（环境工程专业论文）纳米钻井液处理剂的研究与应用.pdf

纳米材料又称为超细颗粒材料，是由纳米级的小粒子组成，一般是指尺寸在 l l o o 纳米之间的粒子，其尺寸处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，因此 纳米材料具有下列特点：1 、表面效应，即具有非常大的比表面积和很高的表面 活性。2 、小尺寸效应，即由于颗粒尺寸的变小、比表面积的显著增大，所引起 的宏观物理性质的变化。该项目研制出的新型纳米处理剂，就是利用纳米材料的 上述特性，来改变钻井液中胶体和悬浮体的性质，进而优化钻井液性能。该项目 将纳米技术引入钻井液领域，深化认识钻井液微观作用机理，而且实现了钻井液 处理剂研制与应用的一次技术性飞跃，解决目前钻井液完井液领域所面临的复杂 地层井壁不稳定以及复杂油气层保护等工程技术难题，较显著提高油气勘探开发 综合效益，并带动相关产业的发展，具有重要的理论和实际应用价值。 本文在查阅国内外文献的基础上，对纳米材料及纳米材料对钻井液的抑制性 和油层保护性能等方面的独特作用机理进行了研究，在此基础上，研究开发新型 纳米钻井液处理剂。实验研究了影响纳米钻井液处理剂的各种因素如有机无机材 料、反应温度、反应时间等，优化了纳米钻井液处理剂的制备方法。在此基础上， 研究了纳米钻井液处理剂在钻井液中的性能和作用机理，进行了纳米钻井液处理 剂的工业生产，开展了纳米钻井液处理剂的现场应用研究。 室内研究、工业生产和现场应用表明，纳米钻井液处理剂生产工艺合理，产品 质量稳定优良，与钻井液的配伍性好，有较好的防塌抑制性、润滑性、低滤失量 和合适的流变性，抗温抗污染性好。在郑3 6 区块、桩2 3 地区、垦东4 0 5 一平l 井、渤深6 - - 3 井、史3 2 8 l 并等进行了l o 多口井的实验，结果表明，该处 理剂及形成的钻井液具有更强的抑制性，可有效地抑制泥页岩的水化分散，防止 井壁坍塌和保护油气层，而且具有良好的润滑性、环境可接受性，为环境敏感地 区的大位移井、大斜度定向井、深定向井以及探井的钻井施工提供优质的钻井液 服务。 关键词：纳米；钻井液处理剂；抑制；润滑防塌 s t u d ya n da p p l i c a t i o no fd r i l l i n gf l u i d sn a n o m e t e r a d d i t i v e a b s t r a c t a f t e rf o r t yy e a r se x p l o i t a t i o n ，i tb e c o m e sm u c hh a r d e rf o rs h e i i 班o i l f i e l dt o i n c r e a s eo i lp r o d u c t i o n t ok e e pas t e a d yi n c r e a s ei nt h eo u t p u to fo i l ，n e wt e c h n o l o g y m u s tb ed e v e l o p e dc o n s t a n t l yt op r o v i d et e c h n i c a ls u p p o r tf o rt h ee x p l o i t a t i o no f r e s e r v o i r n e wd e v e l o p m e n to fm o d e mn a n o m e t 盯p r o v i d e sap o s s i b l es o l u t i o nf o rt h e c u r r e n tp r o b l e mo f d r i l l i n gf l u i d st e c h n o l o g y n o w a d a y s ，t h er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o n o fn a n o l n e t e rt e c h n o l o g ya n dn a n o m e t e rm a t e r i a l sa t ei nt h e a s c e n d a n t m a n y v a l u a b l ea c h i e v e m e n t sa r cm a d ei nt h es d e n t i f i cr e s e a r c ha n da p p l i e di n t ot h e e x p l o i t a t i o no ft h eo i l f i e l d h o w e v e r , i tr e m a i n sb l a n ki nt h ef i e l do fd r i l l i n gf l u i d s b o t hl a b o r a t o r ys t u d ya n dt e s t i n go nt h es i t es h o wt h a tm m h p e r f o