油包水鉆井液低油水比配方探索

1、油包水鉆井液低油水比配方的探索和應(yīng)用摘要：油包水鉆井液具有能抗高溫、抗鹽鈣侵、有利于井壁穩(wěn)定、潤(rùn)滑性好和對(duì) 油氣層損害程度較小等多種優(yōu)點(diǎn)。目前已成為鉆高難度的高溫深井、大斜度定向 井、水平井和各種復(fù)雜地層的重要手段，并且還可廣泛地用作解卡液、射孔完井 液、修井液和取心液等。油基鉆井液的配制成本比水基鉆井液高得多，使用時(shí)往 往會(huì)對(duì)井場(chǎng)附近的生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重影響?，F(xiàn)場(chǎng)通常使用的油水比為80:20或者 更高的油水比，使的油包水鉆井液成本遠(yuǎn)高于水基鉆井液。本文通過油包水乳狀 液的機(jī)理分析確定實(shí)驗(yàn)方案，通過實(shí)驗(yàn)得到了 75:25的油包水乳化鉆井液配方， 此配方具有良好的乳化穩(wěn)定性。最后給出了現(xiàn)場(chǎng)配置、日

2、常維護(hù)的指導(dǎo)意見。關(guān)鍵詞：油水比油包水乳化鉆井液75:25前言：油包水鉆井液的連續(xù)相是油，其濾失液也是油，所以油包水鉆井液設(shè)計(jì)和維 護(hù)簡(jiǎn)單，具有防止鉆具腐蝕、抗硫化氫和二氧化碳污染的能力，并能回收再使用。目前大慶地區(qū)使用的油基泥漿油水比為80:20-90:10，為了節(jié)約成品油的消 耗，降低油包水鉆井液的成本，我們通過對(duì)油包水乳化鉆井液的機(jī)理分析、處理 劑的篩選、實(shí)驗(yàn)室性能試驗(yàn)分析確定出75:25油水比油包水乳化鉆井液體系，經(jīng) 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，符合現(xiàn)場(chǎng)要求。一、油包水乳化鉆井液機(jī)理分析油包水乳化鉆井液是以水珠為分散相或內(nèi)相，以各種油類作為連續(xù)相或外 相，并添加乳化劑、親油膠體以及其它處理劑、加重劑所形

3、成的穩(wěn)定的乳狀液。在乳狀液中存在的水越多，水滴聚集和合并的機(jī)會(huì)越大。假定水珠的大小相 同，含水量小的體系更穩(wěn)定，如果水量相同，水珠越細(xì)，乳狀液越穩(wěn)定，大水珠 比小水珠更易聚結(jié)，另外，水珠大小愈均勻，乳狀液也就越穩(wěn)定。為了使水在油 中乳化，必須有足夠的化學(xué)乳化劑，以便在每個(gè)水珠周圍形成完整的一層膜。若 加入的乳化劑不足，乳狀液將不會(huì)穩(wěn)定。為得到更細(xì)的大小均勻的水細(xì)珠，應(yīng)該 以剪切的方式給體系施加外力，可以通過泥漿槍或離心泵的攪拌作用來實(shí)現(xiàn)，尤 其在初配油基泥漿時(shí)，盡一切可能高度剪切泥漿是非常重要的。當(dāng)加入油時(shí)，由于水珠之間的隔離更大，乳狀液就變得更穩(wěn)定，反之，增加 水時(shí)，由于水珠之間的距離變小將

4、降低穩(wěn)定性。加入油和水將影響粘度，油會(huì)降 低粘度而水增加粘度。為了控制粘度、凝膠強(qiáng)度和濾失量，需要調(diào)整適當(dāng)?shù)挠团c 水的比例。1.1油包水鉆井液穩(wěn)定性影響因素由于油包水鉆井液是通過水和親油固體穩(wěn)定分散于油里獲得的，因此，凡是 影響油包水乳狀液穩(wěn)定的因素都會(huì)影響油基鉆井液性能。油水比：隨著水量和分散體數(shù)量的增加，粘度、切力將會(huì)上升。同時(shí)， 高度分散的水滴有堵塞泥餅孔隙的作用，故有利于降低鉆井液濾失量。乳化劑的品種和加量：乳化劑的品種和加量將影響水滴的分散程度和 穩(wěn)定性。首先，主乳化劑是決定乳狀液類型和建立牢固乳化膜的骨架基礎(chǔ)；其次， 輔助乳化劑的影響主要是品種，其次是加量。當(dāng)主/輔乳化劑配合很好時(shí)

