油基鉆井液主乳化劑的合成及性能評價

丁 磊，羅春芝，肖瑞雪 （長江大學化學與環(huán)境工程學院，湖北 荊州434023）

馬來松香是由松香和馬來酸酐反應得到的，主要用于制造油墨、油漆、涂料、膠黏劑等［1－3］。隨著我國頁巖氣勘探開發(fā)的全面鋪開，油基鉆井液得到了越來越廣泛的應用［4］，而油基鉆井液的關鍵在于主乳化劑的選擇。研究表明，馬來松香可作為油基鉆井液的主乳化劑［5］，但其乳化性能與松香的軟化點、原料比及合成條件關系很大。為此，筆者在室內選擇不同軟化點的松香，在一定條件下合成了一系列馬來松香樣品，再從中優(yōu)選出乳化性能最好的樣品并確定其軟化點。并以此為基礎，改變松香與馬來酸酐的比例，合成了一系列馬來松香樣品，并對其乳化性能進行評價。

1 樣品合成及其物性分析

1.1 主要原料

松香 （工業(yè)級）；馬來酸酐 （工業(yè)級）；丙三醇 （工業(yè)級）；CaO （工業(yè)級）。

1.2 合成方法

首先稱取一定量的松香于三口燒瓶中，將三口燒瓶放于油浴鍋中加熱，待松香完全熔化后，向三口燒瓶中加入馬來酸酐，當溫度上升到176℃左右時添加丙三醇，然后使溫度上升到200～203℃，加入催化劑，恒溫反應4h，反應結束后，倒出反應產(chǎn)物，冷卻并粉碎后即得到馬來松香樣品。

1.3 松香軟化點的確定

選用不同軟化點的松香為原料，合成5個馬來松香樣品。在油基鉆井液基本配方中加入3%樣品配制成油基鉆井液體系，以濾失量和破乳電壓為評價標準，分別對其進行性能評價 （見表1）。由表1可知，以軟化點為124℃的松香為原材料合成的馬來松香樣品配制的油基鉆井液濾失量最小，破乳電壓最高，由此可以看出該樣品的乳化性能最好。因此，選擇軟化點為124℃的松香為最佳松香。

表1 不同軟化點松香對馬來松香性能的影響

1.4 原料配比的確定

改變松香及馬來酸酐的摩爾數(shù)比，其他條件保持一致，合成7個樣品。在油基鉆井液基本配方中加入3%樣品配制成油基鉆井液體系，以濾失量和破乳電壓為評價標準，分別對其進行性能評價（見表2）。從表2可以看出，隨著松香和馬來酸酐摩爾比的增加，鉆井液濾失量先下降后上升，破乳電壓先上升后下降，流變性參數(shù)基本呈上升趨勢。當松香和馬來酸酐摩爾比為2.4∶1時，合成樣品所配制出的油基鉆井液體系的濾失量最小，破乳電壓最大，流變性也能很好滿足現(xiàn)場鉆井要求。因此，松香和馬來酸酐最佳原料比為2.4∶1。

表2 原料配比對馬來松香性能的影響

1.5 樣品紅外光譜分析

對合成樣品進行了紅外光譜分析 （見圖1）。從圖1可以看出：2939.95cm－1為—CH3伸 縮 振 動峰，1694.98cm－1為C═ C伸縮振動峰，1354.03～1041.89cm－1為環(huán)酸酐伸縮振動峰，3372.11cm－1為—OH 伸縮振動峰，1602.33cm－1為C═ O的伸縮振動峰。該樣品的紅外光譜圖與馬來松香標準譜圖相符，從而證實該樣品為馬來松香。