r ms a t i s f a c t o r i l y n o to n l yi ni m p r o v i n gd r i l l i n gf l u i dp e r f o r m a n c ea n de n s u r i n gs a f e t yd o w nt ot h eo i l w e l l b u ta l s oi np r o t e c t i n gt h eo i la n dg a sr e s e r v o i r s n l i se s s a yi sb a s e do nt h e r e s e a r c ho fm m ha n db p s ，u s i n gp h y s i c a la n dc h e m i c a lm e t h o dt oc h a n g et h e s et w o k i n d so fc o l l o i dp a r t i c l e sc h a r g e dp o s i t i v ee l e c t r i c i t yi n t on a n o m e t e ro r d e rc o l l o i d p a r t i c l e sa n dt h u sm a k ep o s i t i v ee l e c t r i c i t ya d d i t i v eh a v et h ec h a r a c t e r i s t i c so f i l a n o m e t e rm a t e r i a l s n a n o m e t e rm a t e r i a l sa r em a d eu po fi l a n o m e 既 o r d e rp a r t i c l e s w h o s ed i m e n s i o ni sb e t w e e n1t ol o o n m t h es i z eo ft h ep a r t i c l ei sb e t w e e nw a n s i t i o n a r e ao fa t o m i cc l u s t e ra n dm a c r o s c o p i co b j e c t s ，t h e r e f o r e , l l a l l o m e t e 1 m a t e r i a l sh a v e t h ef o l l o w i n gc h a r a c t e r i s t i c s ：1 e x t e r i o rd o m i n oe f f e c t t h a ti si th a sav e r yl a r g e s p e c i f i cs u r f a c ea n dv e r yh i g l ls u r f a c ea c t i v i t y 2 s m a l ls i z ed o m i n oe f f e c t t h a ti s b e c a u s eo ft h ed i m i n i s h i n go ft h es i z eo fp a r t i c l ea n dn o t a b l ea c c r e t i o no ft h es p e c i f i c s u r f a c e ，m a c r o s c o p i cp h y s i c a lc h a r a c t e r sc h a n g e t h en e wt y p eo fn a n o m e t e ra d d i t i v e d e v e l o p e db yt h i si t e mm a k e su s eo ft h ea b o v ec h a r a c t e r so fp o s i t i v ec h a r g ea n d n a n o f i m t e rm a t e r i a l st oc h a n g ep r o p e r t i e so fc o l l o i da n ds u s p e n ds u b s t a n c ei nt h e d r i l l i n gf l u i d s , a n dt h u so p t i m i z ei t sp e r f o r m a n c e t h i si t e mi n 口o d u c e sn 卸d o m e 把f t e c h n i q u ei n t o t h ef i e l do fd r i l l i n gf l u i d s ，d e e p e n sk n o w l e d g eo fm i c r o c o s m i c f u n c t i o n sm e c h a n i s mo f d r i l l i n gf l u i d s 。