油基钻井液润湿剂评价新方法

2019-04-29李炎军胡友林吴江张万栋廖奉武岳前升

钻井液与完井液 2019年1期

李炎军，胡友林，吴江，张万栋，廖奉武，岳前升

(1.中海石油（中国）有限公司湛江分公司，广东湛江524057；2.长江大学石油工程学院，湖北武汉430100；3.长江大学化学与环境工程学院，湖北荆州434023）

润湿剂的评价方法主要有润湿接触角法和重晶石沉降体积法等方法。润湿接触角法是评价润湿剂改变固体表面润湿性的一种较直观简便的方法，接触角法用玻璃来代表亲水性固体表面，所得到的测试结果是基于玻璃表面性质的，这是与油基钻井液中亲水性固体如重晶石、泥岩钻屑等明显不同的，所以用玻璃代表亲水性固体所选择的润湿剂未必适用于重晶石亲水性表面改性[1-3]。吴超、田荣剑等提出重晶石在不同润湿剂的油溶液中最终沉降体积法，该方法是将重晶石粉体视为毛细管束，根据不同润湿剂的油溶液中重晶石粉体最终沉降稳定体积的大小，来评价润湿剂的润湿性能，重晶石粉体的沉降稳定体积越小，润湿剂润湿性能越好[4]，这种评价方法虽简单易行，但是仅仅采用重晶石粉体最终的沉降稳定体积大小差异的评价指标相对比较单一。接触角法和重晶石沉降稳定体积法均是在常温下进行的，润湿剂在常温的性能并不能代表其在井下高温的性能，该两种方法均未考虑高温影响润湿剂在重晶石颗粒表面的吸附及其润湿性能，同时未结合油基钻井液的现场应用工艺条件，缺乏对润湿剂的抗温性评价。为了全面评价油基钻井液润湿剂的性能，克服现有润湿剂评价方法的不足,因此，亟需建立一种简单易行、多评价参数及结合油基钻井液现场应用工艺条件的润湿剂评价新方法。

1 油基钻井液润湿剂评价新方法

1.1 评价方法原理

润湿剂在重晶石颗粒表面发生吸附，当重晶石颗粒的表面由亲水性转化为弱亲水性或亲油性时，使重晶石颗粒之间产生的固—固摩擦以及重晶石粉体与油之间产生固—液摩擦，改变为润湿剂非极性端之间或油膜之间的摩擦，重晶石颗粒表面的亲油性越强，重晶石颗粒之间摩擦力以及重晶石颗粒与油相的摩擦力越小，油的塑性黏度越小；由于润湿剂改变了重晶石颗粒表面的亲水性，使得重晶石颗粒在沉降时受到的流动阻力不同，重晶石颗粒表面亲油性越强则其沉降阻力越小，重晶石颗粒沉降速率越大，反之，重晶石颗粒沉降速率越小；重晶石颗粒在油中沉降时形成了若干类似毛细管的通道，重晶石的亲油性越强，最终被束缚在重晶石沉降体积中的液相越少，重晶石颗粒最终的沉降稳定体积越小，反之，重晶石颗粒的沉降体积越大[5-6]。因此，可以基于油相塑性黏度、重晶石颗粒在油中沉降速率、重晶石颗粒在油中的最终沉降体积等多参数评价油基钻井液润湿剂的润湿性能，塑性黏度越小、重晶石颗粒沉降速度越大以及重晶石颗粒最终沉降体积越小，润湿剂的润湿性能越好。

1.2 评价方法

根据塑性黏度、重晶石颗粒在油中的沉降速率、重晶石颗粒在油中的沉降体积等参数，建立一种简单易行、多评价参数及结合油基钻井液现场应用工艺的油基钻井液润湿剂的评价新方法。实验步骤如下。

①改性重晶石的制备。在300 mL蒸馏水中加入6.0 g润湿剂，以11 000 r/min高速搅拌30 min后，缓慢加入 100.0 g 钻井液用重晶石 ,以 11 000 r/min高速搅拌60 min后倒入老化罐中，在一定温度下热滚16 h，取出老化罐冷却至室温，将重晶石悬浮体过滤，得到润湿剂改性后的重晶石粉体，并将其置于烘箱中在一定温度下烘干24 h待用。

②在体积为300 mL的26号白油中加入100.0 g重晶石颗粒（润湿剂改性和未经润湿剂改性），并以 11 000 r/min 的速度高速搅拌 30 min 后，并以11 000 r/min 的速度高速搅拌 30 min 后，倒入老化罐中，在一定温度下热滚16 h。

③取出老化罐冷却至室温，并以11 000 r/min的速度高速搅拌30 min后，立即用六速旋转黏度计测定悬浮体的φ600和φ300，测试程序参照GB/T 16783.2—2012执行。

④将上述重晶石悬浮体再以11 000 r/min的速度高速搅拌30 min后倒入量筒中，在倒入的同时用秒表记录重晶石悬浮体从倒入量筒至最终沉降量筒底部所用的时间以及重晶石颗粒最终沉降体积。

⑤根据测定悬浮体的φ600和φ300计算重晶石悬浮体的塑性黏度（mPa·s）；根据记录重晶石悬浮体从倒入量筒至最终沉降至量筒底部所用的时间计算重晶石颗粒沉降速率，沉降速率为重晶石颗粒质量（mg）与时间（s）的比值。

