低密度海水水包油鉆井液的研制

1、收稿日期:2008-04-30;改回日期:2008-06-04作者簡介:王薦(1980,男,2002年畢業(yè)于重慶石油高等?？茖W(xué)校油田化學(xué)專業(yè),長江大學(xué)石油工程學(xué)院2005屆在讀工程碩士,現(xiàn)任湖北荊州漢科新技術(shù)研究所鉆井流體部副經(jīng)理,主要從事鉆井液方面的研究工作。E 2mail :wan gjian 。文章編號:1008-2336(200803-0086-06低密度海水水包油鉆井液的研制王薦1,3,張榮2,向興金3,舒福昌1,吳彬1,周文濤1,蔣卓1(1.荊州市漢科新技術(shù)研究所,湖北荊州434000;2.中海油服油化事業(yè)部塘沽基地,天津塘沽300452;3.長江大學(xué)石油工程學(xué)院,湖北荊州4340

2、23摘要:針對低壓油氣層和欠平衡鉆井,以海水為外相,以生物毒性低、閃點(diǎn)高的礦物油(5#白油為內(nèi)相,采用抗溫性和乳化能力強(qiáng)的表面活性劑作為乳化劑,研制了抗高溫海水水包油鉆井液體系,并對其性能進(jìn)行了評價。試驗(yàn)結(jié)果表明,該鉆井液具有乳化穩(wěn)定性強(qiáng)、抗溫穩(wěn)定性好、儲層保護(hù)效果好等特點(diǎn),適合于渤海灣地區(qū)潛山地層深井鉆探。關(guān)鍵詞:水包油;海洋;鉆井液;乳化劑;抗高溫中圖分類號:TE254文獻(xiàn)標(biāo)識碼:AStudy and devedopment of oil in low 2density sea w ater drilling fluidWang Jian 1,3,Zhang Rong 2,Xiang Xi

3、ngjin 3,Shu Fuchang 1,Wu Bin 1Wentao 1,Jiang Zhuo 1(1.Jingz hou HA N C New 2Tech Research Institute ,Jingz hou 434000;2.China Oilf ield Services L td.,Tianjin 300452;3.College of Pet roleum Engineering ,Yangtze U niversity ,Jingz hou 434023Abstract :Aiming at the under 2saturated reservoir and under

4、 balanced drilling ,taking sea water as externalphase and mineral oil (5#white oil as internal phase ,oil in sea water drilling fluid was developed using temperature resistant surface active agent with strong emulsifying power as emulsifier.Performance of the system was evaluated by lab study ,and i

5、t showed that the drilling fluid have high emulsifying power and reservoir protection capability ,which fitted for buried hill reservoirs of Bohai Bay.K ey w ords :oil in water ;ocean ;drilling fluid ;emulsifier ;temperature resistant渤海灣地區(qū)潛山構(gòu)造帶由于地層壓力低,鉆井液易發(fā)生漏失及儲層傷害等問題。此外,一些新發(fā)現(xiàn)的區(qū)塊在鉆探井時,為及時準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)新的油氣藏,

6、更有效地開發(fā)油氣資源,多實(shí)施欠平衡鉆井作業(yè),以最大限度地保護(hù)儲層。水包油鉆井液體系主要用于解決一些低孔低滲、縫洞發(fā)育易井漏、地層壓力系數(shù)低的儲層保護(hù)問題和深井欠平衡技術(shù)難題1-2。作為一種低密度欠平衡水基鉆井流體,水包油鉆井液既保持了水基鉆井液的特點(diǎn),又具備了油基鉆井液的特點(diǎn),適合于欠平衡鉆井作業(yè)3。雖然水包油鉆井液在國內(nèi)外都進(jìn)行了成功的應(yīng)用,但是井溫在150以上的井很少4。同時為了滿足海上鉆井和環(huán)保的要求,使用海水作為水包油外相,無毒礦物油作為內(nèi)相的水包油鉆井液幾乎未見報(bào)道,所以需要建立一套性能穩(wěn)定的抗高溫海水水包油鉆井液體系,解決海上水包油鉆井液抗高溫的問題,并為渤海灣地區(qū)潛山構(gòu)造帶鉆井液

