一種新型的油包水合成基鉆井液

胡 兵，歐陽傳湘，林 飛，趙春燕

（1. 長江大學(xué) 石油工程學(xué)院， 湖北 武漢 430100； 2. 長江大學(xué) 地球物理與石油資源學(xué)院，湖北 武漢 430100）

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一種新型的油包水合成基鉆井液

胡 兵1，歐陽傳湘1，林 飛1，趙春燕2

（1. 長江大學(xué) 石油工程學(xué)院， 湖北 武漢 430100； 2. 長江大學(xué) 地球物理與石油資源學(xué)院，湖北 武漢 430100）

摘 要：我國頁巖氣資源勘探開發(fā)已全面鋪開。頁巖失穩(wěn)坍塌是目前困擾中國頁巖氣水平井大規(guī)模鉆探的關(guān)鍵因素之一。合成基鉆井液因其強抑制性強，在國外被廣泛用于頁巖氣水平井鉆井。借鑒國外相關(guān)經(jīng)驗，設(shè)計實驗優(yōu)選出油包水合成基鉆井液的配方：礦物油（OA）+白油（OB）+水+3.0%乳化劑（納米級SiO2）+1.6%醋酸鉀+1.0%有機土+3.0%降濾失劑+2.0%潤濕劑+重晶石。以在實驗室內(nèi)合成低毒、價廉的礦物油OA和白油（OB）為基礎(chǔ)油不僅能夠降低成本，而且可以生物降解，對環(huán)境污染小。采用納米級SiO2做乳化劑，不僅有很好的粘結(jié)性、耐高溫性、成膜性，而且對高速攪拌下產(chǎn)生的氣泡有一定的消泡作用。采用醋酸鉀替代氯化鈣作為水相抑制劑，既增強了體系的抑制性又簡化了配制工藝。該鉆井液體系加重至2.40 g/cm3的流變性能良好，破乳電壓較高；在130 ℃條件下熱滾老化后流變性及破乳電壓變化都不大。該體系很適合用于高地層壓力梯度的四川盆地頁巖Ⅰ區(qū)塊（下志留統(tǒng)龍馬溪組下部—上奧陶統(tǒng)五峰組約86 m層段）含氣泥頁巖段目的層的開發(fā)。其良好的潤滑性能也有利于在該區(qū)塊進行大位移水平井開發(fā)。

關(guān) 鍵 詞：合成基；油包水；頁巖氣；納米級SiO2；低成本；污染小；四川盆地

相對于水基鉆井液，油基鉆井液［1］具有較強的防塌抑制性、潤滑性和良好的儲層保護性能，但油基鉆井液存在干擾錄井和測井及在環(huán)境敏感地區(qū)應(yīng)用受到限制等缺點。如何解決成本和環(huán)境污染的問題成了當下改善鉆井液的關(guān)鍵，在20世紀80年代末，國外的石油公司就開始了合成基鉆井液的研發(fā)工作。合成基鉆井液［2］于1990年3月在北海首次應(yīng)用并獲得成功，此后合成基鉆井液的種類和應(yīng)用不斷增加。Chevron在南海西部的YC21-1-4高溫高壓井中使用的也是Dowell公司的合成基鉆井液技術(shù)。為滿足中國海洋石油的勘探開發(fā)需要，開發(fā)保留油基鉆井液優(yōu)點而且保護環(huán)境的合成基鉆井液技術(shù)已勢在必行。作為我國首個頁巖氣合作開發(fā)項目，殼牌公司自2010年12月起應(yīng)用環(huán)保型的低毒合成基鉆井液對四川富順區(qū)塊頁巖氣氣藏進行了鉆探開發(fā)并取得了成功。

本研究主要在室內(nèi)進行，研制出的合成基鉆井液成本低、污染小、流變性能好，密度可調(diào)范圍大，適合用于高地層壓力梯度的四川盆地頁巖Ⅰ區(qū)塊（下志留統(tǒng)龍馬溪組下部—上奧陶統(tǒng)五峰組約86 m層段）含氣泥頁巖段目的層的開發(fā)［3］。其良好的潤滑性能也有利于在該區(qū)塊進行大位移水平井開發(fā)。

1 鉆井液體系的研制

1.1 基礎(chǔ)油的選擇

要想合成基鉆井液能夠取代油基鉆井液的關(guān)鍵問題是要能夠找到相對價廉的基礎(chǔ)油。針對這一問題，結(jié)合國內(nèi)外的相關(guān)研究［4］，在實驗室合成了一種低毒、成本低的礦物油（OA），其性質(zhì)如下表1。為了能夠有效的控制鉆井液體系的流變性，選擇另一種基礎(chǔ)油——白油（OB）來一起組成該體系的基礎(chǔ)油。對兩種基礎(chǔ)油進行不同比例的復(fù)配，在50 ℃條件下測試其流變性的結(jié)果見表2。

表1 合成礦物油的性質(zhì)表Table 1 The properties of synthetic mineral oil

表2 不同比例的基礎(chǔ)油復(fù)配后的流變性能Table 2 The rheological property of different proportions of base oil distribution

