油基鉆井液乳化劑的篩選及評(píng)價(jià)

蘇超　李闖　肖文惠　邵帥

摘 要：從常用的主乳化劑和輔助乳化劑中進(jìn)行篩選并對(duì)不同加量的主輔乳化劑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到熱滾前后乳化液的破乳電壓，選出最佳的主輔乳化劑和用量，同時(shí)對(duì)配置的乳化液的抗污染性和抗乳化性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，評(píng)價(jià)了其各項(xiàng)性能，結(jié)果表明所配制的乳化液各項(xiàng)性能表現(xiàn)良好，可用于油基鉆井液中。

關(guān) 鍵 詞：乳化劑；油基鉆井液；破乳電壓

中圖分類號(hào)：TE 357 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1671-0460（2017）07-1378-04

Selection and Evaluation of Emulsifier for Oil-based Drilling Fluids

SU Chao， LI Chuang， XIAO Wen-hui， SHAO Shuai

（Northeast Petroleum University， HeiLongjiang Daqing 163318， China）

Abstract： Main emulsifier and auxiliary emulsifier were selected， the experiments by using different amount of the main emulsifier and auxiliary emulsifier were carried out， emulsion breaking voltages of the emulsion before and after hot rolling were obtained， the best main emulsifier and auxiliary emulsifier and their dosage were determined. Anti-fouling and anti-emulsifying properties of the emulsion with the best formula were tested. The results show that the performance of prepared emulsion is good and can be used in oil-based drilling fluids.

Key words： Emulsifier； Oil-based drilling fluid； Emulsion breaking voltage

油基鉆井液具有耐高溫、穩(wěn)定性好、潤(rùn)滑性較好并對(duì)井下油氣層有一定的保護(hù)作用等優(yōu)點(diǎn)。[1-5]油基鉆井液常用基液為油包水乳液，其整體性能主要取決于所用的乳液性能是否穩(wěn)定，乳化劑效果是否良好。目前，我國(guó)常用于油基鉆井液主乳化劑發(fā)展較快，但是仍存在一些問(wèn)題，主要體現(xiàn)在配制的油包水鉆井液經(jīng)高溫?zé)釢L后破乳電壓仍較低，不穩(wěn)定，另外主乳化劑成本較高，粘度較大，很難滿足鉆井現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用要求，[6-9]本文主要針對(duì)目前常用的主乳化劑和輔助乳化劑進(jìn)行配對(duì)，配制形成高性能、低成本的抗高溫油基鉆井液。

1 乳化劑類型的優(yōu)選

1.1 乳化劑的作用機(jī)理及類型

乳化劑的主要作用機(jī)理：①降低界面張力：表面活性劑在將界面上會(huì)發(fā)生吸附，表面活性分子會(huì)定向、緊密地吸附在油水界面上使界面能量降低，防止了油或水的聚集。例如，煤油/水的界面張力一般在40 N/m。向其中加入適當(dāng)?shù)谋砻婊钚詣浣缑鎻埩山抵? N/m以下，煤油就可容易地分散在水中。②增加界面強(qiáng)度：表面活性劑在界面吸附，形成界面膜，當(dāng)表面活性劑濃度較低時(shí)，界面上吸附的分子較少，界面強(qiáng)度較差，所形成的乳狀液穩(wěn)定性也差。繼續(xù)增加表面活性劑溶液濃度，表面活性劑分子在界面上會(huì)形成一個(gè)緊密得到界面膜，其強(qiáng)度相應(yīng)增大，乳狀液珠之間的凝聚所受到的阻力增大，形成的乳狀液的穩(wěn)定性就好。實(shí)踐證明，做為乳化劑的表面活性劑必須加入足夠量，一般要超過(guò)表面活性劑的膠束濃度，才具有最佳的乳化效果。③界面電荷的產(chǎn)生：如果加入的表面活性劑是離子型表面活性劑，液滴表面上吸附的表面活性劑分子的親水端是帶電離子，使液滴相互接近時(shí)就產(chǎn)生排斥力，從而防止了液滴聚集。常用的油包水鉆井液中，乳化劑按分子結(jié)構(gòu)主要分為以下類型[10-13]，如表1。

