納米流體和兩性表面活性劑改善鉆井液性能實驗研究*

劉 寧，路向陽

（1.鄭州鐵路職業(yè)技術學院，河南 鄭州 451191；2.中原工學院，河南 鄭州 450007）

隨著油汽勘探領域不斷向“深地、深?！钡阮I域拓展，鉆井的深度也在不斷增大，鉆遇的地層狀況也更復雜，地層溫度也更高，因此，對鉆井液各項性能的要求越來越高。目前，常見的水基鉆井液是由一定量的膨潤土和一定比例的水混合攪拌，同時在鉆井液中加入適量的重晶石。但是由于膨潤土溶于水的性能較差，鉆井液常常會產生水土分層的現(xiàn)象，導致鉆井液的失水率較大，濾失性較差，同時在高溫高壓下，普通水基鉆井液的各項物理化學性質也會發(fā)生改變，導致鉆井效果變差，鉆井成本變高。目前，為改善水基鉆井液的性能，常見的方法是在水基鉆井液中加入一定比例的表面活性劑，表面活性劑具有良好降低表面張力的作用，在鉆井液中加入適量的表面活性劑，通過降低水分子與膨潤土分子之間的表面張力，增大水分子與膨潤土分子間的接觸面積，使膨潤土可以充分溶于水中，從而形成均一穩(wěn)定的鉆井液體系，降低出現(xiàn)水土分層的概率，進而降低其失水量[1-5]。但表面活性劑在高溫高壓下性質會變得不穩(wěn)定，導致改善鉆井液性能不太理想。

近年來，納米材料因其優(yōu)良的性能而受到越來越多的關注，將其加入到鉆井液中可以有效改善鉆井液的物化性能，如加入納米流體的鉆井液和地層配伍性會變好，大大降低了水基鉆井液的濾失量，同時納米顆?？稍诰谏闲纬杉{米膜，有利于提高井壁的強度；納米顆粒具有良好的傳熱傳質性能，主要原因是具有較大的表面積和小尺寸效應，加入納米流體的鉆井液在高溫下熱穩(wěn)定性更強[6-8]，但納米流體的制備過程目前仍處于實驗室階段，生產成本高昂，在現(xiàn)場應用較少。同時，制備好的納米流體若長期放置，還存在納米粒子因團聚而導致流體性質不穩(wěn)定的問題。因此，為分別發(fā)揮表面活性劑和納米流體的優(yōu)勢，本文開展了表面活性劑和納米流體協(xié)同作用改善鉆井液性能的實驗研究，包括流變性、熱穩(wěn)定性、濾失性和表面張力在內的多項實驗，測量了黏度、屈服應力、濾失量、濾餅厚度和表面張力等參數(shù)，為表面活性劑-納米流體混合鉆井液在現(xiàn)場應用提供一定的指導。

1 實驗部分

1.1 材料及儀器

十二烷基二甲基甜菜堿（AR 濟南鑫盈化工有限公司）；十二烷基磺酸鈉（AR 山東瑞江化工有限公司）；碳化硅（SiC）納米流體（平均顆粒直徑10～15nm 北京嘉安恒科技有限公司）；黃原膠（AR 河南榮申化工有限公司）；羧甲基纖維素（CMC）（AR 山東銘江化工有限公司）；實驗所用的膨潤土（AR 廣州億峰化工科技有限公司）；MgO（AR 河北鎂神科技有限公司）；重晶石（比重4.3 恩施州康遠化工有限公司）和NaCl（AR 廊坊乾耀科技有限公司）

BCT1700 型旋轉高溫黏度計（上海歡奧科技有限公司）；TX500C PR0 型旋轉滴表面張力儀（上海艾飛思精密儀器有限公司）；ZNS-2A 型中壓濾失儀（青島海通達專用儀器有限公司）。

1.2 水基鉆井液配制

首先，量取300mL 的蒸餾水，在蒸餾水中分別加入15g 膨潤土、6.5g 的羧甲基纖維素（CMC），以提高鉆井液的黏度和過濾性，同時以200r·min-1速率攪拌10min。最后，在鉆井液中加入82g 的重晶石（BaSO4）作為加重劑，攪拌25min，得到實驗用的水基鉆井液。

