油基泥浆用微乳酸型冲洗液研究

冯茜，钟明镜，彭志刚，刘欢，刘先杰，陈大钧

（西南石油大学化学化工学院,四川 成都 610500）

摘  要：为高效清洗油基钻井液，提高固井质量，选用壬基酚磺基甜菜碱（O-S103）、壬基酚聚氧乙烯醚（NP-10）为主乳化剂，正己醇为助表面活性剂，制备微乳柴油-乙酸冲洗液。通过拟三元相图分析，确定微乳酸冲洗液配方：5~13% 壬基酚磺基甜菜碱（O-S103）+4~12%壬基酚聚氧乙烯（NP-10）+3~11%正己醇+柴油+乙酸（10 wt %）。通过对微乳酸相图、粒径、稳定性以及腐蚀率测定，证实了微乳酸超强增溶能力，热力学稳定性以及低腐蚀性能。考察了冲洗效率、接触角以及水泥浆胶结强度，结果表明：微乳酸冲洗液对模拟套管壁冲洗率可达98.8%，对泥饼冲洗率可达99.3%；胶结强度可达未污染界面的胶结强度的90%以上，比普通冲洗液胶结强度提高了27%。

关键词：冲洗液；微乳酸；油基钻井液；固井质量

Abstract: In order to effectively clean oil base drilling fluid and improve cementing quality, in this study, the acid microemulsion was prepared based flushing fluid using Nonylphenol sulfonated betaine (O-S103), nonylphenol polyoxyethylene ether (NP-10) and Hexanol. With the method of pseudoternary phase diagram analytic, we found the optimal ratios of ingredients to be 5-13% O-S103 + 4-12% NP-10 + 3-11% Hexanol + Diesel + Acetic Acid (10 wt%). We performed a series of tests and analysis, including pseudoternary phase diagram, particle size, stability and corrosion rate, The results show that Microemulsion have super high solubility, thermodynamic stability and low corrosion rate. The flushing efficiency, contact angle and cementing strength of cement paste were investigated, and the result indicated that the washing efficiency to simulated casing wall can reach 98.8%, to mud cake can reach 99.3%, cement interface bonding strength can reach over 90% of non-polluted interface, which is 27% higher than that of ordinary flushing solution.

Key words: Flushing fluid; Acid microemulsion; Oil based drilling fluid; Cement quality.

基金项目：国家重大科技专项“深水钻井、测试关键技术研究”(编号:2016ZX05026-02)

作者简介：冯茜，女，1976年生，高级工程师，博士；长期从事油田开发过程中的油气层保护相关研究。地址：（610500）四川省成都市新都区新都大道8号。 ORCID: 0000-0002-3375-2722。 E-mail: 15681273758@163.com

通讯作者：彭志刚，男，1976年生，教授级高级工程师，长期从事固井完井技术研究。地址：（610500）四川省成都市新都区新都大道8号。电话：15298096175。 E-mail: 1293228763@qq.com

油基钻井液具有抗高温、抗盐、有利于井壁稳定、润滑性好和油气层损害程度小等优点，已广泛用在页岩层、盐膏层、水敏性超深井、大斜度定向井、水平井等特殊地层中和特殊工艺井中，并取得了明显的效果^[1-4]。但是在油基钻井液钻完井后，井壁和套管壁附着大量油淤泥或井壁附着一层致密油泥饼和油膜，将对后续固井质量带来不利影响。一方面，油性淤泥或泥饼与后续水泥浆掺混，改变水泥浆浆体应用性能，影响水泥浆的固化和其强度发展；另一方面，油性物质或油膜的存在，使胶结面润湿性变为油湿，亲水性固井水泥浆很难与两界面形成稳定牢固的胶结，最终影响固井质量^[5]。因此，有必要对油基钻井液进行有效清洗，以改善界面状况，提高固井质量^{[6, 7]}。

油基钻井液的清除大部分采用有机溶剂和表面活性剂的混合处理剂，具有较好的冲洗效果^{[8, 9]}。但该类冲洗液增溶能力小、对界面润湿性改善情况欠佳，依然制约着油基钻井液条件下的固井质量。

