隔离液中加入表面活性剂改善物理性能机理探讨

1、 本科毕业论文 题目隔离液中加入表面活性剂改善物理性能机理探讨摘 要本论文针对普通水基隔离液对油基钻井液完钻井中残留的泥浆清洗效率低，界面水润湿性差导致水泥石界面胶结强度低的问题，利用表面活性剂良好的洗涤、乳化、润湿反转性能，根据表面活性剂复配原理和化学处理剂配伍性和协调增效原理，得到了TS表面活性剂隔离液体系和OS表面活性剂隔离液体系。本文首先测试了TS体系和OS体系表面活性剂对水表面张力的影响。测试结果表明，TS体系和OS体系表面活性剂能显著降低水的表面张力。由原来的70mN/m左右降低到2833mN/m，这也就表明表面活性剂的加入能显著降低油水界面的界面张力。其次考察了表面活性剂加入到隔

2、离液中对第一胶结面胶结强度的影响。结果表明，在隔离液中加入TS体系和OS体系表面活性剂后，能显著提高隔离液对黏附在模拟套管壁上油基泥浆的清洗效率，改善模拟套管表面的水润湿性，提高水泥套管壁间的界面胶结强度。此外还考察了无机盐和温度对含有表面活性剂的隔离液性能的影响。通过分析得出表面活性剂加入到隔离液中改善隔离液对油基泥浆冲洗效率、改善界面润湿状态、提高水泥石界面胶结强度的机理主要是由于表面活性剂的破乳作用、增溶作用、渗透作用和乳化稳定作用。关键词：隔离液；表面活性剂；机理；胶结强度；冲洗效率AbstractThis thesis focuses on the problem of ordina

3、ry water-based spacers low cleaning 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 complex principles and chemical treatment agent

4、 compatibility 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 of testing indicated that the addition of to spacer

5、can 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 strength testing of first interface indicated that the addition of TS and OS system to

6、 spacer can significantly improve the spacers cleaning efficiency to the oil-base mud and the 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 s

7、urfactant is studied. Through the further analysis of the mechanism of 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.

8、Keyword： Spacer; Surfactant; Mechanism; Bonding strength; Cleaning efficiency 目 录 TOC o 1-4 h z u HYPERLINK l _Toc264494065 1绪论 PAGEREF _Toc264494065 h 1 HYPERLINK l _Toc264494066 1.1研究背景 PAGEREF _Toc264494066 h 1 HYPERLINK l _Toc264494067 1.1.1盐膏层特点及其对固井工程的影响 PAGEREF _Toc264494067 h 1 HYPERLINK l _

9、Toc264494068 1.1.2油基钻井液及其盐膏层钻井中的应用 PAGEREF _Toc264494068 h 2 HYPERLINK l _Toc264494069 1.1.3表面活性剂及其在石油工业中的应用 PAGEREF _Toc264494069 h 2 HYPERLINK l _Toc264494070 1.1.4隔离液及表面活性剂隔离液 PAGEREF _Toc264494070 h 3 HYPERLINK l _Toc264494071 1.2研究的目的及意义 PAGEREF _Toc264494071 h 3 HYPERLINK l _Toc264494072 1.3国内

10、外研究现状 PAGEREF _Toc264494072 h 4 HYPERLINK l _Toc264494073 1.3.1国内研究现状 PAGEREF _Toc264494073 h 4 HYPERLINK l _Toc264494074 1.3.2国外研究现状 PAGEREF _Toc264494074 h 5 HYPERLINK l _Toc264494075 1.4研究内容 PAGEREF _Toc264494075 h 5 HYPERLINK l _Toc264494076 1.5技术路线 PAGEREF _Toc264494076 h 5 HYPERLINK l _Toc2644

11、94077 2实验仪器与材料性能 PAGEREF _Toc264494077 h 7 HYPERLINK l _Toc264494078 2.1实验仪器设备与材料 PAGEREF _Toc264494078 h 7 HYPERLINK l _Toc264494079 2.2实验主要材料的选择和性能 PAGEREF _Toc264494079 h 8 HYPERLINK l _Toc264494080 2.2.1表面活性剂的选择原则和方法 PAGEREF _Toc264494080 h 8 HYPERLINK l _Toc264494081 2.2.2表面活性剂性能 PAGEREF _Toc26

12、4494081 h 9 HYPERLINK l _Toc264494082 2.2.3隔离液材料性能 PAGEREF _Toc264494082 h 9 HYPERLINK l _Toc264494083 3实验部分 PAGEREF _Toc264494083 h 10 HYPERLINK l _Toc264494084 3.1表面活性剂的复配及其对表面张力的影响 PAGEREF _Toc264494084 h 10 HYPERLINK l _Toc264494085 3.1.1表面活性剂的复配原理 PAGEREF _Toc264494085 h 10 HYPERLINK l _Toc2644

13、94086 3.1.2表面活性剂复配体系配方计算 PAGEREF _Toc264494086 h 11 HYPERLINK l _Toc264494087 3.1.3表面张力的测定及无机盐对表面张力的影响 PAGEREF _Toc264494087 h 12 HYPERLINK l _Toc264494088 3.2油基钻井液与表面活性剂隔离液的配制 PAGEREF _Toc264494088 h 14 HYPERLINK l _Toc264494089 3.2.1油基钻井液的配制 PAGEREF _Toc264494089 h 14 HYPERLINK l _Toc264494090 3.2

