景岷嘉，李武泉，蔣官澄

（1.中國石油集團(tuán)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；2.中國石油大學(xué)（北京）油氣資源與探測國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，

北京 102249；3.中國石油大學(xué)（北京）石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249）

0 引言

油基鉆井液具有較好的抗高溫、潤滑、抑制等作用，常應(yīng)用于頁巖等高難度地層鉆井[1]。但隨著鉆井時間的增加，多次重復(fù)使用的油基鉆井液中的劣質(zhì)固相含量越來越高，且固相粒徑較小，難以被固控設(shè)備清除[2-3]。這些劣質(zhì)固相不僅會增大鉆井液的黏度、切力，使鉆井液流變性能惡化，同時由于增加內(nèi)摩擦?xí)p慢機(jī)械鉆速，降低鉆井效率，嚴(yán)重則導(dǎo)致鉆井液報廢無法使用，從而增加鉆井成本[4-7]。

目前，國內(nèi)外對多次重復(fù)使用的油基鉆井液采用破乳、分離等方法處理劣質(zhì)固相[8-14]，但均屬于二次處理。絮凝劑能夠通過絮凝作用增大劣質(zhì)固相粒徑，使其達(dá)到固控設(shè)備處理條件而清除，但基本上所有絮凝劑均用于水基鉆井液而鮮有用于油基鉆井液。研究表明，雙十六烷基二甲基氯化銨（DCDAC）可以在劣質(zhì)固相表面吸附，與油基鉆井液中的潤濕劑構(gòu)成競爭吸附，而且具有長疏水鏈、油溶性強(qiáng)，能夠相互纏繞聚集劣質(zhì)固相，可作為油基鉆井液絮凝劑?；诖耍x取粒徑為11 μm 的高嶺土作為油基鉆井液劣質(zhì)固相，對DCDAC 的絮凝作用進(jìn)行了研究。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

DCDAC（99%），高嶺土（11 μm，99%），氧化鈣（98%），卵磷脂（99%）；蒸餾水，自制；礦物油，主乳化劑，輔乳化劑，有機(jī)土，氧化瀝青，潤濕劑，重晶石等。

WGZ-800 型濁度儀，Leica DM4M 光學(xué)顯微鏡，ZNN-D6 六速旋轉(zhuǎn)黏度計，DWY-2 破乳電壓測試儀。

1.2 高嶺土懸浮液及油基鉆井液的配制

油基鉆井液中親水性劣質(zhì)固相穩(wěn)定懸浮的主要原因是潤濕劑，例如十二烷基三甲基溴化銨和卵磷脂[2]，通過吸附、潤濕反轉(zhuǎn)使固相更容易分散在油相中[15]。因此，按照如下方法配制高嶺土懸浮液：向漿杯中加入200 mL3#白油，連續(xù)攪拌下依次加入2%11 μm 高嶺土和1%卵磷脂，在10 000 r/min下持續(xù)攪拌20 min，制得高嶺土懸浮液待用。

油基鉆井液的制備方法如下。向漿杯中加入240 mL5#白油，連續(xù)攪拌下依次加入3%主乳化劑、0.5% 輔乳化劑、2% 有機(jī)土、3%CaO 和60 mL 鹽水（30%CaCl2），在10 000 r/min 下持續(xù)攪拌20 min。然后依次加入3%氧化瀝青、1%潤濕劑、300 g 重晶石及50 g11 μm 高嶺土，在10 000 r/min下持續(xù)攪拌40 min，制得密度為1.6 g/cm3的油基鉆井液待用。

1.3 絮凝實(shí)驗(yàn)

1.3.1 靜置觀察

分別量取一定體積的高嶺土懸浮液，連續(xù)攪拌下加入不同量的DCDAC，在10 000 r/min 下持續(xù)攪拌20 min，然后取一定量懸浮液于25 mL 試管中，分別靜止0、1、2、3、5、10、24 和48 h，在室溫下靜置觀察高嶺土懸浮液沉降情況。

