油包水鉆井液用乳化劑的研制

余越琳，蒲曉林，易偲文，劉 鷺，李紅冀

（西南石油大學 油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室，四川 成都 610500）

油包水鉆井液用乳化劑的研制

余越琳，蒲曉林，易偲文，劉 鷺，李紅冀

（西南石油大學 油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室，四川 成都 610500）

為提高油包水鉆井液的穩定性，采用有機酸、烷醇酰胺和聚醚羧酸鹽3種表面活性劑制備了一種新型抗高溫乳化劑YJR-1。采用破乳電壓法和近紅外掃描法評價了YJR-1的乳化性能，并考察了YJR-1的抗高溫老化性能和油水比對其乳化效果的影響，分析了YJR-1的作用機理。實驗結果表明，YJR-1的乳化性能良好，能抗200 ℃高溫陳化；隨油水比的減小，其乳化性能未明顯降低，所配制的油水體積比為6∶4的鉆井液在150 ℃下老化16 h后，破乳電壓仍達302 V。YJR-1主要通過大幅度降低油水界面張力，并在油水界面形成高強度的界面膜來維持鉆井液體系的穩定性。

油包水鉆井液；抗高溫；乳化劑

油包水鉆井液由于外相為油，因而具有較好的潤滑性，且適于鉆水敏性地層；另外還具有抗高溫性能好、濾失量低、井壁穩定能力強、抗鹽鈣侵和保護油氣層效果好等優點，因而常用于鉆高溫深井、大斜度定向井、水平井和各種復雜地層［1］。

從熱力學觀點分析，油包水鉆井液屬于不穩定體系，在鉆井過程中始終存在乳化失效的危險，使乳狀液失去穩定性。而乳狀液穩定性的關鍵在于乳化劑的特性和高溫穩定性，以及與其他處理劑的配伍性［2］。目前，國內油基鉆井液所應用的乳化劑種類還較缺乏。

本工作利用有機酸、烷醇酰胺和聚醚羧酸鹽3種表面活性劑，研制出一種價廉、無毒的新型乳化劑YJR-1，采用破乳電壓法和近紅外掃描法評價了YJR-1的乳化性能，并分析了其作用機理。

1 實驗部分

1.1 主要試劑

有機酸、油酸、十二烷基苯磺酸鈉、無水CaCl2、CaO：分析純，成都市科龍化工試劑廠；烷醇酰胺：工業品，海安縣國力化工有限公司；聚醚羧酸鹽：工業品，青島長興化工有限公司；乳化劑PF：工業品，天津中海油服化學有限公司；乳化劑WO：工業品，固安恒科信石油化工有限公司；乳化劑FB、有機土、降濾失劑：工業品，新鄉市富邦科技有限公司；0#柴油：工業品，市售。

1.2 實驗方法

1.2.1 乳化劑YJR-1的制備

采用油酸和十二烷基苯磺酸鈉配成一系列不同親水親油平衡（HLB）值的乳化劑，取其等量在相同條件下配制成多份柴油-鹽水（20%（w）CaCl2）乳狀液，利用“鐘形曲線法”確定體系乳化所需的最佳HLB值［3］。設定有機酸的質量分數分別為0，0.5%，1%，……，4%，根據乳化劑的總質量分數（4%）和最佳HLB值，計算出對應的烷醇酰胺和聚醚羧酸鹽的含量，以此獲得多組乳化劑配方。采用以上配方配制不同的油包水乳狀液，破乳電壓最大的體系對應乳化性能最優的乳化劑，將其命名為乳化劑YJR-1。

1.2.2 油包水鉆井液的配制

用量筒量取一定量的0#柴油，與乳化劑混合均勻后，將20%（w）CaCl2水溶液緩慢倒入其中，以12 000 r/min的轉速攪拌20 min，再加入有機土、降濾失劑和CaO等處理劑，以12 000 r/min的轉速攪拌10 min，即得油包水鉆井液。

