隔離液中加入表面活性劑改善物理性能機理探討

1、- - - .總結(jié)資料. z本科畢業(yè)論文題目隔離液中參加外表活性劑改善物理性能機理探討摘 要本論文針對普通水基隔離液對油基鉆井液完鉆井中殘留的泥漿清洗效率低，界面水潤濕性差導(dǎo)致水泥石界面膠結(jié)強度低的問題，利用外表活性劑良好的洗滌、乳化、潤濕反轉(zhuǎn)性能，根據(jù)外表活性劑復(fù)配原理和化學(xué)處理劑配伍性和協(xié)調(diào)增效原理，得到了TS外表活性劑隔離液體系和OS外表活性劑隔離液體系。本文首先測試了TS體系和OS體系外表活性劑對水外表力的影響。測試結(jié)果說明，TS體系和OS體系外表活性劑能顯著降低水的外表力。由原來的70mN/m左右降低到2833mN/m，這也就說明外表活性劑的參加能顯著降低油水界面的界面力。其次考察了

2、外表活性劑參加到隔離液中對第一膠結(jié)面膠結(jié)強度的影響。結(jié)果說明，在隔離液中參加TS體系和OS體系外表活性劑后，能顯著提高隔離液對黏附在模擬套管壁上油基泥漿的清洗效率，改善模擬套管外表的水潤濕性，提高水泥套管壁間的界面膠結(jié)強度。此外還考察了無機鹽和溫度對含有外表活性劑的隔離液性能的影響。通過分析得出外表活性劑參加到隔離液中改善隔離液對油基泥漿沖洗效率、改善界面潤濕狀態(tài)、提高水泥石界面膠結(jié)強度的機理主要是由于外表活性劑的破乳作用、增溶作用、滲透作用和乳化穩(wěn)定作用。關(guān)鍵詞：隔離液；外表活性劑；機理；膠結(jié)強度；沖洗效率AbstractThis thesis focuses onthe problem o

3、f ordinary water-based spacers lowcleaning efficiency to the oil-based drilling fluid and bad surface wettability causing low cement interface bonding strength,using surfactants good washing, emulsifying, wetting reversal performance, according to surfactant ple* principles and chemical treatment ag

4、ent patibility and coordination efficiency principle, has obtained the TS surfactant spacer system and the OS surfactant spacer system.This paper firstly testes the influence of TS and OS surfactant system to surface tension of water.The results oftesting indicated that the addition of to spacer can

5、 significantly lower the surface tension of water from about 70mN/m to 2833mN/m,which also indicated that TS and OS surfactant system can significantly lower oil-water interfacial tension. Secondly，the bonding strengthtestingof first interface indicated that the addition of TS and OS system to space

6、r can significantly improve the spacerscleaning efficiency to the oil-base mud andthe interface hydrophilic capacity and the bonding strength of between the cement sheath and the casing wall.In addition,the influence of inorganic salt and the temperature on the performance of spacer with surfactant

7、is studied. Through the further analysis of the mechanismof surfactant improving spacers cleaning efficiency to oil-base mud and surface wettability and bonding strength, the function of surfactants emulsion breaking, solubilization, penetration and emulsification stabilizing is obtained.Keyword：Spa

8、cer; Surfactant;Mechanism; Bonding strength;Cleaning efficiency目錄 TOC o 1-4 h z u HYPERLINK l _Toc2644940651緒論 PAGEREF _Toc264494065 h 1HYPERLINK l _Toc2644940661.1研究背景 PAGEREF _Toc264494066 h 1HYPERLINK l _Toc264494067鹽膏層特點及其對固井工程的影響 PAGEREF _Toc264494067 h 1HYPERLINK l _Toc264494068油基鉆井液及其鹽膏層鉆井中的應(yīng)

9、用 PAGEREF _Toc264494068 h 2HYPERLINK l _Toc264494069外表活性劑及其在石油工業(yè)中的應(yīng)用 PAGEREF _Toc264494069 h 2HYPERLINK l _Toc264494070隔離液及外表活性劑隔離液 PAGEREF _Toc264494070 h 3HYPERLINK l _Toc2644940711.2研究的目的及意義 PAGEREF _Toc264494071 h 3HYPERLINK l _Toc2644940721.3國外研究現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc264494072 h 4HYPERLINK l _Toc26449

10、4073國研究現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc264494073 h 4HYPERLINK l _Toc264494074國外研究現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc264494074 h 5HYPERLINK l _Toc2644940751.4研究容 PAGEREF _Toc264494075 h 5HYPERLINK l _Toc2644940761.5技術(shù)路線 PAGEREF _Toc264494076 h 5HYPERLINK l _Toc2644940772實驗儀器與材料性能 PAGEREF _Toc264494077 h 7HYPERLINK l _Toc2644940782.1實驗儀器

11、設(shè)備與材料 PAGEREF _Toc264494078 h 7HYPERLINK l _Toc2644940792.2實驗主要材料的選擇和性能 PAGEREF _Toc264494079 h 8HYPERLINK l _Toc264494080外表活性劑的選擇原則和方法 PAGEREF _Toc264494080 h 8HYPERLINK l _Toc264494081外表活性劑性能 PAGEREF _Toc264494081 h 9HYPERLINK l _Toc264494082隔離液材料性能 PAGEREF _Toc264494082 h 9HYPERLINK l _Toc2644940

12、833實驗局部 PAGEREF _Toc264494083 h 10HYPERLINK l _Toc2644940843.1外表活性劑的復(fù)配及其對外表力的影響 PAGEREF _Toc264494084 h 10HYPERLINK l _Toc264494085外表活性劑的復(fù)配原理 PAGEREF _Toc264494085 h 10HYPERLINK l _Toc264494086外表活性劑復(fù)配體系配方計算 PAGEREF _Toc264494086 h 11HYPERLINK l _Toc264494087外表力的測定及無機鹽對外表力的影響 PAGEREF _Toc264494087 h

