改性納米顆粒穩(wěn)定的可逆乳化鉆井液的制備與性能

劉飛，王彥玲，郭保雨，王旭東，張悅，任金恒，李永飛，王坤

（1中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東 青島 266580；2中石化勝利石油工程有限公司，山東 東營(yíng) 257064）

改性納米顆粒穩(wěn)定的可逆乳化鉆井液的制備與性能

劉飛1，王彥玲1，郭保雨2，王旭東2，張悅1，任金恒1，李永飛1，王坤1

（1中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東 青島 266580；2中石化勝利石油工程有限公司，山東 東營(yíng) 257064）

可逆乳化鉆井液可集中水基鉆井液與油基鉆井液的優(yōu)勢(shì)?，F(xiàn)有可逆乳化鉆井液所用乳化劑為表面活性劑，考慮用改性納米顆粒制備可逆乳化鉆井液提高其耐溫性能和穩(wěn)定性。本文優(yōu)選可制備可逆乳狀液的改性納米顆粒，在此基礎(chǔ)上制備可逆乳化鉆井液，并進(jìn)行性能評(píng)價(jià)。經(jīng)研究，改性納米顆粒3可制備可逆乳狀液，在此基礎(chǔ)上制備可逆乳化鉆井液，與表面活性劑HRW穩(wěn)定的可逆乳化鉆井液（乳化劑用量1.4%）相比，所制備可逆乳化鉆井液在乳化劑用量較少（0.8%）的情況下，保持良好的可逆轉(zhuǎn)相性能、濾餅清除和含油鉆屑處理性能，且在耐溫性能（180℃）和穩(wěn)定性（1000V＜W/O乳狀液破乳電壓）方面明顯優(yōu)于表面活性劑HRW穩(wěn)定的可逆乳化鉆井液（耐溫120℃，550V＜W/O乳狀液破乳電壓＜650V）。

可逆乳化鉆井液；可逆乳狀液；改性納米顆粒；可逆乳化劑

可逆乳狀液可以通過(guò)控制影響因素，使乳狀液在油包水乳狀液與水包油乳狀液之間可逆轉(zhuǎn)換，集中不同類(lèi)型乳狀液的優(yōu)勢(shì)[1]。近年來(lái)可逆乳狀液的研究逐漸引起重視[2-4]，可逆乳狀液在納米微乳液的制備、鉆井液[5]等領(lǐng)域的應(yīng)用研究也逐步開(kāi)展，尤其是pH敏感的可逆乳狀液在鉆井液階段的應(yīng)用引起了廣泛的關(guān)注[6-8]。

鉆井液主要分為油基鉆井液和水基鉆井液。油基鉆井液可耐高溫、潤(rùn)濕性好、有很強(qiáng)的抑制性和抗鹽、鈣污染的能力，并可有效減輕對(duì)油氣層的傷害，所以在鉆井階段油基鉆井液明顯優(yōu)于水基鉆井液。油基鉆井液已成為鉆深井、超深井、大位移井、水平井和各種復(fù)雜地層井的重要手段[9-10]。但是油基鉆井液也存在問(wèn)題，在完井階段，油基鉆井液會(huì)造成濾餅清除難、水泥與地層之間的膠結(jié)強(qiáng)度弱、含油鉆屑難處理等問(wèn)題，水基鉆井液在完井階段明顯優(yōu)于油基鉆井液?？赡嫒榛@井液可集中油基鉆井液與水基鉆井液的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)加酸或加堿，使鉆井液在鉆井、完井的不同階段實(shí)現(xiàn)在油包水鉆井液和水包油鉆井液之間的可逆轉(zhuǎn)化，即在鉆井階段為油包水型鉆井液，而在完井階段為水包油型鉆井液，這樣就可以把油基鉆井液與水基鉆井液的優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來(lái)，達(dá)到理想的鉆完井效果[11-13]。

現(xiàn)有的可逆乳化鉆井液所使用的乳化劑主要為有機(jī)胺類(lèi)表面活性劑[14]。有機(jī)胺類(lèi)表面活性劑所制備的可逆乳化鉆井液可逆轉(zhuǎn)相性能良好，并且也可解決油基濾餅清除和油基鉆屑處理的問(wèn)題，但是耐溫性能不好，在老化溫度達(dá)到140℃以上時(shí)，老化前后可逆乳化鉆井液的性質(zhì)有較明顯變化，本文提出用改性納米顆粒型可逆乳化劑替代表面活性劑型可逆乳化劑的方式提高可逆乳化鉆井液的耐溫性能，同時(shí)該方法還能減少乳化劑的用量，提高可逆乳化鉆井液的穩(wěn)定性[15-17]。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 材料與儀器

