低毒油包水钻井液体系研究与现场应用

_______________________________

基金项目： 川庆钻探工程公司项目2009-49

作者简介：杨斌，男,四川内江人，汉族,1972年生，硕士研究生毕业，油田化学专业，高级工程师。现任川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院长庆分院钻井液完井液研究所所长。主要从事钻井液体系研究应用及管理工作。电新型低毒油包水钻井液体系研究与现场应用

杨斌 刘伟 张宇 张小平 王勇强 吴超

(川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院长庆分院钻井液所，低渗透油气田勘探开发国家工程实验室

陕西 西安，710018)

摘 要： 本文选择以合成基油或3#中国白油作为连续相，优选出了用于配制油包水逆乳化钻井液体系性能优异的有机土、乳化剂、润湿剂、辅助处理剂并确立了其不同比重最佳配方组成，该体系配方的研究旨在壳牌金秋区块以及长北区块推广并大规模使用，解决该区块地层复杂、泥页岩吸水膨胀、润滑减阻效果不良、储层保护效果差等技术难题。

关键词： 油包水逆乳化钻井液； 配方研究； 现场应用

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、大斜度定向井、水平井和各种复杂地层的重要手段。

本文通过分析评价及优选试验，优选出了低毒油包水逆乳化钻井液处理剂以及处理剂最佳用量， 确立了低毒油包水钻井液体系基本配方。该体系在壳牌金秋区块现场应用过程中具有良好乳化稳定性、能抗高温、稳定井壁、润滑性好和对油气层损害程度较小等特点，可以有效解决地层复杂、泥页岩吸水膨胀、润滑减阻效果不良、储层保护效果差等技术难题。

1低毒油包水钻井液的组成及优选

（1） 基油

在油包水乳化钻井液中用做连续相的油称为基油(Base Oil)。目前我们使用的基油为3#中国白油，其芳香烃含量小于3%，凝点为-25℃，闪点为110 ℃，对海洋生物低毒或无毒，完全满足现场环境以及安全使用要求。[1] （2）水相

我们使用为（16%-23%）CaCl 2 盐水作为体系水相，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。在一定的含水量范围内，随着水所占比例的增加，油包水钻井液的粘度、切力逐渐增大。因此，人们常用它作为调控油包水钻井液流变参数的一种方法，增大含水量可减少基油用量，降低配制成本。但另一方面，随着含水量增大，维持油包水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。

调整油水比的一般原则是，以尽可能低的成本配制成具有良好乳化稳定性和其它性能的油包水乳化钻井液。 （3）乳化剂

正确地选择和使用乳化剂是形成稳定的油包水乳化钻井液的关键因素，用于油包水乳化钻井液的乳化剂是油溶性的表面活性剂它们的HLB 值（即亲水亲油平衡值）一般应在3.5～6之间。但为了形成密堆复合膜，增强乳化效果，有时也使用HLB 值大于7的表面活性剂作为辅助乳化剂。乳化剂的有效性常常与基油的化学组成以及水相的pH 值和含有的电解质等因素有关。我们通过乳化电压法从8种乳化剂中进行优选实验。

实验条件为：取280mL 3#白油 、120mL 蒸馏水，在25℃下高速乳化30min ，在滚子炉中滚动放置16h(220℃) ，用Fann －23C 型电稳定仪测其破乳化电压(测试温度50℃)，如表1所示。

表1 不同乳化剂对乳液稳定性的影响

乳化剂名称

乳化剂用量

(w%)

破乳电压(V)

Span-80 6.0 450

Span-60 6.0 400 Tween-80 6.0 320 ABS 6.0 370 PE-1/SE-1 3.0/3.0 510 BAH 6.0 270 OP-10 6.0 390

由表1可知我们选用的主乳化剂PE-1可在油水

界面形成高强度的复合膜，从而保证在高温下乳状液稳定性良好，油溶性辅乳化剂SE-1可进一步增强油

水界面膜的强度，增强乳状液稳定性和抗温能力，两

种乳化剂配合使用破乳电压最高，乳液稳定，可以作

为3＃白油作为油相的油包水钻井液中乳化效果好，

乳液稳定的主辅乳化剂[2]。

乳化剂的加量将直接影响乳状液的稳定性，如果

加量太少，将不会形成稳定的乳状液；如果加量太大，

不但会提高油包水钻井液的费用，还会提高钻井液的

粘度，会增大钻井过程的负面影响。当实验条件为油

水比7:3，在25℃下高速乳化30min，在滚子炉中滚

动放置16h(220℃)，乳状液的稳定性随着主乳化剂

PE-1及油溶性辅乳化剂SE-1加量的增加而增大，当

复合加量为6.0%时，破乳电压为510V，当加量大于

6.0%，再增大加量其破乳电压变化不明显，故选择复

配乳化剂的加量为6.0%。

表2乳化剂加量对乳液稳定性的影响

主、辅乳化剂用量

(w%)