1.2 乳化劑的選擇

為了適應(yīng)頁巖氣地層的開發(fā)，所選擇的乳化劑劑應(yīng)該遵循如下原則：①HLB 值為3～6 ；②對環(huán)境無污染；③與油的親和能力要強；④能較大幅度地降低界面張力；⑤抗溫能力好， 在高溫下不降解， 解吸不明顯。基于此要求，經(jīng)過大量的文獻調(diào)研，了解到有一種納米級的二氧化硅能夠很好的滿足要求。該納米二氧化硅無毒、無味、無污染，顆粒尺寸小，比表面積大，表面存在大量不飽和鍵及不同鍵合狀態(tài)的羥基，由于其特殊的化學(xué)結(jié)構(gòu)，不僅能用于水體系，還能用于油體系。納米二氧化硅［5］呈分散狀態(tài)分散于體系中，可以使生成的油包水乳濁液具有很好的粘結(jié)性、耐高溫性、成膜性，能夠保證鉆井液體系具有很好的抗溫性能［6］。特別指出，納米基二氧化硅在體系中分散時，其特殊的結(jié)構(gòu)，特別是三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使其具有強吸附率而導(dǎo)致破泡，能夠消除高速攪拌過程中產(chǎn)生的泡沫，也是一種高效消泡劑［7］。

1.3 水相抑制劑的選擇

通過對四川盆地頁巖Ⅰ區(qū)塊的巖心進行敏感性分析，了解到該區(qū)塊是中偏強——強水敏，并且微裂縫比較發(fā)育，因此必須選擇一種強水相抑制劑，現(xiàn)場常采用采醋酸鉀替代氯化鈣作為水相抑制劑［8］，這樣既增強了體系的抑制性又簡化了配制工藝。而且醋酸鉀與氯化鈣相比更加環(huán)保，其配制的鉆井液對環(huán)境的影響也較小。

1.4 配制工藝的選擇

選用的納米級的二氧化硅含有大量的羥基，具有較強的親水性，在水溶液體系中能夠形成分散液，只有納米二氧化硅的分散液［9］才具有很好的粘結(jié)性、耐高溫性、成膜性。分散的納米基二氧化硅具有特別的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使其具有強吸附率而導(dǎo)致破泡，是高效消泡劑。要想使該納米級的二氧化硅具有很好的乳化和消泡效果，讓納米級的二氧化硅分散是關(guān)鍵的步驟，因此，在鉆井液的配制過程中，要合理的添加配方，各成分的添加順序是：先加入基礎(chǔ)油充分攪拌，在同時加入水和納米級的二氧化硅，充分攪拌，讓二氧化硅很好的分散于水中，最后附著在油水界面處，形成穩(wěn)定的耐高溫的油包水乳濁液，接下來在一一添加各種添加劑，并逐一充分攪拌，配成目標鉆井液。

2 體系性能的評價系

以各個配方作為單因素變量，設(shè)計相關(guān)實驗［10］，篩選出了最佳的配方：礦物油（OA）+白油（OB）+ 水+3.0%乳化劑（納米級SiO2）+1.6%醋酸鉀+1.0%有機土+3.0%降濾失劑+2.0%潤濕劑+重晶石。

2.1 加重性能

由于下志留統(tǒng)龍馬溪組—上奧陶統(tǒng)五峰組地層壓力梯度很高，屬于高壓地層，且采用控壓鉆井技術(shù)，必須采用高密度鉆井液（2.20 g/cm3）來平衡地層壓力。對鉆井液體系的加重性能評價如表3。

表3 加重性能評價表Table 3 Rating of merit after increasing the weight

數(shù)據(jù)顯示，使用重晶石對體系加重后，對體系的流變性影響，依然能保持良好的性能，隨著密度的增加，破乳電壓反而有所增加，最高密度可達2.20 g/cm3。

2.2 抗老化性能

四川盆地頁巖Ⅰ區(qū)塊目的層的地層溫度為70℃。將按最佳方案配制的鉆井液裝入老化罐在100℃條件下老化16 h，冷卻至室溫，在50 ℃下測量其性能，并與熱滾前進行比較，得到的體系的抗溫性能如表4。

表4 抗溫性能評價表Table 4 Temperature resistance evaluation

數(shù)據(jù)顯示，100 ℃×16 h熱滾后，體系的性能沒有發(fā)生顯著變化，仍然具有很好的流變性和電穩(wěn)定性，體系抗溫可達100 ℃，滿足開采四川盆地頁巖Ⅰ區(qū)塊目的層的需要。

2.3 抗污染性

在四川盆地頁巖Ⅰ區(qū)塊，鉆井液主要受鉆屑的污染，設(shè)計實驗，對其抗污染能力進行了評價，得到的結(jié)果如表5。

表5 體系的抗污染性能Table 5 The system of pollution resistance

數(shù)據(jù)顯示，隨著鉆井液中鉆屑含量的增加，鉆井液的黏度有所增加，但增加幅度不大，對鉆井液的流變性和電穩(wěn)定性影響不大，該合成基鉆井液對該區(qū)塊鉆屑的污染具有很強的抵抗能力。

