纳米石蜡乳液的研究及应用_代礼杨

3 285 61 29 9.5 1.0/3.5 3.0 0.060 0.2 4/3
3 302 68 25 14.5 4.5/9.0 3.0 0.060 0.2 5/4
3 337 69 24 15.5 4.5/9.0 3.0 0.055 0.2 5/3 注 ：钻井液密度为 1.17 g/cm3，pH 值为 10。
【理论研究与应用技术】
纳米石蜡乳液的研究及应用
代礼杨 1 ， 李洪俊 1， 苏秀纯 1， 曹卫强 2， 舒儒宏 2， 任正军 1， 徐瑞国 1
（1. 渤海钻探工程技术研究院，天津 ；2. 渤海钻探泥浆技术服务分公司，天津）
代礼杨等 . 纳米石蜡乳液的研究及应用 [J]. 钻井液与完井液，2012，29（2）：5-7，11. 摘要 采用反相乳化法制备出一种纳米石蜡乳液（BZ-GWN），该剂无荧光、环境保护性能好。室内实验评价 结果表明，BZ-GWN 具有好的抑制防塌性能、润滑性和油气层保护性能。该处理剂在华北油田和苏里格气田现场 试验应用了 5 口井，介绍了其在泉 75-10X 和苏 76-2-3H 井的应用情况。现场应用表明，加入 BZ-GWN 的聚磺钻 井液和钾盐聚合物钻井液具有良好的抑制性、防塌能力和润滑性 ；钻进中未发生井壁失稳垮塌现象，起下钻顺畅， 水平段没有出现托压等现象，井眼规则，钻井施工顺利。 关键词 纳米石蜡乳液 ；制备 ；HLB 值 ；润滑性 ；防塌性能 ；防止地层损害 ；钻井液 中图分类号：TE254.4 文献标识码：A 文章编号：1001-5620（2012）02-0005-03
在二开井深 3 270 m（井斜角为 62.5°）处，一 次 性 加 入 650 kg 纳 米 石 蜡 乳 液， 施 工 中 每 钻 进 50～100 m 或 24 h 加入 0.3～0.5 t 纳米石蜡乳液， 起到稳定井壁、降低摩擦阻力、防止卡钻的目的。 加入纳米石蜡乳液的聚磺钻井液性能见表 5。
表 3 纳米石蜡乳液 BZ-GWN 的润滑性能实验
石蜡乳液 / %
极压润滑系数 降低率 /%
0.5
15.83
1.0
28.09
1.5
39.33
2.0
40.41
2.5
44.53
3.0
48.62
注 ：基浆为 6% 膨润土浆。
泥饼黏附系数 降低率 /% 23.46 29.43 41.19 64.72 67.67 70.57
表 1 不同 HLB 值的乳化剂对乳液性能的影响
乳化剂的 HLB 值 9.0 9.5 10.0 10.2 10.4 10.5 10.6 10.7 10.8 10.9 11.0 12.0
离心后状态 离心前分层 分层明显 分层明显
不分层 不分层 不分层 不分层 略有分层 分层明显 分层明显 分层明显 离心前分层
t 乳化 /min 15
乳液外观 白色略黄
乳液稳定性 平均粒径 /nm 放置一天破乳 ＞1 000
20
白色不透明 放置一天破乳 ＞800
30 乳白色微泛蓝光 离心依然稳定
110.9
40 乳白色微泛蓝光 离心依然稳定
108.5
2 纳米石蜡乳液的性能评价
2.1 抑制防塌性能
对纳米石蜡乳液进行线性膨胀和页岩滚动回收 率实验，结果见图 2。页岩滚动回收实验条件为 ： 80 ℃、16 h，页岩过孔径为 0.90～2.00 mm 的筛。
钻进过程无托压、保护油气层的作用。加入纳米石 蜡乳液的钾盐聚合物钻井液性能见表 6。
表 5 加入纳米石蜡乳液的聚磺钻井液性能
井深 / FV/ PV/ YP/ Gel/ FL/ m s mPa·s Pa Pa/Pa mL
Kf
Cs/ %
φ6/φ3
3 270 66 32 9.0 1.5/3.5 2.6 0.075 0.2 5/4
在水平段的施工中，由于目的层比较薄，井眼 轨迹控制难度大，常常出现反复增斜和降斜的情况， 常常在泥岩层里面钻进，加大了井壁坍塌风险的可 能性，钾盐聚合物钻井液中一次性加入 1 000 kg 纳 米石蜡乳液，施工中每钻进 50～100 m 或 24 h，加 0.3～0.5 t 纳米石蜡乳液，起到稳定井壁、降低摩阻、
Ko/10-3 μm2 76.10 63.56 58.34 78.16 93.70
