盧俊鋒，蘇俊霖，趙竹軒

(1.西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院，四川 成都 610500；2.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室，四川 成都 610500；3.中國石油集團東南亞管道有限公司，北京 100028)

目前，廢棄聚磺鉆井液具有高度膠體穩(wěn)定性，如何對其進行有效處理仍是一大難題。固液分離技術(shù)是大多數(shù)廢棄水基鉆井液處理方法的基礎(chǔ)，破壞膠體的穩(wěn)定性是固液分離的關(guān)鍵[1-2]。多重光散射技術(shù)可以在靜態(tài)條件下，研究分散液的穩(wěn)定性和導(dǎo)致不穩(wěn)定的原因:李朋偉[3]等利用分散穩(wěn)定性分析儀研究水煤漿的穩(wěn)定性；張銳[4]等利用光散射原理評價泡沫鉆井液的穩(wěn)定性；夏朝輝[5]等利用Turbiscan多重光散射法研究納米銀溶膠的穩(wěn)定性；蘇俊霖[6]等應(yīng)用光學(xué)原理研究原油瀝青的聚沉過程等。本工作利用多重光散射技術(shù)，根據(jù)穩(wěn)定性動力學(xué)指數(shù)TSI研究不同溫度條件下以及不同主體處理劑添加比例條件下聚磺鉆井液的體系穩(wěn)定性。希望通過對聚磺鉆井液的穩(wěn)定機理分析，為廢棄聚磺鉆井液有效地處理提供參考。

1 實 驗

1.1 主要藥品及儀器

膨潤土，造漿率10 m3/t，新疆夏子街膨潤土有限責任公司；鉆井液用磺甲基酚醛樹脂SMP-1，任丘市瑞奧化工有限公司；磺化褐煤(SMC)，河南海洋化工有限公司；磺甲基單寧(SMT)，濮陽市綠色聚合物有限公司；兩性離子聚合物降濾失劑JT888，新鄉(xiāng)市正陽化工有限公司；兩性離子聚合物降黏劑XY-27，東營區(qū)興勝化工經(jīng)營部；磺化瀝青，河南清泉實業(yè)有限公司，均為工業(yè)級；去離子水，取自西南石油大學(xué)化工學(xué)院。

Turbiscan MA 2000型近紅外掃描分散穩(wěn)定性分析儀，美國Laurel Industrial公司；GW 300型變頻高溫滾子加熱爐，青島膠南同春石油儀器有限公司(中國)。

1.2 多重光散射分析原理

多重光散射穩(wěn)定性分析儀通過測量反射光與透射光的變化速率大小可反映懸浮液中顆粒體積濃度φ和顆粒平均粒徑d的變化，從而研究分散液體系的穩(wěn)定性能[3]。多重光散射掃描圖，由兩部分組成(如圖1)：透射光譜圖和背射光譜圖。圖1中透射光譜圖主要用于分析透明到渾濁的試樣。如果試樣不透明，在透射光譜圖上，則只有試樣管上部和底部有峰出現(xiàn)，其他區(qū)域透射光強度為0。背射光譜圖用于分析不透明試樣。

圖1 多重光散射掃描圖譜

分散相粒子的平均直徑和體積分數(shù)直接決定著背散射光強度的變化程度，多次掃描所接受光強的偏差反映了光強的差別程度，借此可反映體系的穩(wěn)定程度。體系多次掃描后的標準差即為穩(wěn)定性動力學(xué)指數(shù)TSI[7]，通過累計試樣所有高度處前后兩次掃描測量的光強度變化值得到試樣穩(wěn)定性，能定量、直觀地比較相關(guān)試樣的穩(wěn)定性差異，可采用儀器自帶Easysoft軟件由式(1)計算得出。

(1)

式中:h-掃描點高度;H-試樣總高度。在相同掃描次數(shù)n時，TSI值越小，分散體系的穩(wěn)定性越好。

1.3 聚磺鉆井液配方

聚磺鉆井液配方見表1。

表1 聚磺鉆井液配方

1.4 不同溫度下聚磺鉆井液體系穩(wěn)定性測試

常溫下(30 ℃)，將1#試樣試樣倒入實驗用測試管中，置于近紅外掃描分散穩(wěn)定性分析儀進行穩(wěn)定性分析測試。每間隔 30 min 掃描 1 次，測試次數(shù)10次，測試高度 0～60 mm。將1#試樣裝入老化罐中分別經(jīng)80，100，120，140 ℃熱滾16 h后再重復(fù)上述操作，進行聚磺鉆井液分散穩(wěn)定性測試。

