合成基鉆井液國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 畢業(yè)論文 石油工程

【專家解說】：合成基鉆井液發(fā)展綜述 摘耍合成荃鉆井液是作為油荃鉆井液的替代體系在 9。年代初發(fā)展起來的，分為醋基、醚荃、聚a一烯烴墓等鉆井 液。經(jīng)過大約5年的應(yīng)用，現(xiàn)已發(fā)展并形成第二代合成荃鉆 井液，主要以線型a一烯烴，內(nèi)烯烴和線型石蠟?zāi)广@井液為代 表.對比介紹了各種合成荃液的物理化學(xué)性能以及合成荃鉆 井液的組成、性能與應(yīng)用情況，對比了第一代與第二代合成 基鉆井液的優(yōu)缺點(diǎn)。 關(guān)銳詞:合成基鉆井液鉆井液性能鉆井液配方環(huán) 境保護(hù)綜述 前言 為了解決油基鉆井液對環(huán)境的污染問題，在80 年代末，美國、英國、娜威等國的石油公司就開始了 合成基鉆井液的研究開發(fā)工作。其中醋基鉆井液于 199。年3月在北海首次應(yīng)用并獲得成功，之后合成 基鉆井液的種類不斷增加，首先是醋、醚、聚a--烯烴 基鉆井液，后來在權(quán)衡環(huán)境保護(hù)因素和成本的前提 下開發(fā)了第二代合成基鉆井液。第二代合成基鉆井 液以線型a一烯烴、內(nèi)烯烴和線型石蠟基鉆井液為代 表〔‘，’」，其特點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)粘度和鉆井液成本較第一代合 成基鉆井液低，環(huán)境保護(hù)性能較第一代要差。在合成 基鉆井液中，酷基鉆井液用得最早，而且在早期用得 最多，目前使用得最多的是聚“一烯烴基鉆井液。 研制合成基鉆井液的初衷是用于海洋鉆井，因 為它無毒、可生物降解、對環(huán)境無污染，鉆井污水、鉆 屑和廢鉆井液可向海洋排放。同時(shí)由于合成基鉆井 液潤滑性能良好，可用于大斜度井及水平井鉆進(jìn)。合 成基鉆井液的濾液是基油而不是水，有利于保護(hù)油 氣層和井壁穩(wěn)定，體系內(nèi)不含熒光類物質(zhì)，可生物降 解并且無毒。因此，合成基鉆井液徹底解決了油基鉆 井液污染環(huán)境、影響測井和試井資料解釋的問題。 近幾年來，國外合成基鉆井液的研究動(dòng)態(tài)也引 起了國內(nèi)一些學(xué)者的注意，他們對國外的研究與應(yīng) 用情況進(jìn)行了報(bào)道!，’‘，，主要對比介紹了合成基鉆井 液與油基鉆井液的異同。石油大學(xué)(北京)自1996年 也開始進(jìn)行合成基鉆井液的研制工作?，F(xiàn)將各類合 成基鉆井液組成及性能對比的文獻(xiàn)調(diào)研結(jié)果介紹給 大家，供同行專家參考。 合成墓鉆井液的組成 合成基鉆井液以人工合成或改性的有機(jī)物為連 續(xù)相，鹽水為分散相，并有乳化劑、流型調(diào)節(jié)劑等組 分LZ·‘」，是一種非水溶性合成油基鉆井液，具有油基 鉆井液的作業(yè)性能。 1.基液 研制基液的主導(dǎo)思想是將柴油或礦物油換成可 以生物降解又無毒性的合成或改性有機(jī)物，并要求 這些有機(jī)物的物理化學(xué)性能與礦物油接近。經(jīng)大量 研究表明，它們大多是含有14一22個(gè)碳原子的直鏈 型分子‘21，分子鏈基本上都有雙鍵。目前合成基鉆井 液是按基液類型劃分的，現(xiàn)已在現(xiàn)場應(yīng)用并見到效 果的合成基鉆井液主要有(不包括基液為混合物的 體系):酷基，醚基，聚a一烯烴基，線型a一烯烴基，內(nèi)烯 烴基和線型石蠟基鉆井液”，2。 2.乳化劑和其它處理劑 乳化劑是該類鉆井液的另一種重要組成材料， 它起著穩(wěn)定體系和調(diào)整性能的作用。