油基鉆井液潤濕劑評(píng)價(jià)新方法

李炎軍，胡友林，吳江，張萬棟，廖奉武，岳前升

(1.中海石油（中國）有限公司湛江分公司，廣東湛江524057；2.長江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北武漢430100；3.長江大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北荊州434023）

潤濕劑的評(píng)價(jià)方法主要有潤濕接觸角法和重晶石沉降體積法等方法。潤濕接觸角法是評(píng)價(jià)潤濕劑改變固體表面潤濕性的一種較直觀簡(jiǎn)便的方法，接觸角法用玻璃來代表親水性固體表面，所得到的測(cè)試結(jié)果是基于玻璃表面性質(zhì)的，這是與油基鉆井液中親水性固體如重晶石、泥巖鉆屑等明顯不同的，所以用玻璃代表親水性固體所選擇的潤濕劑未必適用于重晶石親水性表面改性[1-3]。吳超、田榮劍等提出重晶石在不同潤濕劑的油溶液中最終沉降體積法，該方法是將重晶石粉體視為毛細(xì)管束，根據(jù)不同潤濕劑的油溶液中重晶石粉體最終沉降穩(wěn)定體積的大小，來評(píng)價(jià)潤濕劑的潤濕性能，重晶石粉體的沉降穩(wěn)定體積越小，潤濕劑潤濕性能越好[4]，這種評(píng)價(jià)方法雖簡(jiǎn)單易行，但是僅僅采用重晶石粉體最終的沉降穩(wěn)定體積大小差異的評(píng)價(jià)指標(biāo)相對(duì)比較單一。接觸角法和重晶石沉降穩(wěn)定體積法均是在常溫下進(jìn)行的，潤濕劑在常溫的性能并不能代表其在井下高溫的性能，該兩種方法均未考慮高溫影響潤濕劑在重晶石顆粒表面的吸附及其潤濕性能，同時(shí)未結(jié)合油基鉆井液的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工藝條件，缺乏對(duì)潤濕劑的抗溫性評(píng)價(jià)。為了全面評(píng)價(jià)油基鉆井液潤濕劑的性能，克服現(xiàn)有潤濕劑評(píng)價(jià)方法的不足,因此，亟需建立一種簡(jiǎn)單易行、多評(píng)價(jià)參數(shù)及結(jié)合油基鉆井液現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工藝條件的潤濕劑評(píng)價(jià)新方法。

1 油基鉆井液潤濕劑評(píng)價(jià)新方法

1.1 評(píng)價(jià)方法原理

潤濕劑在重晶石顆粒表面發(fā)生吸附，當(dāng)重晶石顆粒的表面由親水性轉(zhuǎn)化為弱親水性或親油性時(shí)，使重晶石顆粒之間產(chǎn)生的固—固摩擦以及重晶石粉體與油之間產(chǎn)生固—液摩擦，改變?yōu)闈櫇駝┓菢O性端之間或油膜之間的摩擦，重晶石顆粒表面的親油性越強(qiáng)，重晶石顆粒之間摩擦力以及重晶石顆粒與油相的摩擦力越小，油的塑性黏度越??；由于潤濕劑改變了重晶石顆粒表面的親水性，使得重晶石顆粒在沉降時(shí)受到的流動(dòng)阻力不同，重晶石顆粒表面親油性越強(qiáng)則其沉降阻力越小，重晶石顆粒沉降速率越大，反之，重晶石顆粒沉降速率越小；重晶石顆粒在油中沉降時(shí)形成了若干類似毛細(xì)管的通道，重晶石的親油性越強(qiáng)，最終被束縛在重晶石沉降體積中的液相越少，重晶石顆粒最終的沉降穩(wěn)定體積越小，反之，重晶石顆粒的沉降體積越大[5-6]。因此，可以基于油相塑性黏度、重晶石顆粒在油中沉降速率、重晶石顆粒在油中的最終沉降體積等多參數(shù)評(píng)價(jià)油基鉆井液潤濕劑的潤濕性能，塑性黏度越小、重晶石顆粒沉降速度越大以及重晶石顆粒最終沉降體積越小，潤濕劑的潤濕性能越好。

1.2 評(píng)價(jià)方法

根據(jù)塑性黏度、重晶石顆粒在油中的沉降速率、重晶石顆粒在油中的沉降體積等參數(shù)，建立一種簡(jiǎn)單易行、多評(píng)價(jià)參數(shù)及結(jié)合油基鉆井液現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工藝的油基鉆井液潤濕劑的評(píng)價(jià)新方法。實(shí)驗(yàn)步驟如下。

