牛晓磊,刘向君,罗陶涛,梁利喜,陈俊斌,欧阳伟
(1.西南石油大学 油气藏地质及开发工程国家重点实验室,四川 成都 610500;2.川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院,四川 广汉 618300 )
油基钻井液是以油为外相的热力学不稳定多相体系[1]。为确保体系的稳定性和各种性能的调节及控制,体系中的惰性固相必须具有强的亲油性。对加重的油基钻井液来说,加重材料、岩屑及惰性材料占很大一部分比例。这些材料大多数表面为亲水性,他们的加入会使油基钻井液的稳定性发生破坏,同时在钻井过程中油基钻井液会受到地层亲水性粘土的污染,而使钻井液的性能变差。通常解决此类问题的方法是加入润湿剂,使亲水性颗粒表面的润湿性发生改变,提高加重剂的悬浮性和减弱钻屑等颗粒的聚集,防止在油基钻井液中聚结和沉降[2],并且它还具有用量少、效果显著的优点。通过室内实验,优选出油基钻井液润湿剂并研究其加入到油基钻井液中的性能。
阳离子表面活性剂(CTAB)为化学纯;甜菜碱型两性离子表面活性剂(CQ-WZB,≥60%);生物表面活性剂(CQ-WBP),自制。
DT-102 全自动界面张力仪;XED-SJP 静滴接触角测定仪;具塞试管(10 mL);电子天平(0.000 1 g)等。
界面张力和润湿角等是评价表面活性剂的重要参数。本文基于简便、快速、可靠测定和优选,主要用吊环法[3-4]、接触角测量法和重晶石沉降实验,最后将优选的润湿剂加入油基基浆中,通过对比老化前后钻井液性能,评价各种润湿剂对油基钻井液性能的影响效果。
1.2.1 表面张力液体表面层的分子由于受力不平衡产生的向内收缩的单位长度的力,即表面张力。将3 种润湿剂配制成一定浓度梯度的水溶液,然后用全自动界面张力仪(DT-102)在室温(25 ℃)下测其表面张力,测定结果见图1。
图1 润湿剂的界面张力与含量关系Fig.1 Relationship between interfacial tension and content of wetting agent
由图1 可知,3 种润湿剂在刚开始时,随着含量增加其界面张力逐渐降低,当含量增加到一定程度时,含量增加,界面张力基本上保持不变。从3 条曲线对比来看,CQ-WZB 含量达到0.08%以后其界面张力基本保持在36 mN/m 左右,而CQ-WBP 达到此状态时的含量为0.04%,其界面张力约为33.5 mN/m,CTAB 达到此状态时的含量约为0.1%,其界面张力约为38 mN/m。3 种润湿剂的表面活性不同,当3种润湿剂的含量相同时,CQ-WBP 的表面活性最强。
1.2.2 接触角接触角法是评价固体表面润湿性的一种直观简便的方法,它是指过三相周界点对液滴界面所作切线与液固界面所夹的角。用液固平衡时的接触角判断表面润湿性时,当水溶液相的接触角在0 ~60°(75°),固体表面为亲水表面;当水溶液相的接触角在180 ~105°(120°),固体表面亲油;当水溶液相的接触角在60°或75 ~105°(120°),固体表面为中性润湿。将3 种润湿剂用蒸馏水配制成0.1%的水溶液,采用XED-SJP 静滴接触角测定仪测量润湿剂与亲水表面和亲油表面的接触角,用玻璃片(1#,2 cm×5 cm,亲水表面)模拟亲水表面,用涂过石蜡的玻璃片(2#,2 cm ×5 cm,亲油表面)模拟亲油表面,测试结果见表1。
由表1 可知,3 种润湿剂水溶液的接触角与蒸馏水相比,接触角均有不同程度的减小,说明选取的3 种润湿剂均能改变玻璃片的润湿性,而且CQWBP 是3 种润湿剂中改变亲水和亲油的玻片润湿性最强的一种。
表1 接触角的测量(25 ℃)Table 1 Contact angle measurement (25 ℃)
1.2.3 重晶石沉降实验对于润湿性较强的润湿剂来说,在重晶石沉降过程中形成的毛细管通道中,由于润湿剂对其颗粒表面亲油性改变较大,从而油在通道中向上的流动阻力变小,被束缚在重晶石沉降体积中液相会变少,最终使得重晶石稳定沉降体积较小;反之,重晶石的最终稳定沉降体积较大。
