油基鉆井液潤濕劑評價新方法

李炎軍，胡友林，吳江，張萬棟，廖奉武，岳前升

(1.中海石油（中國）有限公司湛江分公司，廣東湛江524057；2.長江大學石油工程學院，湖北武漢430100；3.長江大學化學與環境工程學院，湖北荊州434023）

潤濕劑的評價方法主要有潤濕接觸角法和重晶石沉降體積法等方法。潤濕接觸角法是評價潤濕劑改變固體表面潤濕性的一種較直觀簡便的方法，接觸角法用玻璃來代表親水性固體表面，所得到的測試結果是基于玻璃表面性質的，這是與油基鉆井液中親水性固體如重晶石、泥巖鉆屑等明顯不同的，所以用玻璃代表親水性固體所選擇的潤濕劑未必適用于重晶石親水性表面改性[1-3]。吳超、田榮劍等提出重晶石在不同潤濕劑的油溶液中最終沉降體積法，該方法是將重晶石粉體視為毛細管束，根據不同潤濕劑的油溶液中重晶石粉體最終沉降穩定體積的大小，來評價潤濕劑的潤濕性能，重晶石粉體的沉降穩定體積越小，潤濕劑潤濕性能越好[4]，這種評價方法雖簡單易行，但是僅僅采用重晶石粉體最終的沉降穩定體積大小差異的評價指標相對比較單一。接觸角法和重晶石沉降穩定體積法均是在常溫下進行的，潤濕劑在常溫的性能并不能代表其在井下高溫的性能，該兩種方法均未考慮高溫影響潤濕劑在重晶石顆粒表面的吸附及其潤濕性能，同時未結合油基鉆井液的現場應用工藝條件，缺乏對潤濕劑的抗溫性評價。為了全面評價油基鉆井液潤濕劑的性能，克服現有潤濕劑評價方法的不足,因此，亟需建立一種簡單易行、多評價參數及結合油基鉆井液現場應用工藝條件的潤濕劑評價新方法。

1 油基鉆井液潤濕劑評價新方法

1.1 評價方法原理

潤濕劑在重晶石顆粒表面發生吸附，當重晶石顆粒的表面由親水性轉化為弱親水性或親油性時，使重晶石顆粒之間產生的固—固摩擦以及重晶石粉體與油之間產生固—液摩擦，改變為潤濕劑非極性端之間或油膜之間的摩擦，重晶石顆粒表面的親油性越強，重晶石顆粒之間摩擦力以及重晶石顆粒與油相的摩擦力越小，油的塑性黏度越??；由于潤濕劑改變了重晶石顆粒表面的親水性，使得重晶石顆粒在沉降時受到的流動阻力不同，重晶石顆粒表面親油性越強則其沉降阻力越小，重晶石顆粒沉降速率越大，反之，重晶石顆粒沉降速率越??；重晶石顆粒在油中沉降時形成了若干類似毛細管的通道，重晶石的親油性越強，最終被束縛在重晶石沉降體積中的液相越少，重晶石顆粒最終的沉降穩定體積越小，反之，重晶石顆粒的沉降體積越大[5-6]。因此，可以基于油相塑性黏度、重晶石顆粒在油中沉降速率、重晶石顆粒在油中的最終沉降體積等多參數評價油基鉆井液潤濕劑的潤濕性能，塑性黏度越小、重晶石顆粒沉降速度越大以及重晶石顆粒最終沉降體積越小，潤濕劑的潤濕性能越好。

1.2 評價方法

根據塑性黏度、重晶石顆粒在油中的沉降速率、重晶石顆粒在油中的沉降體積等參數，建立一種簡單易行、多評價參數及結合油基鉆井液現場應用工藝的油基鉆井液潤濕劑的評價新方法。實驗步驟如下。

①改性重晶石的制備。在300 mL蒸餾水中加入6.0 g潤濕劑，以11 000 r/min高速攪拌30 min后，緩慢加入 100.0 g 鉆井液用重晶石 ,以 11 000 r/min高速攪拌60 min后倒入老化罐中，在一定溫度下熱滾16 h，取出老化罐冷卻至室溫，將重晶石懸浮體過濾，得到潤濕劑改性后的重晶石粉體，并將其置于烘箱中在一定溫度下烘干24 h待用。

