合成基鉆井液技術研究與應用進展

李秀靈，沈麗，陳文俊

(勝利石油管理局鉆井工程技術公司，山東東營257064)

合成基鉆井液技術研究與應用進展

李秀靈，沈麗，陳文俊

(勝利石油管理局鉆井工程技術公司，山東東營257064)

合成基鉆井液同時具有油基鉆井液和水基鉆井液的良好性能，可用于海洋鉆井。無毒、能生物降解、對環境無污染，鉆井污水、鉆屑和廢棄鉆井液可向海洋排放;潤滑性能良好，濾液親油，不會對地層產生水敏作用，有利于保護油氣層和井壁穩定。在現場應用過程中攜砂能力強，潤滑性好，且具有良好的儲層保護效果，解決了油基鉆井液污染環境、影響測井和試井資料的問題。結合國內外研究及現場應用情況對合成基鉆井液的優缺點及發展前景進行了分析。

合成基鉆井液;海洋鉆井;環境保護

隨著石油鉆探技術的發展和環保法律法規的健全完善，水基鉆井液逐漸不能滿足井下復雜情況的需求，油基鉆井液因存在污染問題，不能很好地滿足環保規定，應用和推廣使用上受到了限制。合成基鉆井液作為一種具有環保特性的新型鉆井液體系，它既保留了油基鉆井液的性能特點，又解決了油基鉆井液與環境保護之間的矛盾，因此成為海上復雜地層和其它陸地環境敏感區域鉆井過程中必不可少的鉆井液體系。現場應用表明，合成基鉆井液攜砂能力強，潤滑性好，且具有良好的頁巖抑制效果，解決了油基鉆井液污染環境、影響測井和試井資料的問題。文章對合成基鉆井液體系的組成、特點、種類、國內外研究應用現狀及最新進展情況進行了分析，對合成基鉆井液體系研究及應用過程中存在的問題、研究對策及發展趨勢進行了探討。

1 合成基鉆井液體系的組成及特點

1.1 合成基鉆井液的組成

合成基鉆井液體系的組成和油基鉆井液類似，它既可與有機土配合使用，又可與水或高濃度鹽水配成乳化體系。合成基鉆井液一般由人工合成或改性有機物連續液相(酯類、醚類、聚α-烯烴類、線性石蠟、線性α-烯烴和異構烯烴等)、分散液相(CaCl2飽和鹽水)、分散固相(有機土)，加入乳化劑、降濾失劑、穩定劑、流型改進劑和加重劑等組成，是一種非水溶性合成油基鉆井液，具有油基鉆井液的作業性能。

1.2 合成基鉆井液的主要特點

合成基鉆井液為油包水型乳化液，它既保留了油基鉆井液的性能特點，又符合環境保護的要求，對提高鉆速也有好處，是近年來國外發展較快的一類鉆井液。與常規水基鉆井液和油基鉆井液相比，主要具有以下特點:

1)流變性和熱穩定性好。在正常環境下，合成基液的黏度是低毒礦物油黏度的2～4倍，但其黏度受溫度影響較大，如24℃時，酯的黏度為80 mPa·s，醚的黏度為70 mPa·s;溫度達150℃時，黏度均不足30 mPa·s，而低毒礦物油的黏度則受溫度影響很小，在相同溫度下，其黏度在20～25 mPa·s之間，合成基液低溫黏度較高的問題，可通過加入乳化劑和流型調節劑來控制［1］。合成基鉆井液具有很強的抗高溫能力，室內試驗證明，在218.3℃的溫度下熱滾動16 h不會發生熱降解，若選用抗高溫的乳化劑和流變性調節劑，合成基鉆井液可用于200℃以上的高溫高壓深井條件［2］。

2)抑制性和抗污染能力強。由于合成基鉆井液濾液中不含水相，因此具有同油基鉆井液一樣的黏土抑制能力，能降低井壁失穩的可能性。同時，由于合成基鉆井液中各組分能有效抑制鉆屑的水化分散，使鉆井液體系具有較強的抗污染能力。

