基于多重光散射的聚磺钻井液体系稳定性研究

卢俊锋，苏俊霖，赵竹轩

(1.西南石油大学石油与天然气工程学院，四川 成都 610500；2.油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川 成都 610500；3.中国石油集团东南亚管道有限公司，北京 100028)

目前，废弃聚磺钻井液具有高度胶体稳定性，如何对其进行有效处理仍是一大难题。固液分离技术是大多数废弃水基钻井液处理方法的基础，破坏胶体的稳定性是固液分离的关键[1-2]。多重光散射技术可以在静态条件下，研究分散液的稳定性和导致不稳定的原因:李朋伟[3]等利用分散稳定性分析仪研究水煤浆的稳定性；张锐[4]等利用光散射原理评价泡沫钻井液的稳定性；夏朝辉[5]等利用Turbiscan多重光散射法研究纳米银溶胶的稳定性；苏俊霖[6]等应用光学原理研究原油沥青的聚沉过程等。本工作利用多重光散射技术，根据稳定性动力学指数TSI研究不同温度条件下以及不同主体处理剂添加比例条件下聚磺钻井液的体系稳定性。希望通过对聚磺钻井液的稳定机理分析，为废弃聚磺钻井液有效地处理提供参考。

1 实 验

1.1 主要药品及仪器

膨润土，造浆率10 m3/t，新疆夏子街膨润土有限责任公司；钻井液用磺甲基酚醛树脂SMP-1，任丘市瑞奥化工有限公司；磺化褐煤(SMC)，河南海洋化工有限公司；磺甲基单宁(SMT)，濮阳市绿色聚合物有限公司；两性离子聚合物降滤失剂JT888，新乡市正阳化工有限公司；两性离子聚合物降黏剂XY-27，东营区兴胜化工经营部；磺化沥青，河南清泉实业有限公司，均为工业级；去离子水，取自西南石油大学化工学院。

Turbiscan MA 2000型近红外扫描分散稳定性分析仪，美国Laurel Industrial公司；GW 300型变频高温滚子加热炉，青岛胶南同春石油仪器有限公司(中国)。

1.2 多重光散射分析原理

多重光散射稳定性分析仪通过测量反射光与透射光的变化速率大小可反映悬浮液中颗粒体积浓度φ和颗粒平均粒径d的变化，从而研究分散液体系的稳定性能[3]。多重光散射扫描图，由两部分组成(如图1)：透射光谱图和背射光谱图。图1中透射光谱图主要用于分析透明到浑浊的试样。如果试样不透明，在透射光谱图上，则只有试样管上部和底部有峰出现，其他区域透射光强度为0。背射光谱图用于分析不透明试样。

图1 多重光散射扫描图谱

分散相粒子的平均直径和体积分数直接决定着背散射光强度的变化程度，多次扫描所接受光强的偏差反映了光强的差别程度，借此可反映体系的稳定程度。体系多次扫描后的标准差即为稳定性动力学指数TSI[7]，通过累计试样所有高度处前后两次扫描测量的光强度变化值得到试样稳定性，能定量、直观地比较相关试样的稳定性差异，可采用仪器自带Easysoft软件由式(1)计算得出。

(1)

式中:h-扫描点高度;H-试样总高度。在相同扫描次数n时，TSI值越小，分散体系的稳定性越好。

1.3 聚磺钻井液配方

聚磺钻井液配方见表1。

表1 聚磺钻井液配方

1.4 不同温度下聚磺钻井液体系稳定性测试

常温下(30 ℃)，将1#试样试样倒入实验用测试管中，置于近红外扫描分散稳定性分析仪进行稳定性分析测试。每间隔 30 min 扫描 1 次，测试次数10次，测试高度 0～60 mm。将1#试样装入老化罐中分别经80，100，120，140 ℃热滚16 h后再重复上述操作，进行聚磺钻井液分散稳定性测试。

1.5 缺少不同主体处理剂条件下聚磺钻井液体系稳定性测试

常温下(30 ℃)，分别将2#、3#、4#、5#试样试样倒入实验用测试管中，置于近红外扫描分散稳定性分析仪进行稳定性分析实验。每间隔30 min扫描 1 次，测试次数10次，测试高度 0～60 mm。

