文獻(xiàn)解讀|山東大學(xué)孫德軍團(tuán)隊(duì)《Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects》：基于低場核磁共振技術(shù)的油基鉆井液水分分布表征

摘要

本文研究了油基鉆井液中水的存在形式，特別是“反相乳液鉆井液”中的水滴與顆粒之間的相互作用。通常認(rèn)為油基鉆井液是油包水（W/O）乳液和無機(jī)親水顆粒（如重晶石和黏土）的混合體系，但水滴與無機(jī)親水顆粒之間的相互作用尚未被充分考慮。本文通過向油包水（W/O）乳液中添加親水顆粒BaSO?和疏水顆粒聚四氟乙烯（PTFE），研究了油相中水的存在形式。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與疏水顆粒PTFE相比，親水顆粒BaSO?能夠與水滴結(jié)合，形成水合顆粒聚集體。此外，實(shí)際的油基鉆井液中水的存在形式通過二維T?-T? NMR技術(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證。研究發(fā)現(xiàn)，油基鉆井液并非簡單的W/O乳液，而是結(jié)合水的顆粒在油相中的膠體分散體系。這一發(fā)現(xiàn)為設(shè)計新一代油基鉆井液提供了科學(xué)依據(jù)。

背景

鉆井液在石油和天然氣鉆探作業(yè)中起著至關(guān)重要的作用，其主要功能包括冷卻和潤滑鉆頭、攜帶巖屑到井口、形成低滲透性濾餅、維持井眼穩(wěn)定性和防止鉆桿腐蝕。通常，油基鉆井液被認(rèn)為是油包水（W/O）乳液和無機(jī)顆粒（如重晶石和黏土）的混合體系，其中油水比約為8:2。然而，這種模型忽略了水滴與顆粒之間的相互作用，而這種相互作用可能對鉆井液的性能產(chǎn)生重要影響。

近年來，一些研究致力于利用水滴與親水顆粒間相互作用，分離油相中過于分散的顆粒。例如，在油砂瀝青泡沫處理過程中，瀝青包裹的細(xì)小顆粒在油相中穩(wěn)定分散導(dǎo)致顆粒脫除困難，通過使用親水性聚合物來增強(qiáng)瀝青包裹的細(xì)小顆粒的親水性，然后加入少量水，促進(jìn)顆粒聚集沉降，實(shí)現(xiàn)油相中細(xì)小顆粒的脫除。然而，油基鉆井液通常被認(rèn)為是油-水-固三相膠體分散體系，其中不可避免地存在水滴與顆粒之間的相互作用。

因此，本文旨在探討油基鉆井液中水的存在形式，特別是水滴與親水顆粒之間的相互作用。通過向油包水乳液中添加親水顆粒BaSO?和疏水顆粒PTFE，研究了水滴在油相中存在形式的變化，并通過低場核磁（LF NMR）等技術(shù)進(jìn)行了表征。研究結(jié)果表明，油基鉆井液并非簡單的W/O乳液，而是結(jié)合水的顆粒在油相中的膠體分散體系。

實(shí)驗(yàn)方法與結(jié)果分析

樣品制備

實(shí)驗(yàn)中制備了三種體系，為油包鹽水乳液，向油包鹽水乳液中分別加入親水顆粒BaSO?和疏水顆粒PTFE，觀察體系中水的弛豫時間分布，通過對比超聲前后水弛豫時間的變化，說明油相中水的存在形式。T₂弛豫時間分布：超聲前（A）油包鹽水乳液，向油包鹽水乳液加入（B）親水顆粒BaSO₄和（C）疏水顆PTFE。（a–c）為（A–C）對應(yīng)超聲后的體系。顆粒的體積分?jǐn)?shù)為20%。

核磁共振表征

低場核磁共振（LF-NMR）：用于測量含氫樣品的T₂弛豫時間，以區(qū)分不同存在形式的水（如自由水滴、束縛水）。通過T₂弛豫時間的分布，可以識別出不同狀態(tài)下水相的特征。

