適用于柴油基鉆井液的前置液用表面活性劑優(yōu)選方法

歐紅娟 李 明 辜 濤 柳洪華 楊 燕 郭小陽

1.西南石油大學(xué)材料學(xué)院 2.“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué) 3.中國石油冀東油田鉆采工藝研究院

適用于柴油基鉆井液的前置液用表面活性劑優(yōu)選方法

歐紅娟1,2李 明1,2辜 濤2柳洪華2楊 燕3郭小陽2

1.西南石油大學(xué)材料學(xué)院 2.“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué) 3.中國石油冀東油田鉆采工藝研究院

采用前置液有效驅(qū)替油基鉆井液是提高頁巖氣井固井質(zhì)量的關(guān)鍵，表面活性劑則是決定前置液驅(qū)替效果的關(guān)鍵。目前，單純以清洗效率為指標(biāo)考慮工程性能來優(yōu)選表面活性劑，工作量大且有一定的盲目性。因此，開展了基于表面活性劑特性的優(yōu)選方法研究：①確定了清洗效率較高的表面活性劑離子類型和HLB值范圍；②確定潤濕滲透柴油基鉆井液表面所需的臨界表面張力γc；③從表面活性劑表面張力和臨界膠束濃度(CMC值)進(jìn)行優(yōu)選；④將材料研究與工程模擬評(píng)價(jià)相結(jié)合，最終確定一套適用于柴油基鉆井液的前置液表面活性劑優(yōu)選方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，適用于柴油基鉆井液的前置液用表面活性劑應(yīng)滿足以下特性：①應(yīng)選用非離子或陰離子表面活性劑，且HLB值應(yīng)在12～15；②表面活性劑的較優(yōu)加量應(yīng)接近或大于表面活性劑的臨界膠束濃度；③表面活性劑的γlg(溶液表面張力)應(yīng)小于或接近潤濕柴油基鉆井液表面的γc(臨界表面張力為25～27 mN/m)，此時(shí)，前置液的清洗效率較高。該方法可為表面活性劑的優(yōu)選提供指導(dǎo)，有助于提高頁巖氣井固井質(zhì)量。

頁巖氣 水平井 柴油基鉆井液 表面活性劑 臨界表面張力 清洗效率 優(yōu)選方法

近年來，油基鉆井液已在頁巖氣井和復(fù)雜深井中廣泛應(yīng)用，解決了鉆進(jìn)過程中遇到的許多復(fù)雜難題[1-5]。油基鉆井液對固井提出的挑戰(zhàn)在于：①油基鉆井液黏度高、附著力強(qiáng)，常規(guī)水基前置液對其清洗和驅(qū)替效果差；②頁巖氣井一般為水平井，水平段窄間隙處和不規(guī)則井段易滯留鉆井液；③水泥漿與油基鉆井液間不具有相容性，接觸污染嚴(yán)重，混漿段抗壓強(qiáng)度低，水泥環(huán)膠結(jié)質(zhì)量差[6-9]。用針對油基鉆井液的前置液是解決上述問題的主要技術(shù)，如國外Nilsson、Ryan和Juan等，國內(nèi)李銀素、譚春勤和趙常青等所研發(fā)的針對油基鉆井液的不同類型表面活性劑前置液[10-15]。表面活性劑是決定前置液性能的關(guān)鍵。目前，表面活性劑的優(yōu)選是單純以清洗效率為指標(biāo)考慮工程性能來評(píng)選，基本未考慮表面活性劑的材料特性，存在盲目性、工作量大等問題。因此，本研究從表面活性劑劑自身特性出發(fā)，研究一套將材料特性與工程模擬評(píng)價(jià)相結(jié)合的表面活性劑評(píng)價(jià)優(yōu)選方法，對指導(dǎo)前置液研發(fā)和提高固井質(zhì)量有重要意義。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

懸浮劑GYW201(成都川峰化學(xué)工程有限責(zé)任公司)；懸浮劑GYW301(成都川峰化學(xué)工程有限責(zé)任公司)；20種表面活性劑(Ecogreen公司)；油基鉆井液皆為現(xiàn)場取樣。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

