石蠟微乳液的研制及其在水基鉆井液中的應用

宋瀚軒，葉艷，周志世，張焊鈺，張謦文，周福建，郭繼香

（1.中國石油大學(北京),北京 102249；2.中國石油天然氣股份有限公司塔里木油田分公司,新疆庫爾勒 841000）

0 引言

隨著油氣資源的開發，鉆井所遇地層的情況也越來越復雜，微納米孔隙、裂縫漏失[1]所造成的井壁失穩也成為了當前亟待解決的難題，由于現階段采用的鉆井液體系中顆粒尺寸較大，并不能有效解決微納米孔隙的漏失，所以采用微納米封堵材料進行優化是當前研究的重點[2]。

國內外學者針對微納米封堵材料展開研究，薛湘湘[3]合成了一種高穩定性的納米乳液，該納米乳液具有良好的潤滑、防塌封堵性能，可以降低鉆具與井壁之間摩擦阻力的作用，并且可以在濾餅上形成薄膜，改善濾餅從而有效降低濾失。夏鵬[4]等使用納米SiO2封堵泥頁巖中的納米級孔隙，從而降低地層滲透率，減緩水分侵入；抑制了黏土的吸水膨脹。解決了該區塊由于泥頁巖吸水膨脹導致的井壁縮徑和掉塊問題，Sensoy T[5]研究了納米流體與和墨西哥灣(GOM)頁巖反應，結果表明，納米顆粒使頁巖的滲透率降低5到50倍。納米顆?？梢源┻^并封堵頁巖孔隙，為井壁穩定提供了一種功能強大且經濟可行的解決方案。Aramendiz J[6]等通過石墨烯納米片和納米SiO2進行復合，定制了一種二氧化硅納米顆粒(SiO2-NPs)和石墨烯納米薄片(GNPs)結合的納米材料(NPWBM)，該種新材料在高砂質頁巖中體現了良好的封堵性，并且具備有一定的抑制性，是一種良好的抑制性封堵材料。盛勇[7]等人通過對SiO2改性制備了一種納米內核乳液，作為抑制封堵試劑成功應用于塔西南超深井。以上材料具有良好的應用前景，但針對塔里木地層裂縫形態復雜，微裂縫發育的地質情況，亟需一種自適應強，可變形的納米封堵材料。本文將通過粒徑優選法制備一種石蠟微乳液，并在塔西南致密砂巖地層中進行應用。微乳液為熱力學不穩定體系，具有粒徑小，分散性高等優勢，在醫療、化妝品、服裝[8–9]等行業具有重要的作用，其中石蠟微乳液是以石蠟為非連續相的一種乳液，在石油行業中應用廣泛，如在華北油田、江蘇油田和延長油田[10–12]等地鉆井液優化中取得了有效的防塌封堵應用。

當前石蠟乳液制備工藝主要有反相乳化法、復合乳化劑乳化法、O-D乳化法等[13–14]，但工藝復雜，制備周期長，本文使用吐溫80和正丁醇構建“S+A”體系，采用粒徑優選法，優選出最佳“S+A”配比，溫度，轉速等參數。并且采用制備得到的最佳石蠟微乳液，對塔西南地區超深井所用鉀聚磺鉆井液進行優化，最終采用壓力傳導法評價石蠟微乳液封堵效果。

1 石蠟微乳液制備

1.1 試劑與儀器

實驗原料：吐溫80，正丁醇，石蠟，高溫穩定劑，鉀聚磺鉆井液原料。

實驗儀器：加熱攪拌器，ML-T分析天平，Winner 2308B型粒徑分析儀，表界面張力儀，GJB-12型高速攪拌機，ZNN-D6型六速旋轉黏度儀，GRL-9型數顯式加熱滾子爐，GGSD71型高溫高壓鉆井液濾失儀。

1.2 制備方法

通過機械乳化法配制石蠟微乳液，主要步驟：①采用表面活性劑（吐溫80）+正丁醇構建 “S+A”體系，控制表面活性劑（吐溫80）∶正丁醇=5∶2；②稱取一定量石蠟，與“S+A”按照一定比例混合，在不同溫度與攪拌速率下乳化一定時間；③加入高溫穩定劑進行攪拌，最終制備石蠟微乳液。采用粒徑分析法優選出最佳石蠟微乳液制備條件。