②在體積為300 mL的26號白油中加入100.0 g重晶石顆粒（潤濕劑改性和未經潤濕劑改性），并以 11 000 r/min 的速度高速攪拌 30 min 后，并以11 000 r/min 的速度高速攪拌 30 min 后，倒入老化罐中，在一定溫度下熱滾16 h。

③取出老化罐冷卻至室溫，并以11 000 r/min的速度高速攪拌30 min后，立即用六速旋轉黏度計測定懸浮體的φ600和φ300，測試程序參照GB/T 16783.2—2012執行。

④將上述重晶石懸浮體再以11 000 r/min的速度高速攪拌30 min后倒入量筒中，在倒入的同時用秒表記錄重晶石懸浮體從倒入量筒至最終沉降量筒底部所用的時間以及重晶石顆粒最終沉降體積。

⑤根據測定懸浮體的φ600和φ300計算重晶石懸浮體的塑性黏度（mPa·s）；根據記錄重晶石懸浮體從倒入量筒至最終沉降至量筒底部所用的時間計算重晶石顆粒沉降速率，沉降速率為重晶石顆粒質量（mg）與時間（s）的比值。

2 實驗結果分析

2.1 塑性黏度

根據所建立的油基鉆井液潤濕劑的評價新方法，測定含有重晶石顆粒懸浮液的塑性黏度，實驗結果如表1所示。由表1可知，潤濕劑改性后的重晶石懸浮液的塑性黏度低于未改性重晶石懸浮液的塑性黏度，主要是因為潤濕劑在重晶石顆粒表面吸附，使重晶石顆粒的表面由親水性轉化為弱親水性或親油性，重晶石顆粒之間產生的固-固摩擦以及重晶石粉體與油之間產生的固-液摩擦，改變為潤濕劑非極性端之間或油膜之間的摩擦。3種潤濕劑改性后重晶石懸浮液的塑性黏度隨熱滾溫度升高而增大，表明3種潤濕劑的潤濕性能隨著溫度升高而降低。由懸浮液塑性黏度參數可知，潤濕劑C的潤濕性能相對較好，潤濕劑A的潤濕性能次之，潤濕劑B的潤濕性能相對較差。

表1 含有重晶石顆粒懸浮液的塑性黏度評價

2.2 沉降速率

根據所建立的油基鉆井液潤濕劑的評價新方法，記錄重晶石顆粒沉降時間，計算重晶石顆粒沉降速率，實驗結果見圖1。

圖1 重晶石顆粒的沉降速率

由圖1可知，潤濕劑改性后的重晶石的沉降速率明顯大于未改性重晶石的沉降速率，主要是因為潤濕劑在重晶石顆粒表面發生吸附，使得重晶石顆粒在沉降時受到的流動阻力不同，重晶石顆粒表面親油性越強沉降阻力越小，重晶石顆粒沉降速率越大，重晶石表面親油性越弱則沉降阻力越大，重晶石顆粒沉降速率越小。3種潤濕劑改性后重晶石顆粒沉降速率隨熱滾溫度升高而減小，表明3種潤濕劑的潤濕性能隨著溫度升高而降低。由沉降速率評價參數可知，潤濕劑C的潤濕性能相對較好，潤濕劑A的潤濕性能次之，潤濕劑B的潤濕性能相對較差。

2.3 沉降體積

根據所建立的油基鉆井液潤濕劑的評價新方法，記錄重晶石顆粒最終沉降體積，實驗結果見圖2。

圖2 重晶石顆粒的最終沉降體積

由圖2可知，潤濕劑改性后的重晶石的最終沉降體積明顯小于未改性重晶石的最終沉降體積，主要是因為潤濕劑在重晶石顆粒表面發生吸附，改變了重晶石顆粒表面潤濕性，重晶石顆粒表面憎水性越強，被束縛在重晶石顆粒沉降時形成毛細管通道中的油相就越少，重晶石顆粒最終的沉降體積越小。3種潤濕劑改性后重晶石顆粒最終沉降體積隨熱滾溫度升高而增大，表明3種潤濕劑的潤濕性能隨著溫度升高而降低。由最終沉降體積評價參數可知，潤濕劑C的潤濕性能相對較好，潤濕劑A的潤濕性能次之，潤濕劑B的潤濕性能相對較差。