破乳电压(V)

1.0/1.0

325

1.5 /1.5 365

2.0/2.0 470

3.0/3.0 510

3.5/3.5 506

（4）润湿剂

大多数天然矿物是亲水的。当重晶石粉和钻屑等

亲水的固体颗粒进人W/O型钻井液时，它们趋向于

与水结合并发生聚结，引起高粘度和沉降，从而破坏

乳状液的稳定性。与水基钻井液相比，油包水钻井液

一般切力较低，如果重晶石和钻屑维持其亲水性，则

它们在钻井液中的悬浮会更成问题。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，我们

优选出阳离子表面活性剂DS-2、ODE，两种润湿剂

复配其亲水基团可有效地吸附在带负电的重晶石和

钻屑颗粒表面，使其表面覆盖一层憎水亲油基团迅速

转变为亲油固体，从而保证它们能较好地悬浮在油相

中。

通过加入一定量的重晶石(使其密度达到

1.15g/cm3)和1.0%有机土，在25℃下高速乳化30min，

在滚子炉中滚动放置16h(220℃)下，DS-2/ ODE 的润

湿效果最好，其破乳电压达到633V ，故DS-2/ ODE

作为该油包水钻井液的润湿剂。

表3不同润湿剂对乳液稳定性的影响

润湿剂名称润湿剂用量

(w%)

破乳电压

(V)

DA-23 2.0

528 DJW 2.0 551

EA-2 2.0 536 DS-2/ODE 1.0/1.0 633 RS 2.0 519 BS 2.0 571 UR 2.0 586

（5）有机土

有机土很容易分散在油中起提粘、提切、悬浮重晶石、降低滤失的作用，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。

油包水钻井液的表观粘度随着有机土加量的增加而增大，当有机土的加量为3.0%时，其表观粘度为16.5mPa?s，已经可以满足现场的应用要求，故选择有机土的加量为3.0%。

称取3g有机土(精确至0·01g),倒入装有100 mL 3号白油的高搅杯中,于4000min下搅拌10 min,使有机土充分分散,然后量取100 mL混合液于100毫升的具塞筒中,静置,同时以秒表计时,记录90 min时上层游离白油的体积(V),按胶体率(% )=(100-V)/100×100%

计算胶体率。

表4 有机土优选实验

样品编

号 有机土及其

添加量

时间 析油

体积

(min)

(ml)

时间 胶

体率

(min)

(%)

1 白油100ml+ 有

机土3g （ 富

邦）

90 1

90 99

2 白油100ml+有

机土3g（西矿

所）

90 22

90 78

3

白油100ml+安

丘丰隆土3g

90 17

90 83 由表4可知所选用有机土胶体率可达到99%，

说明其在白油中可形成较好的空间凝胶网状结构，并具有较好的流变性：表观粘度17.5mPa?s，塑性粘度13 mPa?s，动切4.5Pa，能够较好的满足现场使用要求。

（6） POM

在油基钻井液中，未溶Ca(OH)2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2.0 cm3。

本体系引入CaO，其加量初步定为2.0%，可以在后期的施工和评价中作一些调动，使其更好的满足

现场需要。

2.体系性能评价

表5 配方体系性能评价

基础配方为3#白油∶16%CaCl2水溶液（70∶30）+3%主乳化剂PE-1+3%辅乳化剂SE-1+3%有机土 +3%润湿剂DS-2/2%ODE+2%降滤失剂G320-JLS+2%碱度调节剂+重晶石，密度为1.6 g/cm3时，受体系稳定性及流变性的影响改变油水比为80：20，密度大于2.0 g/cm3改变油水比为85：15，从表4可知所选用不同密度配方体系性能稳定，流变性较好可以满足现场使用要求。