a n da l s oa c h i e v e sat e c h n i c a ll e a po fd r i l l i n g f l u i d s r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o n c a ns o l v et e c h n i q u ep r o b l e m sa si n s t a b i l i t yo fw e l l w a l li nc o m p l e xs t r a t u ma n dp r o t e c t i o no fo i la n dg a sl a y e r s i tc a r li m p r o v e e x p l o i t a t i o nb e n e f i t so fo na n dg a so b v i o u s l ya n dd r i v et h ed e v e l o p m e n to fr e l a t i v e i n d u s t r y t h u si th a ss i g n i f i c a n t 吐l e o f e t i c a la n dp r a c t i c a la p p l i c a t i o nv a l u e s b yal a r g e n u m b e ro fl a b o r a t o r ye x p e r i m e n t s ，t h ee s s a ye v a l u a t e st h ee x p l o i t a t i o no ft h ed r i l l i n g f l u i d sn a n o r n e t e ra d d i t i v ea n da l s ot h er e s e a r c ha n dp e r f o r m a n c eo ft h ef u n c t i o n m e c h a n i s mo ft h en r n o m e t e ra d d i t i v e ，a n dt e s t st h i sn e wt y p eo fd r i l l i n gf l u i d s n a n o m e t 既a d d i t i v e l a b o r a t o r ye x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h en e wd e v e l o p e dn a n o m c t e r a d d i t i v e g e ta l o n g w e l lw i t i ld r i l l i n gf l u i d i t p o s s e s s e sg o o dc h a r a c t e r s o f a n t i - e o l l a p s e ，l u b f i c a t i o l ll o wf i l t e rl o s sa n dr h c o l o g l c a lb e h a v i o r a l s oi th a s t h e c h a r a c t e ro fa n t i t e m p e r a t u r ea n da n t i - c o n t a m i n a t i o n i th a sb e e np u ti n t oi n d u s t r i a l p r o d u c t i o na n da p p l i e do nm o r et h a n1 0w e l l s 。w h i c hi n c l u d e sz h e n g3 6b l o c k , z h u a n g2 3b l o c k ，k e n g d o n g4 0 5 - p i n g1w e l l ，b o s h e n g6 - 3w e l l ，s h i3 - 2 8 1w e l la n d 8 0o n t h ea p p l i c a t i o no nt h es p o ts h o w st h a tt h i sa d d i t i v ea n dt h en e w d r i l l i n gf l u i d h a v es t r o n gi n h i b i tc h a r a c t e r i s t i c st or e s t r a i nh y d r a t i o nd i s p e r s i o no fs h a l ee f f e c t i v e l y , p r e v e n tw a l lo fw e l l sf r o mc o l l a p s i n ga n dp r o t e c to 丑a n dg a sl a y e r s a l s oi tp o s s e s s e s t h en a t u r eo