14、.2表面活性剂隔离液的配制 PAGEREF _Toc264494090 h 15 HYPERLINK l _Toc264494091 3.3界面胶结强度评价 PAGEREF _Toc264494091 h 15 HYPERLINK l _Toc264494092 3.3.1 TS体系实验结果 PAGEREF _Toc264494092 h 16 HYPERLINK l _Toc264494093 3.3.2 OS体系实验结果 PAGEREF _Toc264494093 h 19 HYPERLINK l _Toc264494094 3.4无机盐和温度对表面活性剂隔离液性能影响 PAGEREF _

15、Toc264494094 h 21 HYPERLINK l _Toc264494095 3.4.1无机盐和温度对隔离液流变性能的影响 PAGEREF _Toc264494095 h 21 HYPERLINK l _Toc264494096 3.4.2无机盐和温度对胶结强度的影响 PAGEREF _Toc264494096 h 22 HYPERLINK l _Toc264494097 3.5结果与讨论 PAGEREF _Toc264494097 h 23 HYPERLINK l _Toc264494098 4结论及建议 PAGEREF _Toc264494098 h 25 HYPERLINK l

16、 _Toc264494099 4.1结论 PAGEREF _Toc264494099 h 25 HYPERLINK l _Toc264494100 4.2建议 PAGEREF _Toc264494100 h 25 HYPERLINK l _Toc264494101 致 谢 PAGEREF _Toc264494101 h 26 HYPERLINK l _Toc264494102 参考文献 PAGEREF _Toc264494102 h 27西南石油大学本科毕业设计（论文）隔离液中加入表面活性剂改善物理性能机理探讨1绪论盐膏层属于水敏性地层，普通水基钻井液在钻进盐膏层地层时会造成盐岩溶解、盐膏泥岩

17、吸水膨胀、储层污染、产量降低的问题，而油基钻井液作为一种强抑制性钻井液完全能够满足盐膏层钻井和油气层保护需要，与水基钻井液相比具有明显的优势。而残留在井壁和套管界面上的油基钻井液与固井水泥浆的相容性极差，会严重降低界面胶结强度，影响固井质量及油田的勘探开发1。因此，为推进油基钻井液在盐膏层钻井中的应用，必须开发出与之相配套的隔离液体系以有效清除残留油基泥浆，改善界面润湿性，提高界面胶结强度，保证固井质量。1.1研究背景1.1.1盐膏层特点及其对固井工程的影响盐膏层指的是以盐或石膏为主要成分的地层，中国大陆钻探发现的盐膏层分布范围广泛，塔里木、江汉、四川、胜利、中原、华北、新疆、青海、长庆等油田

18、都曾有钻遇盐膏层时发生卡钻、套管挤毁，甚至发生油井报废的恶性事故的报道。由于盐膏层对钻井、固完井工程的危害极大，一直是国内外石油工程界特别关注的问题2。盐层固井技术特别是深井盐膏层和复合盐膏层固井技术，一直是固井界公认的难题，经过多年攻关，仍没有得到根本的解决3。盐层固井的复杂性主要表现在以下三个方面4：一是在盐膏层钻井过程中，盐层会发生溶解，易出现不同程度的缩径、井壁掉块或垮塌等复杂情况，使井眼质量变差。在缩径的井眼，常规的套管扶正器无法顺利下入，不利于套管居中；在有掉块或垮塌的井眼中，井径极不规则，这些都造成固井时顶替效率难以提高，从而不能在套管和地层之间形成良好的均布水泥环，直接影响到固

19、井质量；二是盐在不同浓度和不同温度环境下，对水泥浆性能的影响比较复杂，水泥浆顶替效率低，稠化时间和水泥石强度难以控制。适用于盐水水泥浆的外加剂少，水泥浆配方设计困难；三是下套管注水泥后，如果水泥与井壁间胶结差、盐层蠕变，套管会承受非均质载荷使套管变形或被挤毁，严重影响了后续作业和油井寿命，甚至使井报废。1.1.2油基钻井液及其盐膏层钻井中的应用油基钻井液是指以油作为连续相的钻井液，与水基钻井液相比具有抗高温、抗盐钙侵、有利于井壁稳定、润滑性好和对油气层损害程度小等多种优点，目前已成为钻高难度的高温深井、大斜度定向井、水平井和各种复杂地层的重要手段，并且还可以用作解卡液、射孔完井液、修井液和取心

20、液等等。在盐膏层钻井中，由于油基钻井液不溶解盐，因而避免了盐岩溶解与含盐膏泥岩的吸水膨胀和分散引起的复杂情况，可使井眼规则，有利于后续的固井和完井作业，并油基钻井液具有很强的抗高温能力，还能够满足水敏性地层的油气层保护需要。特别是在20世纪80年代初，饱和盐水钻井液技术还没有发展起来，油基钻井液起到了决定性的作用。华北、胜利、中原、新疆等油田的现场钻井实践也证明，油基钻井液可以安全顺利地钻穿盐膏层。随着油气开发的日益深入，我国油基钻井液的研究与应用会越来越多的受到重视。1.1.3表面活性剂及其在石油工业中的应用在浓度很低时就能显著降低溶液表面张力的物质叫做表面活性剂。表面活性剂分子都是两亲分子