1.5 缺少不同主體處理劑條件下聚磺鉆井液體系穩(wěn)定性測試

常溫下(30 ℃)，分別將2#、3#、4#、5#試樣試樣倒入實驗用測試管中，置于近紅外掃描分散穩(wěn)定性分析儀進行穩(wěn)定性分析實驗。每間隔30 min掃描 1 次，測試次數(shù)10次，測試高度 0～60 mm。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同溫度下背散射光譜

圖2為完整配方(1#試樣)配制的聚磺鉆井液的多重光散射背散射光強度圖譜。

實驗室配制的聚磺鉆井液為黑色不透明分散液，因此主要從測量所得多重光散射的背散射圖譜分析各聚磺鉆井液體系中分散相在運動中的聚集沉降過程。由圖2可以看出，1#試樣在常溫(30 ℃)時不同時刻測得的多重光背散射曲線重合度很高，表示此時聚磺鉆井液的穩(wěn)定性很好。經(jīng)不同溫度熱滾后，測得的不同時刻的多重光背散射曲線重合度依然很高，表示在經(jīng)歷溫度變化后，聚磺鉆井液的穩(wěn)定性仍然很好。此時只能借助穩(wěn)定指數(shù)TSI來判斷聚磺鉆井液穩(wěn)定性的變化情況。

圖2 多重光散射背散射光強度圖譜

2.2 不同溫度下穩(wěn)定性動力學(xué)指數(shù)

圖3為試樣在常溫下以及經(jīng)過不同溫度熱滾后的穩(wěn)定指數(shù)計算結(jié)果。

由圖3可知，在常溫(30 ℃)時，聚磺鉆井液的穩(wěn)定指數(shù)最小(2.6)，因此此時的體系最穩(wěn)定。而后隨著溫度的升高，聚磺鉆井液的穩(wěn)定指數(shù)先增大后減小，但與常溫(30 ℃)時穩(wěn)定指數(shù)相比變化不大，即體系的穩(wěn)定性變化不大，均處于十分穩(wěn)定的狀態(tài)。說明溫度升高對聚磺鉆井液的穩(wěn)定性影響不大。

圖3 不同溫度下試樣的穩(wěn)定指數(shù)TSI

2.3 不同處理劑添加情況下的穩(wěn)定指數(shù)

常溫(30 ℃)下5種試樣的穩(wěn)定指數(shù)見圖4。

圖4 試樣的穩(wěn)定指數(shù)TSI

由圖4可得，常溫下(30 ℃)改變不同處理劑的加入情況，聚磺鉆井液的穩(wěn)定指數(shù)發(fā)生變化，即穩(wěn)定性發(fā)生了變化；在完整聚磺鉆井液體系(1#)，其穩(wěn)定指數(shù)值較小，為2.6，說明此時體系十分穩(wěn)定；在去掉稀釋劑SMP-2和SMC的2#體系中，穩(wěn)定指數(shù)變?yōu)?1.7，穩(wěn)定性大大減弱；在去掉降濾失劑SPNH的3#體系中，穩(wěn)定指數(shù)變?yōu)?3.1，相較于1#體系變化更大，穩(wěn)定性進一步減弱；在去掉兩性離子類聚合物FA-367、XY-27 的4#體系中，穩(wěn)定指數(shù)變?yōu)?.4，與1#試樣的穩(wěn)定指數(shù)相比減小了，說明4#試樣的穩(wěn)定性比1#完整聚磺體系的穩(wěn)定性還強；在去掉磺化瀝青的5#試樣中，穩(wěn)定系數(shù)變?yōu)?4.9，為五組試樣中的最大值，因此5#試樣的穩(wěn)定性最弱。

總之，改變主體處理劑的加入情況，聚磺鉆井液的穩(wěn)定性發(fā)生改變，除去掉兩性離子類聚合物FA-367、XY-27 使體系的穩(wěn)定性增強了，而分別去掉其余處理劑均減弱了體系穩(wěn)定性。

2.4 聚磺鉆井液體系穩(wěn)定性變化機理分析

2.4.1溫度的影響

聚磺鉆井液的穩(wěn)定性主要是黏土粒子(<2 mm)的穩(wěn)定性，包括聚結(jié)穩(wěn)定性和沉降穩(wěn)定性。聚結(jié)穩(wěn)定性是前提，占主要方面。聚結(jié)穩(wěn)定性的排斥力包括黏土水化膜、吸附在黏土表面的處理的水化膜和電性排斥力。電性排斥力是膠粒間范德華力，以及微粒端面間正負電性吸引力綜合作用的結(jié)果。溫度升高，可使處理劑高溫解吸附，使黏土膠體失去處理劑水化的保護而聚結(jié)，但聚磺處理劑具有強抗高溫能力，高溫一般只引起體系聚結(jié)穩(wěn)定性的局部降低。