伯胺類(lèi)表面活性劑DUW-1、季胺類(lèi)表面活性劑LHS-3，上海金山經(jīng)緯化工有限公司；叔胺類(lèi)表面活性劑LTS-1，上海瀛正科技有限公司；納米二氧化硅CR-1，山東亞亨生物科技有限公司；5#白油：法國(guó)斯卡蘭集團(tuán)；鹽酸、氫氧化鈉、氯化鈣、氧化鈣，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；有機(jī)土，潤(rùn)濕劑LKD、降濾失劑DLG、重晶石、勝利油田鉆井工程技術(shù)有限公司。

GJSS-B12K變頻高速攪拌機(jī)、ZNS-1泥漿失水量測(cè)量?jī)x，膠南分析儀器廠；TGL-16C型智能高速離心機(jī)，金壇市岸頭林豐實(shí)驗(yàn)儀器廠；滾子加熱爐、GGS42-1高溫高壓濾失儀、ZNN-D6六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)、DWY-2電穩(wěn)定性測(cè)試儀，青島海通達(dá)專(zhuān)用儀器有限公司；超聲波清洗器，KQ-250B，常州恒隆儀器有限公司；DDS-307電導(dǎo)率儀，上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司；

1.2 改性GJSS-B12K納米二氧化硅顆粒的制備

將胺類(lèi)表面活性劑溶于斯卡蘭5#白油（所選用伯胺類(lèi)表面活性劑DUW-1、季胺類(lèi)表面活性劑LHS-3、叔胺類(lèi)表面活性劑LTS-1均為油溶性表面活性劑），1000r/min勻速攪拌10min，溶解均勻，向其中加入一定量的親油型納米二氧化硅CR-1，12000r/min高速攪拌30min，使納米二氧化硅充分分散，使用超聲波振蕩器將所得分散體系在60℃水浴溫度下以40kHz震蕩3h。將得到的納米二氧化硅分散體系以12000r/min離心25min得固體顆粒，依次用乙醚將所得固體顆粒清洗10次，用無(wú)水乙醇清洗5次，用蒸餾水清洗5次，烘干，所得即為相應(yīng)胺類(lèi)表面活性劑改性的納米二氧化硅。

1.3 可逆乳化鉆井液的制備

將適量乳化劑加入至白油中，12000r/min高速攪拌5min；其中加入適量水相（25%氯化鈣水溶液），12000r/min高速攪拌40min；按需要依次向其中加入適量有機(jī)土、降濾失劑、氧化鈣、潤(rùn)濕劑、重晶石，每種試劑加完后均以12000r/min高速攪拌10min，制得可逆乳化鉆井液。

1.4 可逆乳化鉆井液的性能測(cè)試

1.4.1 可逆乳化鉆井液可逆轉(zhuǎn)相性能的測(cè)試

使用高溫滾子加熱爐對(duì)可逆乳化鉆井液進(jìn)行熱滾。向熱滾后的可逆乳化鉆井液中加入適量的鹽酸（20%），12000r/min高速攪拌5min，測(cè)試乳狀液類(lèi)型。向上述所得的可逆乳化鉆井液中加入適量的氫氧化鈉溶液（20%），12000r/min高速攪拌5min，測(cè)試乳狀液類(lèi)型。

1.4.2 可逆乳化鉆井液常規(guī)性能測(cè)試

使用高溫高壓濾失儀測(cè)定可逆乳化鉆井液的高溫高壓濾失量FLHTHP；使用泥漿失水量測(cè)量?jī)x測(cè)定可逆乳化鉆井液的常溫常壓濾失量API；使用電導(dǎo)率儀測(cè)試可逆乳化鉆井液的電導(dǎo)率；使用六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)試可逆乳化鉆井液的流變性：表觀黏度AV=θ600/2，塑性黏度PV=θ600–θ300，動(dòng)切力YP=0.511(θ300–PV)；使用電穩(wěn)定性測(cè)試儀測(cè)定可逆乳化鉆井液的破乳電壓ES。

1.4.3 可逆乳化鉆井液含油鉆屑處理性能評(píng)價(jià)

將一定量鉆屑加入可逆乳化鉆井液中并在150℃下熱滾2h，之后分離鉆屑并用20%鹽酸溶液浸泡2h，將浸泡后的鉆屑加入清水中，記錄巖屑分離時(shí)間。

1.4.4 可逆乳化鉆井液濾餅處理性能評(píng)價(jià)

使用可逆乳化劑HRW穩(wěn)定的可逆乳化鉆井液（120℃，3.5MPa）與改性納米顆粒3穩(wěn)定的可逆乳化鉆井液（180℃，3.5MPa）進(jìn)行高溫高壓濾失得到濾餅，將濾餅置于20%鹽酸中浸泡30min，并在浸泡過(guò)程中保持輕搖攪動(dòng)，濾餅會(huì)逐漸脫離，對(duì)比用鹽酸處理前后濾紙的狀態(tài)。