3)潤滑性好［3］。合成基鉆井液的基液一般是強極性物質，可作為優良的界面潤滑劑，其潤滑作用完全能夠達到鉆井要求。例如，酯是強極化物質，可作為優良的界面潤滑劑，第二代合成基液的潤滑性能更適用于常規鉆井。

4)環境兼容能力強。對環境污染小是合成基鉆井液的最大優勢，主要表現在毒性小、可生物降解，符合環保要求。合成基鉆井液蒸汽中所含的餾分基本不含芳香化合物，對哺乳動物基本無毒，現場使用后均能達到排放要求。大量的實驗研究和現場檢測結果表明，合成基鉆井液能達到由美國、英國和荷蘭等國共同簽署的毒性試行條例要求，而油基鉆井液和含油及鎘、汞的水基鉆井液無法達到該排放標準。

5)綜合使用成本低。由于合成基液屬于精細化工產品，市場價格較柴油和低毒礦物油高，因此鉆井液單項成本比油基鉆井液更加高昂，但由于提高了鉆速、井眼穩定性，節約了用油基鉆井液處理鉆屑和環境污染的費用，也消除了因使用水基鉆井液達不到鉆井要求而損失的鉆井時間，并能多次使用，因此使用合成基鉆井液的綜合鉆井成本比油基鉆井液甚至比水基鉆井液低。在1992年所做的調查中，墨西哥灣8口井的鉆井總成本對比分析表明，使用水基鉆井液約為每口井11.5×106美元，使用PAO鉆井液約為每口井5.5×106美元，隨后發展起來的第二代合成基鉆井液使用成本更加低廉［4］。以美國休斯公司為例，它每年在東南亞對α-烯烴的需求量達2 000 t之多。在墨西哥灣，α-烯烴鉆井液替代了大部分水基鉆井液，并被證明是有效地提高了鉆井效能。休斯敦M-I鉆井液公司研制的Novaplusα-烯烴鉆井液與水基鉆井液相比，鉆井總成本降低50%。

2 合成基鉆井液體系的種類及研究現狀

合成基鉆井液的發展隨著合成基液的發展而發展，因為合成基液是配制合成基鉆井液的基礎材料。目前，國外已經研制成功并投入使用的合成基鉆井液體系有8種，經歷了從第一代合成基鉆井液到現在第二代合成基鉆井液的發展過程。

2.1 第一代合成基鉆井液

1)酯基鉆井液其基液是由有機植物脂肪酸在水存在的條件下與醇反應并以酸為催化劑制得，是最早研制成功并投入使用的合成基鉆井液。由于酯基鉆井液不含任何有毒性的芳香烴物質，且易于生物降解，因此其環保性能特別優良，但是因為其基液的熱穩定性差，導致該鉆井液的抗溫能力有限。此外，酯分子中活潑的羧基容易遭受堿性或酸性物質的破壞，結果生成相應的醇和羧酸，因此在鉆井過程中，由于酸性氣體的侵入，酯會水解，從而影響其穩定性。

2)醚基鉆井液它的基液是通過醇的縮合和氧化作用制得，是R1-O-R2型化合物的總稱，與酯基有類似的物理性質，不含任何芳香烴物質。使用變體二乙醚基鉆井液比使用單醚基鉆井液更容易產生微生物降解，環保性能更好。

3)聚α-烯烴鉆井液該鉆井液的基液由乙烯聚合制得，乙烯在l～3 MPa的壓力和小于20℃溫度條件下(用適當的催化劑)，通過聚合可生成C1～CN的聚α-烯烴。其聚合程度較高，在分子鏈末端保留有雙鍵，因此易產生微生物降解。基液中不含芳香烴和環烴化合物，無毒而且易于生物降解。

4)縮醛基鉆井液它的基液通過醛類縮合制得，除運動黏度和閃點低于酯、醚基液外，其它物理性質類似，由于其相對成本較高，實際使用較少。

2.2 第二代合成基鉆井液

1)線型α-烯烴鉆井液線型α-烯烴(Linear Alpha Olefin，縮寫為LAO)鉆井液是目前廣泛使用的一種合成基鉆井液，除具有合成基鉆井液的優點外，還具有基液黏度低、傾點低、在鉆屑上殘留少、單位成本低的優勢，已在墨西哥灣等地區廣泛使用。

