钻井液发展史

1、油基钻井液的发展历史辛一男中国石油大学(北京)石油工程学院 石工094班摘 要 简要介绍了钻井液中的油基钻井液的发展历史，发展过程，从全油基 钻井液到油包水乳华钻井液再到合成基钻井液，都为油气钻井顺利进行起到了巨 大的作用。此外还介绍了油基钻井液国先进技术及发展趋向。关键词油基钻井液油包水乳化合成基钻井液钻井液19世纪60年代，美国宾夕法尼亚州第一口油井的成功开钻揭开了近代石油工业 的序幕，同时也开启了钻井液的发展篇章。从最初的纯水到现在的各种复杂钻井 液，从水基钻井液到油基钻井液到合成基钻井液再到气基钻井液，钻井液可以说 是类别丰富，功能齐全。钻井液的定义很多，国内定义为：钻井时用来清洗井底

2、并把岩屑携带到地面、 维持钻井操作正常进行的流体；亦有钻井液是指油气钻井过程中以其多种功能满 足钻井工作需要的各种循环流体的总称。美国石油协会API定义为：在旋转钻 井中用以完成钻井工作中各种功能的循环流体。钻井工作流体导论中的定义: 把通过人为控制，使得用于油气钻井作业的流体具有一定的性能，来实现钻井和 地质目的这种特定性能的流体称为钻井工作流体(Drilling Working Fluids)。钻井液的首次使用的具体时间已不可考(19世纪中期，顿钻开始使用钻井 液，1901年在钻井液中加入黏土)，但随着使用的日益增多，钻井液的目的和作 用却愈加明确。钻井液的功用有以下两大点：一，保证快速安

3、全钻井：携带和悬浮岩屑控制地层压力和保持井壁稳定冷却、润滑和支撑钻具组合传递水动力保户储层，减小储层伤害二，保护油气层，取全钻井资料：提供足够的地层评价信息，有利于地层评价和油气的发现不损害环境、人员和设备便于注水泥和完井作业降低钻井成本抑制气体水合物形成根据流体介质的不同，钻井流体可分为水基钻井流体、油基钻井流体和气基 钻井流体三种。亦或为以下几类：水为连续相的水基钻井液：细分散钻井液、粗分散钻井液、聚合物钻井液、 盐类钻井液。油为连续相的水基钻井液：全油基钻井液、油包水乳化钻井液、合成基 钻井液。气体为连续相的水基钻井液：纯气体钻井液、雾化钻井液、泡沫钻井液、充气钻井液。油基钻井流体在此我

4、们着重介绍一下油基钻井液发展和应用过程以及现今的一些成果和 发展趋向。油基钻井液（起初又称油基泥浆，下文统称为油基钻井液），指以油作为连续相 的钻井液体系。全油基钻井液全油基钻井液（All-oil Based Drilling Fluids）是不含水的，但在实际应用中， 会因钻遇含水地层或钻屑带水使钻井液体系含有少量的水。水是无用组分。油基钻井液起源于完井中使用的原油，第一次的使用日期已不可考。一个由 J.C.Swan在1919年提出并在1923年转让的的专利，提出使用“一种非水基粘性 液体”，如煤焦油、木焦油、树脂或用苯稀释的沥青来钻井。早在19世纪20年代，人们就曾用原油作为钻井液，主要是

5、为了克服水基钻 井液的某些不理想特性（主要由水的性能所决定：溶解各种盐，破坏油气通过空 隙地层的流动，加速粘土的分散;并引起钢材的腐蚀），并具有以下的优点：（1）降低了设备腐蚀；（2）可回收和反复利用；（3）耐钻屑侵；（4）泥页岩地层中钻速快。（5）良好的井壁稳定和页岩抑制性能；（6）油气层损害大大改善；（7）良好的润滑性和低的卡钻几率；（8）不被化学污染；（9）高温稳定；（10）井径规矩，起下钻和测井作业通畅；全油基钻井液的发展1935年Humble Oil &Refining公司企图用焦油（提炼润滑油取得）与有机 土制备的油钻井液（此外还添加0.5%的油酸以及1%浓缩的硫酸）来钻德克萨斯