微乳液冲洗技术是近几年来提出的针对油基钻井液的清洗新方法^{[10, 11]}。微乳液具有超低的油水界面张力，超强的增溶能力以及稳定的热力学性能，在洗油方面具有明显的优势^{[12, 13]}。然而，对固井质量影响较大的不仅仅是油基钻井液留下的油淤泥和油膜，还有在一定压差下形成的油基泥饼。由于泥饼在第二界面上附着紧实、致密，仅靠微乳冲洗液的渗透、增溶也不能保证对油基泥饼的高效冲洗^[14]。因此，本文针对油淤泥、油膜及油基泥饼的清洗，提出微乳酸冲洗液。利用微乳液的性能优势增溶油污，清洗油基钻井液；利用体系中的酸性物质酸蚀松动油基泥饼，为后续固井创造良好的界面胶结条件，从而最终提高固井质量。考虑到冲洗液在酸性环境下的稳定性，本文采用壬基酚磺基甜菜碱（O-S103）表面活性剂、壬基酚聚氧乙烯醚（NP-10）为主剂，以正己醇为助剂，研制了一套微乳酸型冲洗液，系统评价了该冲洗液的性能^[15]。

1 实验部分

1.1 材料和仪器

十二烷基硫酸钠（SDS）、乙酸、正己醇均为分析纯试剂（成都市科龙试剂化工试剂厂）；壬基酚聚氧乙烯醚（NP-10）广东中联邦精细化工有限公司；壬基酚磺基甜菜碱（O-S103）实验室自制；0#柴油（市售）；油基钻井液（取自国内某油田YY3-1HF）；G级水泥（峨眉嘉华水泥厂），分散剂HEC（工业品，牡丹江市红林化工有限公司)），悬浮剂SWJ（工业品，北京瓜尔润科技有限公司），消泡剂（广州冠志新材料科技有限公司）

Zeta PALS 190 Plus型Zeta电位及粒度分析仪（美国Brookhaven）；KRUSS DSA30S型界面参数一体测量仪（德国KRUSS）；NYL—300 型压力试验机（无锡市建筑材料仪器设备工厂）；GGS71-A型高温高压失水仪(青岛同春石油仪器有限公司)

1.2 实验方法

1.2.1 微乳酸制备及性能测定

（1）微乳酸的制备

将合成的壬基酚磺基甜菜碱（O-S103）与壬基酚聚氧乙烯醚（NP-10）以1:0.8的质量比混合，形成主表面活性剂。再向其中加入柴油和10 wt% 乙酸（质量分数为10%）。在混合溶液里面滴加助表面活性剂正己醇，当溶液由混浊转为澄清时，微乳酸形成。改变柴油与乙酸的质量比（0:10~10:0），记录不同柴油与乙酸的质量比下，正己醇的用量，绘制拟三元相图。按以上步骤制备微乳液，绘制拟三元相图。

（2）微乳酸粒径分布

在拟三元相图中，选择处于相图单相区域中间位置，如图1标星位置所示点，作为微乳酸配方：9% 壬基酚磺基甜菜碱（O-S103）+8% 壬基酚聚氧乙烯（NP-10）+7% 正己醇+柴油+乙酸（10 wt %）。用Zeta电位及粒度分析仪测试微乳酸粒径。

（3）微乳酸稳定性

高速离心是分析微乳酸稳定性最简单的手段。取10mL由基础配方制备的微乳酸在转速为4000rpm下离心30min^[16]，观察体系分层现象，分析其稳定情况。

1.2.2 微乳酸冲洗液性能评价

（1）冲洗效率评价方法

圆筒清洗法：分别取100ml乙酸（10 wt%）、100ml微乳液、100ml微乳酸于培养皿中，将油基钻井液滴入溶液，静置10min后，观察钻井液扩散情况，直观评价微乳酸增溶性能。

参照中国石油天然气行业标准SY/T 5374-2000方法，先将冲洗装置中模拟套管的圆筒洗净、擦干，并称重。将圆筒浸入钻井液中10cm，放置1min后取出，在空气中静放1min，然后进行称重。把粘有钻井液的圆筒放入盛有冲洗液的装置中，在1400r/min转速下，冲洗5min后取出圆筒，在空气中放置1min，称重。冲洗效率计算公式如下：

                        (1)