fl u b r i c a t i o na n de n v i r o n m e n ta d o p t i o n s oi tc a np r o v i d eg o o dd r i l l i n g f l u i ds e r v i c ef o ra “mw h i c ha r es e n s i t i v et oe n v i r o n m e n t , s u c ha s l o n ge x u d e d w e l l 、h i g h - - a n g l ed i r e c t i o n a lw e l l 、d e e pd i r e c t i o n a lw e l la n de x p l o r a t i o nw e l l k e yw o r d s ：n a n o m e t e r ld r n m a gf l u i da d d i t i v e li n h i b i t tl u b r i c a t i o na n da n 廿一 s l o u g h i n g 学位论文作者签名：专1 f 、 冬字日期：绯月弓日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后 适用本授权书) 学位论文作者签名：专a 导师签字： 岳，1 复群 签字日期：1 一年6 月弓日 签字日期：文衫年月3 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编 个部分。纳米材料是纳米科技中最为活跃的重要组成部分，它包括纳米材料的制 备技术以及纳米材料向高科技及传统工业领域渗透应用的技术。目前，纳米技术 已成为获得特殊性能材料的重要途径，而以纳米材料为基础的一些新兴科技正在 逐渐由实验室走向应用。如靠单个原子、分子改变位置或开关就能用于储存信息， 这样便可以大大提高芯片的集成度，使得万亿次计算机成为可能；美国普林斯顿 n e c 研究所和赖斯顿大学的科学家研究出纳米管，它是石墨中一层或若干层碳原 子卷曲而成的笼状“纤维”，内部是空的，外部直径只有几到几十个纳米。它的 密度是钢的1 6 ，而强度却是钢的1 0 0 倍。它的导电性远远超过铜，是生产超微 导线和超微开关的首选新材料。美国i b m 公司首席科学家a r m s t r o n g 说：“正像 2 0 世纪7 0 年代微电子技术产生了信息革命一样，纳米科学技术将成为下个世纪 信息时代的核心”。目前，纳米材料在仪器、化妆品、医药、印刷、造纸、电子、 通讯、建筑及军事等方面都得到越来越多的应用 1 “纳米”是一个尺度的度量，最早以纳米来命名材料是在2 0 世纪8 0 年代， 它作为一种材料的定义把纳米颗粒限制在卜1 0 0 皿范围广义的讲，纳米材料 是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围内或由它们作为基本单元构成 的材料。由于纳米微粒尺寸小、比表面积大，表面原子数、表面能和表面张力随 粒径的下降急剧增大，表现出小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子 隧道效应等特点，从而使纳米粒子出现了许多不同于常规材料的新奇特性，展示 了广阔的应用前景 1 。 随着纳米材料的广泛应用，人们正尝试在各个工业领域，对其进行重新的认 识。例如油田开发中使用的钻井液，它是服务钻井工程的重要手段。从9 0 年代 后期钻井液的主要功能己从维护井壁稳定，保证安全钻进，发展到如何利用钻井 液这一手段来达到保护油气层、多产油的目的【2 】一口井的成功完井及其成本 乙 纳米钻井液处理削的研究与应用 在某种程度上取决于钻井液的类型及性能。因此，适当地选择钻井液及钻井液处 理剂以维护钻井液具有适当的性能是非常必要地。国内外钻井液及钻井液处理剂 经过8 0 年代的发展高潮以后，逐渐进入稳定期，亦即技术成熟期。可以认为，由 于钻井液及钻井液处理剂都有众多的类型及产品可供选择，因此9 0 年代己不再 普遍研究和开发一般钻并液及钻井液处理剂产品，而是在高效廉价、一剂多效、 保护油气层、尽可能减轻环境污染等方面进行深入研究，以寻求技术更先进、性 能更优异、综合效益更佳的钻井液及钻井液处理剂。国内的处理剂现已发展到 1 6 大类2 0 0 余个品种 3 】，在此基础上配套形成了多种类型的钻井液系列，基本 上已能满足我国各种钻井作业的需要。但为了满足对环境保护越来越严格的要求 及日益增多的特种工艺井( 如：水平井、侧钻水平并、大位移井、小井眼井、分 支井、软管井) 对钻井液的新要求，研究开发了新的钻井液处理剂和钻井液体系， 7 0 年代以来，水解聚丙烯腈盐类、聚丙烯酰胺和水解聚丙烯酰胺在钻井液中得 到广泛应用，并形成了低固相不分散钻井液体系，从而促进了钻井液技术水平的 提高，解决了一系列的复杂问题；磺化酚醛树脂的成功应用，使抗高温的深井钻 井液体系得以实现，从而拉开了研制新型钻井液处理剂及钻井液体系的序幕。