2 結果與討論

2.1 不同制備條件對石蠟乳液粒徑的影響

2.1.1 “S+A”體系濃度

按制備步驟在體系中改變表面活性劑(S)和助表面活性劑(A)加量，控制“S+A”與石蠟之比為7∶1、9∶1、11∶1、13∶1、15∶1。在120 ℃下攪拌30 min，控制石蠟與水的質量比為1∶10，高溫穩定劑(GFT)加量為1%，探究不同配方下的石蠟微乳液的粒徑變化，從而確定最佳乳化劑加量。不同比例下石蠟微乳液粒徑分布見圖1。

圖1 不同比例下石蠟微乳液粒徑分布

由圖1可知，當“S+A”與石蠟之比為9∶1時，D50值為2.927 μm，石蠟微乳液的粒徑最小，粒徑分布峰尖銳，并且無雜峰；當石蠟占比超過1/7時，石蠟超出體系所能容納量，會造成石蠟相互的團聚狀態，從而形成大顆粒影響整體粒徑值。當石蠟占比低于1/9時，表面活性劑發生團聚，粒徑增加，峰值較為平緩，并且含有較多雜峰。所以最佳的比例為“S+A”與石蠟之比為9∶1。

2.1.2 攪拌速度

在確定石蠟微乳液“S+A”與石蠟之比為9∶1的基礎上，研究攪拌速度對石蠟微乳液的影響，通過控制轉速分別為500、800、1200、1400 和1600 r/min，攪拌30 min。采用粒徑分析儀測量石蠟微乳液結果，不同轉速下石蠟微乳液粒徑分布見圖2。

圖2 不同轉速下石蠟微乳液粒徑分布

由圖2可知，由于轉速的變化，石蠟微乳液粒徑不一，其中，當轉速為1400 r/min時，產生的石蠟微乳液的D50值最小，為3.2 μm，在此轉速下，粒徑峰值尖銳，無雜峰。通過對不同轉速下石蠟微乳液粒徑的總體分析，粒徑是隨著轉速的增加，逐漸減小，這也滿足機械能與表面能的相互轉化定理。所以，確定最終的攪拌速率為1400 r/min。

2.1.3 反應溫度

在體系配比“S+A”與石蠟之比為9∶1、1400 r/min的轉速下，控制反應溫度為90、120、140、160和180 ℃下攪拌30 min,并對粒徑進行分析，結果如圖3所示，當溫度在120 ℃時，石蠟微乳液粒徑分布集中，微分分布峰值高，也就是說在120 ℃下石蠟乳液分布均一且穩定性好。

圖3 不同溫度下石蠟微乳液粒徑分布

2.2 石蠟微乳液紅外分析

采用紅外光譜分析儀（TENSOR-Ⅱ）對制備得到的石蠟微乳液進行紅外光譜分析，結果見圖4。

圖4 石蠟微乳液紅外光譜圖

由圖4可知，取適量石蠟微乳液，進行紅外光譜分析，出現石蠟、吐溫80、正丁醇所對應的特征峰，也就是說三者混合均一，形成穩定的乳液結構，并且生成相應的C—H化學鍵。

2.3 石蠟微乳液表界面張力

制備得到的石蠟微乳液體系含有大量的微納米粒子，這些粒子在一定程度上可以減小體系的表面張力。當石蠟乳液分散在鉆井液體系中時，可以降低體系的界面張力，從而減少顆粒的團聚效應。采用吊環法對石蠟微乳液的表界面張力進行測量，采用去離子水稀釋成0.5%～1.5%濃度的溶液，測量其表界面張力值。結果見圖5。

圖5 不同濃度下石蠟微乳液表面張力

由圖5可知，隨著濃度的增加，石蠟微乳液表面張力有所減小，但變化量微小，整體居于45～47.5 mN/m之間，由于石蠟微乳液有著較低的表面張力，可以在鉆井中更好地進入巖石中微裂縫和孔隙，進行封堵作業。

2.4 石蠟微乳液微觀形態

采用透射電鏡對石蠟微乳液的微觀形態進行觀測，微觀照片見圖6。石蠟微乳液粒徑在300～400 nm之間，呈單分散狀態，周圍伴有小石蠟顆粒，通過TEM照片可以看出，石蠟微乳液外圍包裹有一層薄膜，根據乳液結構可知，薄膜為表面活性劑分子。根據圖6中不同石蠟微乳液形狀可以看出，石蠟微乳液具有可變形性，適用于各不同形狀的微納米孔隙的封堵當中。

