一种适用于油基钻井液的表面活性剂隔离液

刘丽娜， 李明，， 谢冬柏， 郭小阳，（.西南石油大学材料科学与工程学院，成都60500；.“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室·西南石油大学，成都60500）

一种适用于油基钻井液的表面活性剂隔离液

刘丽娜1， 李明1，2， 谢冬柏1， 郭小阳1，2
（1.西南石油大学材料科学与工程学院，成都610500；2.“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室·西南石油大学，成都610500）

刘丽娜，李明，谢冬柏，等．一种适用于油基钻井液的表面活性剂隔离液[J].钻井液与完井液，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.

页岩气钻井过程中采用的油基钻井液极易残留在井壁和套管壁表面，与固井水泥浆产生接触污染。套管壁及井壁长期处在油基钻井液环境中，两界面亲油憎水，给固井作业带来油基钻井液顶替和清洗困难、混浆流变性能变差、混浆强度严重下降、界面胶结质量不良等问题。针对以上问题，对表面活性剂及隔离液进行了如下研究：①调研油基钻井液对水泥浆的接触污染机理；②测定溶液表面张力，验证表面活性剂对清洗效果的影响；③配制表面活性剂水溶液和隔离液，利用模拟套管冲洗法测定清洗效率。实验结果表明，表面活性剂的加入能显著降低水油界面张力，提高清洗效率；配制出了一种清洗效率高达92.86%的三元复配表面活性剂隔离液体系，表面活性剂组成为LAS+JFC-6+AOS（1∶1∶1）；该隔离液对油基钻井液有良好的清洗效果，可提高界面胶结质量，有助于提升页岩气井的固井质量。

隔离液；清洗效率；表面张力；表面活性剂；油基钻井液

页岩气水平井钻井使用的油基钻井液极易残留在井壁和套管壁表面，其与固井水泥浆的相容性极差，会与水泥浆发生接触污染，套管壁及井壁长期处在油基钻井液环境中，二界面亲油憎水，影响界面胶结质量。国外已有Brother、Katherine、 Harder、Abhijit等学者对防止油基钻井液接触污染水泥浆的措施进行了一些研究[1-4]，但这些缓解措施都没有从机理上进行解释。斯伦贝谢公司的Frederik、中国石化公司等研究出的隔离液，虽已在多口页岩气井取得了应用，但并未给出清洗效果显著的隔离液体系。针对以上问题，重点进行了隔离液中表面活性剂的研究，从改善乳化作用、渗透压作用和油基钻井液无固结能力导致的自由水不能运移到水泥浆中的3个污染机理出发，最终配制出一种对油基钻井液清洗效果显著的表面活性剂隔离液体系。

1 油基钻井液对水泥浆的污染机理

1） 乳化作用。油基钻井液里含有亲油性乳化剂，通常情况下形成油包水型乳化结构，即常见的油包水乳化钻井液。乳状液中分散相一般为盐度较高的CaCl2水溶液，它使钻井液产生的渗透压不小于页岩井壁的吸附压，从而防止钻井液中水相运移到井壁，危害井壁稳定性；加之Ca2+离子的存在也可以保证油包水乳化结构的稳定，这样水相更难运移到固井水泥浆中，水泥浆不易固结。

2） 渗透压作用。当油基钻井液掺混到水泥浆中，具有两亲性的乳化剂分子排列与油水界面构成了对应的半透膜，进而导致盐含量较低的水泥浆中的自由水会向油基钻井液内部水相迁移，降低水泥浆中自由水含量，影响混浆的初始稠度和流动能力。

3）无固结能力。油基钻井液是亲油性流体，不具有固结能力，油基钻井液的油相物质会由于乳化剂分子的作用吸附于水泥颗粒表面，从而严重阻碍水泥颗粒与自由水的充分接触，导致颗粒水化不充分，在最终形成的混浆水泥石中形成大量孔洞，破坏了水泥石结构的完整性，导致其力学性能下降。

