油基钻井液劣质固相絮凝剂双十六烷基二甲基氯化铵

2021-08-16景岷嘉李武泉蒋官澄

钻井液与完井液 2021年2期

景岷嘉，李武泉，蒋官澄

（1.中国石油集团川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院，四川广汉 618300；2.中国石油大学（北京）油气资源与探测国家重点实验室，

北京 102249；3.中国石油大学（北京）石油工程教育部重点实验室，北京 102249）

0 引言

油基钻井液具有较好的抗高温、润滑、抑制等作用，常应用于页岩等高难度地层钻井[1]。但随着钻井时间的增加，多次重复使用的油基钻井液中的劣质固相含量越来越高，且固相粒径较小，难以被固控设备清除[2-3]。这些劣质固相不仅会增大钻井液的黏度、切力，使钻井液流变性能恶化，同时由于增加内摩擦会减慢机械钻速，降低钻井效率，严重则导致钻井液报废无法使用，从而增加钻井成本[4-7]。

目前，国内外对多次重复使用的油基钻井液采用破乳、分离等方法处理劣质固相[8-14]，但均属于二次处理。絮凝剂能够通过絮凝作用增大劣质固相粒径，使其达到固控设备处理条件而清除，但基本上所有絮凝剂均用于水基钻井液而鲜有用于油基钻井液。研究表明，双十六烷基二甲基氯化铵（DCDAC）可以在劣质固相表面吸附，与油基钻井液中的润湿剂构成竞争吸附，而且具有长疏水链、油溶性强，能够相互缠绕聚集劣质固相，可作为油基钻井液絮凝剂。基于此，选取粒径为11 µm 的高岭土作为油基钻井液劣质固相，对DCDAC 的絮凝作用进行了研究。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

DCDAC（99%），高岭土（11 µm，99%），氧化钙（98%），卵磷脂（99%）；蒸馏水，自制；矿物油，主乳化剂，辅乳化剂，有机土，氧化沥青，润湿剂，重晶石等。

WGZ-800 型浊度仪，Leica DM4M 光学显微镜，ZNN-D6 六速旋转黏度计，DWY-2 破乳电压测试仪。

1.2 高岭土悬浮液及油基钻井液的配制

油基钻井液中亲水性劣质固相稳定悬浮的主要原因是润湿剂，例如十二烷基三甲基溴化铵和卵磷脂[2]，通过吸附、润湿反转使固相更容易分散在油相中[15]。因此，按照如下方法配制高岭土悬浮液：向浆杯中加入200 mL3#白油，连续搅拌下依次加入2%11 µm 高岭土和1%卵磷脂，在10 000 r/min下持续搅拌20 min，制得高岭土悬浮液待用。

油基钻井液的制备方法如下。向浆杯中加入240 mL5#白油，连续搅拌下依次加入3%主乳化剂、0.5% 辅乳化剂、2% 有机土、3%CaO 和60 mL 盐水（30%CaCl2），在10 000 r/min 下持续搅拌20 min。然后依次加入3%氧化沥青、1%润湿剂、300 g 重晶石及50 g11 µm 高岭土，在10 000 r/min下持续搅拌40 min，制得密度为1.6 g/cm3的油基钻井液待用。

1.3 絮凝实验

1.3.1 静置观察

分别量取一定体积的高岭土悬浮液，连续搅拌下加入不同量的DCDAC，在10 000 r/min 下持续搅拌20 min，然后取一定量悬浮液于25 mL 试管中，分别静止0、1、2、3、5、10、24 和48 h，在室温下静置观察高岭土悬浮液沉降情况。

1.3.2 浊度分析

按照上述方法配制不同DCDAC 加量的高岭土悬浮液，然后分别静止0、1、2、3、5、10、24 和48 h 后，取上层清液用WGZ-800 型浊度仪测其浊度。按式（1）计算浊度降低率TR 以表征DCDAC的絮凝效果。

式中，TR 为絮凝剂的浊度降低率，%；T空白为加入絮凝剂前钻井液的浊度，NTU；T絮凝为加入絮凝剂后钻井液的浊度，NTU。

1.3.3 显微镜观察

按照上述方法配制不同DCDAC 加量的高岭土悬浮液，然后将100 µL 悬浮液样品滴在玻璃片上，并用载玻片轻轻盖住。最后用Leica DM4M 光学显微镜观察悬浮液的微观形态，并拍照。

1.3.4 体系絮凝评价

别取一定体积的油基钻井液，连续搅拌下加入不同量的DCDAC，在10 000 r/min 下持续搅拌20 min，并测量其流变及密度。然后将油基钻井液倒入离心管中，在2000 r/min 的离心速度下离心10 min。之后倒出离心管上部所有液体，测量其流变及密度，并取6 mL 液体烘干，分别按式（2）、（3）计算固相含量及固相清除率。

式中，wsol为固相含量，g/mL；msol为固相质量，g；Vsol为固相体积，mL；φ 为固相清除率，%；wsolb为加入絮凝剂前的固相含量，g/mL；wsola为加入絮凝剂后的固相含量，g/mL。