13、12HYPERLINK l _Toc2644940883.2油基鉆井液與外表活性劑隔離液的配制 PAGEREF _Toc264494088 h 14HYPERLINK l _Toc264494089油基鉆井液的配制 PAGEREF _Toc264494089 h 14HYPERLINK l _Toc264494090外表活性劑隔離液的配制 PAGEREF _Toc264494090 h 15HYPERLINK l _Toc2644940913.3界面膠結(jié)強度評價 PAGEREF _Toc264494091 h 15HYPERLINK l _Toc2644940923.3.1 TS體系實驗結(jié)果

14、PAGEREF _Toc264494092 h 16HYPERLINK l _Toc2644940933.3.2 OS體系實驗結(jié)果 PAGEREF _Toc264494093 h 19HYPERLINK l _Toc2644940943.4無機鹽和溫度對外表活性劑隔離液性能影響 PAGEREF _Toc264494094 h 21HYPERLINK l _Toc264494095無機鹽和溫度對隔離液流變性能的影響 PAGEREF _Toc264494095 h 21HYPERLINK l _Toc264494096無機鹽和溫度對膠結(jié)強度的影響 PAGEREF _Toc264494096 h 2

15、2HYPERLINK l _Toc2644940973.5結(jié)果與討論 PAGEREF _Toc264494097 h 23HYPERLINK l _Toc2644940984結(jié)論及建議 PAGEREF _Toc264494098 h 25HYPERLINK l _Toc2644940994.1結(jié)論 PAGEREF _Toc264494099 h 25HYPERLINK l _Toc2644941004.2建議 PAGEREF _Toc264494100 h 25HYPERLINK l _Toc264494101致 PAGEREF _Toc264494101 h 26HYPERLINK l _T

16、oc264494102參考文獻 PAGEREF _Toc264494102 h 27- - -. z1緒論鹽膏層屬于水敏性地層，普通水基鉆井液在鉆進鹽膏層地層時會造成鹽巖溶解、鹽膏泥巖吸水膨脹、儲層污染、產(chǎn)量降低的問題，而油基鉆井液作為一種強抑制性鉆井液完全能夠滿足鹽膏層鉆井和油氣層保護需要，與水基鉆井液相比具有明顯的優(yōu)勢。而殘留在井壁和套管界面上的油基鉆井液與固井水泥漿的相容性極差，會嚴(yán)重降低界面膠結(jié)強度，影響固井質(zhì)量及油田的勘探開發(fā)1。因此，為推進油基鉆井液在鹽膏層鉆井中的應(yīng)用，必須開發(fā)出與之相配套的隔離液體系以有效去除殘留油基泥漿，改善界面潤濕性，提高界面膠結(jié)強度，保證固井質(zhì)量。1.1研

17、究背景鹽膏層特點及其對固井工程的影響鹽膏層指的是以鹽或石膏為主要成分的地層，中國大陸鉆探發(fā)現(xiàn)的鹽膏層分布圍廣泛，塔里木、江漢、勝利、中原、華北、*、長慶等油田都曾有鉆遇鹽膏層時發(fā)生卡鉆、套管擠毀，甚至發(fā)生油井報廢的惡性事故的報道。由于鹽膏層對鉆井、固完井工程的危害極大，一直是國外石油工程界特別關(guān)注的問題2。鹽層固井技術(shù)特別是深井鹽膏層和復(fù)合鹽膏層固井技術(shù)，一直是固井界公認(rèn)的難題，經(jīng)過多年攻關(guān)，仍沒有得到根本的解決3。鹽層固井的復(fù)雜性主要表現(xiàn)在以下三個方面4：一是在鹽膏層鉆井過程中，鹽層會發(fā)生溶解，易出現(xiàn)不同程度的縮徑、井壁掉塊或垮塌等復(fù)雜情況，使井眼質(zhì)量變差。在縮徑的井眼，常規(guī)的套管扶正器無法

18、順利下入，不利于套管居中；在有掉塊或垮塌的井眼中，井徑極不規(guī)則，這些都造成固井時頂替效率難以提高，從而不能在套管和地層之間形成良好的均布水泥環(huán)，直接影響到固井質(zhì)量；二是鹽在不同濃度和不同溫度環(huán)境下，對水泥漿性能的影響比擬復(fù)雜，水泥漿頂替效率低，稠化時間和水泥石強度難以控制。適用于鹽水水泥漿的外加劑少，水泥漿配方設(shè)計困難；三是下套管注水泥后，如果水泥與井壁間膠結(jié)差、鹽層蠕變，套管會承受非均質(zhì)載荷使套管變形或被擠毀，嚴(yán)重影響了后續(xù)作業(yè)和油井壽命，甚至使井報廢。油基鉆井液及其鹽膏層鉆井中的應(yīng)用油基鉆井液是指以油作為連續(xù)相的鉆井液，與水基鉆井液相比具有抗高溫、抗鹽鈣侵、有利于井壁穩(wěn)定、潤滑性好和對油氣

19、層損害程度小等多種優(yōu)點，目前已成為鉆高難度的高溫深井、大斜度定向井、水平井和各種復(fù)雜地層的重要手段，并且還可以用作解卡液、射孔完井液、修井液和取心液等等。在鹽膏層鉆井中，由于油基鉆井液不溶解鹽，因而防止了鹽巖溶解與含鹽膏泥巖的吸水膨脹和分散引起的復(fù)雜情況，可使井眼規(guī)則，有利于后續(xù)的固井和完井作業(yè)，并油基鉆井液具有很強的抗高溫能力，還能夠滿足水敏性地層的油氣層保護需要。特別是在20世紀(jì)80年代初，飽和鹽水鉆井液技術(shù)還沒有開展起來，油基鉆井液起到了決定性的作用。華北、勝利、中原、*等油田的現(xiàn)場鉆井實踐也證明，油基鉆井液可以平*利地鉆穿鹽膏層。隨著油氣開發(fā)的日益深入，我國油基鉆井液的研究與應(yīng)用會越來