5、，鉆井 液的破乳電壓高、濾失量低。有機(jī)土的加量：有機(jī)土的加量對(duì)油基鉆井液性能的影響如同水基鉆井 液中膨潤(rùn)土的作用，能提高鉆井液的粘度、切力及乳狀液的穩(wěn)定性并降低鉆井液 濾失量。其它影響因素：PH值、溫度、壓力以及氧化瀝青的使用等。1.2油包水乳狀液的微觀結(jié)構(gòu)在柴油和鹽水組成的液體里加入一種表面活性劑即乳化劑，經(jīng)過充分剪切， 形成油包水乳狀液。乳化劑在油-水界面形成一種堅(jiān)固的膜，液滴相碰時(shí)，不易 合并變大，使乳狀液穩(wěn)定，同時(shí)乳化劑降低油水界面張力，使乳化劑富集，有利 于形成較穩(wěn)定的乳化劑層。它增加外相粘度，以增加粒子碰撞的阻力，從而提高 乳狀液的穩(wěn)定性。乳狀液穩(wěn)定性的決定因素是界面膜的強(qiáng)度和緊密

6、程度。若界面膜中吸附分子 排列緊密，不易脫附，膜具有一定的強(qiáng)度和粘附性，則能形成穩(wěn)定的乳狀液。在 油水體系中加人表面活性劑后，在降低界面張力的同時(shí)，根據(jù)Gibbs吸附定理， 表面活性劑必然在表面發(fā)生吸附、形成界面膜。此界面膜具有一定的強(qiáng)度，對(duì)分 散的液滴有保護(hù)作用，使其在相互碰撞時(shí)不易聚結(jié)。當(dāng)然，只有加入足夠量的表 面活性劑才能獲得最佳乳化效果，這是因?yàn)楸砻婊钚詣舛容^低時(shí)，界面吸附的 分子較少，界面膜的強(qiáng)度較差。所形成的乳狀液的穩(wěn)定性亦較差；當(dāng)表面活性劑 濃度增加至一定值后，界面吸附的分子呈緊密定向排列，膜的強(qiáng)度增大。液滴聚 結(jié)受到的阻力較大，所形成的乳狀液的穩(wěn)定性較好。不同的表面活性劑，達(dá)

7、到最佳 乳化效果的量不同，這與其形成的界面膜強(qiáng)度有關(guān)。一般而言，吸附分子間的相 互作用較大者形成的界面膜強(qiáng)度較大；相互作用較小者形成的界面膜的強(qiáng)度較 小。由于高純度的表面活性劑往往不能產(chǎn)生完全封閉的界面膜，所以機(jī)械性能不 是很強(qiáng)。一個(gè)好的乳化劑通常都是由兩個(gè)或兩個(gè)以上的表面活性劑組成。這類混 合乳化劑的特點(diǎn)是其組成中一部分是水溶性表面活性劑，另一部分是油溶性表面 活性劑?；旌先榛瘎┲械膬山M分在界面上吸附后即形成“復(fù)合物”，定向排列較 緊密，界面膜為一混合膜，具有較高的強(qiáng)度?？傊欢ǖ慕缑婺?qiáng)度是乳化的 必要條件。1.3低油水比產(chǎn)生的問題及解決方法思考正常使用的油包水鉆井液，油水比變低時(shí)，水珠