7、漏失及儲層傷害等問題以及海洋深井欠平衡鉆井作業(yè)提供技術(shù)支持和儲備。1抗溫海水水包油鉆井液體系配方優(yōu)選水包油乳化鉆井液是一種熱力學(xué)不穩(wěn)定體系,海洋石油86OFFSHORE OIL2008年9月影響其穩(wěn)定性的最主要因素是乳化劑。乳化劑是決定形成何種類型乳狀液的最重要因素,另外水包油乳狀液的外相黏度、內(nèi)相性質(zhì)及濃度、界面電荷以及固體粉末的加入等也是影響乳狀液穩(wěn)定性的主要因素。室內(nèi)研究采用海水為外相,5#白油為內(nèi)相來進(jìn)行抗溫海水水包油鉆井液體系構(gòu)建。1.1乳化劑優(yōu)選乳化劑的正確選擇是形成乳狀液體系穩(wěn)定的關(guān)鍵。乳化劑分子作用力大,界面膜強(qiáng)度高,乳狀液越穩(wěn)定。一般不采用單一的表面活性劑作為乳化劑,因?yàn)閺?fù)合

8、乳化劑能夠在油水界面形成強(qiáng)度很高的界面膜,這層膜為復(fù)合膜,不易破裂,更有利于乳狀液的穩(wěn)定。絕大多數(shù)用于水包油乳化鉆井液的乳化劑是水溶性表面活性劑,其親水親油平衡值HLB值一般介于818,即乳化劑的親水性大于親油性,外相水化膜的厚度大于內(nèi)相油溶劑化膜的厚度,但為了形成密堆復(fù)合膜和增強(qiáng)乳化效果,有時也使用HLB值小于8的表面活性劑作為輔乳化劑。1.1.1乳化劑初選室內(nèi)選用了大量乳化劑進(jìn)行復(fù)配來優(yōu)選穩(wěn)定的乳狀液。乳化劑初選方法:配制油水比為37的乳狀液,首先在海水中加入乳化劑,高攪加入5#白油,高攪20min后倒入量筒中,靜置觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及現(xiàn)象如表1所示。從以上數(shù)據(jù)可以看出3%HTO25和

9、0.5% AES+0.5%T80+0.5%A220以及4%HTO24和1.5%HTO24(H+1.5%HTO21(H作為水包油乳化劑時乳化能力較好。1.1.2乳化劑的抗高溫能力實(shí)驗(yàn)通過將乳狀液在高溫老化后乳化能力的強(qiáng)弱來考察乳化劑的抗溫能力。實(shí)驗(yàn)方法:將初選合格的乳化劑在150高溫下老化16h,然后高攪20min后倒入量筒中,靜置觀察。通過以上實(shí)驗(yàn)對四種水包油型乳化劑抗高溫性能進(jìn)行了評價,實(shí)驗(yàn)表明115%HTO24(H+ 1.5%HTO21(H的抗溫能力較強(qiáng),高溫老化后的乳狀液在6h無油析出(見表2。室內(nèi)研究表明乳化劑HTO24(H+HTO21 (H具有較好的乳化能力和抗溫能力。HTO24 (

10、H由多種陰離子表面活性劑和非離子表面活性表1乳化劑的初選實(shí)驗(yàn)T ab.1Selecting emulsif ier乳化劑配方靜置穩(wěn)定性0.5%A220+0.5%BS2124h析油0.5%AES+0.2%A2204h析油0.5%EL240+1%BS2124h析油3%HTO21+0.2%AES4h析油3%HTO22+1%AES4h析油3%HTO22+0.5%EL24010min分層,起泡嚴(yán)重3%HTO23+0.5%EL24030min分層,起泡嚴(yán)重1%OP210+1%AES+0.5%A22020min有界面3%HTO2524h無油析出1%OP210+1%AES+0.5%A220起泡嚴(yán)重0.5%AE

11、S+1%T8010min分層3%HTO21+0.5%AES+0.2%OP21010min分層3%HTO21+0.5%AES+0.2%BS21210min分層0.5%AES+1%T80+0.5%ABS10min分層1%AES+0.5%T80+1%ABS1h分層0.5%AES+0.5%T80+0.2%ABS2h分層0.5%AES+0.5%T80+0.5%A22010h后不分層0.5%AES+1%T80+0.5%A22016h后分層有界面4%HTO2424h無油析出1.5%HTO24(H10h后不分層1.5%HTO24(H+1.5%HTO21(H24h無油析出表2乳化劑抗溫性T ab.2T empe

