一種適用于油基鉆井液的表面活性劑隔離液

劉麗娜， 李明，， 謝冬柏， 郭小陽，（.西南石油大學材料科學與工程學院，成都60500；.“油氣藏地質及開發工程”國家重點實驗室·西南石油大學，成都60500）

一種適用于油基鉆井液的表面活性劑隔離液

劉麗娜1， 李明1，2， 謝冬柏1， 郭小陽1，2
（1.西南石油大學材料科學與工程學院，成都610500；2.“油氣藏地質及開發工程”國家重點實驗室·西南石油大學，成都610500）

劉麗娜，李明，謝冬柏，等．一種適用于油基鉆井液的表面活性劑隔離液[J].鉆井液與完井液，2017， 34（3）：77-80.

LIU Lina, LI Ming, XIE Dongbai, et al.A surfactant spacer for use in oil base drilling fluid[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid，2017，34（3）：77-80.

頁巖氣鉆井過程中采用的油基鉆井液極易殘留在井壁和套管壁表面，與固井水泥漿產生接觸污染。套管壁及井壁長期處在油基鉆井液環境中，兩界面親油憎水，給固井作業帶來油基鉆井液頂替和清洗困難、混漿流變性能變差、混漿強度嚴重下降、界面膠結質量不良等問題。針對以上問題，對表面活性劑及隔離液進行了如下研究：①調研油基鉆井液對水泥漿的接觸污染機理；②測定溶液表面張力，驗證表面活性劑對清洗效果的影響；③配制表面活性劑水溶液和隔離液，利用模擬套管沖洗法測定清洗效率。實驗結果表明，表面活性劑的加入能顯著降低水油界面張力，提高清洗效率；配制出了一種清洗效率高達92.86%的三元復配表面活性劑隔離液體系，表面活性劑組成為LAS+JFC-6+AOS（1∶1∶1）；該隔離液對油基鉆井液有良好的清洗效果，可提高界面膠結質量，有助于提升頁巖氣井的固井質量。

隔離液；清洗效率；表面張力；表面活性劑；油基鉆井液

頁巖氣水平井鉆井使用的油基鉆井液極易殘留在井壁和套管壁表面，其與固井水泥漿的相容性極差，會與水泥漿發生接觸污染，套管壁及井壁長期處在油基鉆井液環境中，二界面親油憎水，影響界面膠結質量。國外已有Brother、Katherine、 Harder、Abhijit等學者對防止油基鉆井液接觸污染水泥漿的措施進行了一些研究[1-4]，但這些緩解措施都沒有從機理上進行解釋。斯倫貝謝公司的Frederik、中國石化公司等研究出的隔離液，雖已在多口頁巖氣井取得了應用，但并未給出清洗效果顯著的隔離液體系。針對以上問題，重點進行了隔離液中表面活性劑的研究，從改善乳化作用、滲透壓作用和油基鉆井液無固結能力導致的自由水不能運移到水泥漿中的3個污染機理出發，最終配制出一種對油基鉆井液清洗效果顯著的表面活性劑隔離液體系。

1 油基鉆井液對水泥漿的污染機理

1） 乳化作用。油基鉆井液里含有親油性乳化劑，通常情況下形成油包水型乳化結構，即常見的油包水乳化鉆井液。乳狀液中分散相一般為鹽度較高的CaCl2水溶液，它使鉆井液產生的滲透壓不小于頁巖井壁的吸附壓，從而防止鉆井液中水相運移到井壁，危害井壁穩定性；加之Ca2+離子的存在也可以保證油包水乳化結構的穩定，這樣水相更難運移到固井水泥漿中，水泥漿不易固結。

2） 滲透壓作用。當油基鉆井液摻混到水泥漿中，具有兩親性的乳化劑分子排列與油水界面構成了對應的半透膜，進而導致鹽含量較低的水泥漿中的自由水會向油基鉆井液內部水相遷移，降低水泥漿中自由水含量，影響混漿的初始稠度和流動能力。