1.3 表面活性劑溶液和碳化硅納米溶液的制備

本文所用的表面活性劑為兩性表面活性劑（十二烷基二甲基甜菜堿）和普通表面活性劑（十二烷基磺酸鈉），將其分別溶解在100mL 蒸餾水中并以750r·min-1速率攪拌30min，以獲得均勻溶解的表面活性劑溶液。為得到表面活性劑和碳化硅納米流體混合溶液，首先,在室溫（25℃）下將納米顆粒溶解在50mL 蒸餾水中，然后，與制備好的表面活性劑溶液充分溶解。在每次實驗之前，分別將質量分數(shù)為1wt%的表面活性劑溶液和碳化硅納米流體混合溶液添加到水基鉆井液中，以得到混合水基鉆井液。

1.4 黏度測量

黏度計轉速范圍在20～200r·min-1。將實驗數(shù)據(jù)擬合到式（1）和式（2）中的赫謝爾-布爾克萊模型和冪律流變模型中，從而分析流體的性質。

赫謝爾-布爾克萊流變模型：

冪律流變模型：

式中 τ：剪切黏度，mPa·s；γ：剪切速率，s-1；τy：屈服應力，MPa；k：冪律系數(shù)；n：冪律指數(shù)。

通過計算黏度隨鉆井液溫度的變化平均值來評價鉆井液的熱穩(wěn)定性，溫度從25℃變化至125℃（25、75、100 和125℃），黏度變化量最小則代表溫度對流體黏度的影響最小，表明鉆井液的熱穩(wěn)定性更好。

1.5 鉆井液濾失性

水基鉆井液分別與表面活性劑溶液及表面活性劑-碳化硅納米流體混合后，測量混合鉆井液的濾失性。混合鉆井液需在室溫（25℃）下靜置30min，利用壓濾機對流體施加0.5MPa 的壓力，對鉆井液進行過濾，得到不同鉆井液的濾液體積。

1.6 表面張力測量

在室溫（25℃）下，用TX500C PR0 型旋轉滴表面張力儀測量不同鉆井液流體的表面張力。

2 結果與討論

2.1 表面活性劑對流體黏度的影響

在室溫（25℃）下，當剪切速率變化范圍為0～300s-1時，分別研究不同表面活性劑對水基鉆井液剪切黏度的影響。表1 為冪律流變方程和赫謝爾-布爾克萊流變方程對應的參數(shù)；圖1 為添加兩種不同類型的表面活性劑（烷基二甲基甜菜堿和十二烷基磺酸鈉）后鉆井液黏度隨剪切應力的變化曲線。

圖1 不同表面活性劑鉆井液黏度變化曲線Fig.1 Viscosity change curves of drilling fluids with different surfactants

表1 赫謝爾-布爾克萊模型和冪律流變模型黏度參數(shù)Tab.1 Viscosity parameters of the Herschel Burkley model and power-law rheological model

由表1 可見，當向鉆井液中添加表面活性劑后，冪律系數(shù)值k 也會增大，冪律系數(shù)k 越大，表明流體的黏度越大。

由圖1 可見，兩性表面活性劑對鉆井液黏度的改善尤為明顯，鉆井液的冪律系數(shù)增加了467%。鉆井液的屈服應力也在增大，與普通表面活性劑相比，十二烷基二甲基甜菜堿（兩性表面活性劑）的屈服應力增量最大，屈服應力增加了約127%，屈服應力越大，鉆井液懸浮巖屑的能力越強。原因是當表面活性劑溶于水后，水分子與表面活性劑疏水部分間的相互作用力減小，表面活性劑分子會聚集在一起，當溶液中的表面活性劑超過臨界膠束濃度時，會從單個離子或分子締合成為膠束。這種獨特的流體行為和表面活性劑在膠束中的排列（極性基團在外，非極性基團在內，形成一個非極性核心）是導致鉆井液黏度增加的主要原因。而兩性表面活性劑由于其特殊的結構，兩性表面活性劑與傳統(tǒng)表面活性劑相比則形成了更多的膠束，導致鉆井液黏度增量更高，證明兩性表面活性劑可以很好改善水基鉆井液的黏度，當剪切速率為22s-1時，鉆井液的黏度最佳值為65mPa·s，因此，實驗選擇最佳剪切速率為22s-1。

2.2 表面活性劑-碳化硅納米流體對水基鉆井液熱穩(wěn)定性的影響

高溫下，鉆井液的流變性會發(fā)生變化，尤其是鉆井液的黏度，鉆井液黏度變低會導致鉆井液攜帶和懸浮巖屑的能力降低，導致鉆井作業(yè)中出現(xiàn)漏失和卡鉆等問題，從而造成嚴重的鉆井事故，而含有納米流體的混合鉆井液，納米顆粒會在鉆井液分子周圍形成一層保護層，從而免受高溫的影響，同時納米粒子在溶液中會聚集形成復雜的充填結構，提高了鉆井液的熱穩(wěn)定性。