分析污染机理[5]可知，对水泥浆造成污染的主要是乳化剂和油基钻井液中的油相。最好的解决方法是寻找添加剂来破乳并包裹油基钻井液中的油相部分，这种方法能够降低油基钻井液对水泥浆的污染。表面活性剂的双亲结构使其自身成为最好的分散乳化剂，能够达到破乳和包裹油相部分的作用，因此，该实验重点研究了隔离液中的表面活性剂并配制出一种适用于清洗油基钻井液的隔离液，最大程度地降低了水泥浆和油基钻井液的接触污染。

2 实验部分

2.1 实验材料

离子类型为阴离子型、非离子型、两性离子型的表面活性剂以及HLB值在12～15的表面活性剂清洗效果最佳[6]，除此之外该实验还选用了部分HLB值不在最佳范围和HLB值未知的表面活性剂进行研究。最终选择如下实验材料。阴离子型表面活性剂：十二烷基苯磺酸钠（LAS，HLB值为10.63）、α-烯烃磺酸钠（AOS，HLB值为15）、十二烷基硫酸钠（SDS，HLB值为40）、脂肪醇醚硫酸钠（AES，HLB值未知）；非离子型表面活性剂：脂肪醇聚氧乙烯醚（JFC-6，HLB值未知）、失水山梨醇单油酸酯（Span-80，HLB值为4.3）、脂肪醇聚氧乙烯醚（AEO-9，HLB值为13.3）、十二烷基酚聚氧乙烯醚（OP-10，HLB值为14.5）、聚氧乙烯失水山梨醇月桂酸酯（Tween-20，HLB=16.5）；两性离子型表面活性剂：月桂酰两性醋酸钠（MAB40，HLB值为16.7）；隔离液：GYW201、GYW301、铁矿粉；油基钻井液。

2.2 实验仪器

FA2004型电子天平，JK99B型全自动表面张力测定仪，ZNN-D6型六速旋转黏度计，钻井液密度计，GK-12型高速变频无极调速搅拌机。

2.3 实验方法

2.3.1 洗油型表面活性剂隔离液的配制方法

表面活性剂隔离液密度为2.0 g/cm3，其配方为2 500 g水+100 g GYW201+50 g GYW301+单种或复配表面活性剂。

配制步骤如下：①将已按比例称量好的水和GYW201倒入烧杯， 充分搅拌均匀 1.5 h， 然后加入GYW301，继续搅拌0.5 h，得到隔离液基液；②加入称量好的铁矿粉，搅拌均匀0.5 h，得到空白隔离液；③向称量好的空白隔离液中加入单种或复配表面活性剂，充分搅拌均匀，得到表面活性剂隔离液。

2.3.2 清洗效率评价方法

清洗效率评价方法采用模拟套管冲洗法：①将选好的模拟套管的钢管打磨光滑并称重W1；②将套管置于300 g油基钻井液中浸泡30 min，取出并称重W2；③将模拟套管置于含等量清洗液的铁杯中，冲洗30 min，取出并称重W3；④计算冲洗效率，其值为（W2-W3）/（W2-W1）。

3 洗油型隔离液用表面活性剂的优选

3.1 溶液表面张力的测定

配制表面活性剂不同浓度的水溶液和油溶液，并对每种溶液的表面张力进行测定，结果如图1、图2所示。从图1可以看出，在水中加入一定量表面活性剂能够使蒸馏水的表面张力从原来的72.000 mN/m降低至22.000～27.000 mN/m。观察图2可知，加入一定量表面活性剂的油溶液，其表面张力较纯油24.000 mN/m的表面张力并无过大变化，均在24.000～27.000 mN/m内波动。水、油表面张力接近，水油界面张力变小，油基钻井液更易脱离，说明加入表面活性剂能提高隔离液的清洗效率。

