抗高溫鉆井液機(jī)理研究及性能評(píng)價(jià)

孫 浩

（大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江大慶163413）

1 提高油包水鉆井液高溫穩(wěn)定性的方法

1.1 提高乳狀液的穩(wěn)定性

油包水鉆井液是主要靠乳化劑將油相和水相牢固地鏈在一起，形成的穩(wěn)定的乳狀液。乳化劑是一種或幾種表面活性劑，單劑使用的少，一般都使用兩種或兩種以上的合適的乳化劑復(fù)配。乳化劑要有合適的兩親性，親油基團(tuán)的親油能力要強(qiáng)于親水基團(tuán)的親水能力，親油基團(tuán)的幾何尺寸要大于親水基團(tuán)的幾何尺寸，便于乳化劑在油水截面以楔型定向排列，再加上液體表面總是收縮的，趨于能量降低的穩(wěn)定形狀，基油（本文中是零號(hào)柴油）中烴分子比水分子大，這樣就形成了油包水乳狀液液珠，無數(shù)穩(wěn)定的細(xì)小的乳狀液液珠就構(gòu)成了穩(wěn)定而均勻的乳狀液，油包水鉆井液就是在這種乳狀液基礎(chǔ)上調(diào)整性能獲得的。要使乳狀液穩(wěn)定，乳化劑必須能在油水界面上形成牢固的楔型定向吸附；油水比要合適，乳化劑的量要足夠；乳狀液液珠之間必須加入能夠增大合并阻力與排斥力的物質(zhì)。但油包水鉆井液中有利于乳狀液穩(wěn)定和不利于穩(wěn)定的因素是并存的。乳狀液分四層結(jié)構(gòu)：一是以連續(xù)態(tài)存在的基油；二是以乳狀液液珠外相形態(tài)存在的基油；三是油水界面膜；四是水相。已形成的乳狀液液珠之間有靜電斥力，有利于乳狀液穩(wěn)定；連續(xù)的油水相能量最小的熱力學(xué)體系變?yōu)楦髯院袩o數(shù)個(gè)分散小體系的大能量體系，本身就有恢復(fù)原來最小能量的穩(wěn)定態(tài)趨勢，時(shí)時(shí)刻刻都存在“不穩(wěn)定力”，不利于乳狀液的穩(wěn)定。所以要使乳狀液穩(wěn)定就要通過化學(xué)手段人為地加以控制。

在提高乳狀液穩(wěn)定性上，主要進(jìn)行了以下三方面工作：

（1）根據(jù)乳化理論，用HLB值選擇合適的乳化劑，提高兩相之間界面膜強(qiáng)度。經(jīng)研究，確定了適合抗高溫油包水鉆井液需要的兩種乳化劑。我們把乳化劑UPFEMUL（HLB≈3）和UPEMUL（HLB≈9.5）按一定比例復(fù)合，混合后HLB值約在4.5～5.5。形成的乳狀液保證了強(qiáng)的界面膜，具有很好的高溫穩(wěn)定性。

（2）針對(duì)乳狀液的油水比的不同而確定乳化劑的種類及加量。實(shí)驗(yàn)中我們的油水比在（90∶10）～（70∶30），根據(jù)油水界面面積的大小，適當(dāng)增加或減少乳化劑的量。一般乳化劑加量控制在6%～12%。

（3）采用復(fù)合乳化劑技術(shù)以形成強(qiáng)度最高的界面膜。

按照乳化理論：乳狀液中的界面膜若存在有兩種能夠互相形成“復(fù)合物”的乳化劑時(shí)，則會(huì)大大地增強(qiáng)表面活性，提高膜的強(qiáng)度。在乳狀液中除了水溶乳化劑外，再加入一些能與此表面活性物化合的油溶物，就能得到較強(qiáng)的表面膜。其原因是在表面吸附層中，表面活性劑分子（或離子）與極性有機(jī)物相互作用而結(jié)合成較為牢固的“復(fù)合物”，使表面膜的強(qiáng)度增加。

（1）界面張力降得更低，從而有利于乳化。實(shí)驗(yàn)證明，這兩種乳化劑復(fù)配，表面張力可降到0.5mN/m以下。

（2）界面張力降低則可增加表面吸附量，且可形成更緊密的分子排列，也就大大增加界面膜強(qiáng)度及乳狀液的穩(wěn)定性。

（3）離子型表面活性劑會(huì)增加液滴所帶的電荷及其相互間的斥力，從而增加乳狀液的穩(wěn)定性。乳化劑UPFEMUL和乳化劑UPEMUL都是陰離子型的，故而穩(wěn)定性好，與后面的高溫老化實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符合。