进 入8 0 年代后，钻井液处理剂有了大的发展，可以说这一时期是钻井液处理剂和 钻井液体系的大发展时期。形成了以p a c l 4 1 为代表的丙烯酸多元共聚物处理剂 及其钻井液体系、以s k 为主的s k 钻井液体系、8 0 a 5 l 增粘剂和水解聚丙烯酰 胺钾盐井壁稳定剂等，使聚合物钻井液工艺技术有了大的发展。在8 0 年代实践 经验的基础上，9 0 年代的以f a 3 6 7 为代表的两性离子型聚合物，使聚合物钻井 液工艺技术又有了新的发展。而阳离子处理剂的研究也逐步为人们所重视，但并 没有真正形成阳离子处理剂系列及钻井液体系，由于缺乏更多的配套措施也限制 了该体系的发展。9 0 年代初期至中期，“正电胶”钻井液成为钻井液界的研究热 点，正电胶( m m h ) 钻井液是采用了一种无机正电纳米材料【4 】。由于这种无机 正电材料具有极强的吸附水的能力，形成了和粘土矿物“争”水的状况，因此，它 能有效地抑制钻屑分散，防止泥页岩的水化膨胀，起到稳定井壁和保护油层的作 用，而且，该材料与蒙脱土可形成具有独特流变特性的钻井液体系【5 】，该体系 具有特别的剪切变稀特性，大幅度提高了钻井效率。无机正电材料用于完井液中， 可提高产层页岩的渗透率恢复值，减少产层的污染。但是，m m h 正电材料钻井 液体系也有自身的缺点：( 1 ) m m h 正电材料经低温冷冻后功能几乎完全丧失， 2 纳米钻井液处理翱j 的研究与应用 而i v l m h 干粉现场使用时经预水化才能迅速发挥作用；( 2 ) 快速钻进强造浆地层 时m m h 正电材料抑制能力相对不足，造成钻井液密度升高、粘度增大；( 3 ) 滤 失量偏大，造壁性差，加入过多阴离子型降滤失剂虽能改进泥饼质量，却有损 m m h 正电材料钻井液的独特流变学性能【6 ，7 】。鉴于m m h 正电材料及m m h 正电材料钻井液的上述不足，本文研究开发了一种新型的纳米钻井液处理剂，该 纳米钻井液处理剂既具有纳米材料的性能，它的分散尺寸至少在一维方向上小于 1 0 0 r i m 。由于分散相的纳米尺寸效应、大比表面积和强界面结合等特性，具有一 般材料所不具备的优异性能，同时又具有m m h 正电材料的特性，因此具有更强 的抑制性以及稳定井壁和保护油气层的能力。纳米处理剂的研制与应用有望实现 钻井液处理剂研制与应用的一次技术性飞跃，解决目前钻井液完井液领域所面临 的复杂地层井壁不稳定以及复杂油气层保护等工程技术难题，能显著地提高油气 勘探开发综合效益，并带动相关产业的发展，具有重要的理论和实际应用价值。 3 纳米钻井液处理剂的研究与应用 1 纳米钻井液处理剂室内研究 1 1 钻井液用纳米处理剂开发现状 钻井液是一种多相不稳定的混合体系。它包括：l 、悬浮体：它主要包括加 重材料如重晶石和钻屑，颗粒直径大于21 1i n 。2 、胶体：它主要包括膨润土、高 聚物、纤维素或褐煤类的胶体颗粒直径为0 0 0 5um 2 址m 。这些颗粒分敖在钻 井液中代表着钻井液的主要行为表现。决定钻井液性能的变化，是钻井液的主要 成分。回顾历史，一些井下复杂事故多是由于钻井液中的粘土引起的，特别是对 油层的污染，也是由粘土造成的。因此钻井液的发展历史也是紧紧围绕着粘土颗 粒而发展的。所加入的各种处理剂也是为了使颗粒的最大来源粘土保持合适的颗 粒状态，使钻井液保持合理的流变性、造壁性。但粘土在钻井液中的颗粒直径为 0 0 0 5 肛m 2um ，具有较大的比表面，因此要将钻井液体系保持稳定和所需的性 能，就需要开发出一种比表面更大的钻井液处理剂，这就是纳米处理剂，从而使 钻井液具有更优良的抑制能性、更好的油层保护能力。 纳米材料又称为超细颗粒材料，是由纳米粒子组成，一般是指尺寸在1 1 0 0 纳米之间的粒子，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，因此纳米材料具有 下列特点：l 、表面效应，即具有非常大的比表面积和很高的表面活性；2 、小尺 寸效应，即由于颗粒尺寸的变小，比表面的显著增大，所引起的宏观物理性质的 变化 8 。纳米处理剂就是利用纳米材料的上述特性，来改变钻井液胶体的性质。 这是因为钻井液胶体的性质主要是由具有极小尺寸的粘土颗粒决定的，处理好粘 土颗粒是处理钻井液的关键 9 而纳米乳液是纳米材料的一种，具有较低的油水界面张力，可使得扩散系数 以及渗透性有所提高这对抑制粘土膨胀和分散上尤为重要。当纳米乳液体系进 入井眼，由于纳米乳液的扩散系数高，能够在粘土发生较高水化膨胀前封堵孔隙。 纳米乳液不仅具有很较强的井壁稳定能力，而且还具有较高润滑和油层保护性能 e l o 4 纳米钻井渡处理剂的研究与宠用 1 1 1 纳米乳液 一般情况下，我们将两种互不相溶液体在表面活性剂作用下形成的热力学稳 定的、各向同性、外观透明或半透明、粒径l l o o n m 的分散体系称为纳米乳液。 纳米乳液定义为互不相溶的两液相，一相以小液珠分散在另一相中形成的体系 1 i ，1 2 。所形成的新体系由于两液体的界面积增大，在热力学上是不稳定的， 为使体系稳定，需要加入降低界面自由能的第三种成分一乳化剂 1 1 。