21、，也就是说是由亲水基和亲油基两部分组成。亲水基使得表面活性剂分子有溶于水的倾向，亲油基则使得表面活性剂分子有溶于油相的倾向。按照表面活性剂在水中的行为分类，可分为离子型表面活性剂和非离子型表面活性剂，离子型表面活性剂又可分为阳离子型表面活性剂、阴离子型表面活性剂和两性表面活性剂5。表面活性剂分子的双亲结构使得其与常见的有机化合物相比有了一些特殊的性质，比如可以在液体或固体表面定向吸附，可显著降低表面张力，能够在水溶液中缔合成胶束等。表面活性剂的而这些性质使得表面活性剂具有许多重要的作用，从而在众多的领域里被广泛使用。这些作用主要包括增溶作用、润湿作用、乳化作用、洗涤作用、起泡和消泡作用、分散作

22、用等。在石油工业中，表面活性剂作为油田化学品广泛应用于钻井、完井、采油、油气集输、三次采油和油田水处理等中，对于保证钻井安全，提高采收率、油品质量、生产效率和经济效益，以及设备防护，降低集输成本和防止环境污染等方面起着重要的作用。当今，表面活性剂已成为油气田开发中必不可少的油田化学品5。1.1.4隔离液及表面活性剂隔离液绝大多数钻井液，不论是水基钻井液、油基钻井液还是合成基与水泥浆都是不相容的。如果水泥浆与钻井液直接接触，钻井液将会发生水泥浸，水泥浆将受到钻井液的污染而形成粘稠的团状絮凝物质，流动性能降低，粘度和切力上升，将导致估计能够泵压升高，甚至发生井漏。水泥浆受到污染后形成的粘稠物质，将

23、粘附在套管壁和井壁上，不容易顶替干净，凝固后的水泥石抗压强度和界面胶结强度都将大幅度降低6。因此在油田固井作业中，在钻井液和水泥浆之间必须有一种液体将两者有效地隔离开来，并且在驱替钻井液的过程中起到隔离、缓冲、携带冲刷掉的泥饼的作用，从而提高水水泥浆的顶替效率，清除井壁上附着的过厚的假泥饼，使水泥能与套管和地层间的微环隙消失，防止地层流体的层间窜通，真正使水泥环起到固定套管和有效封隔地层的目的，到达固井应起的作用。在钻井液与水泥浆之间的这一段特殊的、稳定的悬浮液体系称为隔离液。在注水泥作业中，隔离液与冲洗液同时使用时，常于冲洗液之后水泥浆之前注入。在现场应用中，隔离液的作用具体表现在以下几方面

24、: eq oac(,1)对钻井液形成塞流驱替以适应注水泥的要求； eq oac(,2)隔离水泥浆和钻井液，防止水泥浆被污染和钻井液絮凝稠化； eq oac(,3)在低压井段、易漏失层及要求严格控制滤失量的井中可作为缓冲液使用； eq oac(,4)平衡地层压力。1.2研究的目的及意义采用油基钻井液完钻的井，在井壁和套管上均会黏附着一层油基钻井液和油膜，使得水泥界面胶结性能变差，水泥石界面胶结强度为零，这严重影响了固井质量及油田的勘探开发。注水泥前使用一种能有效清除黏附在井壁和套管界面上的钻井液、油膜的隔离液清洗，是提高固井质量的有效手段。但是中国适用于油基钻井液的隔离液体系目前还不够完善，表现

25、在品种较单一、可选性差，且它们的冲洗效果、抗温抗盐性及与油基钻井液的相容性等性能尚有待完善。虽然目前已有少数表面活性剂隔离液体系运用到固井作业中，但对于表面活性剂隔离液物理性能的影响及其机理研究的报道还很少。本文的目的在于向固井实验室已研制成熟的隔离液中加入表面活性剂，利用表面活性剂的复配原理调节复合表面活性剂的配比和加入量，得到能有效清除油基钻井液和改善界面润湿性的表面活性剂隔离液体系，并根据实验结果和利用一定的分析手段得到表面活性剂加入后改善隔离液物理性能的机理，为油基钻井液和表面活性剂隔离液的开发应用打下一定的基础。1.3国内外研究现状1.3.1国内研究现状中国油田以前对隔离液体系所起作

26、用重视程度不够， 国内在改革开放以前一直沿用前苏联的技术，大部分使用清水实现层间分隔，对固井质量和油井寿命存在严重的影响和隐患。改革开放以后，西方发达国家的隔离液研究与应用技术逐渐进入国内， 国内的专家和行业工作者也纯粹地接受了国外隔离液先进技术和思想，开始进行了隔离液体系的研发，我国隔离液有了迅速的发展，如四川油田研制了柴油CMCSP80重晶石粉和FCLS以及抗钙隔离液，中原油田研制了SNC隔离液，滇黔桂油田研制了CSA隔离液，大庆油田研制了DSF冲洗液、SAPP隔离液，以及用于油基钻井液固井的DMH冲洗液等。但由于理论研究薄弱和现场应用效果不明显，导致了隔离液体系的研究在二十世纪末进入了停

