隔离液中加入表面活性剂改善物理性能机理探讨Word下载.docx
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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配制15
3.3界面胶结强度评价15
3.3.1TS体系实验结果16
3.3.2OS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
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，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:
对钻井液形成塞流驱替以适应注水泥的要求；
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；
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；
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—CMC—SP80—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－Ⅱ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2.00g/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1.2~2.0g/cm3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1.00~1.85g/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。
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
GK-12
变频滚子加热炉
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
Span-80
油酸
氯化钠
氯化钙
氧化钙
G33S
-
河南卫辉化工有限公司
HYJ
固井实验室
HHDN
重晶石
四川华西矿业公司
氧化沥青粉
G级油井水泥
四川嘉华水泥厂
有机土
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
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。
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。
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如表2.4所示。
表2.4隔离液主要材料的性能
原料
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。
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
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。
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
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