3）無固結能力。油基鉆井液是親油性流體，不具有固結能力，油基鉆井液的油相物質會由于乳化劑分子的作用吸附于水泥顆粒表面，從而嚴重阻礙水泥顆粒與自由水的充分接觸，導致顆粒水化不充分，在最終形成的混漿水泥石中形成大量孔洞，破壞了水泥石結構的完整性，導致其力學性能下降。

分析污染機理[5]可知，對水泥漿造成污染的主要是乳化劑和油基鉆井液中的油相。最好的解決方法是尋找添加劑來破乳并包裹油基鉆井液中的油相部分，這種方法能夠降低油基鉆井液對水泥漿的污染。表面活性劑的雙親結構使其自身成為最好的分散乳化劑，能夠達到破乳和包裹油相部分的作用，因此，該實驗重點研究了隔離液中的表面活性劑并配制出一種適用于清洗油基鉆井液的隔離液，最大程度地降低了水泥漿和油基鉆井液的接觸污染。

2 實驗部分

2.1 實驗材料

離子類型為陰離子型、非離子型、兩性離子型的表面活性劑以及HLB值在12～15的表面活性劑清洗效果最佳[6]，除此之外該實驗還選用了部分HLB值不在最佳范圍和HLB值未知的表面活性劑進行研究。最終選擇如下實驗材料。陰離子型表面活性劑：十二烷基苯磺酸鈉（LAS，HLB值為10.63）、α-烯烴磺酸鈉（AOS，HLB值為15）、十二烷基硫酸鈉（SDS，HLB值為40）、脂肪醇醚硫酸鈉（AES，HLB值未知）；非離子型表面活性劑：脂肪醇聚氧乙烯醚（JFC-6，HLB值未知）、失水山梨醇單油酸酯（Span-80，HLB值為4.3）、脂肪醇聚氧乙烯醚（AEO-9，HLB值為13.3）、十二烷基酚聚氧乙烯醚（OP-10，HLB值為14.5）、聚氧乙烯失水山梨醇月桂酸酯（Tween-20，HLB=16.5）；兩性離子型表面活性劑：月桂酰兩性醋酸鈉（MAB40，HLB值為16.7）；隔離液：GYW201、GYW301、鐵礦粉；油基鉆井液。

2.2 實驗儀器

FA2004型電子天平，JK99B型全自動表面張力測定儀，ZNN-D6型六速旋轉黏度計，鉆井液密度計，GK-12型高速變頻無極調速攪拌機。

2.3 實驗方法

2.3.1 洗油型表面活性劑隔離液的配制方法

表面活性劑隔離液密度為2.0 g/cm3，其配方為2 500 g水+100 g GYW201+50 g GYW301+單種或復配表面活性劑。

配制步驟如下：①將已按比例稱量好的水和GYW201倒入燒杯， 充分攪拌均勻 1.5 h， 然后加入GYW301，繼續攪拌0.5 h，得到隔離液基液；②加入稱量好的鐵礦粉，攪拌均勻0.5 h，得到空白隔離液；③向稱量好的空白隔離液中加入單種或復配表面活性劑，充分攪拌均勻，得到表面活性劑隔離液。

2.3.2 清洗效率評價方法

清洗效率評價方法采用模擬套管沖洗法：①將選好的模擬套管的鋼管打磨光滑并稱重W1；②將套管置于300 g油基鉆井液中浸泡30 min，取出并稱重W2；③將模擬套管置于含等量清洗液的鐵杯中，沖洗30 min，取出并稱重W3；④計算沖洗效率，其值為（W2-W3）/（W2-W1）。

3 洗油型隔離液用表面活性劑的優選

3.1 溶液表面張力的測定

配制表面活性劑不同濃度的水溶液和油溶液，并對每種溶液的表面張力進行測定，結果如圖1、圖2所示。從圖1可以看出，在水中加入一定量表面活性劑能夠使蒸餾水的表面張力從原來的72.000 mN/m降低至22.000～27.000 mN/m。觀察圖2可知，加入一定量表面活性劑的油溶液，其表面張力較純油24.000 mN/m的表面張力并無過大變化，均在24.000～27.000 mN/m內波動。水、油表面張力接近，水油界面張力變小，油基鉆井液更易脫離，說明加入表面活性劑能提高隔離液的清洗效率。