2 結(jié)果與討論

2.1 改性納米顆粒穩(wěn)定的可逆乳狀液的制備

基于已有研究，優(yōu)選3種改性納米顆?？梢灾苽浞€(wěn)定的油包水乳狀液，分別為伯胺類(lèi)表面活性劑DUW-1將納米二氧化硅CR-1改性所得改性納米顆粒1、季胺類(lèi)表面活性劑LHS-3將納米二氧化硅CR-1改性所得改性納米顆粒2、叔胺類(lèi)表面活性劑LTS-1將納米二氧化硅CR-1改性所得改性納米顆粒3（改性納米顆粒制備方法見(jiàn)1.2節(jié)），將其作為下一步改性納米顆粒可逆乳化劑的備選。此3種改性納米顆?？赡嫒榛瘎┲苽涞某跏既闋钜悍謩e命名為初始乳狀液1、初始乳狀液2、初始乳狀液3，并對(duì)各組乳狀液的酸堿敏感可逆轉(zhuǎn)相性能進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)與實(shí)驗(yàn)室用可逆乳化劑HWR（其制備的初始乳狀液命名為初始乳狀液4）制備的可逆乳狀液進(jìn)行對(duì)比。基于已有研究，選擇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的鹽酸和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的氫氧化鈉溶液作為實(shí)驗(yàn)所用酸相與堿相。首先針對(duì)所測(cè)試4種乳化劑，對(duì)其用量進(jìn)一步優(yōu)化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 乳狀液狀態(tài)隨不同類(lèi)型乳化劑加量的變化

通過(guò)圖1可以看出，與可逆乳化劑HWR用量為1.4%才能形成穩(wěn)定的油包水乳狀液相比，改性納米顆粒1、改性納米顆粒2和改性納米顆粒3均可在較少用量（小于0.8%）時(shí)就可以形成穩(wěn)定的油包水乳狀液，乳化劑用量的減少一方面可以降低成本，另一方面可以減少乳化劑造成的對(duì)環(huán)境的污染。同時(shí)通過(guò)對(duì)比可逆乳化劑HWR形成的初始乳狀液4和改性納米顆粒1制備的初始乳狀液1、改性納米顆粒2形成的初始乳狀液2和改性納米顆粒3形成的初始乳狀液3的破乳電壓可以看出，在均達(dá)到破乳電壓基本穩(wěn)定的前提下，使用納米顆粒穩(wěn)定的油包水乳狀液的破乳電壓均明顯高于使用表面活性劑HWR穩(wěn)定的油包水乳狀液，說(shuō)明使用納米顆粒穩(wěn)定的油包水乳狀液穩(wěn)定性均明顯高于使用表面活性劑HWR穩(wěn)定的油包水乳狀液。綜上，使用納米顆粒制備可逆乳狀液一方面乳化劑用量少、可以降低成本、減少污染，另一方面在相同條件下改性納米顆粒制備的初始油包水乳狀液穩(wěn)定性明顯高于表面活性劑HWR制備的初始油包水乳狀液。確定出下一步實(shí)驗(yàn)制備可逆乳狀液乳化劑的加量分別為：可逆乳化劑HRW加量為1.4%，改性納米顆粒1加量為0.6%，改性納米顆粒2加量為0.8%，改性納米顆粒3加量為0.8%。

2.2 不同類(lèi)型可逆乳狀液可逆轉(zhuǎn)相性能

可逆乳狀液的關(guān)鍵在于可實(shí)現(xiàn)可逆轉(zhuǎn)相，對(duì)不同類(lèi)型乳化劑形成的油包水乳狀液進(jìn)行轉(zhuǎn)相性能研究。首先分別將初始乳狀液1（改性納米顆粒1加量0.6%）、初始乳狀液2（改性納米顆粒2加量0.8%）、初始乳狀液3（改性納米顆粒3加量0.8%）、初始乳狀液4（可逆乳化劑HRW加量1.4%）進(jìn)行酸觸轉(zhuǎn)相（20%鹽酸）實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。

通過(guò)圖2可以看出，乳化劑HWR，改性納米顆粒乳化劑1和改性納米顆粒乳化劑3穩(wěn)定的乳狀液酸觸轉(zhuǎn)相性能良好。而改性納米顆粒2穩(wěn)定的乳狀液直至鹽酸加量達(dá)到1%不能完成酸觸轉(zhuǎn)相，鹽酸加量做到1.0%是因?yàn)楫?dāng)鹽酸加量達(dá)到1.0%時(shí)，乳狀液體系的pH值已經(jīng)達(dá)到3.7，酸性已經(jīng)較強(qiáng)，此時(shí)納米二氧化硅表面的非離子型胺根基團(tuán)已基本全部轉(zhuǎn)換為離子型胺根，在該pH值條件下乳狀液不能轉(zhuǎn)相說(shuō)明此乳狀液不可實(shí)現(xiàn)酸觸轉(zhuǎn)相。選擇可逆乳化劑HWR、改性納米顆粒1、改性納米顆粒3作為乳化劑進(jìn)行下一步堿轉(zhuǎn)相實(shí)驗(yàn)。

