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油基钻井液
一、油基钻井液发展概述
1、定义及类型
? 油基钻井液是指以油作为连续相的钻井液。
? 两种油基钻井液——全油基钻井液和油包水乳化钻井液。在全油基钻井
液中，水是无用的组分，其含水量不应超过10%；而在油包水钻井液中，水作为必要组分均匀地分散在柴油中，其含水量一般为10~60%。
2、油基钻井液的优缺点
? 与水基钻井液相比较，油基钻井液具有能抗高温、抗盐钙侵、有利于井
壁稳定、润滑性好和对油气层损害程度较小等多种优点。
? 目前已成为钻高难度的高温深井、大斜度定向井、水平井和各种复杂地
层的重要手段，并且还可广泛地用作解卡液、射孔完井液、修井液和取心液等。
? 油基钻井液的配制成本比水基钻井液高得多，使用时往往会对井场附近
的生态环境造成严重影响。
? 为了提高钻速，从20世纪70年代中期开始，较广泛地使用了低胶质油
包水乳化钻井液。
? 为保护环境，适应海洋钻探的需要，从80年代初开始，又逐步推广使用
了以矿物油作为基油的低毒油包水乳化钻井液。
3、油基钻井液的发展阶段
类型 原油作为钻井液 全油基钻井液 油包水乳化钻井液 低胶质油包水乳化组分 开始使用时间 1920年前后 特点 有利于防塌、防卡和保护油气层，但流变性不易控制，易着火，使用范围仅限于100℃以内浅井 具有油基钻井液的各种优点，可抗200~250℃高温，但配制成本高，较易 着火，钻速较低 通过水相活度控制有利于井壁稳定，与全油基钻井液相比不易着火，配制成本有所降低，抗温可达200~230℃ 可明显提高钻速，降低钻井总成本。但由于放宽滤失量，对某些松散易塌地层原油 柴油、沥青、乳化剂及少量水(10%以内) 柴油、乳化剂、润湿剂、亲油胶体、乳化水(10~60%) 柴油、乳化剂、润湿剂、少量亲油胶体、乳化水1939年 1950年前后 1975年 钻井液 低毒油包水乳化钻井液 (15%左右) 矿物油、乳化剂、润湿剂、亲油胶体、乳化水1980年 (10~60%) 不适合，对储层的损害较大 具有油基钻井液的各种优点，同时可有效地防止对环境的污染，特别适用于 海洋钻井 二、油基钻井液的组成
1、基油(BaseOil) 油包水乳化钻井液是以水滴为分散相，油为连续相，并添加适量的乳化剂、润湿剂、亲油胶体和加重剂等所形成的稳定的乳状液体系。
? 在油包水乳化钻井液中用作连续相的油称为基油，目前普遍使用的基油为柴油(我国常使用零号柴油)和各种低毒矿物油。 ? 为确保安全，其闪点和燃点应分别在82℃和93℃以上。
? 由于柴油中所含的芳烃对钻井设备的橡胶部件有较强的腐蚀作用，因此芳烃含量不宜过高，一般要求柴油的苯胺点在60℃以上。苯胺点是指等体积的油和苯胺相互溶解时的最低温度。苯胺点越高，表明油中烷烃含量越高，芳烃含量越低。
? 为了有利于对流变性的控制和调整，其粘度不宜过高。
各种基油的物理性质
性质 外观 密度(kg/m) 闪点(℃) 苯胺点(℃) 倾点(℃) 终沸点(℃) 芳烃含量 (wt%) 粘度(mPa.s) (40℃测定) 3Mentor26 无色液体 838 93 71 26 306 16.4 Mentor28 无色液体 845 120 79 15 321 19.0 Escaid110 无色液体 790 79 76 54 242 0.9 LVT 无色液体 800 71 66 73 262 10~13 BP8313 无色液体 785 72 78 40 255 2.0 2号柴油 棕黄色液体 840 82 59 45 329 30~50 2.7 4.2 1.6 1.8 1.7 >1，000，000 2.7 LC50值 >1，000，>1，000，000 >1，000，000 >1，000，000 (ppmWSF) 000 80，000 注：Mentor26、Mentor28、Escaid110、LVT和BP8313均为常用矿物油的代号。 2、水相(WaterPhase)： ? 淡水、盐水或海水均可用作油基钻井液的水相。但通常使用含一定量CaCl2