各類聚合物處理劑的耐溫性能一般不等同于由它處理的鉆井液的耐溫性能，且聚磺鉆井液中含有的磺化類聚合物本身都具有良好的抗高溫性能。鉆井液一般是由黏土(膨潤土等)、多種處理劑、鉆屑和水等組成的完整而復(fù)雜的體系，其抗溫能力除了與單劑處理劑的抗溫能力有關(guān)外，其他各種處理劑和組分之間的相互作用也影響著鉆井液體系的熱穩(wěn)定性。如高溫時，聚磺鉆井液處理劑之間還會發(fā)生高溫膠聯(lián)作用，導(dǎo)致鉆井液體系穩(wěn)定性增強[9]。因此，高溫并不能減弱體系穩(wěn)定性，并且有可能使體系穩(wěn)定性增強。

2.4.2主體處理劑對聚磺鉆井液體系穩(wěn)定性影響機理分析

鉆井液體系穩(wěn)定性發(fā)生變化的根本原因是排斥力與吸引力發(fā)生了變化，不同處理劑的加入會導(dǎo)致空間位阻(水化膜)與電性排斥力(Zeta電位)朝不同方向變化，并且變化程度也各不相同。在聚磺鉆井液中，SMP-1、SMC類磺化處理劑常配合用作降濾失劑，復(fù)配使用后，SMP-1在黏土表面的吸附量可增加5～6倍，從而使黏土顆粒表面的Zeta電位明顯增大，水化膜明顯增厚，使處理劑護膠能力增強，最終導(dǎo)致鉆井液穩(wěn)定性增強。SMT類磺化處理劑作為降黏劑，能有效地拆散鉆井液中黏土晶片以端-面和面-端連接而形成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，還能通過高價陽離子的絡(luò)合作用，有效地抑制黏土的高溫分散，使鉆井液穩(wěn)定性增強。兩性離子類聚合物(JT888與XY-27組合)，既有降黏作用，還有一定抑制頁巖水化的作用。XY-27一方面能與黏土發(fā)生離子型吸附，一方面又由于其特有的結(jié)構(gòu)使它與高聚物之間的交聯(lián)或絡(luò)合機會增加，從而具有很好的降黏效果。分子鏈中的有機陽離子基團吸附于黏土表面后，中和了黏土表面的一部分負電荷，削弱了黏土的水化作用。即兩性離子類聚合物的加入也是從空間位阻和電性排斥力方面減弱了體系的穩(wěn)定性。磺化瀝青類處理劑含有磺酸基，水化作用很強，形成水化膜，可阻止顆粒的水化分散，本身還帶有一定的Zeta電位，其軟化點高于鉆井液體系的使用溫度，使用時磺化瀝青仍處于半流質(zhì)狀態(tài)，故其對鉆井液體系的黏度影響非常大，即對聚磺鉆井液體系的穩(wěn)定性影響極大[10-12]。

綜上可見，各類處理劑的作用機理與其所產(chǎn)生的影響結(jié)果完全吻合，聚磺鉆井液的穩(wěn)定性決定于各類處理劑及其他組分之間的相互作用。

3 結(jié) 論

a.多重光散射技術(shù)可以運用于鉆井液實驗研究，利用穩(wěn)定指數(shù)TSI定量、直觀地研究聚磺鉆井液體系穩(wěn)定性變化。

b.聚磺鉆井液體系在高溫(140 ℃范圍內(nèi))相對穩(wěn)定，即溫度不會對聚磺鉆井液的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響。各類處理劑均會對聚磺鉆井液的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，且各自產(chǎn)生影響的結(jié)果和程度不同。在完整聚磺鉆井液體系中，不加入兩性離子類聚合物反而會使體系的穩(wěn)定性增強，而不加入其他類處理劑體系的穩(wěn)定性是減弱的。通過聚磺鉆井液體系穩(wěn)定性變化機理分析，與溫度和主體處理劑的影響結(jié)果一致。

c.研究聚磺鉆井液體系穩(wěn)定性的目的是通過分析聚磺鉆井液體系的穩(wěn)定機理及影響因素，為廢棄聚磺鉆井液的處理提供參考，后續(xù)工作可以從聚磺鉆井液體系穩(wěn)定性入手研究具體的破壞其穩(wěn)定性的方法。

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