2)內烯烴基鉆井液內烯烴(Internal Olefin，縮寫為IO)和線型α-烯烴在化學性質和結構上都非常相似，與PAO為同一系列產物，均由烯烴合成。IO和LAO較PAO有相對低的運動黏度，成本也較低，但毒性較大。線型α-烯烴可由純烯烴制得，再蒸餾分離特殊的餾分，也可由精煉和純化過程生成。

3)線性烷基苯鉆井液其基液的化學性質與甲苯類似，但有長鏈烷基與苯環連接。基液具有運動黏度低的特點，成本較低。因含有芳香烴等毒性物質和含有少量的螢光類物質，對后繼測井、試井有一定的影響，故實際中使用較少。

4)線型石蠟基鉆井液線性石蠟(Linear Paraffin，縮寫為LP)鉆井液作為第二代合成基鉆井液的代表，除了不含雙鍵外，線性石蠟與LAO和IO有類似的化學性質。這種合成基液既可通過單純的合成路線制得，也可通過加氫裂化和利用分子篩方法的多級煉油加工過程制得。它成本相對較低，性能穩定，降解速率適中，但毒性比酯基、聚α-烯烴較高，比線性烷基苯、低毒礦物油要低，適用于高溫深井復雜地層鉆井，以及海上對鉆井液環保性能要求較高的鉆井條件，且線性石蠟基鉆井液體系的加重性能良好，體系抑制性、潤滑性能和儲層保護性能均優于柴油基鉆井液。

3 合成基鉆井液現場應用情況

3.1 國外的應用情況

目前世界許多大石油公司均有自己的合成基鉆井液，如Baroid公司的Petrofree體系、Dowell公司的Quad Drill體系、Mipark公司的Bio-drill體系、M-I公司的Novadrill體系。在全世界范圍內，使用合成基鉆井液的井已達500多口，使用的地區包括墨西哥灣、北海、遠東、歐洲大陸、南美等地區和澳大利亞、墨西哥及俄羅斯等國家，其中墨西哥灣和北海地區占使用合成基體系總數的90%以上。酯基鉆井液最早由Statoil公司在北海、挪威區域的Statfijord氣田使用，先后鉆了10口井，均獲得了較好的使用效果，10口井均為定向井，井斜大于80°的有6口井，其中一口井水平位移達到7 290 m，80°以上的斜井段長5 470 m，生物降解測試結果表明，在有氧的條件下，35 d后有82.5%被細菌降解，而礦物油在同樣條件下只有3.9%被降解［5］。尼日利亞邊際油田地層復雜，S5井使用的5%KCl聚合物鉆井液無法抑制造漿性極強的軟泥巖地層水化膨脹，鉆井過程中多次出現縮徑阻卡、井眼坍塌、卡鉆等復雜情況。在隨后的S6井鉆井施工中，使用合成基鉆井液效果良好，保證了復雜井段的井下安全，提高了鉆井速度，鉆井周期由128 d下降到36 d［6］。

3.2 國內應用情況

目前，國內在合成基鉆井液體系的研究尚處于室內研究階段，張琰等人對酯基鉆井液、線性石蠟基鉆井液［7］以及孫金聲等對線性α-烯烴鉆井液技術進行了研究［8］，均取得了一定的進展，但是技術并不成熟。合成基鉆井液在現場應用則更少，有資料報道［9］，中海油田服務股份有限公司2002年在渤海SZ36-1油田3口分支井的鉆井施工中，成功地應用了長江大學研究的HEMZ酯基鉆井液，CF1井在使用過程中，鉆井液性能穩定，井眼清潔、井壁穩定，摩阻小，無任何井下復雜事故，篩管也是一次性下到位。但在渤海SZ36-1油田應用之后，再無相關現場成功應用的報道。后來在我國南海西部鶯瓊盆地YC21-1-4高溫高壓井中，雖然使用了合成基鉆井液，但鉆井由Chevron完成，使用的是Dowell公司的合成基鉆井液技術［10］，說明國內在合成基鉆井液的現場應用方面與國外相比還有較大差距。

