淺析表面活性劑在鉆井液中的作用

泮偉 劉四麗

摘 要：隨著鉆探技術(shù)的發(fā)展，基于表面活性劑研發(fā)的鉆井液處理劑名目繁多。文章從鉆井液性能入手，分析了表面活性劑對鉆井液的潤濕、穩(wěn)定、潤滑、抗溫、乳化、消泡、起泡等的作用機(jī)理，具有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：表面活性劑；鉆井液；協(xié)同作用

1 概述

我國“最深大陸科鉆”“松科2井”于2014年4月13號開鉆，其設(shè)計(jì)井深6400米，是我國目前最深的科學(xué)鉆井，預(yù)計(jì)2016年全面完成鉆探取芯任務(wù)。鉆探技術(shù)的不斷發(fā)展，對鉆井液提出了更高的要求，而鉆井液新技術(shù)的發(fā)展依賴于鉆井液中處理劑的研制。表面活性劑作為鉆井液中最常用的處理劑，在提高鉆井液粘度、整體穩(wěn)定、潤滑減阻等性能方面有著不可超越的優(yōu)勢。表面活性劑具有固定的親水親油基團(tuán)，加入溶液中親水基與水分子結(jié)合，疏水劑遠(yuǎn)離水分子，表面活性劑形成定向排列，同時(shí)能顯著降低溶液的表面張力。因此，在鉆井液中加入量很少量時(shí)就能大大地降低溶劑（一般是水）的表面張力（或液液界面張力），改變體系界面狀態(tài)，從而產(chǎn)生潤濕或反潤濕、乳化或破乳、氣泡或消泡等一系列作用的物質(zhì)。文章從鉆井液性能入手，淺析了表面活性劑的各種作用效果。

2 表面活性劑的作用

2.1 濕潤、均一穩(wěn)定作用

常規(guī)的鉆井泥漿采用定量膨潤土與水混合攪拌，但是由于土顆粒不溶于水，混合后常常導(dǎo)致水土分層，水對土顆粒的潤濕作用不大。此時(shí)，于泥漿中加入一定比例含量的表面活性劑，通過減小表面張力，增加水在土顆粒表面的分布面積，達(dá)到充分濕潤的作用。同時(shí)，表面活性劑的兩親性將土顆粒和水的直接接觸改變?yōu)樗c親水基、土與疏水基的接觸，像一條紐帶將兩者結(jié)合，大大降低了水土分層的現(xiàn)象，能夠使整個(gè)泥漿體系均一穩(wěn)定、增加鉆井液粘度、降低失水率。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)[1]，添加表面活性劑后泥漿的膠體率可由70%提高到90%以上，表觀粘度可增加6～10mPa·s，濾失量降低5～10ml。木質(zhì)素磺酸鹽、單寧栲膠、丙烯酰胺、磺甲基酚醛樹脂等均具有一定的調(diào)節(jié)流型、降低濾失量作用。

2.2 潤滑減阻作用

孔壁巖石和金屬鉆桿的表面都是親水的高能表面，當(dāng)含表面活性劑的鉆井液在孔內(nèi)循環(huán)時(shí)，活性劑水溶液中的具有兩親結(jié)構(gòu)的表面活性劑便吸附在金屬鉆桿-水和巖石-水的界面上。當(dāng)鉆桿柱高速回轉(zhuǎn)時(shí)，變金屬鉆桿和巖石表面間的直接摩擦為表面活性劑憎水端間的吸附摩擦，猶如機(jī)械軸承間注入潤滑油后變干摩擦為潤滑油摩擦。另外，鉆探深度的增加對鉆井液比重提出更高的要求，重晶石是常用的加重劑，添加加重劑后鉆井液體系對機(jī)械磨損加大，實(shí)驗(yàn)證明[2]，表面活性劑可吸附在金屬表面，大大改善重晶石高密度鉆井液對金屬表面的磨損。烷基芳基磺酸鹽、煤油烴基磺酸和磺化瀝青、月桂酸聚氧乙烯醋和辛基酚聚氧乙烯醚等均具有一定的潤滑減阻作用。

