BIO-OIL環(huán)保基液的研制與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

趙景芳， 劉雪婧， 耿 鐵

（中海油田服務(wù)股份有限公司，河北三河 065201）

油基鉆井液具有抗高溫、抗鹽鈣侵蝕、有利于井壁穩(wěn)定、潤(rùn)滑性好、對(duì)油氣層損害小等優(yōu)點(diǎn)，因此，廣泛應(yīng)用于高溫深井、大斜度定向井、水平井等復(fù)雜井和儲(chǔ)層保護(hù)要求非常高的井段[1-5]，但油基鉆井液的成本比水基鉆井液高，且使用時(shí)會(huì)對(duì)井場(chǎng)附近的生態(tài)環(huán)境造成很大影響。隨著環(huán)保要求越來(lái)越高及國(guó)際高端鉆井液技術(shù)服務(wù)市場(chǎng)不斷增大，優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保和實(shí)用性強(qiáng)的油基鉆井液成為近些年的研究熱點(diǎn)[5-12]?；赫加突@井液組成的60%以上，是油基鉆井液達(dá)到環(huán)保要求的關(guān)鍵指標(biāo)。目前業(yè)內(nèi)多采用芳烴含量在20%以上的柴油作為油基鉆井液的基液，而芳烴含量過(guò)高使鉆井液具有很強(qiáng)的毒性，且難以降解，對(duì)環(huán)境污染大。近些年，國(guó)內(nèi)以白油為基液配制油基鉆井液，白油的閃點(diǎn)和燃點(diǎn)等指標(biāo)基本能滿(mǎn)足油基鉆井液基液的要求，但白油的運(yùn)動(dòng)黏度相對(duì)較高，對(duì)鉆井過(guò)程中保持鉆井液流變性有一定影響，且具有一定的生物毒性[13-14]。目前，開(kāi)始采用由H2和CO合成的氣制油代替普通柴油，環(huán)保性能得到大幅提高[15-18]，但合成氣制油的過(guò)程較為復(fù)雜，并且需要分離，成本較高，因此有必要研制一種符合環(huán)保要求的基液，以代替白油、柴油。為此，筆者利用煤制油技術(shù)合成基礎(chǔ)油，選取一定餾程的餾分，在催化劑作用下脫硫、脫芳，研制了環(huán)保基液BIO-OIL。該基液黏度低，閃點(diǎn)及燃點(diǎn)滿(mǎn)足合成基鉆井液基液的要求，生物毒性符合排放要求。用BIO-OIL基液配制的合成基鉆井液表觀黏度低，性能穩(wěn)定，破乳電壓高，高溫高壓濾失量低，攜巖能力較好，能滿(mǎn)足深水鉆井要求。

1 BIO-OIL環(huán)?；旱难兄?/h2>

利用煤制油技術(shù)，選取符合油基鉆井液基本要求的某一餾程范圍內(nèi)的原料油，在多重催化劑的作用下進(jìn)行脫硫、脫芳處理，將有機(jī)硫化物轉(zhuǎn)化為H2S，將芳香烴通過(guò)加氫技術(shù)轉(zhuǎn)化為環(huán)烷烴，降低原料油中的硫含量和芳香烴含量，最終得到符合環(huán)保要求的BIO-OIL基液。采用氣相色譜法對(duì)比分析了BIO-OIL基液與3#白油中不同碳原子數(shù)正構(gòu)烷烴的分布，結(jié)果如圖1所示。從圖1可以看出，與3#白油相比，BIO-OIL基液中正構(gòu)烷烴碳原子主要分布在12～15，碳鏈較短，碳原子數(shù)分布范圍窄，較短的碳鏈和較窄的碳原子數(shù)分布可使BIO-OIL基液的黏度較低，且黏度受溫度影響小[19]?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)既有利于提高機(jī)械鉆速，又能保證鉆井液黏度在低溫下不會(huì)升得太高，可降低溫度對(duì)鉆井液黏度的影響。

圖1 不同基液中不同碳原子數(shù)正構(gòu)烷烴的分布Fig.1 Distribution of n-alkanes with different carbon numbers in the base fluid