6、Goose Creek油田上的一个有问题的页岩层段。1936年，壳牌石油公司系统的研究了有机、油基钻井液的发展方案。1938 年根据这项研究用油基钻井液在加利福尼亚州的Round Mountain油田使用（在 加利福尼亚州的几个油田上钻井时使用了柴油，贝壳粉或石灰、空气氧化的沥青 及碳黑组分；高密度的油钻井液还需添加重品石粉）。George L.Miller于1942年在加利福尼亚州洛杉矶成立油基钻井液公司，制 成商品油钻井液。在1935年至1950年期间，油基钻井液的最大用处是在完井方面，主要在低 压或低渗透率的油藏。在油钻井液代替水钻井液后，可以得到较高的初始产量。在一项早期的专利里推荐使

7、用非水成分来防止套管的腐蚀。早在50年代初 期在堪萨斯州就广泛地使用稠油钻井液来保护套管的外部免受地层水的腐蚀。但油基钻井液也存在其自身的缺陷：（1）初始成本高；（2）对人的皮肤和呼吸系统有刺激和危害；（3）降低橡胶配件的寿命；（4）油气显示监测和录井困难；（5）不能及时发现油气侵；（6）处理井漏费用高；（7）脱气困难；（8）有火灾危险；（9）有环保和排放问题；（10）人体和设备不易清洗。同时也存在着切力小、难以悬浮重品石、滤失量大、流变性不易控制以及原 油中的易挥发组分易着火等缺点，逐渐发展成为以柴油为连续相的两种油钻井液 全油基钻井液和油包水乳化钻井液。油包水乳化钻井液和油包水逆乳化钻井液

8、油包水乳化钻井液是以柴油、矿物油或合成基液为外相（或连续相），以水 （淡水或盐水一）为内相（或分散相），并添加适量的乳化剂、润湿剂、亲油胶 体和加重剂等所形成稳定的乳状液体系。全油基钻井液与油包水乳化钻井液的区别在于含水量及水的作用。习惯上把 含水量小于10%的称为油基钻井液（一般在3%到5%之间，有时会更高些），其 含水量大于此值者称为油包水乳化钻井液。水油比与乳状液的稳定性有关 （Ostwald假设求得水油比最大值为74:26，采取特殊方法可制备水油比更高的 浓乳状液）。20世纪40年代发展起来的乳化技术解决了全油基钻井液不抗水的问题。， 此外还发现当水在油中乳化后具有明显的优点（可以提高

9、油的增粘能力，降低滤 失量）。在水或盐水中加入油基钻井液成为现实后，确立了油包水乳化钻井液的 基本原理。随着1950年前后有机土的应用，进一步发展成为油包水乳液（又称 反相乳液）。60年代中期腐植酸酰胺和腐殖酸盐的应用，已能够单独控制钻井液 的流变性和滤失量。根据C.C.Wright所述，第一次现场使用油基乳化液钻井液是在1960年8月 于洛杉矶盆地。这种钻井液是由40%的水，乳化在精炼油里制成的。含有30% 以上水的乳化液不能助燃，从而消除了火灾的危险。乳化液体系的其他优点是成 本低，颜色较浅（这意味着对钻井人员的衣服污染较轻）。以上特点促进了逆乳 化液在低压完井里的作用。1963年Roge

10、rs列出了 12种不同的组分，此后又发展 了其他许多组分。通常，逆乳化液里含有油溶性与水溶性两种乳化剂。实践证明，乳液对低压或超低压储层伤害小，且在完井液和修井液中也有所 应用。油基钻井液可提高页岩稳定性，其主要机理为：钻井液渔页岩之间会形成一 种渗透压，从而阻止水相进入页岩地层。Lawhon等人对乳业钻井液的钻进速率和滤失性能进行研究发现，低粘度油 如柴油等能够增加钻进速率，滤失测试表明，在钻井液循环过程中，钻井液的滤 失并没有增加。据Gray等人研究表明，油基钻井液可以防止粘土的膨胀、封堵 空隙、防止含水粘土颗粒的入侵等，从而降低对产能的损害。油包水乳化液钻井液中抗高温高压性、高密度以及低

