鉆井液發(fā)展史

1、油基鉆井液的發(fā)展歷史辛一男中國石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)院 石工094班摘 要 簡要介紹了鉆井液中的油基鉆井液的發(fā)展歷史，發(fā)展過程，從全油基 鉆井液到油包水乳華鉆井液再到合成基鉆井液，都為油氣鉆井順利進(jìn)行起到了巨 大的作用。此外還介紹了油基鉆井液國先進(jìn)技術(shù)及發(fā)展趨向。關(guān)鍵詞油基鉆井液油包水乳化合成基鉆井液鉆井液19世紀(jì)60年代，美國賓夕法尼亞州第一口油井的成功開鉆揭開了近代石油工業(yè) 的序幕，同時也開啟了鉆井液的發(fā)展篇章。從最初的純水到現(xiàn)在的各種復(fù)雜鉆井 液，從水基鉆井液到油基鉆井液到合成基鉆井液再到氣基鉆井液，鉆井液可以說 是類別豐富，功能齊全。鉆井液的定義很多，國內(nèi)定義為：鉆井時用來清洗井底

2、并把巖屑攜帶到地面、 維持鉆井操作正常進(jìn)行的流體；亦有鉆井液是指油氣鉆井過程中以其多種功能滿 足鉆井工作需要的各種循環(huán)流體的總稱。美國石油協(xié)會API定義為：在旋轉(zhuǎn)鉆 井中用以完成鉆井工作中各種功能的循環(huán)流體。鉆井工作流體導(dǎo)論中的定義: 把通過人為控制，使得用于油氣鉆井作業(yè)的流體具有一定的性能，來實現(xiàn)鉆井和 地質(zhì)目的這種特定性能的流體稱為鉆井工作流體(Drilling Working Fluids)。鉆井液的首次使用的具體時間已不可考(19世紀(jì)中期，頓鉆開始使用鉆井 液，1901年在鉆井液中加入黏土)，但隨著使用的日益增多，鉆井液的目的和作 用卻愈加明確。鉆井液的功用有以下兩大點：一，保證快速安

3、全鉆井：攜帶和懸浮巖屑控制地層壓力和保持井壁穩(wěn)定冷卻、潤滑和支撐鉆具組合傳遞水動力保戶儲層，減小儲層傷害二，保護(hù)油氣層，取全鉆井資料：提供足夠的地層評價信息，有利于地層評價和油氣的發(fā)現(xiàn)不損害環(huán)境、人員和設(shè)備便于注水泥和完井作業(yè)降低鉆井成本抑制氣體水合物形成根據(jù)流體介質(zhì)的不同，鉆井流體可分為水基鉆井流體、油基鉆井流體和氣基 鉆井流體三種。亦或為以下幾類：水為連續(xù)相的水基鉆井液：細(xì)分散鉆井液、粗分散鉆井液、聚合物鉆井液、 鹽類鉆井液。油為連續(xù)相的水基鉆井液：全油基鉆井液、油包水乳化鉆井液、合成基 鉆井液。氣體為連續(xù)相的水基鉆井液：純氣體鉆井液、霧化鉆井液、泡沫鉆井液、充氣鉆井液。油基鉆井流體在此我

4、們著重介紹一下油基鉆井液發(fā)展和應(yīng)用過程以及現(xiàn)今的一些成果和 發(fā)展趨向。油基鉆井液（起初又稱油基泥漿，下文統(tǒng)稱為油基鉆井液），指以油作為連續(xù)相 的鉆井液體系。全油基鉆井液全油基鉆井液（All-oil Based Drilling Fluids）是不含水的，但在實際應(yīng)用中， 會因鉆遇含水地層或鉆屑帶水使鉆井液體系含有少量的水。水是無用組分。油基鉆井液起源于完井中使用的原油，第一次的使用日期已不可考。一個由 J.C.Swan在1919年提出并在1923年轉(zhuǎn)讓的的專利，提出使用“一種非水基粘性 液體”，如煤焦油、木焦油、樹脂或用苯稀釋的瀝青來鉆井。早在19世紀(jì)20年代，人們就曾用原油作為鉆井液，主要是

