油基钻井液.ppt

油基钻井液,中国石油大学（北京）2008年10月,定义及类型,油基钻井液是指以油作为连续相的钻井液。两种油基钻井液全油基钻井液和油包水乳化钻井液。在全油基钻井液中，水是无用的组分，其含水量不应超过10；而在油包水钻井液中，水作为必要组分均匀地分散在柴油中，其含水量一般为10～60。,油基钻井液的优缺点,与水基钻井液相比较，油基钻井液具有能抗高温、抗盐钙侵、有利于井壁稳定、润滑性好和对油气层损害程度较小等多种优点。目前已成为钻高难度的高温深井、大位移井、水平井和各种复杂地层的重要手段，并且还可广泛地用作解卡液、射孔完井液、修井液和取心液等。油基钻井液的配制成本比水基钻井液高得多，并对井场附近的环境会造成影响。,油基钻井液的发展阶段,油基钻井液的组成,油包水乳化钻井液是以水滴为分散相，油为连续相，并添加适量的乳化剂、润湿剂、亲油胶体和加重剂等所形成的稳定的乳状液体系。基油（BaseOil）在油包水乳化钻井液中用作连续相的油称为基油，目前普遍使用的基油为柴油（我国常使用零号柴油）和各种低毒矿物油。为确保安全，其闪点和燃点应分别在82℃和93℃以上。由于柴油中所含的芳烃对钻井设备的橡胶部件有较强的腐蚀作用，因此芳烃含量不宜过高，一般要求柴油的苯胺点在60℃以上。苯胺点是指等体积的油和苯胺相互溶解时的最低温度。苯胺点越高，表明油中烷烃含量越高，芳烃含量越低。为了有利于对流变性的控制和调整，其粘度不宜过高。,一、基油,各种基油的物理性质,注Mentor26、Mentor28、Escaid110、LVT和BP8313均为常用矿物油的代号。,油基钻井液的组成,水相（WaterPhase）淡水、盐水或海水均可用作油基钻井液的水相。但通常使用含一定量CaCl2或NaCl的盐水，其主要目的在于控制水相的活度，以防止或减弱泥页岩地层的水化膨胀，保证井壁稳定。油包水乳化钻井液的水相含量通常用油水比来表示。一般情况下，水相含量为15～40，最高可达60，且不低于10。在一定的含水量范围内，随着水所占比例的增加，油基钻井液的粘度、切力逐渐增大。因此，人们常用它作为调控油基钻井液流变参数的一种方法，同时增大含水量可减少基油用量，降低配制成本。但是，随着含水量增大，维持油基钻井液乳化稳定性的难度也随之增加，必须添加更多的乳化剂才能使其保持稳定。对于高密度油基钻井液，水相含量应尽可能小些。在实际钻井过程中，一部分地层水会不可避免地进入钻井液，即油水比呈自然下降趋势，因此为了保持钻井液性能稳定，必要时应适当补充基油的量。对于全油基钻井液，水是应加以清除的污染物，但一般3～5的水是可以容纳的，不必一定要清除，因为靠增加基油来减少水量会使钻井液成本显著增加。,二、水相,油基钻井液的组成,乳化剂（Emulsifier）为了形成稳定的油包水乳化钻井液，必须正确地选择和使用乳化剂。一般认为乳化剂的作用机理是在油/水界面形成具有一定强度的吸附膜；降低油水界面张力；增加外相粘度;以上三方面均可阻止分散相液滴聚并变大，从而使乳状液保持稳定。其中又以吸附膜的强度最为重要，被认为是乳状液能否保持稳定的决定性因素。,三、乳化剂,,,,油基钻井液的组成,在油包水乳化钻井液中，常用的乳化剂有以下类型高级脂肪酸的二价金属皂，如硬脂酸钙烷基磺酸钙烷基苯磺酸钙斯盘-80（或span-80），主要成分为山梨糖醇酐单油酸脂此外，国内用于油包水乳化钻井液的乳化剂还有环烷酸钙、石油磺酸铁、油酸、环烷酸酰胺和腐植酸酰胺等。