11、度性油包水乳化液钻井 液均在实践中得以验证和推广。如我国的东秋8井、宝岛19-2-2、古平1井等。M-I钻井液公司研制出一种新型油基钻井液一高密度低固相油基钻井液， 这种钻井液是利用高密度的甲酸铯盐水来达到理想的密度。低固相油基钻井液与 常规油基钻井液的差别是钻井液的固相含量由22%降到1%。Ezzat等人在1989年提出了无固相盐水/油乳液在完井中的应用，Skalle等人 在1991年提出了 “乳液水泥”的概念。Patel等人在1998年研制出一种新型的钻井、完井和修井液体系，利用pH 值敏感的乳化剂能够容易实现O/W型和W/O型乳液之间的可逆转化。Green等 人在2001年也对这种可逆乳

12、化钻井液体系的地层伤害进行了研究，证明其成果 显著。低毒油包水钻井液又称矿物油(又称白油，是以脂肪烃或脂环烃为主要成分 的精制油)钻井液，能够有效地防止对环境的污染，特别适用于海洋钻井。自 1980年被首次使用以来，已在许多海上油田上得到广泛使用。比如我国BZ25-1 深井。也应用于大位移井。Helder油田曾使用油基钻井液(油水比为8:2)成功 地钻探了几口大位移井。使用油基钻井液钻水平井可以省去酸化作业并提高油井产量。(Chambers等 人介绍了油基钻井液在非洲西部油田水平井长裸眼砾石充填井段的应用情况。同时，油基钻井液的抗腐蚀性明显强于水基钻井液也在实践中得以验证。随着乳化剂和润湿技术

13、的发展以及平衡活性理论的应用，推动了逆乳化钻井 液的发展。但逆乳化钻井液也有以下几点需要改进的方面：钻井液的盐相与所钻进的地层继续相互作用，可能导致井眼不稳定；从流变性角度来说，乳化的盐水微滴起到固相微粒的作用，会使钻井液的 塑性粘度超标；始终存在乳化实效的危险。合成基钻井液油基钻井液体系虽然具有流变性好、钻速高、抗高温高压、密度范围广的优 点，但是由于该体系成本高且污染环境，因此正逐渐被一种仿油基的合成基钻井 液体系所代替。合成基钻井液是以合成基液为连续相，盐水为分散相，再加上乳化剂、有机 土、石灰等组成的油包水乳化钻井液，根据性能要求加入降滤失剂、流变性调节 剂和重品石等。合成基钻井液主要

14、是20世纪80年代开始研制，在90年代发展起来的。合 成基钻井液研制的主导思想是，将油基钻井液中的基油替换成植物油获人工合成 的有机物。改性植物油或人工合成有机物必须满足三个要求：与矿物油的物理性质相似；所配置的钻井液体系毒性必须很低；不论在好氧或厌氧条件下都可以降解。因此，合成基钻井液既具有水基钻井液的优点一钻井废物少、无毒、可生物 降解、对环境无污染，钻井污水、钻屑和废弃钻井液可向海洋排放。又具有 油基钻井液的优点一钻速高、润滑性好，有利于保护油气层和井壁稳定，从 而克服了水基钻井液的钻井废物多、高温稳定性差和井壁不稳定的问题，同时也避免了油基钻井液污染环境、影响测井和试井资料解释的问题。

15、基液的种类和物理化学性质：基液是合成基钻井液的基本物质，基液性能 直接影响钻井液的工艺性能。按照合成基钻井液研制的主导思想，基液的合成 材料应不含有芳香烃等对环境有害的化学成分。研究表明，这些材料一般为 C14-C22的直链型分子，平均相对分子质量与矿物油类似，而且相对分子质量 分布范围较窄。合成基钻井液的主要类型：一， 醚基钻井液：醚类和酯类有相似的物理性质，是R-OR型化合物的总称， 可以由醇类与酸反应生成。在挪威地区的七个海上油气田上，由于水基 钻井液的效果不理想，加之挪威环保署新近颁布的海上钻井液污染控制 法规限定了油基钻井液的运用，因此转而使用了醚基钻井液，效果令人 满意：钻速在总体

