抗高溫合成基鉆井液用乳化劑的研究

王旭東

(中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東 東營(yíng) 257000)

由于連續(xù)相是油，油基(油包水型)鉆井液具有抑制性強(qiáng)、抗溫能力強(qiáng)、潤(rùn)滑性好、油氣層保護(hù)效果好、抗污染能力強(qiáng)以及等優(yōu)點(diǎn)，因此在水敏性地層、高溫地層等復(fù)雜地層具有廣泛的應(yīng)用[1-2]。根據(jù)油相不同，油基鉆井液可分為柴油基鉆井液、白油基鉆井液和合成基鉆井液。和柴油/白油基鉆井液相比，合成基鉆井液毒性低、環(huán)保性能更好，具有廣闊的發(fā)展前景。但是合成基鉆井液基礎(chǔ)油分子鏈短、分子間作用力弱，乳化難度大，特別是抗高溫的乳化劑還達(dá)不到要求，限制了其在現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用[3-4]。本文通過研制高性能乳化劑，形成了一套抗高溫合成基鉆井液體系，為合成基鉆井液的推廣應(yīng)用提供了技術(shù)支撐。

1 乳化劑的研制

油包水型的合成基鉆井液本質(zhì)上是不穩(wěn)定的乳狀液體系，維持乳狀液的穩(wěn)定性，特別是在高溫條件下的穩(wěn)定性是建立抗高溫合成基鉆井液的核心問題[5]。合成基基礎(chǔ)油的分子鏈短，分子間作用力弱，常規(guī)乳化劑的乳化效果差，為了得到穩(wěn)定的乳狀液，引入了低聚型表面活性劑作為合成基鉆井液的乳化劑[6]。

1.1 制備方法

將與合成基基礎(chǔ)油具有較好相溶性的有機(jī)酸和具有特殊結(jié)構(gòu)的有機(jī)胺加入到燒瓶中，氮?dú)獗Ｗo(hù)，并加入催化劑，于一定溫度下通過酰胺化反應(yīng)生成低聚型酰胺類乳化劑，除去水分后，加入司盤80和吐溫80的混合物，攪拌均勻，即為研制的乳化劑，代號(hào)為SLH-3。

1.2 作用原理

該乳化劑分子中引入了酰胺基，增強(qiáng)了其在油水界面的吸附能力，提高了該乳化劑的乳化能力。該乳化劑屬于低聚型表面活性劑，由于其特殊的分子結(jié)構(gòu)，該乳化劑分子在油水界面聚集吸附時(shí)，同時(shí)存在烷基鏈之間的分子內(nèi)相互作用和依靠氫鍵而形成的分子間相互作用，極大地提高了其構(gòu)建和穩(wěn)定油包水乳狀液的能力[6]。此外，該乳化劑屬于非離子型的乳化劑，和其它處理劑的配伍性較好。

2 乳化劑的性能評(píng)價(jià)

2.1 評(píng)價(jià)方法

量取210 mL合成基的基礎(chǔ)油，在水浴加熱(50℃)、攪拌條件下加入3%的乳化劑SLH-3， 待SLH-3完全溶解后，加入90 mL的水(20%的CaCl2溶液)，繼續(xù)攪拌20 min，得到油包水乳狀液。通過評(píng)價(jià)乳狀液的穩(wěn)定性來(lái)評(píng)價(jià)乳化劑的性能[7]。

破乳電壓法：將電穩(wěn)定性測(cè)試儀的探頭置于盛有乳狀液的漿杯中，記錄并求出兩次測(cè)量結(jié)果的平均值，兩次讀值之差不得超過5%；乳化率評(píng)價(jià)法：將一定體積(V，mL)的乳狀液倒入量筒中，靜置觀察并讀取2 h 分離出油相的體積(V1，mL)，乳化率W=(V-V1)/V×100%；離心評(píng)價(jià)法：在帶刻度的離心管中加入10mL 乳狀液，在2000 r /min 的轉(zhuǎn)速下離心5 min，測(cè)定離心試管中分離出液體的體積。上部清液的體積(析液量，ΔV)越小，說(shuō)明乳狀液越穩(wěn)定；高溫老化評(píng)價(jià)法：將乳狀液倒入高溫老化罐中，在一定溫度下老化16 h，之后測(cè)試乳狀液的性能，可以評(píng)價(jià)乳狀液的高溫穩(wěn)定性。

2.2 評(píng)價(jià)結(jié)果

利用破乳電壓法、乳化率評(píng)價(jià)法和離心評(píng)價(jià)法測(cè)試了所配制乳狀液在不同溫度老化前后的穩(wěn)定性，結(jié)果如表1所示。

表1 不同溫度老化之后乳狀液的性能測(cè)試(50℃)