图1 表面活性剂水溶液表面张力

图2 表面活性剂油溶液表面张力

3.2 表面活性剂水溶液的清洗效率

3.2.1 单种表面活性剂水溶液清洗效率的测定

在不同的表面活性剂下选择了1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%等5个加量，配制了实验所需水溶液，其清洗效率如图3所示。

图3 单种表面活性剂水溶液的清洗效率

由图3可知，单种表面活性剂水溶液的清洗效率会随其浓度的变化而变化，但大多数都在浓度为2.5%时达到最高清洗效率，且阴离子型表面活性剂LAS、AOS，非离子型表面活性剂JFC-6、OP-10和两性离子型表面活性剂MAB40的清洗效率最高。

3.2.2 复配表面活性剂水溶液清洗效率测定

由实验可知，多数表面活性剂水溶液的浓度在2.5%时清洗效率达到最高值，因此在复配时，采用2.5%的浓度为标准进行复配。用LAS对JFC-6、MAB40，JFC-6对MAB40进行二元复配，用LAS和JFC-6对AOS、 OP-10、 MAB40， LAS和MAB40对AOS， JFC-6和MAB40对OP-10进行三元复配，得到的清洗效率如图4、 图5所示。

图4 二元复配水溶液清洗效率

通过图4、 图5的清洗效率结果， 可以从每组复配体系中选出最优配比：二元复配为LAS+JFC-6（1∶1）、LAS+MAB40（1∶2）、JFC-6+MAB40（1∶1）；三元复配为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） 。

图5 三元复配水溶液清洗效率

4 洗油型隔离液的研究

用优选出来的表面活性剂及最优配比复配体系进行洗油型隔离液的配制，然后对隔离液进行清洗效率测定，最终研究出清洗效果最好的洗油型表面活性剂隔离液体系。各种隔离液对油基钻井液的清洗效率如图6、图7所示。

图6 单种表面活性剂隔离液清洗效率

图7 复配表面活性剂隔离液清洗效率

由图6、图7可知，表面活性剂隔离液清洗效率较表面活性剂水溶液清洗效率无过大波动，且复配型的清洗效率整体比单种型的清洗效率高。通过具体的清洗效率数值比较，可得出如下几种清洗效率较优的体系：清洗效率分别为65.00%、63.89%、59.09%、54.39%的4种单一表面活性剂隔离液体系AOS、JFC-6、OP-10、LAS，1种清洗效率为84.21%的二元复配隔离液体系LAS+JFC-6（1∶1），以及2种清洗效率分别为92.86%、68.89%的三元复配隔离液体系LAS+JFC-6+AOS（1∶1∶1）、JFC-6+MAB40+OP-10（1∶1∶2）。条件允许的情况下，采用清洗效率最高的LAS+JFC-6+AOS（1∶1∶1）复配体系，其清洗效率可达92.86%。

5 结论

1.油基钻井液对水泥浆的接触污染机理探究以及溶液表面张力的测定结果表明，表面活性剂能够通过破乳作用和包裹油相的方式降低油基钻井液对水泥浆的接触污染；表面活性剂的加入能显著降低水油界面张力，提高清洗效率。

2.通过清洗效率测定，配制出了一种清洗效率高达92.86%的三元复配表面活性剂隔离液体系，其表面活性剂为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]欧红娟，李明，辜涛，等. 适用于柴油基钻井液的前置液用表面活性剂优选方法[J]. 石油与天然气化工，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；编辑 马倩芸）

10.3969/j.issn.1001-5620.2017.03.015

国家科技重大专项“深井超深井优质工作液与固井完井技术研究”（2016ZX05020004-008）及国家科技重大专项“大型深层碳酸盐岩气藏钻采技术研究与应用”（2016ZX05052）联合资助。

刘丽娜，1993年生，主要从事固井材料的研究工作。电话15708459422；E-mail：studentliulina@163. com。

李明，博士，副教授，主要从事固井材料与固井工程的教学与研究工作。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)