A-冲洗率，%；

G₀-干净圆筒质量，g；

G₁-油基钻井液污染后圆筒质量，g；

G₂-冲洗液冲洗后圆筒质量，g。

模拟泥饼冲洗法：为模拟井壁泥饼冲洗情况，按API泥浆失水标准（3.5 MPa，30min），通过泥浆滤失仪进行筛网滤失造饼，将筛网附着滤饼置于冲洗液中，在300r/min的转速下冲洗10min^[17]，观察筛网表明清洁程度，并按圆筒法计算公式，通过称量附着泥饼的筛网在冲洗前后的质量，计算其冲洗效率。

（2）接触角测定

采用界面参数一体测量仪，测定水在钢片与玻片上的接触角。

（3）界面胶结强度测定

用套管模拟管道壁面，将套管在油基钻井液中浸泡24h后取出，分别用微乳酸冲洗液、普通冲洗液冲洗。冲洗后将套管注满水泥浆，在80℃水浴条件下养护48h后，测定界面胶结强度。以相同实验方法测定未经油基钻井液污染的空白套管与常规油井水泥胶结强度作为对照组。

（4）微乳酸腐蚀率测定

根据酸化缓蚀剂Q/SHCG129-2017标准方法，采用常压静态挂片腐蚀速率测定步骤进行。在常压，温度为60℃的条件下，将已称量的N80钢片分别放入微乳酸（（10 wt% 乙酸））、乙酸（10 wt%）溶液中，反应到预定时间后，取出钢片清洗、干燥后称量。腐蚀率计算公式如下：

                            (2)

V-钢片腐蚀速率，g/(m²·h)；

Δt-反应时间，h；

Δm_i-钢片腐蚀质量，g；

A_i-钢片表面积，mm²。

2 结果与讨论

2.1 微乳酸冲洗液配方确定

2.1.1 微乳酸的拟三元相图

由壬基酚磺基甜菜碱（O-S103）与壬基酚聚氧乙烯醚（NP-10）为主表面活性剂，正己醇为助表面活性剂形成的微乳酸、微乳液的拟三元相图如图1所示。从图中可以看出，微乳酸单相区比微乳液单相区宽，表明本实验中表面活性剂的复配体系更容易形成微乳乙酸。图中所示灰色区域处于单相区中心位置，选择图中灰色区域为形成微乳酸的稳定配方，标星位置为微乳酸性能测试和冲洗效率评价的基础配方。

相比微乳液的单向区域，微乳酸形成的单向区域更大，说明一定浓度的表面活性剂溶液形成稳定增溶空间，乙酸对体系的影响不大，反而有助于微乳酸的形成。这是因为乙酸是有机酸，在作为水相时，乙酸的两个碳原子可以穿插到表面活性剂形成的界面膜中，与正己醇共同发挥“栅栏”作用，降低两相之间界面膜的硬度，进一步降低表面张力，促进微乳酸的形成。

图1拟三元相图

图1中红线表示柴油与水形成的微乳液单相区与两相区的界线，黑线表示柴油与乙酸（10 wt%）形成的微乳酸单相区与两相区的界线。表面活性剂为：m(O-S103) : m(NP-10)=1:0.8。灰色区域：5~13% 壬基酚磺基甜菜碱（O-S103）+4~12%壬基酚聚氧乙烯（NP-10）+3~11%正己醇+柴油+乙酸（10 wt %）。标星点：9% 壬基酚磺基甜菜碱（O-S103）+8%壬基酚聚氧乙烯（NP-10）+7%正己醇+柴油+乙酸（10 wt %）

2.1.2 微乳酸的粒径分析及稳定性评价

通过Zeta 电位及粒度分析仪对形成的微乳酸体系进行了粒径分析测定，结果如如图2所示，可以看出，粒径范围在10~45nm之间，平均粒径为23.8 nm，其粒径符合微乳液粒径范围（10~100nm）。

此外，离心分离考察了体系的稳定性，结果表明，在4000rpm 转速下离心分离30min，未出现分层现象，体系稳定，结合粒径测定结果，证实为典型的微乳液体系。

图2 微乳酸粒径分析图

2.2 微乳酸冲洗液性能评价

2.2.1 冲洗效率

首先，进行了乙酸、微乳液、微乳酸对油基钻井液的扩散增溶情况的直观静态考察，如图3所示。其中，图3(a)为乙酸的扩散增溶情况，可以看出，油污大部分成团状没有分散开；图3(b)为微乳液的扩散增溶情况，情况稍好于乙酸，油污边缘有分散状油丝；图3(c)出现明显的油污扩散现象，中心油污团也明显变小，表明微乳乙酸分散性好，增溶能力强于微乳液。说明乙酸的加入提高了微乳体系的扩散增容能力，这与前述拟三元相图结果相印证，乙酸在一定程度上拓宽微乳体系单相局域，从而提高体系的增溶性能。