5、為了克服水基鉆 井液的某些不理想特性（主要由水的性能所決定：溶解各種鹽，破壞油氣通過空 隙地層的流動，加速粘土的分散;并引起鋼材的腐蝕），并具有以下的優(yōu)點：（1）降低了設(shè)備腐蝕；（2）可回收和反復(fù)利用；（3）耐鉆屑侵；（4）泥頁巖地層中鉆速快。（5）良好的井壁穩(wěn)定和頁巖抑制性能；（6）油氣層損害大大改善；（7）良好的潤滑性和低的卡鉆幾率；（8）不被化學(xué)污染；（9）高溫穩(wěn)定；（10）井徑規(guī)矩，起下鉆和測井作業(yè)通暢；全油基鉆井液的發(fā)展1935年Humble Oil &Refining公司企圖用焦油（提煉潤滑油取得）與有機 土制備的油鉆井液（此外還添加0.5%的油酸以及1%濃縮的硫酸）來鉆德克薩斯

6、Goose Creek油田上的一個有問題的頁巖層段。1936年，殼牌石油公司系統(tǒng)的研究了有機、油基鉆井液的發(fā)展方案。1938 年根據(jù)這項研究用油基鉆井液在加利福尼亞州的Round Mountain油田使用（在 加利福尼亞州的幾個油田上鉆井時使用了柴油，貝殼粉或石灰、空氣氧化的瀝青 及碳黑組分；高密度的油鉆井液還需添加重品石粉）。George L.Miller于1942年在加利福尼亞州洛杉磯成立油基鉆井液公司，制 成商品油鉆井液。在1935年至1950年期間，油基鉆井液的最大用處是在完井方面，主要在低 壓或低滲透率的油藏。在油鉆井液代替水鉆井液后，可以得到較高的初始產(chǎn)量。在一項早期的專利里推薦使

7、用非水成分來防止套管的腐蝕。早在50年代初 期在堪薩斯州就廣泛地使用稠油鉆井液來保護(hù)套管的外部免受地層水的腐蝕。但油基鉆井液也存在其自身的缺陷：（1）初始成本高；（2）對人的皮膚和呼吸系統(tǒng)有刺激和危害；（3）降低橡膠配件的壽命；（4）油氣顯示監(jiān)測和錄井困難；（5）不能及時發(fā)現(xiàn)油氣侵；（6）處理井漏費用高；（7）脫氣困難；（8）有火災(zāi)危險；（9）有環(huán)保和排放問題；（10）人體和設(shè)備不易清洗。同時也存在著切力小、難以懸浮重品石、濾失量大、流變性不易控制以及原 油中的易揮發(fā)組分易著火等缺點，逐漸發(fā)展成為以柴油為連續(xù)相的兩種油鉆井液 全油基鉆井液和油包水乳化鉆井液。油包水乳化鉆井液和油包水逆乳化鉆井液

8、油包水乳化鉆井液是以柴油、礦物油或合成基液為外相（或連續(xù)相），以水 （淡水或鹽水一）為內(nèi)相（或分散相），并添加適量的乳化劑、潤濕劑、親油膠 體和加重劑等所形成穩(wěn)定的乳狀液體系。全油基鉆井液與油包水乳化鉆井液的區(qū)別在于含水量及水的作用。習(xí)慣上把 含水量小于10%的稱為油基鉆井液（一般在3%到5%之間，有時會更高些），其 含水量大于此值者稱為油包水乳化鉆井液。水油比與乳狀液的穩(wěn)定性有關(guān) （Ostwald假設(shè)求得水油比最大值為74:26，采取特殊方法可制備水油比更高的 濃乳狀液）。20世紀(jì)40年代發(fā)展起來的乳化技術(shù)解決了全油基鉆井液不抗水的問題。， 此外還發(fā)現(xiàn)當(dāng)水在油中乳化后具有明顯的優(yōu)點（可以提高

