4 9 ， Ch i n a；2 ． S t a t e Ke y La b o r a t o r y o f Pe t r o l e u m Re s o u r c e s a n d Pr o s pe c t i n g， Ch i n a Un i v e r s i t y o f Pe t r o l e u m，Be i j i n g 1 0 2 2 4 9， C h i n a； 3 ． S h e l f o i l Pe t r o l e u m Eq u i p me n t S e r v i c e s C o ． Lt d ．，Si n o p e c Re s e a r c h I n s t i t u t e o f P e t r o l e u m E n g i n e e r i n g，De z h o u 2 5 3 0 0 5 ， S h a n d o n g， C h i n a Ab s t r a c t To e f f i c i e n t l y r e du c e t h e c os t ， a no v e l i n v e r t e mu l s i o n d r i l l i ng f l u i d wi t h hi g he r i nt e r na l ph a s e ha s b e e n i nv e n t e d ．The n e w d r i l l i ng f l ui d s ys t e m ha s t he di s t i n c t pr o pe r t i e s o f l e s s o i l ，l e s s t o x i c i t y，l e s s s o l i d p ha s e a n d l o we r c o s t ． Th e e f f e c t i v e f o r m u l a t i o n o f t h e ne w i n v e r t e m u l s i o n d r i l l i ng f l u i d i s 5 wh i t e o i l 2 5 ％ C a C1 2 b r i n e o r g a n o c l a y 1 9 ／ 6 l i me 0 ． 5 9 ／ 6 f a t t y a mi n e t y p e e mu l s i f i e r 3 ． 6 ％ a mi d e t y p e s t a b i l i z i n g a g e n t 1 0A ， 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 i 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 i s 1 ． 2 01 ． 8 5 g ／ c m。 ．Ev a l u a t i o n r e s u l t s i n 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 h a d g o o d p e r f o r ma n c e s 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 4 0 09 0 0 Vr 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 6 0 ℃ ， HTHP f i l t e r l O S S≤ 1 0 mL a t 1 2 01 5 0 ℃ ，a n d r h e o l o g y i n l i n e wi t h t r a di t i o na l i nv e r t e m u l s i on dr i l l i ng f l u i d．Fur t he r e xp e r i me nt a l da t a s h owe d t ha t ，t h i s n e w m u d s ys t e m a l s o p e r f o r m we l l i n a nt i f ou l i ng，i n hi bi t i n g s ha l e e xpa ns i on a nd p r o t e c t i ng f or ma t i on． Ke y w o r d s h i g h e r i n t e r n a l p h a s e ；l o w o i l ／ wa t e r r a t i o；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 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m