20、越多的受到重視。1.1.3外表活性劑及其在石油工業(yè)中的應(yīng)用在濃度很低時就能顯著降低溶液外表力的物質(zhì)叫做外表活性劑。外表活性劑分子都是兩親分子，也就是說是由親水基和親油基兩局部組成。親水基使得外表活性劑分子有溶于水的傾向，親油基則使得外表活性劑分子有溶于油相的傾向。按照外表活性劑在水中的行為分類，可分為離子型外表活性劑和非離子型外表活性劑，離子型外表活性劑又可分為陽離子型外表活性劑、陰離子型外表活性劑和兩性外表活性劑5。外表活性劑分子的雙親構(gòu)造使得其與常見的有機化合物相比有了一些特殊的性質(zhì)，比方可以在液體或固體外表定向吸附，可顯著降低外表力，能夠在水溶液中締合成膠束等。外表活性劑的而這些性質(zhì)使得

21、外表活性劑具有許多重要的作用，從而在眾多的領(lǐng)域里被廣泛使用。這些作用主要包括增溶作用、潤濕作用、乳化作用、洗滌作用、起泡和消泡作用、分散作用等。在石油工業(yè)中，外表活性劑作為油田化學(xué)品廣泛應(yīng)用于鉆井、完井、采油、油氣集輸、三次采油和油田水處理等中，對于保證鉆井平安，提高采收率、油品質(zhì)量、生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益，以及設(shè)備防護，降低集輸本錢和防止環(huán)境污染等方面起著重要的作用。當(dāng)今，外表活性劑已成為油氣田開發(fā)中必不可少的油田化學(xué)品5。隔離液及外表活性劑隔離液絕大多數(shù)鉆井液，不管是水基鉆井液、油基鉆井液還是合成基與水泥漿都是不相容的。如果水泥漿與鉆井液直接接觸，鉆井液將會發(fā)生水泥浸，水泥漿將受到鉆井液的污染

22、而形成粘稠的團狀絮凝物質(zhì)，流動性能降低，粘度和切力上升，將導(dǎo)致估計能夠泵壓升高，甚至發(fā)生井漏。水泥漿受到污染后形成的粘稠物質(zhì)，將粘附在套管壁和井壁上，不容易頂替干凈，凝固后的水泥石抗壓強度和界面膠結(jié)強度都將大幅度降低6。因此在油田固井作業(yè)中，在鉆井液和水泥漿之間必須有一種液體將兩者有效地隔離開來，并且在驅(qū)替鉆井液的過程中起到隔離、緩沖、攜帶沖刷掉的泥餅的作用，從而提高水水泥漿的頂替效率，去除井壁上附著的過厚的假泥餅，使水泥能與套管和地層間的微環(huán)隙消失，防止地層流體的層間竄通，真正使水泥環(huán)起到固定套管和有效封隔地層的目的，到達固井應(yīng)起的作用。在鉆井液與水泥漿之間的這一段特殊的、穩(wěn)定的懸浮液體系稱

23、為隔離液。在注水泥作業(yè)中，隔離液與沖洗液同時使用時，常于沖洗液之后水泥漿之前注入。在現(xiàn)場應(yīng)用中，隔離液的作用具體表現(xiàn)在以下幾方面:eq oac(,1)對鉆井液形成塞流驅(qū)替以適應(yīng)注水泥的要求；eq oac(,2)隔離水泥漿和鉆井液，防止水泥漿被污染和鉆井液絮凝稠化；eq oac(,3)在低壓井段、易漏失層及要求嚴(yán)格控制濾失量的井中可作為緩沖液使用；eq oac(,4)平衡地層壓力。1.2研究的目的及意義采用油基鉆井液完鉆的井，在井壁和套管上均會黏附著一層油基鉆井液和油膜，使得水泥界面膠結(jié)性能變差，水泥石界面膠結(jié)強度為零，這嚴(yán)重影響了固井質(zhì)量及油田的勘探開發(fā)。注水泥前使用一種能有效去除黏附在井壁和

24、套管界面上的鉆井液、油膜的隔離液清洗，是提高固井質(zhì)量的有效手段。但是中國適用于油基鉆井液的隔離液體系目前還不夠完善，表現(xiàn)在品種較單一、可選性差，且它們的沖洗效果、抗溫抗鹽性及與油基鉆井液的相容性等性能尚有待完善。雖然目前已有少數(shù)外表活性劑隔離液體系運用到固井作業(yè)中，但對于外表活性劑隔離液物理性能的影響及其機理研究的報道還很少。本文的目的在于向固井實驗室已研制成熟的隔離液中參加外表活性劑，利用外表活性劑的復(fù)配原理調(diào)節(jié)復(fù)合外表活性劑的配比和參加量，得到能有效去除油基鉆井液和改善界面潤濕性的外表活性劑隔離液體系，并根據(jù)實驗結(jié)果和利用一定的分析手段得到外表活性劑參加后改善隔離液物理性能的機理，為油基鉆

25、井液和外表活性劑隔離液的開發(fā)應(yīng)用打下一定的根底。1.3國外研究現(xiàn)狀國研究現(xiàn)狀中國油田以前對隔離液體系所起作用重視程度不夠，國在改革開放以前一直沿用前聯(lián)的技術(shù)，大局部使用清水實現(xiàn)層間分隔，對固井質(zhì)量和油井壽命存在嚴(yán)重的影響和隱患。改革開放以后，西方興旺國家的隔離液研究與應(yīng)用技術(shù)逐漸進入國， 國的專家和行業(yè)工作者也純粹地承受了國外隔離液先進技術(shù)和思想，開場進展了隔離液體系的研發(fā)，我國隔離液有了迅速的開展，如油田研制了柴油CMCSP80重晶石粉和FCLS以及抗鈣隔離液，中原油田研制了SNC隔離液，滇黔桂油田研制了CSA隔離液，油田研制了DSF沖洗液、SAPP隔離液，以及用于油基鉆井液固井的DMH沖洗