圖一：不同樣品狀態(tài)的T₂分布

圖一展示了油基鉆井液中水的存在形式及其與顆粒的相互作用。圖A–C顯示，超聲前油包鹽水乳液，添加親水顆粒BaSO?和疏水顆粒PTFE后，體系中水的T₂弛豫時間均在1629 ms左右，弛豫時間均較長，說明水中氫原子處于相對自由的狀態(tài)，證明體系中水以水滴的形式存在。超聲后，在高剪切條件下水滴與顆粒充分碰撞，對于油包鹽水體系，水的T₂弛豫時間仍較長，這是由于，雖然超聲后水滴粒徑變小，但水中氫原子仍處于相對自由的狀態(tài)。而對于加入親水顆粒BaSO?的體系，超聲后水的T₂弛豫時間從1629 ms縮短至70 ms，說明水中氫原子從相對自由狀態(tài)變?yōu)槭`狀態(tài)，證明了水滴與親水顆粒的結(jié)合。這種現(xiàn)象與文中提到的“水滴與BaSO?顆粒結(jié)合形成水合顆粒聚集體分散在油相中”相一致。相比之下，對于加入疏水顆粒PTFE的體系，超聲后T₂弛豫時間沒有明顯變化，說明水滴與疏水顆粒相互作用較弱，仍以水滴的形式分散在油相中。

二維T₁-T₂ NMR：進(jìn)一步分離重疊的組分，使得在復(fù)雜體系中也能準(zhǔn)確識別不同含氫組分的弛豫時間特征。

圖二：添加0-5-10%MnCl₂的油基鉆井液2D T₁-T₂ 圖

從圖二可以看出：在實(shí)際油基鉆井液中，油、鹽水和有機(jī)物的T₂弛豫時間重疊，但通過2D T₁-T₂ NMR測量，可以分離出三個不同的區(qū)域，分別對應(yīng)不同的含氫組分。其中，區(qū)域①隨著順磁因子MnCl₂的加入，弛豫信號發(fā)生偏移，證明區(qū)域①為油基鉆井液中的水。而區(qū)域①對應(yīng)T₂弛豫時間為25 ms，遠(yuǎn)低于水滴的T₂弛豫時間，說明油基鉆井液中水與顆粒結(jié)合。

本研究通過核磁共振技術(shù)，特別是LF-NMR和2D T₁-T₂ NMR，結(jié)合LT-DSC和光學(xué)顯微鏡觀察，揭示了油基鉆井液中水的存在形式的變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：油基鉆井液并非簡單的W/O乳液體系，而是結(jié)合水的顆粒在油相中的膠體分散體系。添加親水性顆粒后，水分子從自由水滴轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)合水，顯著改變了其弛豫時間和結(jié)晶溫度。這些發(fā)現(xiàn)為理解油基鉆井液的微觀結(jié)構(gòu)和優(yōu)化其性能提供了重要依據(jù)。

推薦設(shè)備：核磁共振鉆井液高溫高壓模擬評價系統(tǒng)

紐邁基于鉆井液不斷在井下高溫高壓條件下循環(huán)工作的實(shí)際復(fù)雜環(huán)境，進(jìn)一步推出核磁共振鉆井液高溫高壓模擬評價系統(tǒng)，能夠模擬鉆井液在鉆井地層中的溫壓條件（0-150℃；0-70Mpa），支持長時間進(jìn)行變溫變壓的在線實(shí)驗(yàn)研究：表征鉆井液油水組分隨溫壓變化的分布；解釋顆粒團(tuán)聚沉降作用機(jī)理；評價配方改進(jìn)改良效果；評估油基鉆井液老化穩(wěn)定性等一系列基于核磁共振技術(shù)的鉆井液高溫高壓復(fù)雜工況條件下的開放創(chuàng)新命題研究。