2.3 穩(wěn)定體系pH值

鉆井液pH 值一方面影響各處理劑在鉆井液中的效果，降低鉆井液的工作性能；另一方面還會(huì)加重鉆具的腐蝕，造成一些偶然的鉆井事故。添加處理劑常常導(dǎo)致鉆井液pH值的降低，如何穩(wěn)定體系pH值在可控范圍內(nèi)顯得尤為重要。一般水基泥漿體系復(fù)配前鉆井液體系pH約6～7，加入各種添加劑后pH在10左右，隨著鉆井液老化時(shí)間的增加，pH會(huì)逐漸降低。劉東明等人[3]，實(shí)驗(yàn)證實(shí)：陰離子表面活性劑ABS、AS對飽和鹽水鉆井液的pH值變化具有一定的穩(wěn)定作用，同時(shí)復(fù)配表面活性劑能夠產(chǎn)生一定的協(xié)同效應(yīng)，使復(fù)配劑效果往往優(yōu)于相同條件下單一表面活性劑的使用效果，如ABS和OP-10或OP-10和Span-80的復(fù)配。

2.4 抗高溫、抗污染作用

深部鉆探鉆遇地質(zhì)條件復(fù)雜，地溫梯度高達(dá)3.6/100m，溫度的升高使鉆井液體系流動(dòng)性變差，高塑性黏度和動(dòng)切力使環(huán)空壓耗增大，甚至造成塌孔等事故。表面活性劑對鉆井液體系的穩(wěn)定作用尤其表現(xiàn)在高溫環(huán)境下，包括對聚氨、聚磺鉆井液體系的，各種實(shí)驗(yàn)均有證明。在油田常用的聚磺鉆井液中加入表面活性劑SK，通過熱滾回收實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)[4]，SK能夠增加鉆井液中固相顆粒的分散度，提高鉆井液體系穩(wěn)定性，同時(shí)表明張力系數(shù)也隨SK加量的增加而降低。

2.5 乳化作用

表面活性劑的乳化作用使水油兩種不相溶物質(zhì)形成穩(wěn)定的乳狀液。水油體系要達(dá)到互溶穩(wěn)定，表面活性劑的兩親結(jié)構(gòu)是基礎(chǔ)。當(dāng)攪拌時(shí)，它吸吸附在油珠和水的界面上，降低油水界面張力，同時(shí)在油水界面上的兩側(cè)形成兩個(gè)溶劑化吸附層，即形成界面膜，阻止油珠的合并，當(dāng)用離子型表面活性劑時(shí)，油珠間還存在著雙電層斥力。這樣，油珠便穩(wěn)定地分散在乳液。如今，逆乳化鉆井液也有廣泛應(yīng)用，油包水型鉆井液向水包油型轉(zhuǎn)化，后期加入表面活性劑還可逆化成油包水型，2000年左右最早在美國應(yīng)用[5]。具乳化作用的表面活性劑有脂肪酸皂、C12～20的烷基苯磺酸、石油磺酸鈉等。

2.6 起泡和消泡作用

低壓地層、易漏易塌地層中常用到泡沫鉆井液，有的鉆探現(xiàn)場為了更好地傳遞壓力又需要消除泡沫。因此，起泡劑和消泡劑的應(yīng)用也很普遍。起泡時(shí)，一般靠強(qiáng)烈攪拌或把壓縮空氣通入水中形成泡沫，但是泡沫需要穩(wěn)定持久就要加入定量的起泡劑，將水相和氣相結(jié)合在一起。不需要起跑時(shí)，加入定量的消泡劑即可達(dá)到效果。常用的發(fā)泡劑為十二烷基苯磺酸鈉，消泡劑有甘油聚醚、丙三醇聚醚等。

3 結(jié)束語

表面活性劑在鉆井液中的應(yīng)用極為廣泛，一種表面活性劑常具有多種功效，因此選用時(shí)注意劑種優(yōu)選及選劑之間的協(xié)同作用，常能發(fā)揮較好性能，達(dá)到降低成本的作用。

參考文獻(xiàn)

[1]泮偉，烏效明.長距離城市地下管線潤滑護(hù)壁泥漿配方應(yīng)用[J].非開挖技術(shù)會(huì)議論文集，2011.

[2]韓成，邱正松，黃凱文，等.表面活性劑與加重材料相互作用對鉆井液性能的影響[J].鉆井液與完井液，2014.

[3]劉東明，黃進(jìn)軍，王瑞蓮，等.鉆井液pH值的影響因素研究[J].油田化學(xué)，2007.

[4]張廣峰，王勁松，李云貴，等.用表面活性劑提高聚磺鉆井液的抗高溫和抗污染能力[J].鉆井液與完井液，2009.

[5]蘇秀純，趙慶，馬穎潔.可逆的逆乳化鉆井液[J].國外油田工程，2001.

作者簡介：泮偉，女（漢族），碩士，畢業(yè)于中國地質(zhì)大學(xué)（武漢），現(xiàn)從事地質(zhì)工程專業(yè)教學(xué)工作。