纳米石蜡乳液的研究及应用

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

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（200～500nm）。由于其粒径小，通常表现出较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] 。

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。

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。

1.3　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较佳值。

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。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%。

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
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%。

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。

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标准，对 1% 纳米石蜡乳液进行发光细菌法 EC 50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。

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°。二开采用 φ 215.9 mm 钻头钻至井深 3 419 m，下入 φ 177.80 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 φ 152.40 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。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。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、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。

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。

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 K 0 ；

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 K 1 。驱替速度为 0.1 mL/min，渗透率恢复实验结果见表 4。

由此可知，乳化石蜡造成暂堵后的渗透率恢复较好，在侵入后放置 24 h，随着渗透率的增大，渗透率恢复率降低但都在 100% 以上，原因可能是乳化石蜡溶液在岩心表面引起的润湿性改变或者是降低了岩心中残余油饱和度，进而表现了一定解除水锁的作用。

4　结论
1. 使用电导率法对乳化石蜡的制备条件进行了优化，筛选的较佳乳化条件为 ：用 8% 的 Span80与 Tween80 的复配物作为乳化剂，用 1%ODS 作为乳化助剂，HLB 值为 10.5，乳化温度为 70～75 ℃。制备的石蜡乳液细腻，3 个月不分层。

2. 在中低渗透岩心实验中，使用 5% 的乳化石蜡溶液进行降滤失评价实验，结果滤失降低率可达80%，并可通过润湿反转和贾敏效应使后续盐水的滤失降低 80%，根据此特点可以在乳化石蜡封堵后转用海水压井，从而减小乳化石蜡的用量。
3. 油相的渗透率恢复率超过 100%，有一定解除水锁效应的作用，且渗透率恢复耗时短，在低渗透油田的修井作业中有较好的应用前景。

参 考 文 献
Sole I，Maestro A，Pey C M， et al. Nano-emulsion  [1]
preparation by low energy methods in an ionic surfactant
system[J]. Colloid and Surfaces A ： Physicochem. Eng.
Aspects 288（2006）： 138-143.
prinderre P， Piccerelle Ph，Cauture E， et al. Formulation  [2]
and evaluation of o/w emulsions using experimental
design[J]. International Journal of Pharmaceutics 163
（1998）：73-79.
Patrick Fernandez， Valerie Andre， Jens Rieger，et al.  [3]
Nano-emulsion formation by emulsion phase inversion[J].
Colloids and Surfaces A ： Physicochem. Eng. Aspects 251
（2004）：53-58.
Roland I，Piel G，Delattre L，et al. Systemic  [4]
characterization of oil-in-water emulsions for formulation
design[J]. International Journal of Pharmaceutics 263
（2003）： 85-94.