提高逆相乳液的稳定性

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1、IADC/SPE 151404 提高逆相乳液的稳定性 Ryan Van Zanten, Jeff J。 Miller, Chris Baker, Halliburton 2012,IADC / SPE 钻井会议和展览版权所有本文是为于2012年3月6弋在美国加州圣地牙哥举办的2012 IADC / SPE钻井会议和展览准备的,本文被IADC/SPE计划委员会选定 为展示。本文的内容尚未通过IADC / SPE的复审，并且作者正在修正 中，此材料并不代表IADC / SPE管理人员和成员的立场和态度。没有 IADC / SPE书面同意，对本文任何部分进行网络复制、发行和保存是 不允许的。只有文章

2、的摘要允许复制打印，并且摘要不得超过300字， 插图不得复制。摘要中也必须显著声明IADC / SPE的版权。 摘要无固相逆相乳液(IEF)可以降低重晶石沉降的可能性，提高渗透 率，降低等效循环密度，大幅度降低波动压力。在传统I EFs中通常是不 使用有机粘土的,由此制成的流体具有独特的性能, 这样不依赖大量 的乳化剂、胶体颗粒和剪切力就能使乳状液稳定。无固相逆变乳液 (IEF)通常是一种“本源”流体在通过钻头时，由于受到高剪切力而 形成的。在水泥浆的配置中，高剪切力使得本源泥浆有助于稳定新制 成的流体，从而形成十分稳定的乳状液。有时，制作乳状液并不需要 使用本源泥浆。 如果混合不当,这些流体

3、的稳定性会较差,从而导致顶 层原油分离和重晶石沉降。本文详细研究了乳化剂浓度，胶质粉末的添加以及剪切对实验室、搅拌设备以及现场测试中的逆变乳化钻井液稳定性的影响。流体稳定性 和乳状液稳定性的有非常复杂的相关性，这与整体流体的剪切过程， 外部相的粘度，乳化剂类型和胶体颗粒含量有着紧密的关系。优化这 些属性可以获得更稳定的钻井液，从而增大凝胶性，同时减少沉降。 因此当配置新的泥液时，需要考虑高剪切力，适量的乳化剂，如果可 能的话加入少量的胶体粉末。许多的现场实例已然证明了这些改进是 如何改善流体性能的：从最初混合开始，然后输送到井场，一直到开 始钻井，流体的性能始终保持稳定。简介想要成功的钻一个井

4、眼并且达到预定井深，钻井液需要有特定的 属性。流体需要有润滑和冷却钻头、稳定井壁、最大限度地减少地层 漏失、携带岩屑和许多其他功能。具有这些特性的水基和油基流体在 钻井作业中已经成功的应用数十年了。流体类型是根据地层岩性、 温度、压力和其他限制（环境，大位移等）进行选择的。这些液体的稳定性和悬浮能力对井眼清理和减少加重剂的添加 量（如重晶石）有特别重要的意义。对水基和油基钻井液来说悬浮能 力以两种不同的方式产生。水基钻井液一般使用粘土（如膨润土）， 或者水溶性聚合物，大分子生物聚合物（如黄原胶）、或者合成聚合 物（如部分水解聚烯酰胺）。另一方面，油基流体一般通过形成反相 乳液来获得悬浮能力。在

5、逆乳化系统中，内部相（水或盐水）分散在 外部相（油）中形成乳化液滴。添加乳化剂后，液滴随之稳定这就会形成一个油/水界面层，降低液滴融合速度，从而使乳化液破乳。 在传统逆系统中添加有机粘土，通过固相和乳化剂的界面作用来进一 步稳定乳状液。无固相系统只能通过乳化剂来稳定，但时由于具有较 低固体含量，钻井钻的更快(Burrows 2004, Kalal 2010)。正是缺 乏的这种能够使流体稳定的固相颗粒，从而促进了无固相逆变乳液的 产生。本文综合研究了在反相乳液中加入不同的乳化剂后，乳化剂浓度, 胶质量的多少以及剪切对反相乳液的影响。在运输到井场之前，在车 间里制备新泥浆时，乳化剂浓度,胶质量以及

