可再生生物合成基鉆井液體系研究

解宇寧

引用本文:

可再生生物合成基鉆井液體系研究

    作者簡介: 解宇寧(1987—),男,黑龍江安達人,2009年畢業于大慶石油學院石油工程專業,2012年獲東北石油大學油氣井工程專業碩士學位,工程師,主要從事鉆井液完井液及其材料開發、井壁穩定、油氣層保護等方面的研究。E-mail:[email protected]
  • 中圖分類號: TE254+.3

Research on Renewable Biosynthetic-Based Drilling Fluid Systems

  • CLC number: TE254+.3

  • 摘要: 油基鉆井液普遍存在基礎油難以降解、不可再生等缺點,為此,利用天然生物油脂,通過催化加氫、分子異構等合成了生物合成基礎油,以該基礎油和改性有機土為主,通過優選其他鉆井液添加劑及加量,形成了可再生生物合成基鉆井液體系。生物合成基礎油是C12—C24的支鏈異構烷烴混合物,具有優良的安全環保性和黏溫特性。室內性能評價試驗結果表明,可再生生物合成基鉆井液體系的高溫高壓濾失量低于12 mL,沉降穩定性好,破乳電壓在768 V以上,96 h半致死濃度大于1 000 000 mg/L,能抗20%地層水和10%劣土的侵入,巖屑滾動回收率達到98.06%,經其污染的巖心其滲透率恢復率為83.5%~92.3%。研究結果表明,生物合成基礎油具有低毒環保、可降解、可再生等優點,可再生生物合成基鉆井液在乳液穩定、抗污染、潤滑、抑制、儲層保護、安全環保等方面均表現出良好的性能,完全能滿足復雜地質條件對鉆井液的需求。
  • 表 1  油基鉆井液常用基礎油的性能參數

    Table 1.  Performance parameters of common base oils for oil-based drilling fluids

    常用基礎油密度/(kg·m–3閃點/℃苯胺點/℃芳烴含量/(mg·kg–1硫含量/(mg·kg–1運動黏度/(mm2·s–196 h LC50/(mg·L–1
    天然氣制油851110881.201.003.0>1 000 000
    白油810144832.003.005.8>1 000 000
    BP8313785 838020 000.0013.00 2.7 820 000
    柴油841 835730 000.00~50 000.00250.00 5.9 80 000
    Mentor26838 747810 000.00~20 000.005.902.7 480 000
    生物合成基礎油802147920.050.451.9>1 000 000
     注:依據標準《車用柴油(Ⅴ)》(GB/T 19147—2013)和《鉆井液生物鑒定推薦作法》(API RP13H)測得。
    下載: 導出CSV

    表 2  不同基礎油加入改性有機土后的黏切性能

    Table 2.  Adhesive performance of different base oils after adding modified organic soil

    基礎油條件成膠
    率,%
    表觀黏度/
    (mPa·s)
    塑性黏度/
    (mPa·s)
    動切力/
    Pa
    柴油老化前100 13.011.21.8
    老化后9914.713.01.7
    白油老化前7914.012.02.0
    老化后7713.811.91.9
    天然氣制油老化前8512.510.91.6
    老化后8013.712.21.5
    生物合成基礎油老化前8312.210.61.6
    老化后7913.512.01.5
     注:依據標準《油基鉆井液用有機土技術規范》(Q/SY 1817—2015)測得。
    下載: 導出CSV

    表 3  可再生生物合成基鉆井液的基本性能及生物毒性

    Table 3.  Basic properties and biological toxicity of biosynthetic drilling fluid

    密度/
    (kg·L–1
    條件表觀黏度/
    (mPa·s)
    塑性黏度/
    (mPa·s)
    動切力/
    Pa
    靜切力/
    Pa
    API濾失量/
    mL
    高溫高壓濾失量/
    mL
    破乳電壓/
    V
    96 h LC50/
    (mg·L–1
    0.90老化前1915 41.3/1.71.811.9 1 504>1 000 000
    老化后3023 71.6/2.01.39.71 874
    1.20老化前2921 82.0/2.41.59.21 665>1 000 000
    老化后3726112.2/3.11.08.81 730
    1.50老化前3222102.2/3.51.27.01 422>1 000 000
    老化后4734132.9/4.80.86.41 601
    1.85老化前4331122.9/5.20.86.21 134>1 000 000
    老化后5439153.5/5.50.65.31 377
    靜置24 h6645215.2/8.30.76.21 090
    2.25老化前5942173.2/5.70.43.2 768>1 000 000
    老化后7039184.3/6.80.32.4 955
    靜置24 h7850287.0/10.50.64.0 976
     注:老化條件為180 ℃下滾動16 h;高溫高壓條件是150 ℃、3.45 MPa;基本性能依據標準《石油天然氣工業 鉆井液現場測試 第2部分 油基鉆井液》(GB/T 16783.2—2012)測得;生物毒性依據《鉆井液生物鑒定推薦作法》(API RP13H)測得。
    下載: 導出CSV