1.2.3 破乳電壓的測定

采用DWY型電穩定性測試儀（青島同春石油儀器有限公司）測定試樣的破乳電壓。將試樣倒入（50±2）℃的恒溫杯中，手持電極探頭攪拌試樣約10 s后，進行兩次測量，兩次破乳電壓讀數之差不得超過5%，記錄兩次測量的平均值［4］。

1.2.4 近紅外掃描測試

采用MA-2000型近紅外掃描分散穩定性分析儀（FORMULACTION公司）進行近紅外掃描測試。將攪拌好的試樣倒入干燥的試管中， 然后將試管放入掃描儀中，打開隨機軟件Turbiscan Soft［5］進行掃描，設定掃描高度為75 mm，掃描時間為2 h，間隔時間為10 min。

1.2.5 界面張力的測定

采用旋轉滴超低界面張力儀（北京哈科實驗儀器廠）測定試樣的界面張力。測量溫度為30 ℃，測量結果取3次測量的平均值［6］。

1.2.6 界面黏彈性的測定

采用CIR100型界面流變儀（CAMTEL公司）測定試樣的界面黏彈性。將界面流變儀調整至水平后，外接循環水浴，調溫至30 ℃，然后設定掃描頻率為1 Hz，掃描時間為3 600 s，掃描次數為60次，待油水體系平衡1 h后，開始測量。

2 結果與討論

2.1 乳化劑YJR-1的乳化性能

乳化劑的乳化能力可通過測定其配制的乳狀液穩定性來評價。而乳狀液的穩定性一般采用兩種方法來評價：一是破乳電壓法；二是利用高速離心沉降法測定其分層速度。當乳狀液中加入加重材料或深色添加劑時，第二種方法效果很差［7］。因此，本工作采用破乳電壓法和近紅外掃描法來評價油包水乳狀液的穩定性，并將這兩種方法的實驗結果進行了對比。

2.1.1 破乳電壓法

破乳電壓法是考察乳狀液穩定性常用的方法［8］。破乳電壓越高，乳狀液的穩定性越好，說明乳化劑的乳化性能越好。本實驗選用4種乳化劑（YJR-1，FB，PF，WO），配制成4種乳狀液，分別測定其老化前后的破乳電壓，實驗結果見表1。

表1 不同乳狀液的破乳電壓Table 1 Breaking voltage of different emulsions

由表1可看出，老化前后4種乳狀液的破乳電壓不同，在4種乳化劑中，老化前后乳化劑YJR-1的破乳電壓均最高。根據破乳電壓的大小，可得出對應乳化劑老化前的乳化能力大小順序為：YJR-1＞FB＞WO＞PF；老化后的乳化能力大小順序為：YJR-1＞WO＞PF＞FB。說明乳化劑YJR-1老化前后均具有良好的乳化性能。

2.1.2 近紅外掃描法

近紅外掃描分散穩定性分析儀主要用于分析流體的光學分散特性［9-10］，其測定原理為不同流體對光線有不同的透射率和反射率，同一種流體的穩定性隨時間而變化，對光線的透射率和反射率也不同［4］。通過近紅外掃描，可測定出乳狀液穩定性隨時間的變化，從而評價乳化劑的乳化性能。圖1是 上述4種乳狀液老化后的近紅外掃描圖。

圖1 不同乳狀液老化后的近紅外掃描圖Fig.1 Near infrared scanning of the different emulsions after aging.Formula and aging conditions referred to Table 1.Scanning time/min：—— 0；—— 10；—— 20；—— 30；—— 40；—— 50；—— 60；—— 70；—— 80；—— 90；—— 100；—— 110；—— 120

從圖1可看出，在120 min內，4種乳狀液的穩定性均隨時間的延長而下降，且均有分層現象。其中，乳化劑YJR-1所配制的乳狀液上部浮油量最少，且下部液體的穩定性變化程度最低，說明乳化劑YJR-1的乳化效果最好；其次是乳化劑WO和PF；乳化劑FB的乳化性能最差。該結果與破乳電壓法的評價結果一致。

