油包水鉆井液穩(wěn)定性研究

1、油基鉆井液穩(wěn)定機理研究油基鉆井液在鉆深井和超深井時的使用效果很不錯，但目前對其中乳化劑作用機理、各種處理劑之間協(xié)同作用的研究還遠遠不夠。本文通過宏觀實驗研究和處理劑微觀結構表征來加深對油包水鉆井液穩(wěn)定性機理的認識，找出油基鉆井液的穩(wěn)定機理，并對新油包水鉆井液處理劑做出相應的評價。1. 乳化劑對油基鉆井液乳狀液穩(wěn)定性的作用機理及影響：乳化劑作用機理：降低油水兩相之間的界面張力；形成堅固的界面膜；增加外相（油相）粘度?？紤]到乳化劑以上的作用機理，在選則乳化劑應遵循以下幾個原則:HLB 值為3-6; 非極性基團的截面直徑必須大于極性基團的截面直徑; 如果選擇鹽類或皂類，那么應選用高價金屬鹽; 與油的

2、親和力要強; 能較大幅度降低界面張力; 抗溫性能好，在高溫下不降解，解吸不明顯; 無毒或低毒。1HLB 值影響每種乳化劑都有特定的HLB 值，單一乳化劑往往很難滿足由多組分組成體系的乳化要求。通常將多種具有不同HLB 值的乳化劑混合使用，構成混合乳化劑，既可以滿足復雜體系的要求，又可以大大增進乳化效果。綜合考慮破乳電壓值、乳化率和分水率得出當乳化劑的HLB 值為3-4、含量不小于3%時，油包水乳化體系穩(wěn)定性較高。2 界面張力影響溶液中的表面活性劑由于兩親的性質(zhì)可運移到油水界面上，在油水界面上定向吸附。表面活性劑的極性親水基團在水相中與極性水分子間有較大的范德華力，親水基團周圍形成水溶劑化層；非

3、極親油基團在油相中與非極性油類有較大的范德華力，親油基團周圍形成油溶劑化層。乳化劑在油水界面上形成一個表面活性劑分子定向排列的吸附層：此吸附層的水相一側(cè)存在一個水溶劑化層，油相一側(cè)則有油溶劑化層；吸附層及兩端的溶劑化層形成有一定強度的界面層。由定向吸附的表面活性劑分子緊密排列形成的界面吸附膜可減弱由于布朗運動引起的液珠之間的碰撞，在界面層防止液滴聚結合并、油水分層，大幅度降低油水的界面張力。3 主乳加量影響主乳化劑和被乳化油水兩相的親和力直接影響著乳狀液的穩(wěn)定性，主乳的加入不僅能穩(wěn)定地乳化分散液滴，還會增加油相甚至整個鉆井液體系的粘度，阻礙了液滴的聚并。但過量主乳會使得體系中復合乳化劑的HLB

4、 值過低，導致體系的穩(wěn)定性有一定的下降。4 輔乳加量影響隨著輔乳化劑量的增加，體系性能體現(xiàn)為以下特點:體系中塑性粘度PV 值變化不大，高溫高壓濾失量有所降低，破乳電壓值差別不大，最主要的是動塑比有一定幅度的提高。當輔乳化劑的加量為1.5%時，體系表現(xiàn)出較好的切力。5 復合乳化劑影響配伍性和親和性較好的主輔乳形成的復合表面活性劑使油水界面張力大大降低，表面活性劑分子在界面上排列更加緊密，復合界面膜的強度、韌性都有所增加，乳化液滴不易聚結破乳。2. 基液對油基鉆井液乳狀液穩(wěn)定性的作用機理及影響1）基礎油相影響芳烴含量較多的油（如柴油）因其與乳化劑非極性基團之間存在親和力而較易于被乳化，形成的乳狀液

