低毒环保型油基钻井液体系室内研究
解宇宁     
中国石油辽河油田分公司钻采工艺研究院, 辽宁盘锦 124010
摘要: 为了提高油基钻井液的环保性能,解决其生物毒性高、难于降解等问题,研制了低毒环保型油基钻井液。通过对普通原料油进行脱硫脱芳处理得到新型低毒油基钻井液用基础油,采用复合改性剂和新工艺处理有机土得到新型改性有机土,并对钻井液处理剂及加量进行优选,最终形成了低毒环保型油基钻井液体系。室内试验结果表明,该钻井液体系的高温高压滤失量为3.2~9.5 mL,沉降密度差最高0.06 g/cm3,破乳电压高达1 190 V以上,水侵和劣质土侵后乳化体系还可以保持稳定,二次岩屑回收率达到99.17%,线性膨胀率仅为1.92%,岩心渗透率恢复率达88.5%~94.6%。研究结果表明,低毒环保型油基钻井液体系的流变性、稳定性、抗污染性、润滑性、抑制性和储层保护性能良好,可满足复杂地层深井、超深井安全高效钻井的需求及环保要求。
关键词: 油基钻井液     基础油     低毒环保     储层保护     改性有机土     钻井液性能     实验室试验    
Experimental Study on Low-Toxicity and Environment-Friendly Oil-Based Drilling Fluids
XIE Yuning     
Drilling & Production Technology Research Institute, PetroChina Liaohe Oilfield Company, Panjin, Liaoning, 124010, China
Abstract: To enhance the environmental protection performance of oil-based drilling fluids, and to eliminate problems related to the biological toxicity and difficulties in the degradation of conventional drilling fluids, an innovative low-toxicity and environment friendly oil-based drilling fluid has been developed. During its development, normal raw oil was primarily processed into base oil through desulfurization and dearomatization, then composed modifiers with innovative techniques were deployed to generate modified organic clay. Eventually, a low-toxicity oil-based drilling fluid system was generated through the optimization of additives and added specific volumes of such additives in the drilling fluid. Experimental results show that the innovative drilling system has filtration losses of 3.2-9.5 mL, a maximum differential precipitation density of 0.06 g/cm3 and ES over 1 190 V under high pressure and high pressure. In addition, the emulsion system can maintain desirable stability after water or low-quality clay invasion with a secondary cutting recovery rate of 99.17%, linear expansion rate of 1.92% and permeability recovery rate 88.5%-94.6%. Research results show that the newly developed low-toxicity and environmental-friendly oil-based drilling fluid system possesses outstanding rheological properties, stability, anti immersion, lubrication, inhibition and reservoir protection performances and can meet the requirements for safe and high-efficiency drilling and environmental protection in complex formations in the drilling of deep and ultra-deep wells.
Key words: oil-based drilling fluid     base oil     low-toxicity environment friendly     reservoir protection     modified organic clay     performance of drilling fluid     experimental test    

目前,在复杂地层油气勘探开发过程中广泛应用油基钻井液,早期油基钻井液采用常规柴油作为基础油,存在芳香烃含量高、毒性高和污染严重等问题,在应用中无法达到环保要求,且人们越来越重视环境保护,因此需要研究钻井液用低毒基础油及环保型油基钻井液体系[1-3]。国外一些钻探公司采用由饱和烷烃、烯烃组成的无硫、无氮、无金属和无芳香烃的天然气制油代替普通柴油作为钻井液基础油;近年来,我国也用化妆级白油代替普通柴油作为钻井液基础油,其在闪点、燃点和黏度等方面符合油基钻井液的要求,且在环保方面都取得了一定的进步[4-6]。但是气制油合成难度大,成本居高不下;白油黏度较高,对钻井过程中维持钻井液流变参数有一定影响。为此,笔者通过对普通原料油进行脱硫脱芳,得到低毒环保的新型基础油;对有机土进行改性得到新型有机土,解决了常规有机土在新型基础油中成胶难的问题;并以新型基础油和有机土为基础,优选了各种钻井液处理剂,最终形成了低毒环保型钻井液体系。室内试验表明,该钻井液体系具有良好的流变性、抑制性、抗污染性和储层保护性能。

1 复杂地层油基钻井液的技术要求

深井、大位移井复杂地层钻井过程中井壁易失稳,施工风险大,对钻井液性能的要求很高[7-9],主要有以下技术要求:

1) 按泥页岩地层压力设计钻井液密度时,井内液柱压力不能平衡坍塌压力,因此需要以地层坍塌压力当量钻井液密度为基础,并结合实际情况确定合理的钻井液密度,钻井液密度为1.00~2.00 kg/L时可以满足一般泥页岩水平井井壁稳定的要求。

