國內抗高溫乳化劑研究進展與應用

趙遠遠，周書勝，嚴銳，可點，鄧亞慧

國內抗高溫乳化劑研究進展與應用

趙遠遠1，周書勝2，嚴銳2，可點2，鄧亞慧2

（1. 中海油田服務股份有限公司油田化學事業部, 廣東 深圳 518000； 2. 荊州嘉華科技有限公司，湖北 荊州 434000）

為了保障油氣能源供給，深部油氣藏逐步鉆采。高溫下，油基鉆井液乳化劑分子運動活躍性提高，乳化劑分子斷裂幾率增大，降低了分子間的互相作用力以及破環了其氫鍵作用，使乳化劑失去乳化能力，從而破壞油基鉆井液的流變性以及護壁能力。綜述了常見的3種類型抗高溫乳化劑研究進展以及抗高溫乳化劑配制的油基鉆井液現場應用，為抗高溫油基鉆井液的發展提供思路。

油基鉆井液；乳化劑；抗高溫性能；流變性

工業發展促使能源消耗增長，油氣資源供給為國家安全、經濟發展提供基礎保障[1]。隨著油氣資源鉆采力度增加，國內高溫深井（溫度超過170 ℃、井深超過5 000 m），油氣埋藏深、溫度梯度大使儲層溫度高，增大了鉆采難度，并對鉆井液技術提出挑戰[2]。油基鉆井液使鉆具與套管、井壁摩阻、鉆井扭矩降低，具有護壁性能強以及抗侵污性能優異等優點。其現場使用便捷、性能維護工作量小，上述幾大優勢使其廣泛應用于各油田復雜井[3-6]。油基鉆井液乳化劑的作用為：定向吸附在油水界面上形成牢固的界面膜，降低界面張力，阻止分散在油中的水相聚集成大液滴。乳化劑使乳狀液穩定，親油膠體物質如有機土、降濾失劑以及封堵劑才能在界面上形成具有一定強度的網架結構[7]。高溫條件下，乳化劑分子運動活躍性提高，乳化劑分子中鍵能較小的鏈接鍵（醚鍵R—O—R）易斷裂，降低了分子間的互相作用力以及破環了其氫鍵作用，使乳化劑失去乳化能力，甚至乳狀液出現破乳現象，無法懸浮重晶石，使鉆井事故風險大大提高[8]。乳化劑性能對油基鉆井液穩定性起到決定性作用。筆者從最為常見的3種類型抗高溫乳化劑研究進展以及抗高溫乳化劑配制的油基鉆井液現場應用進行闡述，以期為后續抗高溫油基鉆井液發展提供參考。

1 抗高溫乳化劑研究進展

1.1 油基鉆井液有機酰胺類乳化劑

有機酰胺類乳化劑分子的酰胺基親水性以及長碳鏈的親油性可定向吸附在油水界面上[9]，加量小，可顯著地降低界面張力，形成的界面膜強度高，具有很強抗溫性能以及乳化性能。王茂功[10]等為解決乳化劑抗高溫性能，避免高溫下乳化劑受高溫失效導致重晶石析，為此以有機酸NAA與具有多鏈狀有機胺NAM為原料合成“梳型弧狀”乳化劑。由該乳化劑配制的油基鉆井液在150～220 ℃老化條件下泥漿均勻，破乳電壓大于1 000 V，未出現析油現象，保持著較好的流變性，這表明油基鉆井液在高溫下性能穩定。王旭東[11]等采用有機酸、二氯亞砜以及二乙烯三胺為原料合成低聚型酰胺類非離子型的乳化劑。1份二乙烯三胺含有3個胺基，可以與3份有機酸反應，使該乳化劑具有3個酰胺基，使其在水相吸附能力提高；該乳化劑具有“梳型”長碳鏈，有機碳鏈之間互相作用使其乳化劑的抗溫性能提高，增強油水界面膜的強度。乳化劑依靠分子間、氫鍵作用力使其乳化性能提高，并提高分子內剛性，造成空間位阻，使其抗高溫性增強。由該乳化劑配制的油基鉆井液在高溫下老化前后的流變性變化較小，使鉆井液在密度上調整空間大，并具有良好的抗侵污性能。孫金聲[12]等采用脂肪酸多胺與脂肪酸發生酰胺化反應（R—CONH2），脂肪酸多胺中未參加酰胺化反應的胺基再與二酸反應制備乳化劑，在提切劑 RM作用下可形成弱凝膠結構，氫鍵使乳狀液之間的作用力增強，形成無土相油基鉆井液體系。該體系黏度小，有利于縮短鉆井周期，在220 ℃高溫下老化后，高溫高壓濾失量在可接受范圍內。對于傳統有土相油基鉆井液體系而言，該體系對儲層傷害小、鉆時快。邵寧[13]通過妥爾油脂肪酸Y05（含有不飽和簡單油酸、亞油酸以及松香酸）與有機胺、二元酸酐反應，引入親水性能強的基團酰胺基以及羧基，制備出聚酰胺羧酸類乳化劑，該乳化劑在不同油水比下均表現出優異的乳化性能，使油水界面張力降低至0.8 mN·m-1，用其配制油基鉆井液可抗200 ℃高溫，表現出良好的流變性能以及強抑制性能。有機酰胺類乳化劑合成工藝簡單，乳化性能強，可抗高溫，通過優化分子設計使其具有良好的應用前景。