圖2 不同乳化劑制備可逆乳狀液酸觸轉(zhuǎn)相過(guò)程中乳狀液電導(dǎo)率與破乳電壓隨鹽酸加量的變化

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，針對(duì)可逆乳化劑HWR穩(wěn)定的水包油乳狀液（初始乳狀液4加鹽酸0.1%轉(zhuǎn)相后的水包油乳狀液）、可逆乳化劑1穩(wěn)定的水包油乳狀液（初始乳狀液1加鹽酸0.1%轉(zhuǎn)相后的水包油乳狀液）、可逆乳化劑3穩(wěn)定的水包油乳狀液（初始乳狀液3加鹽酸0.2%轉(zhuǎn)相后的水包油乳狀液）進(jìn)行堿觸轉(zhuǎn)相實(shí)驗(yàn)（20%氫氧化鈉溶液），實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 不同乳化劑制備可逆乳狀液堿觸轉(zhuǎn)相過(guò)程中乳狀液電導(dǎo)率與破乳電壓隨鹽酸加量的變化

通過(guò)圖3的數(shù)據(jù)可以看出，可逆乳化劑HRW和改性納米顆粒3穩(wěn)定的水包油乳狀液堿觸轉(zhuǎn)相較為容易，而改性納米顆粒1穩(wěn)定水包油乳狀液不能實(shí)現(xiàn)堿觸轉(zhuǎn)相，當(dāng)堿（20%氫氧化鈉溶液）加量達(dá)到0.4%時(shí)乳狀液呈現(xiàn)破乳狀態(tài)，在堿（20%氫氧化鈉溶液）加量達(dá)到1%時(shí)乳狀液仍然保持破乳狀態(tài)。氫氧化鈉加量達(dá)到1.0%之后不需要繼續(xù)添加因?yàn)闅溲趸c加量為1.0%時(shí)，乳狀液體系的pH已經(jīng)升高至11.6，溶液中氫氧根離子濃度已經(jīng)較高，納米二氧化硅表面的離子型胺根基團(tuán)已大部分轉(zhuǎn)化為非離子型胺根基團(tuán)，在該pH條件下乳狀液依然保持破乳狀態(tài)不可轉(zhuǎn)相，說(shuō)明改性納米顆粒1制備的水包油乳狀液不具備堿觸轉(zhuǎn)相功能。選擇改性納米顆粒乳化劑3作為下一步研究納米顆粒穩(wěn)定的可逆鉆井液的乳化劑。

改性納米顆粒乳化劑3穩(wěn)定的乳狀液可逆轉(zhuǎn)相后所得油包水乳狀液破乳電壓明顯高于可逆乳化劑HWR穩(wěn)定的乳狀液可逆轉(zhuǎn)相后所得油包水乳狀液，說(shuō)明改性納米顆粒乳化劑3穩(wěn)定的乳狀液可逆轉(zhuǎn)相后所得油包水乳狀液具有更好的穩(wěn)定性。綜合初始油包水乳狀液3的破乳電壓也明顯高于初始油包水乳狀液4的破乳電壓，說(shuō)明改性納米顆粒3制備的可逆乳狀液在可逆轉(zhuǎn)相前后穩(wěn)定性均強(qiáng)于表面活性劑型可逆乳化劑HRW制備的可逆乳狀液。

2.3 改性納米顆粒型可逆乳化劑與表面活性劑型可逆乳化劑穩(wěn)定的可逆乳狀液可逆轉(zhuǎn)相機(jī)理分析

伯胺類(lèi)表面活性劑DUW-1與叔胺類(lèi)表面活性劑LTS-1的胺基中N原子均存在孤對(duì)電子，其在酸性條件下可與H+配對(duì)形成帶正電的陽(yáng)離子胺基基團(tuán)，親水性大大增強(qiáng)。故伯胺類(lèi)表面活性劑DUW-1改性的納米顆粒1與叔胺類(lèi)表面活性劑LTS-1改性的納米顆粒3均可在酸觸后由親油型納米二氧化硅轉(zhuǎn)變?yōu)橛H水型納米二氧化硅（見(jiàn)圖4），使其穩(wěn)定的乳狀液實(shí)現(xiàn)由油包水乳狀液向水包油乳狀液的轉(zhuǎn)相。