    表 4  不同鉆井液抑制性和潤滑性的評價結果

    Table 4.  Evaluation results of the inhibition and lubricity of different drilling fluids

    鉆井液一次回收率,%二次回收率,%90 min吸水量/g24 h后樣品狀態潤滑系數
    蒸餾水17.32 7.86完全解體完全散落0.34
    聚硅氟鉆井液54.4543.3612.34 四周有剝落0.17
    聚合醇鉆井液79.5470.798.54表面有裂紋0.10
    KCl聚合物鉆井液81.6370.896.64體積明顯膨脹0.14
    白油油基鉆井液98.7897.560.78無明顯變化0.04
    可再生生物合成基鉆井液99.0298.060.62幾乎無變化0.03
     注:可再生生物合成基鉆井液密度為1.20 kg/L,油水比為90∶10。
    下載: 導出CSV

    表 5  可再生生物合成基鉆井液抗水和劣土污染試驗結果

    Table 5.  Results of pollution test of biosynthetic base drilling fluid against water and inferior soil

    污染物條件表觀黏度/
    (mPa·s)
    塑性黏度/
    (mPa·s)
    動切力/
    Pa
    API濾失量/
    mL
    高溫高壓濾失量/
    mL
    破乳電壓/
    V
    5%水老化前36.025.011.01.51 176
    老化后41.030.011.01.38.81 242
    10%水老化前42.029.013.01.4 975
    老化后48.033.015.00.97.61 091
    20%水老化前54.037.017.00.8 691
    老化后61.041.020.00.65.7 810
    3%劣土老化前36.525.511.01.31 130
    老化后40.028.012.01.06.31 245
    7%劣土老化前42.028.011.52.0 944
    老化后53.036.017.01.97.51 175
    10%劣土老化前64.042.022.01.8 744
    老化后70.546.524.02.19.9 793
     注:生物合成基鉆井液密度1.20 kg/L,油水比90∶10;老化條件是在150 ℃下滾動16 h;高溫高壓條件是150 ℃、3.45 MPa;劣土為遼河油田雷88區塊的天然泥頁巖鉆屑;侵入水是礦化度為6 000 mg/L的模擬地層水(519 mg/L CaCl2+351 mg/L MgCl2+1 581 mg/L Na2SO4+3 549 mg/L NaCl)。
    下載: 導出CSV