5、相比芳烴含少、無的油形成的乳狀液較穩(wěn)定。但其產(chǎn)生的環(huán)境污染也較大。在油包水鉆井液體系中，塑性粘度隨基油粘度升高而增加，基油粘度升高則使乳化液滴聚結的難度加大，所以體系更穩(wěn)定，同時高溫高壓濾失量有所下降。5#白油配置的油基鉆井液塑性粘度、破乳電壓值最高，電穩(wěn)定性好，形成的乳狀液較氣制油和柴油更為穩(wěn)定。柴油和氣制油的高溫高壓濾失量都較大。不同基油配制成的油基鉆井液的流變性在常壓狀態(tài)下受溫度的影響也不同，其中以柴油配制的鉆井液降幅較大，其他兩者受溫度影響幅度較小，更能適應深井鉆井的要求。對于氣制油油基鉆并液，其自身過高的成本在一定程度上阻礙了其廣泛的應用，同時用氣制油作為基油的鉆井液需加入大量的乳化

6、劑，會導致巖石表面發(fā)生潤濕反轉(zhuǎn)，造成儲層不可逆轉(zhuǎn)的損害。2）水相不同鹽類影響乳狀液內(nèi)相中鹽類對穩(wěn)定性評價實驗結論：二價無機鹽形成的乳狀液穩(wěn)定性大于一價無機鹽，遠大于一價有機鹽。無機鹽的陽離子水合離子半徑和離子價態(tài)都對乳狀液有影響，水相中高價金屬離子對乳狀液穩(wěn)定性影響程度要小于低價金屬離子。離子價態(tài)越高，越易形成w/o乳狀液，同時乳狀液穩(wěn)定性也有一定提高。3）無機鹽濃度對油包水乳化鉆井液穩(wěn)定性的影響活度平衡：加NaCl 可獲得最小的活度值為0.759，如果鉆遇地層只要某些層位其活度值若小于0.759，就必須使用CaCl2才能達到控制活度的目的。使用CaCl2配制成的鹽水可獲1.0-0.4活度值，

7、使用NaCl 可獲得最小的活度值為0.75。而兩種有機鹽使蒸餾水的活度降低幅度不大，且其成本較高，故一般不用有機鹽。上述兩種不同無機鹽溶液其活度沒有累加性，即把飽和NaCl 和飽和CaC12溶液混合不會獲得更低的活度，因為兩種無機鹽的溶解度不同，相混后便會出現(xiàn)NaCl 結晶沉淀。若鉆井中存在著不同層不同活度的頁巖時，則先測定活度最低的那個層段頁巖，再加入足夠的無機鹽來平衡活度最低的，這時會出現(xiàn)活度高的層段頁巖中的自由水將會轉(zhuǎn)移到鉆井液中，若頁巖中的自由水的這種”損失”是一個非常慢的過程，一般影響不大，但若這個過程過快時，井眼亦會出現(xiàn)剝落坍塌掉塊的跡象。由于活度控制在實際中未被廣泛推廣普及，因此

8、，要想真正做到保持活度平衡，必須在現(xiàn)場定時監(jiān)測頁巖和鉆井液的活度值。水相中無機鹽濃度的增加能降低油包水乳化鉆井液體系活度，在理想狀況下使體系與地層泥頁巖達到活度平衡狀態(tài)，有利于維持鉆井過程中井壁穩(wěn)定。水相密度影響：乳化劑、有機土等其他處理劑的加入，其分散介質(zhì)粘度的增加都能減緩或者阻止水珠的絮凝和聚并，使乳狀液的動力學穩(wěn)定性增加。而油水相的密度差直接影響到乳狀液的動力學穩(wěn)定性，密度差增加，直接導致水珠間的平均間距縮小，水珠聚并速率的增大。加上在重力的作用下，也會促進乳狀液內(nèi)上下水珠的聚并，最后使乳狀液完全破乳。因此水相中無機鹽的存在對乳狀液的穩(wěn)定性影響極大，乳狀液由于在高速攪拌的作用帶上了一定的