臨界表面張力測試方法：配制不同表面張力的表面活性劑溶液，分別測定對浸泡油基鉆井液后接觸面的5個(gè)不同位置的接觸角，去除最高、最低接觸角，對剩余3點(diǎn)不同位置的γlg(溶液表面張力)與cosθ(溶液對油基鉆井液表面潤濕角的余弦值)作圖，圖中擬合直線與cosθ=1軸交點(diǎn)所對應(yīng)的表面張力γlg求取平均值，該平均值稱為潤濕油基鉆井液表面的臨界表面張力γc[16]。

表面張力按GB/T 22237-2008《表面活性劑 表面張力的測定》中的平板法進(jìn)行測試；臨界膠束濃度按GB/T 11276-2007《表面活性劑 臨界膠束濃度的測定》中的表面張力與對數(shù)濃度關(guān)系進(jìn)行測試。

清洗效率評(píng)價(jià)方法：采用旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)法，同時(shí)將黏度計(jì)的不銹鋼轉(zhuǎn)筒用套管鋼代替，不改變尺寸的前提下封堵底部開口。實(shí)驗(yàn)時(shí)首先稱量改造后的干凈轉(zhuǎn)筒質(zhì)量W1；然后將轉(zhuǎn)筒放入油基鉆井液中浸泡20 min，靜滴至干后稱量W2；最后將沾滿鉆井液的轉(zhuǎn)筒在沖洗前置液中以300 r/min轉(zhuǎn)速?zèng)_洗10 min后，靜滴至干，稱量W3。

清洗效率η=[(W2-W3)/(W2-W1)]×100%

(1)

2 基于表面活性劑特性的優(yōu)選方法研究

表面活性劑通過對油基鉆井液的潤濕滲透、增溶及乳化分散等作用提高其清洗能力[17]。一般規(guī)律為，表面活性劑HLB值越大，沖洗和潤濕界面作用越強(qiáng)。根據(jù)清洗效率較高的HLB值范圍縮小表面活性劑種類的選擇。表面活性劑能降低油基鉆井液黏附層與前置液的界面張力[18]，當(dāng)前置液的表面張力低于或接近油基鉆井液黏附層的臨界表面張力時(shí)，溶液易在油基鉆井液黏附層表面鋪展?jié)櫇?，從而通過油基鉆井液黏附層滲入井壁和套管壁表面，將井壁和套管壁表面潤濕，在表面活性劑的作用下將黏附的油基鉆井液撕裂和卷離，變?yōu)樾〉挠椭椋源颂岣咔逑葱?。因此，可測定潤濕滲透柴油基鉆井液表面的臨界表面張力作為選擇表面活性劑的定性標(biāo)準(zhǔn)[19]。當(dāng)表面活性劑濃度超過某個(gè)臨界值后，去污能力不再增加，即臨界膠束濃度(CMC值)可作為表面活性劑較優(yōu)加量濃度[20]。所以，本研究從表面活性劑的離子類型、HLB值、臨界膠束濃度、表面張力4方面主要特性入手，建立一套結(jié)合材料特性和工程性能評(píng)價(jià)的選擇方法，優(yōu)選出高效前置液用表面活性劑。

2.1 離子類型

非離子型表面活性劑的去污力、耐硬水性、抗污染性、耐電解質(zhì)能力較強(qiáng)；陽離子型表面活性劑易在地層發(fā)生吸附、沉淀，形成油潤濕表面；陰離子表面活性劑潤濕滲透和清洗能力強(qiáng)，但易與溶液中其他離子發(fā)生結(jié)合，影響清洗效果；兩性離子表面活性劑的結(jié)構(gòu)中含有正、負(fù)電荷，這種特殊結(jié)構(gòu)使其具有良好的生物降解性、配伍性、潤濕性和洗滌性，但價(jià)格昂貴[21]。綜上所述，前置液所用的表面活性劑應(yīng)主要考慮非離子型和陰離子型表面活性劑。

2.2 HLB值

從分子結(jié)構(gòu)上看，表面活性劑是由親水基團(tuán)和親油基團(tuán)組成的兩親分子[22]。表面活性劑HLB值與性質(zhì)對應(yīng)關(guān)系如圖1所示。從圖1可以看出，油基鉆井液條件下的前置液需要發(fā)揮表面活性劑的去污、潤濕和增溶作用。因此，選用了HLB值在8～18之間的20種表面活性劑，分別測試其水溶液對柴油基鉆井液的清洗效率。