    表 6  滲透率恢復率試驗結果

    Table 6.  Results of permeability recovery test

    巖心號氣測滲透率/mD損害前的滲透率/mD損害后的滲透率/mD滲透率恢復率,%
    1 0.860.1890.15883.5
    2 8.312.1191.77183.6
    328.165.0174.29985.7
    453.0710.389 9.45491.0
    5239.06 42.089 38.848 92.3
     注:可再生生物合成基鉆井液密度1.20 kg/L,油水比為90∶10;損害溫度為120 ℃。
    下載: 導出CSV
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  • [1] 王中華. 國內外油基鉆井液研究與應用進展[J]. 斷塊油氣田, 2011, 18(4): 533–537.WANG Zhonghua. Research and application progress of oil-based drilling fluid at home and abroad[J]. Fault-Block Oil & Gas Field, 2011, 18(4): 533–537.
    [2] 王中華. 國內鉆井液處理劑研發現狀與發展趨勢[J]. 石油鉆探技術, 2016, 44(3): 1–8.WANG Zhonghua. Present status and trends in research and development of drilling fluid additives in China[J]. Petroleum Drilling Techniques, 2016, 44(3): 1–8.
    [3] 林永學,王顯光. 中國石化頁巖氣油基鉆井液技術進展與思考[J]. 石油鉆探技術, 2014, 42(4): 7–13.LIN Yongxue, WANG Xianguang. Development and reflection of oil-based drilling fluid technology for shale gas of Sinopec[J]. Petroleum Drilling Techniques, 2014, 42(4): 7–13.
    [4] 孫明波,喬軍,劉寶峰,等. 生物柴油鉆井液研究與應用[J]. 鉆井液與完井液, 2013, 30(4): 15–18. doi: 10.3969/j.issn.1001-5620.2013.04.005SUN Mingbo, QIAO Jun, LIU Baofeng, et al. Research and application of biodiesel-based drilling fluid[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid, 2013, 30(4): 15–18. doi: 10.3969/j.issn.1001-5620.2013.04.005
    [5] 楊潔,徐同臺,武星星,等. 生物柴油鉆井液的研究[J]. 鉆井液與完井液, 2013, 30(6): 36–40. doi: 10.3969/j.issn.1001-5620.2013.06.011YANG Jie, XU Tongtai, WU Xingxing, et al. The studics of bio-diesel drilling fluids[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid, 2013, 30(6): 36–40. doi: 10.3969/j.issn.1001-5620.2013.06.011
    [6] 胡友林,烏效鳴,岳前升,等. 深水鉆井氣制油合成基鉆井液室內研究[J]. 石油鉆探技術, 2012, 40(6): 38–42. doi: 10.3969/j.issn.1001-0890.2012.06.008HU Youlin, WU Xiaoming, YUE Qiansheng, et al. Laboratory research on deepwater GTL synthetic-based drilling fluid[J]. Petroleum Drilling Techniques, 2012, 40(6): 38–42. doi: 10.3969/j.issn.1001-0890.2012.06.008
    [7] 王茂功,徐顯廣,孫金聲,等. 氣制油合成基鉆井液關鍵處理劑研制與應用[J]. 鉆井液與完井液, 2016, 33(3): 30–34, 40. doi: 10.3969/j.issn.1001-5620.2016.03.006WANG Maogong, XU Xianguang, SUN Jinsheng, et al. Study and application of additives for synthetic fluids with GTL as the base fluid[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid, 2016, 33(3): 30–34, 40. doi: 10.3969/j.issn.1001-5620.2016.03.006
    [8] 萬緒新,張海青,沈麗,等. 合成基鉆井液技術研究與應用[J]. 鉆井液與完井液, 2014, 31(4): 26–29. doi: 10.3969/j.issn.1001-5620.2014.04.008WAN Xuxin, ZHANG Haiqing, SHEN Li, et al. Study and application of synthetic base drilling fluid technology[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid, 2014, 31(4): 26–29. doi: 10.3969/j.issn.1001-5620.2014.04.008
    [9] 單海霞,王中華,徐勤,等. 生物質基液PO-12的合成與性能評價[J]. 石油鉆探技術, 2017, 45(4): 41–45.SHAN Haixia, WANG Zhonghua, XU Qin, et al. Synthesis and performance assessments of biomass base liquid PO-12[J]. Petroleum Drilling Techniques, 2017, 45(4): 41–45.
    [10] 單海霞,王中華,何煥杰,等. 生物質合成基液LAE-12的合成及性能研究[J]. 鉆井液與完井液, 2016, 33(2): 1–4.SHAN Haixia, WANG Zhonghua, HE Huanjie, et al. Synthesis and performance evaluation of bio-mass synthetic base fluid LAE-12[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid, 2016, 33(2): 1–4.
    [11] 翟西平,殷長龍,劉晨光. 油脂加氫制備第二代生物柴油的研究進展[J]. 石油化工, 2011, 40(12): 1364–1369.ZHAI Xiping, YIN Changlong, LIU Chenguang. Advances in second generation biodiesel prepared by hydroprocessing of Oils and Fats[J]. Petrochemical Technology, 2011, 40(12): 1364–1369.