26、液等。但由于理論研究薄弱和現(xiàn)場應(yīng)用效果不明顯，導(dǎo)致了隔離液體系的研究在二十世紀(jì)末進入了停滯階段，現(xiàn)場應(yīng)用和相應(yīng)的文獻報道逐漸減少。目前，較完善、較成熟的隔離液產(chǎn)品也較少，而且普遍存在與水泥漿相容性差的問題7，適用于油基鉆井液的隔離更是寥寥無幾。表1.1列舉了2000年以來國前置液開展?fàn)顩r8：表1.1 國隔離液開展現(xiàn)狀產(chǎn)品名稱適用性及性能特點FSG防滲漏隔離液通過特殊的堵塞作用和吸附作用起到防滲漏和提高水泥漿膠結(jié)質(zhì)量功能MS-R高密度隔離液粘性隔離液，具有一定的粘度和較大的切力，適用于塞流頂替。加重能力可達2.00 g/cm3以上，加重后的隔離液懸浮能力強SGF前置液可做紊流前置液或塞流前置液,

27、加重圍為1.22.0g/cm3的粘性隔離液BCS隔離液具有優(yōu)良的加重能力、穩(wěn)定性、流變性，改變套管外表的潤濕性高密度沖洗隔離液密度 1.001.85g/cm3，一定的抗溫性能，沖洗效率高可固化隔離液實現(xiàn)可固化性能國外研究現(xiàn)狀70年代以來，國外的隔離液體系有了很大的開展，如日本石株式會研制了一種名叫“Vander化學(xué)型沖洗液。采用陽離子外表活性劑與無機鹽配制而成，在性能上已明顯地優(yōu)于清水。到了80 年代，隔離液已成為系列商品在世界圍銷售，如美國道威爾公司Space1000、Space1001、Space3000、Space3001四種隔離液。其中Space1000、Space3000用于水基鉆井

28、液，而Space1001、Space3001用于油基鉆井液。哈里伯頓公司、前聯(lián)等也都形成了各自的隔離液體系9。對于油基鉆井液隔離液也在不斷地開展，美國哈里伯頓公司研制了一種通用隔離液，既適用于水基鉆井液，又適用于油基鉆井液。為了適用各種特殊井、復(fù)雜井，特種隔離液液也逐漸開展起來。針對漏失井固井、水平井固井、大斜度井固井、鹽膏層固井等出現(xiàn)了抗鹽、抗高溫、抗鈣、耐沉降、低粘附力、低濾失量等各種類別的隔離液和具有綜合性能多功能多用途的隔離液。1.4研究容本論文的主要研究工作是通過向隔離液中參加復(fù)配的外表活性劑，以提高隔離液對油基鉆井液的清洗效率，同時顯著改善油、水界面的水潤濕性。實驗過測試界面膠結(jié)強

29、度，外表力的手段進展研究，分析外表活性劑的參加改善隔離液物理性能的機理。本文所開展的主要工作如下：1對國外油基鉆井液用外表活性劑隔離液體系的研究現(xiàn)狀進展資料調(diào)研，根據(jù)資料調(diào)研結(jié)果預(yù)選出不同HLB值的外表活性劑進展復(fù)配。2測定出復(fù)配外表活性劑體系在水溶液中的外表力。將復(fù)配的外表活性劑作為處理劑參加到隔離液中，考察在不同配比下對隔離液物理性能對油基鉆井液的沖洗效率，界面膠結(jié)強度的影響，優(yōu)選出最正確的外表活性劑的復(fù)配體系。3在前面工作的根底上考察鹽和溫度對外表活性劑隔離液體系性能的影響。4對結(jié)果和機理進展分析。1.5技術(shù)路線本論文所采用的技術(shù)路線如圖1.1所示。資料調(diào)研，初選出外表活性劑考察不同配比

30、和參加濃度的復(fù)合外表活性劑對隔離液性能的影響考察鹽和溫度對外表活性劑隔離液性能的影響得到最正確的復(fù)合外表活性劑配比和參加濃度空白比照隔離液對結(jié)果進展處理，對機理進展分析考察外表活性劑對隔離液的物理性能的改善情況圖1.1 實驗技術(shù)路線圖2實驗儀器與材料性能2.1實驗儀器設(shè)備與材料表2.1 實驗主要儀器設(shè)備儀器廠家型號電子天平良平儀器FA2004恒力高速攪拌機金壇市金南儀器廠JJ-B組織搗碎機金壇市杰瑞爾儀器廠JJ-Z抗折抗壓試驗機市錫東建材設(shè)備廠JES-300外表力測定儀中晨數(shù)字技術(shù)設(shè)備JK99B六速旋轉(zhuǎn)黏度劑同春石油儀器ZNN-D6恒溫水浴鍋長安科學(xué)儀器廠HNN-100變頻高速攪拌機同春石油儀

31、器GK-12變頻滾子加熱爐同春石油儀器GW300-PLC表2.2 實驗所用藥品試劑名稱規(guī)格來源Tween-20分析純科龍化工試劑廠OP-10分析純科龍化工試劑廠Span-80分析純科龍化工試劑廠油酸分析純科龍化工試劑廠氯化鈉分析純科龍化工試劑廠氯化鈣分析純科龍化工試劑廠氧化鈣分析純科龍化工試劑廠G33S-衛(wèi)輝化工HYJ-固井實驗室HHDN-固井實驗室重晶石-華西礦業(yè)公司氧化瀝青粉-固井實驗室G級油井水泥-嘉華水泥廠有機土-固井實驗室0號柴油-2.2實驗主要材料的選擇和性能外表活性劑的選擇原則和方法關(guān)于如何選擇外表活性劑，目前簡單且普遍使用的是根據(jù)外表活性劑的HLB值來選取。乳化劑的HLB值是乳

32、化劑分子親油親水性的一種相對強度的數(shù)值量度：HLB值低，表示分子的親油性強，是形成W/O型乳狀液的乳化劑；HLB值越大，則親水性越強，是越易形成O/W型乳狀液的乳化劑。作為O/W型乳狀液的乳化劑其HLB值常在8-18之間；作為W/0型乳狀液的乳化劑其HLB值常在3-6之間10。外表活性劑的HLB值與性質(zhì)的對應(yīng)關(guān)系如圖2.1所示：圖2.1 外表活性劑的HLB值與性質(zhì)的關(guān)系用于油基鉆井液完鉆井的隔離液,常使用HLB值在8 以上的親水性強的O/ W 型外表活性劑或復(fù)配的O/ W 外表活性劑體系。一般規(guī)律為外表活性劑的親水性越強，即HLB值越大，沖洗和潤濕界面作用就強11，所用外表活性劑的HLB值應(yīng)與

