文献解读|山东大学孙德军团队《Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects》：基于低场核磁共振技术的油基钻井液水分分布表征

摘要

本文研究了油基钻井液中水的存在形式，特别是“反相乳液钻井液”中的水滴与颗粒之间的相互作用。通常认为油基钻井液是油包水（W/O）乳液和无机亲水颗粒（如重晶石和黏土）的混合体系，但水滴与无机亲水颗粒之间的相互作用尚未被充分考虑。本文通过向油包水（W/O）乳液中添加亲水颗粒BaSO₄和疏水颗粒聚四氟乙烯（PTFE），研究了油相中水的存在形式。

实验结果表明，与疏水颗粒PTFE相比，亲水颗粒BaSO₄能够与水滴结合，形成水合颗粒聚集体。此外，实际的油基钻井液中水的存在形式通过二维T₁-T₂ NMR技术进行了验证。研究发现，油基钻井液并非简单的W/O乳液，而是结合水的颗粒在油相中的胶体分散体系。这一发现为设计新一代油基钻井液提供了科学依据。

背景

钻井液在石油和天然气钻探作业中起着至关重要的作用，其主要功能包括冷却和润滑钻头、携带岩屑到井口、形成低渗透性滤饼、维持井眼稳定性和防止钻杆腐蚀。通常，油基钻井液被认为是油包水（W/O）乳液和无机颗粒（如重晶石和黏土）的混合体系，其中油水比约为8:2。然而，这种模型忽略了水滴与颗粒之间的相互作用，而这种相互作用可能对钻井液的性能产生重要影响。

近年来，一些研究致力于利用水滴与亲水颗粒间相互作用，分离油相中过于分散的颗粒。例如，在油砂沥青泡沫处理过程中，沥青包裹的细小颗粒在油相中稳定分散导致颗粒脱除困难，通过使用亲水性聚合物来增强沥青包裹的细小颗粒的亲水性，然后加入少量水，促进颗粒聚集沉降，实现油相中细小颗粒的脱除。然而，油基钻井液通常被认为是油-水-固三相胶体分散体系，其中不可避免地存在水滴与颗粒之间的相互作用。

因此，本文旨在探讨油基钻井液中水的存在形式，特别是水滴与亲水颗粒之间的相互作用。通过向油包水乳液中添加亲水颗粒BaSO₄和疏水颗粒PTFE，研究了水滴在油相中存在形式的变化，并通过低场核磁（LF NMR）等技术进行了表征。研究结果表明，油基钻井液并非简单的W/O乳液，而是结合水的颗粒在油相中的胶体分散体系。

实验方法与结果分析

样品制备

实验中制备了三种体系，为油包盐水乳液，向油包盐水乳液中分别加入亲水颗粒BaSO₄和疏水颗粒PTFE，观察体系中水的弛豫时间分布，通过对比超声前后水弛豫时间的变化，说明油相中水的存在形式。T₂弛豫时间分布：超声前（A）油包盐水乳液，向油包盐水乳液加入（B）亲水颗粒BaSO₄和（C）疏水颗PTFE。（a–c）为（A–C）对应超声后的体系。颗粒的体积分数为20%。

核磁共振表征

低场核磁共振（LF-NMR）：用于测量含氢样品的T₂弛豫时间，以区分不同存在形式的水（如自由水滴、束缚水）。通过T₂弛豫时间的分布，可以识别出不同状态下水相的特征。

图一：不同样品状态的T₂分布

图一展示了油基钻井液中水的存在形式及其与颗粒的相互作用。图A–C显示，超声前油包盐水乳液，添加亲水颗粒BaSO₄和疏水颗粒PTFE后，体系中水的T₂弛豫时间均在1629 ms左右，弛豫时间均较长，说明水中氢原子处于相对自由的状态，证明体系中水以水滴的形式存在。超声后，在高剪切条件下水滴与颗粒充分碰撞，对于油包盐水体系，水的T₂弛豫时间仍较长，这是由于，虽然超声后水滴粒径变小，但水中氢原子仍处于相对自由的状态。而对于加入亲水颗粒BaSO₄的体系，超声后水的T₂弛豫时间从1629 ms缩短至70 ms，说明水中氢原子从相对自由状态变为束缚状态，证明了水滴与亲水颗粒的结合。这种现象与文中提到的“水滴与BaSO₄颗粒结合形成水合颗粒聚集体分散在油相中”相一致。相比之下，对于加入疏水颗粒PTFE的体系，超声后T₂弛豫时间没有明显变化，说明水滴与疏水颗粒相互作用较弱，仍以水滴的形式分散在油相中。

二维T₁-T₂ NMR：进一步分离重叠的组分，使得在复杂体系中也能准确识别不同含氢组分的弛豫时间特征。

图二：添加0-5-10%MnCl₂的油基钻井液2D T₁-T₂ 图

从图二可以看出：在实际油基钻井液中，油、盐水和有机物的T₂弛豫时间重叠，但通过2D T₁-T₂ NMR测量，可以分离出三个不同的区域，分别对应不同的含氢组分。其中，区域①随着顺磁因子MnCl₂的加入，弛豫信号发生偏移，证明区域①为油基钻井液中的水。而区域①对应T₂弛豫时间为25 ms，远低于水滴的T₂弛豫时间，说明油基钻井液中水与颗粒结合。

本研究通过核磁共振技术，特别是LF-NMR和2D T₁-T₂ NMR，结合LT-DSC和光学显微镜观察，揭示了油基钻井液中水的存在形式的变化。实验结果表明：油基钻井液并非简单的W/O乳液体系，而是结合水的颗粒在油相中的胶体分散体系。添加亲水性颗粒后，水分子从自由水滴转变为结合水，显著改变了其弛豫时间和结晶温度。这些发现为理解油基钻井液的微观结构和优化其性能提供了重要依据。

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