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1、油基钻井液第1页，本讲稿共22页油基钻井液油基钻井液油基钻井液是指以油基钻井液是指以油作为连续相的钻井液油作为连续相的钻井液。早在早在20世纪世纪20年代，人们就曾使用年代，人们就曾使用原油原油作为钻井液以避免和减少钻作为钻井液以避免和减少钻井中各种复杂情况的发生。但在实践中发现使用井中各种复杂情况的发生。但在实践中发现使用原油有以下缺点原油有以下缺点：切力小，难以悬浮重晶石，滤失量大，以及原油中的易挥发组分切力小，难以悬浮重晶石，滤失量大，以及原油中的易挥发组分容易引起火灾等。容易引起火灾等。以柴油为连续相的两种油基钻井液以柴油为连续相的两种油基钻井液-全油基钻井液和油包水乳全油基钻井液和油
2、包水乳化钻井液化钻井液。在在全油基钻井液全油基钻井液中，水是无用的组分，其含水量不应超过中，水是无用的组分，其含水量不应超过7；而在而在油包水钻井液油包水钻井液中，水作为必要组分均匀地分散在柴油中，其中，水作为必要组分均匀地分散在柴油中，其含水量一般为含水量一般为1060。第2页，本讲稿共22页优缺点优缺点优点：优点：与水基钻井液相比较，油基钻井液具有与水基钻井液相比较，油基钻井液具有能抗高温、抗盐钙能抗高温、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，优点，目前已成为钻高难度的高温深井、大斜度定向井、水目前已成为
3、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，并且还可广泛地用做解卡平井和各种复杂地层的重要手段，并且还可广泛地用做解卡液、射孔完井液、修井液和取心液等。液、射孔完井液、修井液和取心液等。缺点缺点：油基钻井液的配制成本比水基钻井液高得多，使用时：油基钻井液的配制成本比水基钻井液高得多，使用时往往会对井场附近的生态环境造成严重影响，而且与使用水往往会对井场附近的生态环境造成严重影响，而且与使用水基钻井液相比机械钻速一般较低。以上缺点大大地限制了油基钻井液相比机械钻速一般较低。以上缺点大大地限制了油基钻井液的推广应用。基钻井液的推广应用。为了提高钻速，从70年代中期开始，较广泛
4、地使用了低胶质油包水低胶质油包水乳化钻井液乳化钻井液。为保护生态环境，适应海洋钻探的需要，从80年代初开始，又逐步推广使用了以矿物油作为基油的低毒油低毒油包水乳化钻井液包水乳化钻井液。第3页，本讲稿共22页类型组分开始使用时间特点原油作为钻井液原油1920年前后有利于防塌、防卡和保护油气层，但流变性不易控制，易着火，使用范围仅限于100以内浅井全油基钻井液柴油、沥青、乳化剂及少量水（7%以内）1939年具 有 油 基 钻 井 液 的 各 种 优 点，可 抗200250高温，但配制成本高，较易着火，钻速较低油包水乳化钻井液柴油、乳化剂、润湿剂、亲 油 胶 体、乳 化 水（10%60%）1950年
5、前后通过水相活度控制有利于井壁稳定，与全油基钻井液相比不易着火，配制成本有所降低，抗温可达200230低胶质油包水乳化钻井液柴油、乳化剂、润湿剂、少量亲油胶体、乳化水(15%左右)1975年可明显提高钻速，降低钻井总成本。但由于放宽滤失量，对某些松散易塌地层不适合，对储层的损害较大低毒油包水乳化钻井液矿物油、乳化剂、润湿剂、亲 油 胶 体、乳 化 水(10%60%)1980年具有油基钻井液的各种优点，同时可有效地防止对环境的污染，特别适用于海洋钻井表7-1 油基钻井液的发展阶段油基钻井液主要指以柴油或低毒矿物油（白油）作为连续相的油包水乳化钻井液。第4页，本讲稿共22页油包水乳化钻井液油包水乳
6、化钻井液是以是以水滴为分散相水滴为分散相，油为连续相油为连续相，并添加，并添加适量的适量的乳化剂乳化剂、润湿润湿剂剂、亲油胶体和加重亲油胶体和加重剂剂等所形成的稳定的等所形成的稳定的乳状液体系。乳状液体系。第一节第一节 油基钻井液的组成与性能油基钻井液的组成与性能第5页，本讲稿共22页1.基油基油在油包水乳化钻井液中用做连续相的油称为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。目前普遍使用的基油前普遍使用的基油为柴油为柴油(我国常使用零号柴油我国常使用零号柴油)和各种低毒和各种低毒矿物油。柴油用做基油时应具备以下条件：矿物油。柴油用做基油时应具备以下条件：(1)为确