9、油的增粘能力，降低濾 失量）。在水或鹽水中加入油基鉆井液成為現(xiàn)實后，確立了油包水乳化鉆井液的 基本原理。隨著1950年前后有機土的應(yīng)用，進(jìn)一步發(fā)展成為油包水乳液（又稱 反相乳液）。60年代中期腐植酸酰胺和腐殖酸鹽的應(yīng)用，已能夠單獨控制鉆井液 的流變性和濾失量。根據(jù)C.C.Wright所述，第一次現(xiàn)場使用油基乳化液鉆井液是在1960年8月 于洛杉磯盆地。這種鉆井液是由40%的水，乳化在精煉油里制成的。含有30% 以上水的乳化液不能助燃，從而消除了火災(zāi)的危險。乳化液體系的其他優(yōu)點是成 本低，顏色較淺（這意味著對鉆井人員的衣服污染較輕）。以上特點促進(jìn)了逆乳 化液在低壓完井里的作用。1963年Roge

10、rs列出了 12種不同的組分，此后又發(fā)展 了其他許多組分。通常，逆乳化液里含有油溶性與水溶性兩種乳化劑。實踐證明，乳液對低壓或超低壓儲層傷害小，且在完井液和修井液中也有所 應(yīng)用。油基鉆井液可提高頁巖穩(wěn)定性，其主要機理為：鉆井液漁頁巖之間會形成一 種滲透壓，從而阻止水相進(jìn)入頁巖地層。Lawhon等人對乳業(yè)鉆井液的鉆進(jìn)速率和濾失性能進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，低粘度油 如柴油等能夠增加鉆進(jìn)速率，濾失測試表明，在鉆井液循環(huán)過程中，鉆井液的濾 失并沒有增加。據(jù)Gray等人研究表明，油基鉆井液可以防止粘土的膨脹、封堵 空隙、防止含水粘土顆粒的入侵等，從而降低對產(chǎn)能的損害。油包水乳化液鉆井液中抗高溫高壓性、高密度以及低

11、度性油包水乳化液鉆井 液均在實踐中得以驗證和推廣。如我國的東秋8井、寶島19-2-2、古平1井等。M-I鉆井液公司研制出一種新型油基鉆井液一高密度低固相油基鉆井液， 這種鉆井液是利用高密度的甲酸銫鹽水來達(dá)到理想的密度。低固相油基鉆井液與 常規(guī)油基鉆井液的差別是鉆井液的固相含量由22%降到1%。Ezzat等人在1989年提出了無固相鹽水/油乳液在完井中的應(yīng)用，Skalle等人 在1991年提出了 “乳液水泥”的概念。Patel等人在1998年研制出一種新型的鉆井、完井和修井液體系，利用pH 值敏感的乳化劑能夠容易實現(xiàn)O/W型和W/O型乳液之間的可逆轉(zhuǎn)化。Green等 人在2001年也對這種可逆乳

12、化鉆井液體系的地層傷害進(jìn)行了研究，證明其成果 顯著。低毒油包水鉆井液又稱礦物油(又稱白油，是以脂肪烴或脂環(huán)烴為主要成分 的精制油)鉆井液，能夠有效地防止對環(huán)境的污染，特別適用于海洋鉆井。自 1980年被首次使用以來，已在許多海上油田上得到廣泛使用。比如我國BZ25-1 深井。也應(yīng)用于大位移井。Helder油田曾使用油基鉆井液(油水比為8:2)成功 地鉆探了幾口大位移井。使用油基鉆井液鉆水平井可以省去酸化作業(yè)并提高油井產(chǎn)量。(Chambers等 人介紹了油基鉆井液在非洲西部油田水平井長裸眼礫石充填井段的應(yīng)用情況。同時，油基鉆井液的抗腐蝕性明顯強于水基鉆井液也在實踐中得以驗證。隨著乳化劑和潤濕技術(shù)