在室溫（25℃）下和恒定剪切速率（22s-1）下分別對3 種樣品進行加熱，比較普通水基鉆井液、兩性表面活性劑鉆井液和兩性表面活性劑-碳化硅納米流體鉆井液3 種鉆井液在溫度變化區(qū)間25～150℃內的熱穩(wěn)定性。

由圖2 可見，普通水基鉆井液、兩性表面活性劑鉆井液與兩性表面活性劑-碳化硅納米流體鉆井液相比，黏度變化更大，尤其是普通水基鉆井液。3 種鉆井液在25～150℃范圍內的黏度平均變化分別為119%、21%和9%，兩性表面活性劑-碳化硅納米流體鉆井液熱穩(wěn)定性最好，黏度變化值僅為9%。因此，實驗確定熱穩(wěn)定性最好的鉆井液為兩性表面活性劑-碳化硅納米流體鉆井液。

圖2 不同鉆井液黏度隨溫度的變化Fig.2 Viscosity changes of different drilling fluids with temperature

2.3 鉆井液濾失性研究

在保證實驗溫度為室溫（25℃）和剪切速率（22s-1）不變的前提下，研究不同濃度碳化硅納米流體對水基鉆井液濾失量的影響。將兩性表面活性劑與不同濃度的碳化硅納米流體溶液加入到水基鉆井液中，使用壓濾機和游標卡尺測量不同鉆井液的濾液量和濾餅厚度。結果見表2 。

表2 不同鉆井液的濾失量和濾餅厚度Tab.2 Filtration loss and cake thickness of different drilling fluids

由表2 可見，兩性表面活性劑對鉆井液的濾失性影響較小，碳化硅納米流體濃度對鉆井液的濾失性影響較大，當鉆井液中加入碳化硅納米粒子時，鉆井液的濾失量會減少，濾失量會隨碳化硅納米流體的濃度增加而下降，濾餅厚度的變化量較小。主要原因是由于納米顆粒會封堵在孔隙中，從而降低了鉆井液的濾失量，碳化硅納米流體濃度為0.04%時，濾失量降低百分比最佳為22.2%，濾餅厚度僅為2.23mm。實驗選擇最佳碳化硅納米流體濃度為0.04%。

2.4 表面張力分析

在保證實驗溫度為室溫（25℃）和剪切速率（22s-1）不變的前提下，研究不同表面活性劑對鉆井液表面張力的影響。結果見圖3。A 為普通水基鉆井液、B 為表面活性劑鉆井液、C 為兩性表面活性劑鉆井液、D 為兩性表面活性劑鉆進液+碳化硅納米粒子鉆井液。

圖3 含有不同表面活性劑鉆井液的表面張力Fig.3 Surface tension of drilling fluid containing different surfactants

由圖3 可見，當在鉆井液中添加普通表面活性劑（十二烷基磺酸鈉）時，鉆井液表面張力降低了7%，當加入兩性表面活性劑時，表面張力降低了16.9%，主要原因是由于兩性表面活性劑具有兩個表面活性劑基團，由間隔劑連接，與相應等鏈長度的表面活性劑相比，具有更低的臨界膠束濃度值，可更有效地降低表面張力。當在兩性表面活性劑鉆井液中加入碳化硅納米流體時，表面張力的下降幅度更為明顯，降低了約31.0%。納米顆粒降低表面張力的原因是表面活性劑會吸附納米顆粒，當表面活性劑吸附納米顆粒時，納米顆粒和表面活性劑粒子就分布在流體表面，導致表面張力降低。鉆井液較低的表面張力有助于降低鉆井過程中出現(xiàn)卡鉆等問題的概率，由此可見，兩性表面活性劑-碳化硅納米流體可以大大降低水基鉆井液的表面張力,最佳的表面張力為49N。

3 結論

本文通過配制不同類型表面活性劑和碳化硅納米流體，然后將其添加至水基鉆井液中，分析表面活性劑和碳化硅納米流體對鉆井液流體性能的影響。可有效改善水基鉆井液的物理化學性質，如屈服應力和冪律系數(shù)分別增加了127%和467%。同時有助于提高鉆井液的熱穩(wěn)定性，在高溫條件下，黏度平均變化率僅為9%。此外，碳化硅納米流體可有效改善其濾失性和表面張力，其中濾液損失降低了約22.2%，鉆井液的表面張力降低了約31.0%。