33、油基鉆井液基油的HLB值相近。外表活性劑隔離液中所用的外表活性劑主要是非離子型外表活性劑和陰離子型外表活性劑。常用的外表活性劑有:羥乙基化壬烯苯酚、羥乙基化醇、磺化線性直鏈醇、脂肪酸的酰胺化合物、脂肪醇聚氧乙烯醚、脂肪酸山梨醇酐、聚氧乙烯醚、聚氧乙烯烷基酚醚和十二烷基硫酸鈉、烷基磺酸鈉、烷基苯磺酸鈉等外表活性劑以及二烷基或三烷基胺同脂肪酸反響得到的兩性外表活性劑等。外表活性劑性能實驗中根據(jù)資料調(diào)研情況和實際實驗條件選出了三種外表活性劑，它們的名稱和性能如表2.3所示。原料主 要 性 能Tween-20聚氧乙烯失水山梨醇月桂酸酯，非離子外表活性劑，HLB值為16.7。黃色油狀液體，能溶于水，稀酸

34、稀堿及多數(shù)有機溶劑，不溶于植物油及礦物油，水溶性乳化劑。OP-10十二烷基酚聚氧乙烯醚，非離子外表活性劑，HLB值為14.5。白色及乳白色糊狀物，易溶于水，是良好的水溶性乳化劑。Span-80聚氧乙烯失水山梨醇油酸單酯，非離子外表活性劑，HLB值為4.3。琥珀色粘性油狀液，能分散于水，溶于油類及一般有機溶劑，是良好的水包油型乳化劑。表2.3 外表活性劑主要性能隔離液材料性能實驗中所配制的隔離液主要由水、降失水劑、懸浮穩(wěn)定劑、稀釋劑、加重劑和復(fù)配外表活性劑組成，它們的名稱和主要性能如表2.4所示。表2.4 隔離液主要材料的性能原 料主 要 性 能G33S降失水劑，為白色粉末，溶于水適用于循環(huán)溫度

35、25-100的中、低溫井。HYJ懸浮穩(wěn)定劑，一種生物高聚物，為白色或淡黃色粉末，可溶于水中，具有高粘度，高懸浮性和觸變性HHDN降粘劑，為淺褐色粉末，吸水性強，易溶于水，主要用作抗高溫水基鉆井液的稀釋劑，也可作為油井水泥的緩凝劑和減阻劑。重晶石加重劑，為淡黃色或棕黃色粉末，惰性物質(zhì)，不溶于水3實驗局部3.1外表活性劑的復(fù)配及其對外表力的影響外表活性劑的復(fù)配原理一個理想的乳化劑，不僅與連續(xù)相親和力強，而且與分散相也有較強的親和力。實際上要同時兼顧這兩方面的要做不到的，所以在實際應(yīng)用時，往往把HLB值小的乳化劑和HLB值大的乳化劑混合使用比單一乳化劑效果好，同時還可降低外表活性劑的應(yīng)用本錢。圖3.

36、1定性地表述了兩者的相互關(guān)系。圖3.1 乳化劑配合使用原理圖(a)乳化劑分散溶于水，但不能很好乳化的示意圖(b)用HLB值小的乳化劑將兩者連接起來的穩(wěn)定乳化劑的示意圖根據(jù)不同乳化劑的HLB值可計算混合乳化劑的HLB 值,計算式為：H(AB)=H(A)w(A)+H(B)w(B)3.1式中: H(AB)為混合外表活性劑的親水親油強度平衡值；H(A), H(B)分別為純外表活性劑A和B的親水親油強度平衡值；w(A) ,w(B)分別為混合外表活性劑中A與B的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。本文中是分別將Tween-20和OP-10與Span-80復(fù)配，通過調(diào)節(jié)各外表活性劑在復(fù)配體系中的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)得到不同HLB值的復(fù)配外表活

37、性劑體系，再調(diào)節(jié)復(fù)配外表活性劑在隔離液中的加量得到不同HLB值和不同外表活性劑加量的外表活性劑隔離液體系。3.1.2外表活性劑復(fù)配體系配方計算為便于表示，本文規(guī)定將Tween-20與Span-80復(fù)配的外表活性劑體系用TS表示，將OP-10與Span-80復(fù)配的外表活性劑體系用OS表示。復(fù)配外表活性劑TS的HLB值用H(TS)表示，共選取12、13、14、15、16五個HLB值點。將Tween-20的HLB值H(T)=16.7以及Span-80的HLB值H(S)=4.3帶入式(3.1)，可得到以下計算式：H(TS) = H(T) w(T) + H(S) w(S)3.2w(T)+w(S)=100

38、% 3.3式中：H(TS)為混合外表活性劑的親水親油強度平衡值；H(T)，H(S)分別為純外表活性劑Tween-20和Span-80的親水親油強度平衡值；w(T)，w(S)分別為混合外表活性劑中Tween-20與Span-80的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。聯(lián)合解式3.2和式3.3得到Tween-20和Span-80復(fù)配體系的配方如表3.1所示。表3.1 Tween-20和Span-80復(fù)配體系配方TS體系HLB值H(TS)Tween-20質(zhì)量分?jǐn)?shù)w(T)(%)%w(T)Span-80質(zhì)量分?jǐn)?shù)w(S)(%)1262.137.91370.229.81478.221.81586.313.71694.15.6用同樣的處

39、理方法，將復(fù)配外表活性劑OS的HLB值用H(OS)表示，共選取12、13、14三個HLB值點。同樣將OP-10的HLB值H(O)=14.5以及Span-80的HLB值H(S)=4.3帶入式(2.1)，可得到以下計算式：H(OS) = H(O) w(O) + H(S) w(S)3.4w(O)+w(S)=100% 3.5式中：H(OS)為混合外表活性劑的親水親油強度平衡值；H(O)，H(S) 分別OP-10和Span-80的親水親油強度平衡值；w(O)，w(S)分別為混合外表活性劑中OP-10與Span-80的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。聯(lián)合解式3.4和式3.5得到OP-10和Span-80復(fù)配體系的配方如表3.2