8、之間的距離變小，相鄰水珠 碰撞結(jié)合的機(jī)會(huì)變大，使得乳狀液體系不穩(wěn)定，破乳電壓變小，嚴(yán)重時(shí)油水會(huì)分 層。同時(shí)，水相的增多，會(huì)導(dǎo)致體系內(nèi)摩檫阻力變大，宏觀變現(xiàn)為鉆井液粘切增 加。API失水、高溫高壓失水增加。為了使水珠之間接觸的機(jī)會(huì)變小，可以通過提高界面膜的強(qiáng)度和致密性來實(shí) 現(xiàn)，選擇性能優(yōu)越的乳化劑是關(guān)鍵。由于乳化劑分子在液滴表面上可形成緊密的 吸附層，并在界面層成定向楔的界面，故而乳化劑分子的結(jié)構(gòu)以及空間排布對(duì)穩(wěn) 定性的影響比較關(guān)鍵。乳化劑分子的空間構(gòu)型主要指分子中極性基團(tuán)截面積的相 對(duì)大小，若兩種基團(tuán)的截面積不同，在乳化劑分子象兩頭大小不一的楔子，在油 水界面上形成緊密排列的吸附層。截面積小的

9、一頭總指向分散相，截面積大的一 頭總指向分散介質(zhì)，形成定向楔的界面。因此選擇油包水乳化劑時(shí)盡可能選擇親 油端較大的乳化劑作為主乳化劑，這樣乳化體系相對(duì)較難發(fā)生轉(zhuǎn)相，但同時(shí)要考 慮到空間位阻，可適當(dāng)?shù)倪x配不同分子量的油包水乳化劑作為復(fù)合乳化劑，來填 充不同分子量乳化劑之間的空隙。對(duì)于油水比降低造成鉆井液失水增大的問題，可以考慮增加降濾失劑加量， 優(yōu)選降濾失劑的類型。油水比降低，油包水鉆井液粘切增加，可以選擇造漿性能好的有機(jī)土，減少其加量，以降低固相對(duì)鉆井液的影響。二、低油水比油包水鉆井液實(shí)驗(yàn)方案現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)常使用的是80:20油水比的油包水鉆井液，觀察油水比不斷降低，鉆 井液性能變化趨勢(shì)。在低油水時(shí)鉆

10、井液電穩(wěn)定性變差，采用提高乳化劑加量的辦 法來提高乳化穩(wěn)定性，采用減小有機(jī)土加量的辦法來減小低油水比造成的高粘切 的問題。采用對(duì)比試驗(yàn)的方法來確定低油水比下的最佳性能。第一組實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)配方x柴油+3%主乳+1%輔乳+3%CaO+3%有機(jī)土+4% 降濾失劑+ 40% CaCl2水溶液（400mL鉆井液）油水比AV (mPa-s)PV (mPa-s)YP (Pa)YP/PV (Pa/mPa-s)G107G10Pa/PaHTHP 失 水(mL)ES(V)80/2021.5156.50.432.5/4.50.877575/25251870.393/51.258470/30292090.453.5/61.

11、8443結(jié)論：隨著油包水鉆井液油水比的降低，鉆井液塑性粘度和切力變大，破乳 電壓變小。第二組實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)配方300mL柴油+x主乳+x輔乳+3%CaO+3%有機(jī)土+4% 降濾失劑+100mL 40%CaCl2水溶液（油水比75:25,400mL鉆井液）主乳輔乳AV (mPa-s)PV (mPa-s)YP (Pa)YP/PV (Pa/mPa-s)G107G10Pa/PaHTHP 失 水(mL)ES(V)4%1%261790.533/4.51.26515%1.25%29.5218.50.403/51.07024%1.33%271890.503.5/60.86985%1.7%3222100.454/6

12、1.0764結(jié)論：高乳化劑加量能提高油包水鉆井液的乳化穩(wěn)定性，同時(shí)3:1的主輔乳 比例比4:1有更好的電穩(wěn)定性。第三組實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)配方300mL柴油+5%主乳+1.7%輔乳+3%CaO+x有機(jī)土+4%降濾失劑+100mL 40%CaCl2水溶液（油水比75:25,400mL鉆井液）有機(jī)土AV (mPa-s)PV (mPa-s)YP (Pa)YP/PV (Pa/mPa-s)G107G10Pa/PaHTHP 失 水(mL)ES(V)3%3323100.444/7.50.67782%292090.453/50.87121%25.5187.50.423/4.51.66230.5%21.5156.50.4