優(yōu)選出的伯胺類(lèi)表面活性劑DUW-1和叔胺類(lèi)表面活性劑LTS-1均為長(zhǎng)單鏈有機(jī)胺，其每個(gè)長(zhǎng)單鏈均可與納米二氧化硅形成比較單一的連接。伯胺類(lèi)表面活性劑DUW-1只有一個(gè)親油基團(tuán)，而叔胺類(lèi)表面活性劑LTS-1有3個(gè)親油基團(tuán)，吸附在改性納米顆粒1表面的伯胺類(lèi)表面活性劑DUW-1中僅有的一個(gè)親油基團(tuán)吸附在納米顆粒表面，而吸附在改性納米顆粒3表面的叔胺類(lèi)表面活性劑LTS-1由于親油基團(tuán)較多，還有部分的親油基團(tuán)未在納米二氧化硅表面吸附（如圖4所示），故改性納米顆粒3體現(xiàn)出的親油性明顯強(qiáng)于改性納米顆粒1體現(xiàn)出的親油性。

由于乳狀液存在轉(zhuǎn)相滯后性[18]，并且乳狀液要實(shí)現(xiàn)從水包油型乳狀液轉(zhuǎn)相為油包水乳狀液需要先破壞水包油乳狀液的結(jié)構(gòu)，而改性納米顆粒穩(wěn)定的乳狀液結(jié)構(gòu)非常牢固。即乳狀液要實(shí)現(xiàn)從水包油乳狀液向油包水乳狀液的轉(zhuǎn)相比直接制備油包水乳狀液對(duì)乳化劑親油性提出了更高的要求（其他條件并未改變的前提下），伯胺類(lèi)表面活性劑DUW-1改性的納米顆粒1雖然可以制備初始油包水乳狀液，但其酸觸轉(zhuǎn)相為水包油乳狀液后，在堿觸轉(zhuǎn)相階段由于改性納米顆粒1體現(xiàn)出的親油性不夠，所以不能有效堿觸轉(zhuǎn)相為油包水乳狀液，而叔胺類(lèi)表面活性劑LTS-1改性的納米顆粒3由于有部分親油基團(tuán)尚未吸附在納米顆粒表面，使納米顆粒整體體現(xiàn)出更強(qiáng)的親油性，故叔胺類(lèi)表面活性劑LTS-1改性的納米顆粒3制備的乳狀液在堿觸轉(zhuǎn)相階段可以有效堿觸轉(zhuǎn)相為油包水乳狀液。故改性納米顆粒3可作為改性納米顆粒型可逆乳化劑。

圖4 改性納米顆粒乳化劑在可逆乳狀液可逆轉(zhuǎn)相過(guò)程中的結(jié)構(gòu)變化示意圖

季胺類(lèi)表面活性劑LHS-3中胺基上的氮原子不存在孤對(duì)電子（結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4），其結(jié)構(gòu)不隨著酸堿的添加發(fā)生變化，酸堿的加入僅僅會(huì)影響改性納米顆粒乳化劑2的擴(kuò)散雙電層（見(jiàn)圖5），但擴(kuò)散雙電層對(duì)乳化劑親水親油性影響較小，所以改性納米顆粒3的性質(zhì)受酸堿添加影響較小。所選取的季胺類(lèi)表面活性劑LHS-3為油溶性季胺類(lèi)表面活性劑（由于季胺類(lèi)表面活性劑中存在親水性很強(qiáng)的季胺基，為增強(qiáng)所選取季胺類(lèi)表面活性劑的親油性，選取的季胺類(lèi)表面活性劑為多支鏈親油基季胺類(lèi)表面活性劑），其有大量的支鏈親油基團(tuán)，故吸附在改性納米顆粒2表面的季胺類(lèi)表面活性劑LHS-3只有部分親油基團(tuán)在納米顆粒表面進(jìn)行吸附，還有大量的親油基團(tuán)未在納米顆粒表面進(jìn)行吸附。未吸附的親油基團(tuán)與季胺基共同作用使改性納米顆粒3體現(xiàn)出強(qiáng)親油性。故季胺類(lèi)表面活性劑LHS-3改性的納米顆粒3可以有效穩(wěn)定油包水乳狀液并且所穩(wěn)定油包水乳狀液不隨酸堿的加入發(fā)生轉(zhuǎn)相。