1.3.2 濁度分析

按照上述方法配制不同DCDAC 加量的高嶺土懸浮液，然后分別靜止0、1、2、3、5、10、24 和48 h 后，取上層清液用WGZ-800 型濁度儀測其濁度。按式（1）計算濁度降低率TR 以表征DCDAC的絮凝效果。

式中，TR 為絮凝劑的濁度降低率，%；T空白為加入絮凝劑前鉆井液的濁度，NTU；T絮凝為加入絮凝劑后鉆井液的濁度，NTU。

1.3.3 顯微鏡觀察

按照上述方法配制不同DCDAC 加量的高嶺土懸浮液，然后將100 μL 懸浮液樣品滴在玻璃片上，并用載玻片輕輕蓋住。最后用Leica DM4M 光學(xué)顯微鏡觀察懸浮液的微觀形態(tài)，并拍照。

1.3.4 體系絮凝評價

別取一定體積的油基鉆井液，連續(xù)攪拌下加入不同量的DCDAC，在10 000 r/min 下持續(xù)攪拌20 min，并測量其流變及密度。然后將油基鉆井液倒入離心管中，在2000 r/min 的離心速度下離心10 min。之后倒出離心管上部所有液體，測量其流變及密度，并取6 mL 液體烘干，分別按式（2）、（3）計算固相含量及固相清除率。

式中，wsol為固相含量，g/mL；msol為固相質(zhì)量，g；Vsol為固相體積，mL；φ 為固相清除率，%；wsolb為加入絮凝劑前的固相含量，g/mL；wsola為加入絮凝劑后的固相含量，g/mL。

2 結(jié)果與討論

2.1 高嶺土懸浮液的靜置觀察實(shí)驗(yàn)

不同DCDAC 加量對高嶺土懸浮液沉降情況的影響如圖1 所示。

圖1 在不同時間下不同DCDAC 加量對高嶺土懸浮液沉降情況的影響

由圖1 可以看出，DCDAC 對高嶺土有明顯絮凝作用。未加絮凝劑的情況下，高嶺土穩(wěn)定地懸浮在白油中，48 h 后上層清液的體積約為5 mL；當(dāng)DCDAC 加量為1%～4%之間時，48 h 后，高嶺土懸浮液的上層清液體積約為10 mL 左右；當(dāng)DCDAC 加量為5%時，高嶺土在48 h 后基本沉淀完畢，上層清液的體積為22 mL。

2.2 高嶺土懸浮液的濁度分析實(shí)驗(yàn)

不同時間、不同DCDAC 加量下,高嶺土懸浮液的濁度見表1，高嶺土懸浮液的濁度降低率變化見表2 及圖2。由表1 可知，上層清液濁度達(dá)到100 NTU 所需時間隨DCDAC 加量的增大而減小。未加DCDAC 時，48 h 后懸浮液的濁度低于50 NTU；加量為5%時DCDAC 對高嶺土的絮凝效果最佳，濁度在10 h 后低于90 NTU。

圖2 不同時間不同DCDAC 加量下高嶺土懸浮液的濁度變化

表1 不同時間、不同DCDAC 加量下高嶺土懸浮液的濁度 NTU

表2 不同時間、不同DCDAC 加量下高嶺土懸浮液的濁度降低率 %

從表2 及圖2 可以看出，高嶺土懸浮液的濁度降低率隨著DCDAC 加量的增大而增大，加量為5%時DCDAC 對高嶺土的絮凝效果最佳，濁度降低率接近80%。濁度分析實(shí)驗(yàn)與靜置觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性。

2.3 高嶺土懸浮液的顯微鏡觀察實(shí)驗(yàn)

不同DCDAC 加量的光學(xué)顯微鏡照片如圖3 所示。DCDAC 加量為0%～3%時，高嶺土均勻分散在懸浮液中。當(dāng)DCDAC 的加量≥4%時，40 μm的照片表明高嶺土顆粒出現(xiàn)了相互團(tuán)聚的現(xiàn)象，并且100 μm 的照片表明顆粒的團(tuán)聚具有普遍性。由此可以看出，DCDAC 能夠使懸浮液中的高嶺土相互團(tuán)聚，增大高嶺土的粒徑，從而加快高嶺土的沉降速度。分析期機(jī)理為：陽離子DCDAC 與陽離子潤濕劑（如卵磷脂）形成競爭吸附，導(dǎo)致潤濕劑脫吸附，固相的分散性變差，固相趨向于聚并，同時DCDAC 的長烷烴鏈相互纏繞，使固相的粒徑變大。