圖1 表面活性劑水溶液表面張力

圖2 表面活性劑油溶液表面張力

3.2 表面活性劑水溶液的清洗效率

3.2.1 單種表面活性劑水溶液清洗效率的測定

在不同的表面活性劑下選擇了1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%等5個加量，配制了實驗所需水溶液，其清洗效率如圖3所示。

圖3 單種表面活性劑水溶液的清洗效率

由圖3可知，單種表面活性劑水溶液的清洗效率會隨其濃度的變化而變化，但大多數都在濃度為2.5%時達到最高清洗效率，且陰離子型表面活性劑LAS、AOS，非離子型表面活性劑JFC-6、OP-10和兩性離子型表面活性劑MAB40的清洗效率最高。

3.2.2 復配表面活性劑水溶液清洗效率測定

由實驗可知，多數表面活性劑水溶液的濃度在2.5%時清洗效率達到最高值，因此在復配時，采用2.5%的濃度為標準進行復配。用LAS對JFC-6、MAB40，JFC-6對MAB40進行二元復配，用LAS和JFC-6對AOS、 OP-10、 MAB40， LAS和MAB40對AOS， JFC-6和MAB40對OP-10進行三元復配，得到的清洗效率如圖4、 圖5所示。

圖4 二元復配水溶液清洗效率

通過圖4、 圖5的清洗效率結果， 可以從每組復配體系中選出最優配比：二元復配為LAS+JFC-6（1∶1）、LAS+MAB40（1∶2）、JFC-6+MAB40（1∶1）；三元復配為LAS+JFC-6+AOS（1∶1∶1）、LAS+JFC-6+OP-10（1∶1∶1）、LAS+JFC-6+MAB40（1∶1∶1）、LAS+MAB40+AOS（1∶1∶1）、 JFC-6+MAB40+OP-10（1∶1∶2） 。

圖5 三元復配水溶液清洗效率

4 洗油型隔離液的研究

用優選出來的表面活性劑及最優配比復配體系進行洗油型隔離液的配制，然后對隔離液進行清洗效率測定，最終研究出清洗效果最好的洗油型表面活性劑隔離液體系。各種隔離液對油基鉆井液的清洗效率如圖6、圖7所示。

圖6 單種表面活性劑隔離液清洗效率

圖7 復配表面活性劑隔離液清洗效率

由圖6、圖7可知，表面活性劑隔離液清洗效率較表面活性劑水溶液清洗效率無過大波動，且復配型的清洗效率整體比單種型的清洗效率高。通過具體的清洗效率數值比較，可得出如下幾種清洗效率較優的體系：清洗效率分別為65.00%、63.89%、59.09%、54.39%的4種單一表面活性劑隔離液體系AOS、JFC-6、OP-10、LAS，1種清洗效率為84.21%的二元復配隔離液體系LAS+JFC-6（1∶1），以及2種清洗效率分別為92.86%、68.89%的三元復配隔離液體系LAS+JFC-6+AOS（1∶1∶1）、JFC-6+MAB40+OP-10（1∶1∶2）。條件允許的情況下，采用清洗效率最高的LAS+JFC-6+AOS（1∶1∶1）復配體系，其清洗效率可達92.86%。

5 結論

1.油基鉆井液對水泥漿的接觸污染機理探究以及溶液表面張力的測定結果表明，表面活性劑能夠通過破乳作用和包裹油相的方式降低油基鉆井液對水泥漿的接觸污染；表面活性劑的加入能顯著降低水油界面張力，提高清洗效率。

2.通過清洗效率測定，配制出了一種清洗效率高達92.86%的三元復配表面活性劑隔離液體系，其表面活性劑為LAS + JFC-6 + AOS （1∶1∶1）。

[1]BROTHERS L E，DEBLANC F X. New cement formulation helps solve deep cementing problems[J].SPE 17181， 1989.

