生物柴油包水鉆井液體系

羅緒武，趙雄虎，余加水，劉俊宇，曹家俊，賀剛

（1.中國石油西部鉆探工程有限公司，新疆克拉瑪依 834000；2.中國石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院，北京 102249）

隨著石油鉆探技術(shù)的發(fā)展，油基鉆井液面臨的環(huán)境保護(hù)問題也日益嚴(yán)峻，柴油和礦物油容易起火，且成本較高，限制了油基鉆井液的使用。酯基鉆井液的環(huán)保性能優(yōu)良，作業(yè)性能較好，尤其是潤滑性能良好。生物柴油的主要成分是脂肪酸烷基酯，其閉杯閃點高，具有很好的安全性，不易著火。生物柴油基液中不含或含少量硫和芳香烴，這使其性能穩(wěn)定、毒性低、無熒光性[3-5]，對測井無影響，是良好的酯基鉆井液基液。但目前針對生物柴油基鉆井液體系處理劑研究較少，油基鉆井液處理劑與生物柴油配伍性較差，且生物柴油基鉆井液體系抗CaO 能力較差，針對這些問題筆者對生物柴油基鉆井液體系處理劑進(jìn)行了研制及優(yōu)選，形成了3 種不同密度的生物柴油包水鉆井液體系配方。

1 生物柴油包水鉆井液體系研究

1.1 實驗藥品

脂肪酸酰胺衍生物TC-PEM、TC-GSEM，聚胺改性褐煤UP-GL，聚胺改性有機(jī)土UP-GEL，聚醚胺基烷基糖苷NAPG，CaO（分析純），烷基酚聚氧乙烯醚OP-4，失水山梨糖醇單硬脂酸酯Span-80，二乙二醇脂肪酸酯EmcolDS-50，二乙二醇單月桂酸酯AtlasG-2124。

1.2 生物柴油的選擇

生物柴油鉆井液以生物柴油為連續(xù)相，CaCl2溶液為分散相。不同廠家生物柴油的基本性能見表1?？芍? 種生物柴油性能差距不大，最終選擇了無錫生產(chǎn)的冷凝點較低的生物柴油[6]，其黏溫曲線見圖1。無錫生產(chǎn)的生物柴油主要是油酸甲酯，碳鏈含有不飽和鍵多，所以傾點、冷凝點要低一些。

表1 不同地區(qū)產(chǎn)生物柴油基礎(chǔ)性能對比

1.3 鉆井液配方研究

在油包水鉆井液中，一般要求水相含量不低于10%。隨水相的增加，鉆井液的黏度逐漸增大，但水相過低，其黏度較小，不利于攜巖。一般采用鹽水作為油包水鉆井液的水相，用鹽水配制的油包水鉆井液具有以下的優(yōu)點：①可有效控制水相的活度；②產(chǎn)生穩(wěn)定頁巖所需的滲透壓力，有效避免在鉆進(jìn)頁巖地層時出現(xiàn)的各種復(fù)雜問題。油包水鉆井液在120 ℃熱滾16 h 前后，表觀黏度隨油水比含量的變化見圖2。由圖2 的結(jié)果，最終選擇了油水比為8∶2。

圖2 油包水鉆井液熱滾前后的表觀黏度隨油水比的變化

1.3.1 主、輔乳化劑優(yōu)選

在生物柴油中添加主、輔乳化劑在12 000 r/min下高速攪拌5 min，然后加入濃度為20%CaCl2水溶液，繼續(xù)攪拌30 min，配制成油水比為8∶2 的生物柴油包水乳狀液，在50 ℃下對乳狀液破乳電壓進(jìn)行測量，并評價了不同市售主乳化劑對生物柴油包水乳狀液的影響，結(jié)果見表2。TC-PEM 和不同輔乳化劑對生物柴油包水乳狀液的影響見表3。由表2 可以看出，TC-PEM 與生物柴油配伍性較好，形成的乳狀液破乳電壓也最高，靜止8 h 后乳化率最高，體系最為穩(wěn)定。因此，選取TC-PEM 作為生物柴油包水鉆井液的主乳化劑。由表3 可以看出，TC-PEM 與3%TC-GSEM 乳化劑組合形成的乳狀液破乳電壓最高。因此，選取TC-GSEM 為輔助乳化劑。

表2 2%主乳化劑對生物柴油包水乳狀液乳化效果的影響

表3 TC-PEM 與不同輔乳化劑組合對生物柴油包水乳狀液的影響

1.3.2 提切劑的研制及優(yōu)選

生物柴油主要成分為脂肪酸甲酯，可與聚胺類處理劑中的—NH2以氫鍵的形式相互作用，增加處理劑與生物柴油之間的作用力，增強體系的穩(wěn)定性。使用小分子聚胺對提切劑GEL 進(jìn)行改性制成提切劑UP-GEL，將其與市售的提切劑進(jìn)行對比，實驗結(jié)果見表4。可知，除A 外其他提切劑有一定的提切效果，UP-GEL 的效果最好。

表4 不同提切劑對生物柴油包水鉆井液流變性的影響

1.3.3 降濾失劑的研制優(yōu)選

使用有機(jī)褐煤制備腐植酸鈣，并用聚胺進(jìn)行改性得到降濾失劑UP-GL，將其與其他幾種油基降濾失劑進(jìn)行了降濾失性能對比，結(jié)果見表5。表明，UP-GL 通過定向楔以及氫鍵與生物柴油作用，增強了配伍性，在生物柴油包水鉆井液里具有良好的降濾失效果，優(yōu)于其他油基降濾失劑。