    [12] 解宇寧. 低毒環保型油基鉆井液體系室內研究[J]. 石油鉆探技術, 2017, 45(1): 45–50.XIE Yuning. Experimental study on low-toxicity and environmental-friendly oil-based drilling fluids[J]. Petroleum Drilling Techniyues, 2017, 45(1): 45–50.
    [13] 王旭東,郭保雨,陳二丁,等. 油基鉆井液用高性能乳化劑的研制與評價[J]. 鉆井液與完井液, 2014, 31(6): 1–4. doi: 10.3969/j.issn.1001-5620.2014.06.001WANG Xudong, GUO Baoyu, CHEN Erding, et al. Development and evaluation of a high performance oil base mud emulsifie[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid, 2014, 31(6): 1–4. doi: 10.3969/j.issn.1001-5620.2014.06.001
    [14] 張建闊,王旭東,郭保雨,等. 油基鉆井液用固體乳化劑的研制與評價[J]. 石油鉆探技術, 2016, 44(4): 58–64.ZHANG Jiankuo, WANG Xudong, GUO Baoyu, et al. Development and evaluation of a solid emulsifier for oil based drilling fluid[J]. Petroleum Drilling Techniques, 2016, 44(4): 58–64.
    [15] 陶懷志,吳正良,賀海. 國產油基鉆井液CQ-WOM首次在頁巖氣威遠H3-1井試驗[J]. 鉆采工藝, 2014, 37(5): 87–90. doi: 10.3969/J.ISSN.1006-768X.2014.05.28TAO Huaizhi, WU Zhengliang, HE Hai. Tests of oil-base drilling fluid CQ-WOM made in China in Weiyuan H3-1 shale gas well[J]. Drilling & Production Technology, 2014, 37(5): 87–90. doi: 10.3969/J.ISSN.1006-768X.2014.05.28
    [16] GB/T 16783.2—2012 石油天然氣工業: 鉆井液現場測試: 第2部分: 油基鉆井液[S].GB/T 16783.2—2012 Petroleum and natural gas industries field testing of drilling fluids part 2: oil based fluide[S].
    [17] SY/T 6540—2002 鉆井液完井液損害油層室內評價方法[S].SY/T 6540—2002 Lab testing method of drilling and completion fluids damaging oil formation[S].
  • [1] 王金利陳二丁張海青劉學明李秀靈蔡勇 . 勝利坨826區塊裸眼內轉化合成基鉆井液技術. 石油鉆探技術, doi: 10.11911/syztjs.201506006
    [2] 趙景芳劉雪婧耿鐵 . BIO–OIL環保基液的研制與現場試驗. 石油鉆探技術, doi: 10.11911/syztjs.2019072
    [3] 胡友林烏效鳴岳前升劉書杰 . 深水鉆井氣制油合成基鉆井液室內研究. 石油鉆探技術, doi: 10.3969/j.issn.1001-0890.2012.06.008
    [4] 張浩 . 鋁胺基鉆井液在夏1031HF井的應用. 石油鉆探技術, doi: 10.3969/j.issn.1001-0890.2013.02.012
    [5] 郭永賓管申劉智勤彭巍曹峰 . 潿洲12-1油田水平井無固相有機鹽鉆井液技術. 石油鉆探技術, doi: 10.11911/syztjs.201706006
    [6] 呂開河楊鵬李建成隗虎王曉軍 . 抗高溫無黏土相鉆井液體系研究與性能評價. 石油鉆探技術, doi: 10.3969/j.issn.1001-0890.2012.05.007
    [7] 王中華 . 國內鉆井液技術進展評述. 石油鉆探技術, doi: 10.11911/syztjs.2019054
    [8] 解宇寧 . 低毒環保型油基鉆井液體系室內研究. 石油鉆探技術, doi: 10.11911/syztjs.201701008
    [9] 林永學王顯光 . 中國石化頁巖氣油基鉆井液技術進展與思考. 石油鉆探技術, doi: 10.3969/j.issn.1001-0890.2014.04.002
    [10] 張建闊王旭東郭保雨何興華王俊楊龍波 . 油基鉆井液用固體乳化劑的研制與評價. 石油鉆探技術, doi: 10.11911/syztjs.201604011
    [11] 李振智孫舉李曉嵐楊朝光杜明軍郭鵬 . 新型無土相油基鉆井液研究與現場試驗. 石油鉆探技術, doi: 10.11911/syztjs.201701006
    [12] 張雪飛張偉徐新紐王俊文李君阮彪 . 準噶爾盆地南緣H101井高密度油基鉆井液技術. 石油鉆探技術, doi: 10.11911/syztjs.201601007
    [13] 藍強李公讓張敬輝張虹何興貴劉寶峰 . 石蠟納米乳液的性能影響因素及低能乳化法制備. 石油鉆探技術, doi: 10.3969/j.issn.1001-0890.2012.01.012
    [14] 于雷張敬輝李公讓張虹李斌 . 生物酶完井液的研究及在低滲油氣田的應用. 石油鉆探技術, doi: 10.3969/j.issn.1001-0890.2012.03.007
    [15] 趙欣邱正松石秉忠林永學高書陽 . 深水聚胺高性能鉆井液試驗研究. 石油鉆探技術, doi: 10.3969/j.issn.1001-0890.2013.03.007
    [16] 于雷張敬輝李公讓趙懷珍劉天科 . 低活度強抑制封堵鉆井液研究與應用. 石油鉆探技術, doi: 10.11911/syztjs.2018031
    [17] 賈俊趙向陽劉偉 . 長慶油田水基環保成膜鉆井液研究與現場試驗. 石油鉆探技術, doi: 10.11911/syztjs.201705007
    [18] 吳爽 . 遼河油田無固相強抑制水基鉆井液技術. 石油鉆探技術, doi: 10.11911/syztjs.201706008
    [19] 王琳林永學楊小華蔡利山柴龍 . 不同加重劑對超高密度鉆井液性能的影響. 石油鉆探技術, doi: 10.3969/j.issn.1001-0890.2012.03.010
    [20] 張朔蔣官澄郭海濤湯新國金海鋒 . 新型鉆井液成膜劑的研制及其在埕海油田的應用. 石油鉆探技術, doi: 10.3969/j.issn.1001-0890.2013.02.009
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出版歷程
  • 收稿日期:  2018-12-14
  • 錄用日期:  2019-08-30
  • 網絡出版日期:  2019-09-11