9、電荷，無機鹽的強電解特性會壓縮水珠的界面雙電層厚度，界面膜上的電荷密度會因正負離子中和而大量減少，進而液珠之間的排斥力降低，增加了它們之間接觸、絮凝和聚并的機會，導致乳狀液破乳。無機鹽的加入，使得油水兩相的極性差異增加，乳化兩者的難度增大。無機鹽濃度越大，油水兩相的密度差越大，乳化效果呈現(xiàn)下降趨勢。4）油水比影響油水比是指乳狀液中油水之間的比例關系，油水比越高，水相所占的比例就越小，乳狀液中分散液滴的密度更小，液珠碰撞聚結的幾率下降。乳化劑加量相同的前提條件下，油水比較高的乳狀液中，表面活性劑分子平均吸附到到油相與水珠之間的界面層的量就會更大，在油水界面膜上排列的更緊密，更堅固，有利于形成更為

10、穩(wěn)定的乳狀液。油水比增大，乳狀液體系的電穩(wěn)定性和乳化率都逐漸上升。3. 有機土對油基鉆井液乳狀液穩(wěn)定性的作用機理及影響1）有機土作用機理在油包水乳化鉆井液體系中，乳化液滴、有機土和降濾失劑等在油相中高度分散，有機土等處理劑相互粘附聚集成一種具有空間網(wǎng)狀結構的膠體分子，這種膠體構建了油基鉆井液體系的粘度和切力。由于膨潤土顆粒不可能百分百的完全改性，在晶體層面上可能還會顯示出親水性，所以粘土顆粒還能和乳化液滴有一定程度上的結合力，使得乳化液滴緊密吸附在粘土顆粒表面，這樣使得空間網(wǎng)架結構更加穩(wěn)固，體系的粘度和動切力因此也會增加。同時有機土顆粒形成的空間結構可以在過濾介質(zhì)的孔隙中起到一定填充、封堵作用

11、，降低了油包水乳狀液體系的濾失量。2）有機土加量影響隨著有機土加量的增加，體系的性能逐步提升，油基泥漿的電穩(wěn)定值增大，乳狀液的穩(wěn)定性都有所增強，塑性粘度都有一定的提高，動塑比的增幅較為明顯，有機土加量為3%時，體系顯示出良好的流變性，有著較好的濾失量控制?？偟膩碚f：改性有機土在油相中的成膠效果因其自身種類、陽離子覆蓋量、層間電荷密度、pH 值和溫度等外界條件決定。4. 其他處理劑及外界條件對油基鉆井液乳狀液穩(wěn)定性的作用機理及影響1）潤濕劑影響作用機理：潤濕反轉(zhuǎn)劑能夠改變固體表面潤濕性使其能穩(wěn)定懸浮在油包水乳化鉆井液體系中。理想條件下的潤濕劑是能改變加重材料表面潤濕接觸角，使其盡可能接近于90，

12、那么固相將處于中間潤濕狀態(tài)，固相就能盡可能多的穩(wěn)定處于油水界面層上，形成的固相界面層緊密包圍乳化液滴，乳化液滴之間接近時排斥力加大，乳狀液的穩(wěn)定性提高。 潤濕劑加量影響：當潤濕劑的加達到0.5%時，潤濕劑對鉆井液的流變性影響不大，主要對高溫高壓濾失量的影響較為顯著，隨著加量的增加，其電穩(wěn)定性有一定增強。固相潤濕的好壞直接關系到濾餅質(zhì)量，從而影響著濾失量的大小。2）降濾失劑影響油包水乳化鉆井液中所需的濾失控制劑應具有以下基本特點:(1在油中具有良好的分散性，大部分以膠體形式存在最好(2具有良好的配伍性，不會對體系流變性產(chǎn)生較大的影響(3具有一定的抗溫能力(4具有無毒或低毒、并且不造成環(huán)境污染(5

