張煒筠， 鄧明毅， 向朝綱， 陳俊斌， 歐陽偉

空氣鉆井地層出水處理技術(shù)

張煒筠1， 鄧明毅2， 向朝綱3， 陳俊斌3， 歐陽偉3

（1．江漢石油工程有限公司鉆井一公司，湖北潛江433100；2．西南石油大學(xué)·油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610500；3．川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院，四川廣漢618300）

張煒筠，鄧明毅，向朝綱，等.空氣鉆井地層出水處理技術(shù)[J].鉆井液與完井液，2017，34（2）：83-86.

ZHANG Weijun, DENG Mingyi, XIANG Chaogang, et al.Treatment of Formation Water Invasion in Air Drilling[J].Drilling Fluid & Completion Fluid，2017，34（2）：83-86.

利用空氣鉆含水地層，地層水會(huì)流入井眼，干燥的巖屑吸水很容易黏糊成團(tuán)并附著在井壁和鉆具上形成泥環(huán)，從而造成卡鉆現(xiàn)象。基于低表面張力快速滲透分散破壞泥團(tuán)原理，采用靜態(tài)表面張力測(cè)定、潤濕角測(cè)定、定時(shí)面積法、圓片帆布法、滾動(dòng)回收率測(cè)定以及粒度分布測(cè)定等評(píng)價(jià)方法對(duì)9種表面活性劑的滲透性、分散性進(jìn)行評(píng)價(jià)。可以看出，它們都有一定的潤濕效果；結(jié)構(gòu)中含有帶支鏈的疏水基且親水基小的表面活性劑滲透性強(qiáng)；陰離子表面活性劑的分散原理是雙電層理論，非離子表面活性劑的分散原理是空間位阻效應(yīng)，高分子分散劑比普通表面活性劑分散效果好。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，加入CJY后的柴油溶液具有強(qiáng)滲透性和強(qiáng)分散性，碎解、破壞黏土泥團(tuán)效率比油基解卡劑JKZ高，且溫度越高，破壞程度越高，碎解效果越明顯，對(duì)于解決空氣鉆井地層出水問題提供了依據(jù)。

空氣鉆井；表面活性劑；滲透性；分散性；泥團(tuán)碎解

空氣鉆井出水后，由于細(xì)碎巖屑液固比的改變形成黏塑性泥團(tuán)，易于造成卡鉆等復(fù)雜事故，目前常規(guī)的解決辦法是采用改變循環(huán)介質(zhì)如霧化、泡沫流體或者采用一種強(qiáng)滲透分散溶液，間斷注入循環(huán)清除泥團(tuán)的方法[1-3]。強(qiáng)滲透分散溶液是在溶液中添加一種或幾種能在黏土礦物強(qiáng)烈吸附并有效降低其表面張力的化學(xué)處理劑，此外，處理劑還應(yīng)具有強(qiáng)滲透性和強(qiáng)分散性，能夠滲透到泥團(tuán)產(chǎn)生的裂縫表面改變表面吸附性，改變巖石及其孔隙內(nèi)部的潤濕性，能夠把已經(jīng)聚結(jié)成團(tuán)的黏土碎解分散[4]?；诘捅砻鎻埩焖贊B透分散破壞泥團(tuán)原理，采用新型研究方法展開表面活性劑對(duì)泥團(tuán)破碎影響的研究，對(duì)完善空氣鉆井技術(shù)具有一定的意義。

1 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

1.1 表面張力和潤濕角

將9種表面活性劑分別加入柴油，配制成濃度為3%的柴油溶液，分別使用DT-102全自動(dòng)界面張力儀和DSA30界面參數(shù)一體化測(cè)量儀在室溫（25℃）下測(cè)其表面張力和接觸角，結(jié)果見表1[5-6]。由表1可知，柴油中分別加入3%的9種表面活性劑，表面張力和接觸角值均不同程度地減小。

表1 表面張力和接觸角的測(cè)量

1.2 滲透性評(píng)價(jià)

1）定時(shí)面積法。用吸管分別吸取上述0#～9#溶液，滴定一滴（約0.05 mL）至鉆井液API濾紙。120 s后觀察濾紙上的滲透面積，結(jié)果見圖1。

圖1 定時(shí)滲透面積

從圖1可以看出，加有自制的CJY的2#溶液滲透面積最大，約為0#柴油的4倍，說明CJY是9種表面活性劑中滲透速度最快的一個(gè)。

2）圓片帆布法。采用圓片帆布法測(cè)定潤濕滲透性，分別量取0#～9#溶液500 mL，盛入500 mL燒杯中，用直徑為20 mm的硬帆布進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，把帆布片平放在杯口，松手，從帆布片接觸到液面時(shí)用秒表開始記時(shí)，帆布片潤濕后下沉，直到帆布片接觸到杯底為止，記錄所需時(shí)間。重復(fù)實(shí)驗(yàn)3次，取其平均值，作為該處理劑滲透性能評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)。帆布從液面沉入杯底用時(shí)越短，表明處理劑的潤濕滲透性能越好，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。由表2可知，9種處理劑加入后與柴油相比，帆布從液面到接觸燒杯底的時(shí)間均有不同程度地減少，說明選取的9種表面活性劑加入柴油后均能改變?nèi)芤旱臐B透性。其中，帆布在加有CJY的柴油中從液面沉入杯底用時(shí)最短，所以CYJ的潤濕滲透性最好。

