生物柴油包水钻井液体系

罗绪武，赵雄虎，余加水，刘俊宇，曹家俊，贺刚

（1.中国石油西部钻探工程有限公司，新疆克拉玛依 834000；2.中国石油大学（北京）石油工程学院，北京 102249）

随着石油钻探技术的发展，油基钻井液面临的环境保护问题也日益严峻，柴油和矿物油容易起火，且成本较高，限制了油基钻井液的使用。酯基钻井液的环保性能优良，作业性能较好，尤其是润滑性能良好。生物柴油的主要成分是脂肪酸烷基酯，其闭杯闪点高，具有很好的安全性，不易着火。生物柴油基液中不含或含少量硫和芳香烃，这使其性能稳定、毒性低、无荧光性[3-5]，对测井无影响，是良好的酯基钻井液基液。但目前针对生物柴油基钻井液体系处理剂研究较少，油基钻井液处理剂与生物柴油配伍性较差，且生物柴油基钻井液体系抗CaO 能力较差，针对这些问题笔者对生物柴油基钻井液体系处理剂进行了研制及优选，形成了3 种不同密度的生物柴油包水钻井液体系配方。

1 生物柴油包水钻井液体系研究

1.1 实验药品

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

1.2 生物柴油的选择

生物柴油钻井液以生物柴油为连续相，CaCl2溶液为分散相。不同厂家生物柴油的基本性能见表1。可知，4 种生物柴油性能差距不大，最终选择了无锡生产的冷凝点较低的生物柴油[6]，其黏温曲线见图1。无锡生产的生物柴油主要是油酸甲酯，碳链含有不饱和键多，所以倾点、冷凝点要低一些。

表1 不同地区产生物柴油基础性能对比

1.3 钻井液配方研究

在油包水钻井液中，一般要求水相含量不低于10%。随水相的增加，钻井液的黏度逐渐增大，但水相过低，其黏度较小，不利于携岩。一般采用盐水作为油包水钻井液的水相，用盐水配制的油包水钻井液具有以下的优点：①可有效控制水相的活度；②产生稳定页岩所需的渗透压力，有效避免在钻进页岩地层时出现的各种复杂问题。油包水钻井液在120 ℃热滚16 h 前后，表观黏度随油水比含量的变化见图2。由图2 的结果，最终选择了油水比为8∶2。

图2 油包水钻井液热滚前后的表观黏度随油水比的变化

1.3.1 主、辅乳化剂优选

在生物柴油中添加主、辅乳化剂在12 000 r/min下高速搅拌5 min，然后加入浓度为20%CaCl2水溶液，继续搅拌30 min，配制成油水比为8∶2 的生物柴油包水乳状液，在50 ℃下对乳状液破乳电压进行测量，并评价了不同市售主乳化剂对生物柴油包水乳状液的影响，结果见表2。TC-PEM 和不同辅乳化剂对生物柴油包水乳状液的影响见表3。由表2 可以看出，TC-PEM 与生物柴油配伍性较好，形成的乳状液破乳电压也最高，静止8 h 后乳化率最高，体系最为稳定。因此，选取TC-PEM 作为生物柴油包水钻井液的主乳化剂。由表3 可以看出，TC-PEM 与3%TC-GSEM 乳化剂组合形成的乳状液破乳电压最高。因此，选取TC-GSEM 为辅助乳化剂。

表2 2%主乳化剂对生物柴油包水乳状液乳化效果的影响

表3 TC-PEM 与不同辅乳化剂组合对生物柴油包水乳状液的影响

1.3.2 提切剂的研制及优选

生物柴油主要成分为脂肪酸甲酯，可与聚胺类处理剂中的—NH2以氢键的形式相互作用，增加处理剂与生物柴油之间的作用力，增强体系的稳定性。使用小分子聚胺对提切剂GEL 进行改性制成提切剂UP-GEL，将其与市售的提切剂进行对比，实验结果见表4。可知，除A 外其他提切剂有一定的提切效果，UP-GEL 的效果最好。

表4 不同提切剂对生物柴油包水钻井液流变性的影响

1.3.3 降滤失剂的研制优选

使用有机褐煤制备腐植酸钙，并用聚胺进行改性得到降滤失剂UP-GL，将其与其他几种油基降滤失剂进行了降滤失性能对比，结果见表5。表明，UP-GL 通过定向楔以及氢键与生物柴油作用，增强了配伍性，在生物柴油包水钻井液里具有良好的降滤失效果，优于其他油基降滤失剂。

