不同油化剂对入井流体流变特性的影响比较

1. 引言

在钻井作业中，入井流体的流变特性对钻井效率、井壁稳定及携岩能力至关重要。油化剂作为调节流体流变性的关键添加剂，其性能直接影响钻井作业的安全与效率。然而，不同油化剂因其化学结构、作用机理及环境适应性的差异，对流变特性的影响各不相同。本研究旨在通过系统实验，比较五类典型油化剂对水基钻井液流变特性的影响，揭示其作用机理，为优化钻井液配方、提升钻井作业性能提供理论依据。实验采用标准化测试方法，结合微观结构分析，全面评估油化剂的性能特点。

2. 实验材料与方法

实验采用市售优质钠基膨润土配制基础钻井液，固定膨润土含量为 6% （w/w），通过预水化处理确保充分分散。五类油化剂的添加量统一控制在 1% （w/w），具体包括：聚合物型油化剂选用分子量 800万的部分水解聚丙烯酰胺（HPAM）；乳化型油化剂为柴油（ 70% ）与乳化剂（ 30% ）组成的稳定乳化体系；表面活性剂型选用十二烷基苯磺酸钠（SDBS）；纳米复合型油化剂为表面修饰的纳米二氧化硅（粒径 20nm ）与聚合物的杂化材料；生物质型油化剂采用羧甲基化改性淀粉。实验设备包括ZNN-D6 型六速旋转粘度计用于常规流变参数测定，HAAKE MARS Ⅲ旋转流变仪进行动态流变分析，Malvern Zetasizer 纳米粒度分析仪测定颗粒分布，场发射扫描电镜（FE-SEM）观察微观结构。实验设计了三个维度的对比测试：常温（ 25°C ）标准条件下的基础性能比较；温度梯度（ 25°C 、 60% 、 90% 、 120% ）下的热稳定性测试；矿化度梯度（ 0% 、 3% 、 6% 、 10%NaCl ）下的抗盐性能评价。所有样品均在 11000rpm 下预剪切 5 分钟以模拟钻井循环过程，每个测试点重复测量三次取平均值。测试参数包括表观粘度（AV）、塑性粘度（PV）、动切力（YP）、触变环面积、储能模量（G'）和损耗模量（G"）等。通过综合分析这些流变参数的变化规律，结合微观结构表征，系统评价各类油化剂的性能特点和作用机理。

3. 结果与讨论

3.1 常温条件下的流变性能比较

在 25°C 标准条件下，五类油化剂表现出显著不同的流变调节特性。聚合物型油化剂（HPAM）通过分子链伸展和缠结形成空间网络结构，使钻井液的动切力从基础配方的 8Pa 大幅提升至 15Pa ，表观粘度增加约 120% ，展现出优异的携岩能力。然而，这种增粘效果具有明显的剪切稀释特性，在 511s-1 的高剪切速率下粘度保留率仅为 35% ，说明其结构强度有限。乳化型油化剂主要通过油相颗粒（粒径 1-10μm ）的分散增加体系内摩擦力，使塑性粘度显著提高 65% ，但对动切力的贡献较小（仅增加3Pa）。表面活性剂型油化剂（SDBS）通过降低界面张力改变流变行为，意外地使表观粘度降低约 15% ，但显著改善了流体的剪切稀释特性，这与其分子定向排列和界面滑移效应有关。纳米复合型油化剂表现出最均衡的性能提升，同时将动切力提高 12Pa ，塑性粘度增加 80% ，且在不同剪切速率下都保持稳定的粘度指数，这归因于纳米颗粒与聚合物链协同形成的刚性网络结构。生物质型油化剂（改性淀粉）的增粘效果介于聚合物型和表面活性剂型之间，但展现出最显著的触变性（触变环面积增加 200% ），这种时间依赖性特征有利于岩屑的悬浮和沉降控制。

