2017, Vol. 39
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2. 陕西中咨土木工程技术研究院有限公司, 陕西 西安 713702;
3. 陕西长兴石油科技有限公司, 陕西 西安 710016
2. Shaanxi China-Consulting Civil Engineering Technology Academy Co. Ltd., Xi'an, Shaanxi 713702, China;
3. Shaanxi Changxing Petroleum Technology Co, Ltd., Xi'an, Shaanxi 710016, China
柴油基钻井液在复杂深井中应用广泛[1-3]，但会在套管壁和井壁表面产生黏附，将胶结界面由亲水润湿性变为亲油润湿性，严重影响固井质量[4]。为提高柴油基钻井液钻井条件下的固井质量，一般使用洗油型冲洗液来冲洗套管壁和井壁上的油污及滤饼，典型的洗油型冲洗液如国外的Frederik、Ryan和Juan 等和国内的李银素、王翀和李韶利等所研发的产品[5-10]。目前，在洗油型冲洗液研究中存在的缺点在于未建立表面活性剂优选方法，而表面活性剂是决定洗油型冲洗液清洗效率的关键，这导致研究高效洗油型冲洗液的工作量大且有一定的盲目性。建立表面活性剂优选方法，并在优选方法指导下研究适用于柴油基钻井液的洗油型冲洗液，有助于提高钻井液的清洗效率和水泥环的胶结质量。
1 实验部分 1.1 实验材料与仪器实验材料: 聚氧乙烯醚类、烷基多糖苷类非离子表面活性剂，磺酸盐类、苯磺酸盐类阴离子表面活性剂，咪唑啉类两性表面活性剂（Ecogreen 公司）。 G 级水泥及现场用柴油基钻井液（UDM-2 体系是利用先进的乳化剂和聚合物代替有机土，可快速形成高强度、易破坏的凝胶，主要由柴油、主乳化剂、辅助乳化剂、润湿剂和防塌封堵剂等组成。VERSACLEAN体系是以有机土作为增黏剂和降滤失剂，主要由柴油、有机土和乳化剂组成）。
实验仪器：ZNN-D6 型六速旋转黏度计（青岛同春石油仪器有限公司），GY 82C 视频接触角测定仪（河北承德鼎盛试验机检测设备有限公司）； JK99B 全自动张力仪（上海中晨数字技术设备有限公司）；OWC-9530C-1 型常压稠化仪（沈阳航空应用技术研究所）；Model 3065 wettability tester（美国千德乐工业仪器公司）。
1.2 实验方法（1） 表面张力的测试依据标准GB/T22237-2008《表面活性剂表面张力的测定》；临界胶束浓度的测试依据标准GB/T 11276-2007《表面活性剂临界胶束浓度的测定》[11-12]。
（2）临界表面张力测定：采用铸铁片、人造岩芯片模拟套管和地层表面，通过浸泡一段时间来模拟油基钻井液的黏附作用；然后配制不同表面张力的溶液，分别测定溶液与油基钻井液黏附层表面的接触角，将不同表面张力与cos θ（θ-润湿角，（°））作图，cos θ=1 轴与图中拟合直线的交点所对应的表面张力为润湿油基钻井液的临界表面张力（$\gamma_{\rm{c}}$） [13]。
（3）清洗效率评价方法：用底部封口的同尺寸套管钢转筒替代不锈钢转筒。实验时，干净转筒重量为W1；将干净转筒放入柴油基钻井液中浸泡1 h，滴干后称重为W2；用洗油型冲洗液冲洗转筒10 min后（转速300 r/min），滴干称重为W3。清洗效率$\eta$=[(W2 − W3）/W2 − W1)]×100%。
（4）胶结强度评价方法：选胶结强度装置和耐火砖人造岩芯模拟套管和井壁，实验时将模拟套管和岩芯放入油基钻井液中浸泡1 h，然后将钻井液倒出并滴干，在洗油型冲洗液中冲洗后周围灌上水泥浆于93 ℃水浴中养护24 h，放在压力机上进行强度实验。界面胶结强度= 压力计读数/水泥环胶结面积。
（5）润湿反转能力评价方法：①静态评价：将玻片(铸铁片)放在油基钻井液中浸泡1 h，烘干后测定润湿角；将亲油玻片(铸铁片)放在洗油型冲洗液溶液中浸泡10 min，烘后测定润湿角；②动态评价根据API RP 10B-2-2013进行测试。
2 洗油型冲洗液用表面活性剂优选方法影响表面活性剂洗油能力的因素主要有离子类型、HLB 值、临界胶束浓度（CMC）、表面张力，从此4 因素出发，建立洗油型冲洗液用表面活性剂优选方法。
