纳米流体和两性表面活性剂改善钻井液性能实验研究*

刘 宁，路向阳

（1.郑州铁路职业技术学院，河南 郑州 451191；2.中原工学院，河南 郑州 450007）

随着油汽勘探领域不断向“深地、深海”等领域拓展，钻井的深度也在不断增大，钻遇的地层状况也更复杂，地层温度也更高，因此，对钻井液各项性能的要求越来越高。目前，常见的水基钻井液是由一定量的膨润土和一定比例的水混合搅拌，同时在钻井液中加入适量的重晶石。但是由于膨润土溶于水的性能较差，钻井液常常会产生水土分层的现象，导致钻井液的失水率较大，滤失性较差，同时在高温高压下，普通水基钻井液的各项物理化学性质也会发生改变，导致钻井效果变差，钻井成本变高。目前，为改善水基钻井液的性能，常见的方法是在水基钻井液中加入一定比例的表面活性剂，表面活性剂具有良好降低表面张力的作用，在钻井液中加入适量的表面活性剂，通过降低水分子与膨润土分子之间的表面张力，增大水分子与膨润土分子间的接触面积，使膨润土可以充分溶于水中，从而形成均一稳定的钻井液体系，降低出现水土分层的概率，进而降低其失水量[1-5]。但表面活性剂在高温高压下性质会变得不稳定，导致改善钻井液性能不太理想。

近年来，纳米材料因其优良的性能而受到越来越多的关注，将其加入到钻井液中可以有效改善钻井液的物化性能，如加入纳米流体的钻井液和地层配伍性会变好，大大降低了水基钻井液的滤失量，同时纳米颗粒可在井壁上形成纳米膜，有利于提高井壁的强度；纳米颗粒具有良好的传热传质性能，主要原因是具有较大的表面积和小尺寸效应，加入纳米流体的钻井液在高温下热稳定性更强[6-8]，但纳米流体的制备过程目前仍处于实验室阶段，生产成本高昂，在现场应用较少。同时，制备好的纳米流体若长期放置，还存在纳米粒子因团聚而导致流体性质不稳定的问题。因此，为分别发挥表面活性剂和纳米流体的优势，本文开展了表面活性剂和纳米流体协同作用改善钻井液性能的实验研究，包括流变性、热稳定性、滤失性和表面张力在内的多项实验，测量了黏度、屈服应力、滤失量、滤饼厚度和表面张力等参数，为表面活性剂-纳米流体混合钻井液在现场应用提供一定的指导。

1 实验部分

1.1 材料及仪器

十二烷基二甲基甜菜碱（AR 济南鑫盈化工有限公司）；十二烷基磺酸钠（AR 山东瑞江化工有限公司）；碳化硅（SiC）纳米流体（平均颗粒直径10～15nm 北京嘉安恒科技有限公司）；黄原胶（AR 河南荣申化工有限公司）；羧甲基纤维素（CMC）（AR 山东铭江化工有限公司）；实验所用的膨润土（AR 广州亿峰化工科技有限公司）；MgO（AR 河北镁神科技有限公司）；重晶石（比重4.3 恩施州康远化工有限公司）和NaCl（AR 廊坊乾耀科技有限公司）

BCT1700 型旋转高温黏度计（上海欢奥科技有限公司）；TX500C PR0 型旋转滴表面张力仪（上海艾飞思精密仪器有限公司）；ZNS-2A 型中压滤失仪（青岛海通达专用仪器有限公司）。

1.2 水基钻井液配制

首先，量取300mL 的蒸馏水，在蒸馏水中分别加入15g 膨润土、6.5g 的羧甲基纤维素（CMC），以提高钻井液的黏度和过滤性，同时以200r·min-1速率搅拌10min。最后，在钻井液中加入82g 的重晶石（BaSO4）作为加重剂，搅拌25min，得到实验用的水基钻井液。