乳化劑包括水 包油型(O/W)和油包水(W/O)型。其它處理劑包括 降濾失劑、增粘劑和稀釋劑等。 基液的腸理裕學(xué)性能 1.醋 醋(Ester)基鉆井液是最早成功應(yīng)用于現(xiàn)場的一 種合成基鉆井液?？嵊芍参镉椭舅崤c醇反應(yīng)制得， 植物油脂肪酸可由棕桐油、椰子油等水解得到。 醋(R:COORZ)分子中活潑的梭基易遭受堿性或 酸性物質(zhì)的破壞，結(jié)果生成相應(yīng)的醇和梭酸，這使得 酷基鉆井液有快的生物降解速度。在鉆井過程中，由 于酸性氣體的侵入酷會(huì)水解;在堿性條件下醋會(huì)發(fā) 生皂化反應(yīng)，生成梭酸鹽R，COOM.反應(yīng)不可逆，梭 酸鹽R，COOM溶于水而導(dǎo)致整個(gè)醋基鉆井液體系 破壞。因此酪基鉆井液不能抗石灰和酸性氣體污染。 醋的分解程度隨溫度升高而增大，因此雖然Amoc。 公司的研究者們報(bào)導(dǎo)，當(dāng)溫度為149℃時(shí)可以配制 出穩(wěn)定的醋基鉆井液「2!，但更多報(bào)導(dǎo)表明，酷基鉆井 液的最高使用溫度為125、120、和140℃〔5一，3。通過 調(diào)整烷基支鏈R，和R:可提高醋基鉆井液的熱穩(wěn)定 性和抗酸或抗堿水解性。 2.醚 醚(Ether)的分子結(jié)構(gòu)式為R，一O一R:，可以由 醇與酸反應(yīng)生成。醚分子結(jié)構(gòu)中沒有活潑的梭基，在 水溶液中不會(huì)電離，性質(zhì)較穩(wěn)定，因而有較好的抗 鹽、抗鈣能力。醚分子中間的氧活潑性較差，同時(shí)受 它的分子量和碳骨架上支化度的影響，醚的降解速 率低，醚基鉆井液也由此具有高的水解穩(wěn)定性。但有 報(bào)道表明，醚基鉆井液在現(xiàn)場使用中出現(xiàn)流變性能 異常的溫度為75℃〔5二。 3.聚。一烯烴 聚a一烯烴(Polyalphaolefin，縮寫為PAO)由烯烴 聚合而成，含雙鍵，可逐漸降解，結(jié)構(gòu)式如下: CH3一(CH:)。一￡~錢二H一(CH:)，一CHs } (CHZ)p一CH3 分析結(jié)果表明，PAO由二聚體(占91.2%)、三聚體 (占7.7%)、四聚體(占0.5%)和單體(占0.03%)組 成，不含環(huán)狀烴。通過調(diào)節(jié)反應(yīng)條件和單體可以保證 PAO的化學(xué)結(jié)構(gòu)和物理性能。PAO有小的運(yùn)動(dòng)粘度 以及高閃點(diǎn)、低傾點(diǎn)、較好的穩(wěn)定性、不隨溫度和pH 值而改變性能等特性，能抗石灰污染、抗溫(一般在 150或170℃以上‘日1，有的資料報(bào)導(dǎo)抗溫在200℃以 上t‘1)。 聚a一烯烴是一個(gè)通用術(shù)語，包括了加氫和未加 氫物質(zhì)。聚。烯烴的制造過程主要有[’):①乙烯聚合 生成線型a--烯烴;②線型二烯烴齊聚生成聚a--烯烴; ③加氫;④蒸餾。第③、④步驟可以互換，這取決于制 造者;當(dāng)生產(chǎn)未加氫的聚a--烯烴時(shí)，第③步也可省 略.此外，在第①、②步之間有一個(gè)蒸餾過程，以分離 出合適的線型a一烯烴。 聚a一烯烴以及線型a-烯烴、內(nèi)烯烴和線型石蠟 都可通過合成過程(或精煉過程)及純化過程獲得。 4.線型a一烯烴和內(nèi)烯烴 線型a一烯烴(LinearAlphaOlefin，縮寫為 LAO)，結(jié)構(gòu)式為 CH3一(CHZ)n一CH~戒二HZ 內(nèi)烯烴(InternalOlefin，縮寫為10)，結(jié)構(gòu)式為 CH3一(CH:)。一毛H~=(二H一(CHZ)。