2 BIO-OIL環(huán)?；盒阅茉u(píng)價(jià)

2.1 基本理化性能

測(cè)試了BIO-OIL環(huán)?；骸?#白油和0#柴油的基本理化性能，結(jié)果見(jiàn)表1。環(huán)保油基鉆井液要求基液中芳烴的含量不大于0.5 mg/kg，由表1可知，只有BIO-OIL基液中芳烴的含量滿(mǎn)足該要求?；旱酿ざ鹊陀欣诮档豌@井液高密度下的黏度，而B(niǎo)IO-OIL 基液40 ℃下的運(yùn)動(dòng)黏度最低（見(jiàn)表1）。BIO-OIL基液的閃點(diǎn)高達(dá)134 ℃，不但能保證運(yùn)輸、存儲(chǔ)、現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)的安全，而且揮發(fā)損失少，對(duì)井場(chǎng)周?chē)h(huán)境的污染小。在晝夜溫差大的區(qū)域，要求基液在低溫環(huán)境下不能凝固，而B(niǎo)IO-OIL基液的傾點(diǎn)為-30 ℃，說(shuō)明其低溫流動(dòng)性好。由以上分析可知，BIO-OIL基液的基本理化性能能夠滿(mǎn)足油基鉆井液基液的要求。

表1 幾種基液的理化性能Table 1 Physical and chemical properties of several base fluids

2.2 黏溫特性

油基鉆井液普遍存在流變性調(diào)控難的問(wèn)題，主要體現(xiàn)在流變性受溫度影響明顯，低溫時(shí)黏度過(guò)高，高溫時(shí)鉆井液黏度太低。深水鉆井中，鉆井液要經(jīng)過(guò)海水段，尤其泥線(xiàn)附近的溫度較低，這就要求鉆井液的黏度受溫度的影響越小越好。因此，在一定溫度范圍內(nèi)，黏度受溫度影響小的基液才符合深水合成基鉆井液的需求。為了考察BIO-OIL基液在深水鉆井中應(yīng)用的可行性，測(cè)試了其與3#白油在不同溫度下的運(yùn)動(dòng)黏度，結(jié)果見(jiàn)圖2。從圖2可以看出，溫度由-10 ℃升至70 ℃時(shí)，BIO-OIL基液的運(yùn)動(dòng)黏度從10.520 mm2/s降至1.453 mm2/s，而3#白油的運(yùn)動(dòng)黏度從24.4 mm2/s降至2.8 mm2/s，可以看出，BIO-OIL基液的運(yùn)動(dòng)黏度受溫度的影響比3#白油小，這可能是因?yàn)锽IO-OIL基液的碳原子數(shù)分布較窄。BIO-OIL基液的運(yùn)動(dòng)黏度低，且受溫度的影響較小，滿(mǎn)足合成基鉆井液“恒流變”的要求。

圖2 不同基液在不同溫度下的運(yùn)動(dòng)黏度Fig.2 Kinematic viscosities of different base fluids at different temperatures

2.3 生物毒性

為了評(píng)價(jià)BIO-OIL基液的環(huán)保性能，依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《海洋石油勘探開(kāi)發(fā)污染物生物毒性：第2部分：檢驗(yàn)方法》（GB/T 18420.2—2009），檢測(cè)了BIO-OIL基液的生物毒性，以孵化20～24 h的鹵蟲(chóng)幼體為受試生物，其在96 h內(nèi)的半數(shù)致死濃度（LC50）值為66.43×104mg/L。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《海洋石油勘探開(kāi)發(fā)污染物生物毒性：第1部分：分級(jí)：1》（GB 18420.1—2009 ）中規(guī)定，一級(jí)海域的生物毒性容許值大于15 000 mg/L，二級(jí)海域生物毒性容許值大于10 000 mg/L?？梢?jiàn)，BIO-OIL基液的LC50值符合一級(jí)海區(qū)和二級(jí)海區(qū)的生物毒性容許值范圍。