2 实验结果分析

2.1 塑性黏度

根据所建立的油基钻井液润湿剂的评价新方法，测定含有重晶石颗粒悬浮液的塑性黏度，实验结果如表1所示。由表1可知，润湿剂改性后的重晶石悬浮液的塑性黏度低于未改性重晶石悬浮液的塑性黏度，主要是因为润湿剂在重晶石颗粒表面吸附，使重晶石颗粒的表面由亲水性转化为弱亲水性或亲油性，重晶石颗粒之间产生的固-固摩擦以及重晶石粉体与油之间产生的固-液摩擦，改变为润湿剂非极性端之间或油膜之间的摩擦。3种润湿剂改性后重晶石悬浮液的塑性黏度随热滚温度升高而增大，表明3种润湿剂的润湿性能随着温度升高而降低。由悬浮液塑性黏度参数可知，润湿剂C的润湿性能相对较好，润湿剂A的润湿性能次之，润湿剂B的润湿性能相对较差。

表1 含有重晶石颗粒悬浮液的塑性黏度评价

2.2 沉降速率

根据所建立的油基钻井液润湿剂的评价新方法，记录重晶石颗粒沉降时间，计算重晶石颗粒沉降速率，实验结果见图1。

图1 重晶石颗粒的沉降速率

由图1可知，润湿剂改性后的重晶石的沉降速率明显大于未改性重晶石的沉降速率，主要是因为润湿剂在重晶石颗粒表面发生吸附，使得重晶石颗粒在沉降时受到的流动阻力不同，重晶石颗粒表面亲油性越强沉降阻力越小，重晶石颗粒沉降速率越大，重晶石表面亲油性越弱则沉降阻力越大，重晶石颗粒沉降速率越小。3种润湿剂改性后重晶石颗粒沉降速率随热滚温度升高而减小，表明3种润湿剂的润湿性能随着温度升高而降低。由沉降速率评价参数可知，润湿剂C的润湿性能相对较好，润湿剂A的润湿性能次之，润湿剂B的润湿性能相对较差。

2.3 沉降体积

根据所建立的油基钻井液润湿剂的评价新方法，记录重晶石颗粒最终沉降体积，实验结果见图2。

图2 重晶石颗粒的最终沉降体积

由图2可知，润湿剂改性后的重晶石的最终沉降体积明显小于未改性重晶石的最终沉降体积，主要是因为润湿剂在重晶石颗粒表面发生吸附，改变了重晶石颗粒表面润湿性，重晶石颗粒表面憎水性越强，被束缚在重晶石颗粒沉降时形成毛细管通道中的油相就越少，重晶石颗粒最终的沉降体积越小。3种润湿剂改性后重晶石颗粒最终沉降体积随热滚温度升高而增大，表明3种润湿剂的润湿性能随着温度升高而降低。由最终沉降体积评价参数可知，润湿剂C的润湿性能相对较好，润湿剂A的润湿性能次之，润湿剂B的润湿性能相对较差。

2.4 接触角法

采用HARKE-SPCA视频接触角测定仪测定蒸馏水与经润湿剂处理后云母片表面的接触角[7]，实验结果如图3所示。由图3可知，经润湿剂C处理的接触角最大，经润湿剂A处理次之，经润湿剂B处理的相对最小，接触角越大，固体表面的亲油性越强，接触角评价法的实验结果与采用塑性黏度、沉降速率以及最终沉降体积等参数评价润湿剂实验结果的规律具有一致性，证明了所建立的油基钻井液润湿剂评价新方法具有可行性。润湿接触角测量方法要求固体表面必须足够致密和光滑，实验结果的重复性和准确性影响因素较多，而建立的油基钻井液润湿剂评价新方法简单易行，采用了多评价参数以及结合了油基钻井液现场应用工艺条件评价润湿剂性能。

图3 不同润湿剂溶液处理后的接触角

2.5 油基钻井液性能

在油基钻井液中加入不同的润湿剂，测其150℃热滚16 h后的性能，实验结果如表2所示。

表2 在油基钻井液中加入2%不同润湿剂热滚（150 ℃、16 h）后的性能

由表2可知，在油基钻井液中加入润湿剂后，钻井液的表观黏度、塑性黏度降低、高温高压滤失量降低及破乳电压增大，而动切力基本无变化。主要是因为在油基钻井液中加入润湿剂后改变了重晶石表面的润湿性，重晶石颗粒之间产生的固-固摩擦以及重晶石粉体与油之间产生固-液摩擦，改变为润湿剂非极性端之间或油膜之间的摩擦，重晶石颗粒表面的亲油性越强，重晶石颗粒之间摩擦力以及重晶石颗粒与油相的摩擦力越小，油基钻井液的表观黏度和塑性黏度越小；加入润湿剂后油基钻井液高温高压滤失量的降低和破乳电压的增大，主要是因为润湿剂提高了油基钻井液的稳定性。从油基钻井液流变性、破乳电压以及滤失量来看，润湿剂C的润湿性能相对较好，其次为润湿剂A，润湿剂B相对较差。润湿剂的加入影响油基钻井液性能实验结果与采用塑性黏度、沉降速率以及最终沉降体积等参数评价润湿剂实验结果的规律具有一致性，进一步证明了所建立的油基钻井液润湿剂评价新方法具有可行性。