綜上所述，我們選取乳化劑UPFEMUL和UPE?MUL是有充分理論依據(jù)的，實(shí)踐證明也是有效的。

1.2 減小高溫對(duì)乳狀液穩(wěn)定性的影響

溫度對(duì)乳狀液有以下三方面影響：

（1）溫度若超過乳化劑的耐溫能力，乳化劑就會(huì)裂解而失掉應(yīng)有的乳化效果。高溫裂解實(shí)驗(yàn)證明，乳化劑UPFEMUL和乳化劑UPEMUL的熱裂解溫度都在300℃以上，熱穩(wěn)定性很高。

（2）高溫影響離子型乳化劑對(duì)分散相的吸附，溫度愈高，解吸愈嚴(yán)重。乳化劑在內(nèi)相的吸附下降，緊密度降低，膜強(qiáng)度減弱。這是乳化劑的溶度增加所引起的。故凡高溫可使乳化劑在外相中溶度增加者，其在分散相中的吸附量必然下降。所以上述兩種乳化劑中，乳化劑UPEMUL，水溶性好，對(duì)分散相吸附強(qiáng)，可以在很大程度上克服其自身離子型結(jié)構(gòu)帶來的缺點(diǎn)。

（3）溫度升高，外相粘度下降，分散相的運(yùn)動(dòng)阻力降低，液珠合并機(jī)率增加。乳化劑UPFEMUL低溫下在外相中溶解度不高，在高溫下溶解度大增，并且溶解態(tài)能增加外相粘度，穩(wěn)定乳狀液液滴。

用于高溫深井的乳化劑必須具有良好的抗溫能力，乳化劑的抗溫能力包括兩個(gè)方面：一是乳化劑抵抗高溫老化的能力，反映乳化劑在井底溫度下長時(shí)間作用后乳化效果的變化，與乳化劑抗高溫解吸的能力有關(guān)；二是乳化劑在高溫下的乳化效果，反映乳化劑在井底溫度下穩(wěn)定乳狀液的能力，與乳化劑在高溫下的吸附量有關(guān)。一種抗高溫乳化劑必須在高溫下具有穩(wěn)定作用并且能抵抗長時(shí)間的高溫作用。

1.3 乳化劑乳化能力評(píng)價(jià)方法

乳化劑的抗溫能力是抗高溫油包水鉆井液能否成功的一個(gè)重要方面，必需進(jìn)行研究。傳統(tǒng)的油包水乳化劑的HLB值為3～6。在主輔乳化劑配伍上，主乳化劑量大，并且HLB值往往在1～3之間，輔乳化劑的HLB值往往小于8。復(fù)配后HLB值一般在3～4.5之間，親油性過強(qiáng)，親水性幾乎沒有，很難在油水界面形成合理分布和牢固吸附，表現(xiàn)在乳狀液膜強(qiáng)度不高，抗溫能力差。在乳化劑的選用上，常用一些含有-C-OC-、-C=C-、鄰C有多個(gè)H的多羥基等化合物，高溫下易發(fā)生斷鍵、脫水縮合等反應(yīng)而失去原有的乳化作用。

對(duì)于油酸和硬脂酸，改變加量為1%、3%和5%，觀察乳化現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)隨著加量的增加，乳化能力增強(qiáng)。經(jīng)高溫靜置后，油相會(huì)發(fā)生膠凝現(xiàn)象，呈粘稠狀，說明高溫后乳化效果大增。

通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的乳化試驗(yàn)難以評(píng)價(jià)高溫時(shí)乳化劑的性能好壞。目前還沒有一種方法能夠測定乳化劑的高溫乳化性能。最直接的方法還是用破乳電壓法衡量常溫時(shí)的破乳電壓。所以，上述實(shí)驗(yàn)是小規(guī)模量的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，可初步篩選乳化劑，然后再配制足夠數(shù)量的乳狀液，用破乳電壓儀衡量乳化穩(wěn)定性。

1.4 乳化劑熱穩(wěn)定性

取乳化劑UPFEMUL和UPEMUL兩種新乳化劑進(jìn)行了色譜分析和高溫裂解實(shí)驗(yàn)，結(jié)果證明裂解溫度在300℃以上。并且裂解色譜圖對(duì)烴類天然氣地質(zhì)錄井沒有影響。見圖1和圖2。

圖1 UPFEMUL高溫裂解色譜圖

圖1 和圖2中出現(xiàn)色譜峰均在7min之后，而地質(zhì)錄井天然氣峰均在2min之內(nèi)，因而不構(gòu)成影響。另據(jù)熱裂解實(shí)驗(yàn)證實(shí)，在溫度升至300℃以后才出現(xiàn)裂解峰。

圖2 UPEMUL高溫裂解色譜圖

2 水基鉆井液處理劑研選

2.1 高溫對(duì)鉆井液的破壞作用

深井涉及的高溫高壓條件對(duì)鉆井液提出了更高的要求，特別是高溫對(duì)處理劑分子結(jié)構(gòu)的破壞作用十分明顯，主要表現(xiàn)在以下幾方面：