2.2 乳化劑YJR-1的抗高溫陳化性能

乳化劑的抗高溫陳化性能反映了乳化劑在高溫長時間作用后乳化效果的變化，與乳化劑的抗高溫降解和解吸的能力有關。圖2是乳化劑YJR-1配制的乳狀液的破乳電壓與老化溫度的關系。

從圖2可看出，乳狀液在120～200 ℃下老化后的破乳電壓基本保持穩定，而在210～220 ℃下老化后的破乳電壓明顯下降。這與乳化劑YJR-1自身所帶基團的抗高溫性能有關。當老化溫度為210 ℃時，乳化劑YJR-1可能發生裂解，開始從油水界面解吸，使水滴聚集變大，表現為乳狀液穩定性下降。因此，乳化劑YJR-1的抗高溫陳化溫度最高為200 ℃。

2.3 油水比對乳化劑YJR-1乳化性能的影響

油水比對油基鉆井液的穩定性影響很大［11］，通常隨油量的減少，體系的穩定性降低，降低程度與乳化劑在不同油水比鉆井液中的乳化性能有關。為考察油水比對乳化劑YJR-1乳化性能的影響，配制了4種不同油水比的油包水鉆井液，測定其老化前后的性能，測定結果見表2。由表2可看出，隨油水比的減小，鉆井液的穩定性下降，表觀黏度和塑性黏度明顯增大，屈服點和凝膠強度明顯提高。但當油水體積比為6∶4時，鉆井液仍具有良好的流變性和穩定性，其老化后的破乳電壓仍達到302 V，說明乳化劑YJR-1的乳化性能未受油量的減少而大幅降低。在實際生產過程中，在保證油基鉆井液穩定性的前提下，盡量降低油水比，可大幅降低生產成本。

圖2 乳化劑YJR-1配制的乳狀液的破乳電壓與老化溫度的關系Fig.2 Relationship between the breaking voltage and aging temperature of emulsion with emulsifer YJR-1.Formula：240 mL 0#diesel + 60 mL solution of 20%(w)CaCl2+ 4%(w)emulsifer YJR-1. Aging time 16 h.

表2 不同油水比的油包水鉆井液的性能Table 2 Performances of water-in-oil drilling fuids with different oil-water ratio

2.4 乳化劑YJR-1的作用機理分析

乳化劑主要是通過吸附在油水界面且在降低油水界面張力的同時形成一定強度的界面膜，從而對分散液滴進行保護，使其在相互碰撞后不易并聚。復配型乳化劑較單一乳化劑可能存在的優勢主要有：1）不同結構的表面活性劑組成的復配體系不僅可以形成多種多樣的體相締合結構，而且可通過增效作用增強組合物吸附的效力，產生非常低的界面張力；2）形成具有協同作用的表面活性劑“復合物”，增強油水界面的強度［12］。因此，從以下兩個方面分析復配型乳化劑YJR-1對油包水乳狀液的作用機理。

2.4.1 降低油水界面張力

乳狀液存在很大的相界面，即體系有較高的界面能。在界面面積相等的情況下，乳化劑的加入能降低油水界面的界面張力，降低體系的界面能，使體系易于乳化，且有利于增加體系的熱力學穩定性。表3為加入不同的乳化劑后，柴油和水的界面張力數據。從表3可看出，乳化劑YJR-1和FB能大幅降低油水界面張力，這是乳化劑具有很好乳化性能的因素之一。

表3 加入不同乳化劑后柴油和水的界面張力數據Table 3 Interfacial tension between diesel and water with different emulsifers