2) 泥页岩地层黏土矿物含量高、敏感性强,地层胶结疏松且层理和裂缝非常发育,钻井过程中应尽量减少钻井液滤液向地层渗透,减弱泥页岩的水化作用,所以要求油基钻井液有好的滤失性和很强的抑制性,高温高压滤失量不大于10 mL,泥页岩岩屑回收率达到95%以上。

3) 地层水或钻屑侵入会破坏油基钻井液的乳化稳定性,一般设计要求油基钻井液的破乳电压不得小于500 V,抗15%的水和5%的劣质土的侵入污染。

4) 油基钻井液的流变性受温度、油水比和密度的影响很大,为保证水平井段钻井液的携砂效果、减小起下钻时激动压力的影响,一般设计要求其表观黏度为20~70 mPa·s,动切力为5~20 Pa,且性能稳定,尤其是高温老化后性能变化不大。

2 新型低毒基础油和改性有机土的研制

针对复杂地层的钻井难点及对钻井液的技术要求,笔者研制了新型低毒环保基础油及改性有机土,用来配制低毒环保型油基钻井液。

2.1 新型低毒环保基础油的研制

普通原料油中的硫和芳香烃含量高,将其作为油基钻井液用基础油时,使用前必须进行脱硫脱芳处理[10-11]。原料油脱硫主要是通过一级加氢催化裂化将原料油中的有机硫化物转化为H2S,将大部分烯烃转化为烷烃;再通过二级催化氧化去除较多的硫醇,以进一步降低硫含量。通过加氢脱芳把原料油的芳香烃转化成环烷烃,多环芳烃的加氢遵循“逐环加氢”原则,选择一定的非酸性载体,在低温、高压条件下能有效提高芳香烃加氢反应的转化率。

经过脱硫脱芳处理后的新型基础油,与常用基础油的密度、黏度、闪点和毒性等性能的对比情况如表 1所示。

表 1 油基钻井液常用基础油的性能参数 Table 1 Technical specifications of base oil for oil-based drilling fluids
常用基础油 密度/
(kg·m-3)
闪点/℃ 苯胺点/℃ 芳烃含量/
(mg·kg-1)
硫含量/
(mg·kg-1)
运动黏度/
(mm2·s-1)
LC50(96 h)/
(mg·L-1 )
天然气制油 851 110 88 1.2 1.0 3.0 >1 000 000
白油 810 144 83 2.0 3.0 5.8 >1 000 000
BP8313 785 83 80 20 000 13.0 2.7 820 000
柴油 841 83 57 30 000~50 000 250.0 5.9 80 000
Mentor26 838 74 78 10 000~20 000 5.9 2.7 480 000
新型基础油 793 129 90 0.5 2.7 2.5 >1 000 000
注:试验依据《车用柴油》(GB/T 19147—2013)和《钻井液生物鉴定标准程序》(API Publ.4481—1989)进行。

表 1可以看出,新型基础油96 h的LC50值大于1 000 000 mg/L,毒性不足柴油的1/l0,闪点大于110 ℃,安全性高,苯胺点高于柴油,芳香烃含量远低于柴油,且新型基础油中芳香烃含量最少,因而其毒性最低,环保性最好。

新型基础油中C12—C22含量达92%以上,杂质含量低、密度小,易挥发和降解。新型基础油的黏度不高、芳香烃及硫含量低,毒性低,安全环保性明显优于柴油,并且具有其他低毒矿物油和合成基础油的优点,各项性能均可满足现场配制钻井液的要求,可用于配制油基钻井液。

2.2 新型改性有机土

油基钻井液的基础油初始黏度非常低,而有机土很容易分散在基础油中起到增黏提切的作用,以悬浮各种处理剂,同时起到降滤失和维持体系乳化稳定性的作用,可以说在一定程度上具有乳化剂的作用[12]

目前,常规有机土适用于柴油基钻井液,有机土在柴油中的成胶性能非常好,成胶率可达95%以上。试验表明,常规有机土在矿物油或合成基础油中的成胶率普遍在10%以下,而在新型基础油中的成胶率只有5%左右。分析认为,这是由于柴油中的芳香烃含量高,极性强,而矿物油和合成基础油主要为饱和烷烃,芳香烃含量低,极性弱,有机土在柴油中比在新型基础油中易分散成胶。因此,常规有机土无法与新型基础油配制油基钻井液,需要对其生产工艺和方法进行改进,研制新型改性有机土。

