抗高溫合成基鉆井液用乳化劑的研究

王旭東

(中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東 東營 257000)

由于連續相是油，油基(油包水型)鉆井液具有抑制性強、抗溫能力強、潤滑性好、油氣層保護效果好、抗污染能力強以及等優點，因此在水敏性地層、高溫地層等復雜地層具有廣泛的應用[1-2]。根據油相不同，油基鉆井液可分為柴油基鉆井液、白油基鉆井液和合成基鉆井液。和柴油/白油基鉆井液相比，合成基鉆井液毒性低、環保性能更好，具有廣闊的發展前景。但是合成基鉆井液基礎油分子鏈短、分子間作用力弱，乳化難度大，特別是抗高溫的乳化劑還達不到要求，限制了其在現場的應用[3-4]。本文通過研制高性能乳化劑，形成了一套抗高溫合成基鉆井液體系，為合成基鉆井液的推廣應用提供了技術支撐。

1 乳化劑的研制

油包水型的合成基鉆井液本質上是不穩定的乳狀液體系，維持乳狀液的穩定性，特別是在高溫條件下的穩定性是建立抗高溫合成基鉆井液的核心問題[5]。合成基基礎油的分子鏈短，分子間作用力弱，常規乳化劑的乳化效果差，為了得到穩定的乳狀液，引入了低聚型表面活性劑作為合成基鉆井液的乳化劑[6]。

1.1 制備方法

將與合成基基礎油具有較好相溶性的有機酸和具有特殊結構的有機胺加入到燒瓶中，氮氣保護，并加入催化劑，于一定溫度下通過酰胺化反應生成低聚型酰胺類乳化劑，除去水分后，加入司盤80和吐溫80的混合物，攪拌均勻，即為研制的乳化劑，代號為SLH-3。

1.2 作用原理

該乳化劑分子中引入了酰胺基，增強了其在油水界面的吸附能力，提高了該乳化劑的乳化能力。該乳化劑屬于低聚型表面活性劑，由于其特殊的分子結構，該乳化劑分子在油水界面聚集吸附時，同時存在烷基鏈之間的分子內相互作用和依靠氫鍵而形成的分子間相互作用，極大地提高了其構建和穩定油包水乳狀液的能力[6]。此外，該乳化劑屬于非離子型的乳化劑，和其它處理劑的配伍性較好。

2 乳化劑的性能評價

2.1 評價方法

量取210 mL合成基的基礎油，在水浴加熱(50℃)、攪拌條件下加入3%的乳化劑SLH-3， 待SLH-3完全溶解后，加入90 mL的水(20%的CaCl2溶液)，繼續攪拌20 min，得到油包水乳狀液。通過評價乳狀液的穩定性來評價乳化劑的性能[7]。

破乳電壓法：將電穩定性測試儀的探頭置于盛有乳狀液的漿杯中，記錄并求出兩次測量結果的平均值，兩次讀值之差不得超過5%；乳化率評價法：將一定體積(V，mL)的乳狀液倒入量筒中，靜置觀察并讀取2 h 分離出油相的體積(V1，mL)，乳化率W=(V-V1)/V×100%；離心評價法：在帶刻度的離心管中加入10mL 乳狀液，在2000 r /min 的轉速下離心5 min，測定離心試管中分離出液體的體積。上部清液的體積(析液量，ΔV)越小，說明乳狀液越穩定；高溫老化評價法：將乳狀液倒入高溫老化罐中，在一定溫度下老化16 h，之后測試乳狀液的性能，可以評價乳狀液的高溫穩定性。

2.2 評價結果

利用破乳電壓法、乳化率評價法和離心評價法測試了所配制乳狀液在不同溫度老化前后的穩定性，結果如表1所示。

表1 不同溫度老化之后乳狀液的性能測試(50℃)