可再生生物合成基鉆井液體系研究

    作者簡介: 解宇寧(1987—),男,黑龍江安達人,2009年畢業于大慶石油學院石油工程專業,2012年獲東北石油大學油氣井工程專業碩士學位,工程師,主要從事鉆井液完井液及其材料開發、井壁穩定、油氣層保護等方面的研究。E-mail:[email protected]
  • 1. 中國石油遼河油田分公司鉆采工藝研究院,遼寧盤錦 124010
  • 2. 石油工業入井流體質量監督檢驗中心,遼寧盤錦 124010

摘要: 油基鉆井液普遍存在基礎油難以降解、不可再生等缺點,為此,利用天然生物油脂,通過催化加氫、分子異構等合成了生物合成基礎油,以該基礎油和改性有機土為主,通過優選其他鉆井液添加劑及加量,形成了可再生生物合成基鉆井液體系。生物合成基礎油是C12—C24的支鏈異構烷烴混合物,具有優良的安全環保性和黏溫特性。室內性能評價試驗結果表明,可再生生物合成基鉆井液體系的高溫高壓濾失量低于12 mL,沉降穩定性好,破乳電壓在768 V以上,96 h半致死濃度大于1 000 000 mg/L,能抗20%地層水和10%劣土的侵入,巖屑滾動回收率達到98.06%,經其污染的巖心其滲透率恢復率為83.5%~92.3%。研究結果表明,生物合成基礎油具有低毒環保、可降解、可再生等優點,可再生生物合成基鉆井液在乳液穩定、抗污染、潤滑、抑制、儲層保護、安全環保等方面均表現出良好的性能,完全能滿足復雜地質條件對鉆井液的需求。

English Abstract

  • 隨著石油天然氣勘探開發的不斷深入,鉆遇高溫高壓地層、泥頁巖地層等復雜地層的概率越來越大,對鉆井液性能的要求越來越高。因此,油基鉆井液的應用越來越多,但隨著環境保護的要求越來越嚴,其面臨的問題也日益凸顯[12]。早期油基鉆井液的基礎油多為柴油,毒性高、難降解、污染嚴重,根本無法達到環保要求[35]。現在最常用的基礎油是低毒礦物精煉油,即白油,其芳烴組分含量雖然很低,但仍存在降解周期長的缺點。隨著人們對生態環境保護越來越重視,對鉆井液提出了更高的要求,所以需要研究低毒、可降解、可再生的環境友好型鉆井液用基礎油及環保的油基鉆井液。近期,國內研制出很多合成型基礎油,如酯類、醚類和聚烯類基礎油,還有由飽和烷烴、烯烴合成的氣制油,以及對石化原料油進行分子重整、精制提純的各類合成基礎油[68]。合成基礎油雖然具有無毒、高閃點、可降解等優點,但都是石化類的不可再生物質。因此,筆者利用天然生物油脂,通過催化加氫、分子異構等方法合成了可再生的生物基礎油,并通過優選其他鉆井液添加劑,形成了可再生生物合成基鉆井液。性能評價結果表明,其性能滿足優質高效鉆井要求,且生物毒性很低,具有很好的環保性能。

    • 生物質是指一切有生命的、可以生長的有機物質,包括動物、植物和微生物。與化石物質相比,生物質來源廣、可再生、無污染、分布廣泛,是一種取之不盡、用之不竭的可再生資源[911]。以生物質為原料開發生物合成基鉆井液,既可解決鉆井作業對鉆井液性能的要求,又可解決石油開發與環保、可持續發展之間的矛盾。

      動植物油脂、微生物油脂,以及地溝油等餐飲廢棄油脂,都可以作為生物合成基礎油的原料油。天然油脂的分子結構是含雙鍵或不含雙鍵的直鏈脂肪酸甘油酯,而且不同種類、不同來源的天然原料油的分子結構差異較大,需要有針對性地進行分子結構重整,才能得到性能優良且穩定的鉆井液用基礎油。天然原料油與催化劑在200~500 ℃、2~15 MPa條件下,通過加氫使不飽和鍵飽和生成長鏈正構烷烴,同時除去分子中所含的氧、氮、磷和硫等雜質。接下來,正構烷烴在金屬位上脫氫生成烯烴,然后烯烴在酸性位上發生質子化反應生成正構碳正離子,隨后正構碳正離子發生重整、去質子化反應生成烯烴,最終烯烴轉移到金屬位上并加氫生成異構烷烴,即為生物合成基礎油。

      生物合成基礎油是C12—C24的支鏈異構烷烴混合物,苯胺點很高且幾乎不含芳烴和硫,96 h 半致死濃度(LC50)大于1 000 000 mg/L(見表1)。閃點較高,表明其無毒,且在生產、儲運、應用過程中安全性高。其在低溫段(0~20 ℃)黏度變化幅度很小,容易配制出性能優良的鉆井液,且所配制鉆井液的性能易于維護。