27、滞阶段，现场应用和相应的文献报道逐渐减少。目前，较完善、较成熟的隔离液产品也较少，而且普遍存在与水泥浆相容性差的问题7，适用于油基钻井液的隔离更是寥寥无几。表1.1列举了2000年以来国内前置液发展状况8：表1.1 国内隔离液发展现状产品名称适用性及性能特点FSG防渗漏隔离液通过特殊的堵塞作用和吸附作用起到防渗漏和提高水泥浆胶结质量功能MS-R高密度隔离液粘性隔离液，具有一定的粘度和较大的切力，适用于塞流顶替。加重能力可达2.00 g/cm3以上，加重后的隔离液悬浮能力强SGF前置液可做紊流前置液或塞流前置液,加重范围为1.22.0g/cm3的粘性隔离液BCS隔离液具有优良的加重能力、稳定性、

28、流变性，改变套管表面的润湿性高密度冲洗隔离液密度 1.001.85g/cm3，一定的抗温性能，冲洗效率高可固化隔离液实现可固化性能1.3.2国外研究现状70年代以来，国外的隔离液体系有了很大的发展，如日本石株式会研制了一种名叫“Vander”化学型冲洗液。采用阳离子表面活性剂与无机盐配制而成，在性能上已明显地优于清水。到了80 年代，隔离液已成为系列商品在世界范围内销售，如美国道威尔公司Space1000、Space1001、Space3000、Space3001四种隔离液。其中Space1000、Space3000用于水基钻井液，而Space1001、Space3001用于油基钻井液。哈里伯

29、顿公司、前苏联等也都形成了各自的隔离液体系9。对于油基钻井液隔离液也在不断地发展，美国哈里伯顿公司研制了一种通用隔离液，既适用于水基钻井液，又适用于油基钻井液。为了适用各种特殊井、复杂井，特种隔离液液也逐渐发展起来。针对漏失井固井、水平井固井、大斜度井固井、盐膏层固井等出现了抗盐、抗高温、抗钙、耐沉降、低粘附力、低滤失量等各种类别的隔离液和具有综合性能多功能多用途的隔离液。1.4研究内容本论文的主要研究工作是通过向隔离液中加入复配的表面活性剂，以提高隔离液对油基钻井液的清洗效率，同时显著改善油、水界面的水润湿性。实验中通过测试界面胶结强度，表面张力的手段进行研究，分析表面活性剂的加入改善隔离液

30、物理性能的机理。本文所开展的主要工作如下：（1）对国内外油基钻井液用表面活性剂隔离液体系的研究现状进行资料调研，根据资料调研结果预选出不同HLB值的表面活性剂进行复配。（2）测定出复配表面活性剂体系在水溶液中的表面张力。将复配的表面活性剂作为处理剂加入到隔离液中，考察在不同配比下对隔离液物理性能（对油基钻井液的冲洗效率，界面胶结强度）的影响，优选出最佳的表面活性剂的复配体系。（3）在前面工作的基础上考察盐和温度对表面活性剂隔离液体系性能的影响。（4）对结果和机理进行分析。1.5技术路线本论文所采用的技术路线如图1.1所示。资料调研，初选出表面活性剂考察不同配比和加入浓度的复合表面活性剂对隔离液

31、性能的影响考察盐和温度对表面活性剂隔离液性能的影响得到最佳的复合表面活性剂配比和加入浓度空白对比隔离液对结果进行处理，对机理进行分析考察表面活性剂对隔离液的物理性能的改善情况图1.1 实验技术路线图2实验仪器与材料性能2.1实验仪器设备与材料表2.1 实验主要仪器设备仪器厂家型号电子天平上海良平仪器有限公司FA2004恒力高速搅拌机金坛市金南仪器厂JJ-B组织捣碎机金坛市杰瑞尔仪器厂JJ-Z抗折抗压试验机无锡市锡东建材设备厂JES-300表面张力测定仪上海中晨数字技术设备有限公司JK99B六速旋转黏度剂青岛同春石油仪器有限公司ZNN-D6恒温水浴锅北京长安科学仪器厂HNN-100变频高速搅拌机

32、青岛同春石油仪器有限公司GK-12变频滚子加热炉青岛同春石油仪器有限公司GW300-PLC表2.2 实验所用药品试剂名称规格来源Tween-20分析纯成都科龙化工试剂厂OP-10分析纯成都科龙化工试剂厂Span-80分析纯成都科龙化工试剂厂油酸分析纯成都科龙化工试剂厂氯化钠分析纯成都科龙化工试剂厂氯化钙分析纯成都科龙化工试剂厂氧化钙分析纯成都科龙化工试剂厂G33S-河南卫辉化工有限公司HYJ-固井实验室HHDN-固井实验室重晶石-四川华西矿业公司氧化沥青粉-固井实验室G级油井水泥-四川嘉华水泥厂有机土-固井实验室0号柴油-2.2实验主要材料的选择和性能2.2.1表面活性剂的选择原则和方法关于如