图3 (a) 乙酸扩散增溶情况      (b) 微乳液扩散增溶情况   (c)微乳酸扩散增溶情况

在直观静态考察的基础上，采用圆筒法考察了所配制的微乳酸体系对油基泥浆对模拟套管壁的冲洗效率，并与未加乙酸的微乳液、普通表活剂冲洗液进行了对比评价，结果如图4所示。由图可以看出，微乳型冲洗液较普通冲洗液能明显提高冲洗效率，加入乙酸后的微乳体系又较未加入的微乳体系，冲洗效果更佳，冲洗效率从88.1%提高到了98.8%。

图4 不同冲洗液的冲洗效率

注：微乳酸冲洗液配方：9% 壬基酚磺基甜菜碱（O-S103）+8%壬基酚聚氧乙烯（NP-10）+7%正己醇+柴油+乙酸（10 wt %）；微乳液冲洗液配方：9% 壬基酚磺基甜菜碱（O-S103）+8%壬基酚聚氧乙烯（NP-10）+7%正己醇+柴油+纯水；普通冲洗液配方：水+3%分散剂HEC+4%g表面活性剂SDS+10%悬浮剂SWJ^[18]

圆筒法在一定程度上可以考察冲洗液对套管壁油性淤泥或油膜的清洗能力，但不能反映对泥饼的冲洗能力。因此，本文采用模拟泥饼冲洗法，进一步考察了微乳酸体系对油基泥浆滤饼的冲洗性能，结果如图5所示。图5 (a)为油基泥浆3.5MPa滤失后泥饼，图5 (b)为经微乳酸冲洗液在300r/min的转速下冲洗10min后的筛网。可以看出，冲洗后，筛网表面泥饼和油污被完全清洗，露出洁净的金属网面。通过冲洗前后称重计算，微乳酸对滤饼的冲洗效率为99.3%。

图5   (a) 冲洗前附着滤饼的筛网           (b) 微乳酸冲洗液冲洗后的筛网

2.2.2 润湿反转能力

冲洗液体系对界面的改善情况将直接影响后续固井质量，为此本文考察了微乳酸体系对界面的润湿反转能力。分别测定了水在钢片和玻片表面的接触角变化，如图6 所示。图6 (a)为未经油基钻井液污染的表面接触角；图6 (b) 为经油基钻井液污染后的表面接触角；图6 (c) 为经污染清洗后的表面接触角。可以看出，无论是钢片还是玻片，油污后界面接触角增大，表明润湿性向油湿方向转化；被冲洗液冲洗后，接触角降低，且低于污染前接触角，表现出超强的界面润湿反转能力。

图6  (a) 未经油基钻井液污染的表面接触角 (b) 经油基钻井液污染后的表面接触角 (c) 经污染清洗后的表面接触角

2.2.3 界面胶结强度

油基钻井液及滤饼黏附在井壁及套管壁表面，使其表面变为油湿性，影响了水泥浆的正常水化，致水泥浆难与地层及套管有效胶结，严重影响固井质量。冲洗液研究的目的就是为了降低油基钻井液对后续固井质量的影响，所以界面胶结强度综合体现了冲洗液的性能优劣。本文考察了冲洗液对套管界面胶结强度的影响，结果如表1所示。经油基钻井液污染后的套管与水泥浆的界面胶结强度为0.201 MPa，经普通冲洗液冲洗后胶结强度提高为1.513MPa，被微乳酸冲洗液冲洗后，胶结强度提高为1.918MPa，接近干净套管的水泥浆界面胶结强度的90%，比普通冲洗液冲洗后的胶结强度提高了27%。