2.4 接觸角法

采用HARKE-SPCA視頻接觸角測定儀測定蒸餾水與經潤濕劑處理后云母片表面的接觸角[7]，實驗結果如圖3所示。由圖3可知，經潤濕劑C處理的接觸角最大，經潤濕劑A處理次之，經潤濕劑B處理的相對最小，接觸角越大，固體表面的親油性越強，接觸角評價法的實驗結果與采用塑性黏度、沉降速率以及最終沉降體積等參數評價潤濕劑實驗結果的規律具有一致性，證明了所建立的油基鉆井液潤濕劑評價新方法具有可行性。潤濕接觸角測量方法要求固體表面必須足夠致密和光滑，實驗結果的重復性和準確性影響因素較多，而建立的油基鉆井液潤濕劑評價新方法簡單易行，采用了多評價參數以及結合了油基鉆井液現場應用工藝條件評價潤濕劑性能。

圖3 不同潤濕劑溶液處理后的接觸角

2.5 油基鉆井液性能

在油基鉆井液中加入不同的潤濕劑，測其150℃熱滾16 h后的性能，實驗結果如表2所示。

表2 在油基鉆井液中加入2%不同潤濕劑熱滾（150 ℃、16 h）后的性能

由表2可知，在油基鉆井液中加入潤濕劑后，鉆井液的表觀黏度、塑性黏度降低、高溫高壓濾失量降低及破乳電壓增大，而動切力基本無變化。主要是因為在油基鉆井液中加入潤濕劑后改變了重晶石表面的潤濕性，重晶石顆粒之間產生的固-固摩擦以及重晶石粉體與油之間產生固-液摩擦，改變為潤濕劑非極性端之間或油膜之間的摩擦，重晶石顆粒表面的親油性越強，重晶石顆粒之間摩擦力以及重晶石顆粒與油相的摩擦力越小，油基鉆井液的表觀黏度和塑性黏度越??；加入潤濕劑后油基鉆井液高溫高壓濾失量的降低和破乳電壓的增大，主要是因為潤濕劑提高了油基鉆井液的穩定性。從油基鉆井液流變性、破乳電壓以及濾失量來看，潤濕劑C的潤濕性能相對較好，其次為潤濕劑A，潤濕劑B相對較差。潤濕劑的加入影響油基鉆井液性能實驗結果與采用塑性黏度、沉降速率以及最終沉降體積等參數評價潤濕劑實驗結果的規律具有一致性，進一步證明了所建立的油基鉆井液潤濕劑評價新方法具有可行性。

3 結論

1.基于油相塑性黏度、重晶石顆粒在油中沉降速率、重晶石顆粒在油中的最終沉降體積等多參數評價油基鉆井液潤濕劑的潤濕性能，塑性黏度越小、重晶石顆粒沉降速度越大以及重晶石顆粒最終沉降體積越小，潤濕劑的潤濕性能越好。

2.接觸角評價法的實驗結果與采用塑性黏度、沉降速率以及最終沉降體積等參數評價潤濕劑實驗結果的規律具有一致性，證明了所建立的油基鉆井液潤濕劑評價新方法具有可行性。

3.潤濕劑的加入影響油基鉆井液性能實驗結果與采用塑性黏度、沉降速率以及最終沉降體積等參數評價潤濕劑實驗結果的規律具有一致性，進一步證明了所建立的油基鉆井液潤濕劑評價新方法具有可行性。

4.建立的一種簡單易行、多評價參數及結合油基鉆井液現場應用工藝條件的潤濕劑評價新方法能有效評價油基鉆井液潤濕劑的潤濕性能。