33、何选择表面活性剂，目前简单且普遍使用的是根据表面活性剂的HLB值来选取。乳化剂的HLB值是乳化剂分子亲油亲水性的一种相对强度的数值量度：HLB值低，表示分子的亲油性强，是形成W/O型乳状液的乳化剂；HLB值越大，则亲水性越强，是越易形成O/W型乳状液的乳化剂。作为O/W型乳状液的乳化剂其HLB值常在8-18之间；作为W/0型乳状液的乳化剂其HLB值常在3-6之间10。表面活性剂的HLB值与性质的对应关系如图2.1所示： 图2.1 表面活性剂的HLB值与性质的关系用于油基钻井液完钻井的隔离液,常使用HLB值在8 以上的亲水性强的O/ W 型表面活性剂或复配的O/ W 表面活性剂体系。一般规律为表

34、面活性剂的亲水性越强，即HLB值越大，冲洗和润湿界面作用就强11，所用表面活性剂的HLB值应与油基钻井液基油的HLB值相近。表面活性剂隔离液中所用的表面活性剂主要是非离子型表面活性剂和阴离子型表面活性剂。常用的表面活性剂有:羟乙基化壬烯苯酚、羟乙基化醇、磺化线性直链醇、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钠、烷基磺酸钠、烷基苯磺酸钠等表面活性剂以及二烷基或三烷基胺同脂肪酸反应得到的两性表面活性剂等。2.2.2表面活性剂性能实验中根据资料调研情况和实际实验条件选出了三种表面活性剂，它们的名称和性能如表2.3所示。原 料主 要 性 能Tw

35、een-20聚氧乙烯失水山梨醇月桂酸酯，非离子表面活性剂，HLB值为16.7。黄色油状液体，能溶于水，稀酸稀碱及多数有机溶剂，不溶于植物油及矿物油，水溶性乳化剂。OP-10十二烷基酚聚氧乙烯醚，非离子表面活性剂，HLB值为14.5。白色及乳白色糊状物，易溶于水，是良好的水溶性乳化剂。Span-80聚氧乙烯失水山梨醇油酸单酯，非离子表面活性剂，HLB值为4.3。琥珀色粘性油状液，能分散于水，溶于油类及一般有机溶剂，是良好的水包油型乳化剂。表2.3 表面活性剂主要性能2.2.3隔离液材料性能实验中所配制的隔离液主要由水、降失水剂、悬浮稳定剂、稀释剂、加重剂和复配表面活性剂组成，它们的名称和主要性能

36、如表2.4所示。表2.4 隔离液主要材料的性能原 料 主 要 性 能G33S降失水剂，为白色粉末，溶于水适用于循环温度25-100的中、低温井。HYJ悬浮稳定剂，一种生物高聚物，为白色或淡黄色粉末，可溶于水中，具有高粘度，高悬浮性和触变性HHDN降粘剂，为浅褐色粉末，吸水性强，易溶于水，主要用作抗高温水基钻井液的稀释剂，也可作为油井水泥的缓凝剂和减阻剂。重晶石加重剂，为淡黄色或棕黄色粉末，惰性物质，不溶于水3实验部分3.1表面活性剂的复配及其对表面张力的影响3.1.1表面活性剂的复配原理一个理想的乳化剂，不仅与连续相亲和力强，而且与分散相也有较强的亲和力。实际上要同时兼顾这两方面的要求是做不到

37、的，所以在实际应用时，往往把HLB值小的乳化剂和HLB值大的乳化剂混合使用比单一乳化剂效果好，同时还可降低表面活性剂的应用成本。图3.1定性地表述了两者的相互关系。 图3.1 乳化剂配合使用原理图(a)乳化剂分散溶于水，但不能很好乳化的示意图(b)用HLB值小的乳化剂将两者连接起来的稳定乳化剂的示意图根据不同乳化剂的HLB值可计算混合乳化剂的HLB 值,计算式为： H(AB)=H(A)w(A)+H(B)w(B) （3.1）式中: H(AB)为混合表面活性剂的亲水亲油强度平衡值；H(A), H(B)分别为纯表面活性剂A和B的亲水亲油强度平衡值；w(A) ,w(B)分别为混合表面活性剂中A与B的质

38、量分数。本文中是分别将Tween-20和OP-10与Span-80复配，通过调节各表面活性剂在复配体系中的质量百分数得到不同HLB值的复配表面活性剂体系，再调节复配表面活性剂在隔离液中的加量得到不同HLB值和不同表面活性剂加量的表面活性剂隔离液体系。3.1.2表面活性剂复配体系配方计算为便于表示，本文规定将Tween-20与Span-80复配的表面活性剂体系用TS表示，将OP-10与Span-80复配的表面活性剂体系用OS表示。复配表面活性剂TS的HLB值用H(TS)表示，共选取12、13、14、15、16五个HLB值点。将Tween-20的HLB值H(T)=16.7以及Span-80的HLB

39、值H(S)=4.3带入式(3.1)，可得到下列计算式： H(TS) = H(T) w(T) + H(S) w(S) （3.2）w(T)+w(S)=100% （3.3）式中：H(TS)为混合表面活性剂的亲水亲油强度平衡值；H(T)，H(S)分别为纯表面活性剂Tween-20和Span-80的亲水亲油强度平衡值；w(T)，w(S)分别为混合表面活性剂中Tween-20与Span-80的质量分数。联合解式（3.2）和式（3.3）得到Tween-20和Span-80复配体系的配方如表3.1所示。表3.1 Tween-20和Span-80复配体系配方TS体系HLB值H(TS)Tween-20质量分数w(