笔者采用的有机土改性方法为:将钠蒙脱土加入含有有机改性剂的水溶液中,以更好地分散溶解蒙脱土和有机改性剂。使用长链季铵盐阳离子表面活性剂(其中有十六、十八烷基,烷氧基和脂肪烷基等长碳链的季铵盐;同时还有双长链烷基和三长链烷基的季铵盐)取代高度分散的蒙脱土层间的金属离子,使亲水的黏土转变为亲油的有机土;加入非离子表面活性剂、小分子酸(盐)等一些辅助改性剂,在一定温度、压力和pH值下高速搅拌均匀,充分反应一段时间后静置分层、洗涤、过滤,真空干燥后,粉碎并过74 μm标准筛,即得到新型改性有机土,其在不同基础油中的主要性能参数见表 2

表 2 新型改性有机土在不同基础油中的性能参数 Table 2 Technical specifications of innovative modified organic clay in base oil of various types
基础油 试验条件 成胶
率,%
表观黏度/
(mPa·s)
塑性黏度/
(mPa·s)
动切
力/Pa
柴油 热滚前 100 13.0 11.2 1.8
热滚后 99 14.7 13.0 1.7
白油 热滚前 79 14.0 12.0 2.0
热滚后 77 13.8 11.9 1.9
天然气制油 热滚前 85 12.5 10.9 1.6
热滚后 80 13.7 12.2 1.5
新型基础油 热滚前 77 10.3 8.8 1.5
热滚后 73 11.8 10.4 1.4
注:热滚条件为150 ℃、16 h,冷却至室温后高速搅拌5 min;试验依据《油基钻井液用有机土技术规范》(Q/SY 1817—2015)和《石油天然气工业:钻井液现场测试:第2部分:油基钻井液》(GB/T 16783.2—2012)进行。

表 2可以看出,新型改性有机土不但在柴油中有很高的成胶率,而且在极性很弱的矿物油和合成基础油中的成胶率也达到73%以上,黏度、切力等均符合要求;其主要性能在高温老化前后变化不大,表明高温并没有破坏其分散形成相互聚结胶联的空间网状结构,具有较好的凝胶稳定性和抗温能力。分析认为,新型改性有机土疏水亲油性强,不易吸水,因而层片间较为疏松,片层剥离明显,在油基钻井液中表现出优良的成胶性能,是一种质量较好、应用范围广的油基钻井液用有机土。

3 低毒环保型油基钻井液性能评价 3.1 低毒环保型油基钻井液体系配方

通过对各种处理剂及加量进行优选,最终形成了密度为0.95~2.00 kg/L的低毒环保型油基钻井液体系,其基本配方为:新型基础油+CaCl2溶液(质量分数为25%)+3.0%新型改性有机土+2.0%主乳化剂+2.0%辅乳化剂+2.0%改性橡胶封堵剂+2.0%树脂类降滤失剂+1.0%磺化沥青类降滤失剂+1.5%润湿剂+1.0%碱度调节剂CaO+重晶石粉(根据密度需要调整加量)。若无特别说明,以下钻井液性能评价试验所选用的油基钻井液密度为1.25 kg/L,油水比为90∶10。

3.2 基本性能试验

不同密度的低毒环保型油基钻井液体系的主要性能试验结果见表 3

表 3 不同密度低毒环保型油基钻井液的基本性能 Table 3 Performance of low-toxicity and environmental friendly oil-based drilling fluids with different densities
密度/
(kg·L-1)
反应条件 表观黏度/
(mPa·s)
塑性黏度/
(mPa·s)
动切
力/Pa
静切力/Pa API滤失
量/mL
高温高压
滤失量/mL
破乳电
压/V
LC5096 h/
(mg·L-1 )
初切 终切
0.95 热滚前 21 17 4 1.52.0 1.8 1 190 >1 000 000
热滚后 33 24 9 1.82.1 1.3 9.5 1 408
1.25 热滚前 31 22 9 2.02.2 1.5 1 345 >1 000 000
热滚后 40 28 12 2.53.5 1.0 8.8 1 630
1.45 热滚前 35 25 10 2.43.8 1.2 1 454 >1 000 000
热滚后 52 37 15 3.05.5 0.8 6.5 1 709
1.75 热滚前 47 27 13 2.95.2 0.8 1 630 >1 000 000
热滚后 60 42 18 3.55.5 0.6 5.4 1 845
2.00 热滚前 52 37 15 3.05.5 0.8 1 744 >1 000 000
热滚后 67 46 21 3.56.0 0.5 3.2 1 942
静置24 h 78 50 28 5.08.0 0.7 4.1 1 635
注:热滚条件为150 ℃、16 h,高速搅拌5 min后测量,高温高压条件为150 ℃、3.45 MPa;以上试验依据《石油天然气工业:钻井液现场测试:第2部分:油基钻井液》(GB/T 16783.2—2012)和《钻井液生物鉴定标准程序》(API Publ.4481—1989)进行。