6、剪切是可控变量。一系 列流体性质实验说明了这些添加剂对流体的影响。在实验室中配置的 流体达预期效果后，再以车间标准来混合，来验证体积增加时，流体 性质是否相似。最后,从混合站输送到井场的过程中，观察流体的悬 浮性能是否发生改变。理论乳状液是两种不能混合的液体，一种液体以不连续(内部)相分散于 另一种连续(外部)相的液体中所形成的分散体(Evans 1999,Israelachvili 1992)。乳液是热力学不稳定系统，通过使用表面活 性剂或表面活性固体可以使乳状液稳定，在一段时间内有效的保持分 散。乳液的稳定性由分子间的相互作用和界面张力决定。为了能够形 成乳状液，系统中必须存在以剪切形式存

7、在的能量。因为构象熵和表 面积的增加，这种能量是必须存在的。这一需求可以通过热力学框架很好的解释。系统自由能的变化可以这样表达： G = H TA S 或者A G= A 丫 ow TA SG是吉布斯自由能，T是温度，S是熵，A是界面面积，y是在油-水 界面的界面张力。如果自由能小于零那么这个过程是自发的；如果它大于零，则需 要外界能量来得到预期的变化。当配制一种乳液时,许多小水滴的生 成增大了熵值;然而这些水滴的生成也导致在油水界面面积的大幅度 增加。油水界面很大，这样油水接触时就造成了极大的能量损失。可 以通过添加表面活性剂降低界面张力，来减少能量损失，从而减少了 形成界面所需的能量。由于吉

8、布斯自由能的是不断变化是的，所以乳状液是动力学稳定 的， 这就意味着两相会随着时间逐渐分开。几种作用制可导致乳化作 用失效， 主要是凝聚和奥斯特瓦尔德熟化作用 ， 当两个分散相液滴相 互接触时发生聚合，并且会形成一个较大的液滴。随着时间的推移液 滴逐渐变大，最终分为两相。另一种作用一Ostwald熟化，是由内部 相部分溶解在外部相中，然后分子进行扩散所引起的。小液滴被大液 滴吞并。 这可以用拉普拉斯压力解释：P 二 wrP是液滴内部的压力是r是液滴的半径。因此较小的水滴有较高的内部压力，较高的压力会导致大水滴融合小水滴继续变大。这两个过程都会导致水滴越来越大，最终两相分离。乳状液稳定性可以从许

9、多方面加以提咼：1添加的表面活性剂/乳化剂可以降低表面张力，使液滴更稳定。表 面活性剂还可以产生一个空间和(或)静电屏障，以减缓液滴聚合。2.液滴-液滴，液滴-粒子，粒子-粒子间的水动力的相互作用，可能会 生成更多的粘性流体，这将减小聚合的速度。粘度的公式大致如下所其中n为粘度，n solvent是连续相的粘度,少是分散相的体积分数 (Larsen 1999)。因此，如果分散适当的话，内部相的体积分数越高 乳液更粘稠。使用各种表面活性剂混合物改变表面张力以及液滴和颗 粒的接触角和润湿性的同时，会改善这些相互作用，正是这些相互作 用改变了流体的屈服点和凝胶强度。3.固体也可以在油-水界面处作为辅

10、助乳化剂来稳定乳液。在界面 处去除固相颗粒所需的能量，大约从同一界面去除表面活性剂或乳化 剂所需能量的10-100倍；因此，想要提高乳状液的稳定性，只能单 独使用表面活性剂或者固相颗粒。实验方法粘度测定法流变性能是在通过以下实验方法测得的：恒温120 F,使用F ANN 35A粘度计，在600转/分，300转/分，200转/分，100转/分， 6转/分和3转/分的速率下分别测量10秒和10分钟时的凝胶情 况。乳化剂添加测试用于确定最佳的乳化剂浓度的过程如下：1.在120华氏度（49摄氏度）或150 F （ 65。5C ）下测量基 线流变性。A. 添加1磅/桶乳化剂（一般辅助乳化剂，润湿剂）B.