一CH3 線型“一烯烴和內(nèi)烯烴在化學(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)上都非常相 似，與PAO是同一系列產(chǎn)物，均由烯烴合成，唯一的 區(qū)別在于LAO經(jīng)異構(gòu)化成10，是制備PAO的中間 產(chǎn)物，10和LAO較PAO有相對低的運(yùn)動(dòng)粘度，成 本相應(yīng)也較低，但毒性較大。線型a一烯烴可由純烯烴 制得，而后用蒸餾過程分離特殊的餾分;也可經(jīng)由精 煉和純化過程生成。一般純化過程必須要有加氫裂 化、附加蒸餾以及使用分子篩等步驟。 5.線型石蠟 線型石蠟(LinearParaffin，縮寫為LP)，結(jié)構(gòu)式 為CH3一(CH:)。一CH。。除了不含雙鍵外，線型石蠟 與LAO和10有類似的化學(xué)性質(zhì)。線型石蠟與具有 相同碳原子數(shù)的LAO和10相比，傾點(diǎn)和動(dòng)力粘度 均有所升高。因此要調(diào)整基液的組成以獲得合適的 流體性質(zhì)，就需要把不同低分子量的線型石蠟混合 在一起。 線型石蠟既可通過合成過程，也可通過精煉過 程制得。目前北海油田使用的線型石蠟是由后一種 方法(精煉過程)制得的。因此線型石蠟基鉆井液也 被稱為假油(Pseud。一011)基鉆井液“。由精煉過程所 得產(chǎn)品的缺陷在于，產(chǎn)品中一般含有痕量雜質(zhì)，優(yōu)點(diǎn) 在于價(jià)格比合成產(chǎn)品要便宜一些。 合成基鉆井液性能 L物理性能 各種基液的物理性能見表1。由表1可以看出， 第一代合成基液的密度和粘度較第二代合成基液 高，閃點(diǎn)也較高。除了線型石蠟外，其它基液都不含 芳烴。表1中的降解溫度是利用示差掃描熱分析 (DSC)測定的基液發(fā)生氧化反應(yīng)的初始降解溫 度LS{，并不對應(yīng)鉆井液的熱穩(wěn)定性溫度，鉆井液的熱 穩(wěn)定性還和乳化劑以及其它添加劑的熱穩(wěn)定性有 關(guān)。 2.環(huán)境污染 在北海，一種合成基鉆井液要得到使用及排放 巖屑的允許，必須進(jìn)行毒性和生物降解測試以及生 物聚集能的研究。除了生物聚集能，這些測試對基液 和鉆井液均有要求。 (1)毒性實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。從表2可看 出，聚a一烯烴的毒性最小。雖然線型a一烯烴和內(nèi)烯烴 的化學(xué)性質(zhì)和聚a一烯烴相似.但它們的毒性較高。線 型。烯烴分子量的變化影響毒性，分子量越低毒性 就越高。這可能是由低分子量有機(jī)物在水中的溶解 度較大造成的仁，」。 40<1 65<1 903.41012225260 (2)生物降解合成物和合成基鉆井液的生物 降解性是環(huán)境保護(hù)影響因素中最重要的，也是最有 爭議的。爭論來自合成基鉆井液的各種測試方法、測 試實(shí)驗(yàn)室、測試結(jié)果以及準(zhǔn)確的或可信賴度低的海 底探測信息。合成基鉆井液的降解性取決于可信賴 的海底取樣及其分析，不過此過程需要經(jīng)過很長的 時(shí)間。 厭氧降解是合成基鉆井液生物降解的焦點(diǎn)所 在。某些人認(rèn)為迅速降解對環(huán)境的影響最小，然而模 擬海底研究和實(shí)際海底勘測為其它可能的觀點(diǎn)提供 了依據(jù)。一種觀點(diǎn)認(rèn)為迅速降解會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的厭氧 條件，這對極近的環(huán)境會(huì)造成致命的影響。