Kd/10-3 μm2 65.96 53.79 52.62 75.15 90.44
恢复值 /% 86.7 86.2 90.2 96.1 96.5
从图 2 还可看出，随着 GWN 加量的增大，纳 米石蜡乳液抑制页岩水化分散能力增强，纳米石蜡
平均粒径 /nm 695.0 384.0 222.0 126.0 108.3 96.8 110.9 124.5 243.7 262.3 336.2 736.0
1.2 乳化剂浓度
考察了乳化剂浓度对乳液初始平均粒径的影响， 结果见图 1。由图 1 可知，乳液粒径随乳化剂浓度升 高而逐渐减小，当乳化剂的浓度大于 4.0% 时，乳液 粒径小于 200 nm ；乳化剂浓度为 8% 和 9% 时，它 们的粒径相差不大。因此乳化剂浓度为 8% 较适宜。
1#（钾盐聚合物钻井液） 3% 膨润土 +5%KCl+ 0.3% 包被剂 +1% 降滤失剂 +3%CaCO3
2#（强抑制性钻井液） 3% 膨润土 +0.3% 包被 剂 +1% 抑制剂 +1% 降滤失剂 +3%CaCO3
表 4 纳米石蜡乳液的油气层保护效果评价
钻井液 1# 2#
2#+2.0%GWN 2#+2.5%GWN 2#+3.0%GWN
表 6 加入纳米石蜡乳液的钾盐聚合物钻井液性能
井深 / ρ/ FV/ PV/ YP/ GHale Waihona Puke Baidul/ FL/ m g/cm3 s mPa·s Pa Pa/Pa mL
Kf
Cs/ %
φ6/φ3
3 483 1.14 67 24 14.5 4.5/9.0 3.0 0.060 0.2 11/6
3 510 1.14 71 24 15.0 4.5/9.0 2.8 0.055 0.2 12/6
3 656 1.14 70 25 15.0 4.5/9.0 3.0 0.055 0.2 12/6
3 767 1.14 68 30 16.0 4.5/9.5 2.6 0.055 0.3 13/7
3 886 1.14 70 31 16.0 5.0/10 2.5 0.060 0.3 12/7
3 947 1.15 70 31 17.0 5.0/10 2.5 0.055 0.2 12/7
4 030 1.14 68 31 14.5 4.5/9.5 2.6 0.055 0.3 12/6
注 ：钻井液 pH 值为 10。
现场施工表明，加入纳米石蜡乳液的聚磺钻井 液和钾盐聚合物钻井液具有良好的抑制性，防塌能 力强，润滑性好 ；钻井施工中未发生井壁失稳垮塌， 起下钻顺畅，水平段没有出现托压等现象，钻井工 作顺利。苏 76-2-3H 井的井径曲线见图 3。从图 3 可以看出，在钾盐聚合物中加入纳米石蜡乳液，井 径曲线规则，无明显坍塌现象，平均井径扩大率为 4.09%。这也证明了纳米石蜡乳液对“双石组”地 层微裂缝和孔隙进行了有效的封堵 ；纳米石蜡乳液 和 KCl 复配使用，具有更好的抑制性。
2.4 环保性能及荧光级别 采用发光细菌 500 型仪器，按照 ISO 11348-3
代礼杨等：纳米石蜡乳液的研究及应用
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标准，对 1% 纳米石蜡乳液进行发光细菌法 EC50 毒性试验，在 5、15 min 时进行检测，结果分别为 372.1 g/L、414.8 g/L。可以看出，纳米石蜡乳液属 低毒性，满足环境保护要求，可适用于环境敏感地 区。在紫外光仪下观察其荧光并与标准系列对比， 确定其荧光级别低于 4。
第一作者简介 ：代礼杨，工程师，2002 年毕业于石油大学油田化学专业，现从事钻井液完井液技术研究工作。地址 ： 天津市大港油田渤海钻探工程技术研究院油田化学研发中心 ；邮政编码 300280 ；电话（022）25928231/13512222892 ；E-mail ： dailiyang_gcy@126.com。
图 3 苏 76-2-3H 井的井径曲线 （下转第11页）
李光辉等：乳化石蜡的优化制备及其降滤失作用