4 發展趨勢及應用前景展望

合成基鉆井液作為油基鉆井液的替代物，具有顯著的優良特性，是比較理想的環保型鉆井液，在環境敏感地區替代水基和油基體系，能夠取得明顯的經濟效益和社會效益。最主要的優點是大大減少了對環境的污染，尤其是在人們對環境保護要求大大提高的今天，不污染或極小污染環境的鉆井液發展和應用，將非常受歡迎，發展前景十分廣闊。但是隨著合成基鉆井液在海上油田的廣泛使用，也出現了一些新的問題，合成基鉆井液普遍存在流變性調控方面的問題，包括井眼凈化、重晶石沉降、高循環壓耗，原因主要是溫度對流變性影響明顯，低溫時鉆井液黏度過高，高溫時鉆井液黏度太低，特別是動切力太低，不足以有效攜帶鉆井液中的固相。同時，研究應用表明，合成基鉆井液在高溫乳化穩定性、油水比、鉆井液密度方面有一定的閾限值，要使這些鉆井液完全成為人們所接受的油基鉆井液替代品，還需要解決許多問題。

針對以上問題，對合成基鉆井液體系下一步的研究，應在在尋求和改進合成基鉆井液的基液、乳化劑及流型調節劑方面下功夫，進一步提高體系的高壓高溫穩定性，進一步改善體系的流變性，提高其密度閾限值，并在滿足環境要求的前提下降低成本。同時，應在合成基鉆井液的回收和可循環利用方面開展研究，進一步提高其使用效能，真正達到降低成本、保護環境的目的。

［1］梅宏，韓新芳，楊志長.一種新型鉆井液［J］.石油鉆井工程，1996，4(12):10－13.

［2］馬東，蔣發太，趙林，等.仿油基鉆井液技術的研究［J］.斷塊油氣田，2008，2(3):98－100.

［3］張琰.合成基鉆井液發展綜述［J］.鉆井液與完井液，1998，15(3):28－32.

［4］Park S，Cullun D，Mclean AD.The Success of Synthetic-Based Drilling Fluids Offshore Gulf of Mexico:A Field comparison to Conventional Systems［R］.SPE 26354，1993.

［5］羅躍，王志龍，梅平，等.合成基鉆井液技術研究進展［J］.湖北化工，1999(2):9－10.

［6］肖超等.尼日利亞邊際油田合成基鉆井液技術［J］.鉆井液與完井液，2009，26(6):80－81，87.

［7］張琰，任麗榮.線性石蠟基鉆井液高溫高壓性能的研究［J］.探礦工程，2000，5(19):36－37.

［8］孫金聲，劉進京，潘小鏞.線性α-烯烴鉆井液技術研究［J］.鉆井液與完井液，2003，3(20):27－30.

［9］岳前升，舒福昌，向興金.合成基鉆井液的研制及其應用［J］.鉆井液與完井液，2004，5(21):1－3.

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Technology Study and Development Research of Synthetic Drilling Fluid

LI Xiu-ling，SHEN Li，CHEN Wen-jun
(Research Department of Drilling Fluid Company，Shengli Oilfield，Dongying 257064，Shandong，China)

The synthesis drilling fluid has the good performance of both oil drilling fluid and water drilling fluid.It can be applied in offshore drilling and does not pollute the environment，and it is non-toxic and biodegradable.In addition，the sewage，cuttings and drilling fluid disposal are possible to be discharged to the sea.The good lubricating properties and filtrate lipophilic do not cause water sensitivity effect，which can protect the reservoir and keep borehole stability.The synthetic drilling fluid had substance ability in the field application process，such as strong cuttings carrying capacity，good lubricity，and well reservoir protection effect.It can also solve the problem of environment pollution，logging and testing data.Based on the synthetic drilling fluid development background as well as the domestic and foreign research and field application situation，the paper analyzes the good and bad points of the drilling fluid and its prospect.

synthetic drilling fluid;offshore drilling;environmental protection

TE254

B

1008-9446(2011)01-0021-04

2010-11-02

李秀靈(1983－)，女，福建連江人，勝利石油管理局鉆井工程技術公司泥漿公司泥漿工藝研究所助理工程師，碩士，從事鉆井液技術研究和現場推廣應用工作。