2 结果与讨论

2.1 高岭土悬浮液的静置观察实验

不同DCDAC 加量对高岭土悬浮液沉降情况的影响如图1 所示。

图1 在不同时间下不同DCDAC 加量对高岭土悬浮液沉降情况的影响

由图1 可以看出，DCDAC 对高岭土有明显絮凝作用。未加絮凝剂的情况下，高岭土稳定地悬浮在白油中，48 h 后上层清液的体积约为5 mL；当DCDAC 加量为1%～4%之间时，48 h 后，高岭土悬浮液的上层清液体积约为10 mL 左右；当DCDAC 加量为5%时，高岭土在48 h 后基本沉淀完毕，上层清液的体积为22 mL。

2.2 高岭土悬浮液的浊度分析实验

不同时间、不同DCDAC 加量下,高岭土悬浮液的浊度见表1，高岭土悬浮液的浊度降低率变化见表2 及图2。由表1 可知，上层清液浊度达到100 NTU 所需时间随DCDAC 加量的增大而减小。未加DCDAC 时，48 h 后悬浮液的浊度低于50 NTU；加量为5%时DCDAC 对高岭土的絮凝效果最佳，浊度在10 h 后低于90 NTU。

图2 不同时间不同DCDAC 加量下高岭土悬浮液的浊度变化

表1 不同时间、不同DCDAC 加量下高岭土悬浮液的浊度 NTU

表2 不同时间、不同DCDAC 加量下高岭土悬浮液的浊度降低率 %

从表2 及图2 可以看出，高岭土悬浮液的浊度降低率随着DCDAC 加量的增大而增大，加量为5%时DCDAC 对高岭土的絮凝效果最佳，浊度降低率接近80%。浊度分析实验与静置观察实验结果具有较好的一致性。

2.3 高岭土悬浮液的显微镜观察实验

不同DCDAC 加量的光学显微镜照片如图3 所示。DCDAC 加量为0%～3%时，高岭土均匀分散在悬浮液中。当DCDAC 的加量≥4%时，40 µm的照片表明高岭土颗粒出现了相互团聚的现象，并且100 µm 的照片表明颗粒的团聚具有普遍性。由此可以看出，DCDAC 能够使悬浮液中的高岭土相互团聚，增大高岭土的粒径，从而加快高岭土的沉降速度。分析期机理为：阳离子DCDAC 与阳离子润湿剂（如卵磷脂）形成竞争吸附，导致润湿剂脱吸附，固相的分散性变差，固相趋向于聚并，同时DCDAC 的长烷烃链相互缠绕，使固相的粒径变大。

图3 不同DCDAC 加量的光学显微镜照片

2.4 油基钻井液体系絮凝评价实验

离心后油基钻井液体系密度随DCDAC 加量的变化如图4所示。整体上，随着DCDAC加量的增大，离心后油基钻井液的密度呈现下降的趋势。原始油基钻井液离心后密度为1.130 g/cm3，加入DCDAC后，油基钻井液离心后密度低于1.080 g/cm3，其中，4%加量下最低，为1.045 g/cm3，说明絮凝剂降低了油基钻井液离心后的固相含量。

图4 离心后油基钻井液体系密度随DCDAC 加量变化

离心前后油基钻井液体系的塑性黏度及动切力随DCDAC 加量变化如图5 和图6 所示。

图5 离心前后油基钻井液体系塑性黏度随DCDAC 加量变化

图6 离心前后油基钻井液体系动切力随DCDAC 加量的变化

由图5 和图6 可以看出，离心前，塑性黏度和动切力都呈现出先降低后增大的趋势，这可能是由于DCDAC 具有降低沥青质黏度的作用[16]，在3%加量下的塑性黏度和动切力最低，但是继续增大DCDAC 加量会增大体系的黏度；离心后，塑性黏度和动切力也呈现出先降低后增大的趋势，其中塑性黏度和动切力分别在2%及1%加量下达到最低，分别为33 mPa·s 及10.5 Pa，加入DCDAC 后的塑性黏度和动切力都低于原始油基钻井液，说明絮凝剂有利于油基钻井液中固相的清除，从而减少了固相之间的摩擦，导致动切力降低。

离心后固相含量及固相清除率随DCDAC 加量变化如图7 所示。

图7 固相含量及固相清除率随DCDAC 加量变化

由图7 可以看出，固相含量与DCDAC 加量为负相关，固相清除率与DCDAC 加量为正相关，当DCDAC 加量为5%时，固相清除率达到最大，为23.51%，此时固相含量为0.5159 g/mL，这与离心后密度的测定具有一定的相关性，说明絮凝剂的加入能降低离心后油基钻井液中的固相含量。因此，与未加DCDAC 的油基钻井液相比，DCDAC 能够降低油基钻井液离心后的密度、塑性黏度、动切力与固相含量，说明DCDAC 有利于油基钻井液中固相的清除。