40、T)(%)%w(T)Span-80质量分数w(S)(%)1262.137.91370.229.81478.221.81586.313.71694.15.6用同样的处理方法，将复配表面活性剂OS的HLB值用H(OS)表示，共选取12、13、14三个HLB值点。同样将OP-10的HLB值H(O)=14.5以及Span-80的HLB值H(S)=4.3带入式(2.1)，可得到下列计算式： H(OS) = H(O) w(O) + H(S) w(S) （3.4） w(O)+w(S)=100% （3.5）式中：H(OS)为混合表面活性剂的亲水亲油强度平衡值；H(O)，H(S) 分别OP-10和Span-80

41、的亲水亲油强度平衡值；w(O)，w(S)分别为混合表面活性剂中OP-10与Span-80的质量分数。联合解式（3.4）和式（3.5）得到OP-10和Span-80复配体系的配方如表3.2所示。表3.2 OP-10和Span-80复配体系配方OS体系HLB值H(OS)OP-10质量分数w(O)（%）Span-80质量分数w(S)（%）1275.524.51385.314.71495.14.93.1.3表面张力的测定及无机盐对表面张力的影响在研究中，评价表面活性剂的手段主要就是测定表面活性剂的表面张力。表面活性剂的最大特性之一就是在低浓度下也能显著降低水的表面张力，溶液的表面张力是衡量其物化性能不

42、可缺少的参数，一般认为表面张力降低越多，表面活性越大。本实验所采用的测试仪器为高分子材料与工程实验室的JK998型表面张力测定仪。根据文献14，在表面活性剂冲洗液中复配表面活性剂的加入量通常在0.4%-1.5%，而在隔离液中表面活性剂的加入量未见报道。但是隔离液的粘度和密度远大于冲洗液，为充分考虑不同表面活性剂加入浓度对水表面张力的影响，本文以100g水位基准，在复配表面活性剂每个HLB值下选择了0.5%、1%、2%、3%四个不同的加入量。之后再用浓度为10%的NaCl溶液按相同的加入量和方法配制出盐水表面活性剂溶液，考察无机盐加入对表面活性剂性能的影响。TS体系表面张力的测试结果如图3.2和

43、表3.3所示，OS 体系表面张力的测试结果如图3.3和表3.4所示。图3.2 纯水和盐水中TS体系表面张力值表3.3 TS体系纯水和盐水溶液的表面张力值HLB值浓度（%）纯水中的表面张力值（mN/m）10%浓度盐水中的表面张力值（mN/m）120.530.48029.069129.61129.153229.36128.528329.36028.319130.531.40329.153129.43128.500230.50029.319330.55629.055140.532.72229.695130.17029.078233.06929.129332.04129.333150.533.9533

44、3.922130.91731.208234.83329.847331.98629.153160.533.27829.347130.94530.042234.02729.250334.38930.569图3.3 纯水和盐水中OS体系表面张力值表3.4 OS体系纯水和盐水溶液的表面张力值HLB值浓度（%）纯水中的表面张力值（mN/m）10%浓度盐水中的表面张力值（mN/m）120.531.15331.194131.84731.181231.76431.375332.27831.097130.531.94431.875132.01430.458232.06930.208332.27830.63914

45、0.530.93130.167131.51430.722231.74631.111332.23631.556从表3.3和表3.4我们可以看出，与纯水近70mN/m的表面张力值相比，加入不同体系不同加入量的表面活性剂后，水的表面张力都会大幅降低。可使原来纯水的70.958mN/m降低到2833mN/m左右，且在不同HLB值，不同加入浓度条件下降低的幅度都较为接近。在加入无机盐后溶液的表面张力值会比在纯水中的值低，这说明在此盐浓度下对TS体系和OS体系的影响较小。究其原因主要有下面两个方面：1）所选用的表面活性剂为非离子型，无机盐离子对其影响较小；2）无机盐自身就具有降低水表面张力的作用，同时还能

46、降低表面活性剂的临界胶束浓度。3.2油基钻井液与表面活性剂隔离液的配制3.2.1油基钻井液的配制由于目前国内油基钻井液还未推广和普及，没有能找到现场应用的油基钻井液。根据钻井手册（甲方）中所推荐的油包水乳化钻井液配方，在实验室配制了油基钻井液，以用于后续的界面胶结胶强度评价试验。其配方如表3.5所示12：表3.5 油包水乳化钻井液配方材料名称加量（kg/m3）材料名称加量（kg/m3）有机土2030氯化钙70150主乳化剂：油酸20左右油水比(8570)：（1530）辅助乳化剂：Span-802070氧化沥青视需要而定石灰50100加重剂视需要而定配制方法：（1）向干净的烧杯中加入计量好的柴油

47、，按预先计算的较量加入所需的主乳化剂、辅助乳化剂和润湿剂。然后进行充分搅拌，直至所有的油溶性组分全部溶解。常温下需搅拌2h左右，将油预热或剧烈搅拌可缩短溶解时间；（2）按计算好的量向另一干净烧杯中加入水，并让其溶解所需氯化钙量的70%；（3）在剧烈搅拌下，将氯化钙水溶液缓慢加入油相，加入完后继续搅拌1h左右，使水相充分分散；（4）继续搅拌下加入适量的亲油胶体（氧化沥青）和石灰。当乳状液形成后，测定其流变参数、pH值、滤失量等性能；（5）如果性能合乎要求，可加入重晶石以达到所要求的钻井液密度。加重晶石的速度要适当，如重晶石被水润湿，会使钻井液中出现粒状固体，可适当增加润湿剂加量；（6）当体系达到