2.4 乳液微觀流變性

一般采用六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)評(píng)價(jià)鉆井液的流變參數(shù)，但是鉆井液黏度較低時(shí)誤差較大，且不能評(píng)價(jià)鉆井液結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的變化及不同轉(zhuǎn)速下流變性的變化規(guī)律[20]，即微觀流變性。為了更準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)BIO-OIL基液鉆井液的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和流變性，采用高級(jí)智能流變儀評(píng)價(jià)BIO-OIL基液乳液和3#白油乳液的微觀流變性，即BIO-OIL乳液與3#白油乳液在不同轉(zhuǎn)速下的流變性及微觀結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的變化，結(jié)果見(jiàn)圖3。測(cè)試溫度為65 ℃，剪切速率為0.1～1 000.0 s-1。利用振蕩模式評(píng)價(jià)BIO-OIL基液和3#白油對(duì)乳液黏彈性的影響，利用動(dòng)態(tài)應(yīng)力掃描確定每個(gè)樣品的線(xiàn)性黏彈區(qū)，并于線(xiàn)性黏彈區(qū)內(nèi)進(jìn)行動(dòng)態(tài)頻率掃描（頻率掃描范圍0.1～100.0 rad/s），結(jié)果見(jiàn)圖4。BIO-OIL基液乳液的配方為BIO-OIL基液+1.2%PF-MOEMUL（低溫主乳化劑）+1.0%PF-MOCOAT（低溫輔乳化劑）+2.5%PF-MOALK（堿度調(diào)節(jié)劑）+2.5%PF-MOGEL（低溫增黏劑）+26.0%CaCl2溶液（油水比4∶1）。3#白油乳液的配方為3#白油+1.2%PF-MOEMUL（低溫主乳化劑）+1.0%PF-MOCOAT（低溫輔乳化劑）+2.5%PF-MOALK（堿度調(diào)節(jié)劑）+2.5%PF-MOGEL（低溫增黏劑）+26.0%CaCl2溶液（油水比4∶1）。

圖3 不同基液乳液黏度曲線(xiàn)Fig.3 Emulsion viscosity curves of different base fluids

圖4 不同基液乳液頻率掃描曲線(xiàn)Fig.4 Emulsion frequency scanning curves for different base fluids

由圖3可知，BIO-OIL基液乳液與3#白油乳液的微觀流變性相似，黏度相近，符合Herschel-Bukley模型條件，根據(jù)Herschel-Bukley模型擬合出BIOOIL基液乳液的屈服值為0.8 Pa，3#白油乳液的屈服值為1.0 Pa，3#白油乳液的屈服值較高可能與其黏度稍高有關(guān)。這說(shuō)明用BIO-OIL基液能配制出具有一定結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的乳液。從圖4可以看出，BIO-OIL基液乳液和3#白油乳液的彈性模量（G′）大于黏性模量（G″），而且隨著頻率增大，兩者呈現(xiàn)平行曲線(xiàn)的趨勢(shì)，說(shuō)明乳液形成了三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。雖然BIOOIL基液乳液的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較3#白油乳液結(jié)構(gòu)強(qiáng)度弱，但是也能證明BIO-OIL基液乳液同3#白油乳液一樣表現(xiàn)出類(lèi)固體形態(tài)，具有凝膠結(jié)構(gòu)，綜合說(shuō)明BIO-OIL基液可以作為油基鉆井液的基液。

3 BIO-OIL合成基鉆井液性能評(píng)價(jià)

3.1 深水合成基鉆井液

鉆井液性能不僅和基液有關(guān)，還和其他處理劑有密切關(guān)系，不僅要評(píng)價(jià)BIO-OIL基液的應(yīng)用性能，還要評(píng)價(jià)鉆井液的性能。用BIO-OIL基液配制密度1.2 kg/L的深水合成基鉆井液，測(cè)試其在120，150和180 ℃老化后的性能，結(jié)果見(jiàn)表2。深水合成基鉆井液的配方為：BIO-OIL基液+1.2% PF-MOEMUL低溫主乳化劑+1.0% PF-MOCOAT低溫輔乳化劑+1.5% PF-MOWET低溫乳化潤(rùn)濕劑+PF-MOALK堿度調(diào)節(jié)劑+2.5%PF-MOGEL低溫增黏劑+26.0%CaCl2溶液+3.0% PF-MOHFR降濾失劑+重晶石（油水比4∶1）。