注：乳狀液組成：210 mL合成基+90 mL 20%的CaCl2水溶液+3%的SLH-3。

由表1可見，220℃老化16 h之后，乳狀液的破乳電壓值在800 V以上，說(shuō)明乳狀液的電穩(wěn)定性優(yōu)異；2 h的乳化率大于90%，說(shuō)明乳化劑分子在油水界面上形成了界面膜結(jié)構(gòu)，能夠阻止油的析出；析液量小于0.8 mL，說(shuō)明乳化劑分子形成的界面膜強(qiáng)度高，能夠阻止較強(qiáng)外力對(duì)乳狀液穩(wěn)定性的破壞。隨著老化溫度的增加，乳狀液的穩(wěn)定性呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，這是因?yàn)槔匣瘻囟鹊陀?50℃時(shí)，溫度升高促進(jìn)了乳化劑在油水界面上的吸附，增強(qiáng)了界面膜的強(qiáng)度，提高了其穩(wěn)定性；當(dāng)老化溫度大于180℃后，繼續(xù)提高溫度，過高的溫度會(huì)導(dǎo)致乳化劑分子在油水界面上的解吸附，降低乳狀液的穩(wěn)定性。當(dāng)老化溫度達(dá)到220℃時(shí)，乳狀液的穩(wěn)定性仍然保持在較高的水平上，說(shuō)明研制的乳化劑在高溫條件下仍然具有良好的乳化能力，能夠滿足配制抗高溫合成基鉆井液的需要。此外，該乳狀液在水相含量達(dá)到30%時(shí)具有很好的穩(wěn)定性，說(shuō)明研制的乳化劑對(duì)合成基基礎(chǔ)油的乳化能力很強(qiáng)，由于水相含量的增加，可以有效降低合成基鉆井液使用的成本。

3 抗高溫合成基鉆井液

3.1 抗高溫合成基鉆井液的基礎(chǔ)配方

在研制高性能乳化劑SLH-3的基礎(chǔ)上，優(yōu)選抗高溫的其他處理劑(有機(jī)土、降濾失劑、潤(rùn)濕劑、抗高溫封堵劑等)，建立了抗高溫合成基鉆井液基礎(chǔ)配方：合成基基礎(chǔ)油(210 mL)+20%的CaCl2水溶液90 mL+3%乳化劑SLH-3+3%有機(jī)土+4%降濾失劑+3%潤(rùn)濕劑+1%抗高溫封堵劑+2%的堿度調(diào)節(jié)劑(CaO)+重晶石(鉆井液體系密度范圍0.9 ～1.5 g/cm3)。

3.2 抗高溫合成基鉆井液的性能

測(cè)試合成基鉆井液在高溫老化前后的流變性能、電穩(wěn)定性以及不同條件下的濾失量：室溫中壓濾失量(FLAPI，室溫，0.7 MPa)和高溫高壓濾失量(FLHTHP，150℃，3.5 MPa)。

抗高溫合成基鉆井液的性能詳見表2。

表2 不同溫度老化后合成基鉆井液的性能(50℃)

由表2的數(shù)據(jù)可知，加入有機(jī)土、降濾失劑、潤(rùn)濕劑和抗高溫封堵劑等配套處理劑后，體系的破乳電壓增大，說(shuō)明優(yōu)選的處理劑與乳化劑具有較好的配伍性，能夠增強(qiáng)體系的穩(wěn)定性。配制的合成基鉆井液老化前后塑性粘度較低、動(dòng)切力較高，動(dòng)/塑比保持在較高的水平，流變性能優(yōu)異，體系的API濾失量小于2.0 mL，HTHP濾失量小于10 mL，說(shuō)明優(yōu)選的降濾失劑效果良好。220℃老化之后，體系的性能變化不大，說(shuō)明該體系具有優(yōu)異的抗溫能力，能抗220℃的高溫。

3.3 抗污染能力評(píng)價(jià)

對(duì)體系的抗污染能力進(jìn)行了評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果詳見表3。由表3的數(shù)據(jù)可知，在本文研制的合成基鉆井液體系中加入3%的NaCl 、2%的CaCl2、10%的水和20%的鉆屑后，塑性粘度、動(dòng)切力、破乳電壓和濾失量等關(guān)鍵指標(biāo)沒有出現(xiàn)明顯的惡化，主要性能能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的要求，說(shuō)明體系抗污染能力強(qiáng)。

表3 體系抗污染能力評(píng)價(jià)結(jié)果

4 結(jié)論

(1)通過酰胺化反應(yīng)合成了適合合成基使用的低聚型酰胺類乳化劑，該乳化劑結(jié)構(gòu)特殊，性能優(yōu)異，在高溫(220℃)下仍然能夠保持較好的乳化效果。

(2)以研制的乳化劑為基礎(chǔ)，優(yōu)選其它處理劑，構(gòu)建了抗高溫合成基鉆井液體系。在50～220℃范圍內(nèi)，該體系穩(wěn)定性好，流變性能優(yōu)異，濾失量低，抗污染能力強(qiáng)，能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)高溫地層鉆探的需要。