12、rature resistance of emulsif ier乳化劑配方老化后靜置穩(wěn)定性4%HTO241h無油析出3%HTO2520min分層0.5%AES+0.5%T80+0.5%A22010min分層1.5%HTO24(H+1.5%HTO21(H6h無油析出劑組成,HTO21(H為HLB值小于8的油溶性表面活性劑以其作為輔乳化劑形成密堆復(fù)合膜和增強(qiáng)乳化效果。1.2增黏劑優(yōu)選選用水溶性高分子聚合物作水包油鉆井液增黏劑,可以提高乳狀液分散介質(zhì)的黏度,減慢分散相液珠的運(yùn)動速度,提高水包油鉆井液的穩(wěn)定性。第28卷第3期王薦,等1低密度海水水包油鉆井液的研制87實(shí)驗(yàn)通過對HV 2PAC 、HV 2

13、CMC 、80A51、HPAM 、Y JD 以及抗溫抗鹽疏水締合物HV Y 等進(jìn)行抗溫優(yōu)選(見表3,結(jié)果表明,疏水締合物HV Y 在150下具有較好的穩(wěn)定性,黏切在高溫后變化較小,增黏劑Y JD 相對HV Y 抗溫能力差一些,但是其較低的塑性黏度和高的3轉(zhuǎn)6轉(zhuǎn)值可以考慮將其作為流型調(diào)節(jié)劑來提高水包油鉆井液體系攜巖能力,同時對乳狀液的穩(wěn)定性也有提高。實(shí)驗(yàn)以此配方即:(海水5#白油=73+0.3%NaOH +1.5%主乳HTO 24(H +1.5%輔乳HTO 21(H +增黏劑進(jìn)行考察。表3抗溫增黏劑優(yōu)選T ab.3Optimization of temperature resistant vis

14、cosif ier增黏劑熱滾條件AV/(mPa s PV/(mPa s YP/Pa YP/PV 6/3實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象4227154/3少量析油注:老化條件為150×16h ,測試溫度為50。1.3降濾失劑優(yōu)選室內(nèi)對現(xiàn)有抗高溫降濾失劑進(jìn)行了優(yōu)選,實(shí)驗(yàn)表明(見表4室內(nèi)合成的HK J 作為水包油鉆井液的高溫降濾失劑具有較好的降濾失效果,API 失水只有4mL ,同時與水包油乳液具有較好的配伍性。實(shí)驗(yàn)以此配方即:(海水5#白油=73+0.3%NaOH +1.5%主乳HTO 24(H +1.5%輔乳HTO 21(H +0.15%HV Y+0.15%Y JD進(jìn)行考察。表4抗溫降濾失劑的優(yōu)選T ab.4

15、Optimization of temperature resistant fluid loss agent降濾失劑熱滾條件AV/(mP s PV/(mPa s YP/Pa YP/PV 6/3實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象FL API /mL 0.3%LV 2PAC 滾前342170.333/2滾后312560.242/1開罐分層161.5%DFD 2140滾前4027130.483/2滾后362790.333/2開罐分層120.5%MAN101滾前4228140.503/2滾后372980.282/1開罐分層102%白瀝青滾前3827110.413/2滾后4532130.414/3開罐分層102%SMP 22+3

16、%TEX3525106/5少量析油4注:老化條件為150×16h ,測試溫度為50。88海洋石油2008年9月1.4抗溫海水水包油鉆井液體系構(gòu)建基于前面大量的處理劑優(yōu)選實(shí)驗(yàn),室內(nèi)以優(yōu)選的處理劑為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了大量實(shí)驗(yàn)配方對體系穩(wěn)定性和流變性性能進(jìn)行調(diào)整(見表5。研究配方1#:(海水5號白油=73+ 0.2%NaOH+0.15%Na2CO3+1.5%主乳HTO2 4(H+1.5%輔乳HTO21(H+0.5%抗溫增黏劑HV Y+4%H K J。研究配方2#:(海水5號白油=73+0.2%NaOH+0.15%Na2CO3+1.5%主乳HTO2 4(H+1.5%輔乳HTO21(H+2%預(yù)水化土漿