圖3 不同DCDAC 加量的光學(xué)顯微鏡照片

2.4 油基鉆井液體系絮凝評價實(shí)驗(yàn)

離心后油基鉆井液體系密度隨DCDAC 加量的變化如圖4所示。整體上，隨著DCDAC加量的增大，離心后油基鉆井液的密度呈現(xiàn)下降的趨勢。原始油基鉆井液離心后密度為1.130 g/cm3，加入DCDAC后，油基鉆井液離心后密度低于1.080 g/cm3，其中，4%加量下最低，為1.045 g/cm3，說明絮凝劑降低了油基鉆井液離心后的固相含量。

圖4 離心后油基鉆井液體系密度隨DCDAC 加量變化

離心前后油基鉆井液體系的塑性黏度及動切力隨DCDAC 加量變化如圖5 和圖6 所示。

圖5 離心前后油基鉆井液體系塑性黏度隨DCDAC 加量變化

圖6 離心前后油基鉆井液體系動切力隨DCDAC 加量的變化

由圖5 和圖6 可以看出，離心前，塑性黏度和動切力都呈現(xiàn)出先降低后增大的趨勢，這可能是由于DCDAC 具有降低瀝青質(zhì)黏度的作用[16]，在3%加量下的塑性黏度和動切力最低，但是繼續(xù)增大DCDAC 加量會增大體系的黏度；離心后，塑性黏度和動切力也呈現(xiàn)出先降低后增大的趨勢，其中塑性黏度和動切力分別在2%及1%加量下達(dá)到最低，分別為33 mPa·s 及10.5 Pa，加入DCDAC 后的塑性黏度和動切力都低于原始油基鉆井液，說明絮凝劑有利于油基鉆井液中固相的清除，從而減少了固相之間的摩擦，導(dǎo)致動切力降低。

離心后固相含量及固相清除率隨DCDAC 加量變化如圖7 所示。

圖7 固相含量及固相清除率隨DCDAC 加量變化

由圖7 可以看出，固相含量與DCDAC 加量為負(fù)相關(guān)，固相清除率與DCDAC 加量為正相關(guān)，當(dāng)DCDAC 加量為5%時，固相清除率達(dá)到最大，為23.51%，此時固相含量為0.5159 g/mL，這與離心后密度的測定具有一定的相關(guān)性，說明絮凝劑的加入能降低離心后油基鉆井液中的固相含量。因此，與未加DCDAC 的油基鉆井液相比，DCDAC 能夠降低油基鉆井液離心后的密度、塑性黏度、動切力與固相含量，說明DCDAC 有利于油基鉆井液中固相的清除。

3 結(jié)論

1.DCDAC 能加快懸浮液中高嶺土的沉降速度，當(dāng)加量為5%時，濁度降低率達(dá)到最大，且高嶺土懸浮液在48 h 后沉淀完畢。

2.通過光學(xué)顯微鏡觀察得知，當(dāng)DCDAC 加量不小于4%后，懸浮液中的高嶺土出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，并且具有普遍性。

3.通過體系實(shí)驗(yàn)可知，在同等離心條件下，油基鉆井液中的密度及固相含量與DCDAC 加量成反比，固相清除率與DCDAC 的加量成正比，塑性黏度和動切力隨著DCDAC 的增加呈現(xiàn)出先降低后增大的趨勢，說明DCDAC 有利于清除油基鉆井液中的固相。

4.可能的機(jī)理為，DCDAC 與陽離子潤濕劑形成競爭吸附，導(dǎo)致潤濕劑脫吸附，固相的分散性變差，固相趨向于聚并，同時DCDAC 的長烷烴鏈相互纏繞，使固相的粒徑變大。