表5 不同降滤失剂对生物柴油包水钻井液滤失量的影响

1.3.4 生物柴油包水钻井液配方

经过单剂优选及配方优化实验，确定了3 种不同密度的生物柴油钻井液体系。配方如下。

基浆 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#基浆+2%OP-4+3%UP-GL，密度为1.20 g/cm3

2#基浆+2%OP-4+2%UP-GL，密度为1.60 g/cm3

3#基浆+3%OP-4+2%UP-GL，密度为1.80 g/cm3

不同密度钻井液在120 ℃下热滚16 h 后性能见表6。结果表明，该钻井液性能良好。CaO 加量对生物柴油包水钻井液影响比较大，这是由于生物柴油在碱性条件下发生水解所致[6-8]，由于非离子表面活性剂较低的极性以及较高的微黏度，对生物柴油在碱性条件下的水解起到禁阻效果[9-11]，在生物柴油包水钻井液添加非离子表面活性剂NAPG，在120 ℃热滚后体系更加稳定，说明NAPG 可提高钻井液在碱性条件下的稳定性，见表7。

表6 不同密度钻井液基础性能

表7 NAPG 加量对生物柴油基钻井液性能的影响

2 钻井液性能评价

2.1 抗淡水污染能力

向生物柴油基钻井液中加入不同比例的清水，120 ℃下热滚16 h 后测量该体系的流变性能，结果见表8。表明，随着淡水加量的增加，钻井液的黏度上升，失水量增加。这是由于随着油水比的减小，内相体积分数增大，导致油包水乳状液液滴增多，钻井液黏度增大，稳定性下降。由于选取的处理剂与生物柴油包水钻井液配伍性较好，因此使得钻井液可抗15%淡水污染。

表8 1#配方生物柴油基钻井液抗淡水污染性能（120 ℃、16 h）

2.2 抗氧化钙能力

CaO 是为了维护油基钻井液稳定性和防止钻井过程中地下各种酸性物质侵入对钻井液性能影响而必须添加的物质，其加量对生物柴油油包水钻井液体系性能有较大影响。为了满足现场应用，在密度为1.60 g/cm3下，考察了CaO 加量对生物柴油包水钻井液的影响，结果见图3。

图3 CaO 加量对生物柴油包水钻井液的影响

由图3 可知，随着CaO 加量的增加，表观黏度快速增大，破乳电压快速降低，当CaO 加量为3%时，热滚后其表观黏度增大了一倍多，继续增加CaO 加量会导致黏度急剧增加，破乳电压下降，性能不好调控。体系抗CaO 能力在2%，现场加入的石灰量不能太多，否则会造成体系失稳。这是由于CaO 遇水后呈强碱，促使脂肪酸酯水解，产生脂肪酸钙类物质，起到增黏作用。温度越高，这种现象就越明显。

2.3 钻井液生物降解性能评价

对密度为1.20 g/cm3的生物柴油包水钻井液，进行生物降解性能测试（见表9）。可知，生物柴油基钻井液降解性能好，是环境友好型钻井液体系。

表9 生物柴油包水钻井液的生物降解性能测试

3 现场应用

生物柴油包水钻井液在新疆油田玛湖井区进行了应用，应用情况见表10。玛湖A 井与区块邻井复杂情况对比见表11。

表10 生物柴油包水钻井液在玛湖A 井现场应用情况

表11 玛湖A 井与区块邻井复杂情况对比

现场应用结果表明，该体系表现出良好的流变性能。A 井所在平台三开设计工期71 d，平均钻井周期为47.34 d，在试验井段，其三开建井周期为28.5 d，大幅度缩短了建井周期，节约了钻井成本。

4 结论

1.生物柴油性能稳定、毒性低、无荧光性，是良好的酯基钻井液基液，通过优选主乳化剂TCPEM、辅乳化剂TC-GSEM、提切剂UP-GEL、降滤失剂UP-GEL，室内研制出3 种不同密度的生物柴油包水钻井液体系。

2.添加非离子表面活性剂NAPG 可以提高生物柴油包水钻井液体系在碱性条件下的稳定性。

3.研制出的生物柴油包水钻井液具有良好的抑制性和抗淡水污染能力（15%），抗温为120 ℃，抗2%CaO。该钻井液生物降解性能评级为容易，对环境污染较低。