13、原料來源廣，產(chǎn)品價格便宜，制備工藝簡單，便于加工生產(chǎn)。瀝青中膠質(zhì)含量越高，其軟化點越低，在空氣中加熱氧化可使膠質(zhì)轉(zhuǎn)化成瀝青質(zhì)，提高瀝青的軟化點和瀝青質(zhì)含量。軟化點低，氧化程度低的瀝青，其中焦油含量大。焦油可溶解瀝青，因而很難得到膠態(tài)瀝青質(zhì)分散物。所以，低軟化點或氧化程度低的瀝青在油包水乳化鉆井液中難以起到良好的降濾失作用。一般選用軟化點為120 °C -160范圍內(nèi)的氧化瀝青效果較好。油溶性瀝青類降濾失劑加入乳狀液后能快速地吸附到油水界面上，由瀝青顆粒形成的高粘度薄層覆蓋在油水界面膜之上，提升了界面膜的厚度、強度和粘彈性，起到了一種輔助乳化分散液滴的作用。3）堿度調(diào)節(jié)劑影響油基泥漿中

14、的堿度調(diào)節(jié)劑一般使用石灰(Ca0，泥漿體系中堿度的測定其實就是測定其中石灰的剩余量。一般要求體系中堿度POM 值須保持在1.5-2.5m1范圍內(nèi)，它能使鉆井液體系的pH 值保持在8.5-10.5左右，有利于發(fā)揮乳狀液作用；有利于有機膨潤土在油相中充分分散; 清除H2S, CO2等酸性氣體對油基泥漿體系的污染; 在CaCl2水相體系中，還有利于防止CaC12的水解沉淀。隨著井底溫度的增加鉆井液體系堿度的調(diào)節(jié)變得更加關鍵，Ca0的加入使體系表現(xiàn)出以下幾個特點：(1保持分散相水相的pH 值在堿性范圍內(nèi)，使乳化劑和各處理劑在堿性范圍內(nèi)獲得最佳性能，還能有利于防止鉆具受到腐蝕侵害;(2體系若維持合適堿度

15、的結果，能夠?qū)崿F(xiàn)油包水乳化體系的高溫穩(wěn)定性;(3油基泥漿鉆井時可能碰到的酸性氣體H2S 和CO2會降低水相的pH 值而污染油基泥漿，改變?nèi)榛瘎┰隗w系中的溶解度，乳化穩(wěn)定性易遭到破壞，繼而體系流變性也會變差。通過測量體系的堿度迅速消耗，石灰即可作為酸化氣體污染鉆井液的指示劑，還可作為消除這種污染的方法;(4由于使用的CaCl2這種電解質(zhì)具有電離性質(zhì)，Ca0加到體系中可保持堿度以防止電離的發(fā)生。石灰有促進水潤濕作用的趨勢，因此過量的石灰是有害的，過高的堿度也會引起流變性數(shù)值的增加。石灰隨著循環(huán)時間和溫度而消耗，在新的和不穩(wěn)定的體系中消耗十分迅速，體系穩(wěn)定時消耗趨于減緩。因而進行堿度測定并維持在合適

16、范圍是非常必要和重要的。4）加重材料影響鉆井液體系中常用的加重材料主要有重晶石粉BaS04、CaCO 粉末和赤鐵礦粉。如果把赤鐵礦粉作為加重材料，由于赤鐵礦粉易導電，所以在加入初期乳狀液的電穩(wěn)定性略微下降，隨著量的加大，體系整體粘度上升較快，電穩(wěn)定性呈增強的態(tài)勢。重晶石粉是惰性材料，乳狀液電穩(wěn)定性增加幅度較赤鐵礦粉大。同時加重材料的量不宜過大，過多時固相顆粒聚集在乳化液滴間，導致乳狀液的流變性變差，形成的濾餅松散且較厚，高溫高壓濾失量較大。加重材料在油水界面上會形成一個界面膜，這層膜的機械強度較大，能抗擊分散水珠無規(guī)則的布朗運動，對液珠的聚并起到了阻礙作用。潤濕劑使得固相顆粒的親油性增強，這也