40、所示。表3.2 OP-10和Span-80復(fù)配體系配方OS體系HLB值H(OS)OP-10質(zhì)量分?jǐn)?shù)w(O)%Span-80質(zhì)量分?jǐn)?shù)w(S)%1275.524.51385.314.71495.14.9外表力的測定及無機鹽對外表力的影響在研究中，評價外表活性劑的手段主要就是測定外表活性劑的外表力。外表活性劑的最大特性之一就是在低濃度下也能顯著降低水的外表力，溶液的外表力是衡量其物化性能不可缺少的參數(shù)，一般認(rèn)為外表力降低越多，外表活性越大。本實驗所采用的測試儀器為高分子材料與工程實驗室的JK998型外表力測定儀。根據(jù)文獻14，在外表活性劑沖洗液中復(fù)配外表活性劑的參加量通常在0.4%-1.5%，而在隔

41、離液中外表活性劑的參加量未見報道。但是隔離液的粘度和密度遠(yuǎn)大于沖洗液，為充分考慮不同外表活性劑參加濃度對水外表力的影響，本文以100g水位基準(zhǔn)，在復(fù)配外表活性劑每個HLB值下選擇了0.5%、1%、2%、3%四個不同的參加量。之后再用濃度為10%的NaCl溶液按一樣的參加量和方法配制出鹽水外表活性劑溶液，考察無機鹽參加對外表活性劑性能的影響。TS體系外表力的測試結(jié)果如圖3.2和表3.3所示，OS 體系外表力的測試結(jié)果如圖3.3和表3.4所示。圖3.2 純水和鹽水中TS體系外表力值表3.3 TS體系純水和鹽水溶液的外表力值HLB值濃度%純水中的外表力值mN/m10%濃度鹽水中的外表力值mN/m12

42、0.530.48029.069129.61129.153229.36128.528329.36028.319130.531.40329.153129.43128.500230.50029.319330.55629.055140.532.72229.695130.17029.078233.06929.129332.04129.333150.533.95333.922130.91731.208234.83329.847331.98629.153160.533.27829.347130.94530.042234.02729.250334.38930.569圖3.3 純水和鹽水中OS體系外表力值表3.

43、4OS體系純水和鹽水溶液的外表力值HLB值濃度%純水中的外表力值mN/m10%濃度鹽水中的外表力值mN/m120.531.15331.194131.84731.181231.76431.375332.27831.097130.531.94431.875132.01430.458232.06930.208332.27830.639140.530.93130.167131.51430.722231.74631.111332.23631.556從表3.3和表3.4我們可以看出，與純水近70mN/m的外表力值相比，參加不同體系不同參加量的外表活性劑后，水的外表力都會大幅降低?？墒乖瓉砑兯?0.958

44、mN/m降低到2833mN/m左右，且在不同HLB值，不同參加濃度條件下降低的幅度都較為接近。在參加無機鹽后溶液的外表力值會比在純水中的值低，這說明在此鹽濃度下對TS體系和OS體系的影響較小。究其原因主要有下面兩個方面：1所選用的外表活性劑為非離子型，無機鹽離子對其影響較小；2無機鹽自身就具有降低水外表力的作用，同時還能降低外表活性劑的臨界膠束濃度。3.2油基鉆井液與外表活性劑隔離液的配制油基鉆井液的配制由于目前國油基鉆井液還未推廣和普及，沒有能找到現(xiàn)場應(yīng)用的油基鉆井液。根據(jù)?鉆井手冊甲方?中所推薦的油包水乳化鉆井液配方，在實驗室配制了油基鉆井液，以用于后續(xù)的界面膠結(jié)膠強度評價試驗。其配方如表

45、3.5所示12：表3.5 油包水乳化鉆井液配方材料名稱加量kg/m3材料名稱加量kg/m3有機土2030氯化鈣70150主乳化劑：油酸20左右油水比(8570)：1530輔助乳化劑：Span-802070氧化瀝青視需要而定石灰50100加重劑視需要而定配制方法：1向干凈的燒杯中參加計量好的柴油，按預(yù)先計算的比賽參加所需的主乳化劑、輔助乳化劑和潤濕劑。然后進展充分?jǐn)嚢瑁敝了械挠腿苄越M分全部溶解。常溫下需攪拌2h左右，將油預(yù)熱或劇烈攪拌可縮短溶解時間；2按計算好的量向另一干凈燒杯中參加水，并讓其溶解所需氯化鈣量的70%；3在劇烈攪拌下，將氯化鈣水溶液緩慢參加油相，參加完后繼續(xù)攪拌1h左右，使水

46、相充分分散；4繼續(xù)攪拌下參加適量的親油膠體氧化瀝青和石灰。當(dāng)乳狀液形成后，測定其流變參數(shù)、pH值、濾失量等性能；5如果性能符合要求，可參加重晶石以到達所要求的鉆井液密度。加重晶石的速度要適當(dāng)，如重晶石被水潤濕，會使鉆井液中出現(xiàn)粒狀固體，可適當(dāng)增加潤濕劑加量；6當(dāng)體系到達所需要的密度后，參加剩余的粉狀氯化鈣，最后再進展充分?jǐn)嚢琛Ｍ獗砘钚詣└綦x液的配制本論文所配置的外表活性劑隔離液密度為1.8g/cm3，其配方如下：100g水+1.4gG33S+0.7g HYJ+0.35g HHDN+143.5g重晶石+復(fù)配外表活性劑在不同HLB值條件下復(fù)配外表活性劑按隔離液總質(zhì)量的1%、2%、3%參加。配制步驟