表 1 冲洗液对界面胶结强度的影响

注：水泥浆配方：400g G级水泥+176g水+0.8g分散剂+0.1g消泡剂。

2.1.3 微乳酸腐蚀性评价

由于体系中有酸性物质的存在，本文进行了钢片腐蚀率评价。采用静态挂片法，评价了60℃、120min腐蚀率，评价结果平均腐蚀速率为1.707 g/m²·h，符合Q/SHCG129-2017标准中常压静态腐蚀速率≤ 5 g/m²·h的要求。

3 结论

(1) 研究形成配方为：5~13% 壬基酚磺基甜菜碱（O-S103）+4~12%壬基酚聚氧乙烯（NP-10）+3~11%正己醇+柴油+乙酸（10 wt %）的微乳酸冲洗液体系。

(2) 该微乳酸冲洗液对柴油基钻井液的冲洗效率高，5min对模拟套管壁冲洗效率达98.8%， 10min对泥饼的冲洗效率可达99.3%。

(3) 该微乳液型冲洗液对界面的润湿反转能力强，冲洗过后，钢片上的接触角从60.95°变为33.04°，玻片上的接触角由51.07°变为21.79°。

(4) 该微乳液型冲洗液能有效提高油基钻井液条件下的界面胶结强度，被微乳酸冲洗液冲洗后，胶结强度可达未污染界面的胶结强度的90%以上，比普通冲洗液胶结强度提高了27%。

参考文献

 [1] 张蔚，蒋官澄，王立东，等. 无黏土高温高密度油基钻井液[J]. 断块油气田, 2017, 24(2): 277-280.

 [2] 朱金智，游利军，李家学，等. 油基钻井液对超深裂缝性致密砂岩气藏的保护能力评价[J]. 天然气工业, 2017, 37(2).

 [3] 耿勇. 油基钻井液性能与固井质量研究[J]. 石化技术, 2018(6).

 [4] Shivhare S, Kuru E. A Study of the Pore-Blocking Ability and Formation Damage Characteristics of Oil-Based Colloidal Gas Aphron Drilling Fluids[J]. Journal of Petroleum Science & Engineering, 2014, 122: 257-265.

 [5] 李红梅，景丰，赵毅，等. 延长油田油基钻井液废弃物回收处理技术[J]. 石油与天然气化工, 2017, 46(1): 106-110.

 [6] 童杰，李明，魏周胜，等. 油基钻井液钻井的固井技术难点与对策分析[J]. 钻采工艺, 2014(6): 17-20.

 [7] 欧红娟，李明，王崇榆，等. 油基钻井液固井前置液技术研究进展[J]. 精细石油化工进展, 2016, 17(2): 1-5.

 [8] 赵启阳，张成金，严海兵，等. 提高油基钻井液固井质量的冲洗型隔离液技术[J]. 钻采工艺, 2017, 40(5): 88-90.

 [9] 刘普民. 高密度油基钻井液完井工艺技术应用[J]. 化工管理, 2017(9): 89.

[10] 王辉，刘潇冰，耿铁，等. 微乳液型油基钻井液冲洗液作用机理及研究进展[J]. 钻井液与完井液, 2015, 32(4): 96-100.

[11] 王成文，孟仁洲，肖沣峰. 微乳液型油基钻井液冲洗液技术[J]. 油田化学, 2017, 34(3): 422-427.

[12] Brege J, Sherbeny W E, Quintero L, et al. Using Microemulsion Technology to Remove Oil-Based Mud in Wellbore Displacement and Remediation Applications[C]. 2012.

[13] Carrasquilla J, Guillot D J, Ali S A, et al. Microemulsion Technology for Synthetic-Based Mud Removal in Well Cementing Operations[C]. 2012.

[14] 彭志刚，钟明镜，冯茜，等. W/O型微乳酸前置冲洗液的制备及其性能研究[J]. 天然气工业, 2018(2).

[15] 欧红娟，李明，辜涛，等. 适用于柴油基钻井液的前置液用表面活性剂优选方法[J]. 石油与天然气化工, 2015, 44(3): 74-78.

[16] 陈馥，李茜璐，艾加伟，等. 一种微乳酸体系的实验室研究[J]. 应用化学, 2011, 28(9): 1058-1062.

[17] 焦利宾. 提高界面胶结强度的无皂胶乳水泥和前置液的研究[D]. 西南石油大学, 2015.

[18] 张健，陈大钧，焦利宾，等. Dzd 型高效双相分散冲洗液的室内研究[J]. 应用化工, 2014(6): 986-988.