17、使得體系更易形成W/0型乳狀液。4）瀝青顆粒、有機土顆粒和乳化液滴協(xié)同降低濾失量三者可堆積在濾餅孔喉處，因賈敏效應阻止濾液向地層中滲透，降低濾失量。5）溫度影響溫度升高不僅加劇乳化液滴的布朗運動，還極易使乳化劑分子從界面層上脫離，造成乳狀液的破乳分層。所以選擇的乳化劑不僅應具有極強的乳化能力，其熱穩(wěn)定性能也要作為考慮優(yōu)選乳化劑的一個重要因素：首先是乳化劑抵抗高溫熱滾后的能力，抗高溫解吸附的能力越強，在井底長時間高溫作用下，其乳化效果就仍能保持在一個穩(wěn)定的狀態(tài); 其次是乳化劑在高溫下的吸附量越大，在井底高溫下穩(wěn)定乳狀液的能力就越好。一種比較合格的抗高溫乳化劑必須在高溫條件下同時具有穩(wěn)定乳狀液的作

18、用和能長時間的抵抗高溫的作用。5. 小結乳狀液穩(wěn)定性影響因素：1）與水相有關：二價無機鹽形成的乳狀液穩(wěn)定性大于一價無機鹽，遠大于一價有機鹽。水相中高價金屬離子對乳狀液穩(wěn)定性影響程度要小于低價金屬離子。水相中無機鹽濃度的增加能降低油包水乳化鉆井液體系活度，在理想狀況下使體系與地層泥頁巖達到活度平衡狀態(tài)，有利于維持鉆井過程中井壁穩(wěn)定。但是無機鹽濃度越大，油水兩相的密度差越大，乳化效果呈現(xiàn)下降趨勢。所以選擇合適的無機鹽濃度很重要。2）與油相有關：芳烴含量較多的油形成的乳狀液相比芳烴含少、無的油形成的乳狀液較穩(wěn)定。但其產(chǎn)生的環(huán)境污染也較大。5#白油配置的油基鉆井液塑性粘度、破乳電壓值最高，電穩(wěn)定性好，

19、形成的乳狀液較氣制油和柴油更為穩(wěn)定。柴油和氣制油的高溫高壓濾失量都較大。3）與油水比有關：油水比增大，乳狀液體系的電穩(wěn)定性和乳化率都逐漸上升。4）與乳化液滴運動有關降低液滴碰撞聚結幾率的因素： 乳化劑能增加油相甚至整個鉆井液體系的粘度，阻礙液滴的聚并。 高粘度基油能提高鉆井液塑性粘度，乳化液滴聚結的難度加大。 油水比越高，水相所占的比例就越小，乳狀液中分散液滴的密度更小，液珠碰撞聚結的幾率下降。 有機土等處理劑相互粘附聚集成一種具有空間網(wǎng)狀結構的膠體分子，增加了油相粘度，同時有機土顆粒還能和乳化液滴有一定程度上的結合力，使得乳化液滴緊密吸附在粘土顆粒表面，降低了液珠碰撞聚結的幾率。 乳化劑加量

20、多，液滴分散越細小，引力降低，降低了液珠碰撞聚結的幾率 增大液滴碰撞聚結幾率的因素： 無機鹽濃度越大，油水兩相的密度差越大，同時無機鹽壓縮乳化液滴的界面雙電層厚度，使得乳化液滴斥力減小，更易聚結破乳。 溫度升高加劇乳化液滴的布朗運動，乳化液滴更易聚結破乳。5）與界面膜強度有關增大界面膜強度的因素： 乳化劑在油水界面上形成定向排列的吸附層：此吸附層的水相一側(cè)存在一個水溶劑 化層，油相一側(cè)則有油溶劑化層；吸附層及兩端的溶劑化層形成有一定強度的界面 層，提高了界面膜強度。 復合乳化劑分子在界面上排列更加緊密，形成復合界面層，提高了界面膜強度。 油水比較高的乳狀液中，乳化劑在油水界面膜上排列的更緊密，

