油基鉆井液潤濕劑室內研究

牛曉磊，劉向君，羅陶濤，梁利喜，陳俊斌，歐陽偉

(1.西南石油大學 油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室，四川 成都 610500;2.川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術研究院，四川 廣漢 618300 )

油基鉆井液是以油為外相的熱力學不穩定多相體系［1］。為確保體系的穩定性和各種性能的調節及控制，體系中的惰性固相必須具有強的親油性。對加重的油基鉆井液來說，加重材料、巖屑及惰性材料占很大一部分比例。這些材料大多數表面為親水性，他們的加入會使油基鉆井液的穩定性發生破壞，同時在鉆井過程中油基鉆井液會受到地層親水性粘土的污染，而使鉆井液的性能變差。通常解決此類問題的方法是加入潤濕劑，使親水性顆粒表面的潤濕性發生改變，提高加重劑的懸浮性和減弱鉆屑等顆粒的聚集，防止在油基鉆井液中聚結和沉降［2］，并且它還具有用量少、效果顯著的優點。通過室內實驗，優選出油基鉆井液潤濕劑并研究其加入到油基鉆井液中的性能。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

陽離子表面活性劑(CTAB)為化學純;甜菜堿型兩性離子表面活性劑(CQ-WZB，≥60%);生物表面活性劑(CQ-WBP)，自制。

DT-102 全自動界面張力儀;XED-SJP 靜滴接觸角測定儀;具塞試管(10 mL);電子天平(0.000 1 g)等。

1.2 實驗方法與結果分析

界面張力和潤濕角等是評價表面活性劑的重要參數。本文基于簡便、快速、可靠測定和優選，主要用吊環法［3-4］、接觸角測量法和重晶石沉降實驗，最后將優選的潤濕劑加入油基基漿中，通過對比老化前后鉆井液性能，評價各種潤濕劑對油基鉆井液性能的影響效果。

1.2.1 表面張力液體表面層的分子由于受力不平衡產生的向內收縮的單位長度的力，即表面張力。將3 種潤濕劑配制成一定濃度梯度的水溶液，然后用全自動界面張力儀(DT-102)在室溫(25 ℃)下測其表面張力，測定結果見圖1。

圖1 潤濕劑的界面張力與含量關系Fig.1 Relationship between interfacial tension and content of wetting agent

由圖1 可知，3 種潤濕劑在剛開始時，隨著含量增加其界面張力逐漸降低，當含量增加到一定程度時，含量增加，界面張力基本上保持不變。從3 條曲線對比來看，CQ-WZB 含量達到0.08%以后其界面張力基本保持在36 mN/m 左右，而CQ-WBP 達到此狀態時的含量為0.04%，其界面張力約為33.5 mN/m，CTAB 達到此狀態時的含量約為0.1%，其界面張力約為38 mN/m。3 種潤濕劑的表面活性不同，當3種潤濕劑的含量相同時，CQ-WBP 的表面活性最強。

1.2.2 接觸角接觸角法是評價固體表面潤濕性的一種直觀簡便的方法，它是指過三相周界點對液滴界面所作切線與液固界面所夾的角。用液固平衡時的接觸角判斷表面潤濕性時，當水溶液相的接觸角在0 ～60°(75°)，固體表面為親水表面;當水溶液相的接觸角在180 ～105°(120°)，固體表面親油;當水溶液相的接觸角在60°或75 ～105°(120°)，固體表面為中性潤濕。將3 種潤濕劑用蒸餾水配制成0.1%的水溶液，采用XED-SJP 靜滴接觸角測定儀測量潤濕劑與親水表面和親油表面的接觸角，用玻璃片(1#，2 cm×5 cm，親水表面)模擬親水表面，用涂過石蠟的玻璃片(2#，2 cm ×5 cm，親油表面)模擬親油表面，測試結果見表1。

由表1 可知，3 種潤濕劑水溶液的接觸角與蒸餾水相比，接觸角均有不同程度的減小，說明選取的3 種潤濕劑均能改變玻璃片的潤濕性，而且CQWBP 是3 種潤濕劑中改變親水和親油的玻片潤濕性最強的一種。

表1 接觸角的測量(25 ℃)Table 1 Contact angle measurement (25 ℃)

1.2.3 重晶石沉降實驗對于潤濕性較強的潤濕劑來說，在重晶石沉降過程中形成的毛細管通道中，由于潤濕劑對其顆粒表面親油性改變較大，從而油在通道中向上的流動阻力變小，被束縛在重晶石沉降體積中液相會變少，最終使得重晶石穩定沉降體積較小;反之，重晶石的最終穩定沉降體積較大。