国外在该类钻井液中使用的乳化剂多用代号表示，如Oilfaze、Vertoil、EZ-Mul、DFL和Invermul等都是常用的乳化剂。,油基钻井液的组成,值得注意的是，在以上乳化剂中，属于阴离子表面活性剂的都是有机酸的多价金属盐（钙盐、镁盐和铁盐等，以钙盐居多），而不选择单价的钠盐或钾盐。由于皂分子具有两亲结构，即烃链是亲油的，而离子型基团COO是亲水的，因此当皂类存在于油、水混合物中时，其分子会在油水界面自动浓集并定向排列，将其亲水端伸入水中，亲油端伸入油中，从而导致导致界面张力显著降低，有利于乳状液的形成。,楔形稳定理论,一元金属皂的分子中只有一个烃链，这类分子在油水界面上的定向排列趋向于形成一个凹形油面，因而有利于形成o/w型乳状液；而二元金属皂的分子中含有两个烃链，它们在界面上的排列趋向于形成一个凸形油面，有利于形成w/o型乳状液。这种由乳化剂分子的空间构型决定乳状液类型的原理在胶体化学中被称作定向楔形理论。其含义是，将乳化剂分子比喻成两头大小不同的楔子，如果要求它们排列紧密和稳定，那末截面小的一头总是指向分散相，截面大的一头则留在分散介质。,油基钻井液的组成,大多数天然矿物是亲水的。当重晶石粉和钻屑等亲水的固体颗粒进入w/o型钻井液时，它们趋向于与水聚集，引起高粘度和沉降，从而破坏乳状液的稳定性。为了避免以上情况的发生，有必要在油相中添加润湿控制剂，简称润湿剂。润湿剂也是具有两亲结构的表面活性剂，当其分子聚集在油和固体的界面并将亲油端指向油相时，原来亲水的固体表面便转变为亲油，这一过程常被称作润湿反转（WettabilityReversal）。润湿剂的加入使刚进入钻井液的重晶石和钻屑颗粒表面迅速转变为油湿，从而保证它们能较好地悬浮在油相中。虽然用作乳化剂的表面活性剂也能够在一定程度上起润湿剂的作用，但其效果有限。较好的润湿剂有季胺盐（如十二烷基三甲基溴化铵）、卵磷脂和石油磺酸盐等。国外常用的润湿剂有DV-33、DWA和EZ-Mul等，其中DWA和EZ-Mul可同时兼作乳化剂。,四、润湿剂,油基钻井液的组成,亲油胶体习惯上将有机土、氧化沥青以及亲油的褐煤粉、二氧化锰等分散在油包水乳化钻井液油相中的固体处理剂统称为亲油胶体，其主要作用是用作增粘剂和降滤失剂。其中使用最普遍的是有机土，其次是氧化沥青。有了这两种处理剂，可以使油基钻井液的性能可以象水基钻井液那样很方便地随时进行必要的调整。有机土使由亲水的膨润土与季胺盐类阳离子表面活性剂发生相互作用后制成的亲油粘土。所选择的季胺盐必须有很强的润湿反转作用，目前常用的有十二烷基三甲基溴化铵十二烷基二甲基苄基溴化铵有机土很容易分散在油中起提粘和悬浮重晶石的作用，通常在100ml油包水乳化钻井液中加入3g有机土便可悬浮200g左右的重晶石粉。有机土还可在一定程度上增强油包水乳状液的稳定性，起固体乳化剂的作用。国外常用的有机土有Baroid公司生产的Geltone和M-I公司生产的VG-69等，其一般用量为5.7～17.1kg/m3。,五、亲油胶体,润湿反转原理,油基钻井液的组成,石灰是油基钻井液中的必要组分，其主要作用有以下方面提供的Ca2有利于二元金属皂的生成，从而保证所添加的乳化剂可充分发挥其效能。维持油基钻井液的pH值在8.5～10范围内以利于防止钻具腐蚀。