隔离液中加入表面活性剂改善物理性能机理探讨.pdf

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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

2、界面的界面 张力。其次考察了表面活性剂加入到隔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 Abstract This th

3、esis focuses on the problem of ordinary 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 pr

4、inciples and chemical treatment agent 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 indi

5、cated that the addition of to spacer 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 tha

6、t the addition of TS and OS system to 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 temperatur

7、e on the performance of spacer with surfactant 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 em

8、ulsification stabilizing is obtained. Keyword： Spacer; Surfactant; Mechanism; Bonding strength; Cleaning efficiency 目录 1 绪论 1 1.1 研究背景 . 1 1.1.1 盐膏层特点及其对固井工程的影响 1 1.1.2 油基钻井液及其盐膏层钻井中的应用 2 1.1.3 表面活性剂及其在石油工业中的应用 2 1.1.4 隔离液及表面活性剂隔离液 3 1.2 研究的目的及意义 . 3 1.3 国内外研究现状 . 4 1.3.1 国内研究现状 4 1.3.2 国外研究现状 5 1.4

9、 研究内容 . 5 1.5 技术路线 . 5 2 实验仪器与材料性能 7 2.1 实验仪器设备与材料 . 7 2.2 实验主要材料的选择和性能 . 8 2.2.1 表面活性剂的选择原则和方法 8 2.2.2 表面活性剂性能 9 2.2.3 隔离液材料性能 9 3 实验部分 10 3.1 表面活性剂的复配及其对表面张力的影响 . 10 3.1.1 表面活性剂的复配原理 10 3.1.2 表面活性剂复配体系配方计算 11 3.1.3 表面张力的测定及无机盐对表面张力的影响 12 3.2 油基钻井液与表面活性剂隔离液的配制 . 14 3.2.1 油基钻井液的配制 14 3.2.2 表面活性剂隔离液的

10、配制 15 3.3 界面胶结强度评价 . 15 3.3.1 TS体系实验结果 . 16 3.3.2 OS体系实验结果 19 3.4 无机盐和温度对表面活性剂隔离液性能影响 . 21 3.4.1 无机盐和温度对隔离液流变性能的影响 21 3.4.2 无机盐和温度对胶结强度的影响 22 3.5 结果与讨论 . 23 4 结论及建议 25 4.1 结论 . 25 4.2 建议 . 25 致谢 . 26 参考文献 . 27 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、 盐膏泥岩吸水膨胀、储层污染、产量降低的问题，而油基钻

11、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、长庆等油田都 曾有钻遇盐膏层时

12、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

13、接影响到固井质量； 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。 西南石油大学本科毕业设计（论文） 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

14、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

15、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，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，

16、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 。 隔离液中加入表面活性剂改善物理性能机理探讨 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

17、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

18、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:1 对钻井液形成塞流驱 替以适应注水泥的要求； 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；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； 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

19、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

20、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 西南石油大学本科毕业设计（论文） 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

21、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

22、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/cm 3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/cm 3 的粘性隔离液 BCS 隔离液具有优良的加重能力、稳定性、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/cm 3，一定的抗温性能，冲洗效率高 可固化隔离液实现可固化性能 隔离液中加入表面活性剂改善物理性能机理探讨 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

23、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

24、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

25、 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。 西南石油大学本科毕业设计（论文） 图 1.1 实验技术路线图 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 对隔离液性能的影响 考察盐和温度对表面活性剂隔离液性能的

26、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 隔离液中加入表面活性剂改善物理性能机理探讨 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

27、频高速搅拌机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

28、号柴油- - 西南石油大学本科毕业设计（论文） 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

29、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

30、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。 隔离液中加入表面活性剂改善物理性能机理探讨 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。 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

31、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 原料主 要 性 能 Tween-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

32、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。 西南石油大学本科毕业设计（论文） 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

33、，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

34、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。 隔离液中加入表面活性剂改善物理性能机理探讨 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 值 H(S)=4.3 带入式 (3.1)，可得到下列计 算式： H(TS) = H

35、(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(T) (%) Span-80

36、 质量分数w(S) (%) 12 62.1 37.9 13 70.2 29.8 14 78.2 21.8 15 86.313.7 16 94.1 5.6 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

37、值；H(O)，H(S) 分别OP-10和 Span-80 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。 西南石油大学本科毕业设计（论文） 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) （%） 12 75.5 24.5 13 85.3 14.7 14 95.1 4.9 3.1.3表面张力的测定及无机盐对表面张力的影响

38、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

39、%、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 28.000 28.500 29.000 29.500 30.000 30.500 31.000 31.500 32.000 32.500 33.000 33.500 34.000 34.500 35.000 0.5%1.0%1.5%2.0%2.5%3.0%3.5% 表面活性剂浓度

40、 表 面 张 力 值 （ m N / m ） HLB=12, 纯水 HLB=12, 盐水 HLB=13, 纯水 HLB=13, 盐水 HLB=14, 纯水 HLB=14, 盐水 HLB=15, 纯水 HLB=15, 盐水 HLB=16, 纯水 HLB=16, 盐水 隔离液中加入表面活性剂改善物理性能机理探讨 30.000 30.500 31.000 31.500 32.000 32.500 0.5%1.0%1.5%2.0%2.5%3.0%3.5% 表面活性剂浓度 表 面 张 力 值 （ m N / m ） HLB=12, 纯水 HLB=12, 盐水 HLB=13, 纯水 HLB=13, 盐水

41、HLB=14, 纯水 HLB=14, 盐水 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 ） 12 0.5 30.480 29.069 1 29.611 29.153 2 29.361 28.528 3 29.360 28.319 13 0.5 31.403 29.153 1 29.431 28.500 2 30.500 29.319 3 30.556 29.055 14 0.5 32.722 29.695 1 30.170 29.078 2 33.069 29.129 3 32.041

42、 29.333 15 0.5 33.953 33.922 1 30.917 31.208 2 34.833 29.847 3 31.986 29.153 16 0.5 33.278 29.347 1 30.945 30.042 2 34.027 29.250 3 34.389 30.569 图 3.3 纯水和盐水中OS 体系表面张力值 西南石油大学本科毕业设计（论文） 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 ） 12 0.5 31.153 31.194 1 31.847 31.18

43、1 2 31.764 31.375 3 32.278 31.097 13 0.5 31.944 31.875 1 32.014 30.458 2 32.069 30.208 3 32.278 30.639 14 0.5 30.931 30.167 1 31.514 30.722 2 31.746 31.111 3 32.236 31.556 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

44、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 ： 隔离液中加

45、入表面活性剂改善物理性能机理探讨 表 3.5 油包水乳化钻井液配方 材料名称加量（ kg/m 3） 材料名称加量（ kg/m 3） 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-80 2070 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， 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

46、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/cm 3，其配方如下： 100g水+1.4g G

47、33S+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，进行了 西南石油大学本科毕业设计（论文） 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

48、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 0.44 水灰比纯水泥浆，放入60 水浴中养护 24 h。然后在压力机

49、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）9.81 0 1.87 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