正是出于 這種原因.北海地區(qū)某些國家提出一種適度的降解 速率，它介于醋(迅速)和礦物油(極低速率)的降解 速率之間。在這個(gè)特點(diǎn)上，第二代合成基液優(yōu)于第一 代合成基液。線型a一烯烴和內(nèi)烯烴由于它們的分子 量和支化度較低，降解比聚a一烯烴更為迅速。文獻(xiàn)表 明，線型石蠟在有氧和厭氧的條件下均會(huì)發(fā)生降解。 由于缺少雙鍵，它的降解過程應(yīng)不如線型“一烯烴和 內(nèi)烯烴快。這些還都處于爭議之中。 (3)健康與安全一般認(rèn)為，基液蒸氣中所含的 芳香餾分對哺乳動(dòng)物的毒害最大。聚a一烯烴、醋、線 型a一烯烴和內(nèi)烯烴等基液是相對無毒的。為了比較 四種合成物的相對揮發(fā)度，在40、65和90C三種溫 度條件下進(jìn)行了蒸氣研究，并以礦物油作為參考，結(jié) 果見表3。 由表3可以看出，聚a-烯烴產(chǎn)生的可測量的氣 體量最小，內(nèi)烯烴產(chǎn)生的氣體比聚a一烯烴要多，但少 于線型a--烯烴，酷產(chǎn)生的氣體相當(dāng)少，這四種基液的 蒸氣都不含芳香化合物。礦物油在90℃的條件下產(chǎn) 生大量蒸氣，并含有5%一6%的芳香烴類。 3·鉆井液性能 (1)流變性第一代與第二代合成基液性質(zhì)上 最明顯的差別在于粘度?；涸较?，一般會(huì)導(dǎo)致合成 基液的粘度越低。研究了經(jīng)過204C、16h老化后、 基液/水比值為90/l。、密度為2.179/cm3的聚a一烯 烴與內(nèi)烯烴鉆井液在48C時(shí)的流變性能(見圖1)。 研究結(jié)果表明，動(dòng)、靜切力相差不大，粘度差異較大 (AVpAo一112mPa.5，PVpAO一103mPa·s，AVI、)一 65·5mPa·s，pVlo一59mpa·s)。影響井眼清潔和加 重劑沉降的主要因素為低剪切速率下的流變參數(shù)， 可以通過加入有機(jī)土或低剪切流變性調(diào)節(jié)劑進(jìn)行調(diào) 整。當(dāng)然，對泵壓的限制將會(huì)影響較稠的第一代基液 清潔井眼的功效。這些粘度的差異無疑地會(huì)影響到 固體容量限，進(jìn)而影響到基液/水的比值(s/w)。例 如:密度為1.449/cm3的酷液要求醋/水的比值在 75/25一80/20之.司，聚a一烯烴為70/30一75/25，而 內(nèi)烯烴為60/4。一65/35。較低的基液/水比值有兩 個(gè)好處:基液向環(huán)境的總排量減少.成本降低。 (2)熱穩(wěn)定性和抗污染能力文獻(xiàn)「5」對幾種不 同的合成基鉆井液進(jìn)行了熱穩(wěn)定性和抗污染實(shí)驗(yàn)， 部分結(jié)果見表4和表5。結(jié)果表明，聚a一烯烴鉆井液 的熱穩(wěn)定性和抗污染能力最強(qiáng)。 (3)巖屑合成物滯留量(CSR)巖屑合成物滯 留量在控制或減少合成物損失方面起著重要的作 用。粘度影響著鉆井液的滯留量，進(jìn)而影響基液殘留 在巖屑上的量;基液粘度越高殘留在巖屑上的量越 多。其它影響因素有乳化劑和基液的化學(xué)性質(zhì)等。 (4)潤滑作用潤滑作用是第一代合成基液優(yōu) 于第二代的主要表現(xiàn)。例如，酷是強(qiáng)極化物質(zhì)，可作 為優(yōu)良的界面潤滑劑(酷經(jīng)常以稀濃度與烯烴和礦 物油相混合，以改善電動(dòng)機(jī)潤滑油的性能)。第二代 合成基液的潤滑性能很適用于常規(guī)鉆井。 (5)經(jīng)濟(jì)效益雖然合成基液的成本較高，但由 于提高了鉆速、井眼穩(wěn)定性，節(jié)約了用油基鉆井液要 處理鉆屑和環(huán)境污染的費(fèi)用。