2 性能評價

圖1 樣品的紅外光譜圖

2.1 乳化性能

室內選擇油田現(xiàn)場常用的環(huán)烷酸鈣、EZ－MUL（哈里伯頓）和市場購買的馬來松香1、馬來松香2進行乳化性能對比評價。在油基鉆井液基本配方中分別加入3%的主乳化劑配制成油基鉆井液，在120℃條件下滾動老化16h，以濾失量和破乳電壓為評價標準，評價不同主乳化劑的乳化性能 （見表3）。從表3可以看出，與其他幾種乳化劑相比較，以合成樣品為主乳化劑的油基鉆井液流變性參數(shù)能滿足安全鉆井要求，濾失量最小，破乳電壓最高，鉆井液最穩(wěn)定，說明合成樣品的乳化性能最好。

表3 不同乳化劑對油基鉆井液體系性能的影響

2.2 樣品加量對油基鉆井液體系性能的影響

在油基鉆井液基本配方中加入不同加量的樣品配制出不同油基鉆井液，在120℃下滾動老化16h，以濾失量和破乳電壓為評價標準，評價樣品加量對油基鉆井液體系性能的影響 （見表4）。從表4可以看出，隨樣品加量的增加，鉆井液濾失量、破乳電壓先下降后上升，流變性參數(shù)變化不大。當樣品加量為2.5%～3.5%時，鉆井液的API濾失量及高溫高壓濾失量均較低，破乳電壓較大，流變性也能滿足鉆井要求。因此確定樣品的最佳加量在2.5%～3.5%之間。

表4 樣品加量對油基鉆井液體系性能的影響

2.3 抗溫性能

在油基鉆井液基本配方中加入3%樣品配制成油基鉆井液，在不同溫度下滾動老化16h，以濾失量和破乳電壓為評價標準，評價溫度對樣品乳化性能影響 （見表5）。從表5可以看出，隨溫度的升高，鉆井液流變性變化很小，濾失量略有增加，破乳電壓稍下降。溫度為150℃時，鉆井液各項性能仍均能滿足要求；溫度為160℃時，鉆井液各項性都有下降，但還能滿足鉆井要求，這表明以合成樣品為主乳化劑的油基鉆井液的抗溫性能較好。

表5 溫度對樣品乳化性能影響

2.4 抗鹽性能

在油基鉆井液基本配方中加入3%樣品配制成油基鉆井液，在該鉆井液中加入不同加量的NaCl，在120℃下滾動老化16h，以濾失量和破乳電壓為評價標準，評價NaCl對樣品乳化性能的影響 （見表6）。從表6可以看出，隨NaCl加量增加，鉆井液流變性參數(shù)變化不大，濾失量增大，破乳電壓下降。只是當NaCl加量超過10%時，濾失量增大到不能滿足安全鉆井要求，破乳電壓也接近臨界值，表明鉆井液穩(wěn)定性受到一定影響?？傮w而言，以合成樣品為主乳化劑的油基鉆井液的抗鹽性能較好。

表6 鹽加量對油基鉆井液性能的影響

3 結 論

（1）樣品最佳合成條件為：松香軟化點為124℃；松香與馬來酸酐的摩爾比為2.4∶1。

（2）與常用油基鉆井液乳化劑及市售的馬來松香相比，合成樣品的乳化性能最好。

（3）合成樣品加量為2.5%～3.5%時，油基鉆井液的流變性能很好地滿足鉆井要求。

（4）以合成樣品為主乳化劑的油基鉆井液的抗溫、抗鹽性能較好。

［1］宋湛謙 .利用松脂資源發(fā)展精細化工 ［J］.林產(chǎn)化學與工業(yè)，1994，14（1）：68－73.

［2］張廣友，張晉康，黃希壩 .松香為原料表面活性劑的合成與發(fā)展趨勢 ［J］.林產(chǎn)化學與工業(yè)，1993，13（1）：89－96.

［3］趙小紅，梁柏林 .以應用性能為導向的熔融法微波輔助加熱合成馬來松香 ［J］.應用化工，2011，40（10）：1800－1803.

［4］王中華 .頁巖氣水平井鉆井液技術的難點及選用原則 ［J］.中外能源，2012，17（4）：43－47.

［5］張國運 .松香系列表面活性劑的合成和應用 ［J］.日用化學工業(yè)，2004，34（2）：105－107.