不同HLB值的表面活性劑水溶液與柴油基鉆井液清洗效率對應(yīng)關(guān)系如圖2所示。由圖2可以看出，表面活性劑水溶液對柴油基鉆井液的清洗效率隨表面活性劑HLB值增大而增大，當(dāng)HLB值達(dá)到一定值后，表面活性劑水溶液對柴油基鉆井液的清洗效率逐漸降低。清洗效率較高的HLB值范圍在12～15，在此范圍內(nèi)，初選出4種不同表面活性劑BHJ-1、BHJ-2、BHJ-3和BHJ-4進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)研究。其中，BHJ-1和BHJ-3為非離子表面活性劑，BHJ-2和BHJ-4為陰離子表面活性劑。

2.3 柴油基鉆井液的臨界表面張力

選取2種現(xiàn)場在用柴油基鉆井液和0號(hào)柴油分別進(jìn)行測試(VERSACLEAN柴油基鉆井液體系：柴油+主乳化劑VERSAMUL+輔乳化劑VERSACOAT+有機(jī)土VERSAGEL HT等；UDM-2柴油基鉆井液體系：柴油+主乳化劑INVERMUL-NT+輔助乳化劑EZ-MUL NT +潤濕劑DRILTREAT+防塌封堵劑BARABLOK等)，圖中擬合直線與cosθ=1軸交點(diǎn)所對應(yīng)的表面張力γlg稱為潤濕油基鉆井液表面的臨界表面張力γc，如圖3所示。

由圖3可以看出，隨表面張力降低，表面活性劑水溶液與柴油基鉆井液潤濕角逐漸降低。令cosθ=1，可以得到兩種不同柴油基鉆井液和0號(hào)柴油的臨界表面張力γc分別為26.934 mN/m、25.867 mN/m、26.496 mN/m；可得出柴油基鉆井液的臨界表面張力受體系外加劑影響較小，據(jù)此可估測柴油基鉆井液的臨界表面張力的范圍大致為25～27 mN/m。

2.4 表面活性劑的表面張力與臨界膠束濃度

表面活性劑溶液的表面張力越低，越容易潤濕滲透油基鉆井液黏附層，產(chǎn)生清洗作用[23]。表面活性劑的臨界膠束濃度是指界面上表面活性劑分子達(dá)到飽和，多余分子在溶液中聚集形成膠束[24]，油污可以溶于膠束中，從而實(shí)現(xiàn)增溶作用的最低加量濃度[25]。因此，測試了4種不同濃度表面活性劑水溶液的表面張力，可得出各表面活性劑的最低表面張力與臨界膠束濃度(CMC值)。如圖4所示。

從圖4可以看出，溶液表面張力隨表面活性劑濃度增加急劇下降。當(dāng)濃度達(dá)到一定值后，由于BHJ-3和BHJ-1表面活性劑純度不高，出現(xiàn)了溶液表面張力先降低后緩慢增加的現(xiàn)象；而BHJ-2和BHJ-4表面活性劑溶液的表面張力基本趨于恒定值。這4種表面活性劑對應(yīng)的最低表面張力值分別是γ(BHJ-1)=27.220 mN/m，γ(BHJ-2)=26.842 mN/m，γ(BHJ-3)=28.942 mN/m，γ(BHJ-4)=29.532 mN/m；臨界膠束濃度分別為CMC(BHJ-1)=0.25%, CMC(BHJ-2)=0.1%，CMC(BHJ-3)=0.05%，CMC(BHJ-4)=0.5%。

根據(jù)①溶液表面張力低于γc的溶液可以零度接觸角潤濕在接觸面上；對于溶液表面張力大于γc的溶液，越接近γc值，其浸油接觸面的潤濕滲透效果越好，有利于套管壁或井壁上殘余油基鉆井液的清洗；②CMC值越小，表面活性劑在溶液中形成膠團(tuán)所需的濃度愈低，使溶液表面張力降至最低值所需的濃度愈低。

綜上所述，可對比估測出以上4種表面活性劑的清洗油基鉆井液能力為：BHJ-2gt;BHJ-1gt;BHJ-3gt;BHJ-4。

2.5 清洗效率驗(yàn)證

對以上實(shí)驗(yàn)優(yōu)選出的表面活性劑進(jìn)行清洗效率的驗(yàn)證。分別配制表面活性劑前置液(基礎(chǔ)配方：水+2.5%(w)GYW201+0.8%(w)GYW301+表面活性劑)，測試不同表面活性劑前置液對油基鉆井液的清洗效率如圖5所示。