      常用基礎油密度/(kg·m–3閃點/℃苯胺點/℃芳烴含量/(mg·kg–1硫含量/(mg·kg–1運動黏度/(mm2·s–196 h LC50/(mg·L–1
      天然氣制油851110881.201.003.0>1 000 000
      白油810144832.003.005.8>1 000 000
      BP8313785 838020 000.0013.00 2.7 820 000
      柴油841 835730 000.00~50 000.00250.00 5.9 80 000
      Mentor26838 747810 000.00~20 000.005.902.7 480 000
      生物合成基礎油802147920.050.451.9>1 000 000
       注:依據標準《車用柴油(Ⅴ)》(GB/T 19147—2013)和《鉆井液生物鑒定推薦作法》(API RP13H)測得。

      表 1  油基鉆井液常用基礎油的性能參數

      Table 1.  Performance parameters of common base oils for oil-based drilling fluids

      有機土分散在基礎油中起增黏提切、降濾失和維持乳化體系穩定的作用,其性能好壞直接影響鉆井液的流變性、濾失造壁性和乳狀液的穩定性。常規有機土在礦物油或合成類基礎油中的成膠率普遍低于10%,其原因是合成類基礎油主要為飽和烷烴,極性弱,而常規有機土在這類極性弱的基液中不能充分發揮增黏提切的作用。因此筆者采用文獻[12]中研制的改性有機土,該有機土疏水親油性強,不易吸水,層間疏松,片層剝離明顯。表2為不同基礎油加入改性有機土后的黏切性能。

      基礎油條件成膠
      率,%
      表觀黏度/
      (mPa·s)
      塑性黏度/
      (mPa·s)
      動切力/
      Pa
      柴油老化前100 13.011.21.8
      老化后9914.713.01.7
      白油老化前7914.012.02.0
      老化后7713.811.91.9
      天然氣制油老化前8512.510.91.6
      老化后8013.712.21.5
      生物合成基礎油老化前8312.210.61.6
      老化后7913.512.01.5
       注:依據標準《油基鉆井液用有機土技術規范》(Q/SY 1817—2015)測得。

      表 2  不同基礎油加入改性有機土后的黏切性能

      Table 2.  Adhesive performance of different base oils after adding modified organic soil

      表2可知,改性有機土不但在柴油中有很高的成膠率,而且在極性很弱的合成類基礎油中的成膠率也比較理想,其在生物合成基礎油中的成膠率為79%~83%,生物合成基礎油加入改性有機土后的黏切性能很穩定。這表明生物合成基礎油和改性有機土相互聚結膠聯形成的空間網狀結構即使經過高溫老化也沒有破壞,凝膠穩定性反而增強,說明改性有機土具有良好的成膠性和配伍性。

    • 由于以弱極性生物合成基礎油形成穩定的油基鉆井液有一定的難度,因此表面活性劑類處理劑對乳狀液的穩定性起決定性作用[1315]。乳化劑分子在油水界面會形成一層堅固的膜,同時降低油水界面張力,有利于形成穩定的乳化層,并且能夠增大粒子間的碰撞阻力,提高乳狀液的穩定性;潤濕劑具有促使重晶石和有機土表面從親水轉變為親油的作用,實現潤濕反轉從而提高鉆井液的穩定性。筆者通過優選各種處理劑并優化其加量,確定了可再生生物合成基鉆井液的基本配方:生物合成基礎油+CaCl2溶液(25%)+3.0%改性有機土+3.0%聚酰胺(主乳化劑)+2.0%酰胺基胺(輔乳化劑)+1.5%改性季銨鹽(潤濕劑)+2.0%提切劑+2.0%改性橡膠(封堵劑)+2.0%改性樹脂(降濾失劑)+1.0%磺化樹脂(降濾失劑)+1.0%CaO+重晶石粉(密度可調整范圍為0.90~2.25 kg/L),油水比90∶10~70∶30。

