油基鉆井液潤濕劑室內(nèi)研究

牛曉磊，劉向君，羅陶濤，梁利喜，陳俊斌，歐陽偉

(1.西南石油大學(xué) 油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室，四川 成都 610500;2.川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院，四川 廣漢 618300 )

油基鉆井液是以油為外相的熱力學(xué)不穩(wěn)定多相體系［1］。為確保體系的穩(wěn)定性和各種性能的調(diào)節(jié)及控制，體系中的惰性固相必須具有強的親油性。對加重的油基鉆井液來說，加重材料、巖屑及惰性材料占很大一部分比例。這些材料大多數(shù)表面為親水性，他們的加入會使油基鉆井液的穩(wěn)定性發(fā)生破壞，同時在鉆井過程中油基鉆井液會受到地層親水性粘土的污染，而使鉆井液的性能變差。通常解決此類問題的方法是加入潤濕劑，使親水性顆粒表面的潤濕性發(fā)生改變，提高加重劑的懸浮性和減弱鉆屑等顆粒的聚集，防止在油基鉆井液中聚結(jié)和沉降［2］，并且它還具有用量少、效果顯著的優(yōu)點。通過室內(nèi)實驗，優(yōu)選出油基鉆井液潤濕劑并研究其加入到油基鉆井液中的性能。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

陽離子表面活性劑(CTAB)為化學(xué)純;甜菜堿型兩性離子表面活性劑(CQ-WZB，≥60%);生物表面活性劑(CQ-WBP)，自制。

DT-102 全自動界面張力儀;XED-SJP 靜滴接觸角測定儀;具塞試管(10 mL);電子天平(0.000 1 g)等。

1.2 實驗方法與結(jié)果分析

界面張力和潤濕角等是評價表面活性劑的重要參數(shù)。本文基于簡便、快速、可靠測定和優(yōu)選，主要用吊環(huán)法［3-4］、接觸角測量法和重晶石沉降實驗，最后將優(yōu)選的潤濕劑加入油基基漿中，通過對比老化前后鉆井液性能，評價各種潤濕劑對油基鉆井液性能的影響效果。

1.2.1 表面張力液體表面層的分子由于受力不平衡產(chǎn)生的向內(nèi)收縮的單位長度的力，即表面張力。將3 種潤濕劑配制成一定濃度梯度的水溶液，然后用全自動界面張力儀(DT-102)在室溫(25 ℃)下測其表面張力，測定結(jié)果見圖1。

圖1 潤濕劑的界面張力與含量關(guān)系Fig.1 Relationship between interfacial tension and content of wetting agent

由圖1 可知，3 種潤濕劑在剛開始時，隨著含量增加其界面張力逐漸降低，當(dāng)含量增加到一定程度時，含量增加，界面張力基本上保持不變。從3 條曲線對比來看，CQ-WZB 含量達到0.08%以后其界面張力基本保持在36 mN/m 左右，而CQ-WBP 達到此狀態(tài)時的含量為0.04%，其界面張力約為33.5 mN/m，CTAB 達到此狀態(tài)時的含量約為0.1%，其界面張力約為38 mN/m。3 種潤濕劑的表面活性不同，當(dāng)3種潤濕劑的含量相同時，CQ-WBP 的表面活性最強。

1.2.2 接觸角接觸角法是評價固體表面潤濕性的一種直觀簡便的方法，它是指過三相周界點對液滴界面所作切線與液固界面所夾的角。用液固平衡時的接觸角判斷表面潤濕性時，當(dāng)水溶液相的接觸角在0 ～60°(75°)，固體表面為親水表面;當(dāng)水溶液相的接觸角在180 ～105°(120°)，固體表面親油;當(dāng)水溶液相的接觸角在60°或75 ～105°(120°)，固體表面為中性潤濕。將3 種潤濕劑用蒸餾水配制成0.1%的水溶液，采用XED-SJP 靜滴接觸角測定儀測量潤濕劑與親水表面和親油表面的接觸角，用玻璃片(1#，2 cm×5 cm，親水表面)模擬親水表面，用涂過石蠟的玻璃片(2#，2 cm ×5 cm，親油表面)模擬親油表面，測試結(jié)果見表1。

由表1 可知，3 種潤濕劑水溶液的接觸角與蒸餾水相比，接觸角均有不同程度的減小，說明選取的3 種潤濕劑均能改變玻璃片的潤濕性，而且CQWBP 是3 種潤濕劑中改變親水和親油的玻片潤濕性最強的一種。

表1 接觸角的測量(25 ℃)Table 1 Contact angle measurement (25 ℃)

1.2.3 重晶石沉降實驗對于潤濕性較強的潤濕劑來說，在重晶石沉降過程中形成的毛細管通道中，由于潤濕劑對其顆粒表面親油性改變較大，從而油在通道中向上的流動阻力變小，被束縛在重晶石沉降體積中液相會變少，最終使得重晶石穩(wěn)定沉降體積較小;反之，重晶石的最終穩(wěn)定沉降體積較大。