表2 帆布沉入杯底時(shí)間 （s）

通過滲透性評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)可以看出，陽離子表面活性劑的滲透性能最差，陰離子表面活性劑的滲透性能最好。其中，滲透性最強(qiáng)的是陰離子滲透劑CJY。滲透劑CYJ是一種磺化琥珀酸雙酯型表面活性劑，它的分子中，疏水基具有2個(gè)支鏈（碳?xì)滏湥?，在支鏈的根部（或者說在疏水基的中間）有親水基—SO3Na（磺酸基），所以它的滲透性能極好。根據(jù)表面活性劑滲透劑理論[7]，分析3種類型表面活性劑結(jié)構(gòu)特征可以得出：帶支鏈的疏水基比不帶支鏈的滲透性好；親水基在中間的比在末端的滲透性好；親水基小的滲透性好；相對(duì)分子質(zhì)量小的滲透性好，對(duì)于非離子表面活性劑，非離子結(jié)構(gòu)中的環(huán)氧乙烷加成數(shù)在5～15之間的滲透性好。

1.3 分散性評(píng)價(jià)

1）巖屑滾動(dòng)回收率。巖屑回收率實(shí)驗(yàn)?zāi)芎芎玫伢w現(xiàn)處理劑對(duì)巖屑的分散性能，巖屑滾動(dòng)回收率越高，處理劑抑制性越好，相對(duì)的分散性越差；反之，處理劑對(duì)巖屑的分散能力越強(qiáng)。如表2所示，9種表面活性劑加入后，相比0#柴油巖屑滾動(dòng)回收率均變小，說明這幾種表面活性劑都能促進(jìn)巖屑分散。分散性能從弱到強(qiáng)：十二烷基三甲基氯化銨

圖2 巖屑在不同溶液中的滾動(dòng)回收率

2）粒度分析。在膨潤土漿中分別加入3%的9種表面活性劑，使用激光粒度分析儀測(cè)定各處理劑加入前后的粒徑分布情況，并記錄D50的參數(shù)值，結(jié)果見表3。從表3可知，4%膨潤土漿的粒度中值是14.38 μm，加入3%SP-80后是19.35 μm，加入3%十二烷基三甲基氯化銨后是21.22 μm，D50的值變大，說明SP-80和十二烷基三甲基氯化銨加入后使得溶液中的大顆粒數(shù)目增多；其他7種表面活性劑加入后，粒度中值變小，說明溶液中小顆粒數(shù)增多，并且它們的D50參數(shù)值和巖屑滾動(dòng)回收率的大小順序基本一致。

表面活性劑吸附于固體顆粒的表面，降低液-液或固-液之間的界面張力，使凝聚的固體顆粒表面易于濕潤。根據(jù)雙電層原理，加入陰離子表面活性劑，它們?cè)谒须婋x形成陰離子，并具有一定的表面活性，被顆粒表面吸附。顆粒表面吸附分散劑后形成雙電層，吸附于粒子表面的負(fù)電荷互相排斥，以阻止顆粒與顆粒之間的吸附和聚集，電動(dòng)電位的大小決定陰離子表面活性劑分散性的強(qiáng)弱。非離子表面活性劑的分散原理是空間位阻效應(yīng)，即在已吸附負(fù)電荷的粒子互相接近時(shí)，使它們互相滑動(dòng)錯(cuò)開。高分子吸附層有一定的厚度，可以阻擋粒子的相互吸附，主要是依靠高分子的溶劑化層，當(dāng)粉體表面吸附層達(dá)8～9 nm時(shí)，它們之間的排斥力可以保護(hù)粒子不致絮凝。所以高分子分散劑比普通表面活性劑好[8]。

表3 在4%膨潤土漿中加入不同處理劑后顆粒的粒度分析

1.4 黏土泥團(tuán)碎解效果評(píng)價(jià)

根據(jù)滲透性和分散性評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，表面活性劑CJY具有強(qiáng)滲透性，分散性也比其他8種處理劑好。以表面活性劑CJY為主要處理劑，再加入適量潤濕反轉(zhuǎn)劑，最后確定用來浸泡黏土泥團(tuán)的溶液配方為：柴油+5%CJY+2%潤濕反轉(zhuǎn)劑RF。