圖5 改性納米顆粒乳化劑2的擴(kuò)散雙電層伴隨著酸堿加量的變化

表面活性劑型可逆乳化劑制備的可逆乳狀液是由表面活性劑在油水界面形成柵欄結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，表面活性劑在酸觸過(guò)程中親水性增強(qiáng)，其穩(wěn)定的乳狀液從油包水乳狀液轉(zhuǎn)相為水包油乳狀液，表面活性劑在堿觸過(guò)程中親油性增強(qiáng)，其穩(wěn)定的乳狀液從水包油乳狀液轉(zhuǎn)相為油包水乳狀液（圖6）。納米顆粒型可逆乳化劑制備的可逆乳狀液是由改性納米顆粒在油水界面形成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，納米顆粒型可逆乳化劑在酸觸過(guò)程中表面帶電性增強(qiáng)導(dǎo)致親水性增強(qiáng)，其穩(wěn)定的乳狀液從油包水乳狀液轉(zhuǎn)相為水包油乳狀液，納米顆粒型可逆乳化劑在堿觸過(guò)程中表面帶電性減弱導(dǎo)致親油性增強(qiáng)，其穩(wěn)定的乳狀液從水包油乳狀液轉(zhuǎn)相為油包水乳狀液（圖7）。對(duì)比二者，納米顆粒型可逆乳化劑在油水界面形成的結(jié)構(gòu)明顯比表面活性劑型可逆乳化劑在油水界面形成的柵欄結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定[20]，與改性納米顆粒型乳化劑穩(wěn)定的油包水乳狀液破乳電壓明顯高于表面活性劑型乳化劑穩(wěn)定的油包水乳狀液結(jié)構(gòu)一致。

圖6 表面活性劑型可逆乳化劑制備的可逆乳狀液可逆轉(zhuǎn)相過(guò)程示意圖[19]

圖7 納米顆粒型可逆乳化劑（改性納米顆粒3）制備的可逆乳狀液可逆轉(zhuǎn)相過(guò)程示意圖

2.4 改性納米顆粒乳化劑3穩(wěn)定的可逆乳化鉆井液的制備

以改性納米顆粒乳化劑3制備的可逆乳狀液3為基礎(chǔ)，對(duì)潤(rùn)濕劑、降濾失劑、石灰、有機(jī)土和重晶石進(jìn)行種類(lèi)優(yōu)選與加量?jī)?yōu)化，綜合評(píng)價(jià)可逆乳化鉆井液可逆轉(zhuǎn)相性能、穩(wěn)定性及耐溫、濾失、密度等指標(biāo)，確定可逆乳化鉆井液的配方為：5#白油+25%氯化鈣水溶液+0.8%改性納米顆粒乳化劑3+1.5%有機(jī)土+2%潤(rùn)濕劑LKD+1%降濾失劑DLG+1%石灰+適量重晶石，油水比為60/40，密度可調(diào)為1.20g/cm3。與已有表面活性劑型可逆乳化劑HRW穩(wěn)定的可逆乳化鉆井液體系進(jìn)行對(duì)比，已有表面活性劑型可逆乳化劑HRW穩(wěn)定的可逆乳化鉆井液體系的配方為：5#白油+25%氯化鈣水溶液+1.4%可逆乳化劑HWR+1.4%有機(jī)土+2.5%潤(rùn)濕劑LND+1.8%降濾失劑DLK+1%石灰+適量重晶石，油水比為60/40，密度可調(diào)為1.20g/cm3。分別制備出兩種可逆乳化鉆井液，對(duì)二者的耐溫性能、可逆轉(zhuǎn)相性能、含油鉆屑處理性能和濾餅清洗性能進(jìn)行評(píng)價(jià)對(duì)比。

2.5 改性納米顆粒3穩(wěn)定的可逆乳化鉆井液耐溫性能評(píng)價(jià)

對(duì)改性納米顆粒3穩(wěn)定的可逆乳化鉆井液與可逆乳化劑HRW穩(wěn)定的可逆乳化鉆井液在不同溫度下進(jìn)行熱滾實(shí)驗(yàn)（16h），分別對(duì)比老化前后鉆井液的性能，對(duì)改性納米顆粒3穩(wěn)定的可逆乳化鉆井液與可逆乳化劑HRW穩(wěn)定的可逆乳化鉆井液的耐溫性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，可逆乳化劑HRW作為乳化劑制備的可逆乳化鉆井液在溫度達(dá)到140℃時(shí)性質(zhì)變化較大，尤其是破乳電壓和高溫高壓濾失量變化很大，說(shuō)明可逆乳化鉆井液在此溫度下已不能保持穩(wěn)定，可逆乳化劑HRW穩(wěn)定的可逆乳化鉆井液可耐溫120℃。改性納米顆粒乳化劑3穩(wěn)定的可逆乳化鉆井液在溫度達(dá)到190℃時(shí)性質(zhì)變化較大，尤其是破乳電壓和高溫高壓濾失量變化很大，說(shuō)明可逆乳化鉆井液在此溫度下已不能保持穩(wěn)定，可逆乳化劑3穩(wěn)定的可逆乳化鉆井液可耐溫180℃。由于納米顆粒在乳狀液表面形成的結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定導(dǎo)致乳狀液穩(wěn)定性更好，所以納米顆粒穩(wěn)定的油包水乳狀液耐溫性能明顯優(yōu)于表面活性劑型表面活性劑穩(wěn)定的可逆乳化鉆井液，這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與破乳電壓的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致，并與圖6、圖7對(duì)可逆乳狀液結(jié)構(gòu)及其機(jī)理的分析一致。