可有效地防止地层中CO2和H2S等酸性气体对钻井液的污染，其反应式如下CaOH2H2SCaS↓2H2OCaOH2CO2CaCO3↓2H2O在油基钻井液中，未溶CaOH2的量一般应保持在0.43～0.72kg/m3（1.5～2.5磅/桶）范围内；或者将钻井液的甲基橙碱度控制在0.5～1.0cm3，当遇到CO2或H2S污染时应提至2.0cm3。,六、石灰,油基钻井液的组成,加重材料重晶石粉在水基和油基钻井液中，都是最重要的加重材料。对于油基钻井液，加重前应注意调整好各项性能，油水比不宜过低，并适当地多加入一些润湿剂和乳化剂，使重晶石加入后，能及时地将其颗粒从亲水转变为亲油，从而能够较好地分散和悬浮在钻井液中。对于密度小于1.68g/cm3（14ppg）的油基钻井液，也可用碳酸钙作为加重材料。虽然其密度只有2.7g/cm3，比重晶石低得多，但它的优点是比重晶石更容易被油所润湿，而且具有酸溶性，可兼作保护油气层的暂堵剂。,七、加重材料,油包水乳化钻井液推荐配方及性能参数,NLBaroid和M-I泥浆公司矿物油钻井液和柴油钻井液的典型组成,华北油田油基钻井液配方及性能参数,大庆油田油基钻井液配方及性能参数,美国M-I泥浆公司推荐的配浆程序,洗净并准备好两个混合罐。用泵将配浆用基油打入1号罐内，按预先计算的量加入所需的主乳化剂、辅助乳化剂和润湿剂。然后进行充分搅拌，直至所有油溶性组分全部溶解。按所需的水量将水加入2号罐内，并让其溶解所需CaCl2量的70。在泥浆枪等专门设备强有力的搅拌下，将CaCl2盐水缓慢加入油相。最好是在3.45MPa（500磅/英寸2）以上的泵压下，通过1.27cm（0.5英寸）的泥浆枪喷嘴对泥浆进行搅拌。若泵压达不到3.45MPa，则应选用更小喷嘴，并降低加水速度。在继续搅拌下加入适量的亲油胶体和石灰。当乳状液形成后，应全面测定其性能，如流变参数、pH值、破乳电压和HTHP滤失量等。如性能合乎要求，可加入重晶石以达到所要求的钻井液密度。加重晶石的速度要适当（以每小时加入200～300袋为宜）。如重晶石被水润湿，会使钻井液中出现粒状固体，这时应减缓加入速度，并适当增加润湿剂的用量。当体系达到所需的密度后，加入剩余的粉状CaCl2，最后再进行充分搅拌。,水基和油基钻井液的密度变化量与温度、压力的关系,油基钻井液的流变性,预测高温高压下油基钻井液表观粘度的数学模型,,AVT，PAV0exp[A1.8T–43.0Bp],T温度，℃；P压力，Pa；AVT，P温度为T和压力为p条件下的表现粘度，mPas；AV0温度为23.9℃（常温）、表压为0（常压）条件下的表观粘度，mPas；A温度常数，℃–1；B压力常数，Pa–1。,各种油基钻井液和基油的特性常数,,,油基钻井液的乳化稳定性,衡量乳状液稳定性的定量指标主要是破乳电压，测量油基钻井液破乳电压的实验称为电稳定性（ES）实验。使乳状液破乳所需的最低电压称为破乳电压，其值越高则钻井液越稳定。按一般要求，油包水乳化钻井液的破乳电压不得低于400V。实际上，许多性能良好的钻井液，其破乳电压都在2000V以上。,活度平衡的油包水乳化钻井液,油包水乳化钻井液的活度平衡概念是20世纪70年代初由Chenevert等人首先提出的。所谓活度平衡，是指通过适当增加水相中无机盐（通常使用CaCl2和NaCl）的浓度，使钻井液和地层中水的活度保持相等，从而达到阻止油浆中的水向地层运移的目的。