表5 不同降濾失劑對生物柴油包水鉆井液濾失量的影響

1.3.4 生物柴油包水鉆井液配方

經(jīng)過單劑優(yōu)選及配方優(yōu)化實驗，確定了3 種不同密度的生物柴油鉆井液體系。配方如下。

基漿 80%（生物柴油）∶20%（20%CaCl2）+2%TC-PEM+1%TC-GSEM+2%UP-GEL+0.5%NAPG+0.5%CaO+重晶石

1#基漿+2%OP-4+3%UP-GL，密度為1.20 g/cm3

2#基漿+2%OP-4+2%UP-GL，密度為1.60 g/cm3

3#基漿+3%OP-4+2%UP-GL，密度為1.80 g/cm3

不同密度鉆井液在120 ℃下熱滾16 h 后性能見表6。結(jié)果表明，該鉆井液性能良好。CaO 加量對生物柴油包水鉆井液影響比較大，這是由于生物柴油在堿性條件下發(fā)生水解所致[6-8]，由于非離子表面活性劑較低的極性以及較高的微黏度，對生物柴油在堿性條件下的水解起到禁阻效果[9-11]，在生物柴油包水鉆井液添加非離子表面活性劑NAPG，在120 ℃熱滾后體系更加穩(wěn)定，說明NAPG 可提高鉆井液在堿性條件下的穩(wěn)定性，見表7。

表6 不同密度鉆井液基礎(chǔ)性能

表7 NAPG 加量對生物柴油基鉆井液性能的影響

2 鉆井液性能評價

2.1 抗淡水污染能力

向生物柴油基鉆井液中加入不同比例的清水，120 ℃下熱滾16 h 后測量該體系的流變性能，結(jié)果見表8。表明，隨著淡水加量的增加，鉆井液的黏度上升，失水量增加。這是由于隨著油水比的減小，內(nèi)相體積分?jǐn)?shù)增大，導(dǎo)致油包水乳狀液液滴增多，鉆井液黏度增大，穩(wěn)定性下降。由于選取的處理劑與生物柴油包水鉆井液配伍性較好，因此使得鉆井液可抗15%淡水污染。

表8 1#配方生物柴油基鉆井液抗淡水污染性能（120 ℃、16 h）

2.2 抗氧化鈣能力

CaO 是為了維護(hù)油基鉆井液穩(wěn)定性和防止鉆井過程中地下各種酸性物質(zhì)侵入對鉆井液性能影響而必須添加的物質(zhì)，其加量對生物柴油油包水鉆井液體系性能有較大影響。為了滿足現(xiàn)場應(yīng)用，在密度為1.60 g/cm3下，考察了CaO 加量對生物柴油包水鉆井液的影響，結(jié)果見圖3。

圖3 CaO 加量對生物柴油包水鉆井液的影響

由圖3 可知，隨著CaO 加量的增加，表觀黏度快速增大，破乳電壓快速降低，當(dāng)CaO 加量為3%時，熱滾后其表觀黏度增大了一倍多，繼續(xù)增加CaO 加量會導(dǎo)致黏度急劇增加，破乳電壓下降，性能不好調(diào)控。體系抗CaO 能力在2%，現(xiàn)場加入的石灰量不能太多，否則會造成體系失穩(wěn)。這是由于CaO 遇水后呈強堿，促使脂肪酸酯水解，產(chǎn)生脂肪酸鈣類物質(zhì)，起到增黏作用。溫度越高，這種現(xiàn)象就越明顯。

2.3 鉆井液生物降解性能評價

對密度為1.20 g/cm3的生物柴油包水鉆井液，進(jìn)行生物降解性能測試（見表9）?？芍?，生物柴油基鉆井液降解性能好，是環(huán)境友好型鉆井液體系。

表9 生物柴油包水鉆井液的生物降解性能測試

3 現(xiàn)場應(yīng)用

生物柴油包水鉆井液在新疆油田瑪湖井區(qū)進(jìn)行了應(yīng)用，應(yīng)用情況見表10?，敽嗀 井與區(qū)塊鄰井復(fù)雜情況對比見表11。

表10 生物柴油包水鉆井液在瑪湖A 井現(xiàn)場應(yīng)用情況

表11 瑪湖A 井與區(qū)塊鄰井復(fù)雜情況對比

現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，該體系表現(xiàn)出良好的流變性能。A 井所在平臺三開設(shè)計工期71 d，平均鉆井周期為47.34 d，在試驗井段，其三開建井周期為28.5 d，大幅度縮短了建井周期，節(jié)約了鉆井成本。

4 結(jié)論

1.生物柴油性能穩(wěn)定、毒性低、無熒光性，是良好的酯基鉆井液基液，通過優(yōu)選主乳化劑TCPEM、輔乳化劑TC-GSEM、提切劑UP-GEL、降濾失劑UP-GEL，室內(nèi)研制出3 種不同密度的生物柴油包水鉆井液體系。

2.添加非離子表面活性劑NAPG 可以提高生物柴油包水鉆井液體系在堿性條件下的穩(wěn)定性。

3.研制出的生物柴油包水鉆井液具有良好的抑制性和抗淡水污染能力（15%），抗溫為120 ℃，抗2%CaO。該鉆井液生物降解性能評級為容易，對環(huán)境污染較低。