2.6 改性納米顆粒乳化劑3穩(wěn)定的可逆乳化鉆井液可逆轉(zhuǎn)相性能評(píng)價(jià)

根據(jù)上述研究結(jié)果，對(duì)改性納米顆粒3穩(wěn)定的可逆乳化鉆井液的可逆轉(zhuǎn)相性能（熱滾條件為180℃×16h）。同時(shí)測(cè)試可逆乳化劑HWR穩(wěn)定的可逆乳化鉆井液的可逆轉(zhuǎn)相性能（熱滾條件為120℃×16h）。針對(duì)熱滾前、熱滾后、加酸反轉(zhuǎn)和加堿反轉(zhuǎn)4種情況下兩種可逆乳化鉆井液的流變性、濾失性、破乳電壓和電導(dǎo)率等性質(zhì)進(jìn)行對(duì)比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

通過(guò)表2實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)比改性納米顆粒3穩(wěn)定的可逆乳化鉆井液在180℃熱滾條件下可逆轉(zhuǎn)相性能與可逆乳化劑HWR穩(wěn)定的可逆乳化鉆井液在120℃熱滾條件下可逆轉(zhuǎn)相性能測(cè)試結(jié)果，二者轉(zhuǎn)相前后性質(zhì)均沒(méi)有明顯變化并且可逆轉(zhuǎn)相性能良好，即改性納米顆粒3穩(wěn)定的可逆乳化鉆井液在180℃條件下能保持良好的穩(wěn)定性與可逆轉(zhuǎn)相性能，可逆乳化劑穩(wěn)定的可逆乳化鉆井液在120℃熱滾條件下也能保持良好的穩(wěn)定性與可逆轉(zhuǎn)相性能。

表1 可逆乳化鉆井液抗溫性能的表征

表2 可逆乳化鉆井液的可逆轉(zhuǎn)相性能表征

2.7 改性納米顆粒3穩(wěn)定的可逆乳化鉆井液含油鉆屑處理性能評(píng)價(jià)

隨著油基鉆井液使用越來(lái)越多，含油鉆屑的處理的問(wèn)題逐漸引起人們的重視，目前使用的方法主要有生物降解法、溶劑萃取法和高溫?zé)峤夥?，這些方法都存在成本高和操作復(fù)雜的缺點(diǎn)。利用可逆乳化鉆井液可以解決這個(gè)問(wèn)題，可逆乳化鉆井液可以在鉆井階段為油基鉆井液，具有油基鉆井液的優(yōu)勢(shì)，但在含油鉆屑處理時(shí)使用酸液進(jìn)行處理，使含油鉆屑表面由親油轉(zhuǎn)變?yōu)橛H水，解決含油鉆屑的處理問(wèn)題。對(duì)比常規(guī)鉆井液、可逆乳化劑HRW穩(wěn)定的可逆乳化鉆井液和改性納米顆粒3穩(wěn)定的可逆乳化鉆井液的含油鉆屑處理性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 可逆乳化鉆井液含油鉆屑處理實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，可逆乳化劑HRW穩(wěn)定的可逆乳化鉆井液與改性納米顆粒3穩(wěn)定的可逆乳化鉆井液產(chǎn)生的含油鉆屑在加酸處理后均能與油相相互分離，完成含油鉆屑的處理，并且二者鉆屑分離時(shí)間均為5h左右，在含油鉆屑處理方面二者性能基本一致。

2.8 改性納米顆粒3穩(wěn)定的可逆乳化鉆井液濾餅清洗性能評(píng)價(jià)

油基鉆井液作業(yè)后會(huì)在井壁與套管之間產(chǎn)生油基泥餅，影響下一步的固井作業(yè)。為了清除油基泥餅的傷害，使用油基鉆井液時(shí)需要在固井之前使用濾餅清除液來(lái)清除濾餅。目前使用的濾餅清除液的主要成分是表面活性劑，濾餅清除液的使用不但會(huì)增加成本，而且會(huì)造成環(huán)境污染。而可逆乳化鉆井液體系的使用則可以在保證油基鉆井液鉆井效果的基礎(chǔ)上避免油基濾餅清洗方面的問(wèn)題。可逆乳化鉆井液體系可以在鉆井階段為油基鉆井液，而在完井階段，通過(guò)注入酸液處理，將油基泥餅清除，然后在完井階段使用普通水基鉆井液的完井方法即可完成，可以更好地完成鉆完井作業(yè)。對(duì)比可逆乳化劑HRW穩(wěn)定的可逆乳化鉆井液（120℃，3.5MPa）與改性納米顆粒3穩(wěn)定的可逆乳化鉆井液（180℃，3.5MPa）濾餅清洗效果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖8。