纳米乳 液的不稳定性主要表现在以下几个方面 1 3 ：由两个非混相之间的密度差导致的 纳米乳液的分层或沉降；由范德华力或者静电力以及空间作用所引起的乳液絮 凝；液滴相互靠近和碰撞导致液膜的破裂而引起的聚结：由内相在连续相中存在 一定溶解度而引发的奥氏熟化；另外，在某种条件改变时纳米乳液体系中分散相 和分散介质地位互换发生相反转。上述不稳定过程往往是同步发生的而非相继进 行的，这些不稳定情况最终都可能引起纳米乳液的破乳。为提高纳米乳液稳定性， 应采取措施以减小两液体的密度差、增加连续相的粘度、降低液滴粒径等。大多 数的纳米乳液由表面活性剂稳定 1 5 ，除此以外，还有多种稳定形式，如聚合物 稳定乳液 i i ，1 3 、颗粒稳定乳液 i i ，1 3 ，1 6 等。 1 1 2 纳米乳液的分类及乳化技术 i , i 2 1 纳米乳液的分类 纳米乳液的分类方法主要有以下几种：按照内外相的不同，可以分为w o 型 乳液( 油包水乳液，即水为内相，油为连续相) 和o w 型乳液( 水包油乳液，即 油为内相，水为连续相) ，还有一种情况是，把极性有机物质乙二醇分散到非极 性的烷烃中形成了0 0 乳液( 油包油型乳液) ，但这种情况极少出现；除此还有 人研究了多重乳液，分为w o w 和o w o 乳液，当耜数超过三后，纳米乳液可能 不稳定 1 3 按照乳化剂类型 8 ：的不同，可以分为表面活性剂稳定的乳液、聚 合物稳定的乳液、固体颗粒稳定的乳液及其复合体系稳定的乳液。按照纳米乳液 液滴粒径则可分为粗乳液( d 1i lm ) 、细小乳液( 5 0 n m d 5 0 0 n m ) 以及微乳液 ( 1 0 r m 8 0 0 3 0 乳白色微泛蓝光离心依然稳定 1 0 0 4 0 乳白色微泛蓝光离心依然稳定 i 0 0 从表卜5 可以看出，最佳乳化时间3 0m i n 。 1 3 2 6 搅拌速度 低速混匀( i 0 0 0r p m ) 一高速乳化( 3 0 0 0r p m ) 一低速冷却( 1 0 0 0r p m ) 平均粒 径在1 0 0 衄左右，粒度分布较窄，长期放置无明显分层，储存稳定性、离心稳 定性和温度稳定性良好 i 3 2 7 乳化温度 应用p i t 规则( 相转变温度法p i t ) ，确定乳化温度。对于给定的油一水体系， 2 6 纳米钻井液处理剂的研究与应用 每一非离子型表面活性剂均存在相变温度，低于此温度体系形成o w 乳液，高于 此温度则形成w 0 乳液，而在该温度下表面活性剂达到亲水亲油平衡。有文献研 究表明，在接近p i t 附近体系的界面张力最低，所形成的液滴粒径最小。因此， 在相变温度下乳化可得到粒径细小的粒子，然后迅速冷却，就能得到o w 乳液。 应用转变温度法( p i t ) p i t 规则确定为8 0 8 5 c 。 1 3 2 8 最佳条件下的粒度分布 在最佳条件下，制得的纳米钻井液处理剂的粒度分布见图卜3 。 募6 0 含 苎 孥。i o ； ： 51 05 01 0 05 0 01 0 0 0 粒度( n m ) 图1 - 3 最佳条件下纳米钻井液处理剂的粒度分布 1 3 3 纳米乳状液的稳定性评价 1 3 3 1 乳化电压法 该法考查乳状液的电稳定性，当油包水乳状液通以电流时，若电压低则不导 电，当电压升高引起破乳时乳状液导电，破乳电压愈高表明乳状液愈稳定。乳状 液的电稳定性主要与油水界面膜的强度有关，而油水界面膜的强度主要取决于乳 化剂的种类及组配乳状液的破乳电压测定采用f a n r r - 2 3 c 型电稳定仪测定， 本实验对选定配方的测定结果为1 8 0 1 2 范围内破乳电压大于2 0 0 0 v ，说明该乳状 液具有较好的稳定性 纳米钻井液处理剂的研究与应用 1 3 3 2 离心法 乳状液的分层是其不稳定的一种表现形式。采用加速离心的办法促使乳状液 分层，其上部清液的多少也可以从一个方面反映乳化剂的乳化效果。实验时，在 l om l 离心试管中加入l om l 乳状液，并在4 0 0 0 转分的转速下离心5m i n ，此 时测定试管上、下部清液的体积，清液体积越小，表明乳状液稳定性越好。实验 结果用分油率表示，对于o w 型乳状液，当析出油相和o w 型乳化相之间的界面 比较清晰时，乳状液稳定性可用分油率来表示：分油率= v v o ，其中v 。是某一 时刻分离出油层的体积，v o 是乳状液油相总体积。分油率的变化范围是从。到l ， 当油层中含有乳化的水时，分油率有可能大于1 。静置一定时间分油率大者，乳 状液不稳定；分油率小者，乳状液比较稳定。本实验测定结果分油率为o 。 1 3 3 3 乳化剂的抗温能力评价 抗高温的乳化剂必须在高温下能起稳定作用并且能抵抗高温的长时间作用。 因此其抗温能力包括两个方面：其一是乳化剂抗高温陈化能力，它反映了乳化剂 在高温长时间作用后乳化效果的变化，并与乳化剂抵抗高温降解和解吸的能力有 关。测定方法是将选好的乳化剂与柴油、水配制成乳状液，对比乳状液经高温陈 化前后的乳状液的稳定性，若高温陈化后乳状液的稳定性不变，即试管不分层， 表明乳状液抗温能力强。陈化条件为：1 6 0 1 8 0 c 下滚动陈化1 6 h 。