（1）高溫下粘土的高溫分散作用。高溫使粘土粒子分散度增大，鉆井液粘度大幅度升高，增大沿程流動(dòng)阻力，引起鉆井復(fù)雜；

（2）高溫下粘土的高溫鈍化作用。高溫使粘土表面活性降低，呈現(xiàn)較大的惰性，導(dǎo)致鉆井液塑性粘度大幅增加的同時(shí)動(dòng)切力不升，不利于懸浮與攜屑；

（3）高溫下有機(jī)高分子化合物的高溫降解作用。高溫使主鏈或支鏈斷裂，降低分子量，失去高分子性質(zhì)，失去效能，如不飽和鍵高溫下易發(fā)生氧化反應(yīng)等，使鉆井液可能增稠、膠凝、固化，也可能是減稠、失水迅速增大等；

（4）高溫下處理劑的高溫交聯(lián)作用。高溫使某些處理劑分子量增大，失去處理劑原有的性能，造成鉆井液性能難以控制等。

2.2 地溫相對(duì)高問題

大慶油田地溫梯度相對(duì)較高，平均為4℃/100m。松遼盆地的地溫變化趨勢為，從東向西地溫梯度逐漸增高，從南向北地溫梯度逐漸增高，西北部地溫梯度為最高。鉆進(jìn)一口5000m左右的深井，井底溫度可達(dá)到220℃高溫，為此，鉆井、測試、采油等各項(xiàng)施工作業(yè)都很難順利進(jìn)行。

2.3 井眼不穩(wěn)定的問題

深層泉二段以下地層中有容易井壁失穩(wěn)的煤層、火成巖等地層。它們壓實(shí)程度低、膠結(jié)物含量低、成巖性差、易破碎、易坍塌、易掉塊，井眼穩(wěn)定難度大，非常容易造成復(fù)雜事故。

3 室內(nèi)試驗(yàn)及分析

用選定的實(shí)驗(yàn)材料，利用正交實(shí)驗(yàn)，調(diào)整各種材料的加量進(jìn)行了大量配方研制實(shí)驗(yàn)，室內(nèi)配制出了一些鉆井液，測試常溫性能和220℃高溫老化后性能。其中典型的配方實(shí)驗(yàn)測定結(jié)果見表1、表2和表3。

表1 室內(nèi)配制油包水鉆井液常溫及老化后性能數(shù)據(jù)（1.11g/cm3）

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)看出，室內(nèi)配制的油包水鉆井液具有較強(qiáng)的電穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，破乳電壓高，懸浮性強(qiáng)，流變性好，HTHP失水和API失水都很低，說明室內(nèi)研制的油包水鉆井液配方能夠滿足220℃的井下施工要求，研制的抗高溫油包水鉆井液是成功的。

由表4中數(shù)據(jù)看出，鉆井液經(jīng)230℃較長時(shí)間老化，性能比較穩(wěn)定，破乳電壓高，乳化穩(wěn)定性好；鉆井液無沉降、分層和劇稠現(xiàn)象，流動(dòng)性好，說明該鉆井液的熱穩(wěn)定性很好。這些性能都能滿足230℃井底溫度條件下鉆井工程需要。

表2 室內(nèi)配制油包水鉆井液常溫及老化后性能數(shù)據(jù)（1.14g/cm3）

表3 室內(nèi)配制的鉆井液常溫及220℃/16h老化后性能實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（未加重）

表4 室內(nèi)配制油包水鉆井液抗高溫性能實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

從表5中數(shù)據(jù)可見，該鉆井液在250℃老化24h后，熱穩(wěn)定性和乳化穩(wěn)定性都較好；高溫高壓濾失量小于30mL，在要求的指標(biāo)范圍內(nèi)。實(shí)驗(yàn)證明，目前抗高溫油包水鉆井液的抗溫能力已經(jīng)達(dá)到250℃溫度，說明乳化劑、降濾失劑優(yōu)選是成功的，抗高溫油包水鉆井液配方指標(biāo)滿足工藝要求。

4 結(jié)論

要使乳狀液穩(wěn)定，乳化劑必須能在油水界面上形成牢固的楔型定向吸附；油水比要合適，乳化劑的量要足夠；乳狀液液珠之間必須加入能夠增大合并阻力與排斥力的物質(zhì)。乳狀液中的界面膜若存在有兩種能夠互相形成“復(fù)合物”的乳化劑時(shí)，則會(huì)大大地增強(qiáng)表面活性，提高膜的強(qiáng)度。在乳狀液中除了水溶乳化劑外，再加入一些能與此表面活性物化合的油溶物，就能得到較強(qiáng)的表面膜。其原因是在表面吸附層中，表面活性劑分子（或離子）與極性有機(jī)物相互作用而結(jié)合成較為牢固的“復(fù)合物”，使表面 膜的強(qiáng)度增加。

表5 室內(nèi)配制油包水鉆井液抗250℃高溫性能實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)