表 3可知,不同密度低毒环保型油基钻井液都具有较好的流变性和高温稳定性能,破乳电压在1 190 V以上,乳化体系可以保持稳定的状态;高温高压滤失量比较小,只有3.2~9.5 mL,表明可以吸附和沉积形成致密的滤饼,不但能解决泥页岩井壁稳定和储层保护的技术难题,而且符合一般复杂高温深井、水平井的设计要求。该钻井液体系密度在0.95~2.00 kg/L内可调,且随着密度增加,黏度、切力有所增加,滤失量减小,乳化稳定性相对增强,96 h LC50值都大于1 000 000 mg/L,生物毒性很低,具有很好的环保性能。

配制密度为2.00 kg/L的低毒环保型油基钻井液,在150 ℃下热滚16 h 后,在烧杯中静置24 h,测得烧杯中上部的钻井液密度为1.97 kg/L,下部的密度为2.03 kg/L,未出现重晶石沉降和基础油析出现象;钻井液的黏度和切力均有所增大,但仍表现出良好的剪切稀释性,说明该钻井液具有较好的沉降稳定性,可满足不同地层和工况条件下的钻探需要。

3.3 抗污染性试验

钻井液在钻遇不同地层时不可避免地会遇到钻屑及高矿化度地层水侵入的情况,因此,笔者对低毒环保型油基钻井液抗水污染和抗劣质土污染的能力进行了评价试验,结果见表 4

表 4 低毒环保型油基钻井液抗污染性试验结果 Table 4 Contamination resistance test results of the low-toxicity and environmental friendly oil-based drilling fluid
污染条件 反应条件 表观黏度/
(mPa·s)
塑性黏度/
(mPa·s)
动切力/
Pa
API滤失量/
mL
高温高压
滤失量/mL
破乳电压/
V
5%水 热滚前 36 26 10 1.5 1 297
热滚后 42 30 12 1.0 8.8 1 445
10%水 热滚前 39 26 13 0.9 1 064
热滚后 45 30 15 0.7 7.7 1 046
20%水 热滚前 45 29 16 0.7 747
热滚后 57 35 22 0.6 4.7 834
3%土 热滚前 34 24 10 1.5 1 630
热滚后 39 27 12 1.8 6.3 1 845
7%土 热滚前 40 28 12 2.0 1 344
热滚后 53 36 17 1.9 7.4 1 775
10%土 热滚前 59 40 19 1.9 1 344
热滚后 65 43 22 2.1 9.2 1 743
注:热滚条件为150 ℃、16 h,高速搅拌5 min后测量,高温高压条件为150 ℃、3.45 MPa;以上试验依据《石油天然气工业:钻井液现场测试:第2部分:油基钻井液》(GB/T 16783.2—2012)进行;侵入土符合《钻井级膨润土》(GB/T 5005—2010)的性能要求,侵入水为矿化度6 000 mg/L的模拟地层水。

表 4可以看出,随着侵入水量的增加,钻井液的黏度、切力明显增大,同时滤失量与破乳电压降低,当侵入水量达20%时,破乳电压为747 V,乳化体系仍保持稳定,表明至少可以减小油水比至70∶30。随着侵入土量的增加,钻井液的黏度和切力明显提高,滤失量稍有上升,侵入土量达10%时,高温高压滤失量为9.2 mL,还在合理的范围内,整体性能没有遭到破坏。试验结果表明,该钻井液体系抗污染性能良好,可以抗20%水或10%劣质土的侵入污染,可以满足深井复杂地层钻井的技术需要。

3.4 抑制性试验

在钻遇泥页岩等地层时,钻井液滤液易侵入到地层中而发生泥页岩膨胀、分散甚至井壁坍塌等井下故障[13-15]。为此,笔者选取了几种泥页岩地层常用的钻井液与低毒环保型油基钻井液进行了岩屑滚动回收率和线性膨胀率对比试验,评价其对泥页岩的抑制性能,试验结果见表 5