    • 不同密度可再生生物合成基鉆井液(油水比為90∶10)在老化前后的基本性能及生物毒性測試結果見表3

      密度/
      (kg·L–1
      條件表觀黏度/
      (mPa·s)
      塑性黏度/
      (mPa·s)
      動切力/
      Pa
      靜切力/
      Pa
      API濾失量/
      mL
      高溫高壓濾失量/
      mL
      破乳電壓/
      V
      96 h LC50/
      (mg·L–1
      0.90老化前1915 41.3/1.71.811.9 1 504>1 000 000
      老化后3023 71.6/2.01.39.71 874
      1.20老化前2921 82.0/2.41.59.21 665>1 000 000
      老化后3726112.2/3.11.08.81 730
      1.50老化前3222102.2/3.51.27.01 422>1 000 000
      老化后4734132.9/4.80.86.41 601
      1.85老化前4331122.9/5.20.86.21 134>1 000 000
      老化后5439153.5/5.50.65.31 377
      靜置24 h6645215.2/8.30.76.21 090
      2.25老化前5942173.2/5.70.43.2 768>1 000 000
      老化后7039184.3/6.80.32.4 955
      靜置24 h7850287.0/10.50.64.0 976
       注:老化條件為180 ℃下滾動16 h;高溫高壓條件是150 ℃、3.45 MPa;基本性能依據標準《石油天然氣工業 鉆井液現場測試 第2部分 油基鉆井液》(GB/T 16783.2—2012)測得;生物毒性依據《鉆井液生物鑒定推薦作法》(API RP13H)測得。

      表 3  可再生生物合成基鉆井液的基本性能及生物毒性

      Table 3.  Basic properties and biological toxicity of biosynthetic drilling fluid

      表3可知:可再生生物合成基鉆井液隨著密度增大,黏度和切力均增大、濾失量降低;不同密度生物合成基鉆井液整體上均具有較理想的流變參數,破乳電壓都在768 V以上,即使經過180 ℃高溫老化也完全可以保持穩定的乳液狀態;高溫高壓下依然可以吸附、沉積形成致密的濾餅,濾失量只有2.4~11.9 mL;96 h LC50均大于1 000 000 mg/L。密度2.25 kg/L的可再生生物合成基鉆井液經過高溫老化靜置24 h后,其上下部密度差僅為0.18 kg/L,未出現重晶石沉降和基油析出現象。這表明,可再生生物合成基鉆井液具有理想且穩定的性能,滿足高溫深井、高溫高壓水平井鉆井對鉆井液性能的要求,而且其生物毒性很低,具有很好的環保性能。

    • 鉆遇泥頁巖地層時,由于泥頁巖吸水會分散、膨脹,導致發生井壁坍塌、掉塊等井眼失穩問題,造成鉆井周期增長、鉆井成本增加,甚至使井眼報廢,不但造成巨大的經濟損失,而且使油氣資源無法得到有效的開發利用。因此,要求鉆井液必須要具有良好的抑制性能。筆者選取幾種泥頁巖地層常用的鉆井液與可再生生物合成基鉆井液,進行了泥頁巖巖屑滾動回收試驗與泥頁巖巖樣浸泡試驗,結果見表4。大斜度井和水平井鉆井要求鉆井液具有良好的潤滑性能,因此利用極壓潤滑儀測試了幾種泥頁巖地層常用的鉆井液與可再生生物合成基鉆井液的潤滑系數,結果見表4

      鉆井液一次回收率,%二次回收率,%90 min吸水量/g24 h后樣品狀態潤滑系數
      蒸餾水17.32 7.86完全解體完全散落0.34
      聚硅氟鉆井液54.4543.3612.34 四周有剝落0.17
      聚合醇鉆井液79.5470.798.54表面有裂紋0.10
      KCl聚合物鉆井液81.6370.896.64體積明顯膨脹0.14
      白油油基鉆井液98.7897.560.78無明顯變化0.04
      可再生生物合成基鉆井液99.0298.060.62幾乎無變化0.03
       注:可再生生物合成基鉆井液密度為1.20 kg/L,油水比為90∶10。

      表 4  不同鉆井液抑制性和潤滑性的評價結果

      Table 4.  Evaluation results of the inhibition and lubricity of different drilling fluids

      表4可知,油基鉆井液的抑制性明顯高于水基鉆井液,而可再生生物合成基鉆井液的泥頁巖滾動回收率最高,二次回收率達到了98.06%,與白油油基鉆井液相當。說明可再生生物合成基鉆井液對泥頁巖有很強的抑制作用,有利于井壁的長期穩定,可防止井壁坍塌等井下故障的發生。可再生生物合成基鉆井液的潤滑系數達到0.03,表明其潤滑性能好,可以降低鉆井過程中的摩擦阻力,且明顯優于傳統的水基鉆井液和白油油基鉆井液。

    • 在鉆進不同地層過程中,不可避免地會有各種污染物進入鉆井液,從而對鉆井液的性能造成影響。為此,根據參考文獻[16]中的方法評價了可再生生物合成基鉆井液抗水和劣土污染的能力,結果見表5