圖6 石蠟微乳液TEM圖

3 石蠟微乳液的封堵能力

以塔西南地區超深井所用的鉀聚磺鉆井液為基礎，采用制備得到的石蠟微乳液進行優化，探究石蠟微乳液對鉆井液體系的影響，研究其封堵性能。

3.1 石蠟微乳液對鉆井液黏度、切力性能的影響

配制現場用鉀聚磺鉆井液，其配方為3%膨潤土(膠液)+0.4%NaOH+0.5%PAC-LV+0.1%AP-220 +4%SMP-3(膠 液)+4%SPNH(膠 液)+25%DYFT-2+2%Ft-1+3%KC1+重晶石。根據配方在高速攪拌器中依次添加以上材料，以12 000 r/min的轉速高速攪拌1 h，配制得到現場鉆井液。

在鉆井液體系中添加制備的石蠟微乳液，通過購買市面上常用的防塌封堵試劑進行對比，在加入封堵材料后，高速攪拌30 min，配制成為優化鉆井液。并且采用六速黏度儀對優化前后的鉆井液體系進行性能測試，比較體系優化前后的性能。并且與常用的封堵試劑進行比較，結果見表1。

表1 在鉀聚磺鉆井液體系中加入不同封堵劑的黏切性能

由表1可知，其中采用石蠟微乳液優化后的鉆井液黏度有所減小，證實了石蠟微乳液具有一定的降黏性能，并且切力也均有所降低，其差值由8變為8.5 Pa，提高了鉆井液的觸變性。相較聚合醇、納米SiO2等封堵材料，石蠟微乳液展現出更強的配伍性。

3.2 高溫高壓濾失及泥餅研究

采用高溫高壓濾失儀來測定優化配方的濾失量及泥餅，測量條件為150 ℃、3.5 MPa壓差，在30 min內測量其濾失量，優化后鉀聚磺鉆井液體系濾失量見圖7，泥餅厚度對比見圖8。

圖7 優化鉆井液的高溫高壓濾失量（150 ℃、3.5 MPa ）

圖8 添加封堵材料后鉆井液濾餅厚度

由圖7可知，采用聚合醇優化鉀聚磺鉆井液體系后，體系的濾失量增加1 mL，說明了聚合醇與鉆井液并不配伍，一定程度上破壞體系的濾失造壁性能。通過對比以上封堵試劑優化配方，石蠟微乳液優化后的鉀聚磺鉆井液體系濾失量降低3.5 mL，也就是說，石蠟微乳液能夠通過在正壓差下的形變適應更加復雜的孔隙結構，有助于鉆井液形成更加致密的泥餅，使封堵層達到封堵的效果。

由圖8可知，石蠟微乳液優化后鉆井液形成的濾餅薄而致密，泥餅厚度較未優化前減少0.6 mm，在鉀聚磺鉆井液體系中，石蠟微乳液擴大粒徑級配，在常規封堵材料瀝青的基礎上構成增效封堵，實現緊密堆積作用，形成致密濾餅，其微觀照片見圖9。由圖9可知，添加石蠟微乳液后的濾餅呈現片狀結構，致密且平整，無微孔隙。

圖9 添加封堵材料后鉆井液的濾餅微觀照片

3.3 石蠟微乳液對鉆井液粒徑的影響

在鉀聚磺鉆井液中加入石蠟微乳液進行體系優化，采用粒徑分析儀（OCMM 歐美克粒度分析儀）對優化前后的鉆井液進行粒徑分析，見圖10。

圖10 鉀基聚磺鉆井液優化后前后的粒徑變化

由圖10可知，曲線1為優化前的鉆井液體系粒徑，曲線2為石蠟微乳液優化后的鉆井液體系。鉆井液2個粒徑峰值主要為膨潤土漿和重晶石，在添加石蠟微乳液優化后，鉆井液體系粒徑D50由11.05 μm變 為9.20 μm，D90由57.30 μm變 為41.85 μm，略有減小，這是由于石蠟微乳液降低了鉆井液體系的界面張力[15]，使顆粒在體系中更加的分散，這樣形成更加致密的泥餅，從而在一定程度上降低體系的濾失量。從優化前后的鉆井液粒徑分析可以看出，石蠟微乳液與體系配伍性好，與其它處理劑的配伍性強，可以用作鉆井液用微納米孔封堵試劑。

4 壓力傳導評價石蠟微乳液的封堵性能

應用中國石油大學（北京）儲層改造中心自主設計研發的基于壓力脈沖法的壓力傳導儀進行評價。壓力傳遞方法基本原理是在巖心上下游建立初始壓差，實時監測下游封閉流體的壓力變化，其中上游為待測流體，下游為模擬地層水。取塔里木克孜洛依組致密砂巖，制備巖心薄片，將巖心片放置在巖心加持器中，上端加一固定流體壓力，上游待測流體滲流過巖心到達密閉的下游，記錄下游壓力的變化。待測流體封堵性越好，流體在巖心中的流動速度越慢，下游壓力上升時間長，上升速度慢；反之，待測流體封堵性越差，則流體在巖心中的流動速度越快，下游壓力上升時間短，上升速度快。儀器裝置及實驗樣品切片見圖11。