根据文献[5]介绍,将上述3 种润湿剂配制预定浓度的柴油中,待润湿剂在油相中充分溶解后,各取10 mL 倒入具塞试管中,再分别加入2 g 预先烘干的重晶石并使其均匀分散在油溶液中,然后将其静置,经24 h 后测量试管中沉降的重晶石体积,其结果见图2、图3。
图2 24 h 后重晶石的沉降体积Fig.2 The settlement of barite volume after 24 h
图3 24 h 后重晶石的沉降体积Fig.3 The settlement of barite volume after 24 h
由图3 可知,经24 h 静置后,重晶石在相同含量的3 种润湿剂油溶液中最终稳定沉降体积不同;在同一润湿剂不同含量的油溶液中,其稳定沉降体积也不同,当浓度达到1.5%时,沉降体积不再随浓度而变化。3 种润湿剂改变其亲油性的效果不同,其中CQ-WBP 对重晶石颗粒表面亲油性改变最大,油向上流动时的阻力最小,被重晶石束缚的液相体积最小,从而使最终的沉降体积最小。因此,3 种润湿剂在改变重晶石等亲水性物质在油相中润湿性能效果的强弱顺序为:CQ-WBP >CQ-WZB >CTAB。1.2.4 润湿剂对油基钻井液性能的影响优选的润湿剂不仅具有高表面活性,还需和油基钻井液配伍性好,它的加入能够改善油基钻井液的性能。将3 种润湿剂加入油基基浆中,其基本性能见表2,基浆组分为:柴油(300 mL)+有机土(2%)+主乳化剂(2%)+辅乳化剂(1%)+提切剂(0.5%)+润湿剂(3 种,各1. 5%)+ 降滤失剂(2%)+ GaCl2(75 mL)+重晶石加重到1.8 g/cm3。
表2 3 种润湿剂对油基基浆性能的影响Table 2 Effect of three kinds of wetting agent on the properties of oil-based base slurry
在测试过程中发现,加有CQ-WBP 的钻井液泥饼致密,薄而韧,均好于加有其他两种润湿剂钻井液的泥饼。从表2 的实验结果可以看出,3 种润湿剂加入到油基钻井液后,破乳电压较高(即乳状液稳定)是加有润湿剂CQ-WBP 和CQ-WZB 的油基钻井液,API 滤失和高温高压滤失性能最好的是加有CQ-WBP 的油基钻井液。从3 种油基钻井液综合性能可以看出,润湿剂CQ-WBP 与油基钻井液的配伍性良好,它的使用不但能够增强重晶石表面亲油能力,有利于钻井液各种性能的调控,并且还具有一定的抗温能力。
(1)通过测定3 种润湿剂的界面张力可以看出它们都有一定的润湿性能,且含量不同,润湿效果不同。随含量增加,CTAB、CQ-WZB、CQ-WBP 润湿效果达到稳定状态时的界面张力依次为:38,36,33.5 mN/m,对亲油、亲水玻片的润湿性改变很大。
(2)将加有重晶石的含1. 5% 的CTAB、CQWZB、CQ-WBP 油溶液静置24 h 后,重晶石最终稳定沉降体积分别为:1.7,1.5,1.1 mL,其改变重晶石等亲水性物质在油溶液中的润湿能力的强弱顺序为:CQ-WBP >CQ-WZB >CTAB。
(3)3 种润湿剂加入油基钻井液后,CQ-WBP 与油基钻井液配伍性最好,与其形成的油基钻井液的综合性能不但得到了改善,而且还具有一定的抗温能力。
[1] 李春霞,黄进军,徐英.一种新型高温稳定的油基钻井液润湿反转剂[J]. 西南石油学院学报,2002(5):22-24,4.
[2] 吴超,田荣剑,罗健生,等.油基钻井液润湿剂评价[J].西南石油大学学报:自然科学版,2012(3):139-144.
[3] 李艳红,王升宝,常丽萍.表(界)面张力测定方法的研究进展[J].日用化学工业,2007(2):102-106.
[4] 奚新国.表面张力测定方法的现状与进展[J].盐城工学院学报:自然科学版,2008(3):1-4.
[5] 田荣建,王楠,李怀科,等.一种油基钻井液润湿剂的评价方法:CN,201010521882.8[P].2010-10-21.