      污染物條件表觀黏度/
      (mPa·s)
      塑性黏度/
      (mPa·s)
      動切力/
      Pa
      API濾失量/
      mL
      高溫高壓濾失量/
      mL
      破乳電壓/
      V
      5%水老化前36.025.011.01.51 176
      老化后41.030.011.01.38.81 242
      10%水老化前42.029.013.01.4 975
      老化后48.033.015.00.97.61 091
      20%水老化前54.037.017.00.8 691
      老化后61.041.020.00.65.7 810
      3%劣土老化前36.525.511.01.31 130
      老化后40.028.012.01.06.31 245
      7%劣土老化前42.028.011.52.0 944
      老化后53.036.017.01.97.51 175
      10%劣土老化前64.042.022.01.8 744
      老化后70.546.524.02.19.9 793
       注:生物合成基鉆井液密度1.20 kg/L,油水比90∶10;老化條件是在150 ℃下滾動16 h;高溫高壓條件是150 ℃、3.45 MPa;劣土為遼河油田雷88區塊的天然泥頁巖鉆屑;侵入水是礦化度為6 000 mg/L的模擬地層水(519 mg/L CaCl2+351 mg/L MgCl2+1 581 mg/L Na2SO4+3 549 mg/L NaCl)。

      表 5  可再生生物合成基鉆井液抗水和劣土污染試驗結果

      Table 5.  Results of pollution test of biosynthetic base drilling fluid against water and inferior soil

      表5可知:隨著模擬地層水侵入量增大,可再生生物合成基鉆井液的黏度、切力明顯增大,濾失量和破乳電壓降低;當模擬地層水侵入量達20%時,破乳電壓為691 V,可再生生物合成基鉆井液仍能保持較穩定的乳化體系,完全可以抵抗一般地層水的污染;劣土的侵入使可再生生物合成基鉆井液的黏度和切力明顯提高、濾失量稍有升高;當劣土的侵入量為10%時,該鉆井液的高溫高壓濾失量只有9.9 mL。通過以上分析可知,可再生生物合成基鉆井液具有很好的抗污染性,當有外來物侵入污染時,其性能參數雖然有波動,但還是能滿足鉆井需求,且乳液的穩定性沒有被破壞,完全可以滿足高溫高壓等復雜地層鉆進對鉆井液性能的要求。

    • 相對于水基鉆井液,油基鉆井液在儲層保護方面有很多優勢,如可以避免水敏、水鎖損害等,但油基鉆井液中特有的處理劑(乳化劑、潤濕劑等)又可能對儲層造成損害。為評價可再生生物合成基鉆井液的儲層保護性能,分別選取了5種不同滲透率的天然巖心(遼河油田雷88區塊埋深800.00~1 800.00 m的砂礫巖和砂泥巖巖心),根據參考文獻[17]中的方法,利用JHMD-Ⅱ型高溫高壓動態損害評價系統測試巖心經可再生生物合成基鉆井液損害后的滲透率恢復率,結果見表6

      巖心號氣測滲透率/mD損害前的滲透率/mD損害后的滲透率/mD滲透率恢復率,%
      1 0.860.1890.15883.5
      2 8.312.1191.77183.6
      328.165.0174.29985.7
      453.0710.389 9.45491.0
      5239.06 42.089 38.848 92.3
       注:可再生生物合成基鉆井液密度1.20 kg/L,油水比為90∶10;損害溫度為120 ℃。

      表 6  滲透率恢復率試驗結果

      Table 6.  Results of permeability recovery test

      表6可知,可再生生物合成基鉆井液會對不同滲透率的巖心造成不同程度的損害,對滲透率低的巖心造成的損害較大,但滲透率恢復率全部達到了83.5%以上,說明該鉆井液具有較好的降濾失和封堵性能,能夠在巖心上形成高質量濾餅,儲層保護效果較好。

      可再生生物合成基鉆井液不但具有基本性能穩定、抑制性強、潤滑防卡優良的特點,還具有無毒、可生物降解和再生的環保優勢,完全符合國家日趨嚴格的環保要求,是現階段開發綠色鉆井液的新方向。生物合成基鉆井液被認為是可以替代傳統鉆井液的一種新興鉆井液體系,在目前能源緊張、油田勘探開發壓力大的形勢下具有廣闊的應用前景。

    • 1)針對現有石化類基礎油環保性能差的問題,利用天然生物原料油脂通過催化加氫脫雜、異構化等反應,合成了非酯類生物合成基礎油。該基礎油具有高閃點、高苯胺點、無毒等優良性能。其利用來源廣泛的生物質合成,具有可再生的技術優勢。

      2)以生物合成基礎油與改性有機土為主,通過優選其他鉆井液添加劑及優化加量,形成了一套流變性能穩定、抑制性強、潤滑性能良好、儲層保護性能好、安全環保的可再生生物合成基鉆井液體系。

      3)建議進一步優化可再生生物合成基鉆井液的配方,以提高其性能,從而更好地滿足復雜地質條件下安全高效鉆井及環保的要求。

      4)建議以可再生、可持續為目標,探索采用微生物、生物質氣化等新合成方法,合成綜合性能更好的生物基礎油。

參考文獻 (17)

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