7、保安全，其为确保安全，其闪点和燃点应分别在闪点和燃点应分别在82和和93以上以上。(2)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。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。苯胺点越高，表明油中烷烃含量越高，芳烃含量越低。(3)为了有利于对流变性的控制和调整，其粘度不宜过高。温度为了有利于对流变性的控制和调整，其粘度不宜
8、过高。温度和压力对和压力对2号柴油粘度的影响见图号柴油粘度的影响见图7-1。第6页，本讲稿共22页第7页，本讲稿共22页性质Mentor26Mentor28EscaidllOLVTBP83132号柴油外观密度kgm3闪点苯胺点倾点终沸点芳烃含量质量粘度mPas(40测定)LC50值mg11WSF五色液体8389326306土6.42.71000000无色液体845120791532119.04.2l000000无色液体7907976542420.91.6l000000无色液体80071667326210131.81000000无色液体7857278402552.01.71000000棕黄色液体
9、84082594532930502.780000表7-2 各种各种基油的物理性质注：Mentor26、Mentor28、LVT、Escaid110和BP8313均为常用矿物油的代号。第8页，本讲稿共22页2.水相水相淡水、盐水或海水均可用做油基钻井液的淡水、盐水或海水均可用做油基钻井液的水相水相(Water Phase)。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。第9页，本讲稿共22页3.乳化剂乳化剂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(Emulsifier)。一般认为乳化剂的作用机理是：(
10、1)在油水界面形成具有一定强度的吸附膜；(2)降低油水界面张力；(3)增加外相粘度。在油包水乳化钻井液中，常用的乳化剂有以下类型；(1)高级脂肪酸的二价金属皂，硬脂酸钙；(2)烷基磺酸钙；(3)烷基苯磺酸钙；(4)斯盘-80(或Span-80)，主要成分为山梨糖醇酐单油酸脂。第10页，本讲稿共22页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OW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WO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做定向楔型理论。其含义是
11、，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，那么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中。第11页，本讲稿共22页绝大多数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3.56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，某些乳化剂在高温下还容易发生降解。第12页，本讲稿共22页4.润湿剂润湿剂图图7-3 润湿反转示意图润湿反转示意图a-亲水表面，亲水表面，b-亲油表面亲油表面润湿剂也是
12、具有两亲结构的表面活性剂，分子中亲水的一端与固体表面有很强的亲合力。当这些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，这一过程常被称做润湿反转(Wettability Reversal)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。第13页，本讲稿共22页5.亲油胶体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，其主要作用是用做增粘剂和降滤失剂。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像水基钻井液那样很方便地随时进行必要的
13、调整。第14页，本讲稿共22页有机土是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氯化铵。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5.717.1kgm3。国内有机土产品的用量也大致在这一范围内。第15页，本讲稿共22页氧化沥青