13、32.5/42.8510結(jié)論：隨著有機(jī)土加量的減小，鉆井液粘切變小，破乳電壓隨之減小，75:25 油水比的油包水鉆井液在1%有機(jī)土加量下獲得最佳性能。綜合上面的實(shí)驗(yàn)最終 確定75:25油水比鉆井液的配方如下：300mL柴油+5%主乳+1.7%輔乳 +3%CaO+1%有機(jī)土+4%降濾失劑+ 100mL40%CaCl2水溶液（400mL鉆井液）。三、油包水鉆井液低油水比配方在齊平2-平1井的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用概況：齊平2-平1井位于松遼盆地北部中央坳陷區(qū)齊家南地區(qū)的一口水平 井，完鉆井深3894m，水平段長(zhǎng)1494m。本井共二開，油包水鉆井液施工井段 1422m-3894m。主要施工難點(diǎn)為：水平段長(zhǎng)，容易造

14、成返砂不好，形成巖屑床，如果鉆井液攜巖效果不好， 易造成卡鉆等井下事故。嫩二段、青山口組二、三段及青一段發(fā)育巨厚層暗色泥巖，泥巖吸水后易 膨脹，易發(fā)生井塌事故。3.1鉆井液的配制油包水泥漿的配制對(duì)其加料順序和剪切情況有較高要求，必須重視以獲得 穩(wěn)定的乳狀液。3.1.1老漿改造根據(jù)老漿重復(fù)利用的需要現(xiàn)場(chǎng)從別井倒入老漿80m3，通過測(cè)量老漿密度 1.22g/cm3，粘度85s，固相含量25%，油水比為79： 21。老漿固相含量、密度偏 高，性能不好，地面建立循環(huán)，使用離心機(jī)處理，讓其性能均勻穩(wěn)定。老漿改造 前后性能如下：性能P g/cm3FVs固相含量%PV mPa,sYPPaGeLPa/PaEs

15、V改造前1.22852533115/10792改造后1.1277192810.54/97953.1.2新漿配制現(xiàn)場(chǎng)共有6個(gè)泥漿罐，其中5#和6#做為配漿罐，具體配漿步驟如下:（1）首先在5#配漿罐打入柴油，加入5%主乳化劑和2%輔乳，充分剪切攪 拌，再加入4%油包水降濾失劑、1%有機(jī)土直至材料全部分散為止，完全混合 均勻后就可獲得穩(wěn)定的體系。（2）在6#配漿罐配制40%的CaCl2鹽水，直到所加的鹽全部溶解。（3）將5#罐的CaCl2鹽水加入6#罐，需緩慢加水，攪拌有力以便盡快形成 乳化液。然后把新漿和改造后的老漿利用混合泵充分循環(huán)剪切，測(cè)得最終開鉆性能如 下：井深mP g/cm3FVsAPI

16、失水 mLPV mPa,sYPPaGeLPa/Pa油水比/EsV14221.1054025123/575/256603.2現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)處理3.2.1流變性處理時(shí)，要控制各種處理劑在設(shè)計(jì)的范圍內(nèi)，以維護(hù)鉆井液性能穩(wěn)定。柴 油和鹽水控制在75:25左右，既經(jīng)濟(jì)又能提高攜屑能力。CaCl2不能和加重材料重 品石一起加入，否則會(huì)引起重晶石水潤(rùn)濕。輕漿的配制方法很靈活，根據(jù)井漿的 性能和施工井段的要求來確定藥品的加量。（1）油包水乳化鉆井液應(yīng)盡可能維持較低的塑性粘度，以利于提高鉆速。 維護(hù)的重點(diǎn)是固相清除，減少鉆屑的累積。（2）油包水乳化鉆井液應(yīng)具有良好的剪切稀釋性能。應(yīng)有足夠的切力懸浮 加重材料，較高的屈