13、的發(fā)展以及平衡活性理論的應(yīng)用，推動了逆乳化鉆井 液的發(fā)展。但逆乳化鉆井液也有以下幾點需要改進(jìn)的方面：鉆井液的鹽相與所鉆進(jìn)的地層繼續(xù)相互作用，可能導(dǎo)致井眼不穩(wěn)定；從流變性角度來說，乳化的鹽水微滴起到固相微粒的作用，會使鉆井液的 塑性粘度超標(biāo)；始終存在乳化實效的危險。合成基鉆井液油基鉆井液體系雖然具有流變性好、鉆速高、抗高溫高壓、密度范圍廣的優(yōu) 點，但是由于該體系成本高且污染環(huán)境，因此正逐漸被一種仿油基的合成基鉆井 液體系所代替。合成基鉆井液是以合成基液為連續(xù)相，鹽水為分散相，再加上乳化劑、有機 土、石灰等組成的油包水乳化鉆井液，根據(jù)性能要求加入降濾失劑、流變性調(diào)節(jié) 劑和重品石等。合成基鉆井液主要

14、是20世紀(jì)80年代開始研制，在90年代發(fā)展起來的。合 成基鉆井液研制的主導(dǎo)思想是，將油基鉆井液中的基油替換成植物油獲人工合成 的有機物。改性植物油或人工合成有機物必須滿足三個要求：與礦物油的物理性質(zhì)相似；所配置的鉆井液體系毒性必須很低；不論在好氧或厭氧條件下都可以降解。因此，合成基鉆井液既具有水基鉆井液的優(yōu)點一鉆井廢物少、無毒、可生物 降解、對環(huán)境無污染，鉆井污水、鉆屑和廢棄鉆井液可向海洋排放。又具有 油基鉆井液的優(yōu)點一鉆速高、潤滑性好，有利于保護(hù)油氣層和井壁穩(wěn)定，從 而克服了水基鉆井液的鉆井廢物多、高溫穩(wěn)定性差和井壁不穩(wěn)定的問題，同時也避免了油基鉆井液污染環(huán)境、影響測井和試井資料解釋的問題。

15、基液的種類和物理化學(xué)性質(zhì)：基液是合成基鉆井液的基本物質(zhì)，基液性能 直接影響鉆井液的工藝性能。按照合成基鉆井液研制的主導(dǎo)思想，基液的合成 材料應(yīng)不含有芳香烴等對環(huán)境有害的化學(xué)成分。研究表明，這些材料一般為 C14-C22的直鏈型分子，平均相對分子質(zhì)量與礦物油類似，而且相對分子質(zhì)量 分布范圍較窄。合成基鉆井液的主要類型：一， 醚基鉆井液：醚類和酯類有相似的物理性質(zhì)，是R-OR型化合物的總稱， 可以由醇類與酸反應(yīng)生成。在挪威地區(qū)的七個海上油氣田上，由于水基 鉆井液的效果不理想，加之挪威環(huán)保署新近頒布的海上鉆井液污染控制 法規(guī)限定了油基鉆井液的運用，因此轉(zhuǎn)而使用了醚基鉆井液，效果令人 滿意：鉆速在總體

16、上明顯提高，醚基鉆井液雖然成本高，但縮短了鉆井 時間，鉆井廢物級處理費用大幅度降低了。因此，鉆井總費用明顯低于 油基鉆井液和水基鉆井液。二，酯基鉆井液:酯是最早用于鉆井液的合成材料。酯基鉆井液最早由Statoil公司在北海、挪威區(qū)域的氣田使用，先后鉆了十幾口井均獲得好的效果， 提高了鉆井速率，降低了成本。目前，Kerr Mc Gee公司在墨西哥灣East Breaks地區(qū)運用低粘度酯基鉆井液成功鉆進(jìn)和完成了一口深井。三，聚a -烯烴基鉆井液：這類物質(zhì)是由a -烯烴聚合而成的。聚a -烯烴不會在生物體內(nèi)積累，對海洋生物無毒。聚a -烯烴的另一個優(yōu)點是它不隨溫 度、PH值而改變其性能。酯類鉆井液在