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SY/T 5336—1996 对岩心进行清洗，实验步骤为 ： ①正向盐水测原始渗透率 K ；②反向用柴油测岩心 油相渗透率 K0 ；③正向注乳化石蜡溶液 3 PV，并 放置 24 h ；④反向注入柴油测量渗透率 K1。驱替速 度为 0.1 mL/min，渗透率恢复实验结果见表 4。
二开采用 φ215.9 mm 钻头钻至井深 3 419 m， 下入 φ177.80 mm 技术套管至井深 3 415.39 m。该 井段下部（井深 2 706～3 419 m）使用聚磺钻井液 钻进。三开使用φ152.40 mm 钻头钻至井深 4 112 m， 使用钾盐聚合物钻井液钻进，钻遇地层主要为刘家 沟组、石千峰组、石盒子组，“双石组”地层，易垮塌。 石千峰组下部地层为砂岩夹泥岩、砂质泥岩，水敏 性强，水化后分解成片状，虽在常规井中表现不明 显，但在该水平井中易塌层正处于大斜度井段，往 往要钻遇几米至几十米，坍塌问题十分突出。石盒 子组为泥岩与砂岩互层，以硬脆性泥岩为主，该泥 岩还存在微裂缝，由于钻井液浸泡时间长，易造成 井壁失稳而发生剥落垮塌，且还处于大斜度井段或 水平段，更易发生垮塌。水平段采用裸眼完井。
纳米石蜡乳液是粒径在亚微米级（50～500 nm） 的乳状液，其外观随 粒径大小的不同可能会呈现 透 明 / 半 透 明（50～200 nm） 或 乳白色（200～500 nm）。由于其粒径小，通常表现出极高的长期动力 学稳定性。以 2 种非离子表面活性剂作为混合乳化 剂，采用反相乳化（EIP）法，在乳化剂作用下将 石蜡分散成微小的液滴，在蜡水界面形成具有一定 强度的乳化剂单分子层膜，制备出了一种纳米石蜡 乳液 。 [1-3] 该乳液在作为水基钻井液添加剂时，具 有防塌、润滑和保护油气层等作用，其低毒、无荧光， 能满足保护环境和钻探施工的要求 。 [4-6]
2.3 油气层保护效果
用岩心流动试验仪测定不同钻井液的渗透率恢 复值，对比评价保护油气层效果，结果见表 4。从 表 4 可以看出，加入纳米石蜡乳液的强抑制性钻井 液的岩心渗透率恢复值明显提高，纳米石蜡乳液加 量大于 2% 以上的强抑制性钻井液的岩心渗透率恢 复值均大于 90%。实验所用钻井液配方如下。
6
乳液与 KCl 复配后抑制页岩水化分散的效果更好。
2.2 润滑性
图 1 乳化剂浓度对乳液粒径的影响
1.3 乳化时间
乳化时间对纳米石蜡乳液的影响见表 2。由表 2 可以看出，乳化时间延长有利于将乳液滴分散得 更均一细小，乳化时间为 30 min 时，乳液稳定性和 平均粒径达到最佳值。
表 2 乳化时间对乳液的影响
从图 2 可以看出，加入纳米石蜡乳液后，黏土 的膨胀高度明显降低 ；0.5% 的纳米石蜡乳液抑制 黏土膨胀的效果与 7%KCl 接近。当纳米石蜡乳液 的加量为 1% 和 2% 时，线性膨胀量的降低率分别 为 19% 和 31%。
图 2 纳米石蜡乳液 BZ-GWN 的抑制防塌性能
用 EP 极压润滑仪测定其极压润滑系数，实验 结果见表 3。从表 3 可知，当纳米石蜡乳液加量为 1% 和 2% 时，极压润滑系数降低率分别达到 28%、 40%，泥饼黏附系数降低率分别达到 29%、64%。
1 纳米石蜡乳液的制备条件优化
1.1 HLB值
当乳化剂的 HLB 值为 10.2～10.6 时，制得的 纳米石蜡乳液最为稳定，且乳液的平均粒径较小 （96.8～126.0 nm），见表 1。由表 1 可知，HLB 值为 10.5 时，乳液的平均粒径最小，说明此时复合乳化剂 的 HLB 值与石蜡的 O/W 型乳液所需 HLB 值非常接 近，乳液颗粒细小均匀，稳定性高。因此选择 HLB 值为 10.5 的复合乳化剂。
3 现场应用
纳米石蜡乳液 BZ-GWN 在华北油田现场试验 应用 2 口井、在苏里格气田现场试验应用 3 口井， 均取得了良好的效果。下面介绍纳米石蜡乳液在苏 里格气田苏 76-2-3H 井的现场应用情况。
苏 76-2-3H 井为一口开发水平井，属鄂尔多斯 盆地伊陕斜坡苏 76 区块，完钻井深为 4 112 m，垂 深为 3 211.54 m，入窗点井深为 3 419 m，垂深为 3 210.83 m，水平段长为 693 m，井底水平位移为 1 089.65 m，最大井斜角为 93.1°。