17、服值提高攜砂能力。（3）根據(jù)井下情況控制油包水乳化鉆井液的粘度、屈服值和切力。提粘切 可以通過加入有機(jī)土、CaCl2水溶液和補(bǔ)充乳化劑的方法實(shí)現(xiàn)，加入藥品時(shí)要按 照循環(huán)周進(jìn)行，加入量要計(jì)算準(zhǔn)確，不易濃度過高；降粘切可以通過利用除砂器 離心機(jī)清除無用固相、混入一定量的輕漿或柴油、排放沉砂罐的方法實(shí)現(xiàn)，輕漿 或柴油也要按循環(huán)周逐漸緩慢混入。3.2.2電穩(wěn)定性電穩(wěn)定性的維護(hù)主要通過調(diào)整乳化劑的加量來完成，隨著乳化劑的損 耗，電穩(wěn)定性會(huì)逐漸降低，及時(shí)補(bǔ)充主乳和輔乳，根據(jù)實(shí)測(cè)破乳電壓數(shù)據(jù)來確定 加量，保持破乳電壓600V為宜；預(yù)防潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)主要通過監(jiān)測(cè)破乳電壓和振動(dòng)篩的返砂情況，尤其是在 加重之前，必須補(bǔ)

18、充足量的乳化劑(潤(rùn)濕劑)，保證重品石粉的潤(rùn)濕效果。3.2.3油水比控制降低或提高油水比可以通過精確的測(cè)量和計(jì)算，確定混入CaCl2水溶液或輕 漿或柴油的加量，每次可以按循環(huán)周混入34m3，少量多次完成，保證全井鉆井 液性能的平穩(wěn)變化。3.2.4固相控制現(xiàn)場(chǎng)使用3臺(tái)高速線性振動(dòng)篩和2臺(tái)高速離心機(jī)清除固相。除振動(dòng)篩和離心 機(jī)外，關(guān)閉所有其它固相控制設(shè)備，例如除砂器、除泥器等。在振動(dòng)篩上配備使 用120200目的篩布，可一次清除7卻m以上的固相顆粒。由于所鉆地層的 固相顆粒的大小可能和篩布網(wǎng)眼相同，尤其是砂巖顆粒，容易導(dǎo)致堵塞，因此應(yīng) 適當(dāng)更換不同目數(shù)的篩布，在清除固相顆粒的同時(shí)盡量減少?gòu)恼駝?dòng)篩處跑

19、鉆井 液。對(duì)于低于74 pm的固相顆粒，以及由于更換篩布沒有清除的高于74pm的 顆粒，通過離心機(jī)清除?，F(xiàn)場(chǎng)每?jī)尚r(shí)監(jiān)測(cè)一次密度、粘度，每12小時(shí)監(jiān)測(cè)一次全套性能，時(shí)刻觀 察鉆井液密度、粘度的走勢(shì)，尤其注意破乳電壓和油水比的變化，以及時(shí)做出調(diào) 整。3.3鉆井液性能井深 密度 FVmg/cm314221.10（開鉆）18001.122206242030281.111.141.15s5455586268PVYPmPa.s Pa25122712.5262429111012G107G10Pa2/42.5/53/75/104/9固相含YP/PVES油水比量192220井深 密度 FVmg/cm31422

20、1.10（開鉆）18001.122206242030281.111.141.15s5455586268PVYPmPa.s Pa25122712.5262429111012G107G10Pa2/42.5/53/75/104/9固相含YP/PVES油水比量1922201917Pa/mPa.s0.480.460.420.420.4166064170375879275:2575:2576:2477:2376:2438941.156630125/10170.4086575:25（完鉆）3.4現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果使用低油水比油包水乳化鉆井液需要勤觀察、勤測(cè)量，防止鉆井液性能惡化， 齊平2-平1井的鉆井液性能滿足施工要求，沒有出現(xiàn)復(fù)雜情況。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)有如 下效果：（1）水平段機(jī)械鉆速達(dá)到8.24m/h，在鉆進(jìn)青二、三段軟泥巖層時(shí)，鉆屑完 全沒有分散，充分證明油包水鉆井液具有較強(qiáng)抑制能力，有利于穩(wěn)定井壁和確保 井下鉆井安全。（2）該井井眼規(guī)則，測(cè)