采用靜態(tài)溶蝕實(shí)驗(yàn)來評(píng)價(jià)黏土泥團(tuán)的碎解效果。將膨潤土和水按1︰1的比例倒入燒杯中，攪拌均勻。用模型壓出直徑為35 mm質(zhì)量為23 g左右的泥團(tuán)，將泥團(tuán)置于另取的潔凈燒杯中，倒入配制的溶液，密封杯口，分別放置在25、80和120 ℃的烘箱中。間隔不同時(shí)間記錄泥團(tuán)的質(zhì)量及燒杯底部的泥團(tuán)碎片數(shù)量，觀察樣品溶液對(duì)泥團(tuán)的破壞程度，以此評(píng)價(jià)所配溶液對(duì)泥團(tuán)的破壞碎解效果。

1）不同浸泡時(shí)間的碎解泥團(tuán)效果如圖3所示。溫度越高，泥團(tuán)減少的速度越快，碎解和破壞效果越好。120 ℃下CYJ柴油溶液碎解泥團(tuán)的效果比加有解卡劑JKZ的柴油溶液好。

圖4從左往右分別是浸泡有CYJ柴油溶液的泥團(tuán)在120 ℃烘箱內(nèi)放置2 h，4 h和16 h后燒杯底部的泥團(tuán)碎屑。從圖4可以看出，放置時(shí)間越久，泥團(tuán)碎屑越多，放置16 h后杯底出現(xiàn)大塊碎屑。

圖3 不同溫度下泥團(tuán)質(zhì)量隨時(shí)間的變化

圖4 120 ℃下不同浸泡時(shí)間杯底泥團(tuán)碎屑

2）CYJ柴油溶液在不同溫度下的破壞泥團(tuán)效果，見表4和圖5。由表4、圖5可知，溫度越高，泥團(tuán)表面裂紋越多；在120 ℃下浸泡16 h泥團(tuán)表面出現(xiàn)大量裂紋，泥團(tuán)松散程度高且破壞更徹底。

表4 CYJ柴油溶液不同溫度下的破泥效果

圖5 CYJ柴油溶液不同溫度下浸泡泥團(tuán)16 h效果

2 結(jié)論

1.通過對(duì)9種表面活性劑的表面張力和接觸角測(cè)定可以看出，它們都有一定的潤濕效果。

2.根據(jù)表面活性劑滲透性和分散性評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，可以看出，結(jié)構(gòu)中含有帶支鏈的疏水基且親水基小的表面活性劑滲透性強(qiáng)；陰離子表面活性劑的分散原理是雙電層理論，非離子表面活性劑的分散原理是空間位阻效應(yīng)，高分子分散劑比普通表面活性劑分散效果好。

3.加入CJY后的柴油溶液具有強(qiáng)滲透性和強(qiáng)分散性，碎解、破壞黏土泥團(tuán)效率比油基解卡劑JKZ高。并且溫度越高，碎解效果越明顯，對(duì)于解決空氣鉆井地層出水問題有一定的意義。

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Treatment of Formation Water Invasion in Air Drilling

ZHANG Weijun1, DENG Mingyi2, XIANG Chaogang3, CHEN Junbin3, OU Yangwei3
(1.No.1 Drilling Company, Sinopec Oilfeld Serνice Jianghan Corporation, Qianjiang 433100;2. State Key Laboratory of Oil and Gas Reserνoir Geology and Exploitation, Southwest Petroleum Uniνersity, Chengdu, Sichuan 610500;3. Drilling & Production Technology Research Institute of CCDE, Guanghan, Sichuan 618300)

A serious concern in air drilling is the invasion of formation water into the hole, viscosifying the dry cuttings into viscous lumps which are adhered at the surface of the drill string and borehole wall, resulting in pipe sticking. Based on the mechanism that fuid with low surface tension can penetrate fast into and break the lumps, 9 surfactants was selected for the evaluation of their osmosis, and dispersing performance using static measurement of surface tension, wetting angle measurement, timing-area method, area measurement in specifc time span, round fabric method, hot rolling test method and particle size distribution measurement. The 9 surfactants tested all had wetting ability. Surfactants with smaller hydrophobic groups in their molecular structures had strong osmosis. The dispersity of anionic surfactants is governed by the electric double layer theory, while the dispersity of nonionic surfactants is governed by steric effect. High molecular weight polymers have better dispersity than common surfactants. Laboratory experimental results showed that diesel oil treated with CJY had strong osmosis and dispersity, making it a better chemical in disintegrating mud lumps than oil based pipe sticking agent JKZ. Diesel oil treated with CJY performed better at elevated temperatures. This study provides a method for the solution of formation water cut during air drilling.

Air drilling; Surfactant; Osmosis; Dispersity; Mud lump disintegration

TE242.7

A

1001-5620（2017）02-0083-04

2016-12-25；HGF=1604N12；編輯 王小娜）

10.3969/j.issn.1001-5620.2017.02.015

張煒筠，1992年生，主要從事鉆井液方面的科研工作。電話 13548152747；E-mail：leisurelyweiwei@ foxmail.com。