1.2 油基鉆井液磺酸類乳化劑

油基鉆井液乳化劑分子含有磺酸基，該基團具有很強的水化能力，可使乳化劑抗高溫。馮建建[14]等通過醚化反應、磺化反應以及中和反應合成雙醚雙苯磺酸鹽雙子表面活性劑，該乳化劑具有優異的乳化性能以及抗鹽性能，使乳狀液穩定性提高，且受pH值影響小。該乳化劑配制的油基鉆井液破乳電壓超過1 000 V，抗鹽、抗鉆屑侵污性能強，并具有良好的流變性，動塑比為0.42，其攜巖效率高，能抗200 ℃高溫，且已在新疆油田應用。梁大川[15]等以十二烷基苯磺酸納（ABS）為輔乳乳化劑與主乳化劑復配配制油基油基鉆井液，在ABS作用下，可增強乳狀液界面膜強度，提高鉆井液的穩定性以及抗高溫性能。該油基鉆井液在180 ℃高溫老化后，該體系破乳電壓大于2 000 V，泥漿均勻，未出現重晶石沉降問題，表明該體系具有優異的抗溫性能。涂銳[16]通過氯化反應、烷基化反應以及磺化反應制備磺酸類乳化劑，其合成工藝條件簡單，產率較高，該乳化劑在不同油水比下乳化效果好，形成的乳狀液滴粒徑小、穩定性高，由其配制的油基鉆井液具有良好的流變性能，在180 ℃熱滾下高溫高壓濾失量只有4.2 mL，并能抗15%劣質土侵污。羅飛[17]采用磺基甜菜堿型兩性離子作為油基鉆井液乳化劑，在180～210 ℃老化條件下仍具有良好的流變性，且破乳電壓高，表明在高溫老化下穩定性強。杜坤[18]采用雙酚F、氯磺酸、乙醇胺為原料合成磺酸類乳化劑NGE-1，分子中的乙醇胺基和磺酸基親水性強，并造成空間位阻，提高分子的剛性，使乳化劑定向致密吸附在油水界面上，達到抗高溫性能，在200 ℃高溫下老化72 h后性能穩定。常見的磺酸基團雖有抗鹽、抗高溫性能以及強親水性，但由于其環保性較差，因此常不作為首選基團。