21、更堅固，提高了界 面膜強度。 潤濕劑使固相接近中間潤濕狀態(tài)， 那么固相就能盡可能多的穩(wěn)定處于油水界面層上， 形成的固相界面層緊密包圍乳化液滴，提高了界面膜強度。 加入的瀝青顆粒形成的高粘度薄層覆蓋在油水界面膜之上，提高了界面膜的厚度、 強度和粘彈性。 加重材料在油水界面上的固體顆粒層會形成一個界面膜，這層膜的機械強度較大， 提高了界面膜強度。 乳化劑的 HLB 值為 3-4、含量不小于 3%時，油包水乳化體系穩(wěn)定性較高，界面膜強 度較高。 降低界面膜強度的因素： 水相中的無機鹽的強電解特性會壓縮乳化液滴的界面雙電層厚度， 降低了界面膜強 度。 剪切速率越大，界面膜破壞的幾率越大。 6.建議 應

22、根據(jù)以下標準配置油包水鉆井液： 1乳化劑的選擇：主乳化劑和輔乳化劑的配伍性、親和性，復合乳化劑的 HLB 值是影響 油包水乳狀液穩(wěn)定性的主要因素。建議使用主乳（不宜過多或過少）和輔乳（1.5%）組 成復合乳化劑，其 HLB 值為 3-4、含量不小于 3%，同時高溫穩(wěn)定性要好（溫度升高，乳 化液滴運動加劇，碰撞次數(shù)劇增。乳化劑分子也易于從界面層脫離而進入外相，所以選 擇乳化劑需著重考慮其在高溫下的穩(wěn)定性），并且無毒或低毒。 2基液選擇：油水兩相本體的粘度越高，形成的乳狀液越穩(wěn)定。 油相：柴油芳烴含量較多，油相易于被乳化，但環(huán)境污染也更嚴重，5#白油配置的油基 鉆井液塑性粘度、破乳電壓值最高，電穩(wěn)

23、定性好，形成的乳狀液較氣制油和柴油更為穩(wěn) 定。柴油和氣制油的高溫高壓濾失量都較大。不同基油配制成的油基鉆井液的流變性在 常壓狀態(tài)下受溫度的影響也不同，其中以柴油配制的鉆井液降幅較大，其他兩者受溫度 影響幅度較小，更能適應深井鉆井的要求。對于氣制油油基鉆并液，其自身過高的成本 在一定程度上阻礙了其廣泛的應用， 同時用氣制油作為基油的鉆井液需加入大量的乳化 劑，會導致巖石表面發(fā)生潤濕反轉(zhuǎn)，造成儲層不可逆轉(zhuǎn)的損害。具體使用應酌情考慮。 水相：使用二價無機鹽（含有高價金屬離子）配置較易形成 w/o 乳狀液，同時乳狀液穩(wěn) 定性也有一定提高。 同時水相中無機鹽的加入能調(diào)節(jié)油包水乳狀液的活度使其和地層活 度到達理想動態(tài)平衡，減少相互滲透帶來的油水比變化，但無機鹽濃度的增加會加大油 水密度差，改變?nèi)榛旱蔚某两捣€(wěn)定性，因此選擇合適的無機鹽濃度很重要。 油水比：油水應盡量大（乳狀液體系的電穩(wěn)定性和乳化率都隨之提高）。 3）有機土：適當添加有機土，能提高鉆井液的性能（改性良好的有機土能夠提升油包 水乳化鉆井液