48、所需要的密度后，加入剩余的粉状氯化钙，最后再进行充分搅拌。3.2.2表面活性剂隔离液的配制本论文所配置的表面活性剂隔离液密度为1.8g/cm3，其配方如下：100g水+1.4g G33S+0.7g HYJ+0.35g HHDN+143.5g重晶石+复配表面活性剂在不同HLB值条件下复配表面活性剂按隔离液总质量的1%、2%、3%加入。配制步骤如下：（1）将按比例称量好的水、G33S、HYJ、HHDN充分搅拌均匀，得到隔离液基液；（2）向隔离液基液中加入复配隔离液，充分搅拌均匀；（3）加入称量好重晶石，搅拌均匀。3.3界面胶结强度评价 为评价模拟套管壁上的油基钻井液被冲洗后与水泥石的界面胶结状况，

49、进行了界面胶结强度试验。界面胶结强度分为剪切胶结强度和水力胶结强度，但多数测定的是剪切胶结强度，并且模拟的界面多为第一界面即水泥环和套管壁的胶结情况，采用压出法原理进行测定。实验程序：（1）选内径约5cm，长度8cm的钢管模拟套管，用砂纸将其内表面打磨净。将油基钻井液倒入浸泡1h，使油基钻井液在模拟套管表面充分吸附，然后将钻井液倒出并滴到油基钻井液不再滴为止；（2）向模拟套管内加入配置好的隔离液，置于在8000r/min的转速下冲洗20 min，冲洗完后倒出并滴干；（3）然后注入按API标准配制的0.44水灰比纯水泥浆，在4000r/min的转速下冲洗5min，冲洗完后倒出并滴干；（4）注入0

50、.44水灰比纯水泥浆，放入60 水浴中养护24 h。然后在压力机上进行强度实验，测出将水泥石从模拟套管中压出所需的最大压力。（5）再按下列两式计算结果：界面胶结强度 =压力计读数/水泥环胶结面积 界面胶结强度损失率= (空白样的强度-冲洗后的强度) /空白样的强度100 %实验中还做了三组对比实验，第一组是未用油基钻井液污染的空白样，第二组是用油基钻井液污染后未用隔离液冲洗的污染样，第三组是用未加表面活性剂的隔离液冲洗的样。这三个对比组的结果如表3.6所示。表3.6 对比组实验结果实验条件未用钻井液污染的空白样污染后未用隔离液冲洗未加表面活性剂的隔离液冲洗胶结强度(Mpa）9.8101.87

51、从表3.6结果可以看出，污染后的模拟套管未经隔离液冲洗，壁上附着油基钻井液，其表面为“油湿”状态，界面胶结强度为0。用不含表面活性剂的隔离液冲洗模拟套管其胶结强有所提高，但是与空白样相比其胶结强度损失率仍然很大，这将会严重影响油基钻井液钻进井的固井质量。3.3.1 TS体系实验结果 当在隔离液冲加入TS体系表面活性剂之后，隔离液的冲洗效果有了明显的改善，胶结强度也有较大的提高。下面是用HLB=14，加入量为3%时的TS体系隔离液冲洗前后的效果图如下：(b) (c) (d)(e) (f) (g) (h) 图3.4 TS体系（HLB=14,3%）隔离液冲洗效果图(a)被油基钻井液浸泡1h后的模拟套

52、管；(b) 冲洗2min时的效果图;(c) 冲洗5min时的效果图;(d) 冲洗10min时的效果图;(e) (f) 冲洗完后的模拟套管;(g) (h) 冲洗完后的隔离液从（a）图可以看出被油基钻井液浸泡1h后的模拟套管表面吸附了较厚一层油基钻井液。从（b）（c）（d）图可以看出吸附在套管表面的油基钻井液在隔离液的冲洗作用下逐渐被冲洗下来，包裹在隔离液中。从（e）（f）图可以看出冲洗20min后的套管表面已经没有油基钻井液附着，且套管表面只有较薄的一层隔离液附着，不会形成隔离液对套管的二次污染。从(g)图可以看出冲洗完后的隔离液表面浮有一层被冲洗下来的油基钻井液油膜，从(h)图可以看出在隔离液

53、内部被冲洗掉的油基钻井液能较稳定地分散在隔离液中。表3.7 TS体系隔离液界面胶结强度试验结果HLB值表面活性剂加入量（%）胶结强度（Mpa）胶结强度损失率（%）1215.7641.2825.8540.3736.1237.611314.5054.1325.1847.2036.4534.251415.7940.9826.5733.0337.5123.451517.0528.1326.4833.9437.2526.101617.2226.4027.2825.7937.3225.38图3.5 TS体系胶结强度 图3.6 TS体系胶结强度损失率以上试验结果表明，油基钻井液污染后的模拟套管经TS表面活性