2 结果与分析

2.1 不同温度下背散射光谱

图2为完整配方(1#试样)配制的聚磺钻井液的多重光散射背散射光强度图谱。

实验室配制的聚磺钻井液为黑色不透明分散液，因此主要从测量所得多重光散射的背散射图谱分析各聚磺钻井液体系中分散相在运动中的聚集沉降过程。由图2可以看出，1#试样在常温(30 ℃)时不同时刻测得的多重光背散射曲线重合度很高，表示此时聚磺钻井液的稳定性很好。经不同温度热滚后，测得的不同时刻的多重光背散射曲线重合度依然很高，表示在经历温度变化后，聚磺钻井液的稳定性仍然很好。此时只能借助稳定指数TSI来判断聚磺钻井液稳定性的变化情况。

图2 多重光散射背散射光强度图谱

2.2 不同温度下稳定性动力学指数

图3为试样在常温下以及经过不同温度热滚后的稳定指数计算结果。

由图3可知，在常温(30 ℃)时，聚磺钻井液的稳定指数最小(2.6)，因此此时的体系最稳定。而后随着温度的升高，聚磺钻井液的稳定指数先增大后减小，但与常温(30 ℃)时稳定指数相比变化不大，即体系的稳定性变化不大，均处于十分稳定的状态。说明温度升高对聚磺钻井液的稳定性影响不大。

图3 不同温度下试样的稳定指数TSI

2.3 不同处理剂添加情况下的稳定指数

常温(30 ℃)下5种试样的稳定指数见图4。

图4 试样的稳定指数TSI

由图4可得，常温下(30 ℃)改变不同处理剂的加入情况，聚磺钻井液的稳定指数发生变化，即稳定性发生了变化；在完整聚磺钻井液体系(1#)，其稳定指数值较小，为2.6，说明此时体系十分稳定；在去掉稀释剂SMP-2和SMC的2#体系中，稳定指数变为11.7，稳定性大大减弱；在去掉降滤失剂SPNH的3#体系中，稳定指数变为13.1，相较于1#体系变化更大，稳定性进一步减弱；在去掉两性离子类聚合物FA-367、XY-27 的4#体系中，稳定指数变为2.4，与1#试样的稳定指数相比减小了，说明4#试样的稳定性比1#完整聚磺体系的稳定性还强；在去掉磺化沥青的5#试样中，稳定系数变为14.9，为五组试样中的最大值，因此5#试样的稳定性最弱。

总之，改变主体处理剂的加入情况，聚磺钻井液的稳定性发生改变，除去掉两性离子类聚合物FA-367、XY-27 使体系的稳定性增强了，而分别去掉其余处理剂均减弱了体系稳定性。

2.4 聚磺钻井液体系稳定性变化机理分析

2.4.1温度的影响

聚磺钻井液的稳定性主要是黏土粒子(<2 mm)的稳定性，包括聚结稳定性和沉降稳定性。聚结稳定性是前提，占主要方面。聚结稳定性的排斥力包括黏土水化膜、吸附在黏土表面的处理的水化膜和电性排斥力。电性排斥力是胶粒间范德华力，以及微粒端面间正负电性吸引力综合作用的结果。温度升高，可使处理剂高温解吸附，使黏土胶体失去处理剂水化的保护而聚结，但聚磺处理剂具有强抗高温能力，高温一般只引起体系聚结稳定性的局部降低。

各类聚合物处理剂的耐温性能一般不等同于由它处理的钻井液的耐温性能，且聚磺钻井液中含有的磺化类聚合物本身都具有良好的抗高温性能。钻井液一般是由黏土(膨润土等)、多种处理剂、钻屑和水等组成的完整而复杂的体系，其抗温能力除了与单剂处理剂的抗温能力有关外，其他各种处理剂和组分之间的相互作用也影响着钻井液体系的热稳定性。如高温时，聚磺钻井液处理剂之间还会发生高温胶联作用，导致钻井液体系稳定性增强[9]。因此，高温并不能减弱体系稳定性，并且有可能使体系稳定性增强。