16、上明显提高，醚基钻井液虽然成本高，但缩短了钻井 时间，钻井废物级处理费用大幅度降低了。因此，钻井总费用明显低于 油基钻井液和水基钻井液。二，酯基钻井液:酯是最早用于钻井液的合成材料。酯基钻井液最早由Statoil公司在北海、挪威区域的气田使用，先后钻了十几口井均获得好的效果， 提高了钻井速率，降低了成本。目前，Kerr Mc Gee公司在墨西哥湾East Breaks地区运用低粘度酯基钻井液成功钻进和完成了一口深井。三，聚a -烯烃基钻井液：这类物质是由a -烯烃聚合而成的。聚a -烯烃不会在生物体内积累，对海洋生物无毒。聚a -烯烃的另一个优点是它不随温 度、PH值而改变其性能。酯类钻井液在

17、碱性条件下则可能分解，因此， 聚a -烯烃比酯类更能抗高温和石灰污染。贝克-休斯公司采用ISO-TEQ 的合成基配置成Syn-TEQ合成基钻井液，能耐226.7 ，且在高温下不 水解。在北海Central Basin油田一口倾角为55的定向井的27004529 井段，使用了聚。-烯烃基钻井液，现场应用结果表明，其可有效提高机 械钻速和井眼清洁能力，降低扭矩和阻力，使钻井液流变性稳定，而且 便于在井场就地混合制取，易于维护。四，线性a -烯烃钻井液：线性a -烯烃是乙烯在三乙基铝上的催化链增长而 制备的。与其他合成基钻井液相比，具有以下优点：线性a -烯烃除了具有极好的钻井性能外，还具有低毒性、

18、低生物积累和生物可 降解性能，是一种可以代替第一代合成基钻井液的体系。与油基钻井液相比，具有更加稳定的流变性，可以增加钻速，减小扭矩和摩阻， 井眼清洗和携屑能力好。线性a -烯烃钻井液具有较高的抗温能力。低剪切速率并不像常规钻井液那样随 温度升高而降低，相反，在高温时略有增大。线性a -烯烃钻井液的流变性较适合于提高大斜度井眼的清洗能力，使用中增稠 剂和表面活性剂用量少。能在较短的时间内形成较强的凝胶结构，并易破胶，钻屑能以原始状态派出井 眼，不会被研磨，其下钻摩阻极低。比用油基钻井液钻速提高15%，井段裸眼钻进井眼稳定。国外油基钻井液发展趋势现在，世界许多大的石油公司都发展了自己的合成基钻井

19、液。如Baroid公 司 Petrofree 体系、Dowell 公司的 Quad Drill 体系、Milpark 公司的 Bio-drill 体系、M-I公司的Nova Drill体系到等采用了线性a -烯烃钻井液。以美国休斯 公司为例，它每年在东南亚的对线性a -烯烃的需求量达2000t之多。在墨西哥湾，线性a -烯烃钻井液替代了大部分的水基钻井液，并被证明 有效地提高了钻井效能。优点包括钻速提高，通井次数减小，卡钻类的意外事 故减少，由此使钻机工作天数减少，节约了钻时。五，新型合成基钻井液：近年来研制出了能降低对环境影响的新型合成基钻井液技术，包括：（1）SBM中加入独特的表面活性剂，

20、使井眼表面和钻屑从油润湿状态变 成水润湿状态。（2）研制出新的合成基，以达到环保要求。理想的合成基钻井液应该是 既具有普通合成基钻井液的性能，又无毒能生物降解，不会在海底 聚积。近年来，用乙二醇作为基液配置成功了两种合成基钻井液体系，他们是水溶 的乙二醇（WMG）体系和海水逆乳化钻井液（OSI）体系。英国石油公司研制出一种线性烯烃钻井液，在哥伦比亚东北的地区和加拿大 的阿尔伯达地区进行了两年的实验，取得了成功。M-I钻井液公司研制出一种逆乳化钻井液，它不但具有普通逆乳化钻井液的 性能，而且可以排放到田野里作为土壤的增肥剂，称为肥田合成基钻井液，效果 很好。参考文献郑力会译.钻井液处理手册.北京