[2]KATHERINE AUGHENBAUGH， SRIRAMYA DUDDUKURI NAIR， KENNETH COWAN， et al. Contamination of deepwater well cementations by synthetic-based drilling fluids [R]. SPE 170325， 2014.

[3]HARDER C， CARPENTER R， WILSON W. Surfactant/ cement blends improve plugging operations in oil-base muds [R]. SPE 23928. 1993.

[4]ABHIJIT TARAFDAR， TRISSA JOSEPH， VINEET VASANT SATHE. A Cement composition containing a substituted ethoxylated phenol surfactant for use in an oilcontaminated well：US AU20110284547 [P].2014-10-9.

[5]LI Ming， OU Hongjuan， LI Zaoyuan， et al. Contamination of cement slurries with diesel-based drilling fluids in a shale gal well[J]. Journal of Natural Gas Science and Engineering， 2015（27）：1-6.

[6]歐紅娟，李明，辜濤，等. 適用于柴油基鉆井液的前置液用表面活性劑優選方法[J]. 石油與天然氣化工，2015（3）：1-6. OU Hongjuan，LI Ming，GU Tao，et al.Optimization of preflush surfactant in diesel fuel base drilling fluid[J]. Chemical Engineering of Oil and Gas，2015（3）：1-6.

A Surfactant Spacer for Use in Oil Base Drilling Fluid

In shale gas drilling, the residues of oil base drilling fluid on the borehole wall and the surface of the casing strings have long been a problem. The residual oil base drilling fluid will inevitably be mixed with and therefore render contamination to cement slurry. The surface of casing and the borehole wall, which are long in contact with oil base drilling fluid, can become lipophilic or hydrophobic, thus bringing about many problems, such as difficulties in displacing the oil base drilling fluid and cleansing the casing string, poor rheology of the mixed slurry, reduced strength of the contaminated cement slurry, and poor bonding of the interfaces between cement sheath and casing string and the interfaces between cement sheath and the borehole wall. Laboratory studies have been conducted on surfactants and spacers to resolve the problems mentioned above. The studies included the following: 1) investigating the mechanisms of the contact contamination between oil base drilling fluid and cement slurry; 2) verifying the flushing efficiency of surfactants by measuring surface tension; and 3) measuring the flushing efficiency of surfactant solution and spacer using simulated casing flushing experiment. The results of the studies showed that use of surfactant remarkably decreased the oil-water interface tension, hence enhanced the flushing efficiency. A compounding surfactant spacer, having a flushing efficiency of 92.86%, was formulated with three surfactants in a ratio of LAS∶JFC-6∶AOS = 1∶1∶1. The spacer was able to enhance the bonding quality of the interfaces between casing and cement sheath and the interfaces between cement sheath and borehole wall, and was helpful in improving the quality of shale gas well cementing.

Spacer fluid; Flushing efficiency; Surface tension; Surfactant; Oil base drilling fluid

TE256

A

1001-5620（2017）03-0077-04

2017-1-9；HGF=1702M3；編輯 馬倩蕓）

10.3969/j.issn.1001-5620.2017.03.015

國家科技重大專項“深井超深井優質工作液與固井完井技術研究”（2016ZX05020004-008）及國家科技重大專項“大型深層碳酸鹽巖氣藏鉆采技術研究與應用”（2016ZX05052）聯合資助。

劉麗娜，1993年生，主要從事固井材料的研究工作。電話15708459422；E-mail：studentliulina@163. com。

李明，博士，副教授，主要從事固井材料與固井工程的教學與研究工作。E-mail：swpulm@126.com。

LIU Lina1, LI Ming1,2, XIE Dongbai1, GUO Xiaoyang1,2

(1. School of Material Science and Engineering, Southwest Petroleum University, Chengdu, Sichuan 610500;2. State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation, Southwest Petroleum University, Chengdu, Sichuan 610500)