圖11 壓力傳導儀器裝置圖

將上游壓力固定為0.5 MPa，下游壓力固定為0.1 MPa，采用優化前后的鉀聚磺鉆井液濾液對巖心進行驅替，測量封堵前后巖心的壓力傳導曲線，如圖12所示。由圖12可以看出，采用石蠟微乳液優化的鉆井液封堵前后壓力平衡時間不同，優化后鉆井液對應的巖心上下游壓力平衡時間為948 min，較優化前平衡時間增大了158 min，并且下游壓力在0.43 MPa處產生平衡，產生0.7 MPa的壓差，所以表明石蠟微乳液具有一定的承壓能力，并且平衡曲線為非線性，具有較為明顯的緊密堆積作用，這也是滲透率變化曲線逐漸平緩的原因，采用多級填充的原理，使得鉆井液具有更高的封堵性能。

圖12 封堵前后巖心壓力傳導曲線

很據優化前后鉀聚磺鉆井液濾液壓力傳導曲線，計算壓差，得到壓力比對數值，通過對比對數值進行擬合，擬合結果見圖13。

圖13 優化前后鉆井液濾液對克孜洛依組巖樣的封堵率計算曲線

由圖13可知，計算得到優化前后鉆井液濾液對克孜洛依組巖樣的封堵率擬合曲線斜率λ，根據公式（1）的巖心滲透率K[16–17]計算優化前后鉆井液對巖心封堵程度，封堵前巖心滲透率為1.25×10?3mD，封堵后巖心滲透率為0.52×10?3mD。由此可以計算出石蠟微乳液封堵率為58.4%。

式中，K為巖心滲透率，mD；λ為ln [(Pm?P(L,t))/(Pm?P0)] 隨時間t變化的曲線斜率；μ為上游流體黏度，mPa·s；C為下游流體壓縮率，MPa；V為下游巖心體積，cm3；L為板厚，cm；A為橫截面積，cm2。

5 石蠟微乳液現場應用與封堵機理

TM-1井是部署在塔里木盆地巴楚隆起吐木休克構造帶的一口預探井，將制備得到的石蠟微乳液用于優化該井所用的鉀基聚磺鉆井液體系，優化前后的鉆井液性能如表2所示。由表2可以看出，優化后的鉆井液高溫高壓濾失量穩定在6～8 mL左右，泥餅厚度在1～2 mm，整體鉆井液性能良好，滿足鉆井的需求，在鉆井過程中并未發生復雜情況。

表2 TM-1井使用鉆井液優化前后的性能

通過掃描電鏡對現場鉆井液濾餅進行觀測，得到微觀照片見圖14。

圖14 現場鉆井液泥餅SEM照片

由圖14可知，石蠟微乳液優化鉆井液形成的泥餅桁架致密平整，也就是說制備得到的石蠟微乳液具有改善濾餅質量的功能，并且在濾液中檢測有微納米級別的封堵試劑，見圖15。

圖15 現場鉆井液粒粒徑分析

由圖15可知，加入石蠟微乳液的鉆井液中出現微納米峰值，并且整體粒徑分布減小，可以作為納米封堵材料添加劑。通過以上分析可知，在塔西南地區高溫高壓井所用鉆井液中添加石蠟微乳液，石蠟微乳液可以通過自身的變形擠入形成更加致密的濾餅，在近井壁地帶形成一層有效的石蠟隔水膜，減少濾液的滲入，并且石蠟微乳液可以隨著濾液進入，在孔隙中形成封堵體。

6 結論

1.采用粒徑優選法制備的石蠟微乳液，D50粒徑在2.9 μm左右，表面張力在45～47.5 mN/m范圍內，穩定時間長達30 d。

2.采用石蠟微乳液對塔西南區塊鉀聚磺水基鉆井液體系進行優化，從優化結果可以看出，石蠟微乳液的配伍性好；可以降低體系黏度；減少鉆井液的濾失；改善泥餅的性能。

3.采用壓力傳導法對石蠟微乳液進行評價，具有一定承壓能力，可以在巖心上下游產生0.7 MPa壓差，通過線性擬合計算，石蠟微乳液對克孜洛依組致密砂巖巖心薄片的封堵率為58.4%。

4.在塔西南區塊TM-1井成功應用石蠟微乳液進行鉆井液優化，在現場可以很大程度上減少巖石黏聚力下降，形成致密濾餅，起到良好的防塌封堵作用。