1.2 乳化劑種類的優(yōu)選

乳化劑的性能是油包水乳液是否穩(wěn)定的關(guān)鍵，也決定了整個(gè)油基鉆井液的整體性能?？垢邷亍⒏邏旱母咝阅苡突@井液同樣也需要選擇抗高溫、高性能的乳化劑。本文選取了幾種不同類的乳化劑，比較了其抗高溫性能及電穩(wěn)定性能，實(shí)驗(yàn)所選取的基液為500 mL柴油+125 mL 25% 氯化鈣水溶液+10 mL乳化劑，熱滾條件：150 ℃20 h，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

由表2實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得到：當(dāng)油水比為4∶1時(shí)，乳化劑的粘度隨著所加量逐漸升高，其中RHJ-3的抗溫性能與電穩(wěn)定性要強(qiáng)于RHJ-1和RHJ-2，綜合考慮選擇RHJ-3做為油基鉆井液的體系的主乳化劑。

1.3 乳化劑加量及優(yōu)選

1.3.1 主乳化劑加量及優(yōu)選

乳化劑的多少影響著乳狀液性能，如果加量太少，油水界面形成的吸附膜上的活性分子則不足，會(huì)導(dǎo)致配方的穩(wěn)定性變差；乳化劑加量過(guò)高，鉆井液粘度則過(guò)大，不易于鉆井液的流動(dòng)甚至造成井筒堵塞，且增大配制成本，因此需要合理確定乳化劑的加量，筆者通過(guò)測(cè)定不同加量乳化劑的乳狀液性能來(lái)確定其最佳加量，實(shí)驗(yàn)所使用的基準(zhǔn)試液為500 mL柴油+125 mL 20% 氯化鈣水溶液+1%輔助乳化劑，熱滾條件：150 ℃20 h實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：乳狀液的破乳電壓隨著主乳化劑的含量的增加而升高。這主要是因?yàn)橛退缑娴谋砻婊钚詣┓肿幼兌?，使得乳狀液性能更穩(wěn)定。當(dāng)乳化劑的加量控制在3%時(shí)，乳化液的破乳電壓基本處于穩(wěn)定，這是由于油水界面基本已經(jīng)被表面活性劑占領(lǐng)。綜上所述，主乳化劑最優(yōu)加量控制在4%（表3和圖1）。

1.3.2 輔乳化劑加量?jī)?yōu)選

輔乳化劑是一種十分重要的輔助化學(xué)劑，可以增強(qiáng)主乳化劑各項(xiàng)性能的同時(shí)保證乳化液的穩(wěn)定，加入輔乳化劑后，乳化液的油水界面處會(huì)形成一種復(fù)合吸附膜，以維持乳化液的穩(wěn)定性。本文主要測(cè)定FRHJ-1、FRHJ-2、FRHJ-3與主乳化劑RHJ-3之間的配套性以及相容性，實(shí)驗(yàn)所用基液為500 mL柴油+125 mL 20% 氯化鈣水溶液+3% RHJ-3，在150 ℃20 h的條件下進(jìn)行熱滾，具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得到，輔助乳化劑FRHJ-3與主乳化劑RHJ-3的相容性和配合性能最佳，配制后的乳化液各項(xiàng)性能綜合表現(xiàn)最為優(yōu)秀，且其最優(yōu)加量為1%。另外輔乳化劑可以改善乳化液的親水親油平衡，形成復(fù)合膜，增強(qiáng)乳化效果。

2 乳化劑性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)

2.1 乳化劑抗污染實(shí)驗(yàn)

由于油基鉆井液所用在的油層復(fù)雜，會(huì)由于地層中其他物質(zhì)的侵入導(dǎo)致鉆井液性能變化，因此在乳化劑的選擇時(shí)，除了考慮對(duì)乳化液的穩(wěn)定性能的影響，還有考慮其抗污染能力，以保證鉆井液在鉆井過(guò)程中，仍可以發(fā)揮其各項(xiàng)性能，本實(shí)驗(yàn)所用的基液為500 mL柴油+125 mL 20% 氯化鈣水溶液+3% RHJ-2+1% FHRJ-3，在熱滾條件為150 ℃20 h下進(jìn)行，其各項(xiàng)數(shù)據(jù)如表5所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所配制的乳化液的抗污染性能較為不錯(cuò)，當(dāng)乳化液體系中的含水量達(dá)到35%時(shí)，破乳電壓仍然很高，說(shuō)明以主乳化劑RHJ-3與輔乳化劑FRHJ-3配制而成的乳狀液性能穩(wěn)定，抗污染能力強(qiáng)，可知主輔乳化劑的兼容性及協(xié)同工作效果良好，可以滿足配制油基鉆井液的基本要求。