2.4.2主体处理剂对聚磺钻井液体系稳定性影响机理分析

钻井液体系稳定性发生变化的根本原因是排斥力与吸引力发生了变化，不同处理剂的加入会导致空间位阻(水化膜)与电性排斥力(Zeta电位)朝不同方向变化，并且变化程度也各不相同。在聚磺钻井液中，SMP-1、SMC类磺化处理剂常配合用作降滤失剂，复配使用后，SMP-1在黏土表面的吸附量可增加5～6倍，从而使黏土颗粒表面的Zeta电位明显增大，水化膜明显增厚，使处理剂护胶能力增强，最终导致钻井液稳定性增强。SMT类磺化处理剂作为降黏剂，能有效地拆散钻井液中黏土晶片以端-面和面-端连接而形成的网架结构，还能通过高价阳离子的络合作用，有效地抑制黏土的高温分散，使钻井液稳定性增强。两性离子类聚合物(JT888与XY-27组合)，既有降黏作用，还有一定抑制页岩水化的作用。XY-27一方面能与黏土发生离子型吸附，一方面又由于其特有的结构使它与高聚物之间的交联或络合机会增加，从而具有很好的降黏效果。分子链中的有机阳离子基团吸附于黏土表面后，中和了黏土表面的一部分负电荷，削弱了黏土的水化作用。即两性离子类聚合物的加入也是从空间位阻和电性排斥力方面减弱了体系的稳定性。磺化沥青类处理剂含有磺酸基，水化作用很强，形成水化膜，可阻止颗粒的水化分散，本身还带有一定的Zeta电位，其软化点高于钻井液体系的使用温度，使用时磺化沥青仍处于半流质状态，故其对钻井液体系的黏度影响非常大，即对聚磺钻井液体系的稳定性影响极大[10-12]。

综上可见，各类处理剂的作用机理与其所产生的影响结果完全吻合，聚磺钻井液的稳定性决定于各类处理剂及其他组分之间的相互作用。

3 结 论

a.多重光散射技术可以运用于钻井液实验研究，利用稳定指数TSI定量、直观地研究聚磺钻井液体系稳定性变化。

b.聚磺钻井液体系在高温(140 ℃范围内)相对稳定，即温度不会对聚磺钻井液的稳定性产生较大影响。各类处理剂均会对聚磺钻井液的稳定性产生影响，且各自产生影响的结果和程度不同。在完整聚磺钻井液体系中，不加入两性离子类聚合物反而会使体系的稳定性增强，而不加入其他类处理剂体系的稳定性是减弱的。通过聚磺钻井液体系稳定性变化机理分析，与温度和主体处理剂的影响结果一致。

c.研究聚磺钻井液体系稳定性的目的是通过分析聚磺钻井液体系的稳定机理及影响因素，为废弃聚磺钻井液的处理提供参考，后续工作可以从聚磺钻井液体系稳定性入手研究具体的破坏其稳定性的方法。

[1] 张爱顺，曹孜英，董殿彬，等．废弃聚磺钻井液破胶-絮凝-膜处理实验研究[J]．钻井液与完井液，2014,31(1)：47-59．

[2] 周礼．废弃水基钻井液无害化处理[D]．西南石油大学，2014．

[3] 李朋伟，杨东杰，楼宏铭，等．利用分散稳定性分析仪研究水煤浆的稳定性[J]．燃料化学学报，2008,36(1):524-529．

[4] 张锐，王瑞和，邱正松，等．利用光散射原理评价泡沫钻井液的稳定性[J]．石油学报，2005,26(1)：105-108．

[5] 夏朝辉，吕丽云，王虹，等．Turbiscan多重光散射法研究纳米银溶胶的分散稳定性[J]．光谱学与光谱分析，2015，35(7)：1992-1996．

[6] 苏俊霖，马中亮，任茂，等．应用光学原理研究原油沥青的聚沉过程[J]．西南石油大学学报:自然科学版，2012,34(4)：153-157．

[7] 敬加强，江漩涛，杜磊，等．基于多重光散射技术研究油田用缓蚀剂乳化倾向[J]．油田化学，2015,32(2)：268-271．

[8] 卜海，徐同台，孙金声，等．高温对钻井液中黏土的作用及作用机理[J]．钻井液与完井液，2010,27(2)：23-25．

[9] 王平全，陶鹏，黄丽莎．钻井液处理剂高温交联性能评价[J]．精细石油化工，2016，33(2)：36-40．

[10] 王平全．钻井液处理剂及其作用机理[M]．石油大学出版社，2003．

[11] 姚福林．沥青类钻井液处理剂[J]．油田化学，1989，6(2)：176-184．

[12] 鄢捷年．钻井液工艺学[M]．中国石油大学出版社，2006：117-147．