表2 深水合成基鉆井液的性能Table 2 Performance of synthetic based deep water drilling fluid

從表2可以看出：用BIO-OIL為基液配制的深水合成基鉆井液在120～180 ℃溫度下老化后具有較好的流變穩(wěn)定性，破乳電壓和高溫高壓濾失量能滿(mǎn)足深水鉆井需求；在不同溫度老化后其動(dòng)切力基本保持不變，說(shuō)明其具有較好的攜巖能力，并可以避免動(dòng)切力變化對(duì)循環(huán)當(dāng)量密度的影響；隨著老化溫度升高，終切力呈下降趨勢(shì)，但經(jīng)相同溫度老化后在4和65 ℃下的終切力變化不大，說(shuō)明其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較為穩(wěn)定。綜合來(lái)說(shuō)，用BIO-OIL基液配制的深水合成基鉆井液能滿(mǎn)足深水鉆井需求。

3.2 高溫高壓合成基鉆井液性能評(píng)價(jià)

以現(xiàn)有的高溫處理劑PF-MOEMUL（主乳化劑）、PF-MOCOAT（輔乳化劑）、PF-MOWET（乳化潤(rùn)濕劑）、有機(jī)土PF-GEL（增黏劑）、PF-HFR（降濾失劑）為主劑，用BIO-OIL基液配制了抗高溫高壓合成基鉆井液，其配方為BIO-OIL基液+2.0%PFMOEMUL+1.0%PF-MOCOAT+0.3%PF-MOWET+26.0%CaCl2+2.0%PF-GEL+3.0%PF-HFR+重晶石（油水比9∶1），密度為2.00 kg/L。

3.2.1 基本性能

測(cè)試抗高溫高壓合成基鉆井液分別在溫度180，200和220 ℃溫度下老化16 h的流變性、破乳電壓和高溫高壓濾失量（176 ℃×3.5 MPa），結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 高溫高壓合成基基鉆井液性能Table 3 Performance of HTHP synthetic based drilling fluid

從表3可以看出，用BIO-OIL基液配制的抗高溫高壓合成基鉆井液耐溫性良好，220 ℃溫度下老化16 h后仍有較好的流變性，且破乳電壓高，高溫高壓濾失量低，能滿(mǎn)足高溫高壓井鉆井要求，說(shuō)明BIO-OIL基液可以做為抗高溫高壓合成基鉆井液的基液。

3.2.2 封堵性能

高溫高壓井鉆進(jìn)過(guò)程中，易發(fā)生井壁坍塌、井漏等井下復(fù)雜情況，這些復(fù)雜情況會(huì)導(dǎo)致起下鉆遇阻、卡鉆，嚴(yán)重時(shí)甚至造成井眼報(bào)廢。因此，抗高溫高壓合成基鉆井液要對(duì)微裂縫具有良好的封堵能力。利用滲透性封堵儀評(píng)價(jià)了用BIO-OIL基液配制的抗高溫高壓合成基鉆井液及其加入封堵劑后的封堵性能，結(jié)果見(jiàn)圖5。評(píng)價(jià)試驗(yàn)條件壓差14 MPa，溫度200 ℃，5 μm砂盤(pán)。

從圖5可以看出：用BIO-OIL基液配制的抗高溫高壓合成基鉆井液的濾失量約為15.2 mL，加入2.0%封堵劑后，濾失量由15.2 mL降至4.8 mL；隨著濾失時(shí)間增長(zhǎng)，該合成基鉆井液的濾失量呈現(xiàn)線(xiàn)性升高，加入2.0%封堵劑后，其濾失量顯著降低，且隨著濾失時(shí)間增長(zhǎng)不呈現(xiàn)線(xiàn)性升高趨勢(shì)。性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)結(jié)果表明，用BIO-OIL基液配制的抗高溫高壓合成基鉆井液加入封堵劑可有效降低滲透性濾失量。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

圖5 BIO-OIL抗高溫高壓合成基鉆井液封堵性試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Permeability sealing test results of BIO-OIL based HTHP synthetic based drilling fluid