從圖5可以看出，隨著表面張力的降低，油基鉆井液的清洗效率逐漸增大，表面活性劑前置液的表面張力與其對油基鉆井液的清洗效率呈一定線性關(guān)系。當(dāng)表面張力越接近柴油鉆井液的臨界表面張力27 mN/m時(shí)，清洗效率越高，最高可達(dá)到100%。根據(jù)清洗效率測試驗(yàn)證，得出表面活性劑的清洗油基鉆井液能力為：BHJ-2gt;BHJ-1gt;BHJ-3gt;BHJ-4，符合基于表面活性劑特性優(yōu)選方法研究的估測結(jié)果。

2.6 優(yōu)選方法

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析，可以得出如圖6所示的一套結(jié)合材料特性與工程模擬評(píng)價(jià)方法，適用于柴油基鉆井液的前置液用表面活性劑優(yōu)選方法。

3 結(jié) 論

(1) 適用于柴油基鉆井液的前置液用表面活性劑應(yīng)滿足以下特性：①選用非離子或陰離子表面活性劑，HLB值應(yīng)在12～15；②表面活性劑的較優(yōu)加量應(yīng)接近于表面活性劑的臨界膠束濃度；③表面活性劑的γlg應(yīng)小于或接近浸泡潤濕油基鉆井液接觸面的γc，清洗效率較高。

(2) 將材料特性與工程模擬評(píng)價(jià)相結(jié)合，最終確定一套適用于油基鉆井液的前置液表面活性劑優(yōu)選方法，為不同類型油基鉆井液用表面活性劑的優(yōu)選提供指導(dǎo)，有助于提高頁巖氣井固井質(zhì)量。

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Optimizationofpreflushsurfactantindieselfuelbasedrillingfluid

OuHongjuan1,2,LiMing1,2,GuTao1,2,LiuHonghua2,YangYan3,GuoXiaoyang2

(1.SchoolofMaterialScienceandEngineering,SouthwestPetroleumUniversity,Chengdu610500,China; 2.StateKeyLaboratoryofOilandGasReservoirGeologyandExploitation,SouthwestPetroleumUniversity,Chengdu610500,China; 3.Drillingamp;ProductionTechnologyResearchInstitute,PetroChinaJidongOilfieldCompany,Tangshan063000,China)

Preflush effective displacing oil-base drilling fluid is the key to improve the cement quality of shale gas, and surfactant is the key to decide the displacing effective of preflush. Currently, optimizing surfactant only by cleaning efficiency as index to consider engineering performance is a heavy workload and has certain blindness. Therefore, researches of optimization method depending on surfactant properties were carried out. Firstly, the ion type and HLB value extent of surfactants with context higher cleaning efficiency were determined. Secondly, the critical surface tensionγcrequired by surface of wetting and penetrating diesel fuel based drilling fluid were ensured. Thirdly, the surfactants were optimized by combining surface tension of surfactant with CMC values. Fourthly, combining the material research with engineering evaluation, a set of optimization method suitable for preflush surfactants of diesel fuel base drilling fluid was determined. Experimental results showed that preflush surfactants of diesel fuel base drilling fluid should meet the following characteristics:①non-ionic/anionic surfactants should be used, and the HLB value should be 12～15; ②optimum dosages of the surfactant should be close to or over the critical micelle concentration of the surfactant; ③the surface tensionγlgof surfactant should be less than or close to the soaking surfaces of oil-based drilling fluidγc(the critical surface tension=25～27 mN/m), and the cleaning efficiency of preflush is higher. This method can provide guidance for optimization of surfactants, and help to improve the cementing quality of shale gas well.

shale gas, horizontal wells, diesel fuel base drilling fluids, surfactant, critical surface tension, cleaning efficiency, optimization method

國家973項(xiàng)目課題“頁巖氣水平井鉆完井關(guān)鍵基礎(chǔ)研究”(2013CB228003)。

歐紅娟(1991-)，女，新疆石河子人，碩士研究生，從事油氣井固井水泥漿體系及外加劑研究工作。E-mail372932627@qq.com

李明(1977-)，男，博士，講師，主要從事固井材料與固井工程的教學(xué)與研究工作。E-mailswpulm@126.com

TE254+.4

A

10.3969/j.issn.1007-3426.2015.03.016

2014-09-25；編輯馮學(xué)軍