注：乳狀液組成：210 mL合成基+90 mL 20%的CaCl2水溶液+3%的SLH-3。

由表1可見，220℃老化16 h之后，乳狀液的破乳電壓值在800 V以上，說明乳狀液的電穩定性優異；2 h的乳化率大于90%，說明乳化劑分子在油水界面上形成了界面膜結構，能夠阻止油的析出；析液量小于0.8 mL，說明乳化劑分子形成的界面膜強度高，能夠阻止較強外力對乳狀液穩定性的破壞。隨著老化溫度的增加，乳狀液的穩定性呈現先上升后下降的趨勢，這是因為老化溫度低于150℃時，溫度升高促進了乳化劑在油水界面上的吸附，增強了界面膜的強度，提高了其穩定性；當老化溫度大于180℃后，繼續提高溫度，過高的溫度會導致乳化劑分子在油水界面上的解吸附，降低乳狀液的穩定性。當老化溫度達到220℃時，乳狀液的穩定性仍然保持在較高的水平上，說明研制的乳化劑在高溫條件下仍然具有良好的乳化能力，能夠滿足配制抗高溫合成基鉆井液的需要。此外，該乳狀液在水相含量達到30%時具有很好的穩定性，說明研制的乳化劑對合成基基礎油的乳化能力很強，由于水相含量的增加，可以有效降低合成基鉆井液使用的成本。

3 抗高溫合成基鉆井液

3.1 抗高溫合成基鉆井液的基礎配方

在研制高性能乳化劑SLH-3的基礎上，優選抗高溫的其他處理劑(有機土、降濾失劑、潤濕劑、抗高溫封堵劑等)，建立了抗高溫合成基鉆井液基礎配方：合成基基礎油(210 mL)+20%的CaCl2水溶液90 mL+3%乳化劑SLH-3+3%有機土+4%降濾失劑+3%潤濕劑+1%抗高溫封堵劑+2%的堿度調節劑(CaO)+重晶石(鉆井液體系密度范圍0.9 ～1.5 g/cm3)。

3.2 抗高溫合成基鉆井液的性能

測試合成基鉆井液在高溫老化前后的流變性能、電穩定性以及不同條件下的濾失量：室溫中壓濾失量(FLAPI，室溫，0.7 MPa)和高溫高壓濾失量(FLHTHP，150℃，3.5 MPa)。

抗高溫合成基鉆井液的性能詳見表2。

表2 不同溫度老化后合成基鉆井液的性能(50℃)

由表2的數據可知，加入有機土、降濾失劑、潤濕劑和抗高溫封堵劑等配套處理劑后，體系的破乳電壓增大，說明優選的處理劑與乳化劑具有較好的配伍性，能夠增強體系的穩定性。配制的合成基鉆井液老化前后塑性粘度較低、動切力較高，動/塑比保持在較高的水平，流變性能優異，體系的API濾失量小于2.0 mL，HTHP濾失量小于10 mL，說明優選的降濾失劑效果良好。220℃老化之后，體系的性能變化不大，說明該體系具有優異的抗溫能力，能抗220℃的高溫。

3.3 抗污染能力評價

對體系的抗污染能力進行了評價，評價結果詳見表3。由表3的數據可知，在本文研制的合成基鉆井液體系中加入3%的NaCl 、2%的CaCl2、10%的水和20%的鉆屑后，塑性粘度、動切力、破乳電壓和濾失量等關鍵指標沒有出現明顯的惡化，主要性能能夠滿足現場應用的要求，說明體系抗污染能力強。

表3 體系抗污染能力評價結果

4 結論

(1)通過酰胺化反應合成了適合合成基使用的低聚型酰胺類乳化劑，該乳化劑結構特殊，性能優異，在高溫(220℃)下仍然能夠保持較好的乳化效果。

(2)以研制的乳化劑為基礎，優選其它處理劑，構建了抗高溫合成基鉆井液體系。在50～220℃范圍內，該體系穩定性好，流變性能優異，濾失量低，抗污染能力強，能夠滿足現場高溫地層鉆探的需要。