2.4.2 形成高強度的界面膜

乳狀液的穩定性在很大程度上取決于油水界面膜的強度，因此界面膜強度越大，界面膜越穩定，則乳狀液越穩定［13-14］。界面膜強度可通過測定乳化劑的界面黏彈性來評價。圖3為4種乳化劑在柴油-水體系中的界面黏彈性。

圖3 不同乳化劑在柴油-水體系中的界面黏彈性Fig. 3 Interfacial viscoelasticity of different emulsifers in diesel-water system.Formula referred to Table 3.G′：modulus of elasticity.Emulsifer：● YJR-1；■ FB；▲ WO；▲PF

從圖3可看出，不同乳化劑的界面黏彈性大小順序為：YJR-1＞FB＞WO＞PF，這與乳化劑在老化前的乳化能力大小順序一致。乳化劑YJR-1的界面黏彈性最大，在油水界面形成的界面膜強度也最大，因此所配制的乳狀液最穩定。這是由于乳化劑YJR-1是選用離子型和非離子型乳化劑復配，而離子型表面活性劑的界面效率高但界面密度低，非離子型表面活性劑的界面密度高但界面效率低［15］，因此乳化劑YJR-1在兼顧界面效率的同時，保證了一定的界面密度。而界面密度越大，說明乳化劑分子在界面排列的越緊密，所形成的界面膜強度也越大。此外，乳化劑YJR-1中含有的酰胺基、羥基、羧基和醚鍵能相互形成氫鍵，使其結合為較牢固的“復合物”，大幅提高了界面膜的強度。

3 結論

1）采用3種表面活性劑研制出一種新型乳化劑YJR-1，通過破乳電壓法和近紅外掃描法評價了其乳化效果，評價結果表明，該乳化劑具有良好的乳化性能。

2）乳化劑YJR-1具有良好的抗高溫陳化能力，抗高溫陳化溫度高達200 ℃。

3）在低油水比的鉆井液中，乳化劑YJR-1仍能表現出良好的乳化性能。當鉆井液的油水體積比為6∶4時，在150 ℃下老化16 h后的破乳電壓為302 V。

4）乳化劑YJR-1主要是通過大幅降低油水界面張力，并在油水界面形成高強度的界面膜來維持油包水鉆井液的穩定性。

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（編輯 安 靜）

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Preparation of an Emulsifier for Water-in-Oil Drilling Fluid

Yu Yuelin，Pu Xiaolin，Yi Siwen，Liu Lu，Li Hongji
（State Key Laboratory of Oil-Gas Reservoir Geology & Exploitation，Southwest Petroleum University，Chengdu Sichuan 610500，China）

A novel emulsifier YJR-1 with heat resistance was prepared from three surfactants，namely organic acid， alkanolamide and polyether carboxylate，to improve the stability of water-in-oil drilling fuid. The emulsifcation performances of YJR-1 were evaluated by means of emulsion breaking voltage and near infrared scanning methods. The heat resistance of YJR-1 and the influence of the ratio of oil to water on the emulsifcation performances of YJR-1 were investigated. The emulsifcation mechanism of YJR-1 was also analyzed. The results showed that the emulsifier YJR-1 had a good performance in the emulsifcation and could be heat resistant at 200 ℃. With decreasing the ratio of oil to water，the emulsifcation performance of YJR-1 didn’t reduce evidently. The emulsion breaking voltage of the drilling fuid with volume ratio of oil to water of 6∶4 prepared with YJR-1 could reach 302 V after aging at 150 ℃ for 16 h. The emulsifer YJR-1 can keep the stability of the drilling fuid mainly by reducing oil-water interfacial tension and forming high strength interface flm.

water-in-oil drilling fuid；heat resistance；emulsifer

1000 - 8144（2014）01 - 0068 - 06

TQ 423.92

A

2013 - 07 - 02；［修改稿日期］ 2013 - 10 - 09。

余越琳（1989—），女，四川省內江市人，碩士生，電話 15008420968，電郵 499657028@qq.com。

國家重點基礎研究發展計劃項目（2013CB228003）。