47、如下：1將按比例稱量好的水、G33S、HYJ、HHDN充分?jǐn)嚢杈鶆?，得到隔離液基液；2向隔離液基液中參加復(fù)配隔離液，充分?jǐn)嚢杈鶆颍?參加稱量好重晶石，攪拌均勻。3.3界面膠結(jié)強度評價為評價模擬套管壁上的油基鉆井液被沖洗后與水泥石的界面膠結(jié)狀況，進展了界面膠結(jié)強度試驗。界面膠結(jié)強度分為剪切膠結(jié)強度和水力膠結(jié)強度，但多數(shù)測定的是剪切膠結(jié)強度，并且模擬的界面多為第一界面即水泥環(huán)和套管壁的膠結(jié)情況，采用壓出法原理進展測定。實驗程序：1選徑約5cm，長度8cm的鋼管模擬套管，用砂紙將其外表打磨凈。將油基鉆井液倒入浸泡1h，使油基鉆井液在模擬套管外表充分吸附，然后將鉆井液倒出并滴到油基鉆井液不再滴為止；2

48、向模擬套管參加配置好的隔離液，置于在8000r/min的轉(zhuǎn)速下沖洗20 min，沖洗完后倒出并滴干；3然后注入按API標(biāo)準(zhǔn)配制的0.44水灰比純水泥漿，在4000r/min的轉(zhuǎn)速下沖洗5min，沖洗完后倒出并滴干；4注入0.44水灰比純水泥漿，放入60 水浴中養(yǎng)護24 h。然后在壓力機上進展強度實驗，測出將水泥石從模擬套管中壓出所需的最大壓力。5再按以下兩式計算結(jié)果：界面膠結(jié)強度 =壓力計讀數(shù)/水泥環(huán)膠結(jié)面積界面膠結(jié)強度損失率= (空白樣的強度-沖洗后的強度) /空白樣的強度100 %實驗中還做了三組比照實驗，第一組是未用油基鉆井液污染的空白樣，第二組是用油基鉆井液污染后未用隔離液沖洗的污染樣

49、，第三組是用未加外表活性劑的隔離液沖洗的樣。這三個比照組的結(jié)果如表3.6所示。表3.6 比照組實驗結(jié)果實驗條件未用鉆井液污染的空白樣污染后未用隔離液沖洗未加外表活性劑的隔離液沖洗膠結(jié)強度(Mpa9.8101.87 從表3.6結(jié)果可以看出，污染后的模擬套管未經(jīng)隔離液沖洗，壁上附著油基鉆井液，其外表為“油濕狀態(tài)，界面膠結(jié)強度為0。用不含外表活性劑的隔離液沖洗模擬套管其膠結(jié)強有所提高，但是與空白樣相比其膠結(jié)強度損失率仍然很大，這將會嚴(yán)重影響油基鉆井液鉆進井的固井質(zhì)量。 TS體系實驗結(jié)果 當(dāng)在隔離液沖參加TS體系外表活性劑之后，隔離液的沖洗效果有了明顯的改善，膠結(jié)強度也有較大的提高。下面是用HLB=1

50、4，參加量為3%時的TS體系隔離液沖洗前后的效果圖如下：(b)(c) (d)(e) (f)(g) (h)圖3.4 TS體系HLB=14,3%隔離液沖洗效果圖(a)被油基鉆井液浸泡1h后的模擬套管；(b) 沖洗2min時的效果圖;(c) 沖洗5min時的效果圖;(d) 沖洗10min時的效果圖;(e) (f) 沖洗完后的模擬套管;(g) (h) 沖洗完后的隔離液從a圖可以看出被油基鉆井液浸泡1h后的模擬套管外表吸附了較厚一層油基鉆井液。從bcd圖可以看出吸附在套管外表的油基鉆井液在隔離液的沖洗作用下逐漸被沖洗下來，包裹在隔離液中。從ef圖可以看出沖洗20min后的套管外表已經(jīng)沒有油基鉆井液附著，

51、且套管外表只有較薄的一層隔離液附著，不會形成隔離液對套管的二次污染。從(g)圖可以看出沖洗完后的隔離液外表浮有一層被沖洗下來的油基鉆井液油膜，從(h)圖可以看出在隔離液部被沖洗掉的油基鉆井液能較穩(wěn)定地分散在隔離液中。表3.7 TS體系隔離液界面膠結(jié)強度試驗結(jié)果HLB值外表活性劑參加量%膠結(jié)強度Mpa膠結(jié)強度損失率%1215.7641.2825.8540.3736.1237.611314.5054.1325.1847.2036.4534.251415.7940.9826.5733.0337.5123.451517.0528.1326.4833.9437.2526.101617.2226.4027

52、.2825.7937.3225.38圖3.5 TS體系膠結(jié)強度 圖3.6 TS體系膠結(jié)強度損失率以上試驗結(jié)果說明，油基鉆井液污染后的模擬套管經(jīng)TS外表活性劑隔離液體系沖洗20min，再用純水泥漿沖洗5min后，其外表水潤濕性有明顯提高。相對于未用隔離液沖洗和未加外表活性劑隔離液沖的模擬套管，界面膠結(jié)強度顯著提高，界面膠結(jié)強度損失率也大幅降低，而且油基鉆井液在隔離液中的乳化分散效果較好。其中當(dāng)HLB=14,參加量為3%時的膠結(jié)強度最大，膠結(jié)強度損失率最小。 OS體系實驗結(jié)果a b) (c) (d) (e) (f)圖3.7 OS體系HLB=12,2%隔離液沖洗效果圖(a) (b)沖洗過程中發(fā)生剪切

53、變稀和團絮現(xiàn)象；(c)沖洗完后的模擬套管；(d)沖洗完后的隔離液(e)沖洗完后的隔離液；(f)沖洗完后的隔離液部從ab圖看出在沖洗過程中隔離液會發(fā)生剪切變稀的現(xiàn)象，并且有一定程度的團絮現(xiàn)象，這將不利于隔離液的性能穩(wěn)定。從c圖可以看出沖洗20min后的套管外表已經(jīng)沒有油基鉆井液附著，且套管外表也沒有隔離液附著。從(d)圖可以看出在隔離液部被沖洗掉的油基鉆井液能較穩(wěn)定地分散在隔離液中，但是分散效果沒有TS隔離液體系效果好。從e圖可看出隔離液在沖洗完成之后發(fā)生團絮，其流變性能降低。f圖為隔離液部圖像，可以看出被沖洗下來油基鉆井液以小顆粒的形式較好地分散在隔離液部。表3.8 OS體系隔離液界面膠結(jié)強度