1.3 表面活性剂溶液和碳化硅纳米溶液的制备

本文所用的表面活性剂为两性表面活性剂（十二烷基二甲基甜菜碱）和普通表面活性剂（十二烷基磺酸钠），将其分别溶解在100mL 蒸馏水中并以750r·min-1速率搅拌30min，以获得均匀溶解的表面活性剂溶液。为得到表面活性剂和碳化硅纳米流体混合溶液，首先,在室温（25℃）下将纳米颗粒溶解在50mL 蒸馏水中，然后，与制备好的表面活性剂溶液充分溶解。在每次实验之前，分别将质量分数为1wt%的表面活性剂溶液和碳化硅纳米流体混合溶液添加到水基钻井液中，以得到混合水基钻井液。

1.4 黏度测量

黏度计转速范围在20～200r·min-1。将实验数据拟合到式（1）和式（2）中的赫谢尔-布尔克莱模型和幂律流变模型中，从而分析流体的性质。

赫谢尔-布尔克莱流变模型：

幂律流变模型：

式中 τ：剪切黏度，mPa·s；γ：剪切速率，s-1；τy：屈服应力，MPa；k：幂律系数；n：幂律指数。

通过计算黏度随钻井液温度的变化平均值来评价钻井液的热稳定性，温度从25℃变化至125℃（25、75、100 和125℃），黏度变化量最小则代表温度对流体黏度的影响最小，表明钻井液的热稳定性更好。

1.5 钻井液滤失性

水基钻井液分别与表面活性剂溶液及表面活性剂-碳化硅纳米流体混合后，测量混合钻井液的滤失性。混合钻井液需在室温（25℃）下静置30min，利用压滤机对流体施加0.5MPa 的压力，对钻井液进行过滤，得到不同钻井液的滤液体积。

1.6 表面张力测量

在室温（25℃）下，用TX500C PR0 型旋转滴表面张力仪测量不同钻井液流体的表面张力。

2 结果与讨论

2.1 表面活性剂对流体黏度的影响

在室温（25℃）下，当剪切速率变化范围为0～300s-1时，分别研究不同表面活性剂对水基钻井液剪切黏度的影响。表1 为幂律流变方程和赫谢尔-布尔克莱流变方程对应的参数；图1 为添加两种不同类型的表面活性剂（烷基二甲基甜菜碱和十二烷基磺酸钠）后钻井液黏度随剪切应力的变化曲线。

图1 不同表面活性剂钻井液黏度变化曲线Fig.1 Viscosity change curves of drilling fluids with different surfactants

表1 赫谢尔-布尔克莱模型和幂律流变模型黏度参数Tab.1 Viscosity parameters of the Herschel Burkley model and power-law rheological model

由表1 可见，当向钻井液中添加表面活性剂后，幂律系数值k 也会增大，幂律系数k 越大，表明流体的黏度越大。

由图1 可见，两性表面活性剂对钻井液黏度的改善尤为明显，钻井液的幂律系数增加了467%。钻井液的屈服应力也在增大，与普通表面活性剂相比，十二烷基二甲基甜菜碱（两性表面活性剂）的屈服应力增量最大，屈服应力增加了约127%，屈服应力越大，钻井液悬浮岩屑的能力越强。原因是当表面活性剂溶于水后，水分子与表面活性剂疏水部分间的相互作用力减小，表面活性剂分子会聚集在一起，当溶液中的表面活性剂超过临界胶束浓度时，会从单个离子或分子缔合成为胶束。这种独特的流体行为和表面活性剂在胶束中的排列（极性基团在外，非极性基团在内，形成一个非极性核心）是导致钻井液黏度增加的主要原因。而两性表面活性剂由于其特殊的结构，两性表面活性剂与传统表面活性剂相比则形成了更多的胶束，导致钻井液黏度增量更高，证明两性表面活性剂可以很好改善水基钻井液的黏度，当剪切速率为22s-1时，钻井液的黏度最佳值为65mPa·s，因此，实验选择最佳剪切速率为22s-1。

2.2 表面活性剂-碳化硅纳米流体对水基钻井液热稳定性的影响

高温下，钻井液的流变性会发生变化，尤其是钻井液的黏度，钻井液黏度变低会导致钻井液携带和悬浮岩屑的能力降低，导致钻井作业中出现漏失和卡钻等问题，从而造成严重的钻井事故，而含有纳米流体的混合钻井液，纳米颗粒会在钻井液分子周围形成一层保护层，从而免受高温的影响，同时纳米粒子在溶液中会聚集形成复杂的充填结构，提高了钻井液的热稳定性。