17、堿性條件下則可能分解，因此， 聚a -烯烴比酯類更能抗高溫和石灰污染。貝克-休斯公司采用ISO-TEQ 的合成基配置成Syn-TEQ合成基鉆井液，能耐226.7 ，且在高溫下不 水解。在北海Central Basin油田一口傾角為55的定向井的27004529 井段，使用了聚。-烯烴基鉆井液，現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，其可有效提高機 械鉆速和井眼清潔能力，降低扭矩和阻力，使鉆井液流變性穩(wěn)定，而且 便于在井場就地混合制取，易于維護(hù)。四，線性a -烯烴鉆井液：線性a -烯烴是乙烯在三乙基鋁上的催化鏈增長而 制備的。與其他合成基鉆井液相比，具有以下優(yōu)點：線性a -烯烴除了具有極好的鉆井性能外，還具有低毒性、

18、低生物積累和生物可 降解性能，是一種可以代替第一代合成基鉆井液的體系。與油基鉆井液相比，具有更加穩(wěn)定的流變性，可以增加鉆速，減小扭矩和摩阻， 井眼清洗和攜屑能力好。線性a -烯烴鉆井液具有較高的抗溫能力。低剪切速率并不像常規(guī)鉆井液那樣隨 溫度升高而降低，相反，在高溫時略有增大。線性a -烯烴鉆井液的流變性較適合于提高大斜度井眼的清洗能力，使用中增稠 劑和表面活性劑用量少。能在較短的時間內(nèi)形成較強的凝膠結(jié)構(gòu)，并易破膠，鉆屑能以原始狀態(tài)派出井 眼，不會被研磨，其下鉆摩阻極低。比用油基鉆井液鉆速提高15%，井段裸眼鉆進(jìn)井眼穩(wěn)定。國外油基鉆井液發(fā)展趨勢現(xiàn)在，世界許多大的石油公司都發(fā)展了自己的合成基鉆井

19、液。如Baroid公 司 Petrofree 體系、Dowell 公司的 Quad Drill 體系、Milpark 公司的 Bio-drill 體系、M-I公司的Nova Drill體系到等采用了線性a -烯烴鉆井液。以美國休斯 公司為例，它每年在東南亞的對線性a -烯烴的需求量達(dá)2000t之多。在墨西哥灣，線性a -烯烴鉆井液替代了大部分的水基鉆井液，并被證明 有效地提高了鉆井效能。優(yōu)點包括鉆速提高，通井次數(shù)減小，卡鉆類的意外事 故減少，由此使鉆機工作天數(shù)減少，節(jié)約了鉆時。五，新型合成基鉆井液：近年來研制出了能降低對環(huán)境影響的新型合成基鉆井液技術(shù)，包括：（1）SBM中加入獨特的表面活性劑，

20、使井眼表面和鉆屑從油潤濕狀態(tài)變 成水潤濕狀態(tài)。（2）研制出新的合成基，以達(dá)到環(huán)保要求。理想的合成基鉆井液應(yīng)該是 既具有普通合成基鉆井液的性能，又無毒能生物降解，不會在海底 聚積。近年來，用乙二醇作為基液配置成功了兩種合成基鉆井液體系，他們是水溶 的乙二醇（WMG）體系和海水逆乳化鉆井液（OSI）體系。英國石油公司研制出一種線性烯烴鉆井液，在哥倫比亞東北的地區(qū)和加拿大 的阿爾伯達(dá)地區(qū)進(jìn)行了兩年的實驗，取得了成功。M-I鉆井液公司研制出一種逆乳化鉆井液，它不但具有普通逆乳化鉆井液的 性能，而且可以排放到田野里作為土壤的增肥劑，稱為肥田合成基鉆井液，效果 很好。參考文獻(xiàn)鄭力會譯.鉆井液處理手冊.北京

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