17、+0.3%抗溫增黏劑HV Y+4%H K J。研究配方3#:(海水5號白油=73+ 0.2%NaOH+0.15%Na2CO3+1.5%主乳HTO2 4(H+1.5%輔乳HTO21(H+2%預(yù)水化土漿+0.12%抗溫增黏劑HV Y+0.25%流型調(diào)節(jié)劑Y JD+4%H K J。表5抗溫海水水包油鉆井液體系構(gòu)建T ab.5Design of oil in sea w ater drilling fluid實(shí)驗(yàn)配方熱滾條件AV/(mPasPV/(mPasYP/PaYP/PV6/3FL API/mL實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象注:老化條件為150×16h,測試溫度為50。從以上數(shù)據(jù)可以看出水包油鉆井液體系中存在

18、少量的膨潤土漿時,水包油體系的失水、穩(wěn)定性以及6/3都有一定的提高,配合Y JD后效果更好。說明高溫下水包油體系中加入膨潤土漿后對體系的流變性調(diào)節(jié)、失水的控制、乳化穩(wěn)定性的提高都有很大的幫助。1.5水包油海水體系配方確定經(jīng)過以上大量的實(shí)驗(yàn)確定水包油海水體系配方為:(海水5#白油=73+0.2%NaOH+ 0.15%Na2CO3+2%預(yù)水化土漿+1.5%主乳HTO24(H+1.5%輔乳HTO21(H+0.12%抗溫增黏劑HV Y+0.25%流型調(diào)節(jié)劑Y JD+4% H K J,體系綜合性能見表6。表6水包油海水體系優(yōu)選配方的綜合性能T ab.6Overall perform ance of oi

19、l in sea w ater drilling fluid熱滾條件AV/(mPasPV/(mPasYP/PaYP/PV6/3GELFV/sFL API/mLFL HTHP/mL穩(wěn)定性/(gcm-3滾后3220120.6010/94/7.573 3.817穩(wěn)定0.951注:老化條件為150×16h,測試溫度為50,高溫高壓失水HTHP條件為150×3.5MPa。2抗溫海水水包油鉆井液體系性能評價為了確保水包油鉆井液體系能夠在現(xiàn)場安全使用,室內(nèi)對最終確定的海水水包油鉆井液體系進(jìn)行了系統(tǒng)、全面的評價,分別評價了體系的抗溫性能、抗污染性能、抗原油污染性能以及自身穩(wěn)定性和儲層保護(hù)性

20、能等,兩套體系的性能均能滿足合同要求,并表現(xiàn)出了良好的性能。2.1鉆井液體系自身穩(wěn)定性評價為了考察水包油鉆井液體系的自身穩(wěn)定性,實(shí)驗(yàn)通過觀察體系在150高溫?zé)釢L后分別在以下實(shí)驗(yàn)條件下靜置的情況來考察水包油鉆井液的自身靜置穩(wěn)定性。(1老化罐中150老化開罐的情況;(2量筒中常溫靜置;(3為了便于觀察,于玻璃瓶中80下靜置;(4于老化罐中150下高溫靜置后開罐的情況。具體評價實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表7。第28卷第3期王薦,等1低密度海水水包油鉆井液的研制89表7抗高溫水包油海水體系穩(wěn)定性評價T ab.7Stability of oil in sea w ater drilling fluid實(shí)驗(yàn)條件實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象水

21、包油鉆井液150熱滾后穩(wěn)定,開罐無油析出常溫靜置10d后穩(wěn)定,無油析出80靜置7d后穩(wěn)定,無油析出150高溫靜置5d后穩(wěn)定,開罐無油析出從以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以看出,水包油鉆井液具有較好的乳化穩(wěn)定性,常溫靜置、80下靜置、150下高溫靜置均未發(fā)生析油現(xiàn)象。2.2鉆井液體系抗溫性能通過測定水包油鉆井液在不同溫度熱滾后性能變化來考察其抗溫能力,老化時間為16h。實(shí)驗(yàn)以此配方進(jìn)行考察:(海水5號白油=73+0.2%NaOH+0.15%Na2CO3+2%預(yù)水化土漿+1.5%主乳HTO24(H+1.5%輔乳HTO2 1(H+0.12%抗溫增黏劑HV Y+0.25%流型調(diào)節(jié)劑Y JD+4%H K J。具體評價