根據(jù)文獻［5］介紹，將上述3 種潤濕劑配制預(yù)定濃度的柴油中，待潤濕劑在油相中充分溶解后，各取10 mL 倒入具塞試管中，再分別加入2 g 預(yù)先烘干的重晶石并使其均勻分散在油溶液中，然后將其靜置，經(jīng)24 h 后測量試管中沉降的重晶石體積，其結(jié)果見圖2、圖3。

圖2 24 h 后重晶石的沉降體積Fig.2 The settlement of barite volume after 24 h

圖3 24 h 后重晶石的沉降體積Fig.3 The settlement of barite volume after 24 h

由圖3 可知，經(jīng)24 h 靜置后，重晶石在相同含量的3 種潤濕劑油溶液中最終穩(wěn)定沉降體積不同;在同一潤濕劑不同含量的油溶液中，其穩(wěn)定沉降體積也不同，當(dāng)濃度達到1.5%時，沉降體積不再隨濃度而變化。3 種潤濕劑改變其親油性的效果不同，其中CQ-WBP 對重晶石顆粒表面親油性改變最大，油向上流動時的阻力最小，被重晶石束縛的液相體積最小，從而使最終的沉降體積最小。因此，3 種潤濕劑在改變重晶石等親水性物質(zhì)在油相中潤濕性能效果的強弱順序為:CQ-WBP ＞CQ-WZB ＞CTAB。1.2.4 潤濕劑對油基鉆井液性能的影響優(yōu)選的潤濕劑不僅具有高表面活性，還需和油基鉆井液配伍性好，它的加入能夠改善油基鉆井液的性能。將3 種潤濕劑加入油基基漿中，其基本性能見表2，基漿組分為:柴油(300 mL)+有機土(2%)+主乳化劑(2%)+輔乳化劑(1%)+提切劑(0.5%)+潤濕劑(3 種，各1. 5%)+ 降濾失劑(2%)+ GaCl2(75 mL)+重晶石加重到1.8 g/cm3。

表2 3 種潤濕劑對油基基漿性能的影響Table 2 Effect of three kinds of wetting agent on the properties of oil-based base slurry

在測試過程中發(fā)現(xiàn)，加有CQ-WBP 的鉆井液泥餅致密，薄而韌，均好于加有其他兩種潤濕劑鉆井液的泥餅。從表2 的實驗結(jié)果可以看出，3 種潤濕劑加入到油基鉆井液后，破乳電壓較高(即乳狀液穩(wěn)定)是加有潤濕劑CQ-WBP 和CQ-WZB 的油基鉆井液，API 濾失和高溫高壓濾失性能最好的是加有CQ-WBP 的油基鉆井液。從3 種油基鉆井液綜合性能可以看出，潤濕劑CQ-WBP 與油基鉆井液的配伍性良好，它的使用不但能夠增強重晶石表面親油能力，有利于鉆井液各種性能的調(diào)控，并且還具有一定的抗溫能力。

2 結(jié)論

(1)通過測定3 種潤濕劑的界面張力可以看出它們都有一定的潤濕性能，且含量不同，潤濕效果不同。隨含量增加，CTAB、CQ-WZB、CQ-WBP 潤濕效果達到穩(wěn)定狀態(tài)時的界面張力依次為:38，36，33.5 mN/m，對親油、親水玻片的潤濕性改變很大。

(2)將加有重晶石的含1. 5% 的CTAB、CQWZB、CQ-WBP 油溶液靜置24 h 后，重晶石最終穩(wěn)定沉降體積分別為:1.7，1.5，1.1 mL，其改變重晶石等親水性物質(zhì)在油溶液中的潤濕能力的強弱順序為:CQ-WBP ＞CQ-WZB ＞CTAB。

(3)3 種潤濕劑加入油基鉆井液后，CQ-WBP 與油基鉆井液配伍性最好，與其形成的油基鉆井液的綜合性能不但得到了改善，而且還具有一定的抗溫能力。

［1］ 李春霞，黃進軍，徐英.一種新型高溫穩(wěn)定的油基鉆井液潤濕反轉(zhuǎn)劑［J］. 西南石油學(xué)院學(xué)報，2002(5):22-24，4.

［2］ 吳超，田榮劍，羅健生，等.油基鉆井液潤濕劑評價［J］.西南石油大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2012(3):139-144.

［3］ 李艷紅，王升寶，常麗萍.表(界)面張力測定方法的研究進展［J］.日用化學(xué)工業(yè)，2007(2):102-106.

［4］ 奚新國.表面張力測定方法的現(xiàn)狀與進展［J］.鹽城工學(xué)院學(xué)報:自然科學(xué)版，2008(3):1-4.

［5］ 田榮建，王楠，李懷科，等.一種油基鉆井液潤濕劑的評價方法:CN，201010521882.8［P］.2010-10-21.