表 5 钻井液抑制性试验结果 Table 5 Test results of inhibition performances of the drilling fluid
钻井液体系 一次岩屑滚
动回收率,%
二次岩屑滚
动回收率,%
16 h线性
膨胀率,%
摩擦
系数
蒸馏水 11.32 7.66 48.43 0.34
聚合醇钻井液 83.54 80.79 15.54 0.10
KCl聚合物钻井液 84.64 81.09 17.64 0.13
柴油油基钻井液 98.58 96.95 2.18 0.07
低毒环保型油基钻井液 99.32 99.17 1.92 0.03
注:滚动条件为150 ℃、16 h;以上试验依据《泥页岩理化性能试验方法》(SY/T 5613—2000)和《钻井液用液体润滑剂技术规范》(Q/SY 1088—2012)进行。

表 5可知,油基钻井液的岩屑滚动回收率明显高于常用的水基钻井液,而低毒环保型油基钻井液的岩屑滚动回收率最高,二次岩屑滚动回收率达到了99.17%。线性膨胀率试验结果也同样反映了低毒环保型油基钻井液对泥页岩水化分散有较强的抑制作用,可保持地层稳定,防止井壁坍塌等井下故障。从表 5还可以看出,低毒环保型油基钻井液的摩擦系数很小,表明其润滑性能好,优于传统的水基钻井液和柴油基钻井液,可以降低钻井过程中的摩擦阻力,有效解决定向井、水平井钻井过程中摩阻过大的问题。

3.5 储层保护试验

油基钻井液具有低滤失、强抑制、抗高温、性能稳定和滤液为油相可避免水锁损害等诸多有利于储层保护的特点,但是乳化剂、润湿剂的使用不可避免地发生岩石乳化堵塞和润湿性反转的储层损害,有机土、降滤失剂微粒容易侵入孔喉和渗流通道,造成储层产生固相堵塞的损害[16-18]。为此,笔者使用JHMD-Ⅱ型高温高压动态损害评价系统,测定人造岩心的渗透率恢复率来评价低毒环保型油基钻井液的储层保护性,试验结果见表 6

表 6 低毒环保型油基钻井液的储层保护试验结果 Table 6 Test results for reservoir protection performances of the low-toxicity and environmental friendly oil-based drilling fluid
岩心编号 气测渗透
率/mD
损害前的
渗透率/mD
损害后的
渗透率/mD
渗透率恢
复率,%
1 0.76 0.191 0.169 88.5
2 7.48 2.312 2.118 91.6
3 18.98 4.417 3.962 89.7
4 46.87 11.320 10.289 92.9
5 179.46 55.633 52.050 94.6
注:试验温度为120 ℃,饱和盐水为模拟地层水矿化度6 000 mg/L,试验依据《钻井液完井液损害油层室内评价方法》(SY/T 6540—2002)进行。

表 6可知,低毒环保型油基钻井液对岩心的渗透率具有一定的损害,对低渗透率岩心的损害较大,但是渗透率恢复率均达到88.5%以上,说明该钻井液体系的各组分配伍性好,且具有较好的滤失和封堵性能,能够在岩心上形成高质量滤饼阻止对储层的损害,具有很好的储层保护性能。

4 结论及建议

1) 针对常规油基钻井液基础油存在的毒性高和环境污染等问题,通过对普通原料油进行脱硫脱芳处理得到新型基础油,不但具有低毒环保的特点,而且可以满足配制高性能油基钻井液的技术要求。

2) 针对常规有机土在新型基础油中成胶率低的问题,采用新型改性剂和工艺措施研制了新型改性有机土,在弱极性基础油中具有增黏提切能力强、成胶稳定性好和抗高温等特点。

3) 以新型低毒基础油和新型改性有机土为基础配制了低毒环保型油基钻井液体系,室内试验结果表明,该钻井液具有体系稳定性高、抑制性强、润滑性好、储层损害小、抗高温、抗污染等特点,并且生物毒性很低,能满足复杂地层安全高效的钻井需求,能起到良好的环境保护作用。

4) 建议继续以新型低毒基础油和新型改性有机土为基础,通过改变油水比、处理剂和密度来优化低毒环保型油基钻井液配方,进一步完善其性能,以更好地满足复杂地层深井、超深井勘探开发的技术需求和环保要求。

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文章信息

解宇宁
XIE Yuning
低毒环保型油基钻井液体系室内研究
Experimental Study on Low-Toxicity and Environment-Friendly Oil-Based Drilling Fluids
石油钻探技术, 2017, 45(1): 45-50.
Petroleum Drilling Techniques, 2017, 45(1): 45-50.
http://dx.doi.org/10.11911/syztjs.201701008

文章历史

收稿日期: 2016-07-25
改回日期: 2016-10-19

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