根據文獻［5］介紹，將上述3 種潤濕劑配制預定濃度的柴油中，待潤濕劑在油相中充分溶解后，各取10 mL 倒入具塞試管中，再分別加入2 g 預先烘干的重晶石并使其均勻分散在油溶液中，然后將其靜置，經24 h 后測量試管中沉降的重晶石體積，其結果見圖2、圖3。

圖2 24 h 后重晶石的沉降體積Fig.2 The settlement of barite volume after 24 h

圖3 24 h 后重晶石的沉降體積Fig.3 The settlement of barite volume after 24 h

由圖3 可知，經24 h 靜置后，重晶石在相同含量的3 種潤濕劑油溶液中最終穩定沉降體積不同;在同一潤濕劑不同含量的油溶液中，其穩定沉降體積也不同，當濃度達到1.5%時，沉降體積不再隨濃度而變化。3 種潤濕劑改變其親油性的效果不同，其中CQ-WBP 對重晶石顆粒表面親油性改變最大，油向上流動時的阻力最小，被重晶石束縛的液相體積最小，從而使最終的沉降體積最小。因此，3 種潤濕劑在改變重晶石等親水性物質在油相中潤濕性能效果的強弱順序為:CQ-WBP ＞CQ-WZB ＞CTAB。1.2.4 潤濕劑對油基鉆井液性能的影響優選的潤濕劑不僅具有高表面活性，還需和油基鉆井液配伍性好，它的加入能夠改善油基鉆井液的性能。將3 種潤濕劑加入油基基漿中，其基本性能見表2，基漿組分為:柴油(300 mL)+有機土(2%)+主乳化劑(2%)+輔乳化劑(1%)+提切劑(0.5%)+潤濕劑(3 種，各1. 5%)+ 降濾失劑(2%)+ GaCl2(75 mL)+重晶石加重到1.8 g/cm3。

表2 3 種潤濕劑對油基基漿性能的影響Table 2 Effect of three kinds of wetting agent on the properties of oil-based base slurry

在測試過程中發現，加有CQ-WBP 的鉆井液泥餅致密，薄而韌，均好于加有其他兩種潤濕劑鉆井液的泥餅。從表2 的實驗結果可以看出，3 種潤濕劑加入到油基鉆井液后，破乳電壓較高(即乳狀液穩定)是加有潤濕劑CQ-WBP 和CQ-WZB 的油基鉆井液，API 濾失和高溫高壓濾失性能最好的是加有CQ-WBP 的油基鉆井液。從3 種油基鉆井液綜合性能可以看出，潤濕劑CQ-WBP 與油基鉆井液的配伍性良好，它的使用不但能夠增強重晶石表面親油能力，有利于鉆井液各種性能的調控，并且還具有一定的抗溫能力。

2 結論

(1)通過測定3 種潤濕劑的界面張力可以看出它們都有一定的潤濕性能，且含量不同，潤濕效果不同。隨含量增加，CTAB、CQ-WZB、CQ-WBP 潤濕效果達到穩定狀態時的界面張力依次為:38，36，33.5 mN/m，對親油、親水玻片的潤濕性改變很大。

(2)將加有重晶石的含1. 5% 的CTAB、CQWZB、CQ-WBP 油溶液靜置24 h 后，重晶石最終穩定沉降體積分別為:1.7，1.5，1.1 mL，其改變重晶石等親水性物質在油溶液中的潤濕能力的強弱順序為:CQ-WBP ＞CQ-WZB ＞CTAB。

(3)3 種潤濕劑加入油基鉆井液后，CQ-WBP 與油基鉆井液配伍性最好，與其形成的油基鉆井液的綜合性能不但得到了改善，而且還具有一定的抗溫能力。

［1］ 李春霞，黃進軍，徐英.一種新型高溫穩定的油基鉆井液潤濕反轉劑［J］. 西南石油學院學報，2002(5):22-24，4.

［2］ 吳超，田榮劍，羅健生，等.油基鉆井液潤濕劑評價［J］.西南石油大學學報:自然科學版，2012(3):139-144.

［3］ 李艷紅，王升寶，常麗萍.表(界)面張力測定方法的研究進展［J］.日用化學工業，2007(2):102-106.

［4］ 奚新國.表面張力測定方法的現狀與進展［J］.鹽城工學院學報:自然科學版，2008(3):1-4.

［5］ 田榮建，王楠，李懷科，等.一種油基鉆井液潤濕劑的評價方法:CN，201010521882.8［P］.2010-10-21.