浅析表面活性剂在钻井液中的作用

泮伟 刘四丽

摘 要：随着钻探技术的发展，基于表面活性剂研发的钻井液处理剂名目繁多。文章从钻井液性能入手，分析了表面活性剂对钻井液的润湿、稳定、润滑、抗温、乳化、消泡、起泡等的作用机理，具有一定的借鉴意义。

关键词：表面活性剂；钻井液；协同作用

1 概述

我国“最深大陆科钻”“松科2井”于2014年4月13号开钻，其设计井深6400米，是我国目前最深的科学钻井，预计2016年全面完成钻探取芯任务。钻探技术的不断发展，对钻井液提出了更高的要求，而钻井液新技术的发展依赖于钻井液中处理剂的研制。表面活性剂作为钻井液中最常用的处理剂，在提高钻井液粘度、整体稳定、润滑减阻等性能方面有着不可超越的优势。表面活性剂具有固定的亲水亲油基团，加入溶液中亲水基与水分子结合，疏水剂远离水分子，表面活性剂形成定向排列，同时能显著降低溶液的表面张力。因此，在钻井液中加入量很少量时就能大大地降低溶剂（一般是水）的表面张力（或液液界面张力），改变体系界面状态，从而产生润湿或反润湿、乳化或破乳、气泡或消泡等一系列作用的物质。文章从钻井液性能入手，浅析了表面活性剂的各种作用效果。

2 表面活性剂的作用

2.1 湿润、均一稳定作用

常规的钻井泥浆采用定量膨润土与水混合搅拌，但是由于土颗粒不溶于水，混合后常常导致水土分层，水对土颗粒的润湿作用不大。此时，于泥浆中加入一定比例含量的表面活性剂，通过减小表面张力，增加水在土颗粒表面的分布面积，达到充分湿润的作用。同时，表面活性剂的两亲性将土颗粒和水的直接接触改变为水与亲水基、土与疏水基的接触，像一条纽带将两者结合，大大降低了水土分层的现象，能够使整个泥浆体系均一稳定、增加钻井液粘度、降低失水率。实验发现[1]，添加表面活性剂后泥浆的胶体率可由70%提高到90%以上，表观粘度可增加6～10mPa·s，滤失量降低5～10ml。木质素磺酸盐、单宁栲胶、丙烯酰胺、磺甲基酚醛树脂等均具有一定的调节流型、降低滤失量作用。

2.2 润滑减阻作用

孔壁岩石和金属钻杆的表面都是亲水的高能表面，当含表面活性剂的钻井液在孔内循环时，活性剂水溶液中的具有两亲结构的表面活性剂便吸附在金属钻杆-水和岩石-水的界面上。当钻杆柱高速回转时，变金属钻杆和岩石表面间的直接摩擦为表面活性剂憎水端间的吸附摩擦，犹如机械轴承间注入润滑油后变干摩擦为润滑油摩擦。另外，钻探深度的增加对钻井液比重提出更高的要求，重晶石是常用的加重剂，添加加重剂后钻井液体系对机械磨损加大，实验证明[2]，表面活性剂可吸附在金属表面，大大改善重晶石高密度钻井液对金属表面的磨损。烷基芳基磺酸盐、煤油烃基磺酸和磺化沥青、月桂酸聚氧乙烯醋和辛基酚聚氧乙烯醚等均具有一定的润滑减阻作用。

2.3 稳定体系pH值

钻井液pH 值一方面影响各处理剂在钻井液中的效果，降低钻井液的工作性能；另一方面还会加重钻具的腐蚀，造成一些偶然的钻井事故。添加处理剂常常导致钻井液pH值的降低，如何稳定体系pH值在可控范围内显得尤为重要。一般水基泥浆体系复配前钻井液体系pH约6～7，加入各种添加剂后pH在10左右，随着钻井液老化时间的增加，pH会逐渐降低。刘东明等人[3]，实验证实：阴离子表面活性剂ABS、AS对饱和盐水钻井液的pH值变化具有一定的稳定作用，同时复配表面活性剂能够产生一定的协同效应，使复配剂效果往往优于相同条件下单一表面活性剂的使用效果，如ABS和OP-10或OP-10和Span-80的复配。

2.4 抗高温、抗污染作用

深部钻探钻遇地质条件复杂，地温梯度高达3.6/100m，温度的升高使钻井液体系流动性变差，高塑性黏度和动切力使环空压耗增大，甚至造成塌孔等事故。表面活性剂对钻井液体系的稳定作用尤其表现在高温环境下，包括对聚氨、聚磺钻井液体系的，各种实验均有证明。在油田常用的聚磺钻井液中加入表面活性剂SK，通过热滚回收实验发现[4]，SK能够增加钻井液中固相颗粒的分散度，提高钻井液体系稳定性，同时表明张力系数也随SK加量的增加而降低。

2.5 乳化作用

表面活性剂的乳化作用使水油两种不相溶物质形成稳定的乳状液。水油体系要达到互溶稳定，表面活性剂的两亲结构是基础。当搅拌时，它吸吸附在油珠和水的界面上，降低油水界面张力，同时在油水界面上的两侧形成两个溶剂化吸附层，即形成界面膜，阻止油珠的合并，当用离子型表面活性剂时，油珠间还存在着双电层斥力。这样，油珠便稳定地分散在乳液。如今，逆乳化钻井液也有广泛应用，油包水型钻井液向水包油型转化，后期加入表面活性剂还可逆化成油包水型，2000年左右最早在美国应用[5]。具乳化作用的表面活性剂有脂肪酸皂、C12～20的烷基苯磺酸、石油磺酸钠等。

2.6 起泡和消泡作用

低压地层、易漏易塌地层中常用到泡沫钻井液，有的钻探现场为了更好地传递压力又需要消除泡沫。因此，起泡剂和消泡剂的应用也很普遍。起泡时，一般靠强烈搅拌或把压缩空气通入水中形成泡沫，但是泡沫需要稳定持久就要加入定量的起泡剂，将水相和气相结合在一起。不需要起跑时，加入定量的消泡剂即可达到效果。常用的发泡剂为十二烷基苯磺酸钠，消泡剂有甘油聚醚、丙三醇聚醚等。

3 结束语

表面活性剂在钻井液中的应用极为广泛，一种表面活性剂常具有多种功效，因此选用时注意剂种优选及选剂之间的协同作用，常能发挥较好性能，达到降低成本的作用。

参考文献

[1]泮伟，乌效明.长距离城市地下管线润滑护壁泥浆配方应用[J].非开挖技术会议论文集，2011.

[2]韩成，邱正松，黄凯文，等.表面活性剂与加重材料相互作用对钻井液性能的影响[J].钻井液与完井液，2014.

[3]刘东明，黄进军，王瑞莲，等.钻井液pH值的影响因素研究[J].油田化学，2007.

[4]张广峰，王劲松，李云贵，等.用表面活性剂提高聚磺钻井液的抗高温和抗污染能力[J].钻井液与完井液，2009.

[5]苏秀纯，赵庆，马颖洁.可逆的逆乳化钻井液[J].国外油田工程，2001.

作者简介：泮伟，女（汉族），硕士，毕业于中国地质大学（武汉），现从事地质工程专业教学工作。