3.2 温度稳定性比较

温度升高对各类油化剂的性能影响差异显著。聚合物型油化剂（HPAM）在 80% 时因分子链热运动加剧导致缠结度下降，增粘效果减弱约 40% ，到 120% 时几乎完全失效。红外光谱分析证实这是由于高温下酰胺基水解所致。乳化型油化剂受温度影响最大， 80% 时乳滴粒径增大 3-5 倍，体系稳定性急剧下降，表现为粘度骤降和明显的相分离。表面活性剂型油化剂（SDBS）在 90% 以下表现稳定，但在高矿化度条件下效果下降明显，这是因为盐析效应削弱了表面活性剂分子的界面活性。纳米复合型油化剂展现出惊人的温度稳定性， 120% 时仍能保持85% 以上的初始粘度，SEM观察发现其纳米网络结构在高温下保持完整，这得益于纳米 SiO2 对聚合物链的热稳定锚定作用。生物质型油化剂在90% 以下表现稳定，但超过此温度后出现明显的降解现象，粘度快速下降，这与淀粉分子的热解特性相符。动态温度扫描测试（ 25-120^∘C ， 5% rmin）显示，纳米复合型油化剂的储能模量（G'）在整个温区变化最小（ <15% 波动），表明其形成的网络结构具有优异的热稳定性。

3.3 抗盐性能比较

矿化度增加对各类油化剂的影响同样存在显著差异。聚合物型油化剂（HPAM）在 6%NaCl 溶液中粘度损失达 60% ，这源于电荷屏蔽效应导致分子链蜷缩。乳化型油化剂的抗盐性能较好，但在高盐高温协同作用下稳定性急剧下降。表面活性剂型油化剂（SDBS）的抗盐性能最差，3%NaCl 就使其效果降低 50% ，这与阴离子表面活性剂的盐敏特性一致。纳米复合型油化剂再次展现出最优异的抗盐性能， 10%NaCl 条件下仍能保持 70% 以上的初始粘度， Zeta 电位测试表明其表面修饰有效抑制了盐离子影响。生物质型油化剂表现出独特的盐响应特性，低盐（ <3% ）时性能提升，而高盐时下降，这可能与分子构象变化有关。值得注意的是，在高温高盐（ 90% ， 6%NaCl ）的协同作用下，纳米复合型油化剂的性能优势更加明显，其粘度保留率达到 65% ，远超其他类型油化剂（均<30% ）。

3.4 微观机理分析

综合微观测试结果，可以深入理解各类油化剂的作用机理。聚合物型油化剂主要通过分子链缠结增粘，但结构热稳定性差；乳化型依赖物理分散的油滴增强粘度，但易受温度影响；表面活性剂通过改变界面特性调节流变行为，但对环境敏感；纳米复合型通过纳米颗粒与聚合物的协同作用形成稳定网络，具有结构优势；生物质型依靠分子间氢键作用，但耐温性有限。特别值得注意的是，纳米复合型油化剂中纳米SiO2 与聚合物的界面相互作用，通过 FTIR 证实存在 Si-O-C 共价键，这种强相互作用是其优异性能的结构基础。分子动力学模拟进一步显示，纳米颗粒作为交联点能有效抑制聚合物链的高温热运动，这是其独特温度稳定性的微观机制。

结论

本研究通过对比五类油化剂对水基钻井液流变特性的影响，明确了各油化剂的优势与局限性。纳米复合型油化剂凭借其纳米颗粒与聚合物链的协同作用，展现出优异的增粘、温度稳定性及抗盐性能，成为提升钻井液流变性的理想选择。聚合物型油化剂虽增粘效果显著，但热稳定性差；乳化型油化剂受温度影响大；表面活性剂型油化剂对环境敏感；生物质型油化剂则表现出独特的盐响应特性但耐温性有限。未来研究可进一步探索纳米复合型油化剂的优化配方及作用机制，以推动钻井液技术的创新发展。

参考文献

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[2] 杨春晖 , 侯艺 , 童美 , 等 . 不同类型表面活性剂乳化煤油对低阶煤浮选的影响研究 [J]. 煤炭工程 ,2023,55(9):158- 164.

作者简介：张晓思，1991 年 - 女，汉，人，本科，助理工程师，主要从事入井流体质检工作。