1.3 油基鉆井液羧酸類乳化劑

長碳鏈羧酸分子中含有羧酸基團，具有強親水性，屬于一種抗高溫乳化劑，由于其“棒狀”結構，非“梳型”結構，其乳化性能較差，常通過化學改性提高其乳化性能。韓秀貞[19]等采用脂肪酸、環氧氯丙烷以及四甲基丁二胺為原料合成Gemini表面活性劑，該結構可降低基團之間的斥力，提高界面膜強度，使乳狀液微小、均勻分布，使乳狀液穩定性提高。由其配制的油基鉆井液具有低黏高切的流變性，提高鉆時，降低鉆井過程中造成的激動壓力，可確保鉆屑及時返出井眼。覃勇[20]等采用馬來酸酐改性妥爾油脂肪酸制備乳化劑HT-MUL，該乳化劑配制的油基鉆井液乳化率高，與哈里伯頓乳化劑性能相當，在超過200 ℃老化條件下，破乳電壓仍大于800 V，高溫高壓濾失量小于4 mL。唐國旺[21]采用羧酸類化合物作為乳化劑，該乳化劑在250 ℃高溫下才開始分解，穩定性高，由其配制鉆井液在180 ℃高溫下乳化率超過85%，并在焦頁195-1HF井成功應用，鉆井過程中濾失量小于2 mL，能保持低黏高切的流變性能，具有良好的應用前景。

2 抗高溫油基鉆井液現場應用

油基鉆井液在現場應用效果較好[22]，水葡深1井為大慶油田一口重要探井，其井深5 500 m，實際地層溫度為219 ℃，優選抗高溫乳化劑配制的油基鉆井液在該井成功應用。鉆進過程中，抗高溫油基鉆井液破乳電壓大于2 000 V，濾失量小，具有良好的流變性能以及抑制性，井眼擴大率小[23]。大慶油田GL區塊GS-3井為一口高風險的探井，該井穩定梯度大，井底溫度為200 ℃，抗高溫油基鉆井液在該井成功應用，鉆進過程中，井眼規則，井眼擴大率小于6%，且無井下復雜情況發生[24]。東北石油大學研制出抗高溫乳化劑，由其配制的油基鉆井液可抗180 ℃高溫，先后在徐深6-c211 井、齊 平2-平10 井和葡 34-平 10 井應用成功，施工順利，現場實驗效果較好[25]。中國石油大學通過室內研制抗高溫乳化劑，配制成抗高溫油基鉆井液可抗200 ℃溫度，并成功應用于克深1101井，鉆進過程中，成功解決了深部地層阻卡、井壁失穩問題，打破國外公司技術壟斷[26]。川慶鉆探工程有限公司研發出抗高溫油基鉆井液，并成功應用于井底溫度為203 ℃的塔探1井，鉆進過程中流變性、沉降穩定性良好，滿足超深井現場施工要求[27]。

3 結束語

由于高溫深部油氣藏開采過程中，對鉆井液技術要求高，其原因為：高溫易使油基鉆井液處理劑分子斷裂，那么油基鉆井液易失去攜巖、護壁能力。抗高溫乳化劑是油基鉆井液性能穩定的核心技術。目前國內乳化劑種類眾多，但被學者們重視研究以及現場應用的乳化劑甚少，被研究以及現場應用的乳化劑主要為“梳型”乳化劑以及Gemini雙子乳化劑，由此類乳化劑配制油基鉆井液逐步代替國外公司（麥克巴、哈利伯頓）油基鉆井液體系。

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Research Progress and Application of High Temperature Resistant Emulsifiers in China

1,2,2,2,2

（1. COSL Oilfield Chemistry Division, Shenzhen Guangdong 518000, China; 2. Jingzhou Jiahua Technology Co., Ltd., Jingzhou Hubei 434000, China）

In order to ensure the supply of oil and gas energy, deep oil and gas reservoirs were gradually drilled and produced. At high temperature, the molecular movement activity of emulsifier in oil based drilling fluid can be improved, and the probability of emulsifier molecular fracture can be increased, which will reduce the interaction force between molecules and break its hydrogen bond effect, so that the emulsifier will lost its emulsifying ability, and it can damage the rheological properties and wall protection ability of oil based drilling fluid. In this paper, the research progress of three types of HT-resistant emulsifiers and the field application of HT-resistant oil drilling fluids prepared by HT-resistant emulsifiers were reviewed to improve the thinking for the development of HT-resistant oil drilling fluids.

Oil based drilling fluid; Emulsifier; High temperature resistance; Rheological properties

2021-04-16

趙遠遠（1984-），男，四川省南充市人，工程師，2015年畢業于長江大學石油工程專業，研究方向：油田應用化學。

TE254

A

1004-0935（2021）11-1715-03