①改性重晶石的制備。在300 mL蒸餾水中加入6.0 g潤濕劑，以11 000 r/min高速攪拌30 min后，緩慢加入 100.0 g 鉆井液用重晶石 ,以 11 000 r/min高速攪拌60 min后倒入老化罐中，在一定溫度下熱滾16 h，取出老化罐冷卻至室溫，將重晶石懸浮體過濾，得到潤濕劑改性后的重晶石粉體，并將其置于烘箱中在一定溫度下烘干24 h待用。

②在體積為300 mL的26號(hào)白油中加入100.0 g重晶石顆粒（潤濕劑改性和未經(jīng)潤濕劑改性），并以 11 000 r/min 的速度高速攪拌 30 min 后，并以11 000 r/min 的速度高速攪拌 30 min 后，倒入老化罐中，在一定溫度下熱滾16 h。

③取出老化罐冷卻至室溫，并以11 000 r/min的速度高速攪拌30 min后，立即用六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)定懸浮體的φ600和φ300，測(cè)試程序參照GB/T 16783.2—2012執(zhí)行。

④將上述重晶石懸浮體再以11 000 r/min的速度高速攪拌30 min后倒入量筒中，在倒入的同時(shí)用秒表記錄重晶石懸浮體從倒入量筒至最終沉降量筒底部所用的時(shí)間以及重晶石顆粒最終沉降體積。

⑤根據(jù)測(cè)定懸浮體的φ600和φ300計(jì)算重晶石懸浮體的塑性黏度（mPa·s）；根據(jù)記錄重晶石懸浮體從倒入量筒至最終沉降至量筒底部所用的時(shí)間計(jì)算重晶石顆粒沉降速率，沉降速率為重晶石顆粒質(zhì)量（mg）與時(shí)間（s）的比值。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 塑性黏度

根據(jù)所建立的油基鉆井液潤濕劑的評(píng)價(jià)新方法，測(cè)定含有重晶石顆粒懸浮液的塑性黏度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。由表1可知，潤濕劑改性后的重晶石懸浮液的塑性黏度低于未改性重晶石懸浮液的塑性黏度，主要是因?yàn)闈櫇駝┰谥鼐w粒表面吸附，使重晶石顆粒的表面由親水性轉(zhuǎn)化為弱親水性或親油性，重晶石顆粒之間產(chǎn)生的固-固摩擦以及重晶石粉體與油之間產(chǎn)生的固-液摩擦，改變?yōu)闈櫇駝┓菢O性端之間或油膜之間的摩擦。3種潤濕劑改性后重晶石懸浮液的塑性黏度隨熱滾溫度升高而增大，表明3種潤濕劑的潤濕性能隨著溫度升高而降低。由懸浮液塑性黏度參數(shù)可知，潤濕劑C的潤濕性能相對(duì)較好，潤濕劑A的潤濕性能次之，潤濕劑B的潤濕性能相對(duì)較差。

表1 含有重晶石顆粒懸浮液的塑性黏度評(píng)價(jià)

2.2 沉降速率

根據(jù)所建立的油基鉆井液潤濕劑的評(píng)價(jià)新方法，記錄重晶石顆粒沉降時(shí)間，計(jì)算重晶石顆粒沉降速率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖1。

圖1 重晶石顆粒的沉降速率

由圖1可知，潤濕劑改性后的重晶石的沉降速率明顯大于未改性重晶石的沉降速率，主要是因?yàn)闈櫇駝┰谥鼐w粒表面發(fā)生吸附，使得重晶石顆粒在沉降時(shí)受到的流動(dòng)阻力不同，重晶石顆粒表面親油性越強(qiáng)沉降阻力越小，重晶石顆粒沉降速率越大，重晶石表面親油性越弱則沉降阻力越大，重晶石顆粒沉降速率越小。3種潤濕劑改性后重晶石顆粒沉降速率隨熱滾溫度升高而減小，表明3種潤濕劑的潤濕性能隨著溫度升高而降低。由沉降速率評(píng)價(jià)參數(shù)可知，潤濕劑C的潤濕性能相對(duì)較好，潤濕劑A的潤濕性能次之，潤濕劑B的潤濕性能相對(duì)較差。

2.3 沉降體積

根據(jù)所建立的油基鉆井液潤濕劑的評(píng)價(jià)新方法，記錄重晶石顆粒最終沉降體積，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2 重晶石顆粒的最終沉降體積

由圖2可知，潤濕劑改性后的重晶石的最終沉降體積明顯小于未改性重晶石的最終沉降體積，主要是因?yàn)闈櫇駝┰谥鼐w粒表面發(fā)生吸附，改變了重晶石顆粒表面潤濕性，重晶石顆粒表面憎水性越強(qiáng)，被束縛在重晶石顆粒沉降時(shí)形成毛細(xì)管通道中的油相就越少，重晶石顆粒最終的沉降體積越小。3種潤濕劑改性后重晶石顆粒最終沉降體積隨熱滾溫度升高而增大，表明3種潤濕劑的潤濕性能隨著溫度升高而降低。由最終沉降體積評(píng)價(jià)參數(shù)可知，潤濕劑C的潤濕性能相對(duì)較好，潤濕劑A的潤濕性能次之，潤濕劑B的潤濕性能相對(duì)較差。