采用该项技术可有效地避免在页岩地层钻进时出现的各种复杂问题，使井壁保持稳定。目前使用的绝大多数油基钻井液水相中，无机盐含量都较高，即普遍地考虑了活度平衡问题。,公式推导,式中Pw0表示在给定温度下纯水的蒸汽压；Pw表示在给定温度下盐水的蒸汽压；mw表示盐溶液上方水蒸汽的化学位；mw0表示盐溶液上方水蒸汽的化学位。,活度的定义,由于以上公式是由理想物系推导出来的，为了使上述关系对实际溶液仍然有效，Lewis提出用另一函数逸度（Fugacity）来代替压力，并将盐溶液与纯水的逸度比fw/fw0定义为水的活度aw。对于一般情况，则将fi/fi0称为组分i的活度，记作ai。溶液或页岩中水的化学位与纯水化学位之间的关系可表示为,,上式表明，在一定温度下，只有当钻井液和页岩地层中水的活度相等时它们的化学位才相等。因此，正如Chenevert所指出，水的活度相等是油基钻井液和地层之间不发生水运移的必要条件。,控制活度的意义,活度控制的意义就在于，通过调节油基钻井液水相中无机盐的浓度，使钻井液中水相的活度与地层中水的活度保持相等（使其产生的渗透压大于或等于页岩吸附压），从而防止钻井液中的水向岩层运移。通常用于活度控制的无机盐为CaCl2和NaCl。其浓度与溶液中水的活度的关系可用图表表示。只要确定出所钻页岩地层中水的活度，便可由图中查出钻井液水相应保持的盐浓度。,活度的测量方法,Chenevert提出用电湿度（Electrohygrometer）法测量水的活度。该仪器既可测量页岩样品中水的活度，又可直接测量油基钻井液中水的活度。测量时，将湿度计的探头置于式样上方的平衡蒸汽中。探头的电阻对水蒸汽的量十分敏感。在恒温条件下Pw与aw直接相关，这样在某一湿度下就有与之相对应的aw值。电湿度计常使用某种已知活度的饱和盐水进行校正，可供选择的无机盐及其饱和溶液的aw值列于下表中。,常温下各种无机盐饱和溶液的活度,两种水溶液中活度与盐浓度的关系,油基钻井液水相中盐浓度的确定,根据经验，对于所钻遇的大多数水敏性页岩地层，将钻井液的aw控制在0.52～0.53，即CaCl2浓度在30～35范围内是适宜的。随温度升高，页岩的aw值将略有降低，而油基钻井液的aw值略有增加。但由于影响很小，对温度因素一般可不予考虑。,油基钻井液中CaCl2合理加量的确定,油基钻井液中NaCl合理加量的确定,活度平衡油包水乳化钻井液的应用效果,钻井实践表明，使用活度平衡的油包水乳化钻井液，是对付强水敏性复杂地层（包括软的和硬的页岩层）最为行之有效的方法。就防塌效果来说，目前使用的任何其它类型的钻井液都无法与之相比。只有这种钻井液能完全阻止外来液体侵入地层，因而也只有它能完全抑制住页岩中蒙脱石、伊蒙混层等粘土矿物的水化膨胀与分散。,活度平衡油包水乳化钻井液的应用效果,全油钻井液,由于油包水乳化钻井液存在着剪切稀释性能较差、需备用大量乳化剂、易产生润湿反转和乳化堵塞对油气层造成损害等问题，近年来美国Intl泥浆公司研制出无水的全油钻井液。该体系具有类似于水基聚合物钻井液的流变性，有较高的动塑比，剪切稀释性好，因而提高了钻速，减少了井漏，改善了井眼清洗状况及悬浮性。配制全油钻井液时应注意以下几点（a）基油应选用芳香烃含量较低的柴油，最好是无毒矿物油；（b）需选用亲油的有机聚合物或胶质类处理剂作为降滤失剂；（c）使用有机土提高动切力，必要时添加亲油的反絮凝剂降低粘切。,谢谢,