其二是乳化 剂在高温下的乳化能力，反映乳状液在井下条件的稳定性，它与乳化剂在高温下 在油水界面的吸附量有关。将选定的乳化剂加入到配好的钻井液中，在1 6 0 1 8 0 下滚动陈化1 6 h ，测定乳化钻井液的稳定性，如果高温陈化后钻井液不分 层说明乳化荆乳化能力较强。对于油水乳化体系，当形成油、乳状液、水三层， 油层、乳化层之间的界面或乳化层、水层之间的界面比较清晰，乳化稳定性可根 据乳化体系乳化率来表示乳化率= v ，vj ，其中v 乳是乳化层体积，vt 是油水 总体积乳化率的变化范围是从l 到0 。在一定时间内乳化率大者，乳状液稳定； 乳化率小者，乳状液不稳定实验结果见表1 - 6 纳米钻井液处理剂的研究与虚用 表1 - 6 乳化剂的抗温能力评价 常温 1 6 0 1 8 0 ( ) 柴油、水+ 1 乳化剂 1 0 0 1 0 0 泥浆+ 8 原油1 0 8 0 泥浆+ 8 原油+ 1 乳化剂 9 51 0 0 结果表明在柴油中加入纳米乳化剂后，再与水混溶，不管是常温还是高温 后，其乳化率均为1 0 0 ，在钻井液中加入原油，乳化率只有1 0 ，高温老化后， 可达8 0 ，而加入原油的钻井液中加入纳米乳化剂后在常温下的乳化率为9 5 $ ， 高温老化后为1 0 0 $ 。说明不加乳化剂的钻井液是很难与原油发生乳化的，但高 温降低了原油的粘度，有利于原油的分散，提高了原油在钻井液中的乳化率。 1 4 纳米处理剂性能评价 纳米处理剂以一定的比例加入蒙脱土基浆中，考察其对蒙脱土的抑制性、润 滑性和流变学性能的影响。结果表明，加入较少量的纳米处理剂就能显著提高钻 井液体系的上述几种性能。 1 4 1 抑制性 1 4 1 1 线性膨胀 称取1 0 0 0g 处理过的钙质蒙脱土，在压片机上用1 0m p a 压力维持5m i n 制得样品片，再用所配2 0m l 溶液浸泡并在n p - 0 1 页岩膨张仪上测定浸泡过程中 的线性膨胀高度，仪器自动记录膨胀高度随时间的变化，测定时间为8 小时。粘 土的膨胀量越小，纳米处理剂的抑制粘土膨胀的能力越好；反之则越差。 从图1 - 4 和1 - 5 可以看出，纳米处理剂加入后，粘土的膨胀高度明显降低， o 5 的纳米处理剂抑制粘土膨胀的效果远远好于7 的k c l 。纳米处理剂与k c l 和 n a t l 复配，线性膨胀结果很好。 纳米钻井液处理剂的研究与直用 图1 q 蒙脱土的膨胀动力学曲线随w n e 浓度的变化 图1 - 5 w n e 与k c l 复配对抑制性的影响 从图卜4 中可以看出，加入纳米处理剂后体系的粘土膨胀抑制能力较强，当 乳液浓度超过0 5 时，此体系的膨胀抑制能力已经比7 k c i 的抑制能力高。随 着乳液含量的增加其膨胀抑制能力增强。很明显，纳米乳液体系抑制粘土膨胀的 机理不同于k c l 。由于纳米乳液体系是一种水包油型的细小乳液，使用的乳化剂 是阳离子和非离子表面活性剂。当阳离子乳液体系和粘土接触时，可以中和粘土 表面的负电性并可使粘土表面的阳离子远离，层间阳离子连同水化膜一起离去， 而且这种吸附可使粘土表面反转为亲油表面 2 4 随着阳离子乳化石蜡在枯土上 纳米钻井踱处理剂的酽究与应用 吸附量的增加，其在粘土表面形成油膜，阻止水的侵入。阳离子乳液体系在粘土 表面的吸附使其表面具有一定的正电位势能层，从而起到抑制膨胀的作用。 1 4 1 2 页岩回收 将页岩粉碎后，过1 0 - 2 0 目筛。称取约2 0 9 过筛后的页岩，置于盛有所配溶液 的耐压老化罐中，密封后放置于6 h - 滚予炉烘箱中，在7 0 1 2 下热滚1 6 j 、时。待 自然冷却后，将老化罐中的页岩过4 0 目筛。 从图1 6 看出，0 5 纳米乳液和7 k c i 水溶液的页岩分散抑制能力的抑制能 力相当，迸一步证实乳液滴与粘土之间作用力较强。高温滚动后将页岩烘干，观 察发现页岩不仅彼此粘接在一起形成小球，而且页岩表面明显有油腻感。这说明 乳液体系经过高温老化后，页岩表面因吸附而形成憎水油膜 2 4 ：，从而起到封堵 页岩的孔隙，减少甚至屏蔽页岩与水接触而起稳定页岩作用。 1 4 2 流变性 0 2 04 080 页岩回收率， 图1 - 6 不同样品的页岩回收率 表观粘度是钻井液携带岩屑的重要参数，图1 - 7 表明，即使在低浓度下，纳 米处理剂也可以很好的携带岩屑。以表观粘度、塑性粘度及屈服值表征纳米处理 剂在膨润土基浆中的流变性，如图i - 7 、1 - 8 所示，所有指标表示，在宽加量情况 下纳米处理剂有良好的流变性能对于粘度而言，随乳液含量增加，泥浆体系的 粘度也升高，这主要是因为纳米乳液的加入，减弱悬浮体的负电性，引起粘土颗 粒聚集长大 2 4 ，2 5 ，从而造成粘土悬浮体系的粘度增加。 8 7 e 5 4 3 2 1 纳米钻井渡处理剂的研究与应用 图1 74 钻井液体系的a v 和p v 随w n e 浓度的变化 ，n e 浓度- t 图1 - 84 钻井液体系的y p 随i n e 浓度的变化 1 4 3 润滑性 先制得一定浓度的基浆，陈化1 6 h 后，按一定的配比加入乳液，高搅之后陈 化1 6 h ，用g n f 一1 型高温高压粘附仪，在一定的温度下进行测定。 