2.1 离子类型阳离子型表面活性剂易与油污结合，憎水基朝向水溶液中，导致清洗效率较低，甚至有相反作用；两性离子型表面活性剂价格较为昂贵；阴离子型表面活性剂界面活性高，有很强的润湿渗透和清洗能力，但耐盐性和抗硬水性普遍较差；而非离子型表面活性剂有较好的耐盐、耐硬水能力，但对温度敏感。综上所述，洗油型冲洗液用表面活性剂应考虑阴离子型、非离子型或二者之间复配的表面活性剂体系。
2.2 HLB 值表面活性剂的HLB 值表示其亲水性大小，是决定表面活性剂溶液洗油能力的关键。一般认为HLB值位于8.0~18.0，表面活性剂的润湿渗透、乳化及增溶等作用可以明显提高其清洗效率。因此，表 1 测试了HLB 值在8.0~18.0 的24 种不同表面活性剂对柴油基钻井液的清洗效率。当HLB 值在8.0~12.0时，不同HLB 值的表面活性剂水溶液对柴油基钻井液的清洗效率都较低；当HLB 值位于12.0~15.0 时，清洗效率都比较高，最高可达75.11%；但当HLB 值超过15.0 时，清洗效率急剧下降。因此，表面活性剂的HLB 值在12.0~15.0 为最优。
| 表1 HLB 值与清洗效率关系 Table 1 The relationship between HLB value and cleaning efficiency |
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选取铸铁片和岩芯片浸泡柴油基钻井液后分别进行测试，如图 1 所示。
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| 图1 柴油基钻井液表面润湿角与表面张力关系 Fig. 1 The relationship between the surface wetting angle and the surface tension of the diesel based drilling fluid |
由图 1 可以看出，无论是铸铁片还是岩芯片，柴油基钻井液黏附层与溶液的接触角随表面张力降低而逐渐变小。令cos θ=1，可得两种不同表面黏附柴油基钻井液的$\gamma_{\rm{c}}$ 分别为23.109，26.469 mN/m。
岩芯片具有一定的渗透率，使柴油基钻井液黏附较强，则较难被清洗干净，所需的临界表面张力也较低。因此，可得出柴油基钻井液的$\gamma_{\rm{c}}$ 大致范围为23.000~27.000 mN/m。
2.4 表面活性剂的表面张力γ 与CMC 值洗油型冲洗液的表面张力小于或接近柴油基钻井液黏附层的临界表面张力时，溶液易在柴油基钻井液黏附层表面铺展润湿，从而渗入井壁和套管壁表面，提高其清洗效率。因此，应选择表面张力小于或接近柴油基钻井液的临界表面张力的表面活性剂。当表面活性剂浓度超过某个临界值后，去污能力不再增加，即这个临界值可作为表面活性剂较优加量浓度，一般为CMC 值。
2.5 优选方法根据以上实验结果与分析，可得出一套结合材料特性与工程模拟评价的表面活性剂优选方法：（1）初选出HLB 值为12.0~15.0 的阴离子型、非离子型或二者复配型表面活性剂体系；（2）优选溶液表面张力小于或接近柴油基钻井液的临界表面张力的表面活性剂；（3）根据测定表面活性剂临界胶束浓度确定最优加量；（4）采用清洗效率方法验证优选结果，得出适用于柴油基钻井液的洗油型冲洗液用表面活性剂。
3 FYJ 洗油型冲洗液研究 3.1 高效表面活性剂优选根据表面活性剂优选方法，通过离子类型、 HLB 值、溶液表面张力和CMC 值进行综合选择，优选出非离子表面活性剂A 和C，阴离子表面活性剂 G，通过清洗效率验证发现优选得出表面活性剂清洗效率较高。表面活性剂的各项性能如表 2 所示。
| 表2 新预测方法在2 个油田区块的应用及评价结果 Table 2 Applications of the new prediction method in two oilfields |
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为提高阴离子型表面活性剂的抗盐性和非离子型表面活性剂的抗温性，将优选的非离子型表面活性剂A 和C 与阴离子表面活性剂G 进行不同比例复配，形成3 种复配体系，再次测定复配表面活性剂溶液表面张力和临界胶束浓度，相关性能如表 3 所示。最终选定FYJ 三元复配表面活性剂体系，具有小于或接近柴油基钻井液$\gamma_{\rm{c}}$ 的表面张力值，CMC值较低，清洗效率较高。
| 表3 复配表面活性剂体系的综合性能 Table 3 The comprehensive properties of mixed surfactants |