14、是一种将普通石油沥青经加热吹气氧化处理后与一定比例的石灰混合而成的粉剂产品，常用做油包水乳化钻井液的悬浮剂、增粘剂和降滤失剂，亦能抗高温和提高体系的稳定性。它主要由沥青质和胶质组成，是最早使用的油基钻井液处理剂之一。在早期使用的油基钻井液中，氧化沥青的用量较大，用此法可将油基钻井液的API滤失量降低为零，高温高压滤失量也可控制在5m1以下。但是，它的最大缺点是对提高机械钻速不利，因此在目前常用的油基钻井液配方中，已对其限制使用。第16页，本讲稿共22页6.石灰石灰石灰是油基钻井液中的必要组分，其主要作用有以下方面：(1)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
15、能。(2)维持油基钻井液的pH值在8.510范围内以利于防止钻具腐蚀。(3)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：Ca(OH)2+H2S=CaS+2H2OCa(OH)2+CO2=CaCO3+H2O在油基钻井液中，未溶Ca(OH)2的量一般应保持在0.430.72 kgm3(1.52.5磅桶)范围内；或者将钻井液的甲基橙碱度控制在0.51.0cm3，当遇到CO2或H2S污染时应提至2.0cm3。第17页，本讲稿共22页7.加重材料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
16、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1.68gcm3(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2.7gcm3，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。第18页，本讲稿共22页配方性能材料名称加量kg.m-3项目指标有机土20-30密度g.cm-30.90-2.00主乳化剂：环烷酸钙20左右漏斗粘度s30-100或油酸20左右表观粘度mPa.s20-120或石油磺酸铁100左右塑性粘度mPa.s15-100或磺烷酸酰胺40左右动切力P
17、a2-24辅助乳化剂：Span-8020-70静切力（初终）Pa0.5-20.8-5或ABS20左右破乳电压v500-1000或烷基苯磺酸钙70左右API滤失量ml0-5石灰50-100HTHP滤失量ml4-10CaCl270-150PH值10-11.5油水比80-70/15-30含砂量%小于0.5氧化沥青视需要而定泥饼磨阻系数小于0.5加重剂视需要而定水滴细度(35所占%)95以上表7-3 油包水乳化钻井液的推荐配方及性能测试第19页，本讲稿共22页第二节第二节 活度平衡的油包水乳化钻井液活度平衡的油包水乳化钻井液所谓活度平衡，是指通过适当增加水相中无机盐(通常使用CaCl2和NaCl)的浓
18、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。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。第20页，本讲稿共22页第三节第三节 低毒油包水乳化钻井液低毒油包水乳化钻井液使用以脂肪烃或脂环烃为主要成分的精制油(俗称矿物油或白油)代替通常使用的柴油，作为油包水乳化钻井液的连续相，因而大大减轻了钻屑时对环境，特别是对于海洋生物所造成的危害。从这个意义上讲，矿物油钻井液又被称为低毒油包水乳化钻井液(Low-Toxicity lnvert Emulsion Drilling Fluid)
19、。第21页，本讲稿共22页讨论讨论1.与水基钻井液相比较，使用油基钻井液的优、缺点各有哪些?2.油基钻井液共经历了哪几个发展阶段?目前主要在什么情况下使用？3.除了油相和水相之外，油基钻井液中的必要组分还有哪些?它们各起什么作用？4.在油包水乳化钻井液中使用的乳化剂有哪些类型?对其HLB值一般有何要求?为什么通常选用二元金属皂，而不用一元金属皂?5.20世纪70年代初，Chenevert等人提出了油包水乳化钻井液的活度平衡概念，试解释其基本原理和技术要点。6.为配制活度平衡的油包水乳化钻井液，需将适量的CaCl2加至该钻井液的水相中。已测得页岩中水的活度为0.72，试求CaCl2在水相中的适宜质量浓度(用kgm3表示)。若该钻井液中0.25，则每立方米钻井液中需加入多少CaCl2？7.低毒矿物油钻井液是在什么背景下研制出来并投入使用的？通常用什么指标来衡量和评价钻井液及其处理剂的毒性。第22页，本讲稿共22页