由图1 - 9 、1 - 1 0 和1 - 1 1 可以看出：乳液体系具有较为突出的润滑性能，比 直接添加矿物油的钻井液润滑性更好随着乳液加量的增加，乳液体系的粘附系 数不断减小，至1 o 加量时，粘附系数已接近零。温度的升高有利于增强乳液 的润滑性能，升温至7 0 时，乳液含量为0 5 的乳液体系就足以使体系的粘附 纳米钻井液处理剂的研究与直用 餐 瞄 蔷 曩 图1 - 9 泥浆粘附系数随w n e 浓度的变化 系数降为零。这主要是由于乳液滴能够在井壁上吸附，使井壁翻转为亲油表面。 同理，由于钻柱表面也是亲水性的( 因有氧化膜) 它也可以吸附表面活性剂后而 翻转为亲油表面。这样就使油相在钻柱和井擘表面形成油膜，强化了油滴的润滑 作用 2 6 1 。升高温度达到浊点温度时，使乳液中的非离子表面活性剂在水中的溶 解度降低而以小油滴形式析出，从而增强了乳液体系的润滑性能。 替 蟮 莲 霉 图1 1 0w n e 和矿物油润滑性能比较 纳米钻井液处理荆的研究与应用 豁 1 釜 撼 0 00 20 4o 80 81 o 浓度w t 图1 - 11w n e 和润滑剂r 3 0 3 润滑性能对比 1 5 纳米处理剂的配伍及钻井液的评价 1 5 1 降失水剂的优选 降失水剂的优选见表i - 7 。 表i - 7 降失水剂的优选 f lp vy p g 体系p h m lm p a sp a p a 基浆+ 0 5 a 8 41 51 1 5 0 7 5 59 基浆+ 0 5 b7 62 l9i 7 58 5 基浆+ 0 5 c 9 81 76 2 t i 59 基浆+ 0 5 d8 4 1 8 7 51 69 基浆+ 0 5 e8 2 1 6 1 48 l 2 58 5 基浆+ 0 5 f 1 0 49l 0 0 5 8 基浆+ 0 5 61 11 41 0 54 6 59 基浆o 5 h 1 3 61 47 2 5 5 8 5 基浆+ i 11 1 241 50 5 39 基浆+ l ”1 0 86l0 09 基浆+ i k1 0 47l 0 0 5 9 基浆+ 0 5 l 8 6 1 54 5i 5 79 基浆+ 0 3 m8 42 08i 5 5 58 基浆+ o 3 n 81 8 9 54 5 9 5 8 5 基浆+ 0 3 08 81 51 4 5 5 8 8 5 基浆+ 0 3 p 8 6 1 52 27 l o8 5 注：基浆是4 的般土浆+ 2 9 6 纳米处理剂 纳米钻井液处理彝的研究与应用 1 5 2 絮凝剂的优选 絮凝剂的优选见表卜8 。 表卜8絮凝剂的优选 f lp v y pg 体系 p h m lm p a sp ap a 基浆+ o 3 a92 86 51 1 3 58 5 基浆+ o 3 b 1 1 62 21 03 5 ，58 5 基g + o 2 c 絮凝 注：基浆是4 的般土浆+ 2 纳米处理剂 1 5 3 钻井液配方优选 钻井液配方优选见表1 - 9 。 表l - 9钻井液配方优选 f lp vy pg 配方 p h m lr e p e l sp ap a l 7 2 2 4 1 0 5 1 5 ，1 4 8 5 2 6 6 1 91 l 2 1 4 58 5 362 91 74 5 ，1 38 5 4 6 8 2 8 1 0 58 57 42 741 5 49 673 262 3 5 8 772 71 9 54 5 ，1 2 8 5 883 11 73 5 ，48 5 97 22 59 52 ，1 39 1 083 61 64 ，1 4 9 1 l 63 0 l l 2 5 ，1 4 59 1 26 62 781 _ 册9 根据实验结果，综合各方面的因素我们优选出了配方1 1 ： 4 的般土浆+ 2 纳米处理剂+ o 4 a + 0 4 d + 0 4 e + 0 3 b 纳米钻井液处理剂的研究与应用 1 5 4 抗温实验 对优选出的配方进行抗温实验，同时与正电胶删、黑胶b p s 体系进行对比。 在1 2 0 下高温滚动老化1 6h 后测定性能见表1 - 1 0 ： 表1 - 1 0抗温实验 体f l p v y pg 条件 0 6 0 0m 3 0 0p h 系 m l m p a sp ap a 室温5 69 05 73 31 22 5 1 4 59 l 1 2 0 ，1 6 h77 94 83 18 51 5 ，28 5 室温 78 25 23 01 12 ，1 58 5 2 1 2 0 1 6 h75 43 22 25 1 1 58 5 室温 6 48 95 7 3 21 2 53 ，1 8 59 3 1 2 0 1 6 h6 86 23 7 2 56l ，3 59 体系l ：4 的般土浆+ 2 纳米处理剂+ o 4 a + 0 4 d + 0 4 e + o 3 b 体系2 ：4 的般土浆+ 2 m m h - 0 4 a + o 4 啪4 e + 0 3 b 体系3 ：4 的般土浆+ 2 b p s + o 4 a + 0 4 d + 0 4 e + 0 3 b 根据实验结果，为了迸一步提高体系的抗温能力，增加了