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从图 2 可以看出，FYJ 洗油型冲洗液对柴油基钻井液体系的清洗效率较高，当FYJ 组分加量为0.3%时清洗效率皆可超过82.00% 以上，且对不同种类柴油基钻井液的清洗效率变化不大，广泛适用性强。
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| 图2 FYJ 洗油型冲洗液的清洗效率（25 ℃） Fig. 2 The cleaning efficiency of flushing fluid FYJ（25 ℃） |
从图 3 可以看出，FYJ 组分加量不同时，FYJ 洗油型冲洗液的清洗效率随温度和含盐量变化而轻微改变，清洗效率都能保持80% 以上，具有良好的抗温抗盐性。
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| 图3 温度与含盐量对清洗效率的影响 Fig. 3 The influences of temperature and salinity on the cleaning efficiency |
清水在浸泡柴油基钻井液表面的接触角为88.7°，说明清水不能有效润湿渗透柴油基钻井液黏附层。从表 4 和图 4 可以看出，FYJ 洗油型冲洗液体系对油基钻井液有很好的润湿反转作用。随着 FYJ 组分加量的增加，清水在洗油型冲洗液处理后的玻片表面的稳定接触角逐渐变小，最后达到完全铺展。加入38% 有效体积（洗油型冲洗液/混浆的总体积）的含量为1.5% 的FYJ 洗油型冲洗液可以达到完全润湿反转，与某公司产品A 对比，加入较少量就可以达到完全润湿反转。说明使用FYJ 洗油型冲洗液可使亲油性的井壁和套管壁表面产生有效的润湿反转，最终成为亲水界面。
| 表4 水在洗油型冲洗液处理后玻片的接触角 Table 4 The contact angle on the surface after being cleaned by flushing fluid |
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| 图4 FYJ 洗油型冲洗液动态润湿反转混浆 Fig. 4 The flushing fluid FYJ dynamic wettability reversal mixed fluid |
胶结强度很大程度上是对清洗效率和表面润湿性好坏的反映，冲洗效率高、表面润湿效果好，则胶结强度高，反之则低。如表 5 所示，油基钻井液浸泡后模拟套管和岩芯与水泥之间胶结能力明显变差，几乎为0；在加入FYJ 洗油型冲洗液冲洗后的胶结强度明显提高。
| 表5 FYJ 洗油型冲洗液改善胶结性能 Table 5 The improvement of flushing fluid FYJ on cementing |
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通过FYJ 洗油型冲洗液与柴油基钻井液体系的相容性实验可以看出（表 6），该洗油型冲洗液与水泥浆和钻井液都有很好的相容性。当洗油型冲洗液与钻井液和水泥浆分别以任意比例掺混时都没有产生絮凝增稠的现象，并且随着洗油型冲洗液掺量的增加，混浆的塑性黏度、动切力下降，说明洗油型冲洗液能有效地稀释水泥浆和钻井液，提高水泥浆和钻井液的流动度，有利于提高顶替效率，改善水泥环胶结质量。
| 表6 洗油型冲洗液与钻井液和水泥浆流变相容性实验（90 ℃） Table 6 Compatibility with wellbore fluids（90 ℃） |
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（1）建立了适用于柴油基钻井液的洗油型冲洗液用表面活性剂优选方法：① 选用HLB 值在12~15的阴离子型、非离子型或二者复配的表面活性剂体系；② 表面活性剂水溶液的表面张力应接近或小于油基钻井液的临界表面张力；③ 较优加量应大于或接近CMC 值。
（2）FYJ 洗油型冲洗液具有优异的除油效率和润湿反转能力，与柴油基钻井液及水泥浆体系具有很好的流变相容性，混合后无增稠现象，有效解决了常规固井流体接触污染的问题。
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