11、 用Hamilton Beach或粘度杯搅拌机混合2分钟，2读取和记录FANN 35流变仪读数，绘制PV, YP和LSYP LSYP = （2 x 3 rpm） - 6 rpm。每次加入1磅/桶乳化剂，重复上述步骤， 观察变化趋势并记录结果。在加入了 5磅/桶乳化剂后停止添加。低剪切叶片粘度计（低剪切粘度LSV测试）恒温120F条件下，配置主轴叶片的布氏LV - DV II + PRO粘度计 能够通过逐步降低的剪切速率来测量屈服应力。分别在剪切速率为 100r/min， 50 r/min，25 r/min ，12 r/min ， 6 r/min，3 r/min，1.5 r/min，0.5 r/

12、min， 0.1 r/min ，0.05 r/min 条件下测量。该仪器能够对油水间界面张力进行计算机数据采集、编程和自动测量。静态老化在350毫升的钻井液顶部注入500psi的氮气，然后密封在高温高压 的静态老化室内。在一定的时间和一定的温度下,流体单元开始老化, 然后对流体单元进行冷却和减压。为了测定重晶石的沉降情况，倒出 顶部的250毫升钻井液，然后在室温下测定底部100毫升钻井液的密 度。结果与讨论随着时间的推移，通过乳化剂的流变曲线能够了解界面性质。比如， 钻井液测试中的共同主题是确定一段时间的热接触后，钻井液的稳定 性。流变性质的改变说明了乳液不稳定性。这对零铵盐粘土（ZQAC）

13、钻井液（即无有机粘土添加剂钻井液）的屈服应力的影响特别明显。 对于这些乳状液，内部相液滴的相互作用是流体流变学结构的推动 力。大部分按需设计的添加剂，在井筒内得到热能和剪切能后将达到 最佳性能。流体配置进一步的挑战是配置超低胶体含量的流体。ZQAC 流体胶体含量比传统的流体的胶体含量少得多。一定程度剪切的应用 在可以改善流变曲线，但这种影响可能只是暂时的。当乳状液静止 时，内部相液滴有自发聚合的趋势，这时胶状固体就可以在稳定乳状 液方面发挥重要的作用。案例一：剪切稳定流体在一个典型案例中，在流体混合设备中加入一批新的中等密度ZQAC 流体，并装船离开海岸。“新鲜”，它意味着全部乳状液都是由新

14、材料在标准搅拌下混合而成。一旦被驱入井内，这种流体的表现与 所预期的一样。喷射钻头中的剪切能够增大流变剖面，从而产生一个 极大的屈服点和低剪切力。几次全局环流后，泵被关闭，取出钻柱， 来进行钻机设备的维修保养工作。在起下钻过程中，在井中和地面油 罐中观察重晶石沉降。流体被剪切一段时间后，观察到流体性质的关 键参数下降约50%。样本被送到实验室进行了大量的研究，以揭示 样本静止时流变性迅速改变的原因。成分分析法是第一种调查模式。在整个过程中产品的浓度要严密控 制，有人指出，尚未加入防漏失物质。这使得比重低的固体（LGS） 占流体（海上测试流体）体积的0.4 %,或每桶含量少于4磅。直 到最后一次

15、循环开始前，对比不同的时间间隔内测量到的数据，就可 以了解流变性能。表1显示了三个时间点处的流体性质SampleActive3 d ays10 daysPlastic viscosity, cP252G22Yield point, lb/100 ft230161310-Second gel. lb/10013157610-Minute gel, lb/100 ft219e9Eledricai stability, volts732709750Fann 35A Dial Readirgs at 1-50 degrees Fahrenheit600 rpmeo63S7300 rpm554-235200 rpm433125100 rpm32201E6 rpm14753 rpm1264Settling observed?NoNoYes表1 ：案例A流体性质随时间的变化 在反向的方法中，对流体剪切效应也进行了研究。表2显示了实验 室搅拌机中等剪切的效果：相同的样本被加热后，性质发生也改变。Sample1A2AMix time, min200Hot roll time, hours016Plastic viscosity, cP2620Yield