通過(guò)圖8，對(duì)比可逆乳化劑HRW穩(wěn)定的可逆乳化鉆井液（120℃，3.5MPa）與改性納米顆粒3穩(wěn)定的可逆乳化鉆井液（180℃，3.5MPa）高溫高壓濾失所得濾餅清洗效果可以看出，二者均有較好的濾餅清洗功能，此方法與常規(guī)的油基鉆井液濾餅清洗方法相比操作方便、步驟簡(jiǎn)單并且更加環(huán)保。

圖8 可逆乳化鉆井液濾餅清除效果圖

3 結(jié)論

（1）優(yōu)選改性納米顆粒3作為乳化劑制備可逆乳狀液，使用改性納米顆粒3制備的可逆乳狀液與使用表面活性劑型可逆乳化劑HWR制備的可逆乳狀液對(duì)比，不但乳化劑用量較少，而且穩(wěn)定性較強(qiáng)。

（2）對(duì)表面活性劑穩(wěn)定的可逆乳狀液與納米顆粒穩(wěn)定的可逆乳狀液形成的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了初步的闡述，并聯(lián)系對(duì)比使用改性納米顆粒3制備的可逆乳狀液與使用表面活性劑型可逆乳化劑HWR制備的可逆乳狀液的耐溫性能和乳狀液的穩(wěn)定性，對(duì)可逆乳狀液結(jié)構(gòu)對(duì)性質(zhì)的影響進(jìn)行了初步的分析。

（3）以所制備改性納米顆粒3穩(wěn)定的可逆乳狀液為基礎(chǔ)制備可逆乳化鉆井液，并對(duì)可逆乳化鉆井液的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。與表面活性劑型可逆乳化劑HWR穩(wěn)定的可逆乳化鉆井液（乳化劑加量1.4%）相比，改性納米顆粒3穩(wěn)定的可逆乳化鉆井液在乳化劑用量較少（0.8%）的情況下，不但保持了良好的可逆轉(zhuǎn)相性能、濾餅清除功能和含油鉆屑處理功能，而且在耐溫性能（180℃）和穩(wěn)定性（1000V＜W/O乳狀液破乳電壓）方面明顯優(yōu)于表面活性劑穩(wěn)定的可逆乳化鉆井液（耐溫120℃，550V＜W/O乳狀液破乳電壓＜650V）。

（4）通過(guò)上述研究，改性納米顆粒3穩(wěn)定的可逆乳化鉆井液在保持了表面活性劑HWR穩(wěn)定的可逆乳化鉆井液優(yōu)良性能的基礎(chǔ)上，降低了乳化劑用量，增強(qiáng)了可逆乳化鉆井液的耐溫性能和穩(wěn)定性，為制備可逆乳化鉆井液提供了一種可行的方案。

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Preparation and properties of the reversible invert emulsion drilling fluid stabilized by modified nanoparticles

LIU Fei1，WANG Yanling1，GUO Baoyu2，WANG Xudong2，ZHANG Yue1，REN Jinheng1，LI Yongfei1，
WANG Kun1
（1China University of Petroleum（East China)，Qingdao 266580，Shandong，China；2Drilling Engineering and Technology Company，Shengli Petroleum Engineering Corporation Limited of SINOPEC，Dongying 257064，Shandong，China)

Reversible invert emulsion drilling fluid combines the advantages of both the oil based drilling fluid and the water based drilling fluid. The reversible invert drilling fluid in the current study mainly used the surfactant reversible invert emulsifiers. Modified nanoparticles were used as reversible invert emulsifier to enhance the heat resistance and the stability of the reversible invert emulsion.Firstly, the nanoparticles which can be used to make reversible invert emulsion were chosen. Secondly，reversible invert drilling fluid was made based on the reversible invert emulsion. Thirdly, the properties of the reversible invert drilling fluid were evaluated. Based on the evaluation，the nanoparticles 3 was chosen as the reversible invert emulsion. The stability of the reversible invert emulsion drilling fluid was enhanced by the modified nanoparticles，compared with the reversible invert drilling fluid stabilized by surfactant（the usage of the emulsifier is 1.4%）.The reversible invert emulsion drilling fluid stabilized by the modified nanoparticles improved not only the performance in the aspect of reversible phase inversion, filter cake treating and oiliness cuttings treating, but also the performance of heat resistance.

reversible invert emulsion drilling fluid；reversible invert emulsion；modified nanoparticles；reversible invert emulsifier；reversible invert emulsifier

TE357.12

A

1000–6613（2017）11–4200–09

10.16085/j.issn.1000-6613.2017-0402

2017-03-12；修改稿日期2017-06-10。

中石化集團(tuán)公司科技攻關(guān)項(xiàng)目（JP13011）。

劉飛（1989—），男，博士研究生。聯(lián)系人王彥玲，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事油田化學(xué)相關(guān)工作。E-mail：1279660409@qq.com。