22、實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表8。表8抗高溫水包油海水體系抗溫能力T ab.8T emperature resistance of oil in sea w ater drilling fluid溫度/熱滾條件AV/(mPasPV/(mPasYP/PaYP/PV6/3FL API/mLFL HTHP/mL穩(wěn)定性注:老化條件為16h,測試溫度為50,HTHP為3.5MPa。從以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以看出,水包油鉆井液具有良好的抗溫能力,在以上各溫度下體系的各項(xiàng)性能變化很小,說明其具有很好的抗溫能力。2.3水包油體系與原油的相容性評價在鉆進(jìn)過程中會有原油涌入泥漿體系,所以泥漿與原油的相容性非常重要,針對泥漿可能受到的原油

23、污染進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)在水包油鉆井液體系中加入不同量的J Z25-1S油田原油,在150、16h條件下老化,并測定老化前后性能。具體評價實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表9。表9抗高溫水包油海水體系抗原油能力T ab.9C rude oil resistance of oil in sea w ater drilling fluid原油加量實(shí)驗(yàn)條件AV/(mPasPV/(mPasYP/PaYP/PV6/3FL API/ml穩(wěn)定性/(gcm-3注:老化條件為150×16h,測試溫度為50。從以上數(shù)據(jù)來看,隨原油侵入量增加,體系黏切略有上升,當(dāng)原油侵入量達(dá)20%時,體系仍然具有較好的流變性和失水;同時隨原油侵

24、入量增加,體系密度逐漸降低,說明所優(yōu)選的水包油鉆井90海洋石油2008年9月第 28 卷 3 期 第 液具有很好的相容性 。 2. 4 鉆井液體系抑制性評價 實(shí)驗(yàn)考察了水包油鉆井液體系的抑制性能 , 抑制性能評價采用巖屑熱滾回收率和頁巖膨脹性 (BZ28 - 1 實(shí)驗(yàn)評價 。從鉆屑滾動回收率和膨脹 性實(shí)驗(yàn) ( 表 10 中可以看出體系具有很好的抑制 性 ,說明水包油鉆井液體系能夠有效的抑制巖屑 的水化分散 。 表 10 水包油鉆井液體系的抑制性 體系 海水 海水水包油鉆井液 滾動回收率 , % 30 86. 2 Tab. 10 Inhibition of oil in sea water dr

25、illing fluid 膨脹率 , % 31. 9 8. 1 2. 5 鉆井液體系潤滑性評價 室內(nèi)對水包油鉆井液體系的潤滑性能進(jìn)行評 價并與海上常用的鉆井液體系 : 有機(jī)正電膠聚胺 鉆井液 、 聚合醇鉆井液 ( PEM 、 聚合物鉆井液 KCl ( KCl/ PL U S 作了對比實(shí)驗(yàn) , 潤滑性能評價采用 泥餅黏附系數(shù)儀測定 。室內(nèi)評價結(jié)果見表 11 。 表 11 水包油液體系的潤滑性能 鉆井液體系 有機(jī)正電膠聚胺體系 PEM 體系 KCl/ PL US 體系 水包油體系 Tab. 11 Unctuosity of oil in sea water drilling fluid 泥餅黏滯系

26、數(shù) 0. 096 3 0. 087 5 0. 113 9 0. 087 5 由于水包油鉆井液體系中有 30 %的油相和 兼有潤滑作用的乳化劑 , 所以水包油鉆井液具有 較好的潤滑性 。從以上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也可以看出 , 優(yōu)選的水包油鉆井液體系具有良好的潤滑性能 。 2. 6 鉆井液體系儲層保護(hù)性能評價 評價程序是按照中國石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) S Y/ T 6540 鉆井液完井液損害油層室內(nèi) 2002 評價方法 執(zhí)行的 ,采用高溫高壓動態(tài)失水儀模擬 鉆井條件下以及 J HST - IV 巖心滲透率梯度測試 儀對水包油鉆井液的儲層保護(hù)效果進(jìn)行評價 , 實(shí) 驗(yàn)步驟是 : ( 1 選取人造巖心 2 塊 , 抽真空飽和 1 %標(biāo)準(zhǔn)鹽水后備用 ; ( 2 在泵流量 0. 30 mL/ min 王 ,等 1 低密度海水水包油鉆井液的研制 薦 巖心 氣測滲透率/ 10 - 3 m2 - 3 2 Ko / 10 m - 3 2 K1