2.4 接觸角法

采用HARKE-SPCA視頻接觸角測(cè)定儀測(cè)定蒸餾水與經(jīng)潤濕劑處理后云母片表面的接觸角[7]，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，經(jīng)潤濕劑C處理的接觸角最大，經(jīng)潤濕劑A處理次之，經(jīng)潤濕劑B處理的相對(duì)最小，接觸角越大，固體表面的親油性越強(qiáng)，接觸角評(píng)價(jià)法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與采用塑性黏度、沉降速率以及最終沉降體積等參數(shù)評(píng)價(jià)潤濕劑實(shí)驗(yàn)結(jié)果的規(guī)律具有一致性，證明了所建立的油基鉆井液潤濕劑評(píng)價(jià)新方法具有可行性。潤濕接觸角測(cè)量方法要求固體表面必須足夠致密和光滑，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的重復(fù)性和準(zhǔn)確性影響因素較多，而建立的油基鉆井液潤濕劑評(píng)價(jià)新方法簡(jiǎn)單易行，采用了多評(píng)價(jià)參數(shù)以及結(jié)合了油基鉆井液現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工藝條件評(píng)價(jià)潤濕劑性能。

圖3 不同潤濕劑溶液處理后的接觸角

2.5 油基鉆井液性能

在油基鉆井液中加入不同的潤濕劑，測(cè)其150℃熱滾16 h后的性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 在油基鉆井液中加入2%不同潤濕劑熱滾（150 ℃、16 h）后的性能

由表2可知，在油基鉆井液中加入潤濕劑后，鉆井液的表觀黏度、塑性黏度降低、高溫高壓濾失量降低及破乳電壓增大，而動(dòng)切力基本無變化。主要是因?yàn)樵谟突@井液中加入潤濕劑后改變了重晶石表面的潤濕性，重晶石顆粒之間產(chǎn)生的固-固摩擦以及重晶石粉體與油之間產(chǎn)生固-液摩擦，改變?yōu)闈櫇駝┓菢O性端之間或油膜之間的摩擦，重晶石顆粒表面的親油性越強(qiáng)，重晶石顆粒之間摩擦力以及重晶石顆粒與油相的摩擦力越小，油基鉆井液的表觀黏度和塑性黏度越??；加入潤濕劑后油基鉆井液高溫高壓濾失量的降低和破乳電壓的增大，主要是因?yàn)闈櫇駝┨岣吡擞突@井液的穩(wěn)定性。從油基鉆井液流變性、破乳電壓以及濾失量來看，潤濕劑C的潤濕性能相對(duì)較好，其次為潤濕劑A，潤濕劑B相對(duì)較差。潤濕劑的加入影響油基鉆井液性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果與采用塑性黏度、沉降速率以及最終沉降體積等參數(shù)評(píng)價(jià)潤濕劑實(shí)驗(yàn)結(jié)果的規(guī)律具有一致性，進(jìn)一步證明了所建立的油基鉆井液潤濕劑評(píng)價(jià)新方法具有可行性。

3 結(jié)論

1.基于油相塑性黏度、重晶石顆粒在油中沉降速率、重晶石顆粒在油中的最終沉降體積等多參數(shù)評(píng)價(jià)油基鉆井液潤濕劑的潤濕性能，塑性黏度越小、重晶石顆粒沉降速度越大以及重晶石顆粒最終沉降體積越小，潤濕劑的潤濕性能越好。

2.接觸角評(píng)價(jià)法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與采用塑性黏度、沉降速率以及最終沉降體積等參數(shù)評(píng)價(jià)潤濕劑實(shí)驗(yàn)結(jié)果的規(guī)律具有一致性，證明了所建立的油基鉆井液潤濕劑評(píng)價(jià)新方法具有可行性。

3.潤濕劑的加入影響油基鉆井液性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果與采用塑性黏度、沉降速率以及最終沉降體積等參數(shù)評(píng)價(jià)潤濕劑實(shí)驗(yàn)結(jié)果的規(guī)律具有一致性，進(jìn)一步證明了所建立的油基鉆井液潤濕劑評(píng)價(jià)新方法具有可行性。

4.建立的一種簡(jiǎn)單易行、多評(píng)價(jià)參數(shù)及結(jié)合油基鉆井液現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工藝條件的潤濕劑評(píng)價(jià)新方法能有效評(píng)價(jià)油基鉆井液潤濕劑的潤濕性能。