54、試驗結(jié)果HLB值外表活性劑參加量%膠結(jié)強度Mpa膠結(jié)強度損失率%1216.7331.427.2026.6136.6931.801316.4334.4526.9728.9536.9429.261416.2436.3926.6432.3136.9129.56圖3.8 OS體系膠結(jié)強度 圖3.9 OS體系膠結(jié)強度損失率OS體系外表活性劑參加到隔離液中后，在攪拌過程中隔離液會發(fā)生析水變稀的現(xiàn)象，同時還會發(fā)生團絮。但由以上結(jié)果可以看出，同樣能使改善模擬套管外表的水潤濕性，相對于未用隔離液沖洗和未加外表活性劑隔離液沖的模擬套管，界面膠結(jié)強度也有較大提高，界面膠結(jié)強度損失率也有大幅降低，而且油基鉆井液在隔離

55、液中的分散效果較好。其中當(dāng)HLB=12，參加量為2%時的膠結(jié)強度最大，膠結(jié)強度損失率最小。3.4無機鹽和溫度對外表活性劑隔離液性能影響當(dāng)外表活性劑隔離液用于鹽膏層和溫度較高的地層時，隔離液應(yīng)有較好的抗溫抗鹽性能，因此有必要考察無機鹽對隔離液性能的影響。本論文中主要考察了無機鹽與溫度對隔離液流變性和膠結(jié)強度的影響。在對前面界面膠結(jié)強度試驗結(jié)果的根底上，實驗中優(yōu)選出在TS和OS體系中膠結(jié)強度最大的一組進展考察，同時用一組不加外表活性劑的隔離液做空白比照實驗。TS體系中優(yōu)選出HLB值為14，參加量為3%的一組；OS體系中優(yōu)選出HLB值為12，參加量為2%的一組。實驗的條件是向隔離液中參加10%質(zhì)量百

56、分?jǐn)?shù)的NaCl，在滾子加熱爐中60條件下滾動加熱2h。無機鹽和溫度對隔離液流變性能的影響本實驗的方法是用六速旋轉(zhuǎn)粘度儀考察在向隔離液中參加10%質(zhì)量百分?jǐn)?shù)的NaCl，在滾子加熱爐中60條件下滾動加熱2h前后隔離液流變性能的變化，以此來考察無機鹽和溫度對隔離液流變性能的影響。此外用一組不加外表活性劑的隔離液作為空白比照實驗，實驗結(jié)果如表3.9所示。表3.9流變性測試結(jié)果隔離液體系實驗條件nK(Pa.sn)s(Pa)p(mPa.s)s/p未加外表活性劑隔離液不加鹽、常溫0.3995.99833.8750.450不加鹽、600.4313.96225.364.50.393TS體系HLB=143%參加量

57、不加鹽、常溫0.4216.31057.63580.994不加鹽、600.4733.70643.35540.80210%NaCl、常溫0.5133.58950.46740.68210%NaCl、600.4155.29746.92461.02OS體系HLB=122%參加量不加鹽、常溫0.4465.85860.18670.898不加鹽、600.4376.52464.26690.931.10%NaCl、常溫0.4775.18761.71780.79110%NaC、l600.4973.24642.33580.730表中：n為流性指數(shù)，k為稠度系數(shù)，s為動切力，p為塑性粘度，s/p為動塑比。由表3.9中的

58、實驗結(jié)果可以看出，與未加外表活性劑的隔離液相比，隔離液中參加外表活性劑之后動切力和動塑比有了較大的提高，塑性粘度一定程度地降低。動切力是表征隔離液部構(gòu)造及其強度，動切力越大表示隔離液的穩(wěn)定性越好，沖洗能力越強；動塑比值越大，表示隔離液的剪切稀釋性越強，則在較低的剪切速率下就有較好的懸浮性。而塑性粘度是表征隔離液部的摩擦力，值越大會降低隔離液的流動速率，進而影響隔離液的流態(tài)。綜上所述可以看出，與常溫下未參加無機鹽的隔離液相比，無機鹽和溫度的升高使得隔離液的流變性能有一定的改善。無機鹽和溫度對膠結(jié)強度的影響按照節(jié)中的界面膠結(jié)強度實驗方法，考察了無機鹽和溫度(60)對膠結(jié)強度的影響以此來考察無機鹽和

59、溫度對隔離液沖洗性能和改善界面潤濕性的影響。結(jié)果如表3.10所示：表3.10 無機鹽和溫度對膠結(jié)強度的影響隔離液體系實驗條件膠結(jié)強度Mpa膠結(jié)強度損失率%TS體系，HLB=14，3%參加量不加鹽、常溫7.5123.45不加鹽、607.6822.1910%NaCl、常溫6.6232.5210%NaCl、606.7631.09OS體系，HLB=12，2%參加量不加鹽、常溫7.2026.61不加鹽、607.3924.6710%NaCl、常溫6.4134.6610%NaCl、606.6132.62從表3.10結(jié)果可以看出，同一配方的隔離液在溫度升高之后膠結(jié)強度都有一定的提高，原因可能是溫度的升高使得隔

60、離液與油基鉆井液接觸界面處的分子熱運動增強，從而使得油基鉆井液的從模擬套管外表的脫除速率提高，隔離液對油基鉆井液的清洗能力提高。無機鹽的參加使得膠結(jié)強度有一定程度的降低，這可能是因為無機鹽抑制了油基泥漿在隔離液中的溶解和分散。3.5結(jié)果與討論由以上所有的實驗結(jié)果可以看出，TS體系和OS體系外表活性劑的參加能極提高隔離液對油基鉆井液的去除效率，從而能顯著提高固井水泥石與套管壁和井壁之間的膠結(jié)強度，并且對隔離液的流變性影響不大，且抗溫抗鹽性能較好。但是OS體系在使用過程中發(fā)生析水變稀，因而性能穩(wěn)定性不如TS體系。復(fù)合外表活性劑的參加對隔離液性能改善的作用機理推測主要有以下四個方面：1破乳作用復(fù)合外