用BIO-OIL基液配制的合成基鉆井液（簡(jiǎn)稱(chēng)BIO-OIL合成基鉆井液）在中國(guó)南海西部油田某區(qū)塊3口井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。結(jié)果表明，試驗(yàn)井段鉆井施工順利，鉆井液流變性能穩(wěn)定，攜砂能力強(qiáng)，井眼清潔。與使用其他鉆井液的鄰井相比，3口試驗(yàn)井的井眼更穩(wěn)定，鉆井周期短，未發(fā)生井下故障。下面以A5井為例介紹現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況。

A5井在1 813.00～3 480.00 m井段試驗(yàn)應(yīng)用了BIO-OIL合成基鉆井液，穩(wěn)斜鉆至井深3 100.00 m，再降斜至21.00°鉆至中完井深，井底井斜角21.21°，方位角51.01°。地層承壓試驗(yàn)后替入BIO-OIL合成基鉆井液，返出海水流經(jīng)高架槽、分流槽，通過(guò)旁通閥流至V形槽排至海中。BIO-OIL合成基鉆井液返出后，停泵清理分流槽中的混漿，然后關(guān)閉旁通閥，建立閉路循環(huán)。建立循環(huán)后向循環(huán)池加入主輔乳化劑、石灰及氯化鈣，以提高鉆井液的穩(wěn)定性。加入封堵劑PF-MOLSF和PF-EZCARB增強(qiáng)鉆井液的封堵性能，加入降濾失劑PF-MOHFR降低鉆井液的濾失量。

鉆進(jìn)期間持續(xù)補(bǔ)充BIO-OIL合成基鉆井液，以彌補(bǔ)消耗量，同時(shí)緩慢提高鉆井液的密度。隨著井深增加，溫度升高，鉆井液六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)600 r/min讀數(shù)增大，其黏度有升高的趨勢(shì)，補(bǔ)充BIO-OIL基液，以控制鉆井液的流變性，同時(shí)補(bǔ)充乳化劑和封堵材料。鉆至珠江組2段，逐漸將鉆井液密度提高至1.25 kg/L。鉆至井深3 480.00 m，循環(huán)鉆井液清潔井眼。井眼清潔后，進(jìn)行短起下鉆，循環(huán)并將鉆井液密度提高至1.27 kg/L，同時(shí)加入封堵劑PF-MOLSF和PF-MOHFR，以增強(qiáng)鉆井液的封堵性能，進(jìn)一步降低濾失量。循環(huán)至返出后不再有鉆屑，起鉆。表4為A5井各時(shí)段BIO-OIL合成基鉆井液的性能。從表4可以看出，該鉆井液流變性能穩(wěn)定，易維護(hù)。

表4 A5井現(xiàn)場(chǎng)鉆井液性能Table 4 Performance of drilling fluid in Well A5

5 結(jié) 論

1）為滿(mǎn)足環(huán)保要求，開(kāi)發(fā)了BIO-OIL環(huán)保基液，生物毒性滿(mǎn)足國(guó)家一級(jí)海域排放要求，開(kāi)口閃點(diǎn)134 ℃，傾點(diǎn)-30 ℃，碳原子數(shù)量分布窄，鉆井液黏度隨溫度變化的幅度較小，能滿(mǎn)足低溫環(huán)境及海洋深水鉆井中對(duì)基液的要求。

2）以BIO-OIL基液配制了合成基鉆井液及抗高溫高壓合成基鉆井液，2種鉆井液的黏度適中，破乳電壓較高，高溫高壓濾失量低，攜巖能力好，說(shuō)明BIO-OIL基液可以作為深水合成基鉆井液的基液。

3）3口井的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，以BIO-OIL基液配制的合成基鉆井液流變性能穩(wěn)定，攜巖能力強(qiáng)，井眼清潔效果好，試驗(yàn)井起下鉆順暢，未出現(xiàn)井下故障，說(shuō)明BIO-OIL環(huán)?；杭坝闷渑渲频暮铣苫@井液具有現(xiàn)場(chǎng)推廣應(yīng)用價(jià)值。