趙景芳， 劉雪婧， 耿 鐵

（中海油田服務股份有限公司，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、潤滑性好、對油氣層損害小等優(yōu)點，因此，廣泛應用于高溫深井、大斜度定向井、水平井等復雜井和儲層保護要求非常高的井段[1-5]，但油基鉆井液的成本比水基鉆井液高，且使用時會對井場附近的生態(tài)環(huán)境造成很大影響。隨著環(huán)保要求越來越高及國際高端鉆井液技術服務市場不斷增大，優(yōu)質、經濟、環(huán)保和實用性強的油基鉆井液成為近些年的研究熱點[5-12]?；赫加突@井液組成的60%以上，是油基鉆井液達到環(huán)保要求的關鍵指標。目前業(yè)內多采用芳烴含量在20%以上的柴油作為油基鉆井液的基液，而芳烴含量過高使鉆井液具有很強的毒性，且難以降解，對環(huán)境污染大。近些年，國內以白油為基液配制油基鉆井液，白油的閃點和燃點等指標基本能滿足油基鉆井液基液的要求，但白油的運動黏度相對較高，對鉆井過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]，但合成氣制油的過程較為復雜，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合成基礎油，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)?；築IO-OIL。該基液黏度低，閃點及燃點滿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，能滿足深水鉆井要求。

1 BIO-OIL環(huán)?；旱难兄?/h2>

利用煤制油技術，選取符合油基鉆井液基本要求的某一餾程范圍內的原料油，在多重催化劑的作用下進行脫硫、脫芳處理，將有機硫化物轉化為H2S，將芳香烴通過加氫技術轉化為環(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。采用氣相色譜法對比分析了BIO-OIL基液與3#白油中不同碳原子數正構烷烴的分布，結果如圖1所示。從圖1可以看出，與3#白油相比，BIO-OIL基液中正構烷烴碳原子主要分布在12～15，碳鏈較短，碳原子數分布范圍窄，較短的碳鏈和較窄的碳原子數分布可使BIO-OIL基液的黏度較低，且黏度受溫度影響小[19]?，F場應用時既有利于提高機械鉆速，又能保證鉆井液黏度在低溫下不會升得太高，可降低溫度對鉆井液黏度的影響。

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

2 BIO-OIL環(huán)保基液性能評價

2.1 基本理化性能

測試了BIO-OIL環(huán)?；?、3#白油和0#柴油的基本理化性能，結果見表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足該要求?；旱酿ざ鹊陀欣诮档豌@井液高密度下的黏度，而BIO-OIL 基液40 ℃下的運動黏度最低（見表1）。BIO-OIL基液的閃點高達134 ℃，不但能保證運輸、存儲、現場使用時的安全，而且揮發(fā)損失少，對井場周圍環(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BIO-OIL基液的傾點為-30 ℃，說明其低溫流動性好。由以上分析可知，BIO-OIL基液的基本理化性能能夠滿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控難的問題，主要體現在流變性受溫度影響明顯，低溫時黏度過高，高溫時鉆井液黏度太低。深水鉆井中，鉆井液要經過海水段，尤其泥線附近的溫度較低，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，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用的可行性，測試了其與3#白油在不同溫度下的運動黏度，結果見圖2。從圖2可以看出，溫度由-10 ℃升至70 ℃時，BIO-OIL基液的運動黏度從10.520 mm2/s降至1.453 mm2/s，而3#白油的運動黏度從24.4 mm2/s降至2.8 mm2/s，可以看出，BIO-OIL基液的運動黏度受溫度的影響比3#白油小，這可能是因為BIO-OIL基液的碳原子數分布較窄。BIO-OIL基液的運動黏度低，且受溫度的影響較小，滿足合成基鉆井液“恒流變”的要求。

圖2 不同基液在不同溫度下的運動黏度Fig.2 Kinematic viscosities of different base fluids at different temperatures

2.3 生物毒性

為了評價BIO-OIL基液的環(huán)保性能，依據國家標準《海洋石油勘探開發(fā)污染物生物毒性：第2部分：檢驗方法》（GB/T 18420.2—2009），檢測了BIO-OIL基液的生物毒性，以孵化20～24 h的鹵蟲幼體為受試生物，其在96 h內的半數致死濃度（LC50）值為66.43×104mg/L。國家標準《海洋石油勘探開發(fā)污染物生物毒性：第1部分：分級：1》（GB 18420.1—2009 ）中規(guī)定，一級海域的生物毒性容許值大于15 000 mg/L，二級海域生物毒性容許值大于10 000 mg/L?？梢姡珺IO-OIL基液的LC50值符合一級海區(qū)和二級海區(qū)的生物毒性容許值范圍。