2.2 乳化率評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)

乳化率評(píng)價(jià)法是一種評(píng)價(jià)短時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定性的方法，評(píng)價(jià)的主要方法是將老化后的乳狀液倒入200 mL量筒中，以天為單位靜置觀察后讀取分離處油相的體積，按照以下公式計(jì)算出乳化率：

（1）

式中：W —乳化率，%；

V —分離出的油層體積，mL。

根據(jù)以上機(jī)理，配制基礎(chǔ)乳液（500 mL柴油+4%主乳化劑+1%輔乳化劑+3% CaO+2%有機(jī)土），取100 mL放置于200 mL量筒中，并測(cè)試上層吸油量，計(jì)算乳化率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2表明，按所選的主輔乳化劑配置的油基鉆井液在靜置一周后乳化率仍高于80%，與國(guó)外較為先進(jìn)的乳化劑配置的油基鉆井液乳化率相當(dāng)，而傳統(tǒng)的環(huán)烷酸鈣配置成的油基鉆井液乳化率僅為50%，說(shuō)明所選出的主輔乳化劑相容性較好，各項(xiàng)性能穩(wěn)定，可以用作油基鉆井液的乳化劑。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

運(yùn)用所配制的新型油包水鉆井液在國(guó)內(nèi)某油田XM-1、XM-2井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，應(yīng)用表明該體系在施工過(guò)程中性能穩(wěn)定、抗污染能力強(qiáng)，滿足了水平井、大位移井等高難度井的施工要求。

根據(jù)臨井的鉆井資料及地震解釋，預(yù)計(jì)XM-1

的油包水溶液在該井的三開(kāi)井段2 700～4 100 m進(jìn)行鉆井任務(wù)。XM-1井的設(shè)計(jì)垂深為2 814 m，斜深

的油包水溶液在該井的三開(kāi)井段2 700～4 100 m進(jìn)行鉆井任務(wù)。XM-1井的設(shè)計(jì)垂深為2 814 m，斜深為4 457.12 m的油包水溶液在該井的三開(kāi)井段2 700～4 100 m進(jìn)行鉆井任務(wù)。XM-1井的設(shè)計(jì)垂深為2 814 m，斜深為4 457.12 m，水平位移為1 124.56 m，最大井斜為87°，井底溫度為140 ℃左右。配漿至正常鉆進(jìn)的鉆井液性能如表6所示。

由表6可以得到，所篩選的主輔乳化劑配置的鉆井液在高溫下具有良好的流變性能及電穩(wěn)定性，破乳電壓最低為1 063 V，反砂正常，經(jīng)多次起下鉆無(wú)卡鉆遇阻現(xiàn)象，并有較強(qiáng)攜屑能力，鉆進(jìn)過(guò)程中摩阻低、扭矩平穩(wěn)，機(jī)械鉆速達(dá)到1.8 m/h以上，滿足深層水平井施工要求。

4 結(jié) 論

（1）對(duì)常用的主輔乳化劑進(jìn)行熱滾實(shí)驗(yàn)、根據(jù)實(shí)驗(yàn)性能篩選出了匹配性最好的主輔乳化劑，并通過(guò)性能測(cè)定實(shí)驗(yàn)確定各乳化劑的最優(yōu)加量。

（2）對(duì)所篩選出的主輔乳化劑進(jìn)行性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明其抗污染性、乳化率等綜合性能均達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)要求。

（3）用所篩選的乳化劑配置成的油基鉆井液，應(yīng)用于水平井等鉆井現(xiàn)場(chǎng)，結(jié)果表明鉆井過(guò)程中扭矩平穩(wěn)、摩阻較低、機(jī)械鉆速較高，滿足現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

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