因此使用合成基鉆井 液的鉆井成本比油基鉆井液甚至水基鉆井液低(墨 西哥灣8口井的鉆井總成本對比結(jié)果為:水基鉆井 液約為11.5火106US$;PAO鉆井液約為5.5丫106 US$)“、g’。第二代合成基液成本又要比第一代低。 Friedheim等人還將PAO、10、LAO以及LP對 應(yīng)的物理性能及環(huán)境性能變化規(guī)律做成了一個(gè)流程 圖L“1，如圖2所示。從圖2中可以清楚地看到分子結(jié) 構(gòu)的變化引起物理性能變化的規(guī)律。 發(fā)展趨向及存在的問題 合成基鉆井液的應(yīng)用范圍正在擴(kuò)大。從資料報(bào) 導(dǎo)來看，各公司用不同的體系在各自特定的使用環(huán) 境下均取得了良好的效果，如BAROID公司的醋基 體系、M一1公司的PAO體系、DOWELL公司的 QuadDrill體系、INTEQ公司的SYN一TEQ體系等。 經(jīng)過一段時(shí)間的研究應(yīng)用表明，合成基鉆井液在高 溫乳化穩(wěn)定性、油水比、鉆并液密度方面有一定的門 檻值，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。目前研究者們 正在不斷尋求和改進(jìn)合成基鉆井液的基液、乳化劑 及流型調(diào)節(jié)劑，進(jìn)一步保證體系的高壓高溫穩(wěn)定性， 并在滿足環(huán)境要求的前提下降低成本。 國外在研究合成基鉆井液的同時(shí)，對通過改造 水基鉆井液來達(dá)到上述目的也取得了初步成果，其 中非常引人注意的是甲基葡萄糖貳和多元醇鉆井 液，它們被認(rèn)為是可以取代油基鉆井液的水基鉆井 液體系，有人將它們歸入合成基這一大類，并認(rèn)為可 能更有發(fā)展前途L，·3·‘?！?結(jié)論 1.合成基鉆井液有多種類型，酷基用得最早而 且早期用得最多，目前聚a一烯烴用得最多;其發(fā)展和 使用受經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境保護(hù)政策的影響。 2.聚二烯烴的溫度極限比醋基和醚基都高。 3.第二代合成基液的成本更低，粘度更小，體 系的配制更經(jīng)濟(jì)，循環(huán)壓力較低。 4.酷的潤滑性能和降解能力都比較強(qiáng)。 5.第二代合成基的降解速率比第一代合成基 (除了醋)的要快。 6.第二代合成基的毒性一般比第一代要大。 參 參考文故 4 5 7 8 9 FreidheimJEandConnHL.SeeondGenerationSyn- thetieFluidsintheNorthSea:AreTheyBetter?IAL犯/ S尸E35061，1996 CrowcoekFB，etal.Physieo一ChemiealPropertiesofSyn- thetieDrillingFluids.IA工r/SPE27450，1994 陳樂亮.新型油漿換代體系合成基鉆井液國外研制 與應(yīng)用情況·石油與天然氣化工.1996、25(1):26一29 王惠珍，張克勤.合成基鉆井液綜述.鉆采工藝，1996， 19(3):57一62 XiaoLH，。2al.BiodegradableInvert011Emulsion DrillingFluidsforOffshoreOperations:ACompre卜en- 5iveLaboratoryevaluationandComparison.SPE 29941，1995 眾gouyD，etal.塊signofEnvironmentallySafe 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