21、：石油工业出版社，2008.5黄汉仁等.泥浆工艺原理.石油工业出版社苗海龙等.合成基钻井液在SZ36-1分支井的应用.钻井液典型应用技术文集Synthetic drilling mud base fluids provide options.Drilling Contractor.May/June 2001Sullivan M.J.Use of carbon/oxygen logs run in open hole in wells drills with oil-based muds.SPE Res.Eva.Engng2002,5(1):6067R W Cannon ,M I.Swaco.D

22、 Martin.CSI Reduction of Synthetic Based Fluid Discharges Offshore by the Use of Vertical Basket Centeifuges SPE/EPA/DOE Exploration and Production En vironmental Conference,2001,SPE66535F B Growcock,T P Frederick.EPTG Drilling Operational Limits of Synthetic Drilling Fluids.SPE Drilling & Completio

23、n,1996,SPE29071C A Alcantara,C Guzman,A Rodriguez.Characterization and Synthesis of Synthetic Drilling Fluid Shale Stabilizer.2000,SPE59050D Langevin,S.Poteau,I.Henaut,et al.Crude oil emulsion properties and their application to heavy oil transportation.Oil & Gas Science and Technology-Revue de L.In

24、stitut Francais du Petrole,2004,59:511521C L Iwilliam,M E Jay.Laboratory Drilling Rate and Filtration Studies of Emulsion Drilling FLUIDS.1967,SPE1695G R Gray,B Div.Varied Applications of Invert Emulsion Muds.1967,SPE2079A M Ezzat,S R Blattel.Solids-free Brine-in-Oil Emulsion for WellCompletion.1989

25、,SPE17161P Skalle and J Sveen.Emulsion Cement.1991,SPE23075A D Patel,L L C,F B Growcock.Reversible Invert Emulsion Drilling Fluids:Controlling Wettability and Minimizing Formation Damage.1999,SPE54764M A Dick,L L C Etc.Reversible Invert Emulsion System Used to Significantly Increase Water Injectio R

26、ates in an Open Hole,Stand-Alone Screen Completion inWest Africa.2003 SPE 82278A D Patel,L L C.Reversible Invert Emulilsion Fluid Drilling Fluids-A Quantum Leap in Technology.1999,SPE59479Patrick Kenny,And Terry Hemphill.Hole-Cleaning Capabilities of an Easter-Based Drilling Fluid System.1996,SPE 28

27、308Terry Hemphill,and T.I.Larsen. Hole-Cleaning Capabilities of Water-and Oil-Based Drilling Fluids:A Comparative Experimental Study.1996,SPE 26328GS.Charlson,R.A.DeRuiter,A.PSpence,and H.R.Warner.Appliction of Oil-Based-Mud Pressure Coring to the Determination of In-Situ Water Saturations.1997,SPE

28、28595H.R.WarnerJr,and J.J.Rathmell.Mechanisms Controlling FItration at the Core Bit for Oil-Based Muds.1996,SPE 28596J.M.Darison,M.Jones,C.E.Shuchart,and C.Gerard. Oil-Based Muds for Reservoir Drilling:Their Performance and Cleanup Characteristic.2001,SPE 72063J Durrieu,D E Clark,F Aubry.Invert Emul

29、sion Fluid System with Enhanced Rate of Biodegradation.Part2.2003,SPE80559;T C Green,M-I L L C,J A Headley etc.Minimizing Formation Damage with a Reversible Invert Emulsion Drill-in Fluid.2001,SPE 72283J-N.Yan,J.L.Menezes,and Mukul M.Sharma Wettability Alteration Caused by Oil-based Muds and Mud Com

30、ponents.1993,SPE Drilling & Completion V)l.8 No.1-4 INDEXEd Malachosky,B.E.Shannon,J.E.Jackson,and W.GAubert Offshore Disposal of Oil-based Drilling-Fluid Waste:An Environmentally Acceptable Solution.1993,SPE Drilling & Completion V)l.8 No.1-4 INDEXDi Jiao and M.M.Sharma. Dynamic Filtration of Invert-Emulsion Muds. 1993,SPE Drilling &