54、剂隔离液体系冲洗20min，再用纯水泥浆冲洗5min后，其表面水润湿性有明显提高。相对于未用隔离液冲洗和未加表面活性剂隔离液冲的模拟套管，界面胶结强度显著提高，界面胶结强度损失率也大幅降低，而且油基钻井液在隔离液中的乳化分散效果较好。其中当HLB=14,加入量为3%时的胶结强度最大，胶结强度损失率最小。3.3.2 OS体系实验结果（a） （b) (c) (d) (e) (f)图3.7 OS体系（HLB=12,2%）隔离液冲洗效果图(a) (b)冲洗过程中发生剪切变稀和团絮现象；(c)冲洗完后的模拟套管；(d)冲洗完后的隔离液(e)冲洗完后的隔离液；(f)冲洗完后的隔离液内部从（a）（b）图看出

55、在冲洗过程中隔离液会发生剪切变稀的现象，并且有一定程度的团絮现象，这将不利于隔离液的性能稳定。从（c）图可以看出冲洗20min后的套管表面已经没有油基钻井液附着，且套管表面也没有隔离液附着。从(d)图可以看出在隔离液内部被冲洗掉的油基钻井液能较稳定地分散在隔离液中，但是分散效果没有TS隔离液体系效果好。从（e）图可看出隔离液在冲洗完成之后发生团絮，其流变性能降低。（f）图为隔离液内部图像，可以看出被冲洗下来油基钻井液以小颗粒的形式较好地分散在隔离液内部。表3.8 OS体系隔离液界面胶结强度试验结果HLB值表面活性剂加入量（%）胶结强度（Mpa）胶结强度损失率（%）1216.7331.427.2

56、026.6136.6931.801316.4334.4526.9728.9536.9429.261416.2436.3926.6432.3136.9129.56 图3.8 OS体系胶结强度 图3.9 OS体系胶结强度损失率OS体系表面活性剂加入到隔离液中后，在搅拌过程中隔离液会发生析水变稀的现象，同时还会发生团絮。但由以上结果可以看出，同样能使改善模拟套管表面的水润湿性，相对于未用隔离液冲洗和未加表面活性剂隔离液冲的模拟套管，界面胶结强度也有较大提高，界面胶结强度损失率也有大幅降低，而且油基钻井液在隔离液中的分散效果较好。其中当HLB=12，加入量为2%时的胶结强度最大，胶结强度损失率最小。3

57、.4无机盐和温度对表面活性剂隔离液性能影响当表面活性剂隔离液用于盐膏层和温度较高的地层时，隔离液应有较好的抗温抗盐性能，因此有必要考察无机盐对隔离液性能的影响。本论文中主要考察了无机盐与温度对隔离液流变性和胶结强度的影响。在对前面界面胶结强度试验结果的基础上，实验中优选出在TS和OS体系中胶结强度最大的一组进行考察，同时用一组不加表面活性剂的隔离液做空白对比实验。TS体系中优选出HLB值为14，加入量为3%的一组；OS体系中优选出HLB值为12，加入量为2%的一组。实验的条件是向隔离液中加入10%质量百分数的NaCl，在滚子加热炉中60条件下滚动加热2h。3.4.1无机盐和温度对隔离液流变性能

58、的影响本实验的方法是用六速旋转粘度仪考察在向隔离液中加入10%质量百分数的NaCl，在滚子加热炉中60条件下滚动加热2h前后隔离液流变性能的变化，以此来考察无机盐和温度对隔离液流变性能的影响。此外用一组不加表面活性剂的隔离液作为空白对比实验，实验结果如表3.9所示。表3.9 流变性测试结果隔离液体系实验条件nK(Pa.sn)s(Pa)p(mPa.s)s/p未加表面活性剂隔离液不加盐、常温0.3995.99833.8750.450不加盐、600.4313.96225.364.50.393TS体系HLB=143%加入量不加盐、常温0.4216.31057.63580.994不加盐、600.4733

59、.70643.35540.80210%NaCl、常温0.5133.58950.46740.68210%NaCl、600.4155.29746.92461.02OS体系HLB=122%加入量不加盐、常温0.4465.85860.18670.898不加盐、600.4376.52464.26690.931.10%NaCl、常温0.4775.18761.71780.79110%NaC、l600.4973.24642.33580.730表中：n为流性指数，k为稠度系数，s为动切力，p为塑性粘度，s/p为动塑比。由表3.9中的实验结果可以看出，与未加表面活性剂的隔离液相比，隔离液中加入表面活性剂之后动切力

60、和动塑比有了较大的提高，塑性粘度一定程度地降低。动切力是表征隔离液内部结构及其强度，动切力越大表示隔离液的稳定性越好，冲洗能力越强；动塑比值越大，表示隔离液的剪切稀释性越强，则在较低的剪切速率下就有较好的悬浮性。而塑性粘度是表征隔离液内部的内摩擦力，值越大会降低隔离液的流动速率，进而影响隔离液的流态。综上所述可以看出，与常温下未加入无机盐的隔离液相比，无机盐和温度的升高使得隔离液的流变性能有一定的改善。3.4.2无机盐和温度对胶结强度的影响按照3.3.2节中的界面胶结强度实验方法，考察了无机盐和温度(60)对胶结强度的影响以此来考察无机盐和温度对隔离液冲洗性能和改善界面润湿性的影响。结果如表3