2.4 儲層保護效果

在70 ℃、3.5 MPa的條件下，使用密度為2.20 g/cm3的目標鉆井液，對頁巖Ⅰ區(qū)塊儲層的巖心進行污染，時間為2 h，并對污染的結(jié)果做出了相應(yīng)的評價，結(jié)果如表6。

表6 鉆井液的儲層保護效果評價Table 6 Drilling fluid reservoir protection effect evaluation

數(shù)據(jù)顯示，巖芯的直接返排滲透率恢復(fù)值較高，均在90%以上，該合成基鉆井液對儲層有很好的保護效果。

2.5 生物毒性

結(jié)合國內(nèi)外的情況，采用了發(fā)光細菌法對合成基鉆井液的生物毒性進行了評價，得到的結(jié)果如表7所示。

表7 鉆井液各添加劑生物毒性評價Table 7 The biological toxicity assessment of drilling fluid additives

分析各添加劑結(jié)合實驗數(shù)據(jù)了解到，各個成分均為無毒，而且基礎(chǔ)油性質(zhì)優(yōu)良。該體系具有很好的生物降解性，對環(huán)境污染小，可以廣泛的使用。

3 結(jié) 論

（1）采用室內(nèi)合成的礦物油作為主基礎(chǔ)油，用白油來調(diào)節(jié)礦物油的黏度，可以得到流變性能良好，成本低的合成基鉆井液。

（2）采用的礦物油、納米基二氧化硅、醋酸鉀等材料作為添加劑，對環(huán)境的污染更小，更有利于廣泛的應(yīng)用［11］。

（3）采用醋酸鉀替代氯化鈣作為水相抑制劑，既增強了體系的抑制性，又簡化了配制工藝。

（4）納米級SiO2特殊的化學(xué)結(jié)構(gòu)使它的分散液在體系中具有很強的粘結(jié)性、耐高溫性、成膜性，能夠保證油包水乳液的穩(wěn)定性，從而保證了該鉆井液的優(yōu)良性能。特別地，納米級SiO2的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使其具有強吸附率而導(dǎo)致破泡，能夠消除高速攪拌過程中產(chǎn)生的泡沫，也是一種高效消泡劑。

（5）納米級SiO2只有在分散的狀態(tài)下才能發(fā)揮作用，在配制過程中應(yīng)該嚴格按照工藝添加，同時加入水和納米級SiO2，攪拌充分后在依次添加其他成分，以保證充分分散。

（6）該體系具有成本低、環(huán)保、性能良好等特點，可以在四川盆地頁巖Ⅰ區(qū)塊YY11水平井［12］的鉆進過程中使用，對同類型的地區(qū)也有很強的指導(dǎo)作用。

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A New Type Water-in-oil Synthetic Drilling Fluid

HU Bing1，OUYANG Chuan-xiang1，LIN Fei1，ZHAO Chun-yan2
（1. College of Petroleum Engineering， Yangtze University of Petroleum Engineering， Hubei Wuhan 430100，China；2. College of Geophysics And Petroleum Resources，Yangtze University of Geophysics And Petroleum Resources， Hubei Wuhan 430100，China）

Abstract:Exploration and development of shale gas resources has been in full swing. Shale instability collapse is currently plaguing one of the key factors in Chinese shale gas drilling. Synthetic drilling fluids are widely used in overseas shale gas horizontal drilling because of strong inhibition. Based on foreign experiences， through design experiments， preferable synthetic oil-in-water formulation of drilling fluid was obtained as follows:mineral oil （OA） + white oil （OB） + water + 3.0% emulsifier （nano-SiO2） + 1.6% potassium acetate + 1.0% + 3.0% organic soil fluid loss additive + 2.0% wetting agent + barite. Using inexpensive OB and OA with low toxicity can reduce costs， and they are biodegradable and have lower pollution. Nanoscale SiO2is used as emulsifier， it has good adhesion， heat resistance，film， also has a certain anti-foaming effect. Instead of calcium chloride， using potassium acetate as an aqueous phase inhibitor can enhance the inhibitive capacity of system and simplify the preparation process. The drilling fluid has good rheological property and the higher breaking voltage； Rheology and demulsification voltage changes are not large at hot rolling of 130 ℃ condition. The system is very suitable for the Sichuan Basin shale blocksⅠthat is high formation pressure gradient. Its good lubrication properties also are conducive to the development of large displacement horizontal wells in the block.

Key words:Synthetic； Water in oil； Shale gas； Nanoscale- SiO2； Low cost； Lower pollution ； Sichuan basin

中圖分類號：TE 357

文獻標識碼：A

文章編號：1671-0460（2016）02-0256-03

收稿日期：2015-10-21

作者簡介：胡兵（1992-），湖北松滋人，研究方向：現(xiàn)在從事鉆井液技術(shù)研究。E-mail：1129314799@qq.com。