或NaCl的盐水，其主要目的在于控制水相的活度，以防止或减弱泥页岩地层的水化膨胀，保证井壁稳定。
? 油包水乳化钻井液的水相含量通常用油水比来表示。一般情况下，水相含量为15~40%，最高可达60%，且不低于10%。
? 在一定的含水量范围内，随着水所占比例的增加，油基钻井液的粘度、切力逐渐增大。因此，人们常用它作为调控油基钻井液流变参数的一种方法，同时增大含水量可减少基油用量，降低配制成本。
? 但是，随着含水量增大，维持油基钻井液乳化稳定性的难度也随之增加，必须添加更多的乳化剂才能使其保持稳定。对于高密度油基钻井液，水相含量应尽可能小些。
? 在实际钻井过程中，一部分地层水会不可避免地进入钻井液，即油水比呈自然下降趋势，因此为了保持钻井液性能稳定，必要时应适当补充基油的量。
? 对于全油基钻井液，水是应加以清除的污染物，但一般3~5%的水是可以容纳的，不必一定要清除，因为靠增加基油来减少水量会使钻井液成本显著增加。 3、乳化剂(Emulsifier) 为了形成稳定的油包水乳化钻井液，必须正确地选择和使用乳化剂。一般认为乳化剂的作用机理是：
? 在油/水界面形成具有一定强度的吸附膜； ? 降低油水界面张力； ? 增加外相粘度；
以上三方面均可阻止分散相液滴聚并变大，从而使乳状液保持稳定。其中又以吸附膜的强度最为重要，被认为是乳状液能否保持稳定的决定性因素。
在油包水乳化钻井液中，常用的乳化剂有以下类型： ? 高级脂肪酸的二价金属皂，如硬脂酸钙； ? 烷基磺酸钙； ? 烷基苯磺酸钙；
? 斯盘-80(或span-80)，主要成分为山梨糖醇酐单油酸脂；
? 此外，国内用于油包水乳化钻井液的乳化剂还有：环烷酸钙、石油磺酸铁、油酸、环烷酸酰胺和腐植酸酰胺等。国外在该类钻井液中使用的乳化剂多用代号表示，如Oilfaze、Vertoil、EZ-Mul、DFL和Invermul等都是常用的乳化剂。
值得注意的是，在以上乳化剂中，属于阴离子表面活性剂的都是有机酸的多价金属盐(钙盐、镁盐和铁盐等，以钙盐居多)，而不选择单价的钠盐或钾盐。
由于皂分子具有两亲结构，即烃链是亲油的，而离子型基团―COOˉ是亲水的，因此当皂类存在于油、水混合物中时，其分子会在油水界面自动浓集并定向排列，将其亲水端伸入水中，亲油端伸入油中，从而导致界面张力显著降低，有利于乳状液的形成。 ? 楔形稳定理论
一元金属皂的分子中只有一个烃链，这类分子在油水界面上的定向排列趋向于形成一个凹形油面，因而有利于形成o/w型乳状液；而二元金属皂的分子中含有两个烃链，它们在界面上的排列趋向于形成一个凸形油面，有利于形成w/o型乳状液。这种由乳化剂分子的空间构型决定乳状液类型的原理在胶体化学中被称作定向楔形理论。其含义是，将乳化剂分子比喻成两头大小不同的楔子，如果要求它们排列紧密和稳定，那末截面小的一头总是指向分散相，截面大的一头则留在分散介质。
4、润湿剂
? 大多数天然矿物是亲水的。当重晶石粉和钻屑等亲水的固体颗粒进入w/o型钻井液时，它们趋向于与水聚集，引起高粘度和沉降，从而破坏乳状液