在室温（25℃）下和恒定剪切速率（22s-1）下分别对3 种样品进行加热，比较普通水基钻井液、两性表面活性剂钻井液和两性表面活性剂-碳化硅纳米流体钻井液3 种钻井液在温度变化区间25～150℃内的热稳定性。

由图2 可见，普通水基钻井液、两性表面活性剂钻井液与两性表面活性剂-碳化硅纳米流体钻井液相比，黏度变化更大，尤其是普通水基钻井液。3 种钻井液在25～150℃范围内的黏度平均变化分别为119%、21%和9%，两性表面活性剂-碳化硅纳米流体钻井液热稳定性最好，黏度变化值仅为9%。因此，实验确定热稳定性最好的钻井液为两性表面活性剂-碳化硅纳米流体钻井液。

图2 不同钻井液黏度随温度的变化Fig.2 Viscosity changes of different drilling fluids with temperature

2.3 钻井液滤失性研究

在保证实验温度为室温（25℃）和剪切速率（22s-1）不变的前提下，研究不同浓度碳化硅纳米流体对水基钻井液滤失量的影响。将两性表面活性剂与不同浓度的碳化硅纳米流体溶液加入到水基钻井液中，使用压滤机和游标卡尺测量不同钻井液的滤液量和滤饼厚度。结果见表2 。

表2 不同钻井液的滤失量和滤饼厚度Tab.2 Filtration loss and cake thickness of different drilling fluids

由表2 可见，两性表面活性剂对钻井液的滤失性影响较小，碳化硅纳米流体浓度对钻井液的滤失性影响较大，当钻井液中加入碳化硅纳米粒子时，钻井液的滤失量会减少，滤失量会随碳化硅纳米流体的浓度增加而下降，滤饼厚度的变化量较小。主要原因是由于纳米颗粒会封堵在孔隙中，从而降低了钻井液的滤失量，碳化硅纳米流体浓度为0.04%时，滤失量降低百分比最佳为22.2%，滤饼厚度仅为2.23mm。实验选择最佳碳化硅纳米流体浓度为0.04%。

2.4 表面张力分析

在保证实验温度为室温（25℃）和剪切速率（22s-1）不变的前提下，研究不同表面活性剂对钻井液表面张力的影响。结果见图3。A 为普通水基钻井液、B 为表面活性剂钻井液、C 为两性表面活性剂钻井液、D 为两性表面活性剂钻进液+碳化硅纳米粒子钻井液。

图3 含有不同表面活性剂钻井液的表面张力Fig.3 Surface tension of drilling fluid containing different surfactants

由图3 可见，当在钻井液中添加普通表面活性剂（十二烷基磺酸钠）时，钻井液表面张力降低了7%，当加入两性表面活性剂时，表面张力降低了16.9%，主要原因是由于两性表面活性剂具有两个表面活性剂基团，由间隔剂连接，与相应等链长度的表面活性剂相比，具有更低的临界胶束浓度值，可更有效地降低表面张力。当在两性表面活性剂钻井液中加入碳化硅纳米流体时，表面张力的下降幅度更为明显，降低了约31.0%。纳米颗粒降低表面张力的原因是表面活性剂会吸附纳米颗粒，当表面活性剂吸附纳米颗粒时，纳米颗粒和表面活性剂粒子就分布在流体表面，导致表面张力降低。钻井液较低的表面张力有助于降低钻井过程中出现卡钻等问题的概率，由此可见，两性表面活性剂-碳化硅纳米流体可以大大降低水基钻井液的表面张力,最佳的表面张力为49N。

3 结论

本文通过配制不同类型表面活性剂和碳化硅纳米流体，然后将其添加至水基钻井液中，分析表面活性剂和碳化硅纳米流体对钻井液流体性能的影响。可有效改善水基钻井液的物理化学性质，如屈服应力和幂律系数分别增加了127%和467%。同时有助于提高钻井液的热稳定性，在高温条件下，黏度平均变化率仅为9%。此外，碳化硅纳米流体可有效改善其滤失性和表面张力，其中滤液损失降低了约22.2%，钻井液的表面张力降低了约31.0%。