3.现场配制及应用 （1）泥浆比重

根据地层压力预报并通过监控掉块来调整泥浆比重，预防井下失稳。降低比重可通过使用固控设备以及预配制油基泥浆和基油来调整，如需加重可通过重晶石加重来随时调整泥浆比重。泥浆比重用加压比重计测量[3]。

（2）油水比

保持在70/30，如果固相，比重或gels上升并很难控制可相应增加该比例。水相含量的任何变化都要经过认真分析。

（3）流变性

使用含有CaCl2水为内相的逆乳化油基泥浆，基本上消除了由于泥页岩水化膨胀引起的井塌，很容易保持井眼干净，对于金秋区块须家河组井段的坍塌掉快，要考虑采取严格防塌措施和足够的泥浆流变性能清洗井眼,并将HPHTFL降至3ml以下。

在静切大幅增加情况下使用主乳化剂和石灰来避免高温产生的胶凝现象。石灰加量必须维持在 5 kg/m3.左右。当泥浆体系用大量的加重剂(CaCO3 or Barite)加重时,需要额外的油湿剂，一般每增加100g 重晶石，额外0.75 g 的润湿剂需要相应的加入到体系中。

（4）失水控制

HP/HT失水需要在93 C and 500 psi 条件下控

制在3ml以下。标准API滤失需要每天测量控制来评价乳化稳定性，我们使用自制的油溶性降失水剂G320-JLS。

（5）现场应用

四川壳牌金秋项目JH3井三开井段成功使用了低毒油包水钻井液体系。现场应用中，其井径规则，钻具扭矩小，钻速快，钻井液携砂能力强，润滑性好，井壁稳定。且施工工艺简单，现场维护容易，无需频繁的处理。

表6体系现场性能

项目 指标

密度(g/cm3) 1.50-1.95

漏斗粘度(s) 50-95

表观粘度(mPa﹒s)30-60

塑性粘度(mPa﹒s)25-50

动切力(Pa) 5-12

静切力(初/终，Pa)2-7/4-9

破乳电压(V) 400-1500

配方

ρ

g/c

m3

A

V

m

Pa.

s

P

V

m

P

a

.

s

Y

P

P

a

H

T

HP

m

L

油

水

比

破

乳

电

压

V

备

注

1 # 1.10

35.5 26 9.5

70

:3

824

室

温

40.5 35 5.5 1.2 940

22

℃

/1

6h

2 # 1.25

65 48 17

70

:3

1044

室

温

50 46 4 2.5 831

22

℃

/1

6h

3 # 1.6

54 49 5

80

:2

1000

室

温

50 48 2 4 680

22

℃

/1

6h

4 #2.0

87 74 13

85

:1

5

1526

室

温

63 58 5 4.2 872

22

℃

/1

6h

API滤失量(ml) 0

HTHP滤失量(ml) 1-5

POM碱度(ml) 1.0-2.0

油水比 90-70∶10-30

含砂量(%) ＜0.3

泥饼摩阻系数 ＜0.15 4结论

新型油包水钻井液体系具有良好的流变性能和高温稳定性；体系的破乳电压一般均在600伏以上；该低毒油包水钻井液体系具有良好的剪切稀释性强，高剪切稀释强，低剪切速率数值高，有利于悬浮和携砂，有利于井壁的稳定及井眼的畅通[5]。保证钻井施工的正常进行。低毒油包水钻井液在现场应用中，其井径规则，钻具扭矩小，钻速快，钻井液携砂能力强，润滑性好，井壁稳定。且施工工艺简单，现场维护容易，无需频繁的处理，可循环回收使用； 低毒油包水钻井液具有优良的储层保护特性。结合屏蔽暂堵技术和隐形酸完井液技术，可以使得油基钻井液的储层保护效果更优。

参考文献

[1]徐同台编著.深井泥浆.北京:石油工业出版社,1994.

[2] 梁大川,黄进军,崔茂荣,等.抗高温高密度低毒油包水钻井

液的乳化剂优选和研制[J].西南石油学院学报,2000,22(3):74-77.

[3]鄢捷年,黄林基编著.钻井液优化设计与实用技术[M].北京:

石油大学出版社,1993.235~298

[4] 徐同台.油气田地层特性与钻井液技术[M].北京:石油工业

出版社,1998.98~100

[5] J ames拉默斯（著).钻井液优选技术[M].朱墨(译).北京:石油

工业出版社,1993.131~147