2.4 乳液微觀流變性

一般采用六速旋轉黏度計評價鉆井液的流變參數，但是鉆井液黏度較低時誤差較大，且不能評價鉆井液結構強度的變化及不同轉速下流變性的變化規(guī)律[20]，即微觀流變性。為了更準確地評價BIO-OIL基液鉆井液的結構強度和流變性，采用高級智能流變儀評價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#白油乳液在不同轉速下的流變性及微觀結構強度的變化，結果見圖3。測試溫度為65 ℃，剪切速率為0.1～1 000.0 s-1。利用振蕩模式評價BIO-OIL基液和3#白油對乳液黏彈性的影響，利用動態(tài)應力掃描確定每個樣品的線性黏彈區(qū)，并于線性黏彈區(qū)內進行動態(tài)頻率掃描（頻率掃描范圍0.1～100.0 rad/s），結果見圖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Fig.3 Emulsion viscosity curves of different base fluids

圖4 不同基液乳液頻率掃描曲線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。這說明用BIO-OIL基液能配制出具有一定結構強度的乳液。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，兩者呈現平行曲線的趨勢，說明乳液形成了三維網絡結構。雖然BIOOIL基液乳液的結構強度較3#白油乳液結構強度弱，但是也能證明BIO-OIL基液乳液同3#白油乳液一樣表現出類固體形態(tài)，具有凝膠結構，綜合說明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價

3.1 深水合成基鉆井液

鉆井液性能不僅和基液有關，還和其他處理劑有密切關系，不僅要評價BIO-OIL基液的應用性能，還要評價鉆井液的性能。用BIO-OIL基液配制密度1.2 kg/L的深水合成基鉆井液，測試其在120，150和180 ℃老化后的性能，結果見表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低溫乳化潤濕劑+PF-MOALK堿度調節(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足深水鉆井需求；在不同溫度老化后其動切力基本保持不變，說明其具有較好的攜巖能力，并可以避免動切力變化對循環(huán)當量密度的影響；隨著老化溫度升高，終切力呈下降趨勢，但經相同溫度老化后在4和65 ℃下的終切力變化不大，說明其結構強度較為穩(wěn)定。綜合來說，用BIO-OIL基液配制的深水合成基鉆井液能滿足深水鉆井需求。

3.2 高溫高壓合成基鉆井液性能評價

以現有的高溫處理劑PF-MOEMUL（主乳化劑）、PF-MOCOAT（輔乳化劑）、PF-MOWET（乳化潤濕劑）、有機土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），結果見表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，能滿足高溫高壓井鉆井要求，說明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

高溫高壓井鉆進過程中，易發(fā)生井壁坍塌、井漏等井下復雜情況，這些復雜情況會導致起下鉆遇阻、卡鉆，嚴重時甚至造成井眼報廢。因此，抗高溫高壓合成基鉆井液要對微裂縫具有良好的封堵能力。利用滲透性封堵儀評價了用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，結果見圖5。評價試驗條件壓差14 MPa，溫度200 ℃，5 μm砂盤。

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；隨著濾失時間增長，該合成基鉆井液的濾失量呈現線性升高，加入2.0%封堵劑后，其濾失量顯著降低，且隨著濾失時間增長不呈現線性升高趨勢。性能評價試驗結果表明，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 現場試驗

圖5 BIO-OIL抗高溫高壓合成基鉆井液封堵性試驗結果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（簡稱BIO-OIL合成基鉆井液）在中國南海西部油田某區(qū)塊3口井進行了現場試驗。結果表明，試驗井段鉆井施工順利，鉆井液流變性能穩(wěn)定，攜砂能力強，井眼清潔。與使用其他鉆井液的鄰井相比，3口試驗井的井眼更穩(wěn)定，鉆井周期短，未發(fā)生井下故障。下面以A5井為例介紹現場試驗情況。

A5井在1 813.00～3 480.00 m井段試驗應用了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°。地層承壓試驗后替入BIO-OIL合成基鉆井液，返出海水流經高架槽、分流槽，通過旁通閥流至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。

鉆進期間持續(xù)補充BIO-OIL合成基鉆井液，以彌補消耗量，同時緩慢提高鉆井液的密度。隨著井深增加，溫度升高，鉆井液六速旋轉黏度計600 r/min讀數增大，其黏度有升高的趨勢，補充BIO-OIL基液，以控制鉆井液的流變性，同時補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，進行短起下鉆，循環(huán)并將鉆井液密度提高至1.27 kg/L，同時加入封堵劑PF-MOLSF和PF-MOHFR，以增強鉆井液的封堵性能，進一步降低濾失量。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。

表4 A5井現場鉆井液性能Table 4 Performance of drilling fluid in Well A5

5 結 論

1）為滿足環(huán)保要求，開發(fā)了BIO-OIL環(huán)?；?，生物毒性滿足國家一級海域排放要求，開口閃點134 ℃，傾點-30 ℃，碳原子數量分布窄，鉆井液黏度隨溫度變化的幅度較小，能滿足低溫環(huán)境及海洋深水鉆井中對基液的要求。

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口井的現場試驗表明，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，井眼清潔效果好，試驗井起下